集水區(qū)耕作對(duì)干熱河谷沖溝溝頭溯源侵蝕過程的影響

楊鴻琨，蘇正安，朱大鵬，何周窈，周 濤，熊東紅， 方海東，史亮濤

（1. 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041； 2. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；3. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500； 4. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，成都 611130；5. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049 6. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，元謀651300）

0 引 言

溝蝕作為一種重要的土壤侵蝕類型，具有產(chǎn)沙量大的特點(diǎn)，其產(chǎn)沙量能占到全流域總產(chǎn)沙量的10%～94%[1]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)沖溝侵蝕動(dòng)力機(jī)制開展了大量研究，主要集中于沖溝監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用與評(píng)價(jià)、沖溝發(fā)育影響因素的定性分析、沖溝發(fā)育的形態(tài)特征以及沖溝侵蝕過程的模型研究[2]。例如：李佳佳等[3]利用高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS 對(duì)沖溝溝頭形態(tài)特征進(jìn)行了測(cè)量和調(diào)查，楊丹等[4]對(duì)元謀干熱河谷沖溝形態(tài)特征及其成因進(jìn)行了研究，張寶軍等[5]基于力矩法探究了崩塌與溝蝕發(fā)育過程的關(guān)系，Su 等[6]通過放水沖刷試驗(yàn)?zāi)M了干熱河谷沖溝溯源侵蝕過程，研究了沖溝形態(tài)變化及侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律。

金沙江干熱河谷區(qū)氣候干燥炎熱，水熱矛盾突出，植被覆蓋程度低，土壤抗蝕性差，水土流失嚴(yán)重，是中國西南地區(qū)特殊的脆弱生態(tài)環(huán)境類型區(qū)[7]。該區(qū)域沖溝發(fā)育，溝壑密度達(dá)到3～5 km/km2，且沖溝發(fā)育區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)1.64×104t/(km2·a)[8]?？焖侔l(fā)育的沖溝致使當(dāng)?shù)氐匦沃щx破碎，形成大量侵蝕劣地，導(dǎo)致植被生境條件變差，沖溝侵蝕已成為金沙江干熱河谷區(qū)主要的生態(tài)環(huán)境問題[6,8-10]。與此同時(shí)，金沙江干熱河谷也是中國西南干旱河谷的主要人口聚集地，大量沖溝集水區(qū)被開發(fā)為農(nóng)耕地，從而導(dǎo)致沖溝溝頭溯源侵蝕速度產(chǎn)生了一定程度的變化。迄今為止，集水區(qū)強(qiáng)烈的人類耕作活動(dòng)對(duì)沖溝溝頭侵蝕動(dòng)力過程的影響機(jī)制并不清楚，關(guān)于集水區(qū)農(nóng)耕活動(dòng)對(duì)沖溝發(fā)育過程中水動(dòng)力學(xué)的影響機(jī)制等方面的研究成果仍較少。因此，查明集水區(qū)耕作活動(dòng)對(duì)沖溝溝頭水動(dòng)力學(xué)和侵蝕特征的影響機(jī)制有利于進(jìn)一步完善該區(qū)沖溝侵蝕的防治措施。

本研究選取一條處于發(fā)育階段的典型沖溝溝頭及其 集水區(qū)，在集水區(qū)部位進(jìn)行耕作活動(dòng)，并采用不同流量的 原位放水沖刷試驗(yàn)，對(duì)比集水區(qū)處于裸地狀態(tài)和耕地狀態(tài)下沖溝溝頭各部位的水動(dòng)力學(xué)特性和侵蝕特征差異，查明集水區(qū)耕作活動(dòng)對(duì)沖溝溯源侵蝕過程的影響，從而為該區(qū)沖溝治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省楚雄彝族自治州元謀縣（101°35′～ 102°06′E，25°23′～26°06′N），海拔介于1 067～1 138 m，該區(qū)屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，干燥炎熱，降水集中，干濕季分明，熱量條件十分豐富，是金沙江流域典型的干熱河谷區(qū)[7]。該區(qū)年平均氣溫21.9℃，年均降水量634 mm，降水主要集中在6—10 月，占年降雨量的90%以上，年均蒸發(fā)量高達(dá)3 847.8 mm[11]。該區(qū)地帶性土壤為燥紅土，風(fēng)化程度低，砂礫含量高，有機(jī)質(zhì)含量少，土壤保水性能差[12]。研究區(qū)內(nèi)植被種類較少、覆蓋度較低。典型的草本植物以孔穎草、扭黃茅為主，灌喬木以車桑子、酸角、余甘子為主，由此形成以稀樹灌木草叢為代表的植被群落[13]。

