橫壟坡面滲流與侵蝕微地貌研究進展

劉靜君，錢 峰

（1.武漢市水文水資源勘測局，武漢 350007；2.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

1 研究背景

水土流失是一種自然現象，在實際農業(yè)生產活動中，不可能完全避免，但如果采取恰當的水土保持措施，就可以得到有效防治[1]。橫坡壟作能蓄積雨水、增加入滲，是被廣泛采用的保護性耕作措施之一。橫壟因匯水而具有“溝渠效應”，但因存在高低起伏、凸凹分布的微地貌結構，雨水極易在位置較低的壟溝內匯集，從而誘發(fā)漫流。漫流水流不斷侵蝕壟面土體顆粒，導致細溝發(fā)育，最終誘發(fā)橫壟垮塌，加劇土壤侵蝕[2]。國內外學者通過模擬試驗和數值分析對橫壟坡面侵蝕過程進行定量研究，取得了豐富的研究成果，但受限于實驗設備和觀測手段，現有研究多側重于不同降雨參數（雨強、雨量、雨型和歷時等）和壟作結構因子（壟寬、壟高和壟向坡度等）對橫壟侵蝕的影響[2-4]。實際上，在壟溝低洼處匯集的雨水與壟面土壤間形成的水力梯度，會促使水分通過土壤孔隙發(fā)生側向移動，形成側向滲流。側滲流改變了壟面土壤水文條件和土壤顆粒受力方式，減弱了土壤抗侵蝕能力，加速了壟面細溝的發(fā)育[3，5]。壟面細溝發(fā)育主要包括溝頭溯源、溝底下切和溝壁擴張3種侵蝕方式，其中溝頭溯源侵蝕是壟面細溝侵蝕的開始，對整個細溝侵蝕產沙過程有重要影響，在黃土高原地區(qū)，溝頭溯源侵蝕量可占到細溝侵蝕量的50%[6]。橫壟壟面坡度較陡，漫流水流沿溝頭陡坡面沖掏帶走溝頭土壤，并使溝頭向相反方向發(fā)育，壟面細溝溝頭溯源侵蝕活躍程度決定了其可能引起的負面效用。

紫色土是發(fā)育于紫色砂頁巖上的一種幼年土，其性狀受母巖特性影響較深，有機質少，結構水穩(wěn)定性弱，易分散，致使紫色土成為一種強侵蝕性土壤。橫坡壟作是紫色土坡耕地主要的水土保持措施之一，但是，目前對紫色土橫壟壟面溝頭溯源侵蝕過程及其影響因素的研究較少，如何描述壟作系統(tǒng)中滲流產生機制仍缺乏有效的實驗方法和模擬手段，定量識別其對壟面細溝侵蝕的貢獻也需要進一步研究。揭示紫色土橫壟壟面溝頭溯源侵蝕機理，有助于進一步明確紫色土坡耕地土壤侵蝕防治的重點和關鍵，對合理配置水土保持措施，提高農業(yè)生產水平及改善生態(tài)環(huán)境具有重要現實意義。

2 坡面土壤滲流特性及模擬

坡面土壤滲流對土壤侵蝕、污染物遷移等過程有重要影響，其發(fā)生機制和模型模擬一直是土壤學和水文學領域研究的熱點問題。多年來，國內外學者對土壤滲流觀測方法、影響因子、數值模擬等方面進行了廣泛的研究[7-9]。紫色土具有較高的滲透性，同時由于相對透水層較淺，巖土二元結構明顯，使得壤中流成為紫色土區(qū)主要的產流方式之一。劉剛才等[10]利用紫色土坡耕地徑流小區(qū)觀測數據，發(fā)現壤中流在大雨、暴雨或土壤飽和后才發(fā)生。Tang等[11]認為耕作能有效改善紫色土土壤結構，增加壤中流發(fā)生幾率。Qian等[12]比較了不同坡度和雨強條件下紫色土坡耕地產流特征，認為壤中流占總徑流的比例隨坡度增加和降雨強度減少而增加。土壤質地、分層結構、土地利用、降雨特性等因素對壤中流形成都有重要影響。也有學者認為坡面分布的低洼處在雨水填洼過程中對入滲、產流有著重要的作用。例如：Guzha[13]研究發(fā)現，有洼地坡面土壤入滲率高于平整坡面，且填洼量越大，土壤含水率越高。Gómez等[14]將坡面降雨入滲劃分為兩種類型：積水入滲和無積水入滲。Govindaraju等[15]研究認為地表微地形通過改變土壤有效導水率對入滲率產生影響，低洼處積水深度會明顯增加入滲能力。趙龍山等[16]的研究也證實了該現象，實施耕作措施的坡面洼填量是平整坡面的4～13倍。微地貌通過對徑流運動的形態(tài)和路徑的影響，進而影響坡面入滲和產匯流過程，相關研究需要依據土壤學、流體力學、土壤侵蝕學等原理，從機理上探討兩者之間的內在聯(lián)系。

