0 引言
【研究意义】地表微地形作为影响地表水文学和水力学特性的一个重要特征值[1-3],伴随着侵蚀过程的发生与演变,它会通过自身空间各点位置的变化与高程值的消长影响土壤入渗[4]、地表径流[5-6]以及地表凹陷处蓄水量[7]等过程。反之,这些过程均会导致地表微地形的变化。故了解地表微地形动态变化特征对于深入理解坡面水蚀机理具有重要意义。【前人研究进展】微地形对土壤侵蚀的影响主要是通过其影响坡面径流产生与径流的汇流方式,进而对坡面径流与侵蚀产沙产生抑制或促进作用,而这些作用的产生与微地形的空间分布特征密切相关。因此,对微地形的量化一直是国内外研究的热点。郑子成等[8]利用地表糙度指标较好的预测了裸露地表的产流量,MAGUNDA等[9]通过研究得出随机糙度与侵蚀产沙量之间呈显著的负相关关系,崔灵周等[10]也通过研究表明多重分形参数预测侵蚀产沙是可行的。可见,寻找适宜的微地形量化指标对于土壤侵蚀的研究至关重要,这也是区域土壤侵蚀预测预报模型构建亟待解决的关键问题之一[1]。目前微地形常用的度量指标中,诸如地表糙度[5, 11]、分形维数等[12]单一指标,仅能反映地表糙度的数量大小,而难以反映微地形的空间结构变化。随着人们对于微地形认识的不断深入,LD×LS[13]、Markov-Gaussian[14]等模型相继提出,但以上这些模型反映了空间高程或水平尺度的变化,缺乏将二者综合起来进行考虑,使得这些模型不能很好的反映实际情况。近年来,随着GIS技术在土壤侵蚀领域的广泛应用[15-16],地形因子的提取为微地形空间结构分析提供了新思路。【本研究切入点】近年来,地表微地形虽被视为土壤侵蚀的重要影响因子,但它的土壤侵蚀效应一直存在相悖的观点[17-20],究其原因是地表微地形变化具有高动态性和复杂性,而对其的定量化表征存在不少局限性,缺乏数量特征和空间特征的结合,影响了人们对地表微地形的深入理解。【拟解决的关键问题】本文运用人工模拟降雨的方法,从地表糙度角度,结合GIS技术,探讨不同降雨条件下紫色土横垄坡面地表微地形变化特征,以期揭示地表微地形对土壤侵蚀的作用,服务于坡耕地水土流失的有效防治与耕作措施的合理布设。1 材料与方法
试验于2015年10—12月在四川农业大学土壤侵蚀实验室内完成。1.1 试验区状况
研究区位于长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩流域,隶属于资阳市雁江区松涛镇,地貌属典型的川中丘陵区,年均降雨量约为965.8 mm。该区土壤为侏罗纪遂宁组母质发育的红棕紫泥,pH 7.5,有机质含量为7.3 g·kg-1,土壤黏粒、粉粒和砂粒含量分别为22%、29%和49%,土壤质地为黏壤土。1.2 试验设计
1.2.1 土样采集与填充 试验选用四川省雁江区坡耕地耕层土壤。土样混匀、风干后过10 mm筛。为了使填土均一且接近自然坡面,按容重还原法每10 cm分层填充在钢制侵蚀槽内,规格为2.0 m×1.0 m×0.4 m,平均容重保持在1.2 g·cm-3左右,并在土槽底部铺设10 cm厚度的粗砂作为排水滤层。在实地调查基础上,按照当地农耕习惯,在侵蚀槽内布设横坡垄作（RT）,按水平方向开沟起垄,垄高15 cm,垄距90 cm,垄宽40 cm,以直线坡面（CK）作为对照。1.2.2 降雨试验 采用人工模拟降雨试验,根据研究区多年水文资料记录的降雨频率及特点,设定雨强为1.0,1.5,2.0 mm·min-1,降雨历时分别为60,40,30 min。为客观地反映自然降雨,分为雨强递增（1.0,1.5,2.0 mm·min-1）和递减（2.0,1.5,1.0 mm·min-1）2个降雨系列。人工降雨装置采用中国科学院水土保持研究所生产的SR型移动式人工模拟降雨器,装置喷头系统为美国V-80100,降雨高度6 m,均匀系数在85%以上。
地表微地形的测定：每场降雨间隔24 h,期间用塑料薄膜覆盖地表以控制蒸发对试验的影响。在每个系列第1场雨前采用0.5 mm·min-1进行预降雨15 min,以保证试验土壤含水量一致。依据研究区紫色土区坡耕地分布特点,设计地表坡度为15°。