本研究主要在元謀干熱河谷溝蝕崩塌研究站內(nèi)開展試驗(yàn)（圖1），該試驗(yàn)站是中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所與云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合共建的野外觀測(cè)站。站內(nèi)沖溝密布，地形切割劇烈，溝蝕崩塌嚴(yán)重，是沖溝發(fā)育的典型區(qū)域。

圖1 研究區(qū)位置圖 Fig.1 Location of study area

2 材料與方法

2.1 研究方法

本研究在試驗(yàn)站內(nèi)選取一條具有典型代表且仍在發(fā)育的沖溝溝頭及其集水區(qū)（溝頭植被蓋度＜5%且無人類活動(dòng)），沿沖溝集水區(qū)至溝床的縱斷面將其均勻劃分為4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)劃分為集水區(qū)、溝壁和溝床3 部分（見圖2）。本研究采用原位放水沖刷試驗(yàn)?zāi)M沖溝溝頭溯源侵蝕過程，基于當(dāng)?shù)氐湫徒涤炅亢蛥R水區(qū)面積設(shè)定了不同流量，在試驗(yàn)小區(qū)的上方設(shè)置穩(wěn)流槽，以期獲得連續(xù)而穩(wěn)定的放水流量。為測(cè)量溝壁位置的相關(guān)參數(shù)，選取集水區(qū)下部最后一個(gè)斷面至溝床上部第一個(gè)斷面的部位作為溝壁，如圖2 所示。選取集水區(qū)和溝床的斜面面積作為本研究的計(jì)算面積。

圖2 溝頭及集水區(qū)示意圖 Fig.2 Diagram of gully head and catchment area

本研究?jī)奢喸囼?yàn)均在同一條沖溝進(jìn)行，裸地沖刷試驗(yàn)于2013 年9 月（干旱無雨期）開展，試驗(yàn)過程保持集水區(qū)處于裸地且未耕作的狀態(tài)，試驗(yàn)后將沖溝地形恢復(fù)成最初狀態(tài)。耕作后的沖刷試驗(yàn)于2015 年3 月進(jìn)行。第二輪試驗(yàn)開展前，對(duì)4 個(gè)小區(qū)的集水區(qū)部位進(jìn)行翻耕、整平，并在每個(gè)小區(qū)均輪流種植花生和玉米。

基于當(dāng)?shù)氐湫徒涤炅亢蛥R水區(qū)面積，設(shè)定兩次放水沖刷試驗(yàn)的流量為30、60、90 和120 L/min，每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一種流量（見表1）。試驗(yàn)開始后，每10 min 測(cè)定3 次徑流寬、徑流深、流速和水溫等參數(shù)，固定每次測(cè)量的讀數(shù)位置以減小誤差，取平均值用于計(jì)算。其中徑流流速測(cè)定采用滴墨法，徑流深、徑流寬、水溫則采用直尺和溫度計(jì)直接量測(cè)。試驗(yàn)過程中，每隔30 min 暫停放水， 使用LMS-Z420i 三維激光掃描儀對(duì)溝頭各部位進(jìn)行地形測(cè)量，調(diào)節(jié)激光掃描儀的相關(guān)部件改變掃描角度，進(jìn)行多角度掃描測(cè)量，測(cè)量精度為±2mm[6]。繼續(xù)放水沖刷試驗(yàn)，單次放水沖刷試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為150 min。

表1 試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格設(shè)置 Table 1 Specification of test plots

2.2 參數(shù)計(jì)算

Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)f 是水流剪切力做功與水流動(dòng)能的比值，反映水流流動(dòng)時(shí)所受阻力大小，計(jì)算公式[14]為：

式中J 為坡降或坡度[15]；V 為徑流平均流速（m/s）；R為水力半徑（m）；g 為重力加速度（m/s2）。

徑流能耗是土壤侵蝕過程中水流克服阻力將土壤分離所做的功。徑流能耗理論利用侵蝕過程的初始和最終狀態(tài)，通過計(jì)算初始狀態(tài)和最終狀態(tài)的徑流能量變化，來推測(cè)侵蝕過程中消耗的總能量。通過公式[16-17]表示為：

