崩崗崩積體坡面糙度及其與侵蝕方式的耦合影響研究

廖義善 卓慕寧 唐常源 謝真越 袁再健 李定強(qiáng)

(1.廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所， 廣州 510650； 2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510275；3.廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510650)

崩崗崩積體坡面糙度及其與侵蝕方式的耦合影響研究

廖義善1,2卓慕寧1,3唐常源2謝真越1,3袁再健1,3李定強(qiáng)1,3

(1.廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所， 廣州 510650； 2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510275；3.廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510650)

崩崗崩積體是崩崗的主要沙源地?；谌斯つM降雨試驗(yàn)及三維激光掃描技術(shù)，研究崩崗崩積體坡面侵蝕過程。研究表明：利用三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能定量分析降雨前后坡面水蝕特征。全坡面及各坡位均為片蝕總量大于細(xì)溝侵蝕總量，但各坡位的侵蝕強(qiáng)度有所差異，其細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度由大到小表現(xiàn)為下坡、中坡、上坡，片蝕強(qiáng)度由大到小表現(xiàn)為上坡、中坡、下坡。坡面空間糙度由大到小大致呈現(xiàn)下坡位、中坡位、上坡位，坡面侵蝕方式可影響坡面糙度值及變化趨勢(shì)，而坡面糙度亦能影響各侵蝕方式的侵蝕強(qiáng)度。整個(gè)降雨時(shí)段內(nèi)全坡面侵蝕量最大、產(chǎn)沙量次之，沉積量最小，受坡面糙度變化影響，全坡面侵蝕、產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。而上坡位的侵蝕、產(chǎn)沙量無明顯變化，中、下坡位的侵蝕、產(chǎn)沙量呈對(duì)數(shù)減小趨勢(shì)。此外，除上、下坡位沉積量間存在顯著差異外，各坡位間侵蝕量、產(chǎn)沙量均無顯著差異。

崩崗崩積體； 侵蝕方式； 糙度； 時(shí)空分異； 三維激光掃描

引言

崩崗是發(fā)育在我國(guó)南方熱帶及亞熱帶低山丘陵區(qū)的一種特殊侵蝕地貌[1]，崩崗侵蝕所造成的土壤流失強(qiáng)度遠(yuǎn)大于面狀和溝狀侵蝕，其侵蝕模數(shù)可高達(dá)1×105t/(km2·a)[2]，嚴(yán)重威脅崩崗丘陵山區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全[3]，被稱為我國(guó)南方地區(qū)的“生態(tài)潰瘍”[4]。崩崗主要由崩壁、崩積體和洪(沖)積扇3部分組成，其中崩積體是由崩壁土體崩塌后堆積而成，具有土質(zhì)疏松、粗顆粒含量高、坡度大、易侵蝕等特點(diǎn)[5]，是崩崗產(chǎn)沙的主要源地。目前已開展了降雨、徑流、坡度等外部因素對(duì)整個(gè)崩積體坡面侵蝕影響的研究[7]，但對(duì)崩積體降雨侵蝕過程中的侵蝕方式、坡面微地貌變化特征及其之間的耦合關(guān)系，還較少關(guān)注。

土壤侵蝕方式[8]、坡面微地貌[9]變化一直是土壤侵蝕過程研究的重要內(nèi)容。現(xiàn)一般采用坡面糙度表征微地貌形態(tài)[10]，并采用三維激光掃描技術(shù)獲取高分辨率地貌形態(tài)數(shù)據(jù)[11]。已有研究證實(shí)三維激光掃描技術(shù)可有效應(yīng)用于坡面細(xì)溝侵蝕[12-13]及坡面糙度[14]研究，為開展坡面侵蝕方式及坡面糙度研究提供了方法上的借鑒。鑒于此，本文在人工降雨條件下，利用三維激光掃描技術(shù)，定量分析崩積體坡面侵蝕過程中侵蝕方式與坡面糙度變化特征及其二者的耦合關(guān)系，以期研究結(jié)果能有助于加深對(duì)崩積體坡面侵蝕發(fā)育過程的認(rèn)識(shí)，并據(jù)此提出行之有效的治理措施。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣采自于廣東省五華縣華城鎮(zhèn)源坑水小流域，其位于東經(jīng)115°36′55.3"，北緯24°6′1.4"，屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域內(nèi)降雨量大且集中，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 969 h，平均氣溫20.5℃，年平均降雨量1 514.7 mm[15]。該流域?yàn)楸缻徝芗l(fā)育區(qū)，在將近5 km2的流域內(nèi)分布有崩崗64處。流域內(nèi)以條形、瓢形崩崗為主，其崩積體坡長(zhǎng)相較于弧形崩崗要短，多分布在5 m以內(nèi)，少數(shù)能達(dá)到10 m。所采集土樣為花崗巖發(fā)育的崩崗崩積體土壤，質(zhì)地疏松，結(jié)構(gòu)性差。

