侵蚀过程

由于土壤富含有机质和黏土矿物，土壤颗粒一般以一定的结构联结在一起。土壤颗粒在被地表径流搬运前首先要从土体表面分离出来。侵蚀过程就是土壤结构被破坏和土壤颗粒被剥离进入地表水流的过程。如果说产流过程为水土流失提供了“水”的来源，则侵蚀过程提供了“土”的来源。在水土流失过程中，可将土粒分离的作用分为有雨滴的溅蚀作用和径流的分散作用。

(一)雨滴的溅蚀作用

雨滴落到裸露的地面特别是农耕地上时，具有一定质量和速度，必然对地表产生冲击，使土体破碎、分散，引起土体结构的破坏，被雨滴击碎后的土体很容易被流水搬运。此外，雨滴动能还可造成土粒的飞溅，最远可使土粒飞溅1m左右。影响雨滴击溅作用的因素有降雨强度或雨滴大小、土壤含水量、粒径大小、土壤有机质含量及地表积水厚度等。一般而言，雨滴打击分离土块的能力与降雨强度或雨滴大小成正比，与土壤有机质含量成反比。

溅蚀对表层岩土的作用主要表现为:①破坏土壤结构，分散土体或土粒，降低其抗蚀能力，并形成泥浆薄膜，造成土壤表层孔隙减少或者堵塞，导致土壤渗透性下降，利于地表径流形成和流动;②直接打击地表，导致土粒飞溅并沿坡面向下迁移;③增强地表薄层径流的紊动强度，从而显著加剧径流的侵蚀能力和输沙能力。

上述三个方面在溅蚀过程中相互联系，就其过程而言大致可分为四个阶段:①干土溅散阶段。降雨初期由于地表土壤水分含量较低，雨滴首先溅起的是干燥土粒。②湿土溅散阶段。随降雨历时延长，表层土壤颗粒逐渐被水分湿润，此时溅起的是水分含量较高的湿土颗粒。③泥浆溅散阶段。随着降雨的继续，地表呈泥浆状态，雨滴击散泥浆，使之向周围分散。④地表板结阶段。由于雨滴击溅作用破坏了土壤表层结构，地表将露出下伏的硬土或形成板结现象。

雨滴溅蚀是降雨和土壤相互作用的结果，溅蚀作用的大小受雨滴的侵蚀力和土壤的抗蚀性两方面制约。雨滴的侵蚀力是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，它是降雨物理特征的函数，其大小完全取决于降雨性质，即某次降雨的雨量、雨强、雨滴大小等。土壤种类不同，其黏粒、有机质含量以及其他对土壤起黏结和胶结作用的物质也不同，土壤抗蚀力也不同。土壤团粒黏结构的增加能降低雨滴击溅下的土粒分散破坏。随着团粒中黏土含量的增加，团粒强度增大，雨滴溅蚀量减少。

(二)径流对土壤的分散作用

径流对土壤的分散作用，是径流浸泡破坏土壤结构，径流紊动上举土粒，径流剪切力剥离土粒等作用的综合体现。

在产流过程中，水流首先会浸泡土壤，形成土壤结构的胶结物质首先溶解，许多土壤遇水还会膨胀，使土粒从土体上分离下来。

受边界条件的影响，水在流动过程中还会发生紊动现象，水流的紊动也会分离土壤。在同样流量和含沙情况下，水流的紊动程度越大，且分散土粒的能力越强。紊动程度可用水流的雷诺数、脉动强度等水力学参数来表示。

径流在流动过程中，其不同深度的流速存在差异，导致不同水层间产生剪切力。径流剪切力对土壤的剥蚀作用是径流分离土壤的主要过程，其分散土壤的强度可用分离能力来表征。径流分离能力是指特定水动力条件下清水分散土壤的能力，表示径流分离土壤的最大可能性。径流分离能力与径流剪切力成正比，但在径流剪切力作用过程中存在着临界剪切力。只有当径流剪切力大于临界剪切力时，径流才开始分离土壤。影响径流分离能力的水力参数有水流形态、水深、流速、流量、水温和含沙量等，土壤参数有土壤结构、有机质含量、颗粒组成、土壤坚实度、土壤黏结力和土壤抗剪强度等，流路形态特征有流路宽度、密度、弯曲度和边壁粗糙程度等。

片状侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀和沟谷侵蚀都是径流分散作用的结果，其形成的过程机制如下。

1.片状侵蚀

片状侵蚀是片状或层状水流作用的结果。片状水流的水层一般较薄，其厚度仅几毫米至几厘米，水的流速也较慢，一般在2～3cm/s至30cm/s之间，所以它的侵蚀力较弱。在坡面片流形成初期，水层很薄，速度较慢，且受地形起伏影响，往往处于分散状态，没有固定的路径，在缓坡地上，能量不大，冲刷力微弱，只能搬运被雨滴溅蚀而悬浮于水中的细微颗粒。随着径流沿坡面向下漫流，汇水面积不断增大，同时又继续接纳沿途降雨，因而片流的流量不断增大，坡面糙率随之减小，促进流速增大。流速和流量的增加大大增加了片流的冲刷力，当冲刷力大于土壤颗粒的抗蚀力时，片流将起到侵蚀和搬运的双重作用。

