集水区耕作对干热河谷冲沟沟头溯源侵蚀过程的影响

杨鸿琨，苏正安，朱大鹏，何周窈，周 涛，熊东红， 方海东，史亮涛

（1. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041； 2. 成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059；3. 西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500； 4. 四川农业大学林学院，成都 611130；5. 中国科学院大学，北京100049 6. 云南省农业科学院热区生态农业研究所，元谋651300）

0 引 言

沟蚀作为一种重要的土壤侵蚀类型，具有产沙量大的特点，其产沙量能占到全流域总产沙量的10%～94%[1]。近年来，国内外学者针对冲沟侵蚀动力机制开展了大量研究，主要集中于冲沟监测方法的应用与评价、冲沟发育影响因素的定性分析、冲沟发育的形态特征以及冲沟侵蚀过程的模型研究[2]。例如：李佳佳等[3]利用高精度实时动态差分GPS 对冲沟沟头形态特征进行了测量和调查，杨丹等[4]对元谋干热河谷冲沟形态特征及其成因进行了研究，张宝军等[5]基于力矩法探究了崩塌与沟蚀发育过程的关系，Su 等[6]通过放水冲刷试验模拟了干热河谷冲沟溯源侵蚀过程，研究了冲沟形态变化及侵蚀产沙规律。

金沙江干热河谷区气候干燥炎热，水热矛盾突出，植被覆盖程度低，土壤抗蚀性差，水土流失严重，是中国西南地区特殊的脆弱生态环境类型区[7]。该区域冲沟发育，沟壑密度达到3～5 km/km2，且冲沟发育区的土壤侵蚀模数高达1.64×104t/(km2·a)[8]。快速发育的冲沟致使当地地形支离破碎，形成大量侵蚀劣地，导致植被生境条件变差，冲沟侵蚀已成为金沙江干热河谷区主要的生态环境问题[6,8-10]。与此同时，金沙江干热河谷也是中国西南干旱河谷的主要人口聚集地，大量冲沟集水区被开发为农耕地，从而导致冲沟沟头溯源侵蚀速度产生了一定程度的变化。迄今为止，集水区强烈的人类耕作活动对冲沟沟头侵蚀动力过程的影响机制并不清楚，关于集水区农耕活动对冲沟发育过程中水动力学的影响机制等方面的研究成果仍较少。因此，查明集水区耕作活动对冲沟沟头水动力学和侵蚀特征的影响机制有利于进一步完善该区冲沟侵蚀的防治措施。

本研究选取一条处于发育阶段的典型冲沟沟头及其 集水区，在集水区部位进行耕作活动，并采用不同流量的 原位放水冲刷试验，对比集水区处于裸地状态和耕地状态下冲沟沟头各部位的水动力学特性和侵蚀特征差异，查明集水区耕作活动对冲沟溯源侵蚀过程的影响，从而为该区冲沟治理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于云南省楚雄彝族自治州元谋县（101°35′～ 102°06′E，25°23′～26°06′N），海拔介于1 067～1 138 m，该区属于南亚热带季风气候，干燥炎热，降水集中，干湿季分明，热量条件十分丰富，是金沙江流域典型的干热河谷区[7]。该区年平均气温21.9℃，年均降水量634 mm，降水主要集中在6—10 月，占年降雨量的90%以上，年均蒸发量高达3 847.8 mm[11]。该区地带性土壤为燥红土，风化程度低，砂砾含量高，有机质含量少，土壤保水性能差[12]。研究区内植被种类较少、覆盖度较低。典型的草本植物以孔颖草、扭黄茅为主，灌乔木以车桑子、酸角、余甘子为主，由此形成以稀树灌木草丛为代表的植被群落[13]。

本研究主要在元谋干热河谷沟蚀崩塌研究站内开展试验（图1），该试验站是中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所与云南省农业科学院联合共建的野外观测站。站内冲沟密布，地形切割剧烈，沟蚀崩塌严重，是冲沟发育的典型区域。

