微地形變化對地表水文過程影響的研究進(jìn)展*

司夢可, 曹建生, 陽 輝

微地形變化對地表水文過程影響的研究進(jìn)展*

司夢可1,2, 曹建生1**, 陽 輝1

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

地表水文過程是土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 微地形在降雨再分配過程中發(fā)揮著重要作用。本文論述了微地形變化對地表徑流、降雨-入滲、蒸散發(fā)及土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移的影響效應(yīng)以及在SPAC系統(tǒng)中的反饋?zhàn)饔? 旨在通過總結(jié)前人在微地形變化影響地表水文過程中的研究成果, 明晰微地形變化對降雨、徑流、入滲以及蒸散發(fā)等過程的影響效應(yīng)。針對現(xiàn)有研究中存在對微地形種類劃分不系統(tǒng)化、尺度界定不清楚以及對微地形變化與地表水文過程間的耦合機(jī)制缺乏深入剖析等問題, 本文指出應(yīng)針對不同生態(tài)類型區(qū)和微地形營造方式對微地形種類進(jìn)行統(tǒng)一劃分, 結(jié)合微地形測量工具及遙感技術(shù)對微地形尺度進(jìn)行準(zhǔn)確界定; 在此基礎(chǔ)上將長期野外定位觀測和短期室內(nèi)模擬試驗(yàn)相結(jié)合, 揭示微地形變化與地表水文過程的耦合機(jī)制, 建立兩者之間的模型關(guān)系, 量化微地形改良措施在區(qū)域降水再分配過程中的調(diào)節(jié)作用, 為區(qū)域水資源調(diào)控提供一定的理論依據(jù)。

微地形; 徑流; 入滲; 蒸散發(fā); 水分運(yùn)移; 地表水文過程

聯(lián)合國《2018世界水資源開發(fā)報(bào)告》顯示: 隨著人口增長與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 全球?qū)λY源的需求正以每年1%的速度增長[1]。淺層地下水是全球真正有效利用的淡水資源, 其水位埋深面臨不斷增加的趨勢[2]。降雨入滲補(bǔ)給量是淺層地下水的主要來源[3], 因此, 揭示降雨入滲過程對淺層地下水的補(bǔ)給機(jī)理是提升淺層地下水開發(fā)潛力的關(guān)鍵。陸地表面地形在不同尺度上控制著地表水和地下水的流動(dòng)過程[4], 微地形作為影響水文連通性的重要因素[5-9], 在地表水與地下水轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要作用。

流域生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)與水分運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切, 水文循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)都伴隨著不同的生態(tài)效應(yīng), 尤其是徑流(地表水、地下水)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化對生態(tài)系統(tǒng)的健康影響巨大[10]。為了合理配置水資源, 提高區(qū)域水資源利用效率, 國內(nèi)外學(xué)者針對區(qū)域地形氣候特征進(jìn)行了一系列的植被配置措施。但是由于缺乏對局部小環(huán)境差異性的研究, 造成植被成活率低, 區(qū)域水環(huán)境進(jìn)一步受到破壞, 如我國黃土高原區(qū)小老樹現(xiàn)象的發(fā)生[11]。中國北方黃土丘陵區(qū)和土石山區(qū)受氣候條件影響, 植被生長狀況較差, 生態(tài)條件脆弱。區(qū)域整體氣候條件雖差異不大, 但是局部小區(qū)域土壤含水量、土壤養(yǎng)分狀況和微生物量仍具有較大異質(zhì)性[12]。由于缺乏對小尺度地形環(huán)境的深入了解, 使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復(fù)進(jìn)程難以取得較大突破[13-15]。

從20世紀(jì)90年代初期, 學(xué)者對微地形的地表水文效應(yīng)進(jìn)行了研究[16], 其研究過程經(jīng)歷了由模擬地表起伏狀況和降雨強(qiáng)度定性分析微地形對地表水文過程的影響, 到基于地表測量定量描述微地形特征與徑流、入滲之間的關(guān)系。隨著對微地形研究的不斷深入, 相關(guān)學(xué)者建立了不同模型(two-dimensional modeling, physics-based modeling of overland flow, P2P overland flow modeling)量化微地形變化對地表水文過程的影響[17-19], 并提出新的模型(developed P2P model)對已有模型進(jìn)行驗(yàn)證[19]; 與此同時(shí), 考慮到影響地表水文過程的因素多種多樣, 將地表結(jié)皮、植被分布和氣象因素與微地形相結(jié)合, 探究微地形變化與周圍環(huán)境之間的耦合機(jī)制對水文過程的影響正成為未來微地形研究的主要方向[20-22]。針對以上研究目標(biāo), 本文通過綜述微地形對地表徑流、降雨入滲、土壤含水及土壤中的水分、溶質(zhì)轉(zhuǎn)移路徑和植被生長狀況影響的研究進(jìn)展, 探討微地形變化與地表水文過程之間的協(xié)同作用機(jī)理, 為區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 微地形的定義及成因

微地形是指相對于大地形(平原、盆地、丘陵、高原、河谷等)而言, 在小尺度范圍內(nèi)地表起伏幅度不大的地形。微地形可簡化為3種類型: 平面、坡面和不均勻地形。根據(jù)我國地形起伏度等級劃分方案, 高差范圍在0~30 m的地形屬于微地形[23]。在我國黃土高原區(qū), 朱清科等[24]把丘陵溝壑區(qū)坡面微地形定義為黃土坡面內(nèi)由于土壤侵蝕作用形成的大小不等、形狀各異、使土壤水分和養(yǎng)分等生境條件在1 m2以上范圍內(nèi)產(chǎn)生變化的局部地形; 賈騰斌等[25]和張莉等[26]進(jìn)一步將微地形的概念定義為: 較小面積范圍內(nèi), 地表相對高程變化在0.05~0.25 m范圍內(nèi)的一種地形特征。表述微地形復(fù)雜度特征的因子主要有地表糙度、地形起伏度、地表切割度、洼地蓄積量和高程變異系數(shù), 其中地表糙度對徑流產(chǎn)生和水分入滲過程有重要影響[27-29]。

