《Solid Earth Sciences》：Variability of splash and interrill erosion under simulated downward wind-driven rainfall
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本研究通过实验室模拟探究风驱降雨（WDR）对不同坡度（12%和30%）下溅蚀和侵蚀量的影响，发现风速显著增加 runoff 量、系数、土壤流失及泥沙浓度（P<0.01），而坡度影响更显著，但坡度与风速的交互作用对土壤流失影响最大，为侵蚀评估和防治提供依据。
马欣·卡莱霍伊（Mahin Kalehhouei）| 赛义德·哈米德雷扎·萨德吉（Seyed Hamidreza Sadeghi）| 阿卜杜勒瓦赫德·卡莱迪·达尔维尚（Abdulvahed Khaledi Darvishan）
水资源管理工程系，自然资源学院，塔比亚特莫达雷斯大学（Tarbiat Modares University），努尔（Noor），46417-76489，伊朗
摘要
研究流域系统的变化需要全面了解影响系统行为的因素。风驱雨（WDR）在各种条件下的溅蚀和沟间侵蚀行为的影响尚未得到量化。本研究调查了伊朗马赞德兰省（Mazandaran Province）科尤尔流域（Kojour Watershed）中WDR的影响。实验在无风条件下进行，降雨强度为50毫米/小时（50 mm/h），同时设置了两种风速（3米/秒和6米/秒），并在两个不同坡度（12%和30%）下进行观测。实验在三个面积为6×1×0.5米的试验地块上进行，这些地块填充了沙壤土。根据实验结果，12%和30%坡度上的溅蚀量分别为10至35克/平方米（10–35 g/m2）和15至45克/平方米（15–45 g/m2）。随着坡度的增加，下游的净溅蚀量大于上游。径流量范围为103至187升（103–187 L）。在没有风的情况下，径流系数在95%到178%之间变化；当风速达到6米/秒且坡度为12%时，径流系数也在相同范围内变化。对于30%的坡度，径流量范围为115至188升（115–188 L），径流系数范围为108%到180%（108–180%）。沟间侵蚀的结果表明，12%和30%坡度上的平均土壤流失量和沉积物浓度分别从415克/平方米增加到2013克/平方米（415–2013 g/m2），以及从31克/升增加到143克/升和142–678克/升（31–143 g/L和142–678 g/L）。研究结果表明，风对径流量、径流系数、土壤流失量和沉积物浓度有显著影响（P < 0.01）。此外，径流量、径流系数、土壤流失量和沉积物浓度的变化受坡度的影响大于风速的影响（对应的皮尔逊平方值分别为0.38、0.44、0.21和0.13）。土壤流失量受到坡度和风速相互作用的影响更为显著（皮尔逊平方值=0.61）。比较坡度和风速的影响，坡度对径流系数的影响更为显著（皮尔逊平方值=0.44）。本研究的结果有助于专家将风的影响纳入土壤侵蚀估算，并帮助管理者实际评估WDR对土壤侵蚀的影响，从而确定脆弱区域。
引言
土地退化是指干旱、半干旱和干亚湿润地区生物或经济生产力的下降，影响耕地、牧场、森林和林地。它由多种土地利用方式和人类活动引起，主要因素包括土壤侵蚀、土壤性质恶化以及自然植被的破坏。这些有害的变化或干扰降低了环境价值（Feng等人，2024年）。水蚀是最常见的土地退化类型之一（De Lima等人，2009年；Roy等人，2022年），在全球范围内表现为溅蚀、片状侵蚀、沟间侵蚀、沟蚀、沟壑侵蚀和侧向侵蚀（Poesen等人，1994年；Kinnell，2005年；Zhu等人，2023年）。多种因素影响土壤侵蚀，包括气候、土壤可蚀性、地形、管理措施和植被覆盖。每个因素都对侵蚀的程度和速率至关重要（Chaplot和Bissonnais，2003年；Montenegro等人，2013年）。溅蚀是侵蚀过程的第一步（Laflen等人，1991年；Ni等人，2023年）；雨滴对土壤表面的冲击会导致土壤颗粒的位移和土壤结构的破坏（Ellison，1947年；Moss和Green，1983年；Valettea等人，2006年）。研究表明，雨滴对土壤表面的冲击是水蚀的主要驱动因素。这种现象会破坏土壤颗粒，引发侵蚀，并显著加剧土地退化（Wang等人，2024年）。
