地表粗糙度对黄土坡面产流机制的影响

王林华，汪亚峰，王 健，林青涛，吴发启※

0 引 言

地表粗糙度描述经由人为耕作管理措施或侵蚀引起地表高低起伏的微地形特征，反映地表在比降梯度最大方向上凹凸不平状态的物理性指标[1-2]。作为重要的下垫面因子，地表粗糙度具有增加降水入渗、减缓径流形成和土壤侵蚀的作用。目前，国内外有关地表粗糙度与坡地土壤侵蚀学的研究较多，主要研究是关于地表粗糙度测定及其对土壤侵蚀影响，粗糙度在侵蚀过程中的变化规律。这集中体现在地表粗糙度测量方法，如链条法[3-4]、激光扫描仪法[5-6]、摄影测量法[7-8]等；粗糙度量化指标[9-11]及其地表粗糙度对土壤侵蚀影响的研究，包括粗糙坡面地表填洼量[12-13]、入渗能力[14-15]、产流产沙[16-19]等。可见，地表粗糙度必然影响着坡面土壤侵蚀过程，同时也是土壤侵蚀预报模型的重要参数之一，如修正土壤通用流失方程RUSLE[20]、水蚀预报模型WEPP[21]等。人们对地表粗糙度特征及其在坡面土壤侵蚀过程中作用的深入研究，为坡面土壤侵蚀及产流理论的发展提供了科学依据。但是由于地表粗糙度改变了地表土壤的空间起伏特征，进而影响坡面产流机制。因此针对地表粗糙度如何影响坡面产流机制的分析还缺乏深入认识。

坡面产流为坡面降雨形成径流的过程。一般而言，在降雨过程中，若雨强大于入渗能力时，则会形成地表径流；反之，若小于入渗能力时，则全部入渗进入土壤，无地表径流的形成。而在粗糙坡面，地表产流过程除了与降雨及土壤性质有关之外，还与坡面填洼过程有关。Fox等[22-23]对地表粗糙度与坡面入渗能力的研究表明：粗糙坡面在降雨过程中低洼处不同深度积水会导致入渗水头增加，促进土壤水分入渗，从而延迟坡面产流。赵西宁等[14,24]研究表明在相同降雨强度条件下，坡面地表粗糙度越大，地表填洼量愈大，从而坡面产流历时延长，坡面产流量减少。可见，地表粗糙度一方面通过低洼处截留降水作用可延缓坡面形成径流，进而影响坡面产流时间；另一方面通过低洼处蓄积的降水增加水分入渗水头，导致坡面产流阈值提高，推迟坡面产流。我们可把前者看作地表粗糙度对坡面产流的直接作用，即蓄积降水量；把后者看作间接作用，即促进水分入渗。因此，在粗糙坡面降雨产流过程中，地表粗糙度通过直接作用和间接作用共同影响坡面产流过程。但对于区分坡面产流过程中地表粗糙度作用还鲜有报道。

就微观角度来看，坡面产流过程为点产流的水质点漫流与汇流过程。粗糙坡面的微坡面形成径流，低洼处则会形成蓄积、溢流过程，发生相互连通直至坡面形成连续径流。由此可见粗糙坡面产流机制较为复杂。因此，地表粗糙度如何影响坡面产流机制需进一步研究分析。本文以耕作措施产生的地表粗糙度为研究对象，通过室内土槽人工模拟降雨试验，研究粗糙坡面与平整坡面产流点位的空间分布特征，另外通过室外径流小区人工模拟降雨试验，研究不同粗糙坡面地表填洼量、初始产流时间特征。将二者相结合，分析粗糙坡面上点状产流与坡面产流特征。将地表粗糙度对坡面产流的直接作用与间接作用进行区分，有助于揭示地表粗糙度对坡面产流机制的影响。因此，该研究对进一步明确粗糙坡面土壤侵蚀过程机理具有重要的理论意义。

