近年来，我国北方极端暴雨频发，土壤侵蚀严重，影响水土资源高效利用，给农业生产和社会稳定带来了极大挑战^[1]。因此，开展极端暴雨下的土壤侵蚀特征研究，提出应对极端气候的科学合理措施，减轻暴雨下的水土流失，对于中国北方的水土保持工作具有重要意义。

对于极端暴雨下的土壤侵蚀特征研究，已有大量成果积累。2012年，陕西佳县发生极端暴雨事件，不同土地利用类型中均遭受了严重的土壤侵蚀，植被盖度、植被物种多样性等因素在抵御暴雨侵蚀方面具有重要作用^[2]。2017年，陕西榆林在特大暴雨影响下，坡耕地沟蚀严重，并且随着坡度增大沟蚀强度加剧^[3]；2019年山东临朐受“利奇马”台风影响发生极端暴雨，坡耕地、梯田、道路侵蚀严重，排水和农业措施在一定程度上可减低土壤侵蚀强度^[4]。多次极端暴雨事件表明，现有水土保持措施难以完全抵御大暴雨乃至特大暴雨造成的土壤侵蚀灾害。但是，不同区域在极端暴雨下土壤侵蚀有何异同，还缺乏深入对比探讨，制约了水土保持措施的分区精准施策。2023年，受“杜苏芮”台风影响，我国北方土石山区、黄土区发生了大范围极端强降雨事件，导致各区域内不同土地利用类型用地均遭受了严重土壤侵蚀。这一事件为研究不同区域的土壤侵蚀特征差异提供了实证条件。

为此，笔者通过对河北井陉（土石山区）、山西灵丘（土石山区−黄土区过渡区）、陕西彬州（黄土区）典型小流域的土壤侵蚀特征进行实地调查，探究大范围极端暴雨造成的土壤侵蚀的区域差异与原因，提出不同区域的应对策略，以期为我国北方地区土壤侵蚀灾害防治提供科学依据。

2023年7月28日，第5号台风“杜苏芮”在福建晋江登陆后北上，在其低压环流长时间维持的影响下，我国黄淮、华北等地出现历史极端暴雨天气。大范围降雨覆盖北方土石山区、黄土区等区域。为揭示不同区域之间在极端暴雨影响下的土壤侵蚀特征差异，分别选取了河北井陉县（土石山区）、山西灵丘县（过渡区）和陕西彬州市（黄土区）为研究对象（见图1）。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区域图 Fig. 1 Study area map

土石山区小流域（E 113°48′～114°18′, N 37°42′～38°13′）面积为2.56 km²，单日最大降雨量达到438.6 mm。小流域内地形起伏不平，河谷和盆地分布不规则。主要土壤类型为褐土，占总土地面积的98.76%。农田的比例为51.48%，土地利用类型主要是梯田。玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、藤长苗（Calystegia pellita）和大豆（Glycine max）是主要作物。主要植物包括杉木（Gunninghamia lanceolata）、青甘杨（Populus przewalskii）、牡荆（Vitex negundo var. cannabifolia）、狗尾草（Setaria viridis）和水蛇麻（Fatoua villosa）。

过渡区小流域（E 114°20′～114°23′, N 39°10′～39°12′）面积为0.92 km²，单日最大降雨量214.5 mm。小流域内地形破碎，沟壑纵横，主要土壤类型为褐土和黄土。土地利用类型为坡耕地、道路和梯田等，主要作物包括玉米和胡桃（Juglans regia）。主要植物包括青甘杨、油松（Pinus tabulaeformis）、艾（Artemisia argyi）和狗尾草。而灵丘县地处黄土高原，位于五台、太行、恒山3大山脉余脉的交接之处，由于各大山脉所处造山构造阶段不同，因而境内地质非常复杂。境内土石山区占85.8%，黄土丘陵占8.0%，平川占6.2%。