1.2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

崩積體侵蝕模擬降雨試驗(yàn)在廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所人工模擬降雨大廳內(nèi)進(jìn)行，其可實(shí)施的降雨強(qiáng)度范圍為15～300 mm/h，降雨均勻度在85%以上，有效降雨面積288 m2，有效降雨高度為13.4 m，在加壓泵的作用下可使雨滴達(dá)到自然降雨終點(diǎn)速度。試驗(yàn)土槽規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為3 m×1 m×0.5 m，坡度調(diào)節(jié)范圍為0°～30°，土槽尾部設(shè)置V型匯流口，用于收集降雨含沙徑流，土槽底部打孔，可保證土壤水的自由滲透。將采集土樣分層填裝至土槽中，每層5 cm，填土高度35 cm。土槽裝填完畢后，將其土體表面抹平，并對(duì)土槽實(shí)施降雨強(qiáng)度為30 mm/h的降雨，直至土槽開始產(chǎn)流后停止。由于野外崩積體土體亦并非原狀土，故本試驗(yàn)將土槽靜置30 d，模擬崩崗崩壁崩塌后崩積土體在自然狀況下的密實(shí)過程。在降雨試驗(yàn)前2 d采用環(huán)刀測(cè)得土壤容重為(1.24±0.05) g/cm3，而野外測(cè)試的5個(gè)崩積體土體平均容重為(1.24±0.06) g/cm3，兩者十分接近。

通過對(duì)研究區(qū)2012—2015年的次降雨過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)短時(shí)雨強(qiáng)較大，一般日降雨量主要集中于一個(gè)較短的時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生。本試驗(yàn)依據(jù)野外調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)，將崩積體坡度及次降雨量分別設(shè)置為30°、200 mm/次，其降雨量與五華縣30年一遇的降雨標(biāo)準(zhǔn)(201 mm/d)[15]相近。持續(xù)進(jìn)行20場(chǎng)次降雨試驗(yàn)，單次降雨時(shí)長(zhǎng)為60 min，相鄰次降雨間隔時(shí)間大于6 h[16]。與野外自然降雨對(duì)比，其試驗(yàn)后崩積體坡面的微地形，大致相當(dāng)于野外崩積體坡面歷經(jīng)3、4 a自然降雨侵蝕后的微地形。試驗(yàn)主要測(cè)定指標(biāo)：徑流量、泥沙量、坡面流速、降雨量。分別將容積為25 L的塑料集流桶置于土槽尾部V型匯流口處，以收集土槽不同時(shí)段內(nèi)的含沙徑流。在坡面產(chǎn)流后的0～1 min、2～5 min、5～60 min時(shí)段內(nèi)，單個(gè)含沙徑流樣的采集時(shí)長(zhǎng)分別為1、2、5 min。單次降雨試驗(yàn)結(jié)束后，用電子稱稱量各集流桶中含沙徑流的質(zhì)量，經(jīng)6 h以上的沉淀后排掉集流桶上層清液，并再次稱量此時(shí)集流桶中水沙的質(zhì)量。然后將其充分?jǐn)噭颍∑渲械牟糠炙硺又萌脘X質(zhì)飯盒并進(jìn)行稱量，而后放入干燥箱。在105℃條件下將水沙樣干燥6～8 h后，稱量飯盒中的泥沙質(zhì)量，再依據(jù)集流桶及飯盒中的水沙質(zhì)量，計(jì)算出各含沙徑流收集時(shí)段內(nèi)的坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙量。坡面徑流流速采用高錳酸鉀顏色示蹤法。此外，采用索尼(SONY)FDR-AX30 4K型高清數(shù)碼攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝坡面水蝕過程。并在初次降雨前及每次降雨后采用萊卡HDS3000型三維激光掃描儀，以1 mm間距對(duì)崩積體坡面進(jìn)行掃描。掃描開始時(shí)間均為降雨過后4 h，以保證土壤含水率近似一致。

1.3 數(shù)據(jù)分析及計(jì)算

運(yùn)用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，侵蝕量、產(chǎn)沙量、糙度等指標(biāo)的差異顯著性采用方差分析( ANOVA) 檢驗(yàn)，當(dāng)各組數(shù)據(jù)方差齊次時(shí)采用LSD法，方差不齊次時(shí)采用非參數(shù)檢驗(yàn)方法Dunnett’s T3，兩兩比較時(shí)的顯著性水平，為0.05。變量間的相關(guān)關(guān)系采用Pearson 相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。三維激光掃描生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)去噪處理(消除土槽邊界效應(yīng))后，導(dǎo)入ARCGIS軟件生成相應(yīng)的數(shù)字高程模型(Digital elevation model，DEM)，并依據(jù)靶點(diǎn)坐標(biāo)將各場(chǎng)次DEM統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系統(tǒng)，然后對(duì)DEM進(jìn)行空間分析，獲取坡面侵蝕、產(chǎn)沙及糙度變化信息。其中次降雨坡面產(chǎn)沙量可通過對(duì)降雨前后坡面DEM進(jìn)行相減運(yùn)算，求取降雨后崩積體坡面的體積變化量，然后乘以所測(cè)得土壤容重1.24 g/cm3即得。坡面糙度可基于坡面DEM先求出每個(gè)柵格的坡度(slope)，然后在ARCGIS的Spatial Analyst菜單下使用Raster Calculator工具執(zhí)行1/cos(slope*3.14/180)算式求取。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維激光掃描結(jié)果精度分析

