地表粗糙度對黃土坡面產(chǎn)流機(jī)制的影響

王林華，汪亞峰，王 健，林青濤，吳發(fā)啟※

0 引 言

地表粗糙度描述經(jīng)由人為耕作管理措施或侵蝕引起地表高低起伏的微地形特征，反映地表在比降梯度最大方向上凹凸不平狀態(tài)的物理性指標(biāo)[1-2]。作為重要的下墊面因子，地表粗糙度具有增加降水入滲、減緩徑流形成和土壤侵蝕的作用。目前，國內(nèi)外有關(guān)地表粗糙度與坡地土壤侵蝕學(xué)的研究較多，主要研究是關(guān)于地表粗糙度測定及其對土壤侵蝕影響，粗糙度在侵蝕過程中的變化規(guī)律。這集中體現(xiàn)在地表粗糙度測量方法，如鏈條法[3-4]、激光掃描儀法[5-6]、攝影測量法[7-8]等；粗糙度量化指標(biāo)[9-11]及其地表粗糙度對土壤侵蝕影響的研究，包括粗糙坡面地表填洼量[12-13]、入滲能力[14-15]、產(chǎn)流產(chǎn)沙[16-19]等。可見，地表粗糙度必然影響著坡面土壤侵蝕過程，同時也是土壤侵蝕預(yù)報模型的重要參數(shù)之一，如修正土壤通用流失方程RUSLE[20]、水蝕預(yù)報模型WEPP[21]等。人們對地表粗糙度特征及其在坡面土壤侵蝕過程中作用的深入研究，為坡面土壤侵蝕及產(chǎn)流理論的發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。但是由于地表粗糙度改變了地表土壤的空間起伏特征，進(jìn)而影響坡面產(chǎn)流機(jī)制。因此針對地表粗糙度如何影響坡面產(chǎn)流機(jī)制的分析還缺乏深入認(rèn)識。

坡面產(chǎn)流為坡面降雨形成徑流的過程。一般而言，在降雨過程中，若雨強(qiáng)大于入滲能力時，則會形成地表徑流；反之，若小于入滲能力時，則全部入滲進(jìn)入土壤，無地表徑流的形成。而在粗糙坡面，地表產(chǎn)流過程除了與降雨及土壤性質(zhì)有關(guān)之外，還與坡面填洼過程有關(guān)。Fox等[22-23]對地表粗糙度與坡面入滲能力的研究表明：粗糙坡面在降雨過程中低洼處不同深度積水會導(dǎo)致入滲水頭增加，促進(jìn)土壤水分入滲，從而延遲坡面產(chǎn)流。趙西寧等[14,24]研究表明在相同降雨強(qiáng)度條件下，坡面地表粗糙度越大，地表填洼量愈大，從而坡面產(chǎn)流歷時延長，坡面產(chǎn)流量減少?？梢?，地表粗糙度一方面通過低洼處截留降水作用可延緩坡面形成徑流，進(jìn)而影響坡面產(chǎn)流時間；另一方面通過低洼處蓄積的降水增加水分入滲水頭，導(dǎo)致坡面產(chǎn)流閾值提高，推遲坡面產(chǎn)流。我們可把前者看作地表粗糙度對坡面產(chǎn)流的直接作用，即蓄積降水量；把后者看作間接作用，即促進(jìn)水分入滲。因此，在粗糙坡面降雨產(chǎn)流過程中，地表粗糙度通過直接作用和間接作用共同影響坡面產(chǎn)流過程。但對于區(qū)分坡面產(chǎn)流過程中地表粗糙度作用還鮮有報道。

就微觀角度來看，坡面產(chǎn)流過程為點產(chǎn)流的水質(zhì)點漫流與匯流過程。粗糙坡面的微坡面形成徑流，低洼處則會形成蓄積、溢流過程，發(fā)生相互連通直至坡面形成連續(xù)徑流。由此可見粗糙坡面產(chǎn)流機(jī)制較為復(fù)雜。因此，地表粗糙度如何影響坡面產(chǎn)流機(jī)制需進(jìn)一步研究分析。本文以耕作措施產(chǎn)生的地表粗糙度為研究對象，通過室內(nèi)土槽人工模擬降雨試驗，研究粗糙坡面與平整坡面產(chǎn)流點位的空間分布特征，另外通過室外徑流小區(qū)人工模擬降雨試驗，研究不同粗糙坡面地表填洼量、初始產(chǎn)流時間特征。將二者相結(jié)合，分析粗糙坡面上點狀產(chǎn)流與坡面產(chǎn)流特征。將地表粗糙度對坡面產(chǎn)流的直接作用與間接作用進(jìn)行區(qū)分，有助于揭示地表粗糙度對坡面產(chǎn)流機(jī)制的影響。因此，該研究對進(jìn)一步明確粗糙坡面土壤侵蝕過程機(jī)理具有重要的理論意義。

