不同降雨条件下垄作坡面地表微地形及土壤侵蚀变化特征

林艺， 秦凤， 郑子成， 张林， 刘麟翔， 徐巍， 吴春柳， 李廷轩

(四川农业大学资源学院，611130，成都)

不同降雨条件下垄作坡面地表微地形及土壤侵蚀变化特征

林艺， 秦凤， 郑子成†， 张林， 刘麟翔， 徐巍， 吴春柳， 李廷轩

(四川农业大学资源学院，611130，成都)

为了弄清垄作坡面地表微地形的变化及土壤侵蚀特征，以期有效防控紫色土区坡耕地水土流失，通过室内人工模拟降雨试验，分析递增和递减降雨系列下，紫色土区横坡垄作坡面地表微地形的空间变化特征，探讨其对地表产流和侵蚀产沙的影响。结果表明：1)在不同降雨条件下，地表高程变化均以减小为主，变化量主要集中在-2～0 cm之间。2)递增降雨条件下，地表糙度在前2场降雨中无明显变化，到第3场降雨后明显增大；递减降雨条件下则先增大后减小。3)不同降雨条件侵蚀产沙量差异不大，递增降雨条件下产沙量比递减条件下大3.9%；但产流量比递减条件下小14.8%。4)递增降雨较递减降雨产流、产沙时间更晚。5)横坡垄作在小降雨强度时可有效地减少土壤侵蚀，但当降雨强度增大到1.5 mm/min 时，则易发生断垄现象，反而会增大土壤侵蚀。

降雨条件； 横坡垄作； 地表微地形； 土壤侵蚀

川中丘陵区紫色土发育程度低，抗蚀性差，年流失表土3.77亿t，土壤流失强度仅次于黄土高原，是我国水土流失最严重的地区之一，也是长江泥沙的主要源区[1-2]；因此，该区域水土流失的防治对构建长江上游生态屏障具有重要的战略意义。地表糙度作为描述地表微地形起伏状况的物理指标，是地表微观地貌形态和物理性状的反映[3-4]。地表糙度通过影响地表径流、渗透速率、凹陷处蓄水量等进而影响地表径流以及侵蚀产沙量的大小[5]，同时，在侵蚀过程中，地表糙度亦随着地表径流、降雨强度等因素的改变而改变[6]；可见，地表糙度的变化具有很强的随机性和难确定性。

横坡垄作是我国防治坡耕地水土流失最有效的耕作措施之一，具有投入少，操作简单等优点，在川中丘陵区早已普遍推广[7]。有研究[8]表明：横坡垄作在小降雨量下具有较好的水土保持能力;但当遇到暴雨级别的降雨时，雨滴对垄的剧烈击打和大面积水漫出使得垄遭到严重破坏，横坡垄作的水土保持效益甚微，故究其蓄水保土效益还有待深入研究。此外，坡耕地地表糙度方面在国外已开展大量研究[9-13]，但我国研究成果主要集中于黄土区[14-16]，在川中丘陵紫色土区坡耕地方面的研究鲜见报道；因此，笔者基于微地形DEM，就降雨条件下紫色土区横坡垄作坡面地表微地形的空间变化特征及其对坡面径流及侵蚀产沙的影响进行研究，以期为紫色土区坡耕地水土流失的有效防治以及坡耕地管理提供一定的理论参考。

1 材料与方法

供试土壤采自长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩流域，为侏罗纪遂宁组母质发育的红棕紫泥，土壤质地为黏壤土。在野外调查的基础上，选取土壤质地、地形部位较为一致的地块，于2013年5月采集0～20 cm耕层土壤。土样混匀、风干后过10 mm筛。为了使填土均一且接近自然坡面，按土壤密度还原法每10 cm分层填充在钢制侵蚀槽内，规格为2.0 m×1.0 m×0.4 m，平均密度保持在1.2 g/cm3左右，并在土槽底部铺设10 cm厚度的粗砂作为排水滤层。

1.2 试验设计

采用人工模拟降雨和微小区相结合的试验方法，根据研究区多年水文资料记录的降雨频率及特点，设定降雨强度为1.0、1.5、2.0 mm/min，降雨历时分别为60、40、30 min。为客观地反映自然降雨，结合降雨与降雨侵蚀力特征[17]，本研究降雨强度设为递增(1.0、1.5、2.0 mm / min)和递减(2.0、1.5、1.0 mm/min)2个降雨系列。在实地调查基础上，按照当地农耕习惯，在侵蚀槽内布设横坡垄作。按水平方向开沟起垄，垄高15 cm，垄距30 cm，垄宽40 cm。