1.3 数据分析
1.3.1 微地形DEM的建立 采用测针法与摄影法相结合的方法测定地表微地形起伏[21],测针间距为2 cm,沿坡面每2 cm测定一次,分别在每场降雨前后测定地表糙度。测定时将土槽坡度调节为0°,然后将测针垂直轻放于地表,将相机焦点调节至读数板中央位置,以防止图像变形,每个小区共获得97张照片,然后运用C#语言自行编制的程序提取相片上的测点坐标。用提取的共4 753个测点坐标在ArcGIS中运用3D Analyst生成原始的DEM,分辨率为2 cm×2 cm。1.3.2 地表糙度计算 地表糙度是较为常用的量化地表微地形起伏程度的指标[5],其计算公式为：
式中,S.D.为地表糙度值（mm）;Z（xi）为位置在xi点的高程值（mm）;Z为研究区内测得的高程值
的均值（mm）;N为研究区内测得的高程点数目。
1.3.3 地形因子提取与分析 在DEM的基础上,利用向量的差分原理提取微坡度和微坡向[15]。其中,微坡度依次划分为0°—5°、5°—10°、10°—15°、15°—20°、20°—25°、25°—30°、30°—35°、35°—40°、>40° 9个等级,并统计各等级的栅格数占总栅格数百分比。微坡向以正北方向为0°,按顺时针方向（0°—360°）,依次为北、东北、东、东南、南、西南、西和西北坡,并统计各微坡向栅格数占总数的百分比。计算公式如下：
微坡度的数学表达式为：
微坡向的数学表达式为：
式中,S、A分别为地表上某点的微坡度、微坡向;fx为X方向高程变化率,fy为Y方向高程变化率,其计算公式如下,此处（X, Y）(X,Y) | X=N, Y=N, NE,…,WN}。
式中,h为栅格间距（cm）;Zi, j为某点高程（mm）。
1.4 数据处理
采用ArcGIS 10.0 进行DEM的建立;采用Data Processing System 11.0 进行试验数据统计分析;多重比较选择最小显著差数法（Least Significant Difference,LSD）;图表制作采用Surfer 12.0 和Excel 2013。2 结果
2.1 地表高程变化量空间分布特征
从图1可以看出,在递减降雨条件下,第1场降雨后（2.0 mm·min-1）,横垄坡面下垄右侧表土坍塌沉积形成面积较大的洼地;而直线坡面已形成了明显的细沟。第2场降雨过程中（1.5 mm·min-1）,随着累积降雨量的增加,当汇集的雨水超过垄沟蓄水容量时,雨水会从垄顶较低处发生漫流,垄沟内水位较高,具有较强的侵蚀力,最终导致细沟的形成。第3场降雨后（1.0 mm·min-1）,横垄坡面地表微地形未发生明显的变化。而直线坡面,在第2和第3场降雨作用下,地表微地形变化均较为稳定。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同雨型下地表微地形的变化
i表示递增降雨系列,d表示递减降雨系列,括号中的数字代表降雨场数。下同
-->Fig. 1Change of soil surface microrelief under different rainfall patterns
i represents increased rainfall series, d represents decreased rainfall series, the numbers in parentheses represents serial number of rainfall events. The same as below
-->
在递增降雨条件下,第1场雨后（1.0 mm·min-1）,横垄坡面下部垄右侧垄顶形成零星的洼地;而直线坡面在坡中和坡下部形成了零星洼地。第2场降雨后（1.5 mm·min-1）,横垄坡面形成的洼地逐渐被径流冲刷贯通,形成1条明显的细沟;而直线坡面在坡面中下部形成3条明显的细沟。第3场降雨后（2.0 mm·min-1）,横垄坡面形成的细沟不断加深变宽,且细沟的源头延伸至沟内,横向发育较为明显;而直线坡面形成的细沟仅呈现出加深变宽的变化趋势。