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)土槽模擬降雨試驗設(shè)計

1.1.1 供試土壤及試驗處理

室內(nèi)模擬降雨在西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水土保持與荒漠化防治工程實驗室（陜西，楊凌）進(jìn)行。試驗土槽為可調(diào)節(jié)坡度鋼槽，其規(guī)格為2 m（長）× 1 m（寬）× 0.5 m（深）。鋼槽底部布有直徑為5 mm排水孔，試驗鋼槽如圖1.1所示。試驗所用土壤為塿土，取自楊凌農(nóng)田表層0~20 cm耕作土。為確保裝填土壤均勻，待土壤自然風(fēng)干后過4.0 mm篩網(wǎng)備用。在裝填土槽前，在槽底鋪設(shè)5.0 cm厚沙子及用紗布將沙子和土壤隔開。為保證試驗土槽裝填土容重接近于田間實際容重，采用每 10 cm分層填裝土壤。每裝完一層用耙子將表土進(jìn)行刮松，防止在裝填土過程中人為形成隔水層影響入滲。然后重復(fù)此裝填過程直至填滿土槽，表面用板子輕拍平整。對于平整坡面處理，則不需要進(jìn)行表面處理，保持坡面平整（Smooth slope，SS）。而粗糙坡面則需要使用農(nóng)具耬在坡面沿等高線進(jìn)行橫向耕作，形成溝壟相間的地表粗糙度（Contour plough，CP）（圖1）。由于耬具在土槽邊緣不能完全進(jìn)行耕作，因此，在土槽邊緣需要進(jìn)行修整，以防土槽邊界影響試驗結(jié)果。待粗糙坡面完成處理后，對壟高及壟間距進(jìn)行量測，試驗粗糙坡面的壟高為 8~10 cm，壟間距為 15 cm。本試驗坡度為5°、10°、15°、20°。

圖1 降雨結(jié)束后坡面產(chǎn)流點位及坡面坐標(biāo)示意圖Fig.1 Diagram of runoff generation point distribution in slope surface after rainfall simulation and coordinated system in slope surface

1.1.2 模擬降雨

試驗?zāi)M降雨裝置為中科院水利部水土保持研究所研制的下噴式降雨機(jī)，噴頭為Fulljet GW型號，噴頭高度為4.0 m，有效降雨面積為3.0 m× 3.0 m。降雨前需對降雨系統(tǒng)進(jìn)行率定，降雨均勻度可達(dá)到 80%，降雨強(qiáng)度范圍為20~140 mm/h。降雨強(qiáng)度尤其是暴雨和大暴雨是影響黃土高原地區(qū)坡耕地水土流失的重要因素之一，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驍?shù)據(jù)和侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合試驗實際情況[25-26]，本試驗設(shè)計降雨強(qiáng)度為60、90、120 mm/h三個雨強(qiáng)，分別代表了大雨、暴雨、大暴雨條件。

在降雨過程中，當(dāng)坡面某個斑塊在降雨過程中出現(xiàn)薄層水覆蓋，即表明降雨強(qiáng)度大于土壤入滲能力，坡面局部出現(xiàn)超滲產(chǎn)流現(xiàn)象，從而形成薄層徑流，在本研究中用超滲產(chǎn)流點位表示。當(dāng)降雨開始后，槽子兩側(cè)有試驗人員觀測坡面局部產(chǎn)流區(qū)域。試驗人員用自制標(biāo)簽插入坡面產(chǎn)流區(qū)域，用以標(biāo)記超滲產(chǎn)流點位，如圖1所示。當(dāng)出水口有連續(xù)徑流時，記錄坡面產(chǎn)流時間（time to runoff generation，Tr）。降雨試驗結(jié)束后，對坡面標(biāo)記產(chǎn)流點位進(jìn)行測量。為了表示超滲產(chǎn)流點位在坡面空間分布，本研究根據(jù)坡面建立坐標(biāo)系，設(shè)定土槽左下角為坐標(biāo)原點，槽寬為橫坐標(biāo)x軸，長為縱坐標(biāo)y軸（圖1）。因此，測定標(biāo)記點位距離土槽邊界的垂直距離可得到該產(chǎn)流點位的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)值，從而可比較分析粗糙坡面與平整坡面超滲產(chǎn)流點位的空間分布特征。

