紅壤坡面細溝侵蝕參數(shù)提取研究

廖凱濤，宋月君，楊 潔，左繼超

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029；2.江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330029)

細溝侵蝕是坡耕地上常發(fā)生的一種侵蝕形式，對坡面產(chǎn)沙有著非常重要的貢獻[1]。細溝侵蝕不僅是坡面泥沙的重要來源，而且對坡面地形地貌的發(fā)育、演變存在重要的潛在影響[2]。受降雨、坡度、土壤質(zhì)地等因素影響，細溝在坡面上發(fā)展成復(fù)雜的侵蝕形態(tài)，具有顯著的時空變異特征[3]，影響坡面產(chǎn)沙產(chǎn)流，因此對細溝侵蝕的試驗研究對于坡面土壤侵蝕預(yù)報模型的建立和預(yù)防治理等都有著重要的作用。

科研人員對坡面細溝形態(tài)進行了研究，并取得了大量結(jié)果，目前采用較多的測量方法有測尺法、測針板法、三維激光掃描法及立體相對法[4-7]，研究區(qū)域主要集中在黃土高原的黃土區(qū)[8]、東北黑土區(qū)[9]、褐土區(qū)[10]，以及西南紫色土區(qū)[11]?？偨Y(jié)已有的研究成果，大多是依靠人工模擬降雨試驗或者開展水沖試驗，針對天然降雨條件下南方紅壤坡面細溝侵蝕的研究較少。近年來，無人機技術(shù)發(fā)展較快，該技術(shù)具有便攜、高效、高精度等優(yōu)勢，為在野外開展坡面細溝侵蝕研究提供了條件[12]。本研究以南方丘陵區(qū)典型侵蝕性土壤——紅壤為研究對象，在野外坡面布設(shè)徑流小區(qū)，利用無人機攝影測量技術(shù)與計算機數(shù)字圖像處理相結(jié)合的方法，開展細溝侵蝕參數(shù)研究，以期完善紅壤細溝侵蝕參數(shù)，為土壤侵蝕物理模型的建立提供參數(shù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗小區(qū)

本次試驗于2017年在江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)進行。園區(qū)創(chuàng)建于2000年，位于江西省九江市德安縣城郊燕溝小流域(東經(jīng)115°42′～115°43′、北緯29°16′～29°17′)，總面積80 hm2，按功能分為科研實驗區(qū)、生態(tài)建設(shè)區(qū)、科普推廣區(qū)、推廣示范區(qū)，是全國首批水土保持生態(tài)科技示范園[13]。園區(qū)地處我國紅壤分布的中心區(qū)域，土壤性質(zhì)在南方紅壤丘陵區(qū)具有典型代表性。本研究選取園區(qū)內(nèi)科研實驗區(qū)3個裸露的試驗小區(qū)作為研究對象。3個小區(qū)均修建于2012年，各小區(qū)之間用水泥擋墻隔開，填充土壤均為第四紀紅土，土壤容重1.40±0.24 g/cm3，有機質(zhì)含量3.5 g/kg，黏粒、粉粒與砂粒質(zhì)量分數(shù)分別為19.76%、49.89%、30.35%。試驗小區(qū)基本情況見表1。