为了进一步明确地表微地形的变化特征,将雨前、雨后栅格图层进行叠加,得到地表高程变化量分布比例。
由表1可知,对于横垄坡面,不同降雨条件下地表高程变化范围随累积降雨量的增加呈现出先增加后减小的变化趋势。在整个降雨过程中,地表高程变化量均以-20—0 mm所占面积最大,分布比例高;其次为0—20 mm所占比例,两者占到试验小区面积的69.28%—97.46%。且随降雨场数的增加,递增降雨系列下,地表高程减小区域所占比例总和分别为64.39%、54.65%和60.74%;递减降雨系列下,地表高程减小区域所占比例总和分别为59.08%、49.71%和65.08%。可见,不同降雨条件下,地表高程减小区域所占比例相对较大,具体表现为地表发生土壤侵蚀的面积随累积降雨量增加呈现出先减小后增加的变化趋势,递增降雨系列下的土壤侵蚀面积大于递减降雨系列。
Table 1
表1
表1不同降雨条件下横垄坡面地表高程变化量分布比例
Table 1Distribution proportion of elevation variation on the sloping of ridge tillage under different rainfall patterns (%)
| 高程变化量 Elevation variation (mm) | 递增降雨系列 Increased rainfall series | 递减降雨系列 Decreased rainfall series | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 第1场 No. 1 | 第2场 No. 2 | 第3场 No. 3 | 第1场 No. 1 | 第2场 No. 2 | 第3场 No. 3 | |||
| 60-80 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.06 | ||
| 40-60 | 0 | 0.03 | 0.16 | 0 | 0.01 | 0.16 | ||
| 20-40 | 0.64 | 15.99 | 9.56 | 0 | 3.72 | 0.90 | ||
| 0-20 | 34.97 | 29.33 | 29.54 | 40.93 | 46.55 | 33.81 | ||
| -20-0 | 62.35 | 39.95 | 39.77 | 55.54 | 45.9 | 63.65 | ||
| -40--20 | 2.04 | 12.26 | 19.98 | 1.21 | 2.32 | 0.74 | ||
| -60--40 | 0 | 0.86 | 0.57 | 0.99 | 0.41 | 0.19 | ||
| -80--60 | 0 | 0.48 | 0.19 | 1.13 | 0.29 | 0.21 | ||
| -100- -80 | 0 | 0.40 | 0.11 | 0.21 | 0.30 | 0.17 | ||
| -120--100 | 0 | 0.30 | 0.06 | 0 | 0.22 | 0.07 | ||
| -140--120 | 0 | 0.21 | 0.04 | 0 | 0.09 | 0.04 | ||
| -160--140 | 0 | 0.12 | 0.02 | 0 | 0.07 | 0.01 | ||
| -180--160 | 0 | 0.06 | 0 | 0 | 0.05 | 0 | ||
| <-180 | 0 | 0.01 | 0 | 0 | 0.06 | 0 | ||
| 合计 Total | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
