水/雨滴沖刷土壤侵蝕

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雨滴沖刷

單個雨滴落在傾斜的土壤表面時，其動量沿坡向分量的全部傳遞給土壤表面。然而，僅有一小部分垂直於表面的分量被傳遞，其餘的被反射回來。動量傳遞到土壤顆粒上具有兩個作用

固結:

它提供一種固結力，壓實土壤，從而加劇地殼的形成。表面地殼的形成是由土壤壓實導致的孔隙堵塞，以及雨滴撞擊使土壤團聚體分離出的細顆粒填充表面孔隙空間造成的。地殼具有致密的表面皮層或封層，厚約 0.1 毫米，其中粘土顆粒排列良好。在其下方是厚 1-3 毫米的層，其中較大的孔隙空間被更細的沖刷進來的物質填滿（Tackett 和 Pearson，1965）。大多數土壤表面的團聚體在降雨期間被破壞，而地殼下層的團聚體即使完全飽和也保持完整（Farres，1978）。儘管飽和度降低了土壤團聚體的內部強度，但它們不會在直接受到雨滴撞擊之前瓦解。

分散

動量傳遞到土壤顆粒上會產生破壞力，因為水從撞擊點快速分散並以橫向流動的射流形式返回。落在土壤表面的雨滴的撞擊速度從直徑為 1 毫米的雨滴的 4 米/秒到直徑為 5 毫米的雨滴的 9 米/秒不等。橫向射流的區域性速度約為這些速度的兩倍（Huang 等人，1982）。這些快速移動的水流給一些土壤顆粒賦予速度，並將其發射到空中，夾帶在自身形成的水滴中，這些水滴是由雨滴與地面接觸時破裂形成的（Mutchler 和 Young，1975）。因此，雨滴既是固結劑，又是分散劑。

土壤對特定降雨的實際響應取決於其含水量，因此取決於其結構狀態和降雨強度（動能）。Le Bissonnais（1990） 描述了三種可能的響應

• 如果土壤乾燥且降雨強度高，土壤團聚體透過風化迅速分解。這是潤溼鋒面前方空氣壓縮導致的分解。入滲能力迅速降低，在光滑表面上，僅在幾毫米雨水後就會產生徑流。對於更粗糙的表面，窪地蓄水量更大，徑流需要更長時間才能形成
• 如果團聚體最初部分溼潤或降雨強度低，會發生微裂紋，團聚體分解成更小的團聚體。因此，表面粗糙度降低，但由於微團聚體之間的較大孔隙空間，入滲仍然很高。
• 如果團聚體最初處於飽和狀態，則需要大量的雨水才能封閉表面，入滲能力取決於土壤的飽和水力傳導率。然而，如果降雨強度很高，粘土含量低於 15% 的土壤易於封閉。

隨著時間的推移，地殼發育影響的土壤表面百分比隨著累積降雨能量呈指數增長（Govers 和 Poesen，1985），這反過來又導致入滲能力呈指數下降（Boiffin 和 Monnier，1985）。隨著粘土和有機質含量的增加，可結皮性降低，因為這些物質為土壤提供了更大的團聚體穩定性。因此，壤土和砂壤土最容易形成地殼。

雨滴沖刷土壤侵蝕

雨滴撞擊剝蝕 1 千克沉積物所需的動能研究表明，對於幾何平均粒徑為 0.125 毫米的土壤，所需的能量最小，而對於幾何平均粒徑為 0.063 到 0.250 毫米的土壤，最容易受到雨滴剝蝕的影響（Poesen，1985）：粉壤、壤土、細砂和砂壤土。較粗的土壤由於較大顆粒的重量而具有抗剝蝕性，而較細的土壤由於雨滴能量必須克服粘土顆粒構成礦物之間的粘合力或化學鍵合力而具有抗剝蝕性。雨滴沖刷對顆粒的選擇性去除會導致土壤質地沿坡向發生變化，影響土壤團聚體和原生顆粒。