1.2 室外徑流小區(qū)模擬降雨試驗設(shè)計

1.2.1 試驗處理

室外徑流小區(qū)建成于2009年，其規(guī)格為長4.0 m，寬 1.0 m。坡度為 5°、10°、15°、20°。每個坡度共由 4個徑流小區(qū)組成。徑流小區(qū)土壤取自楊凌周邊農(nóng)耕地表層20 cm土壤，將運回土壤裝填到徑流小區(qū)。為了讓土壤性質(zhì)接近于自然狀態(tài)，在裝填小區(qū)完成后靜置一年，讓其自然沉降。

試驗以經(jīng)黃土高原地區(qū)常用的不同耕作管理措施后形成的地表粗糙度[27-28]為研究對象，其耕作措施分別為：等高耕作（contour plough，CP）、點種（artificial digging，AD）、鋤耕（artificial hoeing，AH）、犁耕（traditional plow，TP）以及平整坡面作為對照組（smooth slope，SS）。等高耕作使用農(nóng)具耬在坡面上沿等高線進(jìn)行橫向耕作，形成溝壟相間的地表形態(tài)，壟高為8~10 cm，壟與壟間距為15 cm（圖2）。點種使用鋤頭在坡面進(jìn)行掏挖。當(dāng)耕作完成后，坡面的坑洼呈“品”形分布，間距為20~25 cm，深8~10 cm，寬20~25 cm（圖2）。鋤耕使用寬鋤頭在坡面上模擬田間鋤草、松土等管理措施，其耕作后坡面形態(tài)隨機(jī)起伏（圖 2）。犁耕使用人拉犁沿坡面橫向耕作（圖2）。平整坡面則是將小區(qū)坡面整理為平整狀態(tài)。試驗在2013年7-8月、2014年8-9月完成，第二年為重復(fù)試驗，每個處理設(shè) 2個重復(fù)。本試驗過程中所有耕作措施均由長期從事農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn)的農(nóng)民進(jìn)行操作，以保證徑流小區(qū)內(nèi)模擬的耕作措施更接近實際生產(chǎn)。

1.2.2 模擬降雨

為防止模擬降雨過程中地表徑流流入或流出到相鄰徑流小區(qū)，使用寬為30 cm的PVC塑料板合圍徑流小區(qū)。為了不影響坡面耕作措施的處理，因此，在坡面耕作措施完成后，將PVC塑料板安裝在徑流小區(qū)邊緣。塑料板地下部分深度為15 cm，地上部分長為15 cm。嚴(yán)格填埋PVC板與土壤的微小縫隙，以防土壤縫隙影響試驗結(jié)果。粗糙坡面相對低洼處在降雨過程中蓄積的水量為地表填洼量。本研究采用薄膜法測定地表填洼量[29]。為形成了無入滲條件坡面，小心地將農(nóng)用塑料薄膜隨粗糙地表高低起伏進(jìn)行鋪設(shè)。采用噴壺從坡面進(jìn)行噴灑（Vinput）直至每個低洼處積水溢流，在徑流小區(qū)出流口收集出水量（Voutput）。根據(jù)水量平衡原理直接測定該耕作措施條件下粗糙坡面的地表填洼量（DSC= Vinput- Voutput）。

為定量描述與區(qū)分各耕作措施后粗糙坡面的起伏情況，測定地表填洼量完成后，利用三維激光掃描儀（GLS-1500，拓普康）對坡面進(jìn)行掃描，形成點云數(shù)據(jù)，在 Arc GIS軟件中生成各粗糙坡面的地表高程模型（Digital elevation model，DEM），如圖3所示。地表填洼量與掃描工作完成后，則開始進(jìn)行人工模擬降雨試驗。本試驗?zāi)M降雨裝置為中科院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式降雨機(jī)。試驗雨強(qiáng)保持跟室內(nèi)試驗一致。當(dāng)出水口有連續(xù)徑流時，記錄坡面產(chǎn)流時間（Tr）。

圖2 各耕作措施徑流小區(qū)坡面地表粗糙情況Fig.2 Agricultural slope surface roughness after tillage application in each runoff plot

