横坡垄作细沟形态特征及其影响因素

刘 琳，刘前进，于兴修

(1.山东师范大学 人口资源与环境学院，山东 济南 250014；

2.临沂大学/山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东 临沂 276000；

3.湖北大学 资源环境学院，湖北 武汉 430062)

横坡垄作细沟形态特征及其影响因素

刘 琳1,2，刘前进2，于兴修3

(1.山东师范大学 人口资源与环境学院，山东 济南 250014；

2.临沂大学/山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东 临沂 276000；

3.湖北大学 资源环境学院，湖北 武汉 430062)

摘要：指出了横坡垄作具有涵养水源，减少地表径流与土壤肥力流失的优点，已被广泛应用于坡耕地。由于具体实施中难以精确等高控制，导致垄向坡度的存在，在垄沟内聚集大量雨水引起横垄垮塌，造成细沟侵蚀。利用人工模拟降雨实验及三维立体扫描技术对细沟形态的影响因素及其形态特征进行了分析，结果发现：增加垄高能够明显增加细沟最大沟宽与最大沟深；渗流对最大细沟宽度的影响呈二次函数，当细沟最大宽度大于14.3cm时，渗流与细沟最大宽度有正影响，当细沟最大宽度低于此值时，为负影响；渗流对细沟最大深度为正影响；总产沙量与渗流的关系也呈二次函数；细沟最大宽度的增加速率是细沟最大深度的1.7倍；在已有的细沟体积预测模型L-V模型(V=aLb)的基础上，纳入细沟最大深度提出了横坡垄作条件下的简便细沟体积预测模型(V=a*(D*L)b)，R2从0.61提高到0.92，模型预测精度显著提高。

关键词：横坡垄作；细沟形态；三维立体扫描仪；模型

1引言

横坡垄作广泛应用于坡耕地，其不仅能够涵养水源，减少地表径流、地下径流、土壤侵蚀量以及氮、磷、钾等元素的总流失量，同时还能提高总作物产量[1,2]。横坡耕作是防治坡耕地水土流失的经典耕作措施，具有投入少、操作简单等优点。然而，由于横坡垄作在实际操作过程中，很难严格沿等高线进行，导致垄向坡度的存在。很容易蓄集大量雨水，造成横垄垮塌，引起细沟侵蚀。由于垄向坡度的存在，细沟很容易快速发育成浅沟[3,4]，造成大量水土流失。

细沟侵蚀在坡面侵蚀中占有重要的比重，坡面侵蚀加剧主要由细沟侵蚀引起[5]。细沟宽度、深度与细沟水力要素有密切的关系。对细沟形态微地貌进行深刻认识，可深入揭示坡面侵蚀产沙机制[6]。大量研究表明，细沟深度、细沟宽度以及细沟长度与细沟侵蚀体积有幂函数关系，且提出了简化细沟侵蚀预测L-V模型[7~9]，此模型相对其他数学模型或物理模型，具有简单，并且参数易于获取的优点。

目前对沟蚀发育监测手段主要包括测尺法、测针板法、GPS测量法和三维激光扫描等。其中三维激光扫描数据生成的DEM不仅详细描述沟蚀演变过程，还可以具体到每条细沟的具体形态和深浅，能很好地还原坡面降雨前后的坡面形态以及进行坡面各项参数的测定。这是一种用于监测降雨前后坡面微地形变化的新方法，也是坡面细沟侵蚀发育研究的新方向[10~12]。

本研究模拟了人工模拟降雨及渗流条件下的细沟侵蚀形态特征，通过三维立体扫描仪获得的降雨前后细沟侵蚀微地貌的三维立体点云数据，分析横坡垄作条件下细沟形态特征的影响因素，并进一步验证渗流对土壤侵蚀的作用。同时提出横坡垄作条件下的简化细沟侵蚀预测模型。

2材料与方法

2.1　试验材料

本实验在山东省水土保持与环境保育重点实验室人工模拟降雨大厅进行。采用的下喷式模拟降雨器均匀系数在0.89以上。实土槽为刘前进等[4]设计的土槽，可以同时调整坡向坡度和垄向坡度。实验用土为由花岗岩发育而来且含沙量较高的棕壤(表1)。