1 材料与方法

1.1 室内土槽模拟降雨试验设计

1.1.1 供试土壤及试验处理

室内模拟降雨在西北农林科技大学资源环境学院水土保持与荒漠化防治工程实验室（陕西，杨凌）进行。试验土槽为可调节坡度钢槽，其规格为2 m（长）× 1 m（宽）× 0.5 m（深）。钢槽底部布有直径为5 mm排水孔，试验钢槽如图1.1所示。试验所用土壤为塿土，取自杨凌农田表层0~20 cm耕作土。为确保装填土壤均匀，待土壤自然风干后过4.0 mm筛网备用。在装填土槽前，在槽底铺设5.0 cm厚沙子及用纱布将沙子和土壤隔开。为保证试验土槽装填土容重接近于田间实际容重，采用每 10 cm分层填装土壤。每装完一层用耙子将表土进行刮松，防止在装填土过程中人为形成隔水层影响入渗。然后重复此装填过程直至填满土槽，表面用板子轻拍平整。对于平整坡面处理，则不需要进行表面处理，保持坡面平整（Smooth slope，SS）。而粗糙坡面则需要使用农具耧在坡面沿等高线进行横向耕作，形成沟垄相间的地表粗糙度（Contour plough，CP）（图1）。由于耧具在土槽边缘不能完全进行耕作，因此，在土槽边缘需要进行修整，以防土槽边界影响试验结果。待粗糙坡面完成处理后，对垄高及垄间距进行量测，试验粗糙坡面的垄高为 8~10 cm，垄间距为 15 cm。本试验坡度为5°、10°、15°、20°。

图1 降雨结束后坡面产流点位及坡面坐标示意图Fig.1 Diagram of runoff generation point distribution in slope surface after rainfall simulation and coordinated system in slope surface

1.1.2 模拟降雨

试验模拟降雨装置为中科院水利部水土保持研究所研制的下喷式降雨机，喷头为Fulljet GW型号，喷头高度为4.0 m，有效降雨面积为3.0 m× 3.0 m。降雨前需对降雨系统进行率定，降雨均匀度可达到 80%，降雨强度范围为20~140 mm/h。降雨强度尤其是暴雨和大暴雨是影响黄土高原地区坡耕地水土流失的重要因素之一，根据当地气候数据和侵蚀性降雨标准，并结合试验实际情况[25-26]，本试验设计降雨强度为60、90、120 mm/h三个雨强，分别代表了大雨、暴雨、大暴雨条件。

在降雨过程中，当坡面某个斑块在降雨过程中出现薄层水覆盖，即表明降雨强度大于土壤入渗能力，坡面局部出现超渗产流现象，从而形成薄层径流，在本研究中用超渗产流点位表示。当降雨开始后，槽子两侧有试验人员观测坡面局部产流区域。试验人员用自制标签插入坡面产流区域，用以标记超渗产流点位，如图1所示。当出水口有连续径流时，记录坡面产流时间（time to runoff generation，Tr）。降雨试验结束后，对坡面标记产流点位进行测量。为了表示超渗产流点位在坡面空间分布，本研究根据坡面建立坐标系，设定土槽左下角为坐标原点，槽宽为横坐标x轴，长为纵坐标y轴（图1）。因此，测定标记点位距离土槽边界的垂直距离可得到该产流点位的横坐标、纵坐标值，从而可比较分析粗糙坡面与平整坡面超渗产流点位的空间分布特征。

1.2 室外径流小区模拟降雨试验设计

1.2.1 试验处理

室外径流小区建成于2009年，其规格为长4.0 m，宽 1.0 m。坡度为 5°、10°、15°、20°。每个坡度共由 4个径流小区组成。径流小区土壤取自杨凌周边农耕地表层20 cm土壤，将运回土壤装填到径流小区。为了让土壤性质接近于自然状态，在装填小区完成后静置一年，让其自然沉降。