隨著觀測技術的進步和計算機技術的發(fā)展，許多學者利用數值模擬來描述坡面土壤水分運動過程。在坡面土壤水分運動過程的數值模擬研究方面，通常采用基于Richards方程的HYDRUS、SWAP、FEFLOW、MODFLOW等數學軟件模擬土壤水分運動過程。Hopp等[17]利用HYDRUS模型模擬了坡面場次降雨徑流過程，并分析了坡度、土層厚度、降雨強度和基巖滲透性對坡面徑流系數等評價指標的影響。Wang等[18]利用MODFLOW模型模擬了不同降雨強度對地下徑流水面線、流量、流速等指標的影響，并用人工模擬降雨實驗實測數據進行了驗證，結果較為吻合。邵東國等[19]設計了南方丘陵區(qū)多層土壤結構水平和垂向滲流試驗，并構建了基于HYDRUS-2D的土壤水分二維滲流模擬模型，結果表明土壤側向滲漏對水量損失的貢獻較大。雖然前人對于坡面土壤水分運動過程模擬開展了大量的研究，但在橫壟坡面的局部區(qū)域存在兩類不同，一是水力坡度的變化，如橫壟積水區(qū)域的變水頭條件；二是土壤分層的不均質性，如人為耕作形成的不規(guī)則層狀結構。受計算成本和觀測數據的限制，單一模型難以準確描述橫壟坡面局部積水區(qū)域變水頭條件下的土壤水分運動過程。例如MODFLOW-USG模型采用的非結構化網格容易產生稀疏的帶狀矩陣以及條件對角占優(yōu)問題[20]。FEFLOW、HYDRUS等模型采用直接局部加密的方法對不同分辨率的網格節(jié)點統(tǒng)一求解，容易在小尺度范圍外產生大量的漸變節(jié)點，計算效率和精度受非均勻網格劃分質量的影響[21]。目前關于紫色土橫壟坡面土壤水分運動過程模擬的研究較少，Liu等[3]研究發(fā)現橫壟坡面滲流過程曲線大部分呈現“S”型，土壤水分的側向滲漏量可用指數函數描述。由于該研究在室內小型土槽中開展，無法全面真實刻畫橫壟坡面滲流過程。如何在保留全坡面尺度土壤水分運動過程描述的基礎上，實現對局部復雜水力條件下土壤水分運動過程的精細化描述，是該領域研究急需解決的問題。

3 侵蝕微地貌研究現狀

微地貌是規(guī)模相對比較微小的地表面高低起伏的狀態(tài)，如侵蝕細溝、小丘等[22]。在土壤侵蝕研究中，地表糙度是反映地表微地貌形態(tài)和物理性狀的指標。Romkens等[23]將地表糙度參數廣義地定義為4種類型：①土壤團聚體尺度的微地貌變化；②土塊尺度上的地表形態(tài)變化；③有向糙度，田間尺度上耕作所造成的系統(tǒng)性高程變化，如橫壟、點坑等；④大尺度糙度，如地塊、流域尺度上地形地貌的變化。橫壟坡面上微地貌特征主要包括前三種類型地表糙度的組合和侵蝕細溝，其中地表糙度為cm級的地表起伏變化。

目前有關坡面侵蝕過程中微地貌的研究，主要集中在地表糙度方面。地表糙度與土壤侵蝕關系研究始于20世紀50年代，各國學者從地表糙度形成的影響因素、測量方法以及侵蝕和坡面水文過程等方面展開研究，取得了較為豐富的成果。以下主要從地表糙度測定與量化、地表糙度與土壤侵蝕的關系2個方面介紹相關研究進展。

