砒砂巖區(qū)坡面微地貌變化與侵蝕產沙的響應關系

張若曦, 秦富倉,2, 李 龍,3, 楊振奇, 錢秋穎

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010018; 2.內蒙古農業(yè)大學 林學院, 呼和浩特 010018; 3.荒漠化生態(tài)系統(tǒng)保護與修復國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 呼和浩特 010000; 4.水利部 牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020)

微地貌作為表征地表起伏變化與侵蝕強度的主要指標，在一定程度上對土壤侵蝕有重要的影響[1]，其通常表現(xiàn)為較小范圍內地表相對高程的起伏變化，其范圍一般不超過5～25 cm[2]。在水蝕過程中，坡面為最基本的單元[3]，侵蝕坡面在雨滴擊濺及徑流沖刷的作用下發(fā)生洼地蓄水、泥沙沉積等現(xiàn)象，進而導致坡面微地貌的重塑，同時微地貌的變化也在影響著整個水蝕過程[4]。在各次降雨期間，微地貌通過自身的位置變化及消長等空間分布特征對徑流匯流、流向等產生影響，間接造成了坡面侵蝕量改變[5]，進而影響了侵蝕類型的改變及侵蝕程度[6]。坡面徑流量及侵蝕產沙量全都取決于坡面微地貌的變化特征，微地貌重塑不僅僅是侵蝕產生的最終結果，也是造成侵蝕加速發(fā)展的首要原因[7]。有研究認為微地貌對土壤侵蝕存在促進[8]和阻礙兩種作用，也有研究表明在降雨過程中，微地貌變化對土壤侵蝕的增減作用同時存在，且微地貌重塑與侵蝕的增減效益始終保持動態(tài)平衡[9]。李清溪等[10]通過人工模擬降雨試驗并結合近景攝影測量技術，探討了光滑坡面及粗糙坡面中4個坡面微地貌因子與侵蝕產沙的關系。目前，三維激光掃描儀的使用已經得到普及，在惡劣環(huán)境下能夠對坡面微地貌進行高精度的獲取，并準確提取坡面微地貌因子，彌補了傳統(tǒng)測量方法對建立坡面微地貌與坡面產流產沙關系的欠缺。張建文等[11]通過人工模擬降雨試驗并結合了三維掃描技術，探究了不同覆沙厚度下坡面的微地貌變化與產流產沙之間的響應關系。近幾年，關于坡面微地貌變化的研究多為理想狀態(tài)下的模擬降雨試驗，而自然條件下坡面侵蝕多在不同雨強交叉下的連續(xù)降雨中變化，次降雨后所產生的坡面微地貌變化會繼續(xù)影響下一次降雨侵蝕過程。所以，研究自然降雨侵蝕過程中坡面微地形變化與產流產沙特征是揭示坡面真實侵蝕機理的重要環(huán)節(jié)。

砒砂巖區(qū)集中分布在我國黃土高原北部晉陜蒙交界地帶，大環(huán)境屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，其巖層松散，抗蝕性極差，造成了嚴重的侵蝕產沙。該區(qū)以水力侵蝕為主，總面積為1.67×104km2，雖然只占黃河流域面積的2%，但平均每年向黃河輸沙高達2.0×108t，其中輸送粒徑>0.05 mm的粗沙約占總輸沙量的50%，是黃河主要粗沙來源區(qū)，黃河中下游泥沙不斷淤積使河床抬高，嚴重威脅了生態(tài)環(huán)境和人們的生產生活[12]。近年來，對砒砂巖區(qū)裸露坡面侵蝕產沙的研究多以水動力學角度[13]、利用WEPP模型[14]及與植被覆蓋坡面進行對比[15]，對坡面本身微地貌的變化進行高精度的分析還鮮有人關注。因此，本文以砒砂巖區(qū)坡面徑流小區(qū)為研究對象，結合三維激光掃描儀對其進行自然降雨條件下野外原位監(jiān)測，分析降雨前后坡面微地貌空間變化特征，揭示坡面微地貌因子與侵蝕產沙的相關關系，為揭示微地貌對坡面土壤侵蝕的影響機理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)坐落于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗暖水鎮(zhèn)鮑家溝流域(110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N)。海拔高度為1 145～1 330 m，地形分布北部較高，南部偏低，主要地帶性土壤為栗鈣土。該區(qū)為典型大陸性氣候，年平均氣溫為6～9℃，晝夜溫差大，冬季寒冷干燥且時令長，夏季炎熱且時令短。年均降水量400 mm，降雨類型多為暴雨，侵蝕強度大，多集中分布在夏季(7—8月)，占全年總降雨量的3/4。無霜期為100～140 d，日照充足，年均風速2～4 m/s。土壤基巖以砒砂巖為主，大部分為栗鈣土，有機質含量較少。主要植被為松科的油松(PinustabuliformisCarr.)、豆科的檸條(CaraganaKorshinskiiKom.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、羊草〔Leymuschinensis(Trin.) Tzvel〕、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)以及其他沙生類植物、沼澤草甸和退化的草地。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