图1 研究区位置图 Fig.1 Location of study area

2 材料与方法

2.1 研究方法

本研究在试验站内选取一条具有典型代表且仍在发育的冲沟沟头及其集水区（沟头植被盖度＜5%且无人类活动），沿冲沟集水区至沟床的纵断面将其均匀划分为4个试验小区，每个小区划分为集水区、沟壁和沟床3 部分（见图2）。本研究采用原位放水冲刷试验模拟冲沟沟头溯源侵蚀过程，基于当地典型降雨量和汇水区面积设定了不同流量，在试验小区的上方设置稳流槽，以期获得连续而稳定的放水流量。为测量沟壁位置的相关参数，选取集水区下部最后一个断面至沟床上部第一个断面的部位作为沟壁，如图2 所示。选取集水区和沟床的斜面面积作为本研究的计算面积。

图2 沟头及集水区示意图 Fig.2 Diagram of gully head and catchment area

本研究两轮试验均在同一条冲沟进行，裸地冲刷试验于2013 年9 月（干旱无雨期）开展，试验过程保持集水区处于裸地且未耕作的状态，试验后将冲沟地形恢复成最初状态。耕作后的冲刷试验于2015 年3 月进行。第二轮试验开展前，对4 个小区的集水区部位进行翻耕、整平，并在每个小区均轮流种植花生和玉米。

基于当地典型降雨量和汇水区面积，设定两次放水冲刷试验的流量为30、60、90 和120 L/min，每个小区对应一种流量（见表1）。试验开始后，每10 min 测定3 次径流宽、径流深、流速和水温等参数，固定每次测量的读数位置以减小误差，取平均值用于计算。其中径流流速测定采用滴墨法，径流深、径流宽、水温则采用直尺和温度计直接量测。试验过程中，每隔30 min 暂停放水， 使用LMS-Z420i 三维激光扫描仪对沟头各部位进行地形测量，调节激光扫描仪的相关部件改变扫描角度，进行多角度扫描测量，测量精度为±2mm[6]。继续放水冲刷试验，单次放水冲刷试验持续时间为150 min。

表1 试验小区规格设置 Table 1 Specification of test plots

2.2 参数计算

Darcy-Weisbach 阻力系数f 是水流剪切力做功与水流动能的比值，反映水流流动时所受阻力大小，计算公式[14]为：

式中J 为坡降或坡度[15]；V 为径流平均流速（m/s）；R为水力半径（m）；g 为重力加速度（m/s2）。

径流能耗是土壤侵蚀过程中水流克服阻力将土壤分离所做的功。径流能耗理论利用侵蚀过程的初始和最终状态，通过计算初始状态和最终状态的径流能量变化，来推测侵蚀过程中消耗的总能量。通过公式[16-17]表示为：

式中E 为径流能耗（J/s）；ρ 为水的密度（kg/m3）q1为初始状态流量（m3/s）；q2为最终状态的径流流量（m3/s）；L 为坡长（m）；V1为初始状态径流流速（m/s）；Vx为最终状态径流流速（m/s）；X 为最终状态位置；T 为持续的时间（s）；θ 为试验坡面的坡度（°）。

侵蚀单位土体的径流能耗表征径流侵蚀单位质量的 土体所消耗的能量，主要公式[16,17]为：

式中Eu为侵蚀单位土体的径流能耗（J/g）；R 为土壤侵蚀的速率（g/(m2·s)）；S 为土壤侵蚀面积（m2）；T 为冲刷时间（s）。

2.3 数据处理

利用三维激光扫描仪测量的地形数据导入Arcgis10.1软件中，再通过Arcgis10.1 软件生成高分辨率数字高程模型，然后采用3D 分析工具中的TIN 插值方法，计算试验前后的地形变化和土壤侵蚀速率。在此基础之上，运用SPSS22.0 软件中配对样本t 检验对所获数据进行配对分析，采用Origin8.0 对冲沟在耕作前后的土壤侵蚀速率、径流阻力系数和径流能耗等进行分析和制图。