3.1 地表糙度測定與量化

目前，測量地表糙度的方法基本可分為接觸式和非接觸式2個類型。接觸式測量是指測量工具與土壤表面直接接觸，如測針法和鏈條法等；非觸式測量指的是測量工具不與土壤表面直接接觸，如三維激光掃描法和攝影測量技術。接觸式測量會對地表產生擾動，影響實驗精度；非接觸式測量方法大多采用先進的儀器設備，能夠獲取大量的數據，數據能真實反映微地貌形態(tài)特征，但后期數據處理計算量大，需要操作人員具備相應的知識背景和熟練操作軟件的技能。Nadalromero等[24]分別利用激光掃描技術和攝影測量技術測量了坡面侵蝕沉積過程，并建立了數字高程模型，對比測量結果發(fā)現，兩種技術都具有非接觸、受環(huán)境等因素影響小、數據采集速度快等優(yōu)點，但激光掃描儀測算精度更高，攝影測量技術要求近距離拍攝才能保證精度；Stenberg等[25]分別采用測針法和激光掃描儀測量地表糙度，對比分析后認為，激光掃描儀測算精度高、點云密度大，更適用于地表糙度的測量。吳立新等[26]利用地面激光掃描技術（TLS）對植被稀疏地區(qū)溝蝕變化進行監(jiān)測，結果表明TLS點云構建的切溝表面模型能準確獲取切溝侵蝕量、地形信息及其變化?？梢钥闯觯す鈷呙杓夹g具有測算速度快、點云密度大、精度高、非接觸等優(yōu)點，適用于野外條件，在土壤侵蝕測量領域得到了廣泛的應用。

為定量研究地表糙度與侵蝕的關系，研究者們采用了多種計算模型來定量描述地表糙度，主要分為三類：①空間高程或水平距離上的差異，如有限高差；②空間高程與水平距離相結合，如彎曲度指數、最大填洼量；③分形理論，如分形維數、多重分形譜。隨著測量技術的發(fā)展，采用單一數值表征微地貌特征的統(tǒng)計學指標和簡單分形維數，難以反映出微地貌的空間結構，而多重分形理論則可通過譜函數來描述復雜分形結構在演化過程中的不同層次或局域的結構特征，是處理微地貌非線性和復雜問題的有力工具。羅鍵等[27]通過人工降雨實驗，結合多重分形理論和方法，分析了遞增和遞減條件下橫壟坡面微地形變化特征，結果表明橫壟坡面微地形變化多重分形特征明顯，滿足多重分形算法要求。同樣在坡耕地上，鄭子成等[28]利用多重分形理論分析了不同坡度下紫色土地表微地形變化及其對土壤侵蝕的影響，發(fā)現不同坡度坡面多重分形譜高差、奇異指數跨度均較降雨前增加，降雨前后微地形空間差異增大?？梢姡嘀胤中卫碚搶α炕⒌孛驳碾S機性和空間復雜特征提供了新的思路和方法。

3.2 地表糙度與土壤侵蝕的關系

作為侵蝕下墊面，地表粗糙度與侵蝕過程息息相關。目前國內外相關研究主要集中在地表填洼、入滲和產流產沙過程。降雨過程中，在地表相對低洼處蓄積的雨水量稱為地表填洼量，填洼量的大小直接影響了坡面產流產沙過程[29]。雨水在低洼處匯集延緩了坡面漫流產生的時間，增大了雨水入滲，其影響程度隨洼地蓄積填充、徑流連通性以及累積降雨量的提高而減小[30]。有研究認為，地表洼地蓄積過程能延緩坡面產流5～10 min左右[31]，有洼地坡面土壤入滲率高于平整坡面，且填洼量越大，土壤含水率越高。有學者將粗糙坡面降雨入滲劃分為兩種類型：積水入滲和無積水入滲。地表糙度通過改變土壤有效導水率對入滲率產生影響，低洼處積水處入滲率明顯增加?？梢?，粗糙坡面低洼處在雨水填洼過程中對入滲、產流有著重要的作用。

