坡面产沙规律及侵蚀泥沙颗粒组成特征的研究

(1．桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004；2．中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林541004)[摘要]利用人工模拟降雨试验，分析了坡面产流产沙规律及侵蚀泥沙颗粒的变化，探讨了产沙量与泥沙颗粒组成的变化特征。结果表明：(1)产流时间随坡度的增大而缩短，总产流量和总产沙量随坡度的增加而增加。(2)不同坡度下，产沙量随降雨历时的变化差异显著，坡度越大产沙量越大。(3)随着降雨历时的增加，侵蚀泥沙颗粒组成中黏粒和粉粒含量逐渐增多，砂粒含量逐渐减少。黏粒在前期增长的较快，砂粒在后期减少幅度较大，粉粒在各阶段较稳定的增加。[关键词]人工模拟降雨；侵蚀泥沙；颗粒组成[中图分类号]TQ[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2019)23-0005-02李旭尧1,2，邓艳2StudyontheLawofSedimentYieldonSlopeandtheCompositionCharacteristics

ofErosionSedimentParticles

LiXuyao1,2,DengYan2

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004；2.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China)Abstract:Usingartificialsimulatedrainfalltest,thelawofsedimentyieldandsedimentparticlechangeonslopewereanalyzed,andthevariationcharacteristicsofsedimentyieldandsedimentparticlecompositionwerediscussed.Theresultsshowthat:(1)Therunofftimedecreaseswiththeincreaseofslope,whilethetotalrunoffandsedimentyieldincreasewiththeincreaseofslope.Slopehaslittleinfluenceonrunofftime.(2)Underdifferentslopes,sedimentyieldvariessignificantlywiththedurationofrainfall,andthegreatertheslope,thegreaterthesedimentyield.(3)Asthedurationofrainfallincreases,thecontentofclayandsiltinthecompositionoferosionsedimentparticlesincreasesgradually,whilethatofsanddecreasesgradually.Intheearlystage,theclayincreasedrapidly,thesanddecreasedgreatlyinthelaterstage,andthepowderincreasedstablyineachstage.Keywords:artificialsimulatedrainfall；erodedsediment；particlecomposition土壤侵蚀是指受自然或人为因素的影响，地球表面的土壤或成土母质在水力、风力、重力、冻融等外力作用下，发生剥离、搬运、沉积的现象，它主要引起土壤颗粒的粗化，土层变薄及土壤养分流失等问题，最终降低土壤质量、土地生产力及土壤对环境变化的缓冲能力等[1-2]。土壤颗粒组成影响着土壤的抗蚀性能和[3]

土壤的产流产沙规律，通常土壤颗粒组成越细，其粘结力越强，在一定程度上促使土壤形成团粒结构，从而增强土壤的抗打击能力。很多研究表明，土壤侵蚀是从土壤团聚体的破坏开始的。Ellison[4]研究认为，侵蚀发生是由于小颗粒在降雨和径流作用下发生迁移而造成的；Cogo[5]研究认为，侵蚀泥沙是由团聚体及不同粒径的颗粒组成；Farres[6]研究发现，团聚体破碎及其破碎后形成的颗粒粒径大小直接影响侵蚀量的多少。许多学者研究了侵蚀泥沙颗粒的特性，有研究认为细沟间侵蚀的泥沙颗粒发生砂粒的富集，粘粒和粉粒被消耗[7-8]，而有的研究认为是粘粒发生富集不是砂粒[9]，但是关于产沙量对侵蚀泥沙颗粒组成变化的研究相对较少。本研究在现有研究成果的基础上，通过人工模拟降雨试验，分析黄土侵蚀过程中的产流产沙规律及其泥沙颗粒组成的变化，探讨产沙量与泥沙颗粒组成的变化关系，对保护土壤质量、提高土地生产力、治理水土流失、控制养分流失具有重要意义，以期为土壤侵蚀过程模型的建立提供理论依据。1材料与方法