如圖1所示，崩積體次降雨產(chǎn)沙量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值范圍分別為1.74～25.84 kg和0.32～24.15 kg，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)值平均誤差為25.7%。由于不同次降雨間產(chǎn)沙量計(jì)算值此消彼長(zhǎng)，增減相抵，其總產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分別為117.17、117.08 kg，相較于次降雨，其產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值更為接近。此外，次降雨產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值均呈現(xiàn)較好的3次方遞減趨勢(shì)，其中1～5場(chǎng)次降雨產(chǎn)沙量減小趨勢(shì)明顯，其產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值、計(jì)算值分別由第1場(chǎng)降雨時(shí)的25.84、24.15 kg急劇減少至第5場(chǎng)降雨時(shí)的5.56、4.12 kg，其后15場(chǎng)降雨的產(chǎn)沙量雖存在一定波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大，整體均呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的下降趨勢(shì)。崩積體產(chǎn)沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.976(N=20，Plt;0.01)。表明，基于三維激光掃描的產(chǎn)沙量計(jì)算值及其變化趨勢(shì)與產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值及其變化趨勢(shì)均較為一致，因而可利用三維激光掃描技術(shù)近似分析坡面侵蝕、沉積及產(chǎn)沙過程。MILAN等[17]的研究結(jié)果亦表明三維激光掃描技術(shù)具有較高的可信度。

圖1 次降雨產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值Fig.1 Measured and calculated values of sediment yield during single rainfall

2.2 坡面侵蝕方式變化過程

細(xì)溝一般溝深幾厘米至10～20 cm[18]，劉元保等[19]根據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝深度的下限值一般為2 cm，而吳淑芳等[12]認(rèn)為細(xì)溝溝深下限值為1 cm。由于三維激光掃描技術(shù)可準(zhǔn)確地計(jì)算坡面細(xì)溝發(fā)育形態(tài)及侵蝕量[20-21]，因而可基于三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)坡面侵蝕方式進(jìn)行劃分。圖2a、2b分別為以1、2 cm作為細(xì)溝溝深的下限閾值，對(duì)第1場(chǎng)降雨后坡面侵蝕方式進(jìn)行劃分的結(jié)果圖，圖2c為相應(yīng)坡面的實(shí)拍照片。如圖2所示，相較圖2a而言，圖2b所提取的細(xì)溝與圖2c的實(shí)際發(fā)育細(xì)溝較為近似。表明在本研究條件下，以2 cm作為細(xì)溝侵蝕的溝深閾值，能較好地區(qū)分片蝕和細(xì)溝侵蝕。但筆者認(rèn)為不同水蝕條件下，細(xì)溝溝深下限值可能并非一個(gè)固定的值，其值可能與溝深的量測(cè)方式及坡面土體的片蝕剝離厚度有關(guān)。常規(guī)量測(cè)中，一般將侵蝕溝溝壁高度視為細(xì)溝溝深，此細(xì)溝深度是在溝壁土體片蝕剝離基礎(chǔ)上的下切深度。由于其未考慮降雨過程中溝壁因片蝕作用而減少的高度，使得侵蝕溝下切深度被低估。而本研究次降雨侵蝕溝下切深度為降雨前、后DEM間的差值，其坡面侵蝕溝下切深度是以雨前相應(yīng)坡面高程為基準(zhǔn)，此侵蝕溝測(cè)量值為細(xì)溝的實(shí)際下切深度，而非雨后溝壁高，使得本研究細(xì)溝溝深較常規(guī)測(cè)量值大。

圖2 侵蝕方式劃分圖與實(shí)際照片F(xiàn)ig.2 Divisions of erosion pattern and its actual photo

