红壤坡面细沟侵蚀参数提取研究

2021-02-05廖凯涛宋月君左继超

中国水土保持 2021年2期

廖凯涛，宋月君，杨洁，左继超

(1.江西省水土保持科学研究院江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌 330029；2.江西师范大学地理与环境学院，江西南昌 330029)

细沟侵蚀是坡耕地上常发生的一种侵蚀形式，对坡面产沙有着非常重要的贡献[1]。细沟侵蚀不仅是坡面泥沙的重要来源，而且对坡面地形地貌的发育、演变存在重要的潜在影响[2]。受降雨、坡度、土壤质地等因素影响，细沟在坡面上发展成复杂的侵蚀形态，具有显著的时空变异特征[3]，影响坡面产沙产流，因此对细沟侵蚀的试验研究对于坡面土壤侵蚀预报模型的建立和预防治理等都有着重要的作用。

科研人员对坡面细沟形态进行了研究，并取得了大量结果，目前采用较多的测量方法有测尺法、测针板法、三维激光扫描法及立体相对法[4-7]，研究区域主要集中在黄土高原的黄土区[8]、东北黑土区[9]、褐土区[10]，以及西南紫色土区[11]。总结已有的研究成果，大多是依靠人工模拟降雨试验或者开展水冲试验，针对天然降雨条件下南方红壤坡面细沟侵蚀的研究较少。近年来，无人机技术发展较快，该技术具有便携、高效、高精度等优势，为在野外开展坡面细沟侵蚀研究提供了条件[12]。本研究以南方丘陵区典型侵蚀性土壤——红壤为研究对象，在野外坡面布设径流小区，利用无人机摄影测量技术与计算机数字图像处理相结合的方法，开展细沟侵蚀参数研究，以期完善红壤细沟侵蚀参数，为土壤侵蚀物理模型的建立提供参数支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验小区

本次试验于2017年在江西水土保持生态科技园内进行。园区创建于2000年，位于江西省九江市德安县城郊燕沟小流域(东经115°42′～115°43′、北纬29°16′～29°17′)，总面积80 hm2，按功能分为科研实验区、生态建设区、科普推广区、推广示范区，是全国首批水土保持生态科技示范园[13]。园区地处我国红壤分布的中心区域，土壤性质在南方红壤丘陵区具有典型代表性。本研究选取园区内科研实验区3个裸露的试验小区作为研究对象。3个小区均修建于2012年，各小区之间用水泥挡墙隔开，填充土壤均为第四纪红土，土壤容重1.40±0.24 g/cm3，有机质含量3.5 g/kg，黏粒、粉粒与砂粒质量分数分别为19.76%、49.89%、30.35%。试验小区基本情况见表1。

表1 试验小区基本情况

1.2 试验设计

试验航拍使用的是大疆精灵4四旋翼无人机，云台相机为20 mm(35 mm格式等效)低畸变广角相机，有效像素为1 200万。本次试验无人机航拍设计为：在每个试验小区水泥挡墙4个角点及长坡中间位置共设置6个标靶，用于后期的无人机影像拼接及校正；无人机在各小区自左往右、自上往下飞行，飞行高度7 m，旁向重叠率为65%，航向重叠率为80%，垂直坡面与垂直水平面各航拍一次。

1.3 数据处理

采用Agisoft PhotoScan Professional软件处理无人机航拍的影像，通过加载照片、检查照片、识别标靶、对齐照片、生成点云、生成密集点云、去除无效点云，获取坡面小区高精度的DEM；用ArcMap软件处理DEM数据，提取细沟沟网；用Global Mapper软件，获取坡面细沟形态特征参数，包括细沟沟头发育长度，自坡顶往下每隔1 m断面的细沟宽度、深度、宽深比、侵蚀沟数量；计算各断面的细沟平均宽度、平均深度和平均宽深比(即该断面所有细沟宽度、深度和宽深比的平均值)，各坡位的细沟平均宽度、平均深度和平均宽深比(即该坡位内所有断面细沟宽度、深度和宽深比的平均值)，各坡位细沟分布密度(即该坡位内所有侵蚀沟数量与面积的比值)。