试验以经黄土高原地区常用的不同耕作管理措施后形成的地表粗糙度[27-28]为研究对象，其耕作措施分别为：等高耕作（contour plough，CP）、点种（artificial digging，AD）、锄耕（artificial hoeing，AH）、犁耕（traditional plow，TP）以及平整坡面作为对照组（smooth slope，SS）。等高耕作使用农具耧在坡面上沿等高线进行横向耕作，形成沟垄相间的地表形态，垄高为8~10 cm，垄与垄间距为15 cm（图2）。点种使用锄头在坡面进行掏挖。当耕作完成后，坡面的坑洼呈“品”形分布，间距为20~25 cm，深8~10 cm，宽20~25 cm（图2）。锄耕使用宽锄头在坡面上模拟田间锄草、松土等管理措施，其耕作后坡面形态随机起伏（图 2）。犁耕使用人拉犁沿坡面横向耕作（图2）。平整坡面则是将小区坡面整理为平整状态。试验在2013年7-8月、2014年8-9月完成，第二年为重复试验，每个处理设 2个重复。本试验过程中所有耕作措施均由长期从事农业耕作生产的农民进行操作，以保证径流小区内模拟的耕作措施更接近实际生产。

1.2.2 模拟降雨

为防止模拟降雨过程中地表径流流入或流出到相邻径流小区，使用宽为30 cm的PVC塑料板合围径流小区。为了不影响坡面耕作措施的处理，因此，在坡面耕作措施完成后，将PVC塑料板安装在径流小区边缘。塑料板地下部分深度为15 cm，地上部分长为15 cm。严格填埋PVC板与土壤的微小缝隙，以防土壤缝隙影响试验结果。粗糙坡面相对低洼处在降雨过程中蓄积的水量为地表填洼量。本研究采用薄膜法测定地表填洼量[29]。为形成了无入渗条件坡面，小心地将农用塑料薄膜随粗糙地表高低起伏进行铺设。采用喷壶从坡面进行喷洒（Vinput）直至每个低洼处积水溢流，在径流小区出流口收集出水量（Voutput）。根据水量平衡原理直接测定该耕作措施条件下粗糙坡面的地表填洼量（DSC= Vinput- Voutput）。

为定量描述与区分各耕作措施后粗糙坡面的起伏情况，测定地表填洼量完成后，利用三维激光扫描仪（GLS-1500，拓普康）对坡面进行扫描，形成点云数据，在 Arc GIS软件中生成各粗糙坡面的地表高程模型（Digital elevation model，DEM），如图3所示。地表填洼量与扫描工作完成后，则开始进行人工模拟降雨试验。本试验模拟降雨装置为中科院水利部水土保持研究所研制的侧喷式降雨机。试验雨强保持跟室内试验一致。当出水口有连续径流时，记录坡面产流时间（Tr）。

图2 各耕作措施径流小区坡面地表粗糙情况Fig.2 Agricultural slope surface roughness after tillage application in each runoff plot

图3 各耕作措施后粗糙坡面高程模型Fig.3 Digital elevation model of each slope surface roughness

1.3 数据分析

通过室内土槽人工模拟降雨试验，标记降雨过程中坡面超渗产流点位，并在降雨结束后统计在坡面空间分布。通过土槽长为y轴、宽为x轴建立坐标，从而获取坡面超渗产流点位的空间分布特征。为了描述粗糙坡面与平整坡面产流点位的空间分布特征及其量化差异性，选用变异系数（coefficient of variation，CV）指标（1）。

式中 xi为坡面第i个产流点位距y轴的距离，cm；为坡面产流点位距y轴距离的平均值，i为坡面产流点位数。根据变异系数涵义，结合坡面超渗产流点位特征，经类比可知采用变异系数指标来描述超渗产流点位在沿坡面方向（y轴）的变异系数来反映产流点位在坡面的分散程度。变异系数越大，表明产流点位在沿径流方向越分散；反之若变异系数越小，则表明超渗产流点位沿坡面径流方向较为集中。

利用SPSS 19软件下的方差分析对粗糙坡面和平整坡面的初始产流时间进行显著性检验，基于最小显著性差法（LSD）进行不同坡度、雨强条件下坡面初始产流时间的比较，并在0.05水平上达到显著。