微地形的成因主要有兩類: 1)基于生態(tài)修復(fù)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的微地形改造。它是指人類根據(jù)科學(xué)研究或改造自然的實(shí)際需求, 有目的地對下墊面原有形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的二次改造和整理, 從而形成大小不等、形狀各異的微地形和集水單元[30], 如使用等高耕作、人工掏挖、人工鋤耕等耕作措施所形成的微地形; 2)在風(fēng)力、水力、凍融、收縮膨脹等外營力作用下形成的典型地形, 如澳大利亞的吉爾蓋地形[31], 我國黃土丘陵區(qū)的淺溝、塌陷、切溝、緩臺、陡坡等微地形, 日本丘陵地區(qū)的上邊坡、谷頭凹地、下邊坡、麓坡、泛濫性階地和谷底[32]。

2 微地形對地表水文過程的影響

2.1 微地形變化對區(qū)域地表徑流的影響

大量研究結(jié)果表明[33-36], 由于地形起伏狀況與攔截程度的差異, 不同微地形會(huì)形成不同的產(chǎn)匯流路徑, 從而形成不同的水流形態(tài), 直接影響流域徑流量。在地塊尺度上, 地表微地形對坡面流的時(shí)空分布有很大影響: 相對于平坦地面, 起伏地面由于地表凹陷和邊界效應(yīng)的存在, 地表徑流的產(chǎn)生時(shí)間明顯延遲[37]。Darboux等[38]通過在光滑和粗糙表面連續(xù)進(jìn)行3次模擬降雨試驗(yàn)顯示: 在第1次降雨事件中, 具有凹陷的微地形表面徑流開始時(shí)間晚10 min, 第2次降雨事件中晚1 min, 第3次降雨事件中則無明顯差異, 表明在土壤含水量到達(dá)飽和之前, 具有凹陷的微地形可以明顯延遲徑流開始時(shí)間; 此外, 對光滑表面來說, 表面凹陷的儲水量均值在第1次和第2次降雨徑流中分別占8%和2%, 而具有凹陷的微地形表面凹陷處雨水填充量分別占第1次和第2次降雨徑流量的50%和80%, 這表明凹陷增強(qiáng)了地表對降雨的攔蓄量。在云南紅壤丘陵坡面進(jìn)行微地形改造后, 產(chǎn)流時(shí)間最大可延長51.18%, 產(chǎn)流量最多可減少25.14%[39]。在膠東半島, 由于梯田復(fù)墾導(dǎo)致的果園和林地面積增加和下墊面微地貌的穩(wěn)定, 降低了降雨與流域徑流的相關(guān)性, 在年降雨量呈現(xiàn)出不明顯下降的趨勢下, 研究區(qū)內(nèi)黃水河與五龍河徑流量相較于預(yù)測值分別下降16.77%和25.05%[40]。Mohr等[35]在智利中南部變質(zhì)海岸山脈東坡不同年齡層的砍伐區(qū)進(jìn)行人工降水試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)微地形對地表徑流連通性和疏水特性的影響是影響表土水文過程的一級控制因素。在以色列南部半干旱地區(qū), 地表封閉層、微地形和植被在旱地徑流過程中起著重要作用, 封閉層控制徑流生成, 植被斑塊通過控制局部入滲率影響坡面流, 微地形對地表徑流總量影響較小, 但影響著地表徑流的時(shí)空格局, 植被斑塊擴(kuò)大了微地形的影響, 增加了入滲和徑流的時(shí)空變異性[33]。對于微地形影響徑流量的研究還有很多[27,29], 所得結(jié)論基本相似: 起伏的微地形增加了地表粗糙程度, 延長了徑流路徑, 減小地表徑流量, 增強(qiáng)了對地下水的補(bǔ)給效應(yīng), 對區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的提升具有積極作用。

2.2 微地形變化對降水入滲過程的影響

降雨是水資源轉(zhuǎn)化過程中積極而活躍的因素, 降雨入滲量是地下水資源補(bǔ)給的重要來源。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度時(shí), 過量蓄水流經(jīng)局部微地形會(huì)增加水文連通性。地表水文連通性受由小溪流或溝道中大面積的凹陷和微觀地形的空間組織所決定, 微地形凹陷的存在抑制了入滲特性空間變化[6]。Zhao等[27]通過人工模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在農(nóng)業(yè)用地上, 光滑表面洼地蓄水和入滲水量占降水量的30%, 粗糙表面洼地蓄水和入滲水占總降水量的56%。水分通量是反映降水轉(zhuǎn)化為土壤水?dāng)?shù)量的一個(gè)重要指標(biāo), 同時(shí)也是反映蓄積水分在土壤中數(shù)量分配的一個(gè)重要指標(biāo)[41]。Darboux等[38]的試驗(yàn)結(jié)果表明無論土壤的初始含水量為多少, 在徑流達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí), 具有凹陷的微地形表面比光滑表面多產(chǎn)生10%的水分通量。李艷梅等[41-42]通過改變立地條件發(fā)現(xiàn), 相比于自然坡面, 經(jīng)過微地形改造后, 水平溝整地和水平臺整地分別能將89%和83%的降雨轉(zhuǎn)化為土壤水分, 并在時(shí)間上進(jìn)行重新分配, 而自然坡面只有22%的天然降雨轉(zhuǎn)化為土壤水分。Thompson等[43]通過模擬降雨試驗(yàn)對光滑和具有凹陷的微地形表面進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 相比于缺乏微地形地區(qū), 微地形提高了降雨入滲量的20%~200%。起伏的微地形表面增加了地表粗糙程度, 凹陷的地表在降雨過程具有更強(qiáng)的“捕水”能力。在澳大利亞, 由于土壤強(qiáng)烈收縮膨脹所形成的吉爾蓋地形影響了徑流時(shí)空變異性[31]。起伏的微地形表面延長了徑流路徑, 使水分入滲效率得以提高。