圖3 次降雨坡面侵蝕方式變化Fig.3 Erosion pattern evolvement of slope in total precipitation

通過降雨前、后DEM間的差值統(tǒng)計(jì)，整個(gè)降雨試驗(yàn)的全坡面累計(jì)片蝕量大于細(xì)溝侵蝕量，其值分別為0.113 5、0.036 6 m3。而以往在單次降雨或供試土樣土質(zhì)均一的條件下，很多學(xué)者已觀測(cè)到，當(dāng)坡面細(xì)溝產(chǎn)生后，細(xì)溝侵蝕量大于片蝕量[12]，本研究第1場(chǎng)降雨試驗(yàn)結(jié)果亦表明細(xì)溝侵蝕量大于片蝕量。但由于本試驗(yàn)持續(xù)的降雨條件及供試土壤未過篩，其未完全風(fēng)化的塊礫含量較多，使得試驗(yàn)坡面更易于粗化，進(jìn)而影響片蝕、細(xì)溝侵蝕的侵蝕量變化。如圖3a所示全坡面在前5場(chǎng)次降雨中，細(xì)溝侵蝕量隨次降雨場(chǎng)次急劇減小，而后小幅波動(dòng)，但片蝕量隨次降雨變化幅度不大，使得除第1場(chǎng)降雨外，其余次降雨事件均為片蝕量大于細(xì)溝侵蝕量。自坡頂而下，以1 m為間距將全坡面劃分為上、中、下坡位。如圖3b～3d所示，各坡位亦均表現(xiàn)為片蝕量大于細(xì)溝侵蝕量，其中上，中，下坡位細(xì)溝侵蝕量、片蝕量分別為0.002 8、0.040 1 m3，0.011 5、0.037 0 m3，0.022 3、0.036 5 m3。細(xì)溝侵蝕量由大到小分別為下坡、中坡、上坡，片蝕量由大到小分別為上坡、中坡、下坡，可見細(xì)溝侵蝕量、片蝕量存在一定的坡位差異。而通過差異性分析發(fā)現(xiàn)，僅上、下坡位的細(xì)溝侵蝕量間存在顯著差異(Plt;0.05)，其余坡位間的細(xì)溝侵蝕量及各坡位間的片蝕量均無顯著性差異(Pgt;0.05)。而侵蝕量的坡位差異主要受各坡位的徑流量、流速及流態(tài)(股流、片流)影響。由于坡面匯流原因，徑流量由大到小分別為下坡、中坡、上坡，加之在下、中、上坡位所測(cè)得的平均流速分別為0.121 7、0.072 1、0.029 3 m/s，可知坡面徑流的能量由大到小分別為下坡、中坡、上坡。而坡面徑流能量直接決定了坡面細(xì)溝的發(fā)育程度，使得坡面細(xì)溝發(fā)育面積及強(qiáng)度由大到小分別為下坡、中坡、上坡。同時(shí)由于坡面由細(xì)溝和溝間地構(gòu)成，因而溝間地侵蝕(片蝕)面積的多寡由細(xì)溝侵蝕面積決定，使得片蝕面積的坡面分布恰與細(xì)溝相反，則各坡位片蝕面積由大到小分別為上坡、中坡、下坡。而各坡位的片蝕量受片蝕面積影響，使得各坡位的片蝕面積與片蝕量相一致由大到小分別為上坡、中坡、下坡。此外，由于細(xì)溝侵蝕、片蝕的驅(qū)動(dòng)徑流分別以股流、片流為主，而坡位對(duì)股流流量、流速影響較大，而對(duì)片流流量、流速影響較小，使得上、下坡位差異對(duì)細(xì)溝侵蝕影響顯著，而片蝕受坡位影響不顯著。

從時(shí)間變化上看，全坡面細(xì)溝侵蝕、片蝕隨降雨場(chǎng)次的變化趨勢(shì)大致相同。第1～5場(chǎng)降雨細(xì)溝侵蝕量、片蝕量均呈一定的減小趨勢(shì)，且細(xì)溝侵蝕量減小趨勢(shì)尤為明顯，其由第1次降雨時(shí)的0.004 3 m3，急劇減小至第5次降雨時(shí)的0.000 7 m3，減幅達(dá)83.72%。其后細(xì)溝侵蝕量、片蝕量隨次降雨場(chǎng)次呈現(xiàn)一定幅度的上下波動(dòng)趨勢(shì)，總體變化較為平穩(wěn)。而不同坡位間各侵蝕方式的變化有所差異：其中上坡位的細(xì)溝侵蝕量及其變化幅度在整個(gè)降雨時(shí)段內(nèi)均較小，片蝕量在第1～3場(chǎng)降雨呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而后第4～12場(chǎng)降雨間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其后在第13場(chǎng)降雨由于坡面徑流流路發(fā)生變化，出現(xiàn)一個(gè)峰值后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；中坡位的細(xì)溝侵蝕量在第1～5場(chǎng)降雨間急劇減小，其后較為平穩(wěn)的上下波動(dòng)，而片蝕量在第1～2場(chǎng)降雨表現(xiàn)為增大，其后在第3～5場(chǎng)降雨急劇減小，而后以一定幅度上下波動(dòng)；下坡位的變化趨勢(shì)和全坡位近似?？梢?，在坡面侵蝕外部驅(qū)動(dòng)力(降雨)近似等同的條件下，各次降雨間坡面細(xì)溝侵蝕、片蝕強(qiáng)度及其變化趨勢(shì)仍有所差異，其主要緣于坡面糙度差異的影響。

2.3 坡面糙度變化過程及其與侵蝕方式的耦合關(guān)系

坡面糙度是一個(gè)地表形態(tài)指標(biāo)，其值為坡面表面積與其投影面積之比。由圖4可知，坡面糙度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其糙度由初次降雨前的1.157 2，持續(xù)增大至第12場(chǎng)降雨之后的1.283 7，而后在波動(dòng)中減小。從各坡位的糙度差異看，上、中、下坡位的初始糙度較為接近，分別為1.160 0、1.151 5、1.160 0，而雨后上、中、下坡位的糙度范圍分別變?yōu)?.177 4～1.283 7、1.197 5～1.292 1、1.278 4～1.311 8。坡面糙度在空間上由大到小分別為下坡位、中坡位、上坡位，其中下坡位與中坡位糙度無顯著性差異(Pgt;0.05)，而上坡位與中坡位、下坡位糙度間均存在顯著差異(Plt;0.05)。由于坡面糙度變化的誘因主要為坡面粗顆粒富集與侵蝕溝發(fā)育，而糙度的坡位順序與細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度的坡位順序相同?？梢姡噍^于坡面粗顆粒富集而言，侵蝕溝更易使坡面局部落差增大，致使坡面糙度增加。

圖4 次降雨坡面各部位糙度變化情況Fig.4 Variation of soil surface roughness of different slope positions in total precipitation