2 结果与讨论

2.1 等高耕作与平整坡面超渗产流点位空间分布特征

在模拟降雨过程中，当坡面某处有积水斑块出现时，表明降雨强度大于入渗能力，形成超渗产流。若土槽出口处有连续径流形成，则认为坡面各产流点位连通，记为坡面初始产流时间 Tr。因此，由平整坡面初始产流时间可知，在60、90、120 mm/h降雨强度条件下，坡面产流点位标记时间范围分别为降雨开始后0～10、0～5、0～3 min。不同坡度（5°、10°、15°、20°）粗糙坡面与平整坡面在各降雨强度（60、90、120 mm/h）条件下坡面产流点位分布如图 4所示（由于限于篇幅，本文只列出了60 mm/h降雨强度下坡面超渗产流点位分布特征）。由图4可直观看到平整坡面与粗糙坡面都存在局部超渗产流。相比于平整坡面，在相同坡度和雨强条件粗糙坡面产流点位在坡面分布较为疏散。当降雨强度为60 mm/h时，平整坡面产流点位沿坡面径流方向（y轴）分布范围为96～169 cm之间；粗糙坡面其产流点位沿坡面径流方向的分布范围为42～178 cm之间。降雨强度为90 mm/h时，平整坡与粗糙坡面产流点位沿坡面径流方向上范围分别为63～177、28～180 cm。降雨强度为120 mm/h，两者分别为82～180、22～181 cm。随着坡度增大，坡面超渗产流点位空间分布呈现类似变化，即粗糙坡面在降雨产流过程中，坡面超渗产流点位的空间分布较平整坡面相对分散。总体上，从图 4可直观地展现粗糙坡面与平整坡面超渗产流点位的空间分布特征及其两者的差异性。

表 1为降雨条件下平整坡面与粗糙坡面产流点位沿径流方向变异系数统计表。由表可知，粗糙坡面产流点位沿径流方向变异系数变化范围为34.4%～52.9%之间，而平整坡面产流点位沿径流方向上的变异系数为15.5%～33.1%之间。总体上粗糙坡面产流点位沿径流方向的变异系数大于相同坡度、降雨强度条件下平整坡面。表明平整坡面的产流点位在沿径流方向上的分布较为聚集，而粗糙坡面的产流点位沿径流方向分布相比于平整坡面更为分散。另外，在相同坡度和降雨强度条件下，粗糙坡面的初始产流时间（Tr）均滞后平整坡面初始产流时间（Tr）（表1）。在降雨产流过程中，平整坡面上超渗产流的水质点汇聚成薄层漫流形式，沿坡面向下流动形成连续径流。在粗糙坡面上，局部超渗的产流被低洼处截留。随着坡面低洼处逐渐被填满，且发生溢流贯通，此时坡面开始形成连续径流。在整个过程中，粗糙坡面伴随着坡面局部点状产流、汇入洼地和蓄满溢流等过程。因此，地表粗糙度通过改变超渗点状产流在坡面的空间分布及汇流过程而影响坡面产流。可见，粗糙坡面超渗产流点位在坡面上呈更分散，微坡面上点状产流蓄积在坡面低洼处，改变了坡面水质点沿坡面流动，从而延迟了坡面产流。

图4 雨强60 mm·h-1时平整坡面与等高耕作坡面超渗产流点位的空间分布Fig.4 Spatial distribution of runoff generation points on smooth slope and contour plough slope under rainfall intensity of 60 mm·h-1