为了不影响地表微地形的测定，每场降雨间隔24 h，期间用塑料薄膜覆盖地表以控制蒸发对试验的影响。在每个系列第1场雨前采用0.5 mm/min降雨强度降雨15 min，以保证试验土壤含水量一致[18]。依据研究区紫色土区坡耕地分布特点，设计地表坡度为15°。试验于2013 年10月和11月在四川农业大学土壤侵蚀实验室进行。人工降雨装置采用中国科学院水利部水土保持研究所生产的SR型移动式人工模拟降雨器，装置喷头系统为美国V- 80100，降雨高度6 m，均匀系数在85%以上。

i代表递增降雨系列，d代表递减降雨系列。 i represents the increasing rainfall series, and d represents the decreasing rainfall series. 图1 不同降雨条件下横垄坡面地表微地形DEMFig.1 DEM of soil surface micro-topography on cross ridge slope under different rainfall conditions

1.3 研究方法

1.3.1 地表糙度计算 采用测针法与摄影法相结合的方法测定地表微地形起伏，测针间距为2 cm，沿坡面每2 cm测定1次，分别在每场降雨前后测定地表糙度。为防止图像变形，将相机焦点调节至读数板中央位置，然后运用C#语言自行编制的程序提取相片上的测点坐标。其原理是：利用读数板背景为白色、测针为黑色的色差对比，以规则的读数板4个顶点作为控制点进行影像配准，采用图像处理技术，将照片对应测针的顶点坐标标注，运用C#编程获取地表高程。采用平均绝对高差法计算地表糙度

式中：Zi为点i的高程；Zi+h为点i+h的高程；h为距点i的距离；n为样本数。

1.3.2 DEM的建立 用提取的共4 753个测点坐标在Arc GIS 9.3中运用3D Analyst生成原始的DEM，分辨率为2 cm×2 cm。

例如，学生可以根据第二次笔记中记载的有关“蛋白质”专题的知识，进行蛋白质概念图的建构。学生在分析解决一定量的遗传题之后总结遗传题分析手段(方法)有两种： 通过遗传图解分析与通过系谱图分析等。

1.3.3 径流及泥沙的测定 降雨过程中，准确记录降雨始时和起始产流时间，每3 min收集1次地表径流和泥沙样。其中，径流量采用体积法测定，泥沙量采用烘干称量法测定。

2 结果与分析

2.1 地表微地形的变化

由不同降雨条件下横垄坡面地表微地形DEM(图1)可知：递增降雨系列，1.0 mm/min降雨条件下，垄作坡面地表微地形无明显变化；1.5 mm/min降雨条件下，在91 min时下部的垄发生了明显的断垄现象，在坡面右侧产生了1条细沟；2.0 mm/min降雨条件下，垄上的细沟不断加深加宽，细沟的源头延伸至沟内，并呈现横向发育的现象。递减降雨系列，2.0 mm/min降雨条件下，垄作坡面地表微地形就发生了明显变化，下垄右侧表土坍塌产生了较小的细沟；1.5 mm/min降雨条件下，细沟不断发育，在62 min时下垄发生断垄现象；1.0 mm/min降雨条件下，细沟逐渐加深加宽，细沟源头位置无明显变化，且断垄处两侧坍塌的土块在地表堆积，未被带出试验小区。可见，不同降雨系列对垄作坡面地表微地形的变化影响较大。递增降雨系列地表微地形在降雨中期开始发生明显的变化，且地表细沟发育程度不断加强，而递减降雨在降雨初期地表微地形已开始坍塌，降雨后期虽然细沟继续变宽和加深；但是其细沟起点较为稳定，并未沿起垄方向延伸和发育。