表1　试验土壤质地特征

注：土壤质地采用USDA的土壤分类系统进行划分

2.2　试验设计

实验前将土样自然风干并过10.0mm筛，以去除石块和杂草的影响。填充土槽时，最下面以1.6g·cm-3的容重填充20cm厚的土层代表犁底层。犁底层之上填充耕作层，容重为1.2 g·cm-3。每个试验土层所需填土量按照调整因子水平后土槽体积计算，其中垄形状设计为较低的垄面的投影长度为另一垄面的两倍，以保证与野外实际耕作应用的垄形状相同。如图1所示，土槽中共填充两垄。为增加土表均匀性，每次实验开始前12h进行雨强为20mm·h-1的60 min的预降雨。

图1　实验土槽

实验共分为两个阶段：灌水阶段和模拟降雨阶段。灌水阶段：通过管子(a)进行垄间灌水，灌水流速设置为3L min-1。两个小水管(b)穿过槽子固定在垄沟底部，用来保持垄间水面高度始终比垄最低点低1cm左右。该阶段从坡底部，即槽子最下端的出口处，有渗流产生开始共计60min。在出水口采集最后2min的渗流量称重，灌水阶段结束。停止灌水的同时即刻开始进入人工模拟降雨阶段，降雨时长持续到垄垮塌后15min结束，采用雨强为39±0.4 mm·h-1。

采样间隔为2min，采集的样品立刻称重，然后在105°C温度下24h烘干获得侵蚀产沙量。

2.3　数据处理

每次降雨前后用三维激光扫描仪(Trimble GX)对坡面细沟进行扫描，生成降雨前后的坡面的三维立体扫描点云。首先对点云进行配准，使用扫描仪自带的Trimble Realworks 6.5软件的OfficeSurvey模块对降雨前后的垄面进行对比分析，从而提取细沟几何特征。提取的特征主要包括最大沟深、最大沟宽、细沟沟长以及细沟体积。总径流量以及总产沙量通过所采集样品计算总和获得。

3结果与分析

3.1　细沟形态的影响因素

实验共包括10个处理，通过对比实验1和10，实验2和7，实验3和8以及实验6和9，垄向坡度对最大细沟深与最大细沟宽无明显影响。对比实验2和3，实验4和6，实验7和8，实验9和10，发现垄高的增加能够明显增加渗流量并加大细沟最大深度和细沟最大宽度(表2)。细沟宽深比在本实验中，并没有表现出明显的规律。已有研究表明等高线偏离度越大细沟发育越完全，有细沟发生坡面等高线偏离度是无细沟坡面的1倍以上[13]。坡度对细沟总长、平均细沟深和细沟侵蚀量以及细沟平均宽度都有显著的影响[14]。

表2　实验因子水平及实验结果

本实验是在横坡垄作渗流条件下发生的细沟侵蚀，其中垄高对细沟形态有明显影响，这是由于垄高可以增加垄沟内蓄积水量从而增加渗流压力与渗流量，从而加剧侵蚀量，并且较高的垄高也会加剧横垄垮塌瞬间的重力侵蚀，从而加大细沟宽度与深度。其中10号实验具有最大渗流量，其对应的最大细沟宽度为所有实验最大值22.64cm。5号实验也产生了较大渗流，其对应的最大细沟深度为所有实验中的最大值13.03cm，从而初步说明了渗流对细沟发育的促进作用，而横坡垄作中出现的渗流现象类似于坡耕地底部出现的渗流，它们都对细沟的发育起不可忽略的重要作用[15~17]。

对最大细沟宽度与渗流流量作回归分析，渗流对细沟最大宽度的影响呈二次曲线趋势，可用方程y=0.01x2-0.23x+2.35很好拟合(R2=0.63)，顶点坐标为(14.3，0.72)(图2a)。即在本实验中当细沟最大宽度低于14.3cm时，渗流增大，但是细沟宽度减少。这可能是由于在特定情况下横垄侧渗流的增加预示着入渗量的增加，从而减少坡面径流，虽然渗流有破坏土壤稳定性的作用，但是坡面径流的侵蚀作用占主导，因而径流侵蚀减弱，而且细沟发育后期主要以扩展细沟宽度为主，从而细沟最大宽度随渗流增加降低。当细沟最大宽度大于14.3cm的时，实验当中渗流足够大以至于完全展示出其土壤破坏能力，它能通过搬运土壤颗粒和。

