1.1　引言

地表土壤的风蚀和水蚀过程相似之处在于它们均涉及流体的动量、动能在表土颗粒之间的传递和转换(e.g.Namikas,2006;Crassous, et al., 2007;Comola ＆amp;Lehning, 2017;Kinnell, 2005, 2013)。干旱与半干旱地区的表土在旱季遭受风力侵蚀而在雨季遭受流水侵蚀,而流水侵蚀中常伴随风力驱动降雨的侵蚀(e.g.Erpul, et al., 2009)。流水侵蚀大体上包括雨滴溅蚀、径流冲刷、化学溶蚀和径流输送等过程。

雨滴溅蚀是流水侵蚀的开端(e.g.Kinnell,2005,2013),它能为后续的径流侵蚀及输送、面蚀和沟蚀发展提供松散物质,进而影响到径流侵蚀强度。自20世纪40年代以来雨滴溅蚀研究取得了一系列重要的进展,总计发表期刊论文、会议论文、专利文献等1200篇(Fernández-Raga, et al., 2017),特别是2016年之后2年的产出与之前产出相当,可见近年来雨滴溅蚀研究具有很好的学术热度。溅蚀研究可以归纳为3部分内容:

1)雨滴溅蚀观测技术研究。和地球科学领域的其他研究相同,观测技术直接关系到数据精度、数据和相关规律的解释。不同的研究群体根据各自研究目的设计了形式多样的溅蚀测量装置,这些装置可分为溅蚀杯 (e.g.Ellison, 1947)、溅蚀漏斗 (e.g.Gorchichko, 1977)、溅蚀瓶杯(bottles cup, Sreenivas, et al., 1947)、溅蚀板 (Ellison, 1944a, b),收集槽 (Jomaa, et al., 2010)、溅蚀帘(Mermut et al., 1997)、溅蚀室 (Proffitt et al.,1989)、Morgan 盘 (Morgan, 1981)、Leguédois 盘 (Leguédois, et al., 2005)、墨汁或放射性示踪 (Coutts, et al., 1968)、溅蚀棒(Fernández-Raga, 2012)、溅蚀盒(Van Dijk, et al.,2003a, b)、溅蚀径流盒 (Ghahramani, et al., 2011a)、全方向溅蚀盒 (Van Dijk, et al.,2003b)、T 形杯 (Scholten, et al., 2011) 和相机追踪(Darvishan, et al., 2014) 等。这些装置可用于野外或室内测量溅蚀强度。溅蚀装置的结构和几何尺寸是影响溅蚀测量精度的重要因素,其中几何尺寸应该尽可能地根据雨滴溅蚀颗粒的轨迹特征来设计,以便尽可能捕捉到所有溅蚀的颗粒。

2)雨滴动能、降雨强度、土壤性质、坡度、坡长、地表覆盖与土壤溅蚀强度的观测研究。目前学术界对溅蚀的影响因素和溅蚀强度关系的理解与实际的情形之间还存在很大的差距(gaps in splash erosion research)(Fernández-Raga, et al., 2017)。造成较大差距的原因包括对雨滴溅蚀知识理解的不够、溅蚀过程中相关变量测量的误差和不确定性等方面,如雨滴动能测量或计算误差、雨滴动能和降雨强度的非线性关系(如在强降雨事件中,小雨滴增加对雨滴动能贡献的问题)。另外,土壤的抗蚀性质是不易定义和定量化表征,也为定量地理解土壤性质与溅蚀强度的关系带来了不确定性,如土壤渗透性能、水稳定性团聚体含量等。类似的问题也出现在植被、砾石等粗糙元覆盖对溅蚀的影响方面。关于此类问题,有兴趣的读者可参考相关文献(e.g.Fernández-Raga, et al., 2017)。

3)雨滴溅蚀的计算模拟研究。本章主要讨论溅蚀模拟计算及相关问题。溅蚀和风沙物理中的粒-床碰撞有相似之处,在研究思路、方法和内容上可以相互借鉴,因而本章主要从溅蚀的研究思路、方法和内容等方面来评述溅蚀规律,以期为风沙物理学研究提供借鉴。