水/雨滴冲刷土壤侵蚀

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雨滴冲刷

单个雨滴落在倾斜的土壤表面时，其动量沿坡向分量的全部传递给土壤表面。然而，仅有一小部分垂直于表面的分量被传递，其余的被反射回来。动量传递到土壤颗粒上具有两个作用

固结:

它提供一种固结力，压实土壤，从而加剧地壳的形成。表面地壳的形成是由土壤压实导致的孔隙堵塞，以及雨滴撞击使土壤团聚体分离出的细颗粒填充表面孔隙空间造成的。地壳具有致密的表面皮层或封层，厚约 0.1 毫米，其中粘土颗粒排列良好。在其下方是厚 1-3 毫米的层，其中较大的孔隙空间被更细的冲刷进来的物质填满（Tackett 和 Pearson，1965）。大多数土壤表面的团聚体在降雨期间被破坏，而地壳下层的团聚体即使完全饱和也保持完整（Farres，1978）。尽管饱和度降低了土壤团聚体的内部强度，但它们不会在直接受到雨滴撞击之前瓦解。

分散

动量传递到土壤颗粒上会产生破坏力，因为水从撞击点快速分散并以横向流动的射流形式返回。落在土壤表面的雨滴的撞击速度从直径为 1 毫米的雨滴的 4 米/秒到直径为 5 毫米的雨滴的 9 米/秒不等。横向射流的局部速度约为这些速度的两倍（Huang 等人，1982）。这些快速移动的水流给一些土壤颗粒赋予速度，并将其发射到空中，夹带在自身形成的水滴中，这些水滴是由雨滴与地面接触时破裂形成的（Mutchler 和 Young，1975）。因此，雨滴既是固结剂，又是分散剂。

土壤对特定降雨的实际响应取决于其含水量，因此取决于其结构状态和降雨强度（动能）。Le Bissonnais（1990） 描述了三种可能的响应

• 如果土壤干燥且降雨强度高，土壤团聚体通过风化迅速分解。这是润湿锋面前方空气压缩导致的分解。入渗能力迅速降低，在光滑表面上，仅在几毫米雨水后就会产生径流。对于更粗糙的表面，洼地蓄水量更大，径流需要更长时间才能形成
• 如果团聚体最初部分湿润或降雨强度低，会发生微裂纹，团聚体分解成更小的团聚体。因此，表面粗糙度降低，但由于微团聚体之间的较大孔隙空间，入渗仍然很高。
• 如果团聚体最初处于饱和状态，则需要大量的雨水才能封闭表面，入渗能力取决于土壤的饱和水力传导率。然而，如果降雨强度很高，粘土含量低于 15% 的土壤易于封闭。

随着时间的推移，地壳发育影响的土壤表面百分比随着累积降雨能量呈指数增长（Govers 和 Poesen，1985），这反过来又导致入渗能力呈指数下降（Boiffin 和 Monnier，1985）。随着粘土和有机质含量的增加，可结皮性降低，因为这些物质为土壤提供了更大的团聚体稳定性。因此，壤土和砂壤土最容易形成地壳。

雨滴冲刷土壤侵蚀

雨滴撞击剥蚀 1 千克沉积物所需的动能研究表明，对于几何平均粒径为 0.125 毫米的土壤，所需的能量最小，而对于几何平均粒径为 0.063 到 0.250 毫米的土壤，最容易受到雨滴剥蚀的影响（Poesen，1985）：粉壤、壤土、细砂和砂壤土。较粗的土壤由于较大颗粒的重量而具有抗剥蚀性，而较细的土壤由于雨滴能量必须克服粘土颗粒构成矿物之间的粘合力或化学键合力而具有抗剥蚀性。雨滴冲刷对颗粒的选择性去除会导致土壤质地沿坡向发生变化，影响土壤团聚体和原生颗粒。