圖3 各耕作措施后粗糙坡面高程模型Fig.3 Digital elevation model of each slope surface roughness

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過室內(nèi)土槽人工模擬降雨試驗，標(biāo)記降雨過程中坡面超滲產(chǎn)流點位，并在降雨結(jié)束后統(tǒng)計在坡面空間分布。通過土槽長為y軸、寬為x軸建立坐標(biāo)，從而獲取坡面超滲產(chǎn)流點位的空間分布特征。為了描述粗糙坡面與平整坡面產(chǎn)流點位的空間分布特征及其量化差異性，選用變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）指標(biāo)（1）。

式中 xi為坡面第i個產(chǎn)流點位距y軸的距離，cm；為坡面產(chǎn)流點位距y軸距離的平均值，i為坡面產(chǎn)流點位數(shù)。根據(jù)變異系數(shù)涵義，結(jié)合坡面超滲產(chǎn)流點位特征，經(jīng)類比可知采用變異系數(shù)指標(biāo)來描述超滲產(chǎn)流點位在沿坡面方向（y軸）的變異系數(shù)來反映產(chǎn)流點位在坡面的分散程度。變異系數(shù)越大，表明產(chǎn)流點位在沿徑流方向越分散；反之若變異系數(shù)越小，則表明超滲產(chǎn)流點位沿坡面徑流方向較為集中。

利用SPSS 19軟件下的方差分析對粗糙坡面和平整坡面的初始產(chǎn)流時間進(jìn)行顯著性檢驗，基于最小顯著性差法（LSD）進(jìn)行不同坡度、雨強(qiáng)條件下坡面初始產(chǎn)流時間的比較，并在0.05水平上達(dá)到顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 等高耕作與平整坡面超滲產(chǎn)流點位空間分布特征

在模擬降雨過程中，當(dāng)坡面某處有積水斑塊出現(xiàn)時，表明降雨強(qiáng)度大于入滲能力，形成超滲產(chǎn)流。若土槽出口處有連續(xù)徑流形成，則認(rèn)為坡面各產(chǎn)流點位連通，記為坡面初始產(chǎn)流時間 Tr。因此，由平整坡面初始產(chǎn)流時間可知，在60、90、120 mm/h降雨強(qiáng)度條件下，坡面產(chǎn)流點位標(biāo)記時間范圍分別為降雨開始后0～10、0～5、0～3 min。不同坡度（5°、10°、15°、20°）粗糙坡面與平整坡面在各降雨強(qiáng)度（60、90、120 mm/h）條件下坡面產(chǎn)流點位分布如圖 4所示（由于限于篇幅，本文只列出了60 mm/h降雨強(qiáng)度下坡面超滲產(chǎn)流點位分布特征）。由圖4可直觀看到平整坡面與粗糙坡面都存在局部超滲產(chǎn)流。相比于平整坡面，在相同坡度和雨強(qiáng)條件粗糙坡面產(chǎn)流點位在坡面分布較為疏散。當(dāng)降雨強(qiáng)度為60 mm/h時，平整坡面產(chǎn)流點位沿坡面徑流方向（y軸）分布范圍為96～169 cm之間；粗糙坡面其產(chǎn)流點位沿坡面徑流方向的分布范圍為42～178 cm之間。降雨強(qiáng)度為90 mm/h時，平整坡與粗糙坡面產(chǎn)流點位沿坡面徑流方向上范圍分別為63～177、28～180 cm。降雨強(qiáng)度為120 mm/h，兩者分別為82～180、22～181 cm。隨著坡度增大，坡面超滲產(chǎn)流點位空間分布呈現(xiàn)類似變化，即粗糙坡面在降雨產(chǎn)流過程中，坡面超滲產(chǎn)流點位的空間分布較平整坡面相對分散?？傮w上，從圖 4可直觀地展現(xiàn)粗糙坡面與平整坡面超滲產(chǎn)流點位的空間分布特征及其兩者的差異性。