在流域尺度上，土壤侵蚀可分为沟间侵蚀和沟蚀过程（Meyer等人，1975年）。沟间侵蚀的特点是附近存在沟蚀，而片状侵蚀发生在沟蚀的上游（Liu等人，2006年；Sadeghi等人，2021年）。这种侵蚀的主要过程是雨滴冲击导致土壤颗粒脱落，随后通过溅蚀和浅层表面流动传输（Kinnell，2009年；Mahmoodabadi和Cerdà，2013年；Sun等人，2021年）。沟间侵蚀受降雨特性（如降雨量、强度、动能和雨滴直径）、表面流动的水力特性（如流动状态、深度和速度）、土地特性（如坡度、表面粗糙度和植被）以及土壤特性（如质地、结构、初始含水量和剪切强度）等因素的影响（Watson和Laflen，1986年；Kiani-Harchegani等人，2019年；Li等人，2022年；Ma等人，2023年；Wang等人，2023a）。因此，识别影响因素和测量土壤溅蚀是在自然土壤条件下表征水蚀的初始步骤（Angulo-Martinez等人，2012年；Beczek等人，2021年）。
气候和地形因素在土壤侵蚀和沉积物产量的形成中起着重要作用，无论是动态的还是静态的。土壤水文过程直接或间接受到地形特征（如坡度陡峭度和方向）以及气候特征（如降雨、降雪和风）的影响。雨滴引起的土壤颗粒脱落强度取决于坡度（Tejada和Gonzalez，2006年）。坡度角度会影响上游和下游的颗粒溅蚀以及总溅蚀量（Shan等人，2023年）。Fu等人（2011年）报告称，坡度增加与更大的溅蚀量和土壤流失量相关。Mahmoodabadi和Sajjadi（2016年）表明，随着降雨强度（即57毫米/小时和80毫米/小时）和坡度陡峭度（即0.5、2.5、5和10度）的增加，冲刷负荷也增加。Kiani-Harchegani等人（2019年）发现，降雨强度对粘土含量的影响大于坡度陡峭度。
在无风、平静的条件下，雨滴垂直撞击土壤表面（Camuffo，2022年）。然而，雨滴撞击土壤表面的角度也与坡度有关。当风等其他因素介入时，撞击角度会发生变化。风是自然暴雨的驱动力，从而影响雨滴的落下方式和浅层水流的形成（Marzen等人，2017年）。因此，根据风速和风向的不同，雨滴会以倾斜的角度撞击土壤表面，偏离垂直落下模式（Schmidt等人，2017年）。当雨滴进入局部风场时，它们会被风向偏转，形成特定的分布模式，从而改变区域降水量（Poreh和Mechrez，1984年；Blocken等人，2006年；Wu等人，2022年）。随着风速的增加，雨滴以更大的速度和对角线路径撞击地面，导致动能、角度、直径、土壤颗粒的运动和撞击距离的增加（Cornelis等人，2004年；Fister等人，2011年；Fister等人，2012年；Kalehhouei等人，2023年）。这些因素导致侵蚀潜力增加（Marzen等人，2017年）。Iserloh等人（2013年）使用风洞研究了WDR对干燥和湿润土壤中的土壤侵蚀的影响。在WDR条件下，沉积物量比无风条件增加了113–1108%，径流量显著减少（即15–71%），而沉积物浓度增加了56%至894%。Marzen等人（2015年）使用风洞证明了WDR会放大土壤溅蚀。因此，有风和无风条件下的平均溅蚀量分别为10490毫克和229.9毫克。Schmidt等人（2017年）表明，在不同风向的风洞中减少风的影响可以增加土壤侵蚀。An等人（2022年）表明，风向（背风、顺风和侧风）显著影响径流量、沉积物产量以及溶解氮和颗粒氮的损失。
尽管先前的研究普遍认为风和降雨引起的侵蚀行为之间存在关联，但在大尺度上，人们对溅蚀和沟间侵蚀发生的重要性和定量作用关注较少（Wirtz等人，2012年；Nouwakpo等人，2016年）。