1.1试验土壤供试土壤的理化性质见表1。由表1可知，土壤偏碱性，容重是1.45g.cm-3，有机质含量较高为21.3g.kg-1，黏粒、粉粒、砂粒的含量分别为21.14%、58.32%、20.54%。表1供试土壤的理化性质Tab.1Physicalandchemicalpropertiesofthetestedsoil土壤类型黄土pH8.45容重/(g·cm-3)1.43有机质/(g·kg-1)21.3粒径分布/%黏粒2.88粉粒66.02砂粒31.101.2试验装置模拟降雨装置喷头为旋转下喷式，通过调节水压大小和喷头类型设定不同的降雨强度，降雨用水为自来水。降雨高度6m，雨滴中值粒径和降雨动能均与天然降雨条件接近，可满足人工模拟降雨试验的要求。试验土槽由不锈钢材料制成，长4m，深0.8m，宽1.2m。土槽下端有油压装置可调节土槽坡度，土槽坡度可调节范围为0°~30°。1.3试验设计与测定试验设定雨强90mm/h，坡度为10°，15°，20°，降雨历时为60min。为保证人工模拟降雨的准确性，试验在无风条件下进行。试验用土需先过筛，筛去大的土壤团块，填土时，在土槽底部均匀铺10cm的细沙并盖上透水纱布，使土槽内的土壤透水状况与天然土壤接近。在填土的过程中采用边填边用力压实的方法，以减小边壁所造成的对入渗、产流、产沙过程的影响，每次填充厚度约10cm。试验前1d对土槽进行小雨强的降雨，土壤预湿10min左右，使土槽内的土壤得到充分的压实和湿润。[收稿日期][基金项目][作者简介]每场试验前用测定土壤含水量，使土壤含水量在一定范围内，以保证降雨试验前期土壤水分含量相对一致。降雨开始后计时，坡面有水流出时记录为产流时间，产流后，每隔3min用1L的量筒收集一次径流泥沙样，记录开始取样及结束时间，测量样品质量和体积。将含有泥沙的样品带回实验室，静置24h，倒去上清液，放在105℃的烘箱里烘干，称其质量得到泥沙量。采用激光粒度分析仪对每场的侵蚀泥沙进行颗粒组成测定，每个样品重复测定3次取平均值进行分析。2结果与分析