式中E 為徑流能耗（J/s）；ρ 為水的密度（kg/m3）q1為初始狀態(tài)流量（m3/s）；q2為最終狀態(tài)的徑流流量（m3/s）；L 為坡長(zhǎng)（m）；V1為初始狀態(tài)徑流流速（m/s）；Vx為最終狀態(tài)徑流流速（m/s）；X 為最終狀態(tài)位置；T 為持續(xù)的時(shí)間（s）；θ 為試驗(yàn)坡面的坡度（°）。

侵蝕單位土體的徑流能耗表征徑流侵蝕單位質(zhì)量的 土體所消耗的能量，主要公式[16,17]為：

式中Eu為侵蝕單位土體的徑流能耗（J/g）；R 為土壤侵蝕的速率（g/(m2·s)）；S 為土壤侵蝕面積（m2）；T 為沖刷時(shí)間（s）。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描儀測(cè)量的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arcgis10.1軟件中，再通過Arcgis10.1 軟件生成高分辨率數(shù)字高程模型，然后采用3D 分析工具中的TIN 插值方法，計(jì)算試驗(yàn)前后的地形變化和土壤侵蝕速率。在此基礎(chǔ)之上，運(yùn)用SPSS22.0 軟件中配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)分析，采用Origin8.0 對(duì)沖溝在耕作前后的土壤侵蝕速率、徑流阻力系數(shù)和徑流能耗等進(jìn)行分析和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕作對(duì)溝頭土壤侵蝕速率的影響

圖3 顯示出，在時(shí)間變化上，沖溝各部位的土壤侵蝕速率的變化趨勢(shì)差異并不明顯。在不同放水量的情況下，隨著放水沖刷時(shí)間的增加，裸地和耕地集水區(qū)、溝壁和溝床的土壤侵蝕速率變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖3 沖溝溝頭土壤侵蝕速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì) Fig.3 Change trend of soil erosion rate at gully head with time

對(duì)于沖溝各部位，耕地狀態(tài)和裸地狀態(tài)下的土壤侵蝕速率的大小具有顯著差異。如圖3 所示，在放水沖刷試驗(yàn)進(jìn)行到90min 后，溝頭徑流侵蝕過程逐漸穩(wěn)定。在4 種流量狀態(tài)下，沖溝集水區(qū)部位，裸地狀態(tài)下的土壤侵蝕速率分別為0.016、0.026、0.032、0.048 kg/(m2·min)，耕地狀態(tài)下的土壤侵蝕速率分別為0.049、0.071、0.078、0.128 kg/(m2·min)，耕地狀態(tài)下集水區(qū)土壤侵蝕速率比裸地狀態(tài)下的土壤侵蝕速率增加了約1.62 倍。相比于集水區(qū)處于裸地狀態(tài)下的溝壁部位，集水區(qū)耕地狀態(tài)下的溝壁土壤侵蝕速率與之并不存在顯著差異。集水區(qū)處于裸地狀態(tài)時(shí)溝床的土壤侵蝕速率分別穩(wěn)定在0.077、0.135、0.153、 0.179 kg/(m2·min)，集水區(qū)處于耕地狀態(tài)時(shí)溝床的土壤侵蝕速率分別為0.057、0.118、0.126、0.172 kg/(m2·min)。結(jié)果表明，在集水區(qū)進(jìn)行農(nóng)耕活動(dòng)可顯著增加集水區(qū)的土壤侵蝕速率，而對(duì)溝壁的土壤侵蝕速率則無顯著影響，在集水區(qū)進(jìn)行農(nóng)耕活動(dòng)反而會(huì)導(dǎo)致溝床的侵蝕速率有所減小。