从不同降雨条件下地表高程变化量分布比例(表1)可以看出：不同降雨系列，在第1场降雨后地表相对高程变化范围均较小，递增降雨系列主要集中于-2～4 cm之间，递减降雨主要集中于-8～2 cm之间；第2场降雨下，2种降雨系列地表高程变化范围迅速增大至-18～6 cm之间，第3场降雨下地表高程变化范围均有所缩小，主要集中于-14～6 cm之间。可见，不同降雨条件下，随着降雨的持续，地表高程变化范围逐渐增大并趋于稳定，且地表微地形骤变均发生于第2场降雨。在地表出现断垄后，坡面中部垄沟内蓄积的雨水从断垄处溢出，径流主要集中于断垄附近，因此地表高程变化逐渐趋于稳定。在整个降雨过程中，地表高程变化量均以-2～0 cm所占面积比例最大，分布比例高；其次为0～2 cm，二者占到试验小区面积的69.28%～97.46%。随降雨场数的增加，递增降雨系列下，地表高程减小区域所占总的高程变化量比例总和分别为64.39%(第1场降雨)、54.65%(第2场降雨)和60.74%(第3场降雨)；递减降雨系列下，地表高程减小区域所占比例总和分别为59.08%(第1场降雨)、49.71%(第2场降雨)和65.08%(第3场降雨)。可见，不同降雨条件下，地表高程均以减小为主。对垄作地表而言，由于垄沟内蓄有一定量的雨水，雨滴击溅和径流冲刷的作用主要发生在垄上，在断垄产生前侵蚀产生的泥沙在垄沟内沉积，此时削高填底作用较为明显。当断垄出现后，径流较为集中，对地表的剪切力增加，局部高程迅速下降，故地表高程大面积降低。

表1 不同降雨条件下地表高程变化量分布比例

2.2 地表糙度的变化特征

由图2(a)可以看出，递增降雨系列下，垄作上、下坡面地表糙度的变化呈现逐渐减小的趋势，但在2.0 mm/min降雨条件下，下坡地表糙度有所增大。造成这一结果主要是由于在降雨初期，地表土粒较为松散，受雨滴打击后凸起部分被溅散，凹陷部分被楔入土粒填塞土壤孔隙，局部形成结皮，因而地表糙度有所减小[5]。同时，地表径流的冲刷和搬运作用也会导致地表糙度的变化[19]。1.5 mm/min降雨后期，坡面下部出现了断垄现象，径流的剪切力增强，加剧了对地表的冲刷作用，但坡面下部地表起伏仍以削高填低作用为主导，故下坡地表糙度仍持续减小。全坡面地表糙度在前2场降雨条件下均无明显变化，2.0 mm/min降雨后地表糙度明显增加。前期由于垄沟内的蓄水对雨滴动能具有消减和缓冲作用，产流时间相对较晚，故地表微地形变幅较小；但在1.5 mm/min降雨后期出现断垄现象后，径流量和泥沙量不断增加。同时，有研究[18]表明，横坡垄作坡面在降雨强度达2.0 mm/min后，坡面下部出现过渡流或紊流，故在2.0 mm/min降雨后地表糙度增幅变大。

在图2(b)可以看出，递减降雨系列下，垄作坡面上部地表糙度一直缓慢减小，下坡却呈先减小后增大再减小的变化，而全坡面地表糙度总体呈先增大后减小的趋势。这主要由于上坡受雨滴击打，地表凸起处土粒分散、迁移，使地表糙度减小。而对于下坡，由于开始降雨强度较大，坡面很快出现径流，坡面土粒凹凸区域间不断迁移，使得地表糙度有所减小，随后逐渐发展为过渡流或紊流[18]，增强了对地表的冲刷作用，再加上部分断垄，地表糙度呈增大的变化。而在1.0 mm/min降雨条件下，坡面冲刷作用较弱，径流流经坡面凹陷处，携带的部分泥沙在凹陷处沉积，且坡面径流流态为层流[18]，故使地表糙度呈减小的变化趋势。就全坡面而言，由于前期雨滴动能及径流冲刷作用均较大，坡面侵蚀作用不断加强，故导致地表微地形的变化较为明显，地表糙度增大。1.0 mm/min降雨条件下，降雨对地表的影响有所减弱[20]，且侵蚀产生的土粒在试验小区内不断沉积，所以地表糙度又有所减小。

图2 递增和递减降雨系列下地表糙度的空间变化Fig.2 Spatial variation of soil surface roughness in increasing and decreasing rainfall series

图3 递增和递减降雨条件下地表产流、产沙过程Fig.3 Process of runoff and sediment yield in the increasing (a) and decreasing (b) rainfall series