图 2　渗流与最大细沟宽度、最大细沟深度的关系

降低土壤抗剪强度来增加土壤不稳定性[18~20]，随着渗流的增大，侵蚀明显加剧，细沟最大宽度增大明显。渗流与细沟最大深度的关系基本呈增加的趋势(图2b)。 渗流对总产沙量的影响也呈二次曲线趋势，用二次回归曲线y=0.02x2-0.15x+1.01进行拟合，R2=0.59，顶点坐标为(3.75,0.73)(图3)。表明当产沙量低于3.75kg时，渗流对泥沙侵蚀量有负影响，当产沙量高于3.75kg时，渗流对泥沙侵蚀量有促进作用，即渗流越大，泥沙侵蚀量越大。渗流会使所在区域易于遭受侵蚀，并且其位置通常位于所在坡面底部，加速小跌坎以及沟头的形成[19~21]。渗流主要通过两方面来加速侵蚀，一方面是从内部破坏土壤稳定性，搬运土体内部的细小颗粒，降低土壤临界剪切力；另一方面渗流可以加入地表径流，增加地表径流侵蚀能力[18~27]。但是由于渗流的增大预示着表面径流的减少、入渗量的增加，因此渗流并不始终促进土壤侵蚀。实验中，径流量并没有显示出与细沟形态特征有明显关系，但是较大的径流量仍然有较大的侵蚀量(表1)。

图3　渗流与泥沙侵蚀量的关系

3.2　细沟几何形态特征

对最大细沟宽度与最大深度的关系进行回归分析，得到图4中，细沟最大深度与细沟最大宽度基本呈一次线性关系(R2=0.69)，且细沟最大宽度的增长速度是细沟最大深度的1.7倍。这进一步说明在横坡垄作条件下细沟发展到一定程度主要是通过增加沟宽来增加侵蚀量，细沟趋于横向发育，因此在横坡垄作条件下可以通过加强土壤表面强度来控制细沟侵蚀，例如耕作区的套种[28]，以及秸秆覆盖[29,30]等。同时说明，在横坡垄作垄向坡度存在的条件下，由于横垄垮塌以及渗流的存在，下切侵蚀以及溯源侵蚀相对较弱，渗流使土壤表面强度降低，此时细沟壁的重力侵蚀有重要作用，从而造成细沟沟宽相对于沟深发育更快。

图4　最大沟深与最大沟宽的关系

已有研究表明，细沟的形态参数(沟长，沟宽和沟深)都与细沟体积有显著的关系[31]。再者，已经提出的用于预测细沟侵蚀量的过程模型与数学模型，需要输入的变量过多，预测较为麻烦[7,32,33]。其中，沟长与细沟体积有最显著的关系，因此基于沟长，已经提出简化的经验模型：(V=aLb(V=细沟体积(m3))，=细沟长度(m)用来预测细沟体积[7～9]。

在本研究中，细沟最大沟宽、最大沟深与沟长都与细沟体积也呈现出明显的幂函数关系。其中细沟最大深度的R2最大，达到0.65，其次是最大沟宽达到0.64，显著性最低的是细沟长度(R2=0.61)(图5)。这是由于，以前的研究中提出的L-V模型是基于假设细沟横截面积不变以及细沟发生在平坦坡面上的前提下的[7]，而本实验是在横坡垄作的条件下进行的，微地形条件的改变影响了细沟形态特征与侵蚀量的关系。因此，已经提出的L-V细沟预测模型并不完全适用于横坡垄作条件下的细沟侵蚀。基于前人细沟体积预测的L-V模型，并且有最高显著性的最大细沟深度与细沟长度本实验的结果显示有相同的幂指数，因此在横坡垄作条件下，纳入最大细沟深度，提出横坡垄作条件下简便细沟体积预测模型(2)：