表1 試驗小區(qū)基本情況

1.2 試驗設(shè)計

試驗航拍使用的是大疆精靈4四旋翼無人機，云臺相機為20 mm(35 mm格式等效)低畸變廣角相機，有效像素為1 200萬。本次試驗無人機航拍設(shè)計為：在每個試驗小區(qū)水泥擋墻4個角點及長坡中間位置共設(shè)置6個標靶，用于后期的無人機影像拼接及校正；無人機在各小區(qū)自左往右、自上往下飛行，飛行高度7 m，旁向重疊率為65%，航向重疊率為80%，垂直坡面與垂直水平面各航拍一次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Agisoft PhotoScan Professional軟件處理無人機航拍的影像，通過加載照片、檢查照片、識別標靶、對齊照片、生成點云、生成密集點云、去除無效點云，獲取坡面小區(qū)高精度的DEM；用ArcMap軟件處理DEM數(shù)據(jù)，提取細溝溝網(wǎng)；用Global Mapper軟件，獲取坡面細溝形態(tài)特征參數(shù)，包括細溝溝頭發(fā)育長度，自坡頂往下每隔1 m斷面的細溝寬度、深度、寬深比、侵蝕溝數(shù)量；計算各斷面的細溝平均寬度、平均深度和平均寬深比(即該斷面所有細溝寬度、深度和寬深比的平均值)，各坡位的細溝平均寬度、平均深度和平均寬深比(即該坡位內(nèi)所有斷面細溝寬度、深度和寬深比的平均值)，各坡位細溝分布密度(即該坡位內(nèi)所有侵蝕溝數(shù)量與面積的比值)。

2 結(jié)果與分析

2.1 細溝侵蝕的空間特征

圖1為3個小區(qū)坡面經(jīng)過5年自然降雨沖刷侵蝕后細溝溝網(wǎng)的空間分布, 各小區(qū)坡面細溝溝網(wǎng)已經(jīng)形成，均發(fā)育出多條連續(xù)的細溝。表2為不同小區(qū)不同坡位細溝的分布密度、平均寬度、平均深度和平均寬深比等。

圖1 各小區(qū)坡面細溝溝網(wǎng)空間分布

由表1可知，1號小區(qū)坡度最小。其上坡位坡面平整，水流相對均勻，徑流侵蝕力較弱，以面蝕為主，未見細溝發(fā)育；中坡位細溝開始發(fā)育，細溝數(shù)量為16條，分布密度為1.00條/m2，平均寬度、深度分別為29.65、4.51 cm；下坡位受徑流作用影響，細溝發(fā)生合并，分布密度降至0.63條/m2，平均寬度減小為25.21 cm，平均深度增加為8.05 cm。2號小區(qū)坡長最長，其上坡位已經(jīng)有細溝侵蝕發(fā)育，細溝多為淺寬型，平均寬度、深度分別為19.66、2.39 cm，分布密度為0.65條/m2；中坡位分布密度為1.00條/m2，平均寬度較上坡小，平均深度較上坡大，細溝向窄深型發(fā)展；下坡位細溝分叉減少，細溝數(shù)量減少，分布密度為0.80 條/m2，細溝在坡底部位交匯合并，平均寬度較中坡增加，達到18.81 cm。3號小區(qū)坡度最大、坡長最短。其上坡位雖集水面積小但坡度大，已有細溝發(fā)育，分布密度為0.60條/m2，平均寬度、深度分別為22.43、3.40 cm；中坡位細溝發(fā)育成熟，數(shù)量最多，分布密度較上坡增加200%，為1.8條/m2，平均深度增加，細溝向窄深型發(fā)展；下坡位細溝在坡底部位交匯合并，細溝分叉減少，分布密度為0.96條/m2，平均寬度、深度較中坡增加，分別為24.34、5.13 cm。

表2 各小區(qū)不同坡位細溝的分布密度、平均寬度、平均深度和平均寬深比等

通過試驗分析，3個小區(qū)經(jīng)過5年的降雨沖刷，細溝不斷分叉和合并形成溝網(wǎng)，上坡位為淺寬型細溝；經(jīng)過上坡位的細溝匯流及細溝間橫向溢流，中坡位細溝數(shù)量增加，達到最大，細溝為深窄型，溝網(wǎng)密度也是最大；下坡位溝網(wǎng)合并，細溝數(shù)量減少。

2.2 溝頭發(fā)育特征

各小區(qū)坡面細溝溝頭發(fā)育長度見圖2。由圖2知，1號小區(qū)有較明顯的細溝9條，是3個小區(qū)中數(shù)量最少的，溝頭平均發(fā)育長度為4.27 m，是3個小區(qū)中最長的，占整個坡面長度的38.19%，最短長度為4.08 m；2號小區(qū)有較明顯的細溝10條，溝頭平均發(fā)育長度為1.99 m，是3個小區(qū)中最短的，占整個坡長的16.56%，最短長度為1.40 m；3號小區(qū)有較明顯的細溝12條，是3個小區(qū)中最多的，溝頭平均發(fā)育長度為2.42 m，占整個坡長的28.50%，最短長度為1.31 m。