3.2 耕作對(duì)溝頭徑流阻力系數(shù)的影響

隨著放水沖刷時(shí)間的增加，兩種處理下沖溝溝頭不同部位的阻力系數(shù)變化差異顯著。集水區(qū)處于裸地狀態(tài)時(shí)，集水區(qū)和溝床部位的徑流阻力系數(shù)在試驗(yàn)前90 min 內(nèi)逐漸增加，90 min 后，徑流阻力系數(shù)均逐漸趨于穩(wěn)定（圖4）。集水區(qū)處于耕地狀態(tài)時(shí)，集水區(qū)和溝床的徑流阻力系數(shù)則在前90 min 內(nèi)逐漸減小，90 min 后逐漸趨于穩(wěn)定（圖4），這表明在集水區(qū)開展耕作活動(dòng)可顯著改變沖溝徑流阻力 系數(shù)的變化趨勢(shì)。

耕作后，沖溝各部位徑流阻力系數(shù)均出現(xiàn)了較大幅度 的變化。圖4 顯示，試驗(yàn)進(jìn)行至90min 后，沖溝各部位的徑流阻力系數(shù)逐漸穩(wěn)定。裸地狀態(tài)下集水區(qū)的徑流阻力系數(shù)（穩(wěn)定值）分別為0.53、0.27、0.28、0.29，耕地狀態(tài)下集水區(qū)的徑流阻力系數(shù)則分別為3.54、2.99、2.35、2.02，耕地集水區(qū)的徑流阻力系數(shù)比裸地集水區(qū)增加約6.96 倍。集水區(qū)為裸地狀態(tài)時(shí)，溝床的徑流阻力系數(shù)分別穩(wěn)定在2.02、1.77、1.94、2.11，而集水區(qū)為耕地狀態(tài)時(shí)，溝床的徑流阻力系數(shù)分別穩(wěn)定在4.01、4.18、3.26、2.96，集水區(qū)為耕地狀態(tài)下溝床的徑流阻力系數(shù)相比裸地狀態(tài)增加了約2 倍。由此可見，集水區(qū)由裸地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貭顟B(tài)后，集水區(qū)和溝床的徑流阻力系數(shù)均會(huì)顯著增加，這表明耕作活動(dòng)可顯著增加沖溝溝頭的徑流阻力系數(shù)。

圖4 沖溝溝頭徑流阻力系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì) Fig.4 Change trend of runoff resistance coefficient at gully head with time

3.3 耕作對(duì)溝頭徑流能耗的影響

3.3.1 徑流能耗的變化特征

如圖5 所示，集水區(qū)農(nóng)耕活動(dòng)并未對(duì)沖溝各部位的徑流總能耗產(chǎn)生明顯影響。在4 種流量狀態(tài)下，裸地狀態(tài)下集水區(qū)的徑流能耗的穩(wěn)定值分別為6.86、12.96、17.14、26.08 J/s，耕地狀態(tài)下集水區(qū)的徑流能耗的穩(wěn)定值分別為10.85、15.01、19.96、26.18 J/s ，與裸地相比，耕地狀態(tài)集水區(qū)的徑流能耗增加了約20%。集水區(qū)裸地狀態(tài)下溝壁的徑流能耗的穩(wěn)定值分別為3.57、8.12、9.79、16.61 J/s ，集水區(qū)耕地狀態(tài)下溝壁的徑流能耗分別為5.49、9.59、15.51、18.66 J/s ，集水區(qū)耕地狀態(tài)下溝壁徑流能耗比裸地狀態(tài)下增加了約37%。集水區(qū)裸地狀態(tài)下溝床的徑流能耗的穩(wěn)定值分別為6.62、19.42、30.49、44.64 J/s ，集水區(qū)耕地狀態(tài)下溝床的徑流能耗的穩(wěn)定值分別為11.36、17.71、23.33、29.59 J/s ，二者的徑流能耗相近。由此可見，集水區(qū)農(nóng)耕活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致沖溝各部位的徑流能耗有所增加，但其差異并不顯著。

隨著沖刷時(shí)間增加，沖溝各部位的徑流能耗的變化趨勢(shì)較為接近。隨著沖刷時(shí)間的增加，裸地狀態(tài)下和耕地狀態(tài)下的沖溝集水區(qū)、溝壁和溝床的徑流能耗均呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。這表明耕作活動(dòng)不會(huì)對(duì)徑流能耗的時(shí)間變化趨勢(shì)產(chǎn)生明顯影響。

圖5 沖溝溝頭徑流能耗隨時(shí)間的變化趨勢(shì) Fig.5 Change trend of energy consumption of gully runoff at gully head with time