2.2 不同地表粗糙度对坡面初始产流时间的影响

粗糙坡面地表填洼量延迟了降水转化为径流，增加降水在坡面滞留时间。同时也增加降水入渗的可能性，影响着坡面产流与汇流的形成过程。因此，地表粗糙度是分析粗糙坡面产流机制的一个重要影响因子。表 2汇总了粗糙坡面在不同降雨强度和坡度条件下的初始产流时间。表中“-”表示该措施坡面在整个降雨过程中未有径流形成，意味着全部降水入渗进入土壤。从表 2中可以看出，平整坡面和粗糙坡面在相同雨强和坡度下，平整坡面产流时间较早。而粗糙坡面产流历时均大于平整坡面。这与Vermang等[16,24,30]研究结果一致，即地表粗糙度可延迟坡面产流。另外，不同粗糙度对初始产流时间的延迟作用也存在差异。从表中可以看出点种坡面产流历时最长，其次为锄耕和等高耕作坡面，而犁耕坡面产流历时较少。变化趋势总体呈现为点种>锄耕>等高耕作>犁耕>平整坡面。10°坡面在60 mm/h雨强条件下，点种、锄耕、等高耕作和犁耕坡面的初始产流时间分别为34.00、29.20、25.85、15.29 min；当坡度增加到15°时，各坡面初始产流时间分别为 27.55、18.24、19.01、14.95 min，其初始产流时间均缩短了8.3%～34.5%。90和120 mm/h雨强条件下，粗糙坡面初始产流时间变化也表现出相似趋势，即坡度越大，坡面产流时间越短，反之则越长。一方面由于坡度本身增大会加速径流在坡面的流动，从而减少坡面产流历时；另一方面地表填洼量随坡度增加而减少，同样地会缩短完成填洼所需历时。那么相应地缩短了坡面初始产流时间。

表1 粗糙坡面与平整坡面的初始产流时间及产流点位沿径流方向值变异系数Table 1 Runoff generation time and coefficient of variation in runoff generation points along flow downward direction on smooth and rough surface

表2 粗糙坡面及平整坡面的初始产流时间汇总Table 2 Summarization of runoff generation time on smooth and rough surfaces after tillage application in runoff plots min

同时随着降雨强度的增加，粗糙坡面与平整坡面初始产流时间的差值减少。当雨强为60 mm/h时，5°点种坡面与平整坡面的差值为32 min；而当坡度增至20°时，二者差值为13.6 min。同样在90和120 mm/h降雨强度时，其他粗糙坡面与平整坡面的初始产流时间差值也表现出相同变化趋势。这表明地表粗糙度对延迟坡面产流效应在小坡度上更为明显。而在大坡度坡面上推迟产流效应不明显。即随着坡面增加，粗糙度对推迟坡面产流的效应逐渐减弱。

图 5表示为平整坡面与各粗糙坡面初始产流时间的对比关系。图中实线为1:1线，由图可以看出坡面初始产流时间都位于斜线上方；且偏离越多，表示相比于平整坡面，粗糙坡面的产流所需时间越长。总体上粗糙坡面初始产流时间均比平整坡面长。同时结合平整坡面在60、90、120 mm/h降雨强度下的初始产流时间，由图5可知不同降雨强度条件下，粗糙坡面的偏离程度存在差异。

图5 各粗糙坡面与平整坡面初始产流时间的关系Fig.5 Relationship of runoff initiation time between rough and smooth surface

在60 mm/h雨强下，点种措施各坡面初始产流时间范围为 18.34～42.88 min。平整坡面的产流历时范围为4.59～11.38 min。而在120 mm/h雨强条件下，点种坡面的产流时间范围为 5.94～18.65 min，而平整坡面则为1.90～ 3.31 min。等高耕作、犁耕和锄耕等粗糙坡面的初始产流时间在不同降雨强度条件下相比于平整坡面均表现出类似的变化趋势。粗糙坡面降雨产流过程中为入渗、填洼、汇流连通的过程。不同雨强条件下延滞效应存在差异主要体现在：一方面是在相同耕作措施的粗糙坡面，即填洼量相同，在大雨强条件下可较快完成填洼，相反在小雨强条件下则需要较长历时完成坡面填洼，发生径流连通，形成坡面径流。另一方面，降雨强度的增大，则意味着雨滴作用于地表的强度增加，打击表面土壤作用愈强，从而导致地表土壤颗粒在较少的时间内被打击分散成更细的土壤颗粒，这会造成土壤孔隙被阻塞，形成土壤结皮。研究表明，坡面结皮的形成和发育会显著减少土壤的入渗能力[30-33]。因此，降雨强度的增大，坡面土壤结皮发育形成所需历时减少，导致了土壤入渗能力迅速降低，从而缩短了坡面产流时间。同样地从图上反映在小雨强条件下，偏离程度越大，即粗糙度延迟坡面产流时间越长，而在大雨强条件下，偏离程度越小且接近1:1线。这表明降雨强度增强时，粗糙度对推迟坡面产流历时的效应减弱。