剥蚀粘土颗粒所需的能量范围很大，这是不同类型的粘土矿物以及水通过孔隙时${\ce {Ca^2+}}$、${\ce {Mg^2+}}$ 和 ${\ce {Na^+}}$Na 阳离子的相对含量有关（Arulanandan 等人，1975）。总体而言，粉壤、壤土、细砂和砂壤土是最容易剥蚀的。

除了质地外，土壤的剥蚀性还取决于表层土壤的剪切强度（Cruse 和 Larson，1977）。土壤颗粒的剥蚀代表了土壤在雨滴撞击下的压缩和剪切联合机制的破坏，这种破坏最有可能在土壤剪切强度最低的饱和条件下发生（Al-Durrah 和 Bradford，1982）。剥蚀率随着剪切强度的增加呈指数下降。

在暴雨期间，雨滴有时不会直接落在土壤表面，而是落在积水或地表径流的形式的表面水体上。随着表面水层厚度的增加，溅蚀也会增加（Palmer，1964）。这是由于撞击的雨滴使水产生湍流。只有在沙质土壤上，溅蚀才不会随着水深的增加而增加（Poesen，1981）。

然而，存在一个临界水深，超过该临界水深，侵蚀率随着水深的增加呈指数下降，因为更多的降雨能量在水中消散，不会影响土壤表面。这个临界深度大约等于雨滴的直径（Palmer，1964）。

雨滴冲刷剥蚀

实验研究表明，雨滴溅蚀土壤颗粒的**分离速率**随雨滴瞬时动能的1.0次方而变化（Free, 1960；Quansah, 1981）。裸露土壤上的分离速率 $D_{r}$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)

$KE$ 是雨滴的动能，而 $h_{0}$ 是地表水膜的深度。 $s$ 是仅与雨滴撞击点（例如土块侧面）相隔几个雨滴直径的距离的局部坡度，而不是平均地面坡度。 $a$ 的值可能从沙子的 0.8 变化到粘土的 1.8（Bubenzer 和 Jones, 1971）。 $b$ 的值在 0.2-0.3 范围内（Torri 和 Sfalanga, 1986），而 $c$ 的值在 0.9-3.1 范围内（Torri 等人，1987b），随土壤质地而变化。

雨滴溅蚀搬运

相反，当考虑**溅蚀颗粒的整体搬运**时，平均地面坡度 S 非常重要。在倾斜表面上，在分离过程中，更多颗粒被抛向坡下而不是坡上，导致物质净向下坡移动。每单位坡宽的溅蚀搬运 $T_{r}$T r 可以用以下关系式表示：

$T_{r}\propto I^{d}S^{e}$   (1.6)

其中 $d=1.0$(Meyer 和 Wishmeier, 1969) ，而 $e$ 从 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，分别（Mosley, 1973；De Ploey 等人，1976），在更陡峭的坡度上变为负值（Foster 和 Martin, 1969；Bryan, 1979）。

这些关系忽略了**风的作用**。风速对下落的雨滴施加水平力，直到雨滴的水平速度分量等于风速。因此，雨滴的动能增加。由受风驱动雨滴撞击引起的土壤颗粒分离，可能比在没有风的情况下相同强度的雨滴引起的土壤颗粒分离大 1.5-3 倍（Disrud 和 Krauss, 1971；Lyles 等人，1974）。风还会使雨滴以与垂直方向成一定角度撞击地面。这会影响坡上和坡下溅蚀的相对比例（Moeyersons, 1983）。

溅蚀对于分离随后被流水侵蚀的土壤颗粒（细沟间的地表径流，细沟流）最为重要。然而，在**山坡的上部**，溅蚀搬运可能是主要的侵蚀过程。随着径流和土壤流失的增加，溅蚀搬运的重要性下降。由于溅蚀作用于整个地表，因此在石头或树根选择性地保护了下面的土壤的地方，其影响最明显，形成了溅蚀基座或土壤柱状体。

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