3 结果与分析

3.1 耕作对沟头土壤侵蚀速率的影响

图3 显示出，在时间变化上，冲沟各部位的土壤侵蚀速率的变化趋势差异并不明显。在不同放水量的情况下，随着放水冲刷时间的增加，裸地和耕地集水区、沟壁和沟床的土壤侵蚀速率变化趋势均表现为先减小后趋于稳定的趋势。

图3 冲沟沟头土壤侵蚀速率随时间的变化趋势 Fig.3 Change trend of soil erosion rate at gully head with time

对于冲沟各部位，耕地状态和裸地状态下的土壤侵蚀速率的大小具有显著差异。如图3 所示，在放水冲刷试验进行到90min 后，沟头径流侵蚀过程逐渐稳定。在4 种流量状态下，冲沟集水区部位，裸地状态下的土壤侵蚀速率分别为0.016、0.026、0.032、0.048 kg/(m2·min)，耕地状态下的土壤侵蚀速率分别为0.049、0.071、0.078、0.128 kg/(m2·min)，耕地状态下集水区土壤侵蚀速率比裸地状态下的土壤侵蚀速率增加了约1.62 倍。相比于集水区处于裸地状态下的沟壁部位，集水区耕地状态下的沟壁土壤侵蚀速率与之并不存在显著差异。集水区处于裸地状态时沟床的土壤侵蚀速率分别稳定在0.077、0.135、0.153、 0.179 kg/(m2·min)，集水区处于耕地状态时沟床的土壤侵蚀速率分别为0.057、0.118、0.126、0.172 kg/(m2·min)。结果表明，在集水区进行农耕活动可显著增加集水区的土壤侵蚀速率，而对沟壁的土壤侵蚀速率则无显著影响，在集水区进行农耕活动反而会导致沟床的侵蚀速率有所减小。

3.2 耕作对沟头径流阻力系数的影响

随着放水冲刷时间的增加，两种处理下冲沟沟头不同部位的阻力系数变化差异显著。集水区处于裸地状态时，集水区和沟床部位的径流阻力系数在试验前90 min 内逐渐增加，90 min 后，径流阻力系数均逐渐趋于稳定（图4）。集水区处于耕地状态时，集水区和沟床的径流阻力系数则在前90 min 内逐渐减小，90 min 后逐渐趋于稳定（图4），这表明在集水区开展耕作活动可显著改变冲沟径流阻力 系数的变化趋势。

耕作后，冲沟各部位径流阻力系数均出现了较大幅度 的变化。图4 显示，试验进行至90min 后，冲沟各部位的径流阻力系数逐渐稳定。裸地状态下集水区的径流阻力系数（稳定值）分别为0.53、0.27、0.28、0.29，耕地状态下集水区的径流阻力系数则分别为3.54、2.99、2.35、2.02，耕地集水区的径流阻力系数比裸地集水区增加约6.96 倍。集水区为裸地状态时，沟床的径流阻力系数分别稳定在2.02、1.77、1.94、2.11，而集水区为耕地状态时，沟床的径流阻力系数分别稳定在4.01、4.18、3.26、2.96，集水区为耕地状态下沟床的径流阻力系数相比裸地状态增加了约2 倍。由此可见，集水区由裸地转变为耕地状态后，集水区和沟床的径流阻力系数均会显著增加，这表明耕作活动可显著增加冲沟沟头的径流阻力系数。

图4 冲沟沟头径流阻力系数随时间的变化趋势 Fig.4 Change trend of runoff resistance coefficient at gully head with time