表 1為降雨條件下平整坡面與粗糙坡面產(chǎn)流點位沿徑流方向變異系數(shù)統(tǒng)計表。由表可知，粗糙坡面產(chǎn)流點位沿徑流方向變異系數(shù)變化范圍為34.4%～52.9%之間，而平整坡面產(chǎn)流點位沿徑流方向上的變異系數(shù)為15.5%～33.1%之間。總體上粗糙坡面產(chǎn)流點位沿徑流方向的變異系數(shù)大于相同坡度、降雨強(qiáng)度條件下平整坡面。表明平整坡面的產(chǎn)流點位在沿徑流方向上的分布較為聚集，而粗糙坡面的產(chǎn)流點位沿徑流方向分布相比于平整坡面更為分散。另外，在相同坡度和降雨強(qiáng)度條件下，粗糙坡面的初始產(chǎn)流時間（Tr）均滯后平整坡面初始產(chǎn)流時間（Tr）（表1）。在降雨產(chǎn)流過程中，平整坡面上超滲產(chǎn)流的水質(zhì)點匯聚成薄層漫流形式，沿坡面向下流動形成連續(xù)徑流。在粗糙坡面上，局部超滲的產(chǎn)流被低洼處截留。隨著坡面低洼處逐漸被填滿，且發(fā)生溢流貫通，此時坡面開始形成連續(xù)徑流。在整個過程中，粗糙坡面伴隨著坡面局部點狀產(chǎn)流、匯入洼地和蓄滿溢流等過程。因此，地表粗糙度通過改變超滲點狀產(chǎn)流在坡面的空間分布及匯流過程而影響坡面產(chǎn)流?？梢姡植谄旅娉瑵B產(chǎn)流點位在坡面上呈更分散，微坡面上點狀產(chǎn)流蓄積在坡面低洼處，改變了坡面水質(zhì)點沿坡面流動，從而延遲了坡面產(chǎn)流。

圖4 雨強(qiáng)60 mm·h-1時平整坡面與等高耕作坡面超滲產(chǎn)流點位的空間分布Fig.4 Spatial distribution of runoff generation points on smooth slope and contour plough slope under rainfall intensity of 60 mm·h-1

2.2 不同地表粗糙度對坡面初始產(chǎn)流時間的影響

粗糙坡面地表填洼量延遲了降水轉(zhuǎn)化為徑流，增加降水在坡面滯留時間。同時也增加降水入滲的可能性，影響著坡面產(chǎn)流與匯流的形成過程。因此，地表粗糙度是分析粗糙坡面產(chǎn)流機(jī)制的一個重要影響因子。表 2匯總了粗糙坡面在不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下的初始產(chǎn)流時間。表中“-”表示該措施坡面在整個降雨過程中未有徑流形成，意味著全部降水入滲進(jìn)入土壤。從表 2中可以看出，平整坡面和粗糙坡面在相同雨強(qiáng)和坡度下，平整坡面產(chǎn)流時間較早。而粗糙坡面產(chǎn)流歷時均大于平整坡面。這與Vermang等[16,24,30]研究結(jié)果一致，即地表粗糙度可延遲坡面產(chǎn)流。另外，不同粗糙度對初始產(chǎn)流時間的延遲作用也存在差異。從表中可以看出點種坡面產(chǎn)流歷時最長，其次為鋤耕和等高耕作坡面，而犁耕坡面產(chǎn)流歷時較少。變化趨勢總體呈現(xiàn)為點種>鋤耕>等高耕作>犁耕>平整坡面。10°坡面在60 mm/h雨強(qiáng)條件下，點種、鋤耕、等高耕作和犁耕坡面的初始產(chǎn)流時間分別為34.00、29.20、25.85、15.29 min；當(dāng)坡度增加到15°時，各坡面初始產(chǎn)流時間分別為 27.55、18.24、19.01、14.95 min，其初始產(chǎn)流時間均縮短了8.3%～34.5%。90和120 mm/h雨強(qiáng)條件下，粗糙坡面初始產(chǎn)流時間變化也表現(xiàn)出相似趨勢，即坡度越大，坡面產(chǎn)流時間越短，反之則越長。一方面由于坡度本身增大會加速徑流在坡面的流動，從而減少坡面產(chǎn)流歷時；另一方面地表填洼量隨坡度增加而減少，同樣地會縮短完成填洼所需歷時。那么相應(yīng)地縮短了坡面初始產(chǎn)流時間。

表1 粗糙坡面與平整坡面的初始產(chǎn)流時間及產(chǎn)流點位沿徑流方向值變異系數(shù)Table 1 Runoff generation time and coefficient of variation in runoff generation points along flow downward direction on smooth and rough surface

表2 粗糙坡面及平整坡面的初始產(chǎn)流時間匯總Table 2 Summarization of runoff generation time on smooth and rough surfaces after tillage application in runoff plots min