V=a*(D*L)b

(1)

图5　细沟最大宽度、细沟最大深度和细沟沟长与细沟体积之间的关系

模型回归结果为：

V=1.86E-5(D*L)3(R2=0.92)

(2)

R2从最初的0.61增加到0.92，并且由图6可以看出预测细沟体积与测量细沟体积有很好的一致性。相较于只用细沟沟长预测，纳入细沟最大沟深后的一致性得到明显提高。

图6　测量细沟体积与预测细沟体积关系

由于本实验是在室内条件下进行的，因此该模型仍需大量的野外细沟形态观测数据进行进一步验证，并且该模型也可以为其他地形条件下细沟侵蚀预测提供思路。关于沟深与沟长的获取也仍然需要大量经验数据来建立不同地形、土壤条件下细沟沟长与最大沟深的数据库，或者寻找基于水文参数的沟长与沟深的简便预测方法。

4结论

(1)垄高和渗流对细沟形态特征有明显影响。垄高对细沟发育有一定促进作用，渗流对细沟最大宽度以及细沟总侵蚀量的影响成二次函数。当渗流较大时，对细沟最大宽度有正影响，当渗流较少时，对其有负影响。侵蚀量较大时，渗流有明显的促进作用，侵蚀量少时，渗流起负影响。

(2)细沟发展更趋向于横向发展，细沟最大宽度的增加幅度是最大沟深的1.7倍。重力侵蚀在横坡垄作中垄向坡度存在的情况下起重要作用。

(3)提出横坡垄作条件下的细沟体积的简单预测经验模型：V=a*(D*L)2，能够显著提高预测精度，R2从最初的0.61增加到0.92。

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The Morphological Characteristics of Ridge Culture on Cross

Slopes and Its Influencing Factor

Liu Lin1,2, Liu Qianjin2, Yu Xingxiu3

(1.CollegeofPopulation,ResourcesandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China;

2.LinyiUniversity/ShandongProvincialKeylaboratoryofWaterandSoilConservation&

EnvironmentalProtection,Linyi276005,China; 3.FacultyofResourcesandEnvironmentalScience,

HubeiUniversity,Wuhan430062,China)

Abstract:Because of possessing the advantages of capturing water sources, reducing surface runoff and maintaining soil fertility, the cross ridging system has been widely used in slope cropland. As there are difficulties in precisely keeping the contours during the actual operation process, it leads to the existence of ridge grade and makes it easy to accumulate plentiful rain falls in furrows which can induce ridge collapse and rill erosion. This article focuses on the analysis of the influencing factors of rill morphology and the morphological features based on the artificial rainfall simulation experiments and 3D scan technology. The results show that the increase of the ridge's height can expand the maximum rill width and depth; the influence of seepage on the maximum rill depth is expressed as a quadratic function. When the maximum rill depth reaches above 14.3cm, seepage has a positive effect on it, but when the maximum rill depth is below 14.3cm, seepage has a negative effect on it. Meanwhile, seepage presents a positive effect on the maximum rill depth. The relationship between the total sediment yield and seepage also presents as quadratic function. The increase rate of the maximum rill width is 1.7 times of the maximum rill depth. On the basis of the simplified rill volume prediction L-V model ( V=aLb), the article proposes the simplified rill volume prediction model ( V=a*(D*L)b) by incorporating the maximum rill depth under the condition of ridge culture on cross slope, and the R2 of the model increases from 0.61 to 0.92. Therefore, the model can increase the prediction accuracy obviously.

Key words:ridge culture on cross slope; rill morphology; 3D laser scanner; model

中图分类号：S157

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2015)04-0167-05

通讯作者：于兴修(1967—)，男，山东莒县人，教授，博士生导师，主要从事水土流失与环境保育研究。

作者简介：刘琳(1990—)，女，山东龙口人，硕士，主要从事水土保持与环境保育研究。

基金项目：国家自然科学基金项目(编号：41101263，41303061和41471227)；临沂市重大科技创新项目(编号：201211027)资助

收稿日期：2015-03-02