黄土区小流域（E 107°52′～107°53′, N 35°01′～35°02′）面积为1.04 km²。小流域内分布许多深谷，单日最大降雨量为216.4 mm，主要土壤类型为黄土，其松散且抗蚀能力较差。土地利用类型主要是坡耕地、道路和梯田等。主要作物包括玉米、大豆、芝麻（Sesamum indicum）、苹果（Malus pumila）和粟（Setaria italica var. germanica）。主要植物包括刺槐（Robinia pseudoacacia）、艾和狗尾草。

考虑到安全、难易程度与便捷性等相关因素，结合当地的实际情况，本次调查时间为2023年8月18日—9月5日，横跨3个省份。本次调查对象主要为不同土地利用类型的土壤侵蚀情况。本次暴雨由于发生迅速，持续时间长，破坏程度大，故难以用常规的暴雨前后对比分析方法。同时，本次调查的小流域需要在暴雨中心，具有随机性，而所选的3个小流域内均没有水沙观测数据，故使用现场人工测量和无人机航拍相结合的方式开展调查。步骤如下：

1）在当地暴雨中心进行调研与实地观察，选择典型小流域。

2）使用无人机（大疆精灵4RTK）对整个流域内进行正射拍摄，飞行高度控制在250 m以内。随后，对飞行完成的航拍照片进行影像拼接处理，得到小流域现场高清影像图和DEM高程，根据影像初步分析小流域内土壤侵蚀发生的位置和程度。最后，选择小流域内坡耕地、梯田和道路等不同土地利用类型，采用抽样方法进行外业实地测量^[5]。

对于坡耕地沟蚀，采用容积法进行测量，计算得到相应的侵蚀模数^[3]。对于道路沟蚀，采用断面法进行测量。在调查过程中，从小流域上游向下游调查，按照10 m的断面间隔对抽样道路进行测量，形成n个断面。在每个断面内，测量侵蚀沟的宽度和深度。若道路划分断面时存在不足10 m间隔的情况，则予以舍弃^[6]。

式中：k为每个路段编号；n为各路段的断面数;$ \overline {{W_k}} $和$ \overline {{H_k}} $分别为每段道路上形成的侵蚀沟的平均宽度和深度，m；w_i和h_i分别指测量的条侵蚀沟的宽度及深度，m；Ｑ_ｋ为ｋ路段的侵蚀模数；ρ为当地土壤密度，g/cm³，井陉县、灵丘县和彬州市分别为1.32、1.35和1.24 g/cm³；l为测量之间的间隔，m；取10 m；A_k为路段面积，m²；L_k和M_k分别为路段长度和宽度，m。

对于边坡崩塌和梯田损毁，采用体积量测法。针对道路2侧的边坡崩塌，主要是在小流域内布设样地，记录样地内发生的崩塌的数量，测量样地内崩塌的侵蚀量。根据无人机影像解译，得到布设样地的面积，再通过面积加权法，最终得到小流域单位面积内发生崩塌的数量、平均侵蚀量、最大侵蚀量；针对梯田主要发生在田坎上的损毁实际情况，随机选取样地，统计田坎损毁的数量，测量田坎损毁的长度、宽度和深度，计算得出侵蚀量，损毁率^[5]。