同時隨著降雨強(qiáng)度的增加，粗糙坡面與平整坡面初始產(chǎn)流時間的差值減少。當(dāng)雨強(qiáng)為60 mm/h時，5°點種坡面與平整坡面的差值為32 min；而當(dāng)坡度增至20°時，二者差值為13.6 min。同樣在90和120 mm/h降雨強(qiáng)度時，其他粗糙坡面與平整坡面的初始產(chǎn)流時間差值也表現(xiàn)出相同變化趨勢。這表明地表粗糙度對延遲坡面產(chǎn)流效應(yīng)在小坡度上更為明顯。而在大坡度坡面上推遲產(chǎn)流效應(yīng)不明顯。即隨著坡面增加，粗糙度對推遲坡面產(chǎn)流的效應(yīng)逐漸減弱。

圖 5表示為平整坡面與各粗糙坡面初始產(chǎn)流時間的對比關(guān)系。圖中實線為1:1線，由圖可以看出坡面初始產(chǎn)流時間都位于斜線上方；且偏離越多，表示相比于平整坡面，粗糙坡面的產(chǎn)流所需時間越長?？傮w上粗糙坡面初始產(chǎn)流時間均比平整坡面長。同時結(jié)合平整坡面在60、90、120 mm/h降雨強(qiáng)度下的初始產(chǎn)流時間，由圖5可知不同降雨強(qiáng)度條件下，粗糙坡面的偏離程度存在差異。

圖5 各粗糙坡面與平整坡面初始產(chǎn)流時間的關(guān)系Fig.5 Relationship of runoff initiation time between rough and smooth surface

在60 mm/h雨強(qiáng)下，點種措施各坡面初始產(chǎn)流時間范圍為 18.34～42.88 min。平整坡面的產(chǎn)流歷時范圍為4.59～11.38 min。而在120 mm/h雨強(qiáng)條件下，點種坡面的產(chǎn)流時間范圍為 5.94～18.65 min，而平整坡面則為1.90～ 3.31 min。等高耕作、犁耕和鋤耕等粗糙坡面的初始產(chǎn)流時間在不同降雨強(qiáng)度條件下相比于平整坡面均表現(xiàn)出類似的變化趨勢。粗糙坡面降雨產(chǎn)流過程中為入滲、填洼、匯流連通的過程。不同雨強(qiáng)條件下延滯效應(yīng)存在差異主要體現(xiàn)在：一方面是在相同耕作措施的粗糙坡面，即填洼量相同，在大雨強(qiáng)條件下可較快完成填洼，相反在小雨強(qiáng)條件下則需要較長歷時完成坡面填洼，發(fā)生徑流連通，形成坡面徑流。另一方面，降雨強(qiáng)度的增大，則意味著雨滴作用于地表的強(qiáng)度增加，打擊表面土壤作用愈強(qiáng)，從而導(dǎo)致地表土壤顆粒在較少的時間內(nèi)被打擊分散成更細(xì)的土壤顆粒，這會造成土壤孔隙被阻塞，形成土壤結(jié)皮。研究表明，坡面結(jié)皮的形成和發(fā)育會顯著減少土壤的入滲能力[30-33]。因此，降雨強(qiáng)度的增大，坡面土壤結(jié)皮發(fā)育形成所需歷時減少，導(dǎo)致了土壤入滲能力迅速降低，從而縮短了坡面產(chǎn)流時間。同樣地從圖上反映在小雨強(qiáng)條件下，偏離程度越大，即粗糙度延遲坡面產(chǎn)流時間越長，而在大雨強(qiáng)條件下，偏離程度越小且接近1:1線。這表明降雨強(qiáng)度增強(qiáng)時，粗糙度對推遲坡面產(chǎn)流歷時的效應(yīng)減弱。

以上分析表明，相比于平整坡面，經(jīng)過耕作措施后產(chǎn)生的粗糙度是坡面降雨產(chǎn)流過程中一個重要影響因子。隨著坡度的增大，同一耕作措施坡面的初始產(chǎn)流時間縮短；隨著雨強(qiáng)的增加，地表粗糙度對產(chǎn)流歷時的推遲延滯效應(yīng)逐漸降低。