本試驗于2019年6月30日開始準備，根據(jù)研究區(qū)地形條件，選取坡度為30°，規(guī)格為2 m(長)×5 m(寬)的徑流小區(qū)進行野外原位觀測，觀測時間為2019—2020年兩個雨季(6—8月)，共監(jiān)測到產生徑流和泥沙的有效降雨13場(表1)。試驗開始前將徑流小區(qū)內植被剔除，為無措施裸地，小區(qū)旁設有固定雨況監(jiān)測點，降水過程采用虹吸式自制雨量計進行監(jiān)測，并配有相互校驗的雨量筒，記錄每次降雨的基本數(shù)據(jù)。小區(qū)下方設置集流裝置來收集徑流泥沙。降雨前與每次降雨后15 min坡面達到穩(wěn)滲均使用三維激光掃描儀(奧地利，RIGEL-400)對坡面狀態(tài)進行掃描，此儀器100 m范圍內掃描精度為3 mm，將儀器固定在距徑流小區(qū)底部2 m平地處，設置掃描范圍為0°～180°，為保證每次掃描的一致性，對掃描儀架設位置及三腳架高度均進行標記。

表1 各場降雨基本特征

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

次降雨后坡面產沙量采用烘干法進行測定，徑流量則為自制鐵皮集流桶所測量得出徑流體積。采用RiSCAN_PRO軟件對掃描所得坡面點云數(shù)據(jù)進行去噪、拼接及裁剪等處理，生成坡面三維點云坐標并導出。通過ArcGIS 10.2軟件的Topo To Raster工具生成坡面微地貌高精度數(shù)字高程模型(M-DEM)。根據(jù)高程值進行重分類，劃分出侵蝕區(qū)與沉積區(qū)并提取侵蝕強度。單一地形因子不能全面描述坡面微地貌變化，故本研究選取了4個具有代表性的常規(guī)地形因子(微坡度、地表粗糙度、地表起伏度及地表切割深度)來表征坡面微地貌特征[16]，計算方法如下：

(1) 微坡度(S)是指局部地表在該點的傾斜程度，該值的大小能夠影響坡面物質遷移與能量轉化的規(guī)模大小。通過ArcGIS中的坡度函數(shù)來提取。

(2) 地表粗糙度(R)是指坡面DEM中每個單元柵格的表面積與投影面積的比值，用來表征坡面微地貌的起伏程度。采用ArcGIS中柵格計算器進行計算，公式為：

R=1/cos(S·π/180)

式中:R為地表粗糙度；S為所提取坡度。

(3) 地表起伏度(RA)是指坡面所有柵格中最大高程值與最小高程值的差，是反映坡面微地貌特征的重要指標，也是用于地貌形態(tài)劃分的重要參考指數(shù)。采用ArcGIS中鄰域分析工具進行提取。