以上分析表明，相比于平整坡面，经过耕作措施后产生的粗糙度是坡面降雨产流过程中一个重要影响因子。随着坡度的增大，同一耕作措施坡面的初始产流时间缩短；随着雨强的增加，地表粗糙度对产流历时的推迟延滞效应逐渐降低。

2.3 地表粗糙度对坡面产流机制的影响

地表粗糙度推迟坡面产流是一个不争的事实。粗糙坡面上分散的点状产流，以及在降雨径流形成前需要更多降水来完成地表填洼和入渗，从而提高了坡面产流阈值，延滞坡面产流。粗糙坡面低洼处在降雨产流中填洼过程称之为直接作用，而低洼处蓄积水分，具有促进降水入渗的能力称之为间接作用，地表粗糙度通过直接作用与间接作用影响坡面产流。因此，需区分地表粗糙度对坡面产流的直接作用和间接作用，有助于更好地解释地表粗糙度对坡面产流机制的影响。

地表粗糙度对坡面产流的直接作用体现在低洼处蓄积水量的多寡。假设坡面在无入渗条件下，那么坡面将在完成填洼后即可形成产流，因此，通过粗糙坡面地表填洼量可推求出坡面完成填洼所需历时（Tp，Predicted time to runoff generation）。其蓄积填洼所需时间Tp占坡面初始产流时间（Tr）的比值反映了地表粗糙度对延迟坡面初始产流的直接贡献作用，相应地也反映了低洼处促进入渗的间接作用对坡面产流的影响。由于降雨前已对粗糙坡面地表填洼量进行了直接测定，降雨强度已知，那么粗糙坡面填洼所需时间可由该坡面地表填洼量和降雨强度计算得出（Tp=DSC/RI）。表3汇总了粗糙坡面预测完成填洼所需历时Tp与实测坡面初始产流时间Tr的比值（Tp/Tr）。由表3可以看出，总体上在各降雨条件下，粗糙坡面降雨产流过程中填洼历时所占比值变化范围为2.2%～36.2%，这表明坡面粗糙度通过促进水分入渗造成延迟坡面产流过程为主导作用。这一结果与 Darboux和Huang[30]研究结论“粗糙坡面填洼量为延迟坡面初始产流时间的主导作用”相悖。究其原因试验中土壤坡面进行了降雨强度为12 mm/h、降雨历时1 h的预降雨过程。经过预降雨后坡面土壤初始含水量较大，在降雨过程中地表粗糙度增加入渗，延迟坡面产流的间接作用较弱，相应地填洼过程直接作用于延滞坡面初始产流时间增强。可见在比较地表粗糙度对坡面产流时间的效应时，坡面土壤初始含水量是一个重要影响因子。