2.1坡度对产流产沙的影响人工模拟降雨不同坡度条件下的产流产沙情况如表2所示。由表2可以看出，随着坡度的增加产流时间缩短，而总产流量和总产沙量呈现出增加的趋势，从10°增加到15°和20°时，产流量分别增加了0.781L和1.295L，产沙量分别增加了1.1kg和1.706kg。分析其原因可能是随坡度的增加，径流重力在斜坡方向2019-09-16国家重点研发计划课题(2016YFC0502506)国家自然科学面上基金(41877206)广西重点研发计划(桂科AB110004)李旭尧(1995-)，男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为岩溶水文学。·6·广东化工www.gdchem.com2019年第23期第46卷总第409期上的分力增大从而加快径流速度，减少了水分进入土壤的机会，导致入渗速率减少，使击溅雨滴沿坡面向下滑落更远[10-12]，缩短了产流时间。但是不同坡度下，产流时间相差较小，仅相差22s，说明了坡度的变化对产流时间的影响不明显，当降雨强度一定时，不同坡度的坡面土壤达到饱和状态和降雨入渗达到稳定状态的时间基本一样，产流受坡度的影响较小，因此，不同坡度下产流时间相差较小。随坡度的增大，坡面的径流速度加快，侵蚀能力增强，并且坡面土壤受到的斜坡方向重力作用增强，增大了土壤的不稳定性，土壤易被径流搬运，导致产流量和产沙量增加。表2不同坡度时产流产沙情况Tab.2Sandproductionandabortionatdifferentslopes坡度10°15°20°产流时间/s423520总产流量/L10.00510.78611.345总产沙量/kg0.9082.5492.6142.2产沙量随降雨历时的变化从图1产沙量随降雨历时的变化中可以看出，随降雨历时的增加，不同坡度下，产沙量的过程变化量差异显著。坡度越大产沙量越大，10°、15°、20°坡度下产沙量达到峰值的时间分别为9min，18min，18min，最大产沙量分别为82.60g，184.34g，326.27g。不同坡度下产沙量差异较大说明了坡度大小对土壤侵蚀有重要的影响，当投影面积不变时，随坡度的增大，斜坡坡面的受雨面积会变大，坡面土壤承受雨滴击打作用增强，侵蚀能力增强，可以分散较多的土壤颗粒，径流更易从坡面携带、搬运土壤，因此坡度越大，产沙量达到的峰值越大。在降雨初期，产沙量急剧增加，在坡度为15°和20°时表现的较明显，当产沙量达到峰值后随降雨的进行逐渐减少。产沙量随降雨历时表现出先增加后减少的趋势可能因为降雨初期，坡面表层土壤比较松散，土壤的抗蚀能力低，土壤颗粒易被雨滴击溅和径流搬运；随着降雨的进行，坡面表层松散的土壤减少，径流可以携带的土壤颗粒变少，产沙量逐渐减少；雨滴击溅作用破坏了表层土壤的结构形成了结皮，坡面土壤的侵蚀能力减弱，导致土壤不易流失，产沙量逐渐减少。图1产沙量随降雨历时的变化Fig.1variationofsedimentyieldwithrainfallduration2.3侵蚀泥沙颗粒组成随降雨历时的变化表3降雨过程中泥沙颗粒组成的变化Tab.3variationofsedimentparticlecompositionduringrainfall%坡度/°采样时段/min0~1212~241024~3636~4848~600~1212~241524~3636~4848~600~1212~242024~3636~4848~60黏粒1.842.192.332.522.712.752.903.003.073.241.772.172.212.442.56粉粒70.6570.8872.0077.1380.7672.0272.3172.8473.0073.5963.73.49.9966.2268.28砂粒27.5226.9325.6720.3616.5325.2324.8024.1723.9423.1834.5033.3532.8131.3329.16为了便于分析侵蚀泥沙颗粒组成随降雨历时的变化，将产流后的径流泥沙样品划分为0~12min，12~24min，24~36min，36~48min，48~60min五个时段，每个时段取平均值分别代表产流后不同时段的泥沙颗粒组成。表3是在雨强为90mm/h，坡度分别为10°、15°、20°时侵蚀泥沙颗粒组成含量随降雨历时的变化。由测定结果可知，降雨初期侵蚀泥沙中黏粒含量最少，粉粒含量最多，砂粒介于两者之间。随着降雨历时的增加，黏粒和粉粒含量逐渐增多，砂粒含量逐渐减少。在不同时段内，黏粒、粉粒、砂粒含量的增长率各不相同。黏粒含量在降雨初期变化剧烈，20°坡度12~24min时段内，增长率最大为22.60%。砂粒含量为负增长，在降雨后期变化剧烈，10°坡度36~48min时段内，减少率达到最大为-20.69%。粉粒含量随降雨历时的增加在每个时段内的变化幅度较小。侵蚀泥沙颗粒组成中黏粒和粉粒含量随降雨历时的增加而增加可能是因为雨滴的击溅作用导致团聚体中大颗粒被破坏，形成更多的小颗粒，因此径流会从坡面上携带走更多的小颗粒，相对应的砂粒含量减少。2.4产沙量与侵蚀泥沙颗粒组成的关系从图1可以看出10°坡度时，产沙量呈现“减增减”的变化趋势，15°和20°坡度时，产沙量呈现“先增加后减少”的动态变化趋势。将产沙量按表3的五个时段划分，每个时段求出总产沙量，可以发现不同坡度下的产沙量都表现出前期增长、减少的幅度大于后期的变化，10°、15°、20°坡度下前期的变化幅度分别为-25%、166%、222%，后期的变化幅度分别为-6.68%、-15.69%、-7.78%。由表3可看出随降雨历时的增加黏粒的增长率逐渐减少，砂粒的减少率逐渐增加，粉粒的增长率变化较小。将侵蚀过程各个阶段的产沙量和侵蚀泥沙颗粒组成结合来看，在10°和20°坡度下，黏粒变化趋势与产沙量的变化有较好的正相关性，在产沙量增长或减少幅度较大的情况下，黏粒变化幅度也较大。砂粒变化趋势与产沙量的变化有较好的负相关性，产沙量增长或减少幅度较大时砂粒含量的变化幅度较小，反而产沙量增加或减少变化幅度小时砂粒含量的变化幅度更大。分析原因，一方面可能是侵蚀泥沙颗粒组成中粉粒所占含量最多，砂粒和黏粒含量较少，粉粒增长率、减少率的变化没有黏粒和砂粒的变化幅度大，随产沙量的变化粉粒不会发生太大的变化。另一方面可能是降雨初期雨滴击溅作用破坏大的团聚体且表层松散土壤较多导致产沙量和黏粒含量变化幅度较大，随降雨的进行，雨滴击溅侵蚀作用会减弱，坡面可蚀性的颗粒减少，径流中携带的泥沙减少且以细颗粒为主，因此，后期产沙量和砂粒含量减少率的变化幅度较大。15°时黏粒、粉粒、砂粒的增长率、减少率比较稳定，随产沙量的变化没有发生很大幅度的变化，对于15°是一个特殊临界坡度点或是其他原因所导致，还需进一步研究和讨论。3结论