在这项研究中，尝试在没有使用风洞的情况下模拟不同坡度下的WDR。迄今为止，还没有研究在非风洞条件下同时考察WDR的作用，这是由于风洞设计和规模限制，难以模拟不同坡度的真实风模式。与主要在小规模风洞中进行的研究相比，这种创新方法有助于更好地理解风和降雨在更接近实际情况的条件下的综合影响。本研究试图识别并更全面地评估先前研究的局限性，特别是在不同坡度上的风向问题。因此，应使用实验室地块规模的降雨模拟系统进行模拟实验，以更好地理解降雨引起的侵蚀过程（Sadeghi等人，2023年）。与自然降雨相比，使用降雨模拟器的主要优势包括操作速度、效率、可控性和灵活性（Meyer和Harmon，1984年）。为了监测和分析水蚀的变化，揭示和理解风和降雨之间的复杂相互作用至关重要。这种理解是研究和评估影响流域系统行为的因素的关键步骤，也有助于模拟土壤水蚀，从而为流域系统管理提供合适的解决方案。因此，本研究的主要目的是研究WDR对两个坡度（即12%和30%）上的溅蚀和沟间侵蚀成分的影响。因此，本研究旨在研究风速（即3米/秒和6米/秒）对以下方面的影响：(a) 溅蚀率，(b) 径流成分，以及(c) 两个缓坡和陡坡上中型试验地块中的土壤流失量和沉积物浓度。这项研究的创新之处在于在更接近实际情况的条件下使用WDR模拟系统。它有助于更准确、更全面地理解不同尺度上的侵蚀过程。此外，这项研究有助于改进土壤侵蚀建模，并评估其对土壤和水资源管理的影响，特别是在具有不同坡度和风条件的地区。
研究地点描述和土壤准备
土壤样本取自位于里海以南马赞德兰省（Mazandaran Province）阿尔博兹山脉（Alborz Mountains）北部坡地的科尤尔流域（Kojour Watershed）的夏季牧场。样本从大约20厘米深的土壤中采集（Kukal和Sarkar，2010年）。为了保持其初始含水量，样本被放置在塑料袋中，并运送到努尔（Noor）的塔比亚特莫达雷斯大学（Tarbiat Modares University）自然资源学院的降雨和侵蚀模拟实验室。
降雨均匀性和侵蚀系数的结果
对于坡度方向（从上游到下游），Christensen的降雨均匀性系数分别为87.15%、76.93%和63.13%，对应风速为0米/秒、3米/秒和6米/秒。该系数的结果证实，在3米/秒和6米/秒的风速下，风显著降低了降雨均匀性。根据公式（2）并考虑到Christensen的均匀性系数超过80%，发现3米/秒和6米/秒的风速……溅蚀成分对风驱雨（WDR）的响应
表1显示了在向下风条件下，12%和30%坡度上的溅蚀变化情况。在12%的坡度上，0米/秒、3米/秒和6米/秒的风速下，净溅蚀量分别为10克/平方米、33克/平方米和35克/平方米。在30%的坡度上，这些数值分别增加到15克/平方米、39克/平方米和45克/平方米。这些结果表明，随着风速的增加，净溅蚀率显著增加，这可能是由于风对颗粒运动和分离的动态影响。研究的局限性和不确定性
尽管本研究使用中型试验地块提供了风驱雨对溅蚀和沟间侵蚀影响的新颖实验量化方法，为小规模风驱水蚀和野外尺度侵蚀过程之间建立了关键桥梁，但根据研究条件和实验设计，本研究存在以下主要局限性和不确定性：
•受控模拟与自然复杂性
结论
本研究考察了风速为0米/秒、3米/秒和6米/秒时风驱雨（WDR）对12%和30%坡度上的溅蚀和沟间侵蚀的影响。主要发现如下：
•所有测量到的水文变量（P < 0.01）都受到风的显著影响，包括溅蚀、径流量、径流系数、土壤流失量和沉积物浓度。
•坡度对径流量和径流系数的影响通常比
作者贡献声明
赛义德·哈米德雷扎·萨德吉（Seyed Hamidreza Sadeghi）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、数据分析、概念化。阿卜杜勒瓦赫德·卡莱迪·达尔维尚（Abdulvahed Khaledi Darvishan）：软件开发、方法论、数据收集、调查。马欣·卡莱霍伊（Mahin Kalehhouei）：撰写——初稿撰写、软件使用、资源协调、方法论、数据收集、数据分析。
伦理许可
作者同意将本文提交给选定的期刊，并确认在提交时本文未在其他学术期刊中修订。此外，一旦做出最终决定，它将在审稿过程中提交给其他期刊。
资助
伊朗塔比亚特莫达雷斯大学（Tarbiat Modares University）支持了本研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
塔比亚特莫达雷斯大学农业水文学研究小组（Grant No. IG-39713）部分资助了本研究。