地表糙度對土壤侵蝕過程的影響還表現在它對坡面徑流連通性的影響。以橫壟坡面為例，在侵蝕性降雨條件下，超過入滲的降水會在位置較低的壟溝內匯集，之后坡面洼地逐漸被填滿進而發(fā)生漫流，在這個過程中微地貌改變了降水分配路徑，并通過不斷的填洼和分流為坡面匯流創(chuàng)造了條件。王林華[32]研究發(fā)現地表粗糙度有抑制徑流匯流路徑發(fā)育的作用，但是該作用隨著雨強增加而減弱。郭慧莉等[33]采用間歇性人工降雨實驗，對魚鱗坑坡面侵蝕過程進行了分析，研究發(fā)現隨著降雨歷時的增加，由于魚鱗坑的層層攔截與蓄滿，坡面徑流流速和水深呈波動式增長。Yang等[31]的研究表明，在坡面產流過程中，不同坡位洼地蓄水時間長短不同，產流曲線呈現階梯式的增長模式。因此，地表糙度對產流過程的影響還與耕作措施空間布局、洼地空間特征有關。

目前關于地表糙度對侵蝕產沙量的作用存在兩個相悖的觀點：一種是地表糙度能減小侵蝕，另一種則是地表糙度能加劇侵蝕。由于試驗條件和研究尺度的不同，測量手段和方法的限制，研究成果會出現較大的差異。實際上，粗糙坡面降雨-徑流過程可分為三個階段：第一個階段主要是土壤濕潤、洼地填充階段；第二個階段主要為坡面匯流網絡的形成與發(fā)展；第三個階段坡面出現固定的徑流流路，進入相對平穩(wěn)時期。Vermang等[34]研究認為地表糙度對土壤侵蝕過程的作用關鍵是延緩了徑流的產生，而不是減少了侵蝕量。Zheng等[35]研究發(fā)現人工鋤耕、人工掏挖、等高耕作和直型坡四種耕作措施在降雨后地表糙度均有不同程度的降低。在相同降雨環(huán)境下，隨著坡面降雨-徑流進入了第三階段，不同糙度的地表其徑流量和侵蝕產沙量差別逐漸減小?？芍?，當耕作措施不能減緩徑流，也就失去了相應的水土保持功能。

4 結論與展望

綜上，目前國內外學者已經就坡面土壤滲流特性及模擬、地表糙度測量與量化手段、地表糙度與地表填洼量、入滲以及產流產沙等問題取得了大量的研究成果，但仍然存在以下問題需要進一步探討。

采用一定分辨率的儀器所測得的微地貌只能反映該分辨率水平下的地表粗糙形態(tài)，不能完全反映坡面粗糙形態(tài)的真實信息，利用有限的信息去重構紫坡面真實復雜的微地貌的研究較少；針對微地貌多重分形算法的研究也較少，此外，依據不同的歸一化概率測度計算方法，計算得到的三維概率測度不同，采用哪種計算方法解析紫色土橫壟坡面微地貌三維特征概率測度需要進一步研究。

目前大部分研究采用相對固定的粗糙度值去描述地表糙度形態(tài)，缺乏對不同尺度微地貌特征的描述，地表糙度在侵蝕過程中的動態(tài)變化。針對橫坡壟作這一耕作措施，當壟溝內匯集的雨水超過壟溝蓄水能力后，引發(fā)漫流，導致壟面細溝的發(fā)育，一旦壟垮塌，失去了蓄水攔沙的功能，反而加劇土壤侵蝕。因此，為準確評價橫壟坡面土壤侵蝕，合理利用橫壟的水土保持功能，需要對其不同侵蝕發(fā)育階段微地貌演化過程進行研究。

橫壟蓄水作用對坡面土壤水分運動的影響沒有定量化。橫壟坡面土壤水分運動過程模擬需要精細刻畫下墊面，數值計算中涉及土壤非均質性和高度非線性等問題，計算成本高，運用單一模型難以準確描述局部小尺度復雜邊界條件下的土壤水分運動過程。因此，需要開展相關研究對坡耕地土壤侵蝕過程模型進行完善，以便更好地揭示土壤侵蝕機制。