2.3 地表粗糙度對坡面產(chǎn)流機(jī)制的影響

地表粗糙度推遲坡面產(chǎn)流是一個不爭的事實。粗糙坡面上分散的點狀產(chǎn)流，以及在降雨徑流形成前需要更多降水來完成地表填洼和入滲，從而提高了坡面產(chǎn)流閾值，延滯坡面產(chǎn)流。粗糙坡面低洼處在降雨產(chǎn)流中填洼過程稱之為直接作用，而低洼處蓄積水分，具有促進(jìn)降水入滲的能力稱之為間接作用，地表粗糙度通過直接作用與間接作用影響坡面產(chǎn)流。因此，需區(qū)分地表粗糙度對坡面產(chǎn)流的直接作用和間接作用，有助于更好地解釋地表粗糙度對坡面產(chǎn)流機(jī)制的影響。

地表粗糙度對坡面產(chǎn)流的直接作用體現(xiàn)在低洼處蓄積水量的多寡。假設(shè)坡面在無入滲條件下，那么坡面將在完成填洼后即可形成產(chǎn)流，因此，通過粗糙坡面地表填洼量可推求出坡面完成填洼所需歷時（Tp，Predicted time to runoff generation）。其蓄積填洼所需時間Tp占坡面初始產(chǎn)流時間（Tr）的比值反映了地表粗糙度對延遲坡面初始產(chǎn)流的直接貢獻(xiàn)作用，相應(yīng)地也反映了低洼處促進(jìn)入滲的間接作用對坡面產(chǎn)流的影響。由于降雨前已對粗糙坡面地表填洼量進(jìn)行了直接測定，降雨強(qiáng)度已知，那么粗糙坡面填洼所需時間可由該坡面地表填洼量和降雨強(qiáng)度計算得出（Tp=DSC/RI）。表3匯總了粗糙坡面預(yù)測完成填洼所需歷時Tp與實測坡面初始產(chǎn)流時間Tr的比值（Tp/Tr）。由表3可以看出，總體上在各降雨條件下，粗糙坡面降雨產(chǎn)流過程中填洼歷時所占比值變化范圍為2.2%～36.2%，這表明坡面粗糙度通過促進(jìn)水分入滲造成延遲坡面產(chǎn)流過程為主導(dǎo)作用。這一結(jié)果與 Darboux和Huang[30]研究結(jié)論“粗糙坡面填洼量為延遲坡面初始產(chǎn)流時間的主導(dǎo)作用”相悖。究其原因試驗中土壤坡面進(jìn)行了降雨強(qiáng)度為12 mm/h、降雨歷時1 h的預(yù)降雨過程。經(jīng)過預(yù)降雨后坡面土壤初始含水量較大，在降雨過程中地表粗糙度增加入滲，延遲坡面產(chǎn)流的間接作用較弱，相應(yīng)地填洼過程直接作用于延滯坡面初始產(chǎn)流時間增強(qiáng)?？梢娫诒容^地表粗糙度對坡面產(chǎn)流時間的效應(yīng)時，坡面土壤初始含水量是一個重要影響因子。

同時，地表粗糙度在不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下也存在差異。在粗糙坡面，所占比值隨著坡度的增大而增大。當(dāng)在同一雨強(qiáng)條件下，地表填洼量隨著坡度增大而減少，那么完成填洼過程的歷時應(yīng)相應(yīng)減少；同時坡面產(chǎn)流歷時隨著坡度的增大而縮短，但總體比值相應(yīng)地增加。以降雨強(qiáng)度為90 mm/h的點種坡面為例，當(dāng)坡度由10°增加至15°時，地表填洼量減少了11.1%，而坡面初始產(chǎn)流時間減少了45.0%?？梢娖旅娉跏籍a(chǎn)流時間隨坡度大幅減少，表明地表粗糙度的直接作用隨坡度增加而相應(yīng)增加。而在犁耕措施的坡面預(yù)測完成填洼所需歷時Tp占實測坡面初始產(chǎn)流時間Tr的比值較小且隨坡度的增加而減少，這由于犁耕坡面地表填洼量較少且隨坡度變化較大。另外，在等高耕作措施粗糙坡面，其比值未呈現(xiàn)明顯增大趨勢。如在90 mm/h降雨強(qiáng)度下，各坡度比值為17.9%（15°）、16.6%（20°），以及在 120 mm/h降雨強(qiáng)度下，各坡度的比值為 30.0%（15°）、19.0%（20°）。這可能由于坡面在經(jīng)過等高耕作措施后，其坡面呈現(xiàn)的垂直于坡面的溝壟相間微地形。在降雨過程中溝蓄積水分，但由于壟溝的蓄積量存在差異，降雨產(chǎn)流過程中有低洼處先蓄滿而發(fā)生溢流的現(xiàn)象，在坡面內(nèi)發(fā)生匯流過程，加速坡面形成徑流。同時也存在低洼處在坡面產(chǎn)流時還未完全蓄滿。因此，兩者比值并未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢。