2 结果与分析

2.1 细沟侵蚀的空间特征

图1为3个小区坡面经过5年自然降雨冲刷侵蚀后细沟沟网的空间分布, 各小区坡面细沟沟网已经形成，均发育出多条连续的细沟。表2为不同小区不同坡位细沟的分布密度、平均宽度、平均深度和平均宽深比等。

图1 各小区坡面细沟沟网空间分布

由表1可知，1号小区坡度最小。其上坡位坡面平整，水流相对均匀，径流侵蚀力较弱，以面蚀为主，未见细沟发育；中坡位细沟开始发育，细沟数量为16条，分布密度为1.00条/m2，平均宽度、深度分别为29.65、4.51 cm；下坡位受径流作用影响，细沟发生合并，分布密度降至0.63条/m2，平均宽度减小为25.21 cm，平均深度增加为8.05 cm。2号小区坡长最长，其上坡位已经有细沟侵蚀发育，细沟多为浅宽型，平均宽度、深度分别为19.66、2.39 cm，分布密度为0.65条/m2；中坡位分布密度为1.00条/m2，平均宽度较上坡小，平均深度较上坡大，细沟向窄深型发展；下坡位细沟分叉减少，细沟数量减少，分布密度为0.80 条/m2，细沟在坡底部位交汇合并，平均宽度较中坡增加，达到18.81 cm。3号小区坡度最大、坡长最短。其上坡位虽集水面积小但坡度大，已有细沟发育，分布密度为0.60条/m2，平均宽度、深度分别为22.43、3.40 cm；中坡位细沟发育成熟，数量最多，分布密度较上坡增加200%，为1.8条/m2，平均深度增加，细沟向窄深型发展；下坡位细沟在坡底部位交汇合并，细沟分叉减少，分布密度为0.96条/m2，平均宽度、深度较中坡增加，分别为24.34、5.13 cm。

表2 各小区不同坡位细沟的分布密度、平均宽度、平均深度和平均宽深比等

通过试验分析，3个小区经过5年的降雨冲刷，细沟不断分叉和合并形成沟网，上坡位为浅宽型细沟；经过上坡位的细沟汇流及细沟间横向溢流，中坡位细沟数量增加，达到最大，细沟为深窄型，沟网密度也是最大；下坡位沟网合并，细沟数量减少。

2.2 沟头发育特征

各小区坡面细沟沟头发育长度见图2。由图2知，1号小区有较明显的细沟9条，是3个小区中数量最少的，沟头平均发育长度为4.27 m，是3个小区中最长的，占整个坡面长度的38.19%，最短长度为4.08 m；2号小区有较明显的细沟10条，沟头平均发育长度为1.99 m，是3个小区中最短的，占整个坡长的16.56%，最短长度为1.40 m；3号小区有较明显的细沟12条，是3个小区中最多的，沟头平均发育长度为2.42 m，占整个坡长的28.50%，最短长度为1.31 m。

图2 各小区坡面细沟沟头发育长度

2.3 细沟宽度特征

图3为各小区细沟平均宽度随坡长的变化特征。由图3知，1号小区细沟各断面宽度在17.33～29.78 cm之间，平均宽度为24.22 cm，是3个小区中最大的；在坡长6 m处达到最大值29.78 cm，后逐渐减小，至坡长10 m处达最小值17.33 cm，随后又逐渐增加，整体大致呈现两头宽中间窄的趋势。2号小区各断面沟宽在15.73～21.59 cm之间，平均宽度为18.62 cm，是3个小区中最小的；整体变化趋势不明显，从上坡位到中坡位呈现波动变化，到下坡位后又呈现增大的趋势，并在坡底处达到最大值21.59 cm。3号小区各断面沟宽在20.66～27.19 cm之间，平均宽度为23.18 cm；沟宽整体变化不大，最大值出现在坡长6 m处。

整体上看，3个小区的平均沟宽随着坡长增加均大致呈两头宽中间窄的类U形，分析其原因：上坡位是侵蚀沟发育的集水面，存在一定的面蚀，侵蚀沟宽度大；中坡位是侵蚀沟发育区，主要是细沟侵蚀和切沟侵蚀，沟宽小；下坡位是侵蚀沟泥沙堆积区，侵蚀沟汇合，沟宽增大。