2.3 微地形變化對土壤含水量及土壤水分運(yùn)移的影響

土壤水分的運(yùn)移直接關(guān)系到深層土壤水分能否得到補(bǔ)給,掌握土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對了解區(qū)域水分收支狀況, 實(shí)現(xiàn)流域水資源優(yōu)化配置, 提高降水利用效率具有重要意義[41-42]。李艷梅等[41-42]對云南干熱河谷的研究表明: 微地形改造可以明顯改善土壤水分狀況。在集中降雨條件下, 水平臺、水平溝整地后能攔截降雨, 使其在0~200 cm土層范圍進(jìn)行分配, 且緩坡上水平臺能使100 cm以下的土壤水分狀況明顯改善。進(jìn)行微地形改造后形成的水平溝、水平臺土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)較自然坡面高, 在相同高程上, 土壤各層的年平均含水率比自然坡度高, 變異系數(shù)比自然坡度小[42]。此外, 微地形改造后, 雨后土壤水分的消退過程變緩, 土壤水分在土壤中停留的時(shí)間增加[42]。在黃土丘陵區(qū)微地形土壤水分的研究中也有相同結(jié)論: 隨著土層厚度的增加, 微地形土壤水分的變異系數(shù)有減小的趨勢, 但是陡坡的土壤水分變異系數(shù)最大, 塌陷區(qū)變異系數(shù)最小, 不同類型微地形土壤水分含量順序?yàn)? 塌陷>緩臺>切溝底>淺溝底>原狀坡>陡坡[44]。黃土高原地區(qū)在多年降雨量維持正常范圍情況下, 0~40 cm土壤含水量由于微地形的存在呈現(xiàn)出高度的不穩(wěn)定性[45]。Frei等[4,34]利用模型對濕地表面微地形(凹陷或者駝峰)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn), 微地形改變了地表徑流與地下徑流的優(yōu)先度, 一年內(nèi)降雨的大部分都轉(zhuǎn)化為地下徑流, 僅在暴雨期間表現(xiàn)為地表徑流優(yōu)勢。

2.4 微地形變化對土壤溶質(zhì)運(yùn)移的影響

植被生長分布狀況與土壤溶質(zhì)運(yùn)移路徑和富集程度關(guān)系密切, 了解微地形變化下土壤溶質(zhì)運(yùn)移路徑與積累狀況, 對改善土壤質(zhì)地及合理配置植被分布格局具有一定指導(dǎo)意義。Christensen等[46]對科羅拉多州的河流進(jìn)行同位素標(biāo)記研究發(fā)現(xiàn), 受微地形控制的水分滲透空間差異性直接導(dǎo)致溶質(zhì)從滲透帶到蓄水層的轉(zhuǎn)移是不均勻的。Chu等[47]對光滑和粗糙兩種土地表面進(jìn)行地表徑流和示蹤劑遷移的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn), 微地形表面的凹陷加強(qiáng)了水流入滲和示蹤劑的淋溶, 因此更深的土層中具有更高的Br濃度, 而在光滑表面, 示蹤劑主要隨著水流在水平方向上運(yùn)移, 使得淺層土壤中具有較高的Br濃度[47]。Yang等[48]、楊帆等[49-50]和張華艷等[51]通過咸水灌溉和野外觀測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 微地形的高低起伏會(huì)導(dǎo)致水文過程發(fā)生變化, 受地表與地下徑流的影響, 土壤中的水分和鹽分也隨之發(fā)生分異和積累。在干旱條件下, 蒸散發(fā)作用會(huì)使帶有可溶性鹽分的積水沿著濃度梯度從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)轉(zhuǎn)移, 因此, 鹽分留在土層的中上部, 這是形成土壤鹽漬化的原因[48-51]。Pal等[36]在恒河流域埃塔地區(qū)半干旱氣候下研究發(fā)現(xiàn), 低堿度微高地區(qū)和高堿度微低地區(qū)土壤堿度的分布表明堿土的形成受到微地形的控制。

2.5 微地形變化對蒸散發(fā)量的影響

蒸散發(fā)是地表水熱平衡的重要參量。它既是連接全球水循環(huán)(包含大氣水、地表水和地下水)過程的重要紐帶, 也是水陸表面熱量平衡的關(guān)鍵, 對流域水資源的配置具有參考價(jià)值[52-53]。微地形變化導(dǎo)致了地表匯水面積、土壤水分分布以及植被生長狀況不同, 而這些因素對蒸散發(fā)過程具有重要影響。通過對科爾沁沙地生長季沙丘間景觀水分平衡的定量研究發(fā)現(xiàn), 位于低洼地區(qū)的蒸散量大于其他微地形地區(qū)。微地形導(dǎo)致了沙丘之間不同坡位水分的收支差異, 在濕潤年份, 沙丘頂部、上部、下部與坡底蒸散發(fā)量與降雨量之間的比值分別是96%、97%、86%和96%, 而在干旱年份比值分別是103%、103%、88%和104%[54]。在北極凍原地區(qū), 每個(gè)微地形位置與特定的植被類型有關(guān), 地貌單元和植物類型的結(jié)合是蒸散發(fā)產(chǎn)生重大變異性的原因, 植物分布和微地形對北極蒸散發(fā)量的估計(jì)和預(yù)測都是十分重要的[55]。Hirose等[56]和Le等[57]通過模型模擬發(fā)現(xiàn), 由于降雨和地表徑流在地表凹陷處積累引發(fā)更高的入滲率, 無論在植被覆蓋區(qū)還是非植被覆蓋區(qū), 洼地都會(huì)呈現(xiàn)更高的土壤含水率; 通常蒸發(fā)量隨著土壤含水量的增加會(huì)形成S型上升曲線, 在研究區(qū)內(nèi)假設(shè)面積相同的A、B兩點(diǎn)土壤含水量呈現(xiàn)梯度上升趨勢, 在干旱條件下, 由A、B兩點(diǎn)土壤含水量計(jì)算出平均蒸散發(fā)量(AB)則大于由區(qū)域平均土壤含水量C計(jì)算出的平均蒸散量C, 在濕潤條件下, 計(jì)算結(jié)果則相反, 這表明需充分考慮由微地形差異所導(dǎo)致土壤水分空間異質(zhì)性才能更加準(zhǔn)確地計(jì)算出區(qū)域蒸散發(fā)量; 此外, 對美國5種不同景觀地形凹陷的研究表明, 景觀中的小規(guī)模地形凹陷在物質(zhì)通量、蒸發(fā)和水文連通性的再分配過程中發(fā)揮著重要作用[58]。