剝蝕粘土顆粒所需的能量範圍很大，這是不同型別的粘土礦物以及水透過孔隙時${\ce {Ca^2+}}$、${\ce {Mg^2+}}$ 和 ${\ce {Na^+}}$Na 陽離子的相對含量有關（Arulanandan 等人，1975）。總體而言，粉壤、壤土、細砂和砂壤土是最容易剝蝕的。

除了質地外，土壤的剝蝕性還取決於表層土壤的剪下強度（Cruse 和 Larson，1977）。土壤顆粒的剝蝕代表了土壤在雨滴撞擊下的壓縮和剪下聯合機制的破壞，這種破壞最有可能在土壤剪下強度最低的飽和條件下發生（Al-Durrah 和 Bradford，1982）。剝蝕率隨著剪下強度的增加呈指數下降。

在暴雨期間，雨滴有時不會直接落在土壤表面，而是落在積水或地表徑流的形式的表面水體上。隨著表面水層厚度的增加，濺蝕也會增加（Palmer，1964）。這是由於撞擊的雨滴使水產生湍流。只有在沙質土壤上，濺蝕才不會隨著水深的增加而增加（Poesen，1981）。

然而，存在一個臨界水深，超過該臨界水深，侵蝕率隨著水深的增加呈指數下降，因為更多的降雨能量在水中消散，不會影響土壤表面。這個臨界深度大約等於雨滴的直徑（Palmer，1964）。

雨滴沖刷剝蝕

實驗研究表明，雨滴濺蝕土壤顆粒的**分離速率**隨雨滴瞬時動能的1.0次方而變化（Free, 1960；Quansah, 1981）。裸露土壤上的分離速率 $D_{r}$D r 可以用以下形式的方程表示：

$d_{r}\propto KE^{a}s^{b}e^{-ch_{0}}$   (1.5)

$KE$ 是雨滴的動能，而 $h_{0}$ 是地表水膜的深度。 $s$ 是僅與雨滴撞擊點（例如土塊側面）相隔幾個雨滴直徑的距離的區域性坡度，而不是平均地面坡度。 $a$ 的值可能從沙子的 0.8 變化到粘土的 1.8（Bubenzer 和 Jones, 1971）。 $b$ 的值在 0.2-0.3 範圍內（Torri 和 Sfalanga, 1986），而 $c$ 的值在 0.9-3.1 範圍內（Torri 等人，1987b），隨土壤質地而變化。

雨滴濺蝕搬運

相反，當考慮**濺蝕顆粒的整體搬運**時，平均地面坡度 S 非常重要。在傾斜表面上，在分離過程中，更多顆粒被拋向坡下而不是坡上，導致物質淨向下坡移動。每單位坡寬的濺蝕搬運 $T_{r}$T r 可以用以下關係式表示：

$T_{r}\propto I^{d}S^{e}$   (1.6)

其中 $d=1.0$(Meyer 和 Wishmeier, 1969) ，而 $e$ 從 1.0 降低到最小值 0.8 和 0.75，其中地面坡度角上升到 20 度和 25 度，分別（Mosley, 1973；De Ploey 等人，1976），在更陡峭的坡度上變為負值（Foster 和 Martin, 1969；Bryan, 1979）。

這些關係忽略了**風的作用**。風速對下落的雨滴施加水平力，直到雨滴的水平速度分量等於風速。因此，雨滴的動能增加。由受風驅動雨滴撞擊引起的土壤顆粒分離，可能比在沒有風的情況下相同強度的雨滴引起的土壤顆粒分離大 1.5-3 倍（Disrud 和 Krauss, 1971；Lyles 等人，1974）。風還會使雨滴以與垂直方向成一定角度撞擊地面。這會影響坡上和坡下濺蝕的相對比例（Moeyersons, 1983）。

濺蝕對於分離隨後被流水侵蝕的土壤顆粒（細溝間的地表徑流，細溝流）最為重要。然而，在**山坡的上部**，濺蝕搬運可能是主要的侵蝕過程。隨著徑流和土壤流失的增加，濺蝕搬運的重要性下降。由於濺蝕作用於整個地表，因此在石頭或樹根選擇性地保護了下面的土壤的地方，其影響最明顯，形成了濺蝕基座或土壤柱狀體。

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