圖2 各小區(qū)坡面細溝溝頭發(fā)育長度

2.3 細溝寬度特征

圖3為各小區(qū)細溝平均寬度隨坡長的變化特征。由圖3知，1號小區(qū)細溝各斷面寬度在17.33～29.78 cm之間，平均寬度為24.22 cm，是3個小區(qū)中最大的；在坡長6 m處達到最大值29.78 cm，后逐漸減小，至坡長10 m處達最小值17.33 cm，隨后又逐漸增加，整體大致呈現(xiàn)兩頭寬中間窄的趨勢。2號小區(qū)各斷面溝寬在15.73～21.59 cm之間，平均寬度為18.62 cm，是3個小區(qū)中最小的；整體變化趨勢不明顯，從上坡位到中坡位呈現(xiàn)波動變化，到下坡位后又呈現(xiàn)增大的趨勢，并在坡底處達到最大值21.59 cm。3號小區(qū)各斷面溝寬在20.66～27.19 cm之間，平均寬度為23.18 cm；溝寬整體變化不大，最大值出現(xiàn)在坡長6 m處。

整體上看，3個小區(qū)的平均溝寬隨著坡長增加均大致呈兩頭寬中間窄的類U形，分析其原因：上坡位是侵蝕溝發(fā)育的集水面，存在一定的面蝕，侵蝕溝寬度大；中坡位是侵蝕溝發(fā)育區(qū)，主要是細溝侵蝕和切溝侵蝕，溝寬小；下坡位是侵蝕溝泥沙堆積區(qū)，侵蝕溝匯合，溝寬增大。

圖3 各小區(qū)細溝平均寬度隨坡長的變化特征

2.4 細溝深度特征

圖4為各小區(qū)細溝平均深度隨坡長的變化特征。由圖4知，1號小區(qū)細溝各斷面深度在2.06～9.44 cm之間，平均深度為6.03 cm，是3個小區(qū)中最大的；溝深在坡長10 m處達到最大值。2號小區(qū)細溝各斷面深度在1.31～10.02 cm之間，平均深度為4.29 cm，是3個小區(qū)中最小的；溝深在坡長6 m處達到第一個峰值4.8 cm，后先減少再增加，在坡長11 m處達到最大值10.02 cm，之后又開始減小。3號小區(qū)細溝各斷面深度在2.93～6.12 cm之間，平均深度為4.39 cm；溝深在坡長6 m處達到最大值，之后開始減小。

整體上看，細溝平均深度隨著坡長增加大致呈先增大后減小的變化趨勢，這與黃土坡面細溝侵蝕形態(tài)相似[8]，可能與降雨過程中徑流能量變化有關(guān)。在多次降雨過程中，隨著坡長的增加，徑流量變大，侵蝕能量增強，同時徑流含沙量也變多，徑流搬運泥沙所消耗的能量變大，導(dǎo)致侵蝕減弱。徑流侵蝕能量和搬運泥沙所消耗的能量相互消長，導(dǎo)致徑流能量沿程呈現(xiàn)先增后減的變化，表現(xiàn)在細溝深度變化上也是如此。3個小區(qū)均在下坡位快到坡底的斷面處細溝深度達到最大值，而后又減小。下坡位是細溝泥沙匯聚的地方，也是侵蝕力最強的地方，在下坡位初期侵蝕溝繼續(xù)下切，溝深加大，但最后一個斷面靠近徑流小區(qū)下緣位置，是侵蝕泥沙的堆積區(qū)，坡面坡度發(fā)生了變化，導(dǎo)致溝深不增大反而變小。