此外，不同坡位糙度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)亦有所差異，下、中坡位與全坡面的糙度變化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而上坡位糙度呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)。其緣于各坡位致使糙度變化的主要侵蝕方式有所不同，下、中坡位的糙度主要受細(xì)溝侵蝕影響。在第1～5場(chǎng)降雨時(shí)段內(nèi)，下、中坡位的細(xì)溝縱向(溝深)、橫向(溝寬、溝長(zhǎng))同時(shí)發(fā)育，使得該坡位糙度持續(xù)增大。而在第6～20場(chǎng)降雨時(shí)段內(nèi)隨著坡面侵蝕溝道逐步粗化，細(xì)溝縱向(溝深)發(fā)育受限，其細(xì)溝發(fā)育主要表現(xiàn)為溝壁隨機(jī)崩塌、侵蝕溝寬加大。隨著侵蝕溝溝壁逐步崩塌至土槽左右邊緣，侵蝕溝溝壁逐漸消失，侵蝕溝亦逐漸變得無明顯溝形，其坡面糙度也隨之減小。而上坡位的糙度主要受片蝕影響，該坡位的侵蝕過程，是一個(gè)粗顆粒不斷富集的過程，即坡面不斷粗化、坡面糙度持續(xù)增大的過程?？梢娖旅媲治g方式可影響坡面糙度的大小及變化趨勢(shì)。

反之，坡面糙度亦能影響坡面侵蝕強(qiáng)度。全坡面糙度與其對(duì)應(yīng)次降雨細(xì)溝侵蝕量、片蝕量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.929、-0.690(N=20，Plt;0.01)，表明坡面糙度的增大可在一定程度上抑制坡面細(xì)溝侵蝕及片蝕強(qiáng)度，且其對(duì)細(xì)溝侵蝕的影響要強(qiáng)于對(duì)片蝕的影響。但各坡位糙度與其侵蝕量的關(guān)系有所不同，上坡位糙度與細(xì)溝侵蝕量、片蝕量無顯著相關(guān)關(guān)系；中坡位糙度與細(xì)溝侵蝕量、片蝕量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.932、-0.641(N=20，Plt;0.01)；下坡位糙度與細(xì)溝侵蝕量、片蝕量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.792、-0.737(N=20，Plt;0.01)。究其原因?yàn)?，坡面糙度主要通過影響坡面徑流的侵蝕、挾沙能力，進(jìn)而影響坡面侵蝕強(qiáng)度。中、下坡位，受上坡位徑流匯入影響，其徑流為該坡位侵蝕產(chǎn)沙的主要驅(qū)動(dòng)力。該坡位糙度增大對(duì)坡面徑流的消能作用尤為明顯，使得中、下坡位的糙度值與其侵蝕量呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，由于細(xì)溝溝道處的土體剝離厚度大于溝間，使得溝道中更多的塊礫出露，而富集于溝道的正長(zhǎng)石、石英對(duì)溝道徑流具有較大的消能作用，進(jìn)而抑制了細(xì)溝的縱向(溝深)發(fā)育。使細(xì)溝以橫向(溝寬)發(fā)育為主，侵蝕溝溝寬進(jìn)一步增大，溝道徑流深隨之減小，致使溝道徑流侵蝕產(chǎn)沙力減弱。故相較片蝕而言，糙度對(duì)細(xì)溝侵蝕量的消減強(qiáng)度更大，并使得片蝕總量大于細(xì)溝侵蝕總量。此外，上坡位由于無外部徑流匯入，該坡位徑流量較小，其侵蝕方式以降雨濺蝕等片蝕作用為主，坡面糙度對(duì)上坡位徑流深及其侵蝕產(chǎn)沙能力的影響較小，使得坡面糙度對(duì)片蝕強(qiáng)度的影響有限，二者在上坡位的相關(guān)關(guān)系不明顯。

2.4坡面侵蝕量對(duì)侵蝕方式及坡面糙度耦合作用的響應(yīng)

通過對(duì)降雨前、后的坡面DEM進(jìn)行相減運(yùn)算，可定量分析坡面次降雨的侵蝕、產(chǎn)沙過程。由圖5可知，就整個(gè)降雨時(shí)段而言，坡面泥沙輸移比為0.63，全坡面呈現(xiàn)侵蝕量最大，產(chǎn)沙量次之，沉積量最小。在次降雨尺度，其侵蝕量范圍為0.004 4～0.022 2 m3，其侵蝕變化趨勢(shì)與產(chǎn)沙趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)先急劇減小而后小幅度波動(dòng)變化，其侵蝕量最大、最小值的次降雨事件分別為第1、19場(chǎng)；次降雨沉積量的范圍為0.001 3～0.005 4 m3，呈現(xiàn)一定的增大趨勢(shì)，其中沉積量最大、最小值的次降雨事件分別是第13、6場(chǎng)。隨著降雨場(chǎng)次的遞增，其產(chǎn)沙量與沉積量愈發(fā)接近，相對(duì)于沉積量而言，產(chǎn)沙量有所下降，且在第11場(chǎng)降雨之后沉積量的數(shù)值已基本超過產(chǎn)沙量。具體表現(xiàn)為在第1～11、16、18場(chǎng)次降雨坡面呈現(xiàn)侵蝕量最大，產(chǎn)沙量次之，沉積量最小，而在第12～15、17、19～20場(chǎng)次降雨坡面呈現(xiàn)侵蝕量最大，沉積量次之，產(chǎn)沙量最小。隨著降雨的持續(xù)，受坡面糙度變化的影響，坡面徑流的侵蝕、挾沙能力均出現(xiàn)不同程度的下降，致使坡面侵蝕、產(chǎn)沙量均有所下降。