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而对于直线坡面,地表高程变化量在整个降雨过程仅在-10—10 mm这个范围内变动（表2）。除了递增降雨系列第1场降雨地表高程变化量分配比例较均匀之外,其余降雨过程地表高程变化量主要集中在-5—5 mm。递增降雨系列下,地表高程减小区域所占比例总和分别为48.56%、45.28%和63.14%;递减降雨系列下,地表高程减小区域所占比例总和分别为38.59%、36.59%和35.12%。递增降雨系列下地表发生土壤侵蚀面积随降雨时间的推移逐渐增大,递减降雨系列则呈相反的变化趋势,前者土壤侵蚀面积大于后者。
2.2 地表糙度变化特征
由图2可以看出,递增降雨条件下,横垄坡面地表糙度随累积降雨量的增加呈现出先稳定后逐渐上升的变化趋势,糙度值介于58.58—65.32 mm,而在递减降雨条件下,糙度值随累积降雨量的增加呈现出先升高后下降的变化趋势,糙度值介于57.47—64.22 mm。不同坡位地表糙度在不同降雨条件下呈现出相同的变化趋势,即上坡>下坡>中坡。Table 2
表2
表2不同降雨条件下直线坡面地表高程变化量分布比例
Table 2Distribution proportion of elevation variation on the linear slope under different rainfall patterns (%)
| 高程变化量 Elevation variation（mm） | 递增降雨系列 Increased rainfall series | 递减降雨系列 Decreased rainfall series | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 第1场 No. 1 | 第2场 No. 2 | 第3场 No. 3 | 第1场 No. 1 | 第2场 No. 2 | 第3场 No. 3 | |||
| >10 | 13.78 | 0.04 | 0.01 | - | - | 0.01 | ||
| 5-10 | 16.94 | 1.85 | 0.81 | 0.79 | 0.44 | 7.34 | ||
| 0-5 | 20.72 | 52.82 | 36.05 | 60.62 | 62.97 | 57.54 | ||
| -5-0 | 19.55 | 42.02 | 59.35 | 35.99 | 36.02 | 34.76 | ||
| -10--5 | 16.51 | 3.15 | 3.62 | 2.32 | 0.55 | 0.35 | ||
| <-10 | 12.50 | 0.11 | 0.17 | 0.28 | 0.02 | 0.01 | ||
| 合计 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同雨型下横垄坡面全坡面(A)和不同坡位(B)地表粗糙度的变化特征
图中不同小写字母表示降雨阶段间差异显著P<0.05,不同上标小写字母表示坡位间差异显著P<0.05。下同
-->Fig. 2Change characteristics of soil surface roughness of the sloping of ridge tillage in entire slope (A) and different positions (B) under different rainfall patterns
Different small letters and superscript letters indicate significant difference among different rainfall stages and among different positions at P<0.05 level, respectively. The same as below
-->
由图3可知,递增降雨条件下,直线坡面地表糙度随累积降雨量的增加呈现出逐渐增大的变化趋势,糙度值介于5.71—6.21 mm,而在递减降雨条件下,糙度值随累积降雨量的增加呈现出先增加后减小的变化趋势,糙度值在5.98—6.28 mm内变动。