2.6 微地形變化對SPAC系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔?/h3>

土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)土壤-大氣界面、土壤根系界面和冠層-大氣界面實(shí)現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)中水分的高效利用[59]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和耕作活動(dòng)中, 連續(xù)降雨過程中的雨滴濺蝕和徑流搬運(yùn)會(huì)改變地表糙度, 但影響效果受降雨強(qiáng)度影響[60-61]。由地表糙度的變化所引起的微地形異質(zhì)性反過來也會(huì)影響地表填洼量、降雨入滲量及地表徑流的產(chǎn)生、流向、徑流量和侵蝕量[25]。微地形起伏變化間接導(dǎo)致內(nèi)部熱量、水分、養(yǎng)分等資源在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生微小變化, 從而導(dǎo)致地上植被類型、特征和生產(chǎn)力不同。袁振等[62]對太行山片麻巖地區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查發(fā)現(xiàn): 微地形的存在使土壤厚度分布不均, 導(dǎo)致植被生長分布的差異; Dunne等[16]在肯尼亞南部地區(qū)研究發(fā)現(xiàn), 較長山坡上微地形洼地的下坡徑流深度逐漸增大, 滲透性較強(qiáng)、植被覆蓋較高[26]。由此可知, 微地形與植被存在著互利共贏的協(xié)同進(jìn)化優(yōu)勢。江聰?shù)萚63]在若爾蓋地區(qū)進(jìn)行采樣調(diào)查研究發(fā)現(xiàn), 微地形生境下植物通過生理生態(tài)過程影響土壤環(huán)境, 不同的土壤環(huán)境為土壤微生物群落提供了不同的理化環(huán)境和營養(yǎng)物質(zhì), 土壤微生物群落活性和多樣性會(huì)迅速響應(yīng)土壤環(huán)境改變, 并通過有機(jī)質(zhì)和土壤元素遷移和富集反饋調(diào)節(jié)植被的生長狀況。由此可見微地形-土壤-微生物-植物之間存在著相互作用(圖1)。但是他們之間相互作用的量化關(guān)系還需要一步研究。

圖1 微地形與土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)間的反饋關(guān)系

3 尚存在的不足

3.1 對微地形的尺度及種類的劃分不夠系統(tǒng)化

綜上可知, 國內(nèi)外學(xué)者對微地形變化的水文效應(yīng)進(jìn)行了探討。但由于研究區(qū)地理特征、氣候條件不同以及研究對象差異, 對微地形種類及尺度的劃分標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。我國對微地形的地表水文效應(yīng)研究主要集中于黃土高原區(qū)。張宏芝等[11]根據(jù)黃土丘陵區(qū)的實(shí)際情況, 將黃土區(qū)自然恢復(fù)狀態(tài)下的微地形劃分為淺溝、切溝、塌陷、緩臺和陡坎5種[21]。國外相關(guān)學(xué)者則將丘陵區(qū)微地形劃分為頂破、上邊坡、谷頭洼地、下邊坡、麓坡、泛濫性階地和谷底7類[32]。在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)區(qū), 微地形主要分為魚鱗坑、反坡臺、水平階、水平溝、水平槽和各類梯田[42,64]。在其他生態(tài)系統(tǒng)中僅對地表的起伏程度進(jìn)行了粗略描述[65], 未見對微地形詳細(xì)劃分的研究。這些粗略的劃分標(biāo)準(zhǔn)和模糊的尺度范圍容易導(dǎo)致對微地形認(rèn)識的誤區(qū), 不僅會(huì)導(dǎo)致相似研究方法得出差別性結(jié)論, 也不利于后續(xù)研究的開展。因此, 未來的研究中應(yīng)對不同研究區(qū)微地形尺度進(jìn)行統(tǒng)一界定, 制定出適宜不同地區(qū)的微地形研究策略, 使研究成果具有更廣泛的適用性, 為后續(xù)研究提供參考。

3.2 對微地形變化與地表水文過程間耦合作用的研究尚顯不足

微地形廣泛存在于不同生態(tài)類型區(qū)中, 不同生態(tài)類型區(qū)的劃分方法也有所差別。通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn), 在探究微地形變化對地表水文過程影響的研究中, 除了定量分析了地表糙度與徑流量、入滲量之間的關(guān)系外, 對其他水文效應(yīng)的研究大多處于定性分析階段[27-29,51,66]。這一方面歸咎于微地形種類的多樣性, 另一方面地表水文過程對微地形的反饋調(diào)節(jié)作用也使得這一問題趨于復(fù)雜化。微地形通過影響徑流匯聚、分散路徑改變徑流量, 改變土壤特征(如溶質(zhì)富集程度、微生物量)進(jìn)而改變?nèi)霛B量, 通過改變植被生長分布狀態(tài)影響區(qū)域蒸散發(fā)量。但是不同微地形特征因子(地表起伏度、地表切割度、洼地蓄積量)對地表徑流、降雨入滲、植被蒸散所起作用有何異同？貢獻(xiàn)率有幾何？這些問題仍懸而未決。此外, 微地形與土壤、植被之間存在著協(xié)同進(jìn)化關(guān)系, 但是植被的配置格局、根系的分布狀況以及土壤鹽漬化程度、微生物數(shù)量等因素如何影響微地形演變進(jìn)程？如何建立三者間的參數(shù)化關(guān)系？這都需要進(jìn)一步的強(qiáng)化研究。

4 結(jié)語

本文概括總結(jié)了微地形變化對地表水文過程的影響作用, 并指出了當(dāng)前研究中存在的一些問題。從現(xiàn)有研究來看, 微地形變化對地表水文過程的影響主要集中在3個(gè)方面: 降雨-徑流、土壤入滲以及蒸散發(fā)過程。對徑流的影響主要是通過增加地表糙度, 提高地表儲水量, 減少地表徑流量; 對入滲過程的影響主要是延長和改變徑流路徑、增加徑流時(shí)間, 增強(qiáng)降水入滲能力; 對蒸散發(fā)過程的影響主要集中于不同微地形條件下, 改變匯水面積和植被生長狀況引發(fā)蒸散發(fā)量的差異。雖然微地形變化對地表水文的影響效應(yīng)已進(jìn)行了很多探討, 但由于氣候條件與研究方法的差異, 也會(huì)出現(xiàn)與結(jié)果相矛盾的情況[60]。鑒于此, 在后續(xù)研究中, 應(yīng)圍繞以下方面進(jìn)行詳細(xì)探討:

4.1 加強(qiáng)對微地形種類和不同區(qū)域研究尺度的界定

由于不同生態(tài)類型區(qū)微地形特征具有一定的差異性, 因此對微地形進(jìn)行劃分時(shí)要依托于不同的生態(tài)類型區(qū), 例如在農(nóng)耕區(qū)地形具有更強(qiáng)的均質(zhì)性, 相比于具有較強(qiáng)地形變異性的丘陵溝壑區(qū), 研究尺度可適當(dāng)減小。另外, 還需要考慮微地形的形成方式是基于人為改造還是自然營力, 因?yàn)檫@兩種方式除了改變地表形態(tài)外, 也會(huì)影響土壤粒徑、土壤孔隙度等土壤物理性質(zhì)。地表高程起伏是影響地表水文過程的重要因素, 因此對微地形進(jìn)行劃分時(shí), 地表高程起伏程度應(yīng)作為重要的指標(biāo), 例如, 平坦耕地區(qū)微地形高程的變化范圍為0~5 cm, 而坡耕區(qū)高程變化范圍可能達(dá)到10~20 cm, 對于不同高程變化范圍的微地形, 需要給出不同的定義與研究方式。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和測量設(shè)備的不斷改進(jìn), 將微地形的測量設(shè)備與遙感技術(shù)相結(jié)合是定量描繪微地形特征以及揭示微地形與地表水文過程之間定量關(guān)系的關(guān)鍵。

4.2 加強(qiáng)微地形變化與地表水文過程之間耦合機(jī)制的研究

大量的研究已經(jīng)證明微地形對地表水文過程的影響效應(yīng)。但對水文過程中侵蝕搬運(yùn)作用對微地形演化過程的影響知之甚少。因此, 在以后的研究中, 需要考慮不同侵蝕動(dòng)力學(xué)條件下形成的微地形特征。對不同侵蝕區(qū)建立長期定位觀測點(diǎn), 同時(shí)與短期室內(nèi)模擬試驗(yàn)相結(jié)合, 揭示雨滴濺蝕、水流搬運(yùn)侵蝕和凍融侵蝕等過程對微地形特征的影響, 這是準(zhǔn)確建立微地形特征變量與地表水文過程模型的基礎(chǔ)。

4.3 加強(qiáng)全球氣候變化條件下微地形與水文動(dòng)態(tài)之間相互作用研究

受氣候變化的影響, 全球極端降雨事件不斷增加, 降水范圍也逐漸呈現(xiàn)出由內(nèi)陸地區(qū)向沿海地區(qū)遷移的趨勢, 中國北方土石山區(qū)受地理位置與氣候條件影響, 洪澇災(zāi)害愈發(fā)頻繁。基于微地形在降雨再分配過程中的重要作用, 深入探討微地形與水文動(dòng)態(tài)之間的相互作用, 通過微地形改良加強(qiáng)區(qū)域?qū)λY源的調(diào)蓄作用是實(shí)現(xiàn)氣候變化條件下對水資源進(jìn)行合理配置的前提。此外, 探究不同尺度微地形變化下區(qū)域水資源的演變規(guī)律, 揭示地表水文效應(yīng)對不同尺度微地形變化的敏感程度, 對地區(qū)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)配置和加強(qiáng)水資源調(diào)控能力具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 徐靖. 聯(lián)合國公布《2018年世界水資源開發(fā)報(bào)告》[J]. 水處理技術(shù), 2018, 44(4): 35 XU J. The United Nations promulgated “The United Nations World Water Development Report 2018”[J]. Technology of Water Treatment, 2018, 44(4): 35

[2] 劉中培, 王富強(qiáng), 于福榮. 石家莊平原區(qū)淺層地下水位變化研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2012, 10(5): 124–127 LIU Z P, WANG F Q, YU F R. Variation of shallow groundwater level in Shijiazhuang Plain[J]. South-to-North Water Diversion and Water Science & Technology, 2012, 10(5): 124–127

[3] 賓予蓮, 齊登紅. 降雨入滲補(bǔ)給淺層地下水過程探討[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2010, (6): 40–42 BIN Y L, QI D H. Discussion about shallow groundwater recharge from rainfall infiltration[J]. Henan Water Resources & South-to-North Water Diversion, 2010, (6): 40–42

[4] FREI S, FLECKENSTEIN J H. Representing effects of micro-topography on runoff generation and sub-surface flow patterns by using superficial rill/depression storage height variations[J]. Environmental Modelling & Software, 2014, 52: 5–18

[5] ANTOINE M, JAVAUX M, BIELDERS C. What indicators can capture runoff-relevant connectivity properties of the micro-topography at the plot scale?[J]. Advances in Water Resources, 2009, 32(8): 1297–1310

[6] APPELS W M, BOGAART P W, VAN DER ZEE S E A T M. Influence of spatial variations of microtopography and infiltration on surface runoff and field scale hydrological connectivity[J]. Advances in Water Resources, 2011, 34(2): 303–313

[7] APPELS W M, BOGAART P W, VAN DER ZEE S E A T M. Surface runoff in flat terrain: How field topography and runoff generating processes control hydrological connectivity[J]. Journal of Hydrology, 2016, 534: 493–504

[8] MARTIN Y, VALEO C, TAIT M. Centimetre-scale digital representations of terrain and impacts on depression storage and runoff[J]. CATENA, 2008, 75(2): 223–233

[9] YANG J, CHU X F. Quantification of the spatio-temporal variations in hydrologic connectivity of small-scale topographic surfaces under various rainfall conditions[J]. Journal of Hydrology, 2013, 505: 65–77