圖5 次降雨坡面侵蝕過程Fig.5 Erosion processes of total precipitation

圖6 次降雨坡面不同部位侵蝕過程Fig.6 Erosion processes of different slope positions in total precipitation

如圖6所示，隨著降雨場(chǎng)次的變化，不同坡位的水蝕過程均發(fā)生一定程度的變化。但相較中坡位與下坡位而言，上坡位的水蝕受降雨場(chǎng)次變化的影響較小，其侵蝕量、產(chǎn)沙量和沉積量隨降雨場(chǎng)次的改變無明顯變化規(guī)律。而中坡位侵蝕量、產(chǎn)沙量隨降雨場(chǎng)次呈對(duì)數(shù)減小趨勢(shì)(R2=0.65、R2=0.73)，沉積量大致呈現(xiàn)指數(shù)增大趨勢(shì)(R2=0.37)。下坡位侵蝕量、產(chǎn)沙量隨降雨場(chǎng)次亦呈現(xiàn)對(duì)數(shù)減小趨勢(shì)(R2=0.62、R2=0.62)，沉積量大致呈現(xiàn)冪函數(shù)增大趨勢(shì)(R2=0.40)。中、下坡位的水蝕變化趨勢(shì)較為一致。通過差異性分析發(fā)現(xiàn)，各坡位間侵蝕量、產(chǎn)沙量均無顯著性差異(Pgt;0.05)，僅上、下坡位的沉積量間存在顯著差異(Plt;0.05)，坡位差異對(duì)水蝕的影響主要表現(xiàn)為其對(duì)沉積量的影響。此外在整個(gè)水蝕過程，上、中坡位均以侵蝕為主，其侵蝕量大于沉積量。而下坡位由于坡面徑流挾沙能力的減小，使得部分中、上坡位的來沙在下坡位沉積。隨著降雨試驗(yàn)的持續(xù)，下坡位土壤侵蝕與泥沙沉積此消彼長(zhǎng)，在第13、17場(chǎng)次降雨時(shí)，由于上坡徑流流路發(fā)生變化，致使由上坡輸入到中、下坡位的泥沙量增大，使得該時(shí)段下坡位的沉積量甚至超過了其侵蝕量。

此外，全坡面糙度與相應(yīng)次降雨侵蝕量、產(chǎn)沙量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.885、-0.907(N=20，Plt;0.01)，均具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其原因?yàn)槠旅娌诙仍酱?，其?duì)坡面徑流的消能作用越顯著，使得其坡面侵蝕、產(chǎn)沙量越小。不同坡位的糙度對(duì)坡面水蝕的影響有所不同：上坡位糙度與其侵蝕、產(chǎn)沙量的相關(guān)性均不顯著；而中，下坡位的糙度與其侵蝕、產(chǎn)沙量均具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.854、-0.832，-0.796、-0.820(N=20，Plt;0.01)；而各坡位糙度與其沉積量的相關(guān)性亦均不顯著?？梢娖旅娌诙葘?duì)中、下坡位的侵蝕、產(chǎn)沙量影響較大，而對(duì)上坡位影響較小。究其原因?yàn)椋孩儆汕胺治隹芍?，坡面糙度可影響坡面徑流的侵蝕、挾沙能力，而中、下坡位侵蝕、產(chǎn)沙主要受徑流影響，上坡位侵蝕、產(chǎn)沙主要受降雨濺蝕影響，因而糙度對(duì)中、下坡位的侵蝕、產(chǎn)沙有顯著影響，而對(duì)上坡位侵蝕、產(chǎn)沙無顯著影響。②受坡面匯流及坡位流態(tài)差異影響，中、下坡位的徑流搬運(yùn)能力強(qiáng)于上坡位，使得富集于中、下坡位的粗顆粒較上坡位較大，其糙度亦較大。中、下坡位隨著坡面粗顆粒的富集，其對(duì)徑流能量的消減作用不斷增強(qiáng)，加之適于坡面徑流搬運(yùn)及雨滴濺蝕的細(xì)顆粒沙源亦不斷減少，使得中、下坡位侵蝕、產(chǎn)沙量隨之減小。故糙度對(duì)中、下坡位的侵蝕、產(chǎn)沙有顯著影響。而富集于上坡位的粗顆粒相對(duì)較小，其在雨滴的濺蝕作用下部分粗顆粒依然能發(fā)生位移，使粗顆粒之下的細(xì)顆粒出露，依然能為坡面片流提供新的沙源，因而坡面糙度對(duì)上坡位侵蝕、產(chǎn)沙的影響較小。

3 結(jié)論

(1)坡面侵蝕方式差異可影響坡面糙度及其變化趨勢(shì)。坡面片蝕過程，是一個(gè)粗顆粒不斷富集、坡面糙度持續(xù)增大的過程。而細(xì)溝的縱向(溝深)、橫向(溝寬)發(fā)育對(duì)坡面糙度的影響有所不同。其中細(xì)溝的縱向(溝深)發(fā)育，使溝道局部落差增大，使得坡面糙度增加，而細(xì)溝的橫向(溝寬)發(fā)育，使得溝壁不斷崩塌，溝道局部落差減小，坡面糙度隨之減小。