2.3 土壤侵蚀特征

由图3(a)可以看出，递增降雨系列，1.0 mm/min降雨条件下，降雨起始主要以入渗的方式进入土体，随着土壤含水量的增加，地表开始产流，侵蚀产沙量也随之增加。1.5 mm/min 降雨条件下，85 min左右，断垄导致产流量和产沙量陡然增大达峰值。随着降雨强度的增加和降雨的延续，地表产流量和产沙量各异。在降雨后期，由于地表径流较为分散，地表微地形变幅较小，产流量和产沙量逐渐趋于稳定。由图3(b)看以看出，递减降雨系列，地表产流量和产沙量随着降雨场数的增加和降雨时间的推移变化趋势较为一致，均表现为双峰曲线。2.0 mm/min降雨条件下，随着降雨的持续，0～25 min内产流量逐渐增加，产沙量较为稳定，到25 min时发生局部断垄形成了细沟，产流量和产沙量瞬间达到第1个峰值，随后又逐渐降低。在1.5 mm/min降雨条件下，由于部分区域产生结皮，起始产沙量并不明显，随着降雨持续产沙量和产流量逐渐增加，在62 min时发生部分断垄导致产流、产沙量达到第2个峰值。在1.0 mm/min降雨条件下，从第70 min开始，地表微地形变幅较小，地表径流量波动却较大，但侵蚀产沙量则相对稳定。

经不同降雨条件产流、产沙总量测定可知，递增降雨系列产沙量较递减降雨系列大3.9%，递增降雨系列产流量较递减降雨系列却小14.8%。可见，不同降雨条件下横垄坡面产流与产沙表现出不同步性，产沙量相近，但产流量差异较大。递减降雨系列，2.0 mm/min降雨对垄作坡面的冲刷作用较强，加剧了坡面的侵蚀；在1.5 mm/min降雨条件下，坡面部分区域断垄之后细沟不断加深，使得1.0 mm/min降雨下雨水易于汇集流出坡面，坡面下渗作用减弱。递增降雨系列，1.0 mm/min降雨对坡面冲刷作用较小，水分运动主要以下渗为主，少量分散径流沿坡面流下；1.5 mm/min降雨条件下，坡面部分区域出现断垄，断垄处坡面以下水分运动以地表径流为主：因此，坡面产沙量主要取决于在断垄时流失的泥沙和大降雨强度时横垄坡面径流冲刷带走的泥沙的多少。

3 讨论

本试验条件下，2种降雨系列下坡面出现细沟的时间大致相同；但第1场降雨地表相对高程变化较小，这与秦凤等[21]直线坡面的研究结果不同，表明横坡垄作在降雨初期具有较好的蓄水保土的作用。直线坡面第1场降雨后地表微地形变化范围缩小并趋于稳定，但本试验的地表微地形骤变均发生第2场降雨过程中，且逐渐趋于稳定[21]。本试验条件下地表高程均以降低为主，地表高程变化的最大值主要出现于坡面中下部，而有研究指出在递减降雨系列后期有泥沙回填高程增加的趋势[21]。上述结果表明，随着降雨的延续，横坡垄作的蓄水保土作用逐渐降低，尤其断垄后甚至会加剧水土流失。随着降雨的延续，不同耕作措施下地表糙度总体呈先减小后增大的变化趋势[5,15]。本试验结果表明：递增降雨系列横坡垄作下地表糙度均表现为先减小后增大；递减降雨系列却表现相反的变化趋势。可见，横坡垄作对地表糙度的影响较大，尤其断垄带来的径流和泥沙的骤变，导致地表糙度变化较大。因此，研究区坡耕地横坡垄作虽在降雨前期可以有效地减少土壤侵蚀，但在降雨强度达到1.5 mm/min 后，垄内凹陷处蓄水被破坏，产生断垄现象，地表冲刷和侵蚀作用反而加剧。

本试验在递增降雨系列下，产流、产沙直到第1场降雨末期才发生。而直线坡面第1场降雨初期，地表均已产流、产沙[21]，这表明横坡垄作能有效延缓坡面产流与产沙时间。随着降雨的延续，不同耕作措施条件下坡面产流量呈现逐渐增加的趋势，产沙量总体呈先增大后减小的趋势，二者最终趋于稳定[15]。而本试验在递增降雨系列下产流、产沙均呈先增大后减小并逐渐趋于稳定，但是递减降雨系列下呈双峰变化趋势。可见，横坡垄作虽能有效拦蓄地表径流，增强入渗，减少土壤侵蚀，但存在一定适用条件；因此，在农业生产中，实施横坡垄作需考虑区域的降雨条件，结合其他辅助措施，有效地降低区域水土流失。