2.细、浅沟侵蚀

从片蚀到细沟侵蚀的转化是径流能量或侵蚀力超过某一临界状态时的结果，这一临界状态是细沟侵蚀发生的临界条件，可以用坡度、径流量、径流动能、径流剪切力以及土壤抗剪强度等多个参数来表示。不同土壤类型的坡地上，细沟侵蚀发生的临界条件有很大不同。

细沟侵蚀发展深化的结果是在坡面中下部形成浅沟。浅沟侵蚀是一种集流侵蚀过程，它的发生需要满足一定的径流量和临界动能值，因此浅沟侵蚀常发生在坡度较陡的坡面上，且一般多发生在坡面中下部。浅沟侵蚀的发生需要一定的径流量作保证，即在一定的土壤和地形条件下，汇水面积有一个临界值，它等于发生浅沟侵蚀的临界坡长与沟间距的乘积。

从细沟侵蚀开始，由于径流形态发生了显著变化(从片流变为股流)，径流剥蚀、搬运土粒的方式也相应发生变化。在细、浅沟侵蚀过程中，径流已不再有选择地搬运土粒，不仅以单粒方式起动土粒，被搬运的物质还包括很多没有完全被分散的土块;搬运形式也从悬移为主转变为推移为主;在细沟侵蚀过程中，除作用于土壤表面的径流剪切力外，在沟头溯源回升及沟壁崩塌展宽过程中，重力也起着重要作用;由于片流汇集成股流后，流量和流速都显著增大，细、浅沟中的径流与坡面片流相比，其携沙力和含沙量也显著增大。

3.沟谷侵蚀

沟谷侵蚀是溯源侵蚀、垂直侵蚀(下切作用)和侧向侵蚀共同作用的结果，其动力包括径流冲刷力、所携泥沙的磨蚀力和岩土体自身重力。

大多数侵蚀沟是由浅沟发展而来，其形成过程就是浅沟向侵蚀沟的转化过程。与坡面的其他部位相比，降雨过程中浅沟部位汇集的径流冲刷能力较强，尤其是在局部坡度较陡处，水流下切力加大，长期作用易形成一系列串珠状跌水，并发展为一个个下切沟头的雏形。在浅沟沟口，因整个浅沟中的水流都在此汇合，径流的单宽流量和流速大于浅沟中上部，剪切力和下切力显著增强，也会形成下切沟头。随着土壤侵蚀过程的发展，这些下切沟头从不同部位同时下切，对浅沟进行加深，同时进行溯源侵蚀，使浅沟沟头向坡面上部推移，对浅沟进行加长。随着下切作用的不断发展，边壁就会出现不稳定，随后就崩落在沟槽内，浅沟不断加宽。最后，从不同部位发展的下切沟头贯通一体就形成侵蚀沟。该阶段的侵蚀沟又称切沟，它是由浅沟向侵蚀沟发展的过渡形态，其横剖面呈“V”字形，纵剖面呈阶梯状，与地面线基本一致，但已开始出现较平缓的沟底段，一般深度和宽度都在几米到十几米之间，长达数百米。

切沟一旦形成，每次降雨产流时都会通过沟床下切和边壁扩展方式发展，并通过溯源侵蚀向坡顶发展，从而发展为冲沟。随切沟的沟头向坡顶继续前进，侵蚀沟出现分支现象，集水区的地表径流从主沟顶和几个支沟顶流入侵蚀沟内。因此，每一个沟顶集中的地表径流就会减少，侵蚀沟向长发展的速度减缓。另外，由于沟顶处于陡坡上，侵蚀作用加剧，在沟顶下部形成明显跌水。冲沟是发育完全成熟的侵蚀沟谷，谷宽与谷深皆可达数十米至上百米，长度以千米计。在平面上，主沟顶呈圆形，支沟顶处于切沟阶段。其纵剖面与原来的地面线不一致，沟底较平缓，且已完全脱离局部坡面。冲沟是侵蚀沟发育的后期，但还没有达到相对稳定的阶段。

随冲沟的进一步发展，沟底下切作用已经甚微，以两岸向宽发展成为主要形式。在平面上支沟呈树枝状的侵蚀沟网;在纵断面上，沟顶跌水不太明显，形成平滑的凹曲线。沟的上游水路没有明显的界线，但中游沟底和水路已具有明显的界线。谷底开始有薄层泥沙沉积物。这个阶段的侵蚀沟又称为坳沟，它是发育到老年期阶段的冲沟。

当冲沟发展到沟顶接近分水岭，沟底纵坡接近临界侵蚀曲线，沟岸大致接近自然倾角时，沟顶的溯源侵蚀基本停止，沟底不再下切，沟岸停止扩张。此时，沟谷侵蚀不再进一步发展，侵蚀沟由原来的失稳阶段进入了宏观稳定状态，由冲沟转变为河沟，沟底已有微弱的常年沟水，沟底冲积土上开始生长草类或灌木。