[10] 陳敏建, 王浩. 中國分區(qū)域生態(tài)需水研究[J]. 中國水利, 2007, (9): 31–37 CHEN M J, WANG H. The divisional standard of ecological water use in China[J]. China Water Resources, 2007, (9): 31–37

[11] 張宏芝, 朱清科, 趙磊磊, 等. 陜北黃土坡面微地形土壤化學(xué)性質(zhì)[J]. 中國水土保持科學(xué), 2011, 9(5): 20–25 ZHANG H Z, ZHU Q K, ZHAO L L, et al. Soil chemical properties of micro-topography on loess slope in northern Shaanxi Province[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2011, 9(5): 20–25

[12] 汝海麗, 張海東, 焦峰, 等. 黃土丘陵區(qū)微地形對草地植物群落結(jié)構(gòu)組成和功能特征的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 27(1): 25–32 RU H L, ZHANG H D, JIAO F, et al. Impact of micro-landform on grassland plant community structure and function in the hilly Loess Plateau region, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(1): 25–32

[13] 李增堯, 趙興凱, 朱清科. 陜北黃土區(qū)微地形土壤有效水飽和度[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2017, 35(4): 88–94 LI Z Y, ZHAO X K, ZHU Q K. Saturation of available soil water for micro-topography in loess area of North Shaanxi[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2017, 35(4): 88–94

[14] 趙薈, 朱清科, 秦偉, 等. 黃土高原干旱陽坡微地形土壤水分特征研究[J]. 水土保持通報(bào), 2010, 30(3): 64–68 ZHAO H, ZHU Q K, QIN W, et al. Soil moisture characteristics on microrelief of dry south-slope on the Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2010, 30(3): 64–68

[15] 趙龍山, 梁心藍(lán), 張青峰, 等. 微地形尺度對地表水文特征的影響研究[J]. 人民長江, 2010, 41(14): 32–36 ZHAO L S, LIANG X L, ZHANG Q F, et al. Influence of microtopography scale on surface hydrological characteristics[J]. Yangtze River, 2010, 41(14): 32–36

[16] DUNNE T, ZHANG W H, AUBRY B F. Effects of rainfall, vegetation, and microtopography on infiltration and runoff[J]. Water Resources Research, 1991, 27(9): 2271–2285

[17] ESTEVES M, FAUCHER X, GALLE S, et al. Overland flow and infiltration modelling for small plots during unsteady rain: Numerical results versus observed values[J]. Journal of Hydrology, 2000, 228(3/4): 265–282

[18] TAYFUR G, KAVV4AS M L, GOVINDARAJU R S, et al. Applicability of St. Venant equations for two-dimensional overland flows over rough infiltrating surfaces[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1993, 119(1): 51–63

[19] YANG J, CHU X F. A new modeling approach for simulating microtopography-dominated, discontinuous overland flow on infiltrating surfaces[J]. Advances in Water Resources, 2015, 78: 80–93

[20] GRANT R F, MEKONNEN Z A, RILEY W J, et al. Mathematical modelling of arctic polygonal tundra with: 2. Microtopography determines how CO2and CH4exchange responds to changes in temperature and precipitation[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2017, 122(12): 3174–3187

[21] HIGGINS K L, GARON-LABRECQUE M è. Fine-scale influences on thaw depth in a forested peat plateau landscape in the Northwest Territories, Canada: Vegetation trumps microtopography[J]. Permafrost and Periglacial Processes, 2018, 29(1): 60–70

[22] RODRíGUEZ-CABALLERO E, CANTóN Y, CHAMIZO S, et al. Soil loss and runoff in semiarid ecosystems: A complex interaction between biological soil crusts, micro-topography, and hydrological drivers[J]. Ecosystems, 2013, 16(4): 529–546

[23] 涂漢明, 劉振東. 中國地勢起伏度研究[J]. 測繪學(xué)報(bào), 1991, 20(4): 311–319 TU H M, LIU Z D. Study on relief amplitude in China[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 1991, 20(4): 311–319

[24] 朱清科, 張巖, 趙磊磊, 等. 陜北黃土高原植被恢復(fù)及近自然造林[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012 ZHU Q K, ZHANG Y, ZHAO L L, et al. Vegetation Restoration and Near-Natural Afforestation in the Loess Plateau of Northern Shaanxi[M]. Beijing: Science Press, 2012

[25] 賈騰斌, 吳發(fā)啟, 趙龍山, 等. 坡耕地上耕作形成的微地形復(fù)雜度特征與分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(4): 152–156 JIA T B, WU F Q, ZHAO L S, et al. Micro-relief slope surface complexity characteristics of sloping farm land under different tillage practices[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(4): 152–156

[26] 張莉, 張青峰, 趙龍山, 等. 黃土坡耕地地表糙度的空間異質(zhì)性研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(12): 2365–2373 ZHANG L, ZHANG Q F, ZHAO L S, et al. Spatial heterogeneity of loess tilled slope surface roughness[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(12): 2365–2373

[27] ZHAO L S, HOU R, WU F Q, et al. Effect of soil surface roughness on infiltration water, ponding and runoff on tilled soils under rainfall simulation experiments[J]. Soil and Tillage Research, 2018, 179: 47–53

[28] ZHENG Z C, HE S Q, WU F Q. Relationship between soil surface roughness and hydraulic roughness coefficient on sloping farmland[J]. Water Science and Engineering, 2012, 5(2): 191–201

[29] 李清溪, 丁文峰, 朱秀迪, 等. 雨強(qiáng)和地表糙度對坡面微地形及侵蝕的影響[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2019, 36(1): 41–47 LI Q X, DING W F, ZHU X D, et al. Effects of rainfall intensity and land surface roughness on microtopography and runoff and sediment yield of slope[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2019, 36(1): 41–47

[30] 衛(wèi)偉, 余韻, 賈福巖, 等. 微地形改造的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(20): 6462–6469 WEI W, YU Y, JIA F Y, et al. Research progress in the ecological effects of micro-landform modification[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(20): 6462–6469

[31] KISHNé A S, MORGAN C L S, NEELY H L. How much surface water can gilgai microtopography capture?[J]. Journal of Hydrology, 2014, 513: 256–261