RA=Hmax-Hmin

式中:RA為地表起伏度；Hmax為最大高程值(m)；Hmin為最小高程值(m)。

(4) 地表切割深度(SI)是指坡面所有柵格中平均高程值與最小高程值的差。能夠表征地表被侵蝕切割的程度，是反映地表侵蝕發(fā)育情況的重要參考指數(shù)。采用ArcGIS中鄰域分析工具進行提取。

SI=Hmean-Hmin

式中:SI為地表切割深度；Hmean為平均高程值(m)；Hmin為最小高程值(m)。

各坡位地形因子均在ArcGIS中進行重分類后區(qū)域分析工具中提取，統(tǒng)計分析在SPSS軟件中進行，采用Pearson相關分析法對數(shù)據(jù)進行相關分析，繪圖采用ArcGIS 10.2及Origin 2019。

3 結果與分析

3.1 坡面侵蝕強度

降雨侵蝕可以明顯改變地表高程，使坡面得到重塑，進而體現(xiàn)出坡面的侵蝕強度。兩個雨季中，各次降雨作用后地表高程的變化可將坡面劃分出侵蝕區(qū)與沉積區(qū)，侵蝕區(qū)依據(jù)侵蝕深度將其分為0～1 cm微度侵蝕、1～2 cm輕度侵蝕、2～3 cm中度侵蝕及>3 cm的重度侵蝕。由表2可知，兩個雨季13次有效降雨中，有2次降雨為微度侵蝕，3次降雨侵蝕強度為輕度，5次降雨表現(xiàn)為中度侵蝕，3次降雨表現(xiàn)為重度侵蝕。各次降雨侵蝕強度均表現(xiàn)為在0～1 cm微度侵蝕中像元個數(shù)最多，其中第8次降雨侵蝕面積最小，像元數(shù)為106個，占整個坡面的6.2%；第9次降雨侵蝕面積最大，像元數(shù)為14 650個，占比85%，均屬于中度侵蝕。圖1為兩個雨季過后坡面總體侵蝕情況，由圖1可知，坡面侵蝕強度為輕度侵蝕，且沉積區(qū)多分布于上坡部，坡下少量分布，侵蝕區(qū)多集中在坡中與坡下且面積遠大于沉積區(qū)。

圖1 兩個雨季侵蝕強度

表2 次降雨下坡面侵蝕情況

3.2 坡面微地貌變化特征

在水蝕過程中，微地貌會始終伴隨著降雨的發(fā)生與演變，而微地貌因子隨降雨的變化情況可以反映坡面的侵蝕特征，本文選取了可以表征微地貌變化特征的4個代表性因子，分別為地表粗糙度、地表起伏度、地表切割深度與微坡度。兩個雨季結束后，初始坡面與第13次降雨后微地貌因子變化特征見圖2，降雨前坡面較為平整均一，由于降雨前存在較強的坡面異質性，使得坡下較上坡部及中坡部各地形因子值更大，呈現(xiàn)在圖中表現(xiàn)為零星斑塊破碎化。降雨后各地形因子均增大，且最大值均分布于上坡邊緣部及下坡右邊緣處，坡面破碎化嚴重，貫穿整個坡面。表明微地形隨著降雨的推動，不斷發(fā)育，使坡面發(fā)生侵蝕得到重塑。由于坡面沉積區(qū)與侵蝕區(qū)在坡位角度上有明顯的區(qū)分，故從坡位角度上來研究各坡位地形因子在13次降雨過程中的變化特征(圖3)。降雨前坡面上、中、下各坡位初始微地形因子分別為地表粗糙度1.162，1.183，1.287，地表起伏度為0.025，0.027，0.034 m，地表切割深度表現(xiàn)為0.013，0.014，0.017 m，微坡度表現(xiàn)為30.052°，31.623°，35.663°，均呈現(xiàn)出由坡上至坡下依次顯著增大。隨著降雨次數(shù)的增加，各坡位地形因子總體表現(xiàn)出上升趨勢，降雨后各坡位地形因子變化為地表起伏度0.041，0.034，0.038 m較雨前分別增加了64%，26%，12%。地表切割深度表現(xiàn)為0.020，0.017，0.019 m，較雨前初始切割深度增加了54%，21%，12%。微坡度較雨前分別增加了12%，7%，4%，表現(xiàn)為33.597°，33.984°，37.118°。而地表粗糙度在坡上及坡中表現(xiàn)為增加，分別是1.329，1.222，較雨前增加了14%，3%，在坡下表現(xiàn)為減小。地表粗糙度、地表起伏度及地表切割深度均在上坡部波動起伏較為明顯，而坡中及坡下起伏較緩，變化趨勢基本一致。