(1)随坡度的增大，产流时间缩短，总产流量和总产沙量增加。不同坡度下发生产流的时间相差不大，10°与20°坡度的产流时间仅相差22s。(2)不同坡度下，随降雨历时的增加产沙量的过程变化差异显著，坡度越大产沙量越大。10°坡度时，产沙量呈现“减增减”的动态变化趋势，15°和20°坡度时，产沙量呈现“先增加后减少”的动态变化趋势。(下转第8页)·8·广东化工www.gdchem.com2019年第23期第46卷总第409期将未分化的单层hESCs在体外定向诱导为神经外胚层细胞，免疫荧光染色鉴定发现，实验组(2i+Activin)PAX6阳性的细胞数明显多于对照组(2i)PAX6阳性的细胞数，结果见图1。2.2神经外胚层PAX6基因、多能性基因POU5F1的mRNA表达水平检测RT-qPCR分析发现，与对照组(2i)细胞相比，实验组(2i+Activin)细胞神经外胚层标志物PAX6的表达上调更为显著(P＜0.01)，而多能性标志物POU5F1的表达却下调地更为明显(P＜0.01)，这进一步证明ActivinA有助于提高神经外胚层的诱导效率，结果见图2。图2实验组(2i+Activin)和对照组(2i)中PAX6和POU5F1基因的表达情况Fig.2GeneexpressionofPAX6andPOU5F2inbothcontrolgroupandtheexperimentalgroup3讨论

在体外将人多能干细胞定向诱导为神经外胚层细胞时发现，抑制PAX6的表达会阻碍神经外胚层的形成，而过表达PAX6a却将促使多能干细胞向神经外胚层转化，这说明PAX6是人神经外胚层细胞命运的重要因子[7]。除此以外，神经外胚层的分化往往还伴随着多能性有关基因的表达下调，分化越彻底，多能性基因下调越明显。我们的研究发现人多能干细胞在向神经外胚层定向诱导2天后换至含有ActivinA的培养液中继续培养，细胞并没有转变为定型内胚层细胞，而是继续向着神经外胚层的方向分化，这说明在多能干细胞向神经外胚层分化48小时后，神经外胚层分化命运就已经被完全决定，后期ActivinA的加入，激活了TGF-β/nodal/activin信号通路，不但没有影响神经外胚层的分化反而还促进了神经外胚层基因PAX6的表达，多能性基因POU5F1也下调更为显著，由此推测在神经外胚层诱导后期，持续地抑制TGF-β和BMP信号通路是不必要的，适当地激活TGF-β/nodal/activin信号通路反而有助于提高神经外胚层的诱导效率。参考文献