3.3 耕作对沟头径流能耗的影响

3.3.1 径流能耗的变化特征

如图5 所示，集水区农耕活动并未对冲沟各部位的径流总能耗产生明显影响。在4 种流量状态下，裸地状态下集水区的径流能耗的稳定值分别为6.86、12.96、17.14、26.08 J/s，耕地状态下集水区的径流能耗的稳定值分别为10.85、15.01、19.96、26.18 J/s ，与裸地相比，耕地状态集水区的径流能耗增加了约20%。集水区裸地状态下沟壁的径流能耗的稳定值分别为3.57、8.12、9.79、16.61 J/s ，集水区耕地状态下沟壁的径流能耗分别为5.49、9.59、15.51、18.66 J/s ，集水区耕地状态下沟壁径流能耗比裸地状态下增加了约37%。集水区裸地状态下沟床的径流能耗的稳定值分别为6.62、19.42、30.49、44.64 J/s ，集水区耕地状态下沟床的径流能耗的稳定值分别为11.36、17.71、23.33、29.59 J/s ，二者的径流能耗相近。由此可见，集水区农耕活动会导致冲沟各部位的径流能耗有所增加，但其差异并不显著。

随着冲刷时间增加，冲沟各部位的径流能耗的变化趋势较为接近。随着冲刷时间的增加，裸地状态下和耕地状态下的冲沟集水区、沟壁和沟床的径流能耗均呈现先增加后趋于稳定的变化趋势。这表明耕作活动不会对径流能耗的时间变化趋势产生明显影响。

图5 冲沟沟头径流能耗随时间的变化趋势 Fig.5 Change trend of energy consumption of gully runoff at gully head with time

3.3.2 侵蚀单位土体的径流能耗的变化特征

试验发现，随着放水冲刷时间的增加，裸地和耕地状态下冲沟集水区、沟壁和沟床的侵蚀单位土体的径流能耗均呈现出先增加后趋于稳定的变化趋势，这表明农耕活动对侵蚀单位土体径流能耗的时间变化趋势影响较小。

相比于裸地状态下集水区，集水区为耕地时侵蚀单位土体径流能耗会显著降低。从图6 可见，裸地状态下集水区侵蚀单位土体的径流能耗稳定值分别为0.78、0.89、0.90、0.97 J/g，耕地状态下集水区的侵蚀单位土体的径流能耗稳定值分别为0.44、0.47、0.49、0.43 J/g，耕地集水区侵蚀单位土体的径流能耗相比裸地集水区减少约50%。集水区裸地状态下沟壁侵蚀单位土体的径流能耗分别为4.15、5.70、4.56、5.48 J/g，集水区耕地状态下沟壁侵蚀单位土体的径流能耗分别为5.40、7.60、11.13、11.41 J/g，集水区耕地状态下沟壁比裸地状态下沟壁侵蚀单位土体的径流能耗略微增加，但整体来看，差异并不显著。与此同时，集水区处于不同处理状态下，沟床的侵蚀单位土体径流能耗也没有产生显著影响。这表明在集水区进行农耕活动会导致集水区侵蚀单位土体径流能耗显著降低，侵蚀、搬运相同质量的土体所消耗的能量减少，但在集水区进行农耕活动并不会对沟壁、沟床侵蚀单位土体径流能耗产生显著影响。

图6 冲沟沟头侵蚀单位土体的径流能耗随时间的变化趋势 Fig. 6 Change trend of energy consumption per unit soil loss of gully runoff at gully head with time

4 讨 论

干热河谷区冲沟广泛分布，当集水区处于不同土地利用类型时，冲沟发育速度并不同[18]。查明集水区处于不同土地利用类型时冲沟溯源侵蚀速率及其水动力学差异，以及研究农耕活动对冲沟溯源侵蚀过程的影响机制，可以为该区域采取针对性的冲沟防治措施奠定理论基础。

集水区处于耕地状态时，集水区径流阻力系数比裸地状态增加了5～10 倍，沟床径流阻力系数比裸地增加了约2 倍，这表明改变集水区地表粗糙度能够显著改变冲沟沟头的径流阻力系数变化趋势。前人研究表明，耕作导致的地表土壤粗糙度改变会显著改变地表径流过程[19-21]。相比于裸地状态集水区，集水区为耕地状态时地表土壤粗糙度显著增加，从而导致土体对径流的阻力系数会明显增大。