[32] 趙維軍, 馬歡, 朱清科, 等. 陜北黃土區(qū)微地形土壤水分對降水特征的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(5): 118–124 ZHAO W J, MA H, ZHU Q K, et al. Response of soil moisture of microtopography on precipitation characteristics in the loess region of northern Shaanxi[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 45(5): 118–124

[33] CHEN L, SELA S, SVORAY T, et al. The role of soil-surface sealing, microtopography, and vegetation patches in rainfall-runoff processes in semiarid areas[J]. Water Resources Research, 2013, 49(9): 5585–5599

[34] FREI S, LISCHEID G, FLECKENSTEIN J H. Effects of micro-topography on surface-subsurface exchange and runoff generation in a virtual riparian wetland — A modeling study[J]. Advances in Water Resources, 2010, 33(11): 1388–1401

[35] MOHR C H, COPPUS R, IROUMé A, et al. Runoff generation and soil erosion processes after clear cutting[J]. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2013, 118(2): 814–831

[36] PAL D K, SRIVASTAVA P, DURGE S L, et al. Role of microtopography in the formation of sodic soils in the semi-arid part of the Indo-Gangetic Plains, India[J]. CATENA, 2003, 51(1): 3–31

[37] PE?UELA A, JAVAUX M, BIELDERS C L. How do slope and surface roughness affect plot-scale overland flow connectivity?[J]. Journal of Hydrology, 2015, 528: 192–205

[38] DARBOUX F, HUANG C H. Does soil surface roughness increase or decrease water and particle transfers?[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(3): 748–756

[39] 張智泓, 王曉陽, 佟金, 等. 土壤表面微形貌加工對紅壤坡面侵蝕定量調(diào)控[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2017, 35(8): 700–708 ZHANG Z H, WANG X Y, TONG J, et al. Quantification of micro-topographical preparation on soil erosion control on red soil slope surfaces[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2017, 35(8): 700–708

[40] ZHAN C, WANG Q, TIAN Q, et al. The impact of terraced field reclamation together with apple plantation on river discharges into the coastal zone in the last 50 years in Qixa City, Jiaodong Peninsula, China[J]. Journal of Coastal Research, 2011, 64: 1825–1829

[41] 李艷梅, 王克勤, 陳奇伯, 等. 金沙江干熱河谷微地形改造對土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響研究[J]. 水土保持研究, 2008, 15(4): 19–23 LI Y M, WANG K Q, CHEN Q B, et al. Effect of reconstructed micro-slope on soil moisture dynamics parameter in Jinshajiang dry-hot river valley[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2008, 15(4): 19–23

[42] 李艷梅, 王克勤, 劉芝芹, 等. 云南干熱河谷微地形改造對土壤水分動(dòng)態(tài)的影響[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 22(3): 259–265 LI Y M, WANG K Q, LIU Z Q, et al. Effect of reconstructed micro-slope on soil moisture dynamics in Yunnan dry-hot river valley[J]. Journal of Zhejiang Forestry College, 2005, 22(3): 259–265

[43] THOMPSON S E, KATUL G G, PORPORATO A. Role of microtopography in rainfall-runoff partitioning: An analysis using idealized geometry[J]. Water Resources Research, 2010, 46(7): W07520

[44] 鄺高明, 朱清科, 劉中奇, 等. 黃土丘陵溝壑區(qū)微地形對土壤水分及生物量的影響[J]. 水土保持研究, 2012, 19(3): 74–77 KUANG G M, ZHU Q K, LIU Z Q, et al. Effect of microrelief on the soil water and vegetation arrangement in loess hilly and gully region[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2012, 19(3): 74–77

[45] BO Y, ZHU Q, ZHAO W. Characteristics of soil moisture in relation to microtopography in the loess region of northern Shaanxi, China[J]. Journal of Environmental Biology, 2014, 35(4): 741–749

[46] CHRISTENSEN J N, DAFFLON B, SHIEL A E, et al. Using strontium isotopes to evaluate the spatial variation of groundwater recharge[J]. Science of the Total Environment, 2018, 637/638: 672–685

[47] CHU X F, NELIS J, REDISKE R. Preliminary study on the effects of surface microtopography on tracer transport in a coupled overland and unsaturated flow system[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2013, 18(10): 1241–1249

[48] YANG F, AN F H, MA H Y, et al. Variations on soil salinity and sodicity and its driving factors analysis under microtopography in different hydrological conditions[J]. Water, 2016, 8(6): 227

[49] 楊帆, 王志春, 王云賀, 等. 松嫩平原微地形下土壤水鹽與植物群落分布的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(19): 6202–6208 YANG F, WANG Z C, WANG Y H, et al. The correlation between soil water salinity and plant community distribution under micro-topography in Songnen Plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(19): 6202–6208

[50] 楊帆, 章光新, 尹雄銳, 等. 松嫩平原西部土壤鹽堿化空間變異與微地形關(guān)系研究[J]. 地理科學(xué), 2009, 29(6): 869–873 YANG F, ZHANG G X, YIN X R, et al. Spatial variability of soil salinity and alkalization and its correlation with micro-topography in the West of Songnen Plain[J]. Scientia Geographica Sinica, 2009, 29(6): 869–873

[51] 張華艷, 牛靈安, 郝晉珉, 等. 黑龍港流域微地貌與地下水埋深對土壤潛在鹽漬化的影響[J]. 水土保持通報(bào), 2018, 38(5): 83–90 ZHANG H Y, NIU L A, HAO J M, et al. Effect of micro-topography and groundwater depth on soil potential salinization in Heilonggang Basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2018, 38(5): 83–90

[52] 宋曉猛, 張建云, 占車生, 等. 氣候變化和人類活動(dòng)對水文循環(huán)影響研究進(jìn)展[J]. 水利學(xué)報(bào), 2013, 44(7): 779–790 SONG X M, ZHANG J Y, ZHAN C S, et al. Review for impacts of climate change and human activities on water cycle[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 44(7): 779–790