不同坡位地表糙度具有明显的空间变异性。两种降雨类型下,上坡地表糙度均随降雨量的增加波动下降。下坡和中坡变化趋势截然不同,递增降雨系列下,中坡和下坡地表糙度呈逐渐增大的变化趋势,且后者增长幅度明显高于前者;递减降雨系列下,中下坡地表糙度在降雨中后期无明显变化。
2.3 地形因子提取与分析
2.3.1 微坡度变化特征 由图4可知,不同降雨条件下,横垄坡面微坡度栅格统计数随坡度的增加呈现出先降低后上升再下降的变化趋势,且主要集中在0°—5°和30°—35°这两个区间内。在递增降雨条件下,它们分别占试验小区栅格总数的28.56%和18.21%,而在递减降雨条件下则分别为27.81%和19.57%。且从图中可以看出,不同降雨条件下微坡度分布状况基本与雨前保持一致,不会随着累积降雨量的增加表现出明显的变异。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同雨型下直线坡面全坡面(A)和不同坡位(B)地表粗糙度的变化特征
-->Fig. 3Change characteristics of soil surface roughness of the linear slope in entire slope (A) and different positions (B) under different rainfall patterns
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4递减(A)和递增(B)降雨系列下微坡度分级分布
-->Fig. 4Distribution of microslope classification under decreased rainfall series (A) and increased rainfall series (B)
-->
而对于直线坡面,不同降雨条件下微坡度栅格统计数随坡度的增加呈现出逐渐降低的变化趋势,且主要集中在0°—5°和5°—10°这两个区间内。
2.3.2 微坡向变化特征 由图5可知,不同降雨条件下,横垄坡面微坡向主要分布在北坡和南坡。在递增降雨条件下,它们分别占试验小区栅格总数的33.52%和35.52%,而在递减降雨条件下则分别为39.02%和31.23%,且其余坡向分布较为均匀,各降雨阶段微坡向分布基本与雨前保持一致。
对于直线坡面,不同降雨条件下微坡向分布差异较大。在递增降雨条件下,微坡向分布基本与雨前一致,而在递减降雨条件下,雨前微坡向主要分布在南坡和西南坡,随着累积降雨量的增加,微坡向逐渐向北坡和西北坡集中。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5递减(A)和递增(B)降雨系列下微坡向分级分布
-->Fig. 5Distribution of microaspect classification under decreased rainfall series (A) and increased rainfall series (B)
-->
3 讨论
本文分别以地表高程值变化、地表糙度和地形因子表征了地表微地形的特征。前二者体现了微地形垂直方向上的变化[1],后者体现了微地形的空间分布。在降雨过程中,坡面土壤的分离、搬运和沉积作用是同时存在的,但在不同条件下作用各异。本研究中,直线坡面上方侵蚀产生的泥沙在中下部发生沉积,导致地表高程增大区域所占比例相对较大且地表高程变化范围较小。相对于直线坡面而言,垄作坡面由于垄的存在,地表微地形的变化及泥沙迁移特征表现出不同的变化。垄作坡面,地表凸出部位易受径流冲刷,地表局部高程值不断降低,侵蚀泥沙迁移至低洼处发生沉积导致高程值不断增加。虽然地表侵蚀面积相对较大,但高程变化范围相对较小,且由于垄沟的存在,径流携带的泥沙大量在此处汇集。当断垄发生后,局部微地形的骤变导致高程值迅速降低,垄作为侵蚀的“源”,大量泥沙迁移出试验小区,且随着降雨的延续,垄沟内溯源侵蚀的发生导致地表高程衰退面积进一步扩大。在降雨后期,由于坡面细沟的出现,坡面泥沙呈回填的趋势,故高程值变化范围有所减小。可见,横垄坡面在降雨初期具有较好的蓄水保土的作用,但随着降雨的延续,这种作用逐渐减弱,甚至加剧土壤侵蚀的发生。