注：圖中A為地表粗糙度，B為地表切割深度(m)，C為微坡度(°)，D為地表起伏度(m)，且上方為雨前，下方為雨后。圖2 降雨前后微地形因子變化

圖3 不同坡位地形因子變化

3.3 坡面產流產沙特征

兩個雨季13次降雨下坡面侵蝕產沙變化特征見圖4，徑流量在R4時達到最大值，為65 L；在R2時為最小值徑流量為3.1 L。降雨初期坡面表現(xiàn)為入滲狀態(tài)，產流較少，隨著降雨次數(shù)增加，坡面入滲率下降而R4降雨侵蝕力最強，故產生徑流量明顯增多。前兩次降雨產沙量極少，到第三次降雨明顯增多，可能與細溝的產生與發(fā)育有關，之后產沙量隨著降雨次數(shù)的增加而增加，后幾次變化幅度較緩。降雨過程中，侵蝕不斷發(fā)生，徑流中不斷攜帶泥沙，含沙量的變化與侵蝕發(fā)展密切相關，因坡面細溝不斷地合并聯(lián)通，溝壁不間斷性的坍塌，使得坡面徑流含沙量存在峰谷交錯，波動明顯的現(xiàn)象，表現(xiàn)為在R2時為最小值0.023 kg/L，在R13達到最大值為2.515 kg/L。

圖4 侵蝕產沙特征

3.4 坡面微地貌與侵蝕產沙的關系

因侵蝕強度存在明顯的坡位之分，故從不同坡位來闡述微地貌因子與侵蝕產沙間的關系，對各坡位4個地形因子變化和產流產沙量進行相關分析，結果見表3。由表3可知，坡上各地形因子間均存在相關關系，地表切割深度與地表粗糙度及地表起伏度相關性顯著，其中與地表起伏度存在極顯著相關，相關系數(shù)達到0.842。產流量與微坡度相關性顯著，相關系數(shù)為0.494，與其他地形因子存在負相關。產沙量則與地表粗糙度存在極顯著相關關系，相關系數(shù)為0.786。坡中地表切割深度與地表粗糙度存在極顯著相關關系，相關系數(shù)為0.910。產流量同坡上一樣，僅與微坡度相關性較強，且相關系數(shù)增加到0.501，產沙量與地表粗糙度與地表起伏度存在極顯著相關，相關系數(shù)分別為0.903，0.887。從坡下來看，地表切割深度與地表起伏度存在顯著相關關系，系數(shù)為0.542，產流量同坡上及坡中一樣，僅與微坡度相關性較好，系數(shù)增加到0.509。產沙量則與地表起伏度存在極顯著相關性，相關系數(shù)為0.761。其中由于坡中及坡下為侵蝕區(qū)，故其地形因子與產流產沙量的相關性較上坡部更為強烈。由此可見水蝕過程中，侵蝕與地形因子之間相互影響，侵蝕使地形因子隨之改變，而地形因子的改變也極大的影響了侵蝕量的變化。