图3 各小区细沟平均宽度随坡长的变化特征

2.4 细沟深度特征

图4为各小区细沟平均深度随坡长的变化特征。由图4知，1号小区细沟各断面深度在2.06～9.44 cm之间，平均深度为6.03 cm，是3个小区中最大的；沟深在坡长10 m处达到最大值。2号小区细沟各断面深度在1.31～10.02 cm之间，平均深度为4.29 cm，是3个小区中最小的；沟深在坡长6 m处达到第一个峰值4.8 cm，后先减少再增加，在坡长11 m处达到最大值10.02 cm，之后又开始减小。3号小区细沟各断面深度在2.93～6.12 cm之间，平均深度为4.39 cm；沟深在坡长6 m处达到最大值，之后开始减小。

整体上看，细沟平均深度随着坡长增加大致呈先增大后减小的变化趋势，这与黄土坡面细沟侵蚀形态相似[8]，可能与降雨过程中径流能量变化有关。在多次降雨过程中，随着坡长的增加，径流量变大，侵蚀能量增强，同时径流含沙量也变多，径流搬运泥沙所消耗的能量变大，导致侵蚀减弱。径流侵蚀能量和搬运泥沙所消耗的能量相互消长，导致径流能量沿程呈现先增后减的变化，表现在细沟深度变化上也是如此。3个小区均在下坡位快到坡底的断面处细沟深度达到最大值，而后又减小。下坡位是细沟泥沙汇聚的地方，也是侵蚀力最强的地方，在下坡位初期侵蚀沟继续下切，沟深加大，但最后一个断面靠近径流小区下缘位置，是侵蚀泥沙的堆积区，坡面坡度发生了变化，导致沟深不增大反而变小。

图4 各小区细沟平均深度随坡长的变化特征

2.5 细沟宽深比特征

图5为各小区细沟平均宽深比随坡长的变化特征。由图5知，1号小区各断面的宽深比在2.60～14.18之间，平均宽深比为6.68，是3个小区中最大的；初始断面的宽深比为14.18，也是3个小区相同断面中最大的；宽深比随坡长的增加而减少，在上坡位变化速率较大，随后变化速率变缓，在下坡位倒数第二个断面达到最小值。2号小区各断面宽深比在2.45～13.91之间，平均宽深比为5.81；初始断面的宽深比最大，为13.91，宽深比随坡长的增加而减少，上坡位减少速率最快，中、下坡位减少速率变慢，在下坡位倒数第二个断面达到最小值。3号小区各断面宽深比在4.52～8.26之间，平均宽深比为5.51，是3个小区中最小的；上坡位初始断面的宽深比最大，下坡位各断面的宽深比最小，总体随坡长增加呈减少的趋势。

图5 各小区细沟平均宽深比随坡长的变化特征

整体上看，3个小区的细沟平均宽深比均随坡长的增加而减小，在倒数第二个断面时达到最小值(3号小区在倒数第三个断面达到最小值)。这是由于上坡位细沟从面蚀发育而来，细沟头部侵蚀沟多以宽型浅沟为主，宽深比大；随坡长增加，细沟以切沟发育为主，切沟多为窄深型沟，宽深比随着坡长增加而减少；随着坡长进一步增加到达下坡位，降雨的能量不足与径流搬运泥沙所消耗的能量加大，导致泥沙在坡底堆积，细沟深度变浅，同时细沟合并，宽度变大，宽深比在下坡位达到最小值。

2.6 细沟宽深的关系拟合

不同小区的细沟宽度和深度的相关关系见图6。1号小区的细沟深度随宽度的增大而减少；2、3号小区细沟宽度随深度的增加而增加；3个小区中2号小区的细沟宽度和深度拟合关系最好。从全部小区数据综合分析，整体大致呈现出细沟深度随宽度的增加先增加后逐渐平稳，这与黄土区的相关研究结果类似[14]。92.06%的细沟深度小于12 cm，93%的细沟宽度小于35 cm，比黄土细沟侵蚀的宽度和深度小，这可能是由于第四纪红土的黏性和抗蚀性均较强。