同时，地表粗糙度在不同降雨强度和坡度条件下也存在差异。在粗糙坡面，所占比值随着坡度的增大而增大。当在同一雨强条件下，地表填洼量随着坡度增大而减少，那么完成填洼过程的历时应相应减少；同时坡面产流历时随着坡度的增大而缩短，但总体比值相应地增加。以降雨强度为90 mm/h的点种坡面为例，当坡度由10°增加至15°时，地表填洼量减少了11.1%，而坡面初始产流时间减少了45.0%。可见坡面初始产流时间随坡度大幅减少，表明地表粗糙度的直接作用随坡度增加而相应增加。而在犁耕措施的坡面预测完成填洼所需历时Tp占实测坡面初始产流时间Tr的比值较小且随坡度的增加而减少，这由于犁耕坡面地表填洼量较少且随坡度变化较大。另外，在等高耕作措施粗糙坡面，其比值未呈现明显增大趋势。如在90 mm/h降雨强度下，各坡度比值为17.9%（15°）、16.6%（20°），以及在 120 mm/h降雨强度下，各坡度的比值为 30.0%（15°）、19.0%（20°）。这可能由于坡面在经过等高耕作措施后，其坡面呈现的垂直于坡面的沟垄相间微地形。在降雨过程中沟蓄积水分，但由于垄沟的蓄积量存在差异，降雨产流过程中有低洼处先蓄满而发生溢流的现象，在坡面内发生汇流过程，加速坡面形成径流。同时也存在低洼处在坡面产流时还未完全蓄满。因此，两者比值并未呈现明显的变化趋势。

表3 各耕作措施预测与实测坡面初始产流时间的比值Table 3 Ratios of estimated time to depression filling to measured time to runoff initiation under in rough surface after tillage application %

总之，地表粗糙度通过增加地表填洼量的直接作用和蓄积水分提高入渗能力的间接作用延迟坡面初始产流时间。同时将地表粗糙度的直接作用和间接作用加以区分，更进一步明确了地表粗糙度增加坡面降水入渗能力，导致粗糙坡面产流前需要更多降水，即地表粗糙度的间接作用使得坡面初始产流时间的延长。结合坡面产流点位空间分布特征可知：在平整坡面上的超渗产流点位较为聚集，坡面汇流较快且无明显受粗糙微地形的影响，从而导致平整坡面初始产流时间较短。而在粗糙坡面上分散的超渗产流汇入低洼处，随着降水过程的持续，低洼处蓄积水量逐渐增加，待蓄满后开始发生溢流连通，依次反复直至径流到达径流小区出口，坡面则形成连续产流。在整个过程中，粗糙坡面分散的点状产流特征与低洼处汇流的作用明显地降低了坡面产汇流路径的连续性，而且减少了降水形成径流的水量，从而导致坡面产流的延缓。

3 结 论

本研究通过室内土槽和室外径流小区人工模拟降雨试验，根据坡面产流点位空间分布和坡面产流相结合，研究地表粗糙度对坡面的产流机制影响，主要结论如下：

1）粗糙坡面与平整坡面超渗产流点位在不同降雨强度下沿坡面径流方向上的分布范围分别为12～181 cm、42～180 cm。同时2处理坡面产流点位沿径流方向的变异系数分别为34.4%～52.9%、15.5%～31.1%。由此可知粗糙坡面超渗产流点位较平整坡面更为分散。在相同降雨强度与坡度条件下，粗糙坡面与平整坡面都存在局部超渗产流的点位，这表明粗糙坡面与平整坡面都为超渗产流方式。而粗糙坡面局部产流点位分散且分布的低洼处可蓄积降水，减少了坡面产流的连通性，从而导致粗糙坡面初始产流时间的推迟。

2）相比于平整坡面，地表粗糙度具有推迟坡面初始产流时间效应。另外地表粗糙度对初始产流时间的效应随着坡度、雨强增大而逐渐减弱。这表明粗糙坡面在小坡度、小雨强条件下具有较强推迟坡面产流时间的能力。

3）粗糙度不仅通过填洼量过程的直接作用，而且通过增加土壤水分入渗水头来增加入渗能力的间接作用影响坡面初始产流时间。通过计算预测初始产流时间与实测初始产流时间比值为2.2%～36.2%。结果表明粗糙影响坡面产流时间的主导过程为通过增加入渗的间接作用，从而导致坡面产流延迟。

本文着重研究粗糙坡面与平整坡面在不同条件下从点状产流到坡面产流的特征，确定地表粗糙度分散了局部超渗产流点位分布，同时低洼处起到汇水作用，以促进水分入渗的间接作用为主要作用方式延迟坡面产流，进一步明确地表粗糙度对坡面产流机制的影响，为深入理解粗糙坡面土壤侵蚀机理提供依据。

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