表3 各坡位地形因子與產流產沙的相關關系

4 討 論

研究坡面微地貌的變化是深入理解砒砂巖區(qū)水力作用導致土壤侵蝕機理的一個重要環(huán)節(jié)。砒砂巖區(qū)坡面兩個雨季降雨下侵蝕強度的劃分與降雨強度密切相關，R4，R6與R10降雨強度大，侵蝕深度強，均劃分為重度侵蝕，而R2與R3降雨強度小且均為前期降雨，雖R3降雨后產沙量較多但更多地只是將表土沖刷，侵蝕深度較淺，故均劃分為微度侵蝕。而整個坡面中下部為侵蝕區(qū)，可能因為坡長較短，上坡部匯水面積小，較難形成集中股流，細溝在坡面首次出現(xiàn)在利于其發(fā)展的中下部，隨著降雨的發(fā)展，細溝沿坡面不斷延長，通過合并及分叉不斷變寬且向深層發(fā)育，故在坡面中下部侵蝕較為嚴重。降雨通過雨滴擊濺、徑流的沖刷和搬運以及沉積作用于坡面土壤，降雨與坡面土壤這種相互作用導致了土壤侵蝕[17]。各坡位地形因子均在R4降雨時出現(xiàn)峰值，可能由于R4降雨量最多，降雨侵蝕力最大，對地形因子的影響較強，且砒砂巖土壤較為松散，粒徑較大，遇水即碎，在自然降雨多雨強交叉的作用下，坡面形態(tài)多變，各地形因子表現(xiàn)為高低起伏[18]，坡面土壤顆粒被徑流攜帶，土壤粒徑減小，地形因子呈減小趨勢，而隨著降雨不斷沖刷，使坡面產生細溝及洼地，降低了徑流的攜帶能力，使部分土壤顆粒在坡面上被沉積，地形因子表現(xiàn)為上升趨勢，故存在跌宕起伏的現(xiàn)象。

上坡部地表粗糙度、地表起伏度及地表切割深度較坡中及坡下波動更劇烈，這一結論與趙龍山等[19]對黃土坡面不同坡位地形因子與降雨侵蝕的響應關系一致，地形因子所處的位置不同，對降雨侵蝕的響應也不盡相同。在上坡部，雨滴擊濺會形成大小不一的魚鱗坑，使地形因子均表現(xiàn)為增加，但所形成的魚鱗坑深度及大小不足以抵擋徑流的沖刷，隨時都會被移平，減弱了雨滴擊濺作用。同時徑流會將坡面土壤顆粒帶走，使坡面均一化，地形因子則又表現(xiàn)為減小的趨勢。與唐輝等[20]對黃土坡面微地形變化與產流產沙響應關系研究一致，不同坡位地形因子間均存在相關關系。且坡面產流產沙量與坡面地形因子變化間的差異可以表明坡面微地貌與產流產沙的相互關系，根據(jù)李清溪等[10]的研究，微地貌因子的變化可以用來估算坡面侵蝕量，可見地形因子與產流產沙量存在一定相關性。通過分析可以得出，地表粗糙度可以作為評價砒砂巖區(qū)坡面土壤侵蝕的最佳地形因子，地表起伏度則為備選指標。這一結論與趙斯琦等[21]的研究一致。

5 結 論

(1) 兩個雨季13次有效降雨中，R4，R6，R10降雨強度大，侵蝕深度強均劃分為重度侵蝕，而R2與R3降雨強度小且均為前期降雨，雖R3降雨后產沙量較多但更多地只是將表土沖刷侵蝕深度較淺，故均劃分為微度侵蝕。且最后一次降雨后坡面明顯的劃分出侵蝕區(qū)及沉積區(qū)，侵蝕區(qū)主要分布在坡中及坡下，沉積區(qū)主要分布在上坡部，坡下邊緣有少量分布。

(2) 兩個雨季過后，坡面各地形因子均變大，坡面破碎化嚴重。且不同坡位上地形因子變化表現(xiàn)不同，因R4降雨強度較大，此時各地形因子均達到峰值。且上坡部地形因子變化較坡中及坡下更為劇烈。

(3) 不同坡位上地形因子與產流產沙的相關性不盡相同，坡上坡中及坡下產流量均與微坡度相關性較好，且隨著坡位越靠下相關性越顯著。產沙量在坡上及坡中均與地表粗糙度為極顯著相關，在下坡部則與地表起伏度呈極顯著相關。