地表糙度是描述地表土壤分布与起伏状况的一个物理量,它的大小具有空间依赖性[22]。在本研究中,直线坡面在整个降雨过程中全坡面地表糙度及变幅相对较小,且不同坡位地表糙度具有明显的空间变异性,可能是由于整平坡面上地表糙度主要由土壤颗粒构成的随机糙度,土壤颗粒空间分布的随机性较大造成的[23]。与直线坡面相比,横坡垄作是垂直于坡面方向上实施的耕作措施,改变了地表的空间分布格局,直观表现为坡面高程分布离散程度较大,相应的地表糙度值也较大。横垄全坡面地表糙度在不同降雨条件下随累积降雨量的增加变化趋势不尽相同,这主要是由于降雨侵蚀的类型差异所导致[24]。在递增降雨条件下,由于起始雨强较小,雨滴动能较低,产流时间相对滞后,且主要为薄层水流,对泥沙的剥离和搬运能力较小,仅地表疏松部位被侵蚀,微地形不会发生明显的改变。随着降雨强度的增大,雨滴和径流对微地形的扰动不断加剧,故地表糙度呈现增加的变化趋势。而在递减降雨条件下,前期雨滴动能及径流冲刷作用均较大,坡面侵蚀作用不断加强,故导致地表微地形的变化较为明显,地表糙度增大。微地形出现骤变的同时,降雨引起的土壤压实和密闭作用也相对较强,使得中雨强和小雨强条件下降雨对地表的影响有所减弱,侵蚀产生的土粒在试验小区内不断沉积,故地表糙度又有所减小。而不同坡位地表糙度在不同降雨条件下呈现出相同的变化趋势,即上坡>下坡>中坡,这主要是由于地表糙度变化与其空间位置密切相关,因为不同坡位,地表糙度的形态具有一定差异[25],地表糙度对降雨和径流侵蚀作用的响应不同[11],从而导致不同的变化规律。坡面上部地表微地形受雨滴影响较大,雨滴击打地表形成的鱼鳞坑使得地表糙度较大,而中下部受径流的影响较为明显,坡面上方的泥沙随径流的搬运在坡面中下部发生沉积,以削高填低为主导变化趋势,故糙度值较低,而坡中又是沟垄内泥沙沉积的集中区域,微地形在降雨过程中并不会发生明显的变异,故其糙度值是最低的。
微地形因子是为定量表达地貌微形态特征而设定的具有一定意义的数学参数或指标,反映了该地貌地表单元的形态、起伏或者扭曲特征。直线坡面受随机糙度的影响,不同降雨条件下微坡度较小且微坡向变化较为复杂。相较于直线坡面,具有耕作措施的坡面地形具有明显的起伏,从而使承雨面不均匀[26],具有多变的微坡度和微坡向,在水蚀过程中雨滴击溅和径流冲刷的土粒随微坡向和微坡度移动,缩短了土粒在坡面上的跃迁距离。有研究表明微坡度越大,地表填洼量就越大[27],地表填洼量的增加对抑制水土流失作用也呈增加的趋势。本研究中,不同降雨条件下,横垄坡面微坡度主要集中在0°—5°和30°—35°这两个区间内,随着累积降雨量的增加,微坡度分布逐渐向10°—30°转移,填洼量趋于减小,蓄水保土能力逐渐降低,这与前面分析的结果是一致的,这是由于横垄在阻止径流向坡面下方流动时,因垄向微坡度的存在,雨水在垄沟内汇集,当汇集的雨水超过垄沟蓄水能力时,雨水在坡顶发生跃垄现象,进而形成跌坎,最终导致破垄的发生。不同降雨条件下,横垄坡面微坡向主要分布在北坡和南坡,且其余坡向分布较为均匀,这主要是由于耕作措施是影响地表微地形空间异质性的决定性因子[28],在降雨侵蚀过程中,横垄坡面表现出较强的空间自相关性[29],使得微坡向对降雨的反映不敏感。
4 结论
4.1
不同雨型对微地形的影响差异较大,递增型降雨更易造成的土壤侵蚀的发生。递增型降雨雨型与四川紫色土区夏季主要侵蚀雨型特点相似,是研究区坡耕地土壤侵蚀防控的主要雨型。4.2
水蚀过程中,地表高程值变化、地表糙度仅能体现微地形垂直方向的变化,而地形因子更能体现微地形的空间分布,将以上三者结合起来能够较好的反映横垄坡面的微地形变化特征。4.3
在降雨初期,由于横坡垄作自身垄沟相间的几何特征,自相关性引起的空间异质性较强,水土保持效果较好,但随着降雨的延续,破垄导致的微地形骤变可能加剧土壤侵蚀的发生。在防治坡耕地水土流失措施布局上,应综合考虑横坡垄作的水土保持效应。The authors have declared that no competing interests exist.