表3 各耕作措施預(yù)測與實測坡面初始產(chǎn)流時間的比值Table 3 Ratios of estimated time to depression filling to measured time to runoff initiation under in rough surface after tillage application %

總之，地表粗糙度通過增加地表填洼量的直接作用和蓄積水分提高入滲能力的間接作用延遲坡面初始產(chǎn)流時間。同時將地表粗糙度的直接作用和間接作用加以區(qū)分，更進(jìn)一步明確了地表粗糙度增加坡面降水入滲能力，導(dǎo)致粗糙坡面產(chǎn)流前需要更多降水，即地表粗糙度的間接作用使得坡面初始產(chǎn)流時間的延長。結(jié)合坡面產(chǎn)流點位空間分布特征可知：在平整坡面上的超滲產(chǎn)流點位較為聚集，坡面匯流較快且無明顯受粗糙微地形的影響，從而導(dǎo)致平整坡面初始產(chǎn)流時間較短。而在粗糙坡面上分散的超滲產(chǎn)流匯入低洼處，隨著降水過程的持續(xù)，低洼處蓄積水量逐漸增加，待蓄滿后開始發(fā)生溢流連通，依次反復(fù)直至徑流到達(dá)徑流小區(qū)出口，坡面則形成連續(xù)產(chǎn)流。在整個過程中，粗糙坡面分散的點狀產(chǎn)流特征與低洼處匯流的作用明顯地降低了坡面產(chǎn)匯流路徑的連續(xù)性，而且減少了降水形成徑流的水量，從而導(dǎo)致坡面產(chǎn)流的延緩。

3 結(jié) 論

本研究通過室內(nèi)土槽和室外徑流小區(qū)人工模擬降雨試驗，根據(jù)坡面產(chǎn)流點位空間分布和坡面產(chǎn)流相結(jié)合，研究地表粗糙度對坡面的產(chǎn)流機(jī)制影響，主要結(jié)論如下：

1）粗糙坡面與平整坡面超滲產(chǎn)流點位在不同降雨強(qiáng)度下沿坡面徑流方向上的分布范圍分別為12～181 cm、42～180 cm。同時2處理坡面產(chǎn)流點位沿徑流方向的變異系數(shù)分別為34.4%～52.9%、15.5%～31.1%。由此可知粗糙坡面超滲產(chǎn)流點位較平整坡面更為分散。在相同降雨強(qiáng)度與坡度條件下，粗糙坡面與平整坡面都存在局部超滲產(chǎn)流的點位，這表明粗糙坡面與平整坡面都為超滲產(chǎn)流方式。而粗糙坡面局部產(chǎn)流點位分散且分布的低洼處可蓄積降水，減少了坡面產(chǎn)流的連通性，從而導(dǎo)致粗糙坡面初始產(chǎn)流時間的推遲。

2）相比于平整坡面，地表粗糙度具有推遲坡面初始產(chǎn)流時間效應(yīng)。另外地表粗糙度對初始產(chǎn)流時間的效應(yīng)隨著坡度、雨強(qiáng)增大而逐漸減弱。這表明粗糙坡面在小坡度、小雨強(qiáng)條件下具有較強(qiáng)推遲坡面產(chǎn)流時間的能力。

3）粗糙度不僅通過填洼量過程的直接作用，而且通過增加土壤水分入滲水頭來增加入滲能力的間接作用影響坡面初始產(chǎn)流時間。通過計算預(yù)測初始產(chǎn)流時間與實測初始產(chǎn)流時間比值為2.2%～36.2%。結(jié)果表明粗糙影響坡面產(chǎn)流時間的主導(dǎo)過程為通過增加入滲的間接作用，從而導(dǎo)致坡面產(chǎn)流延遲。

本文著重研究粗糙坡面與平整坡面在不同條件下從點狀產(chǎn)流到坡面產(chǎn)流的特征，確定地表粗糙度分散了局部超滲產(chǎn)流點位分布，同時低洼處起到匯水作用，以促進(jìn)水分入滲的間接作用為主要作用方式延遲坡面產(chǎn)流，進(jìn)一步明確地表粗糙度對坡面產(chǎn)流機(jī)制的影響，為深入理解粗糙坡面土壤侵蝕機(jī)理提供依據(jù)。

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