3.3.2 侵蝕單位土體的徑流能耗的變化特征

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著放水沖刷時(shí)間的增加，裸地和耕地狀態(tài)下沖溝集水區(qū)、溝壁和溝床的侵蝕單位土體的徑流能耗均呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，這表明農(nóng)耕活動(dòng)對(duì)侵蝕單位土體徑流能耗的時(shí)間變化趨勢(shì)影響較小。

相比于裸地狀態(tài)下集水區(qū)，集水區(qū)為耕地時(shí)侵蝕單位土體徑流能耗會(huì)顯著降低。從圖6 可見，裸地狀態(tài)下集水區(qū)侵蝕單位土體的徑流能耗穩(wěn)定值分別為0.78、0.89、0.90、0.97 J/g，耕地狀態(tài)下集水區(qū)的侵蝕單位土體的徑流能耗穩(wěn)定值分別為0.44、0.47、0.49、0.43 J/g，耕地集水區(qū)侵蝕單位土體的徑流能耗相比裸地集水區(qū)減少約50%。集水區(qū)裸地狀態(tài)下溝壁侵蝕單位土體的徑流能耗分別為4.15、5.70、4.56、5.48 J/g，集水區(qū)耕地狀態(tài)下溝壁侵蝕單位土體的徑流能耗分別為5.40、7.60、11.13、11.41 J/g，集水區(qū)耕地狀態(tài)下溝壁比裸地狀態(tài)下溝壁侵蝕單位土體的徑流能耗略微增加，但整體來看，差異并不顯著。與此同時(shí)，集水區(qū)處于不同處理狀態(tài)下，溝床的侵蝕單位土體徑流能耗也沒有產(chǎn)生顯著影響。這表明在集水區(qū)進(jìn)行農(nóng)耕活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致集水區(qū)侵蝕單位土體徑流能耗顯著降低，侵蝕、搬運(yùn)相同質(zhì)量的土體所消耗的能量減少，但在集水區(qū)進(jìn)行農(nóng)耕活動(dòng)并不會(huì)對(duì)溝壁、溝床侵蝕單位土體徑流能耗產(chǎn)生顯著影響。

圖6 沖溝溝頭侵蝕單位土體的徑流能耗隨時(shí)間的變化趨勢(shì) Fig. 6 Change trend of energy consumption per unit soil loss of gully runoff at gully head with time

4 討 論

干熱河谷區(qū)沖溝廣泛分布，當(dāng)集水區(qū)處于不同土地利用類型時(shí)，沖溝發(fā)育速度并不同[18]。查明集水區(qū)處于不同土地利用類型時(shí)沖溝溯源侵蝕速率及其水動(dòng)力學(xué)差異，以及研究農(nóng)耕活動(dòng)對(duì)沖溝溯源侵蝕過程的影響機(jī)制，可以為該區(qū)域采取針對(duì)性的沖溝防治措施奠定理論基礎(chǔ)。

集水區(qū)處于耕地狀態(tài)時(shí)，集水區(qū)徑流阻力系數(shù)比裸地狀態(tài)增加了5～10 倍，溝床徑流阻力系數(shù)比裸地增加了約2 倍，這表明改變集水區(qū)地表粗糙度能夠顯著改變沖溝溝頭的徑流阻力系數(shù)變化趨勢(shì)。前人研究表明，耕作導(dǎo)致的地表土壤粗糙度改變會(huì)顯著改變地表徑流過程[19-21]。相比于裸地狀態(tài)集水區(qū)，集水區(qū)為耕地狀態(tài)時(shí)地表土壤粗糙度顯著增加，從而導(dǎo)致土體對(duì)徑流的阻力系數(shù)會(huì)明顯增大。