式中：V_q为侵蚀量，m³；q为样地编号；j_q为损毁的长度，m；b_q为损毁的宽度，m；h_q为损毁的深度，m；R_q为损毁率，%；J_q为样地的长度，m。

样地信息见表1。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地信息 Tab. 1 Site information 调查区域 Investigating area 土地利用类型 Land use type 类型 Type 块数 Number of blocks 主要植物 Main plants 植被覆盖度 Vegetation coverage/% 坡度 Slope gradient/(°) 侵蚀情况 Erosion condition 土石山区 Earthy-rocky mountain area 农用地 Agricultural land 梯田，坡地 Terraces and slope land 25 玉米、番薯、大豆、高粱 Zea mays, Ipomoea batatas, Glycine max, and Sorghum bicolor 60～90 6～22 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 撂荒地 Abandoned land 梯田 Terraces 6 艾、牡荆 Artemisia argyi, and Vitex negundo var. cannabifolia 50～65 12～21 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 林草地 Forest and grassland 坡地 Slope land 3 刺槐 Robinia pseudoacacia 70～90 — — 道路 Road 石质、土质 Rocky and earthy 5 — 70 5～8 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 过渡区 Transition region 农用地 Agricultural land 梯田，坡地 Terraces, and slope land 17 玉米、胡桃 Zea mays, and Juglans regia 40～80 7～28 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 撂荒地 Abandoned land 梯田 Terraces 3 艾、狗尾草 Artemisia argyi, and Setaria viridis 40～50 18～24 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 林草地 Forest and grassland 坡地 Slope land 3 青甘杨、油松 Populus przewalskii, and Pinus tabulaeformis 70～90 — — 道路 Road 石质、土质 Rocky and earthy 5 — 30～50 7～12 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 土石山区 Loess area 农用地 Agricultural land 梯田，坡地 Terraces, and slope land 10 玉米、大豆、苹果 Zea mays, Glycine max, and Malus pumila 10～40 12～32 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 撂荒地 Abandoned land 梯田 Terraces 3 艾、狗尾草 Artemisia argyi, and Setaria viridis 10～20 16～24 沟蚀，崩塌 Gully erosion and collapse 林草地 Forest and grassland 坡地 Slope land 3 青甘杨、侧柏 Populus przewalskii, and Platycladus orientalis 60～90 — — 道路 Road 土质 Earthy 6 — 10～20 12～14 沟蚀、崩塌 Gully erosion and collapse 　注：—代表无数据。Notes: — indicates no data.

表 1 样地信息 Tab. 1 Site information

此次暴雨影响范围广，程度深，覆盖土石山区、过渡区、黄土区，小流域内不同土地利用类型均遭受了不同程度的土壤侵蚀（图2）。其中坡耕地侵蚀主要以沟蚀为主，在土石山区，呈现为细沟侵蚀；在过渡区，浅沟侵蚀比例逐渐增多；在黄土区，浅沟侵蚀的比例较大。梯田田面上发生的大部分为细沟侵蚀，田坎上发生侵蚀的形式多为崩塌，道路上发生的侵蚀，分为2种，一是道路2侧边坡上发生的崩塌，另一种是路面沟蚀；而林草地上几乎无侵蚀。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同土地利用类型侵蚀特征图 Fig. 2 Erosion characteristics of different land use types

从土石山区至黄土区，坡耕地侵蚀强度呈增加趋势，黄土区侵蚀模数达到了土石山区的4倍以上，但降雨强度仅为土石山区的50%；过渡区侵蚀模数只有黄土区的2/3左右。但黄土区降雨强度基本一致（表2和图3）。土石山区坡耕地主要以细沟侵蚀为主，侵蚀沟平均宽度0.13 m，平均深度0.11 m，最大宽度0.16 m，最大深度0.15 m，平均侵蚀模数为1万6613 t/km²；过渡区坡耕地侵蚀不仅为细沟侵蚀，浅沟侵蚀的比例也逐渐增大，侵蚀沟平均宽度0.15 m，平均深度0.17 m，最大宽度0.22 m，最大深度0.21 m，平均侵蚀模数为3万9963 t/km²；与土石山区和过渡区相比，黄土区产生的侵蚀量更多，细沟侵蚀和浅沟侵蚀分布广泛，侵蚀沟平均宽度0.16 m，平均深度0.28 m，最大宽度0.27 m，最大深度0.33 m，侵蚀模数为6万5232 t/km²。其中黄土区沟蚀模数最大，其次是过渡区，土石山区沟蚀模数最小。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同区域坡耕地沟蚀特征表 Tab. 2 Gully erosion characteristics of sloping farmland in different regions 调查区域 Investigating area 平均坡度 Average gradient/(°) 细沟数量 Number of rills 平均长度 Average length/m 平均宽度 Average width/m 平均深度 Average depth/m 样地面积 Plot area/m2 平均侵蚀模数 Average erosion modulus/（t∙ km−2） 土石山区 Earthy-rocky mountain area 19.83 3 1.28 0.13 0.11 4 16613 过渡区 Transition region 21.17 3.5 1.40 0.15 0.17 4 39963 黄土区 Loess area 20.35 3.5 1.39 0.16 0.28 4 65232