圖4 各小區(qū)細溝平均深度隨坡長的變化特征

2.5 細溝寬深比特征

圖5為各小區(qū)細溝平均寬深比隨坡長的變化特征。由圖5知，1號小區(qū)各斷面的寬深比在2.60～14.18之間，平均寬深比為6.68，是3個小區(qū)中最大的；初始斷面的寬深比為14.18，也是3個小區(qū)相同斷面中最大的；寬深比隨坡長的增加而減少，在上坡位變化速率較大，隨后變化速率變緩，在下坡位倒數(shù)第二個斷面達到最小值。2號小區(qū)各斷面寬深比在2.45～13.91之間，平均寬深比為5.81；初始斷面的寬深比最大，為13.91，寬深比隨坡長的增加而減少，上坡位減少速率最快，中、下坡位減少速率變慢，在下坡位倒數(shù)第二個斷面達到最小值。3號小區(qū)各斷面寬深比在4.52～8.26之間，平均寬深比為5.51，是3個小區(qū)中最小的；上坡位初始斷面的寬深比最大，下坡位各斷面的寬深比最小，總體隨坡長增加呈減少的趨勢。

圖5 各小區(qū)細溝平均寬深比隨坡長的變化特征

整體上看，3個小區(qū)的細溝平均寬深比均隨坡長的增加而減小，在倒數(shù)第二個斷面時達到最小值(3號小區(qū)在倒數(shù)第三個斷面達到最小值)。這是由于上坡位細溝從面蝕發(fā)育而來，細溝頭部侵蝕溝多以寬型淺溝為主，寬深比大；隨坡長增加，細溝以切溝發(fā)育為主，切溝多為窄深型溝，寬深比隨著坡長增加而減少；隨著坡長進一步增加到達下坡位，降雨的能量不足與徑流搬運泥沙所消耗的能量加大，導(dǎo)致泥沙在坡底堆積，細溝深度變淺，同時細溝合并，寬度變大，寬深比在下坡位達到最小值。

2.6 細溝寬深的關(guān)系擬合

不同小區(qū)的細溝寬度和深度的相關(guān)關(guān)系見圖6。1號小區(qū)的細溝深度隨寬度的增大而減少；2、3號小區(qū)細溝寬度隨深度的增加而增加；3個小區(qū)中2號小區(qū)的細溝寬度和深度擬合關(guān)系最好。從全部小區(qū)數(shù)據(jù)綜合分析，整體大致呈現(xiàn)出細溝深度隨寬度的增加先增加后逐漸平穩(wěn)，這與黃土區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果類似[14]。92.06%的細溝深度小于12 cm，93%的細溝寬度小于35 cm，比黃土細溝侵蝕的寬度和深度小，這可能是由于第四紀紅土的黏性和抗蝕性均較強。

圖6 細溝深度隨寬度的變化

3 結(jié) 論

利用無人機獲取野外紅壤坡面小區(qū)侵蝕溝的形態(tài)特征，通過對比不同坡度和坡長小區(qū)細溝空間分布形態(tài)和細溝特征，得出以下研究結(jié)論：

(1)自然降雨沖刷下，細溝不斷分叉和合并，形成溝網(wǎng)；上坡位存在一定的面蝕，主要為淺寬型細溝；中坡位細溝數(shù)量最多，且多為深窄型；下坡位溝網(wǎng)合并，細溝數(shù)量減少。

(2)細溝寬度隨著坡長增加大致呈現(xiàn)兩頭寬中間窄的類U形。其中：上坡位是侵蝕溝發(fā)育的集水面，還存在一定的面蝕，侵蝕溝寬度大；中坡位是侵蝕溝發(fā)育區(qū)，主要為細溝侵蝕和切溝侵蝕，侵蝕溝寬度??；下坡位是侵蝕溝泥沙堆積區(qū)，侵蝕溝匯合，溝寬增大。

(3)細溝平均溝深隨著坡長的增大大致呈先增大后減小的趨勢，在下坡位接近坡底處細溝深度達到最大值。

(4)細溝平均寬深比均隨坡長的增加而減小，在接近坡底處達到最小值。