(2)坡面糙度對(duì)坡面侵蝕方式及其侵蝕量具有重要影響。在持續(xù)降雨條件下，坡面粗顆粒不斷富集，其對(duì)坡面徑流的消能作用進(jìn)一步加強(qiáng)，進(jìn)而抑制坡面細(xì)溝發(fā)育，使得除第1場(chǎng)降雨以細(xì)溝侵蝕為主外，其余均以片蝕為主，整個(gè)降雨時(shí)段內(nèi)全坡面及各坡位均為片蝕量大于細(xì)溝侵蝕量，坡面產(chǎn)沙量呈下降趨勢(shì)。

(3)坡位差異對(duì)坡面侵蝕方式、糙度及侵蝕產(chǎn)沙量具有一定影響。試驗(yàn)過程中不同坡位間細(xì)溝侵蝕、片蝕的變化趨勢(shì)有所不同，且坡位差異對(duì)細(xì)溝侵蝕影響較大，而對(duì)片蝕影響較小。受坡面侵蝕方式影響，坡面糙度由大到小大致呈現(xiàn)為下坡位、中坡位、上坡位，全坡面及下、中坡位糙度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而上坡位糙度值呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)。受坡面糙度影響全坡面及下、中坡位侵蝕、產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，坡位差異除顯著影響上、下坡位的沉積量外，其對(duì)各坡位侵蝕、產(chǎn)沙量無顯著影響。

1 XIA D, DENG Y S, WANG S L, et al. Fractal feature of soil particle-size distribution of different weathering profiles of the collapsing gullies in the hilly granitic region, south China[J]. Nat Hazards,2015,79:455-478.

2 XU J X. Benggang erosion: the influencing factor[J].Catena,1996,27:249-263.

3 DENG Y S, XIA D, CAI C F, et al. Effects of land uses on soil physic-chemical properties and erodibility in collapsing-gully alluvial fan of Anxi County, China[J] .Journal of Integrative, 2016, 15(8):1863-1873.

4 劉希林，張大林，賈瑤瑤．崩崗地貌發(fā)育的土體物理性質(zhì)及其土壤侵蝕意義——以廣東五華縣蓮塘崗崩崗為例[J]．地球科學(xué)進(jìn)展，2013，28(7): 802-811．

LIU Xilin,ZHANG Dalin, JIA Yaoyao. Soil physical properties of collapsing hill and gully and their indications for soil erosion: an example of Liantanggang collapsing hill and gully in Wuhua county of Guangdong[J]. Advances in Earth Science,2013,28(7):802-811. (in Chinese)

5 JIANG F S, HUANG Y H, WANG M K, et al. Effects of rainfall intensity and slope gradient on steep colluvial deposit erosion in southeast China[J]. Soil Science Society of America Journal, 2014,78(5): 1741-1752.

6 蔣芳市,黃炎和,林金石,等.崩崗崩積體土壤滲透性分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2013,27(3):49-54.

JIANG Fangshi, HUANG Yanhe, LIN Jinshi, et al. Study on soil permeability of slumping deposits in Benggang[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013,27(3):49-54. (in Chinese)

7 蔣芳市,黃炎和,林金石,等.坡面水流分離崩崗崩積體土壤的動(dòng)力學(xué)特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2013,27(1):86-89.

JIANG Fangshi, HUANG Yanhe, LIN Jinshi, et al. The dynamic characteristics of soil detachment of slumping deposit by surface runoff in Benggang[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(1):86-89. (in Chinese)

8 馬小玲，張寬地，董旭，等.黃土坡面細(xì)溝流土壤侵蝕機(jī)理研究[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(9)：134-140.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160920amp;flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.020.

MA Xiaoling, ZHANG Kuandi，DONG Xu, et al. Study of rill flow soil erosion mechanism on loess slope surface[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016，47(9)：134-140. (in Chinese)

10 HUANG C H, BRADFORD J M. Applications of a laster scanner to quantify soil microtopogropy[J].Soil Science Society of America Journal,1992,56(1):14-21.

11 HERITAGE G, HETHERINGTON D. Towards a protocol for laser scanning in fluvial geomorphology[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2007, 32(1): 66-74.

12 吳淑芳，劉政鴻，霍云云，等.黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育過程與模擬[J].土壤學(xué)報(bào)，2015，52(1)：48-56.

WU Shufang, LIU Zhenghong, HUO Yunyun, et al. Development of rill erosion on loess slope and its simulation[J].Acta Pedologica Sinica，2015，52(1)：48-56. (in Chinese)

13 覃超，吳紅艷，鄭粉莉，等.黃土坡面細(xì)溝侵蝕及水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的時(shí)空變化特征[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(8)：146-154. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160819amp;flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.08.019.

QIN Chao, WU Hongyan, ZHENG Fenli, et al. Temporal and spatial variation characteristics of rill erosion and hydrodynamic parameters on loessial hillslope[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016，47(8)：146-154. (in Chinese)14 張利超，楊偉，李朝霞，等. 激光微地貌掃描儀測(cè)定侵蝕過程中地表糙度[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(22)：155-162.