表 2 不同区域坡耕地沟蚀特征表 Tab. 2 Gully erosion characteristics of sloping farmland in different regions

图 3(Fig. 3)

图 3 坡耕地侵蚀模数统计图 Fig. 3 Statistical chart of erosion modulus of slope farmland

图4为梯田田坎侵蚀模数统计图。可见在暴雨过后，田坎崩塌非常严重。土石山区田坎类型主要以土坎和石坎为主，石坎梯田大概比例70%，土坎梯田30%。梯田田面主要种植作物为玉米、高粱和番薯，植被盖度在60%～90%之间，田坎发生崩塌平均平均长度、宽度和深度分别为3.85、1.73和1.21 m，平均侵蚀模数为2万2939 t/km²，损毁率为11.92%。

图 4(Fig. 4)

图 4 梯田田坎侵蚀模数统计图 Fig. 4 Statistical chart of erosion modulus of terraced field ridges

过渡区田坎类型和土石山区类似，以土坎和石坎为主，石坎梯田大概比例50%，土坎梯田50%。梯田田面主要种植作物为玉米，植被盖度在40%～80%之间，田坎发生崩塌平均长度、宽度和深度分别为9.23、1.81和1.39 m，平均侵蚀模数为2万9314 t/km²，损毁率为18.54%。

黄土区田坎类型均为土坎，梯田田面主要种植作物为玉米、大豆和苹果，植被盖度在10%～40%之间，田坎发生崩塌平均长度、宽度和深度分别为12.32、2.15和0.98 m，平均侵蚀模数为4万1463 t/km²，损毁率为37.64%。各区侵蚀模数对比情况如图4所示。田坎侵蚀模数从土石山区到黄土区呈上升趋势。其中过渡区石坎梯田的损毁率和侵蚀模数明显少于土坎梯田，而在黄土区，在没有植被的梯田上，损毁率和侵蚀模数显著高于有植被覆盖的梯田。

暴雨影响下，3个区域内的田间生产道路受损严重，2侧边坡以崩塌为主，路面以沟蚀为主（表3和图5）。土石山区道路分为土质道路和为石质道路2种，石质道路内侵蚀较少，大部分崩塌发生在土质道路2侧边坡上。在所测样地内发生崩塌的平均侵蚀模数为1万3004 t/km²。过渡区石质道路的比例较少，大部分为土质道路，道路2侧边坡上的崩塌平均侵蚀模数为2万5283 t/km²。黄土区道路基本均为土质道路，发生的崩塌平均侵蚀模数为4万8859 t/km²。

表 3(Tab. 3)

表 3 道路崩塌侵蚀特征表 Tab. 3 Characteristics of erosion from road collapse 调查区域 Investigating area 平均崩塌数量 Average number of collapses 平均长度 Average length/m 平均宽度 Average width/m 平均深度 Average depth/m 样地面积 Plot area/m2 侵蚀模数 Erosion modulus/ （t∙ km−2） 道路类型 Road type 土石山区 Earthy-rocky mountain area 1.80 2.84 0.69 0.87 319.60 13 004 石质、土质 Rocky and earthy 过渡区 Transition region 1.80 4.00 0.99 0.86 314.60 25 283 石质、土质 Rocky and earthy 黄土区 Loess area 1.83 5.51 1.22 1.08 321.17 48 859 土质 Earthy

表 3 道路崩塌侵蚀特征表 Tab. 3 Characteristics of erosion from road collapse

图 5(Fig. 5)

图 5 道路崩塌侵蚀模数统计图 Fig. 5 Statistical chart of erosion modulus from road collapse

路面沟蚀部分，土石山区以石质道路为主，石质道路的侵蚀程度较低，形成的侵蚀沟较少，多为细沟侵蚀，平均侵蚀模数为5948 t/km²；过渡区道路土质道路比例较高，形成的侵蚀沟也较多，大部分为细沟侵蚀，部分浅沟侵蚀，道路平均侵蚀模数为1万7134 t/km²；黄土区道路均为土质，侵蚀最严重，浅沟侵蚀比例增大，道路平均侵蚀模数为4万3498 t/km²。如表4和图6所示，在3个区域内，道路上发生的侵蚀模数土石山区最少，过渡区其次，黄土区最大。