[1]JasonT，ElizabethLC，SudhaR，etal．NFIAisagliogenicswitchenablingrapidderivationoffunctionalhumanastrocytesfrompluripotentstemcells[J]．NatureBiotechnology，2019，37：267-275．[2]DuZW，ChenH，LiuH，etal．Generationandexpansionofhighlypuremotorneuronprogenitorsfromhumanpluripotentstemcells[J]．NatCommun，2015，6，6626．[3]MaL，HuB，LiuY，etal．Humanembryonicstemcell-derivedGABAneuronscorrectlocomotiondeficitsinquinolinicacid-lesionedmice[J]．CellStemCell，2012，10：455-4．[4]TaoY，ZhangSC．Neuralsubtypespecificationfromhumanpluripotentstemcells[J]．CellStemCell，2016，19：573-586．[5]SurmaczB，FoxH，GutteridgeA，etal．Directingdifferentiationofhumanembryonicstemcellstowardanteriorneuralectodermusingsmallmolecules[J]．StemCells，2012，30：1875-1884．[6]LiQH，HutchinsAP，ChenY，etal．AsequentialEMT-METmechanismdrivesthedifferentiationofhumanembryonicstemcellstowardshepatocytes[J]．NatCommun，2017，815166．[7]ZhangXQ，HuangCT，ChenJ，etal．Pax6isahumanneuroectodermcellfatedeterminant[J]．CellStemCell，2010，7(1)：90-100．(本文文献格式：卢嘉怡，李秋鸿．ActivinA对人胚胎干细胞神经分化效率的影响[J]．广东化工，2019，46(23)：7-8)(上接第6页)(3)随降雨历时的增加，侵蚀泥沙颗粒组成中黏粒和粉粒含量逐渐增多，砂粒含量逐渐减少。黏粒含量在降雨初期变化剧烈，最大增长率为22.60%。砂粒在降雨后期变化剧烈，最大减少率达到为-20.69%。粉粒在每个时段的变化幅度较小，在侵蚀过程中是主要组成部分。(4)不同坡度时降雨初期产沙量的变化幅度都大于后期。在10°和20°坡度下，不同时段的黏粒变化趋势与产沙量的变化有较好的正相关性，砂粒变化趋势与产沙量的变化有较好的负相关性。15°时黏粒、粉粒、砂粒的增长率、减少率比较稳定，随产沙量的变化没有表现出明显的相关性，有待进一步研究。参考文献

[1]张科利，唐克丽．黄土坡面细沟侵蚀能力的水动力学试验研究．土壤学报，2000，37(1)：9-15．[2]钱婧．模拟降雨条件下红壤坡面菜地侵蚀产沙及土壤养分流失特征研究[D]．浙江：浙江大学，2015．[3]魏小燕，毕华兴，霍云梅．不同土壤坡面产流产沙特征对比分析[J]．水土保持学报，2016，30(4)：44-48．[4]EllisonWD．SoilerosionstudiesPart1[J]．Agriculturalengineering，1994，25(131)：145-146．[5]CogoNP．Tillage-inducedroughnessandrunoffvelocityonsizedistributionoferodedsoilaggregates[J]．SoilSciSocAmJ，1983，10：1005-1008．[6]FarresPJ．Thedynamicsofrainsplasherosionandtheroleofsoilaggregatestability[J]．Catena，1978，14：119-130．[7]AlbertsEE，MoldenhauerWC，FosterGR．Soilaggregatesandprimaryparticlestransportedinrillandinterrillflow[J]．SoilScienceSocietyofAmericaJournal，1980，44(3)：590-595．[8]YoungRA，OnstadCA．Characterizationofrillandinterrillerodedsoil[J]．TransactionsoftheASAE，1978，21：1126-1130．[9]AlbertsEE，WendtRC，PiestRF．Physicalandchemicalpropertiesoferodedsoilaggregates[J]．TransactionsoftheASAE，1983，26：465-471．[10]傅斌，王玉宽，朱波，等．紫色土坡耕地降雨入渗试验研究[J]．农业工程学报，2008，24(7)：39-43．[11]吴希媛．降水再分配受雨强、坡度、覆盖度影响的机理研究[J]．水土保持学报，2006，20(4)：28-30．[12]卫喜国，严昌荣，魏永霞，等．坡度和降雨强度对坡耕地入渗的影响[J]．灌溉排水学报，2009，28(4)：114-116．(本文文献格式：李旭尧，邓艳．坡面产沙规律及侵蚀泥沙颗粒组成特征的研究[J]．广东化工，2019，46(23)：5-6)