當(dāng)集水區(qū)為裸地狀態(tài)時(shí)，集水區(qū)和溝床的徑流阻力系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；相反地，當(dāng)集水區(qū)為耕地狀態(tài)時(shí)，集水區(qū)和溝床的徑流阻力系數(shù)均呈現(xiàn)出先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是由于在放水試驗(yàn)初期，裸地集水區(qū)和溝床地表均較為平整，徑流寬度較大，徑流深較小，徑流阻力系數(shù)也較小，但隨著徑流不斷剝蝕地表土壤，細(xì)溝逐漸形成，分散的徑流逐漸匯集形成股流，徑流寬逐漸減小，徑流深增加，阻力系數(shù)逐漸增加并趨于穩(wěn)定。當(dāng)集水區(qū)處于耕地狀態(tài)時(shí)，初始集水區(qū)地表土壤粗糙度較高，隨著放水沖刷試驗(yàn)進(jìn)行到 90 min 后，徑流不斷剝蝕地表土壤，逐漸形成較為平滑的細(xì)溝，徑流的阻力系數(shù)顯著減小，并在90 min 后逐漸趨于穩(wěn)定。在溝床部位，徑流阻力系數(shù)均明顯大于集水區(qū)，與此同時(shí)，由于初始狀態(tài)下集水區(qū)阻力系數(shù)較大，徑流消耗的能量較多，隨著沖刷時(shí)間的增加，阻力系數(shù)逐步變小，所以溝床的阻力系數(shù)也隨之呈現(xiàn)逐漸減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

徑流能耗表征了徑流在土壤侵蝕過程中克服土體阻力將其剝離和搬運(yùn)所做的功[16,17]。試驗(yàn)結(jié)果表明，徑流能耗與土壤侵蝕速率的時(shí)間變化存在相反的趨勢(shì)，即隨著沖刷時(shí)間增加，徑流能耗呈逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但是土壤侵蝕速率呈逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是由于金沙江干熱河谷區(qū)不同層次土體之間風(fēng)化程度存在顯著差異，以及表層土體易開裂所致。在金沙江干熱河谷區(qū)，土壤類型以燥紅土為主，氣候干熱，太陽輻射強(qiáng)，從而導(dǎo)致表層土壤逐漸開裂變得疏松，而下層土壤由于沒有暴露在陽光下而相對(duì)較為緊實(shí)[22]。當(dāng)徑流逐漸下切到下層土壤時(shí)，徑流下切所需的徑流能耗也更大，即相同徑流能耗能夠侵蝕和搬運(yùn)的土壤量更少，侵蝕單位土體的徑流能耗則顯著增加。此外，本研究結(jié)果表明，耕作后地表侵蝕單位土體徑流能耗會(huì)顯著降低。因此，在沖溝治理過程中，應(yīng)盡量減少人為耕作活動(dòng)，避免加速?zèng)_溝發(fā)育區(qū)土壤侵蝕速率。此外，相比于徑流能耗，侵蝕單位土體徑流能耗這一指標(biāo)更能夠反映沖溝溯源侵蝕動(dòng)力過程變化趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

本研究通過野外放水沖刷試驗(yàn)，對(duì)比集水區(qū)分別為裸地和耕地兩種狀態(tài)下沖溝溝頭不同部位的侵蝕特征和水動(dòng)力參數(shù)變化，得出以下結(jié)論：

1）在集水區(qū)進(jìn)行耕作活動(dòng)會(huì)加速集水區(qū)部位的土壤侵蝕速率，但在集水區(qū)進(jìn)行耕作活動(dòng)對(duì)溝壁和溝床的土壤侵蝕速率影響并不顯著。

2）在集水區(qū)進(jìn)行農(nóng)耕活動(dòng)會(huì)顯著改變沖溝溝頭不同部位的徑流阻力系數(shù)及其時(shí)間變化趨勢(shì)。與裸地相比，耕作后集水區(qū)、溝床的阻力系數(shù)分別提高了約6.96 倍和2倍。與此同時(shí)，相比于集水區(qū)為裸地狀態(tài)時(shí)徑流阻力系數(shù)呈現(xiàn)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，在集水區(qū)進(jìn)行農(nóng)耕活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致溝頭不同部位徑流阻力系數(shù)呈先減小后逐漸趨于穩(wěn)定的時(shí)間變化趨勢(shì)。

3）耕作活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致侵蝕單位土體徑流能耗顯著降低，從而增加整個(gè)坡溝系統(tǒng)的土壤侵蝕量。當(dāng)集水區(qū)處于耕地狀態(tài)時(shí)，集水區(qū)侵蝕單位土體的徑流能耗比裸地狀態(tài)降低了約50%，但集水區(qū)的農(nóng)耕活動(dòng)并不會(huì)對(duì)溝壁、溝床侵蝕單位土體徑流能耗產(chǎn)生顯著影響。