表 4(Tab. 4)

表 4 道路沟蚀侵蚀特征表 Tab. 4 Erosion characteristics of road gully erosion 调查区域 Investigating area 平均比降 Average gradien/ （°） 平均崩塌数量 Average number of collapses 平均长度 Average length/m 平均宽度 Average depth/m 平均深度 Average depth/m 样地面积 Sample area/m2 侵蚀模数 Erosion modulus/ （t∙ km−2） 道路类型 Road type 土石山区 Earthy-rocky mountain area 6.2 3.60 8.20 0.34 0.14 319.60 5 948 石质、土质 Rocky and earthy 过渡区 Transition region 9.4 16.56 9.40 0.41 0.23 314.60 17 134 石质、土质 Rocky and earthy 黄土区 Loess area 12.7 17.33 8.90 0.53 0.39 321.17 43 498 土质 Earthy

表 4 道路沟蚀侵蚀特征表 Tab. 4 Erosion characteristics of road gully erosion

图 6(Fig. 6)

图 6 道路沟蚀模数统计图 Fig. 6 Statistical chart of erosion modulus from road gully erosion

通过对土石山区、过渡区和黄土区在暴雨作用下发生的土壤侵蚀实地调查，发现在3个区域内，土壤侵蚀情况非常严重。沟蚀和崩塌几乎都发生在集中流路径上（图7），水流在坡地上汇聚成相对集中的流动，流动过程中剥离、搬运大量泥沙^[7]。坡耕地由于坡度较大、覆盖较差，极端暴雨下迅速形成集中流。当分散的坡流转变为集中流时，冲刷能力增加了数十倍，最终导致严重的侵蚀^[8]。此外，水流集中导致了流速和土壤颗粒输移速率增加，从而促进了不同土地利用类型的土壤侵蚀发展^[9]。梯田田坎和道路边坡的崩塌，由于集中流的在道路2侧汇集较多，易导致岩土体底部下切滑动，整体发生滑坡。而道路旁有适当的排水措施可以改变流动路径，受集中流的冲刷影响较小，表明集中流是土壤侵蚀的主要驱动因素。

图 7(Fig. 7)

图 7 集中流作用下的土壤侵蚀 Fig. 7 Soil erosion under the action of concentrated runoff

各个区域表现出的土壤侵蚀程度不尽相同，在极端暴雨下，土石山区、过渡区到黄土区，降雨量逐渐减少，但土壤侵蚀强度逐渐加剧，从土壤侵蚀强度变化来看，呈现出一种地带性的过渡特征。土石山区汇聚的水流随着侵蚀地形的变化，泥沙连通性显著增加，导致极端暴雨后泥沙输送风险增加^[10]。但当地道路和农田的排水措施可以改变流动路径，防止形成高强度侵蚀的集中流，减轻土壤侵蚀强度^[11]，坡耕地和道路上发生的大部分为细沟侵蚀。同时，土石山区的植被覆盖度较高，土壤中含有较多有机质，有机质通过胶体化作用，使土壤颗粒结合更为牢固，改良土壤结构，减缓了水分对土壤的冲刷，有效降低崩塌的发生^[12]。土石山区在较大的降雨强度下能够依托上述措施有效减轻造成的的土壤侵蚀危害。

过渡区土壤主要以褐土为主，主要由细粉砂（0.002～< 0.02 mm）和粗粉砂（0.02～< 0.05 mm）组成，有机质含量、水稳性团聚体稳定水平较高^[13]，相比土石山区，具有良好的土壤抗侵蚀能力。但当地地形起伏较大，沟壑纵横，暴雨过后沟蚀和崩塌更易发生，坡耕地和道路上浅沟侵蚀比例增加，发生崩塌的侵蚀模数也比土石山区更大，并且过渡区植被覆盖度和排水措施水平均不如土石山区。因此，过渡区的土壤侵蚀强度更加严重。而与黄土区相比，过渡区的措施条件相对较好，相同降雨强度下，造成的土壤侵蚀相对较轻。