[53] 張戈, 夏建新, 王樹東. 基于多源數(shù)據(jù)的黑河流域日尺度蒸散發(fā)量模擬[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2018, 16(6): 33–38 ZHANG G, XIA J X, WANG S D. Simulating the daily evapotranspiration in Heihe River basin with multi-sensor remote sensing data[J]. South-to-North Water Diversion and Water Science & Technology, 2018, 16(6): 33–38

[54] ZHOU X Y, GUAN D X, WU J B, et al. Quantitative investigations of water balances of a dune-interdune landscape during the growing season in the Horqin Sandy Land, northeastern China[J]. Sustainability, 2017, 9(6): 1058

[55] RAZ-YASEEF N, YOUNG-ROBERTSON J, RAHN T, et al. Evapotranspiration across plant types and geomorphological units in polygonal Arctic tundra[J]. Journal of Hydrology, 2017, 553: 816–825

[56] HIROSE N, KOIKE T, ISHIDAIRA H. Study on spatially averaged evaporation under soil moisture heterogeneity affected by permafrost micro-topography[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan, 2002, 80(2): 191–203

[57] LE P V V, KUMAR P. Interaction between ecohydrologic dynamics and microtopographic variability under climate change[J]. Water Resources Research, 2017, 53(10): 8383–8403

[58] LE P V V, KUMAR P. Power law scaling of topographic depressions and their hydrologic connectivity[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(5): 1553–1559

[59] 劉昌明, 張喜英, 胡春勝. SPAC界面水分通量調(diào)控理論及其在農(nóng)業(yè)節(jié)水中的應(yīng)用[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 45(5/6): 446–451 LIU C M, ZHANG X Y, HU C S. SPAC interface water flux control and its application to water-saving in agriculture[J]. Journal of Beijing Normal University: Natural Science, 2009, 45(5/6): 446–451

[60] 林藝, 秦鳳, 鄭子成, 等. 不同降雨條件下壟作坡面地表微地形及土壤侵蝕變化特征[J]. 中國水土保持科學(xué), 2015, 13(3): 32–38 LIN Y, QIN F, ZHENG Z C, et al. Characteristics of variations in soil surface micro-topography and soil erosion on the cross ridge slope under different rainfall conditions[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2015, 13(3): 32–38

[61] 張利超, 葛佩琳, 李朝霞, 等. 降雨侵蝕過程中紅壤坡耕地地表微地貌演變特征[J]. 水土保持研究, 2018, 25(6): 15–21 ZHANG L C, GE P L, LI Z X, et al. Characteristics of soil micro-relief of the red soil sloping farmland under rainfall erosion[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2018, 25(6): 15–21

[62] 袁振, 陳美諭, 賈黎明, 等. 太行山片麻巖地區(qū)微地形土層厚度特征及其植被生長閾值[J]. 林業(yè)科學(xué), 2018, 54(10): 156–163 YUAN Z, CHEN M Y, JIA L M, et al. Difference of soil thickness among micro-topographies and their thresholds for vegetation growth in Gneiss area of Taihang Mountains[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(10): 156–163

[63] 江聰, 簡小枚, 杜勇, 等. 若爾蓋高寒草地微地形的土壤微生物群落多樣性特征[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2018, 46(6): 831–838 JIANG C, JIAN X M, DU Y, et al. Characteristics of soil microbial community diversity in Zoige alpine grassland microtopography[J]. Journal of Fuzhou University: Natural Science Edition, 2018, 46(6): 831–838

[64] 曹兵, 景清華, 李真樸, 等. 寧夏南部水土流失區(qū)坡面造林整地工程設(shè)計(jì)[J]. 水土保持通報(bào), 2005, 25(1): 54–59 CAO B, JIANG Q H, LI Z P, et al. Designing of site preparation of slope areas in soil and water loss region in North Ningxia Hui Autonomous Region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2005, 25(1): 54–59

[65] MOSER K, AHN C, NOE G. Characterization of microtopography and its influence on vegetation patterns in created wetlands[J]. Wetlands, 2007, 27(4): 1081–1097

[66] DARBOUX F, GASCUEL-ODOUX C, DAVY P. Effects of surface water storage by soil roughness on overland-flow generation[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2002, 27(3): 223–233

Advances in research on the effects of micro-topography changes on surface hydrological processes*

SI Mengke1,2, CAO Jiansheng1**, YANG Hui1

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The surface water cycle is a key link in the soil-plant-atmosphere continuum (SPAC) system, and micro-topography plays an important role in the process of rainfall redistribution. Here, we summarized the influence of micro-topography changes on surface hydrological processes and discuss the effects of micro-topography on overland flow, rainfall-infiltration, evapotranspiration, soil water transport, and feedback in SPAC systems. Previous studies regarding the effect of micro-topographic changes on surface hydrological processes were summarized and our understanding of the influential effect of micro-topography changes on runoff, infiltration, and evapotranspiration was advanced in this paper. We aimed at addressing the problems that the classification of micro-topography was unsystematic and that recent studies lacked thorough research into the coupling between micro-topography changes and surface hydrological processes. We proposed that micro-topography types should be divided according to different ecological types and micro-topography construction methods, and at the same time, combined with data from micro-topographic surveying tools and remote sensing technology, to define the micro-topographic scale more accurately. On this basis, long-term field observations should be combined with short-term lab simulations to reveal the coupling mechanism between micro-topography changes and surface hydrological processes and to establish the quantitative relationship between them by creating model, and quantifying micro-topographic improvement measures to efficiently regulate the regional precipitation redistribution process. Ultimately, this paper may provide a theoretical basis for regional water resource regulation.

Micro-topography; Runoff; Infiltration; Evapotranspiration; Water transport; Surface hydrological process

, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

Jun. 20, 2019;

Jul. 23, 2019

P339; F205

2096-6237(2019)10-1587-09

10.13930/j.cnki.cjea.190505

司夢可, 曹建生, 陽輝. 微地形變化對地表水文過程影響的研究進(jìn)展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(10): 1587-1595

SI M K, CAO J S, YANG H.Advances in research on the effects of micro-topography changes on surface hydrological processes[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(10): 1587-1595

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0406501-02)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41877170)資助

曹建生, 主要從事山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控機(jī)制研究。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

2019-06-20

2019-07-23

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFC0406501-02) and the National Natural Science Foundation of China (41877170).