ZHANG Lichao, YANG Wei, LI Zhaoxia, et al. Quantification of soil surface roughness during soil erosion using laser micro-topographical scanner[J]. Transactions of the CSAE，2014，30(22)：155-162. (in Chinese)

15 鐘美英,李鳳梅.五華縣近52年降水統(tǒng)計(jì)分析及最大降水量重現(xiàn)期的估算[J].廣東水利水電,2010(12):37-40.

ZHONG Meiying, LI Fengmei. Statistical analysis of the precipitation during recent 52 years and the estimation of recurrence period for the maximum precipitation in Wuhua County[J]. Guangdong Water Resource and Hydropower,2010(12):37-40. (in Chinese)

16 HUFF F A. Time distribution of rainfall in heavy storms[J]. Water Resources Research, 1967(3):1007-1019.

17 MILAN D J, HERITAGE G L, HETHERINGTON D. Application of a 3D laser scanner in the assessment of erosion and deposition volumes and channel change in a proglacial river[J].Earth Surface Processes and Landforms, 2007,32:1657-1674.

18 劉東生.黃土與環(huán)境[M].北京：科學(xué)出版社，1985：1-482.

19 劉元保，朱顯謨，周佩華，等.黃土高原坡面溝蝕的類型及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律[J].中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所集刊，1988(7)：9-18.

LIU Yuanbao, ZHU Xianmo, ZHOU Peihua, et al. The laws of hillslope channel erosion occurrence and development on Loess Planteau[J].Memoir of NISWC Academia Sinica,1988(7):9-18. (in Chinese)

20 陳俊杰，孫莉英，劉俊體，等.坡度對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕的影響——基于三維激光掃描技術(shù)[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2013，11(3)：1-5.

CHEN Junjie, SUN Liying, LIU Junti, et al. Effects of slope gradients on rill erosion: study based on three-dimensional laser technology[J]. Science of Soil and Water Conservation,2013,11(3):1-5. (in Chinese)

21 劉希林，張大林.基于三維激光掃描的崩崗侵蝕的時(shí)空分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(4)：204-211.

LIU Xilin, ZHANG Dalin. Temporal-spatial analyses of collapsed gully erosion based on three-dimensional laser sanning[J].Transactions of the CSAE,2015,31(4):204-211. (in Chinese)

CouplingEffectsofSlopeRoughnessandErosionPatternonColluvialDepositsofBenggang

LIAO Yishan1,2ZHUO Muning1,3TANG Changyuan2XIE Zhenyue1,3YUAN Zaijian1,3LI Dingqiang1,3

(1.GuangdongInstituteofEco-environmentalScienceandTechnology,Guangzhou510650,China2.SchoolofGeographyandPlanning，SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China3.GuangdongKeyLaboratoryofAgriculturalEnvironmentPollutionIntegratedControl,Guangzhou510650,China)

Benggang erosion is an important erosion type, which frequently occurs in Southeastern China. Colluvial deposits of Benggang is an important source of the Benggang sediment. Based on simulated rainfall experiments and three-dimensional (3D) laser scanning, the characteristics of spatial-temporal differentiation of soil erosion processes on the colluvial deposits of Benggang were investigated. An indoor rainfall experiment was conducted with a 30° slope of the Benggang deposit and a rainfall erosion intensity of 3.33 mm/min, which represented a typically higher rain intensity in the study region. Rainfall simulation experiments were conducted in 2016 in the rainfall simulation hall of Laboratory of Red Soil Erosion and Flow Hydraulic in South China in Guangzhou City, Guangdong Province. The results showed that point cloud data from the 3D laser scanning can reflect the characteristics of soil erosion, deposition and sediment yield before and after rainfall events. Total amount of rill erosion，sheet erosion were 0.036 6 m3and 0.113 5 m3, respectively. Slope position had little influence on sheet erosion, while it had a significant impact on rill erosion. Roughness of soil surface was increased first and then decreased with time during the experiment. The values of roughness of soil surface were in a descending sequence of lower slopes, middle slopes and upper slopes, and it varied with time at different slope positions. Roughness of soil surface on lower and middle slope was increased firstly and then decreased with time during the experiment, while it was increased constantly with time on the upper slope. No significant variation of soil erosion on upper slopes occurred with rainfall events. The soil erosion amount and sediment yield were decreased logarithmically with time. The difference of erosion amount between upper and lower slopes was significant, whereas slope positions showed insignificant influence on soil erosion and sediment yield.

colluvial deposits of Benggang; erosion pattern; soil surface roughness; spatial-temporal differentiation； 3D laser scanning

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.036

S157.1

A

1000-1298(2017)11-0300-07

2017-03-21

2017-06-12

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201501047)、廣東省自然科學(xué)基金研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(S2012030006144)、廣東省科學(xué)院引進(jìn)高層次領(lǐng)軍人才專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2060599)、省院創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)專項(xiàng)(2016GDASPT-0105、2016GDASPT-0304)和農(nóng)田重金屬污染治理創(chuàng)新人才隊(duì)伍建設(shè)項(xiàng)目(2016B070701015)

廖義善(1980—)，男，助理研究員，中山大學(xué)博士生，主要從事土壤侵蝕研究，E-mail： ysliao@soil.gd.cn

李定強(qiáng)(1963—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕研究，E-mail： dqli@soil.gd.cn