黄土区的黄土主要由粗粉砂（0.02～< 0.05 mm）和砂（> 0.05 mm）组成，黄土的土壤抗侵蚀能力和稳定性均不如褐土^[14]。黄土地貌中变化复杂，黄土塬、梁、峁及沟壑等地貌发育十分典型^[15]，复杂的地形使得排水措施的布设较为困难，植被覆盖度也显著小于土石山区和过渡区，这都为集中流的形成提供了便利条件。考虑到土壤性质地形和植被，黄土区降雨强度虽然仅有土石山区的50%，而侵蚀模数达到了土石山区的4倍以上。黄土区在极端暴雨下更容易发生严重的土壤侵蚀。此外，尽管土石山区的土壤侵蚀轻于黄土区和过渡区，但土石山区土层相对较薄，应更加重视土壤侵蚀的防治。

通过现场调查发现，良好的水土保持措施能有效减少侵蚀现象的发生。3个区域内的水土保持措施在应对往年降雨事件中都发挥出了良好作用，但在近年来极端暴雨频发的背景下，现有的水土保持措施已经不能满足需求^[16]。3个区域在本次极端暴雨事件中均发生了较为严重的土壤侵蚀，集中流是造成侵蚀的共同原因。因此，在3个区域内加强排水措施建设，减轻径流强度，排除地表多余积水，是防治暴雨造成的土壤侵蚀最有效的方式。

具体到各个区域，土石山区侵蚀相较另外2个区域较轻，主要是植被覆盖度较高，地形平缓，坡度较小，对集中流的产生和流动有抑制作用。当地建设的高标准梯田在此次暴雨事件中，抵御侵蚀的表现突出，侵蚀模数较小，而部分区域由于农艺、水保措施的不完善，导致此次暴雨中发生的侵蚀显著高于高标准梯田。可通过完善农艺措施、建设高标准水土保持工程，减轻土壤侵蚀。

过渡区的侵蚀程度整体高于土石山区，当地地形是重要原因，起伏较大的地形使得集中流更易汇聚，从而冲刷破坏土壤^[17]。因此，能够改变微地形、降低坡度、截短坡长的坡改梯工程，是该区应加强实施的有效应对措施。在重力侵蚀方面，道路边坡和田坎的崩塌在石质类型和土质类型上差异明显，石质类型上发生的侵蚀情况明显好与土质类型，可针对这点，多修筑石坎梯田与石质道路，减轻土壤侵蚀。

黄土区的侵蚀最为严重，当地不仅坡度大、地形复杂，植被覆盖度也相对较低，植被可以加固梯田田坎，促进雨水渗透，减缓流速，减弱集中流对梯田的侵蚀^[18]。加强坡改梯工程的同时，在田坎上适当种植草本植物和灌木可以有效保护暴雨事件下的梯田。间作和轮作可以充分利用土地空间，提高植被覆盖率，拦截更多雨水，减少暴雨引起的地表径流^[19]。因此，可以采取高质量的“灌木草本组合”措施，配合相关农艺措施，如间作和轮作等，增强黄土区抵御暴雨事件的能力。

1）极端暴雨下，土石山区–黄土区的土壤侵蚀情况呈现出一种过渡特性，土壤侵蚀强度由土石山区、过渡区到黄土区逐渐表现出递增趋势。

2）在各个区域中，沟蚀方面，坡耕地的侵蚀情况最为严重，其次是道路，梯田发生的沟蚀很少，林草地基本没有侵蚀。在土石山区基本为细沟侵蚀，少量浅沟侵蚀，过渡区浅沟侵蚀的比例增大，在黄土区，浅沟侵蚀进一步增多。而重力侵蚀方面，主要发生在道路2侧边坡和梯田田坎上，侵蚀强度由土石山区到黄土区逐渐增加。

3）在不同区域中，针对水土保持的防治策略选择略有不同，土石山区主要是增强排水+高标准梯田建设；过渡区为增强排水+石坎梯田的修筑；黄土区为增强排水+提升植被覆盖度；共同防治策略都是加强排水。这一系列措施的实施有助于减缓土壤侵蚀的发生，保护土地资源。