4 结论

1)在不同降雨系列下，横垄坡面地表高程变化均以减小为主，主要集中在-2～0 cm之间。在递增降雨系列下，垄上逐渐形成细沟发生断垄，并出现横向发育现象；地表糙度在前2场降雨中无明显变化，到第3场降雨后明显增大。在递减降雨系列下，细沟加快形成，逐渐加深加宽；地表糙度的变化表现为先增大后减小。

2)递增降雨较递减降雨产流、产沙时间晚；当断垄产生时，产流、产沙量达到峰值；之后产流、产沙量逐渐减小趋于稳定。降雨条件对产流量的影响大于对侵蚀量的影响。横坡垄作在小降雨强度时可有效地减少土壤侵蚀，防止水土流失；但当降雨强度增大到1.5 mm/min 时，则易发生断垄现象，反而会加剧土壤侵蚀。

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(责任编辑：程 云)

Characteristics of variations in soil surface micro-topography and soil erosion on the cross ridge slope under different rainfall conditions

Lin Yi, Qin Feng, Zheng Zicheng, Zhang Lin, Liu Linxiang, Xu Wei, Wu Chunliu, Li Tingxuan

(College of Resources, Sichuan Agricultural University, 611130, Chengdu, China)

The purpose of this study was to understand the characteristics of variations in soil surface micro-topography and soil erosion, providing evidence for the effective prevention and control of soil erosion in sloping farmland of purple soil region. Based on the indoor simulated rainfall experiments, the spatial variation of soil surface micro-topography was studied in sloping farmland with cross ridge in purple soil region under the conditions of increasing and decreasing rainfall series. Soil surface roughness was used to indicate the dynamic changes in the soil surface micro-topography. On this basis, soil surface roughness was calculated and DEM was established, and the effect of soil surface micro-topography on runoff and sediment yield was explored. The results showed that the change of soil surface elevation was characterized primarily by the reduction in increasing and decreasing rainfall series, concentrated mainly in the range of -2 to 0 cm. Under the increasing rainfall series, soil surface micro-topography changed obviously in the middle course of rainfall and the rill erosion kept intensifying. However, in the decreasing rainfall series, soil surface micro-topography began to collapse in earlier rainfall course. In the late rainfall course, rills tended to broaden and deepen, but the starting point of rill formation was relatively stable, which did not extend and develop along the ridge direction. In the increasing rainfall series, the variation of soil surface roughness was not obvious in the first two rainfalls, whereas the soil surface roughness showed a significant increase in the third rainfall. The soil surface roughness increased first and then decreased under the decreasing rainfall series. The difference of sediment yield was not significant between the increasing and decreasing rainfall series. The sediment yield in the increasing rainfall series was 3.9% higher than that in the decreasing rainfall series, while the volume of runoff under the condition of the increasing rainfall series was 14.8% lower than that in the decreasing rainfall series. When cross ridge-breaking happened, surface water movement dominated in surface runoff on the ridge-breaking slope. The sediment yield depended on the soil loss of ridge breaking and runoff washing under high-intensity rainfalls in slope farmland of purple soil region. Compared with the decreasing rainfall series, the initial time of runoff and sediment yield was later in the increasing rainfall series. Effect of rainfall conditions on runoff was greater than the effect of erosion yield. Cross ridge could be used to effectively reduce soil erosion in light-intensity rainfalls in slope farmland of purple soil region. However, ridge breaking was likely to happen for the cross ridges of sloping farmland in purple soil region, and it might increase soil erosion when the rainfall intensity increased to 1.5 mm/min.

rainfall conditions; cross ridge; soil surface micro-topography; soil erosion

2014-08-15

2015-04-11

项目名称： 国家自然科学基金“紫色土坡耕地侵蚀演化特征及其对作物防蚀的响应机制”(41271307)，“川中丘陵区坡耕地防蚀机理研究”(40901138)；四川省教育厅项目“紫色土区玉米季横垄坡面片蚀过程研究”(15ZB0009)；四川农业大学大学生创新性实验计划项目“紫色土垄作条件下地表糙度的侵蚀效应”(1310626087)

林艺(1993—)，女，本科生。主要研究方向：土地资源管理。E-mail: linyi9393@126.com

†通信作者简介： 郑子成(1976—)，男，博士，教授。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail:zichengzheng@aliyun.com

S157.1

A

1672-3007(2015)03-0032-07