当集水区为裸地状态时，集水区和沟床的径流阻力系数均呈现先增大后逐渐趋于稳定的趋势；相反地，当集水区为耕地状态时，集水区和沟床的径流阻力系数均呈现出先减小后趋于稳定的趋势。这是由于在放水试验初期，裸地集水区和沟床地表均较为平整，径流宽度较大，径流深较小，径流阻力系数也较小，但随着径流不断剥蚀地表土壤，细沟逐渐形成，分散的径流逐渐汇集形成股流，径流宽逐渐减小，径流深增加，阻力系数逐渐增加并趋于稳定。当集水区处于耕地状态时，初始集水区地表土壤粗糙度较高，随着放水冲刷试验进行到 90 min 后，径流不断剥蚀地表土壤，逐渐形成较为平滑的细沟，径流的阻力系数显著减小，并在90 min 后逐渐趋于稳定。在沟床部位，径流阻力系数均明显大于集水区，与此同时，由于初始状态下集水区阻力系数较大，径流消耗的能量较多，随着冲刷时间的增加，阻力系数逐步变小，所以沟床的阻力系数也随之呈现逐渐减小后趋于稳定的趋势。

径流能耗表征了径流在土壤侵蚀过程中克服土体阻力将其剥离和搬运所做的功[16,17]。试验结果表明，径流能耗与土壤侵蚀速率的时间变化存在相反的趋势，即随着冲刷时间增加，径流能耗呈逐渐增加并趋于稳定的趋势，但是土壤侵蚀速率呈逐渐减小并趋于稳定的趋势。这是由于金沙江干热河谷区不同层次土体之间风化程度存在显著差异，以及表层土体易开裂所致。在金沙江干热河谷区，土壤类型以燥红土为主，气候干热，太阳辐射强，从而导致表层土壤逐渐开裂变得疏松，而下层土壤由于没有暴露在阳光下而相对较为紧实[22]。当径流逐渐下切到下层土壤时，径流下切所需的径流能耗也更大，即相同径流能耗能够侵蚀和搬运的土壤量更少，侵蚀单位土体的径流能耗则显著增加。此外，本研究结果表明，耕作后地表侵蚀单位土体径流能耗会显著降低。因此，在冲沟治理过程中，应尽量减少人为耕作活动，避免加速冲沟发育区土壤侵蚀速率。此外，相比于径流能耗，侵蚀单位土体径流能耗这一指标更能够反映冲沟溯源侵蚀动力过程变化趋势。

5 结 论

本研究通过野外放水冲刷试验，对比集水区分别为裸地和耕地两种状态下冲沟沟头不同部位的侵蚀特征和水动力参数变化，得出以下结论：

1）在集水区进行耕作活动会加速集水区部位的土壤侵蚀速率，但在集水区进行耕作活动对沟壁和沟床的土壤侵蚀速率影响并不显著。

2）在集水区进行农耕活动会显著改变冲沟沟头不同部位的径流阻力系数及其时间变化趋势。与裸地相比，耕作后集水区、沟床的阻力系数分别提高了约6.96 倍和2倍。与此同时，相比于集水区为裸地状态时径流阻力系数呈现先增大后逐渐趋于稳定的趋势，在集水区进行农耕活动会导致沟头不同部位径流阻力系数呈先减小后逐渐趋于稳定的时间变化趋势。

3）耕作活动会导致侵蚀单位土体径流能耗显著降低，从而增加整个坡沟系统的土壤侵蚀量。当集水区处于耕地状态时，集水区侵蚀单位土体的径流能耗比裸地状态降低了约50%，但集水区的农耕活动并不会对沟壁、沟床侵蚀单位土体径流能耗产生显著影响。