全坡面水土流失时空分异规律及观测技术研究进展

许文盛,谷金钰,孙宝洋,张志华,张文杰,李 力

(1.长江科学院 水土保持研究所,武汉 430010;2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心,武汉 430010;3.水利部科技推广中心,北京 100032)

1 研究背景

全坡面是介于传统坡面和流域尺度之间,研究水土流失时空分异规律的基本单元。全坡面水土流失过程受气候、微地形、土壤、植被、水力、水文等因素的影响[1-2],但对于某确定坡面,其水土流失过程尤其受坡长、坡度、坡位和地块单元空间异质性的影响,这也是全坡面与传统研究坡面最大的区别。坡长产生的泥沙输移和沉积的尺度效应导致侵蚀地貌形态演变和侵蚀链的形成,是影响全坡面土壤侵蚀过程最主要的因素[3]。地块单元分布格局是土地利用的一种表现形式,受坡长、坡度、坡位等因素影响,径流汇集过程和泥沙运移路径的连通性被改变,对水土流失过程影响显著[4-5]。郑粉莉等[6]基于子午岭大型坡面径流场,研究完整坡面的土壤侵蚀过程,发现所测定的林地与非林地泥沙量比值可用于小流域。坡面不同地块单元组合下径流产、汇过程,泥沙搬运及沉积等是揭示全坡面水土流失差异的重要因素,但目前对全坡面尺度的水土关键要素时空分异规律,特别是观测方法还鲜有研究。

水土流失观测是获取原位数据的重要手段,是开展水土流失及其影响因子研究的基础,也是理论和模型发展的重要组成[7-9]。我国水土流失观测主要分为微观和宏观两个方面,前者重点以样地、观测小区、坡面为主,后者则是基于地表覆盖信息的遥感监测和小流域卡口站观测[10]。发展至今,土壤侵蚀观测不断向着高时效性、自动化及系统化趋势发展,精度也从定性到定量再到精确定量[11-13]。目前水土流失观测方法主要有测钎法、径流小区法、模拟降雨试验法、水文资料法、沉积法、示踪法、近地面摄影测量等,但这些方法均具有局限性,无法实现多过程或多场景的观测[14-17]。在土地利用高度破碎及复杂的地区,水土要素迁移转化过程复杂多变,导致现有技术的观测结果难以有效指导实践。全坡面作为径流小区和小流域尺度转换的纽带,其观测结果不仅可以有效解决径流小区至小流域水土流失过程不连续的问题,而且为解决水土流失尺度转换问题提供有效途径。

为此本文对全坡面水土流失时空分异规律及观测技术的相关研究进行了总结,提出未来全坡面研究的发展趋势和研究重点,以促进多尺度水土流失规律及防治技术研究的创新与深化。

2 水土流失单元类型划分

2.1 水土流失单元

水土流失单元界定是准确观测水土流失规律的前提,观测对象不同,水土流失单元也有所差异[18]。在考虑空间尺度效应的土壤侵蚀定量评价中,根据我国水土流失及环境特点,水土流失单元一般可划分为坡面小区、大型坡面、小流域、区域共4个层级。目前,针对坡面尺度的径流小区和大型坡面水土流失单元的研究已相对成熟,在坡面尺度的雨滴溅蚀、面蚀、细沟侵蚀、浅沟或切沟等方面取得了大量研究成果[16,19-20]。以小流域为单元的水土流失过程,并非是对坡面尺度溅蚀、面蚀、沟蚀的简单叠加,其水土流失过程受流域内地形、植被、气候、土壤、土地利用和人类活动等相关环境要素的影响显著,而这些要素具有强烈的空间异质性,外加沟道侵蚀,导致小流域尺度土壤的剥蚀、搬运和沉积并非是一个完全连续的过程,难以用基于坡面的侵蚀机制来表达流域侵蚀过程[10-11]。对于区域水土流失单元而言,情况则更为复杂,地形条件、植被类型及土地利用等空间变化的随机性,决定了区域水土流失单元是一种典型非线性的分布式参数系统[21]。

全坡面介于地块单元尺度和小流域尺度之间,是坡面径流小区向流域过渡的基本单元,但目前对其监测技术体系的研究相较于其他尺度成果较少,外加在小流域尺度上仍缺少连续有效观测,进而限制了从坡面到流域针对径流—侵蚀—输沙过程的空间尺度效应研究。

2.2 全坡面界定

坡面起点和终点的厘定是界定全坡面的前提,也是地貌学、水文学和土壤侵蚀研究领域中极富挑战性的工作[22]。坡面的起点一般厘定为在流域的分水岭,而对坡面的终点,在不同的研究领域或数值模型中则有不同的定义。在通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)及其改进模型中,坡面终点定义为明显沉积区或者河网[23]。这种定义是因为USLE模型只考虑侵蚀过程,无法估算沉积量。而水蚀预报模型(Water Erosion Prediction Project,WEPP)和牧草区水蚀模型(Rangeland Hydrology and Erosion Model,RHEM)等一系列基于物理过程的模型,在模型构建中考虑了泥沙沉积过程,因此坡面的终点定义为河网[24-25]。Montgomery[22]、Tarolli等[26]和Tarboton等[27]通过建立Slope-Drainage Area(SA)图,将流域内所发生的水文、侵蚀过程划分为坡面过程、坡面-沟网过渡过程及沟网过程。相关野外调研数据表明,SA图中所确定的坡面终点很可能是流域内的河谷(un-channeled-Valley)而非河网(Channel)[26]。Cochrane等[28]把流域内沟网作为坡面的终点,将流域概化为河岸左、右、上3个全坡面。这种概化方式在WEPP和RHEM模型中得到应用。在我国黄土高原地区,存在一种特殊的“坡沟”地貌单元,全坡面是否包括沟道坡面仍然存在一定的争议。

对于坡面的起点,其厘定方式与终点差异明显。在数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)处理过程中,分水岭一般定义为不同流域的相邻边界[29]。换言之,提取分水岭首先要将流域离散成子流域,继而确定相邻边界。但受限于DEM分辨率、水流路径算法、沟网准确度等,流域离散结果存在一定的差异。此外,沟网具有不同的等级,因此据此离散的流域、获取的相邻流域边界也会具有不同的等级,进而导致坡面起点厘定也存在较大的不确定性。Pelletier[30]、Passalacqua等[31]和Clubb等[32]提出了基于地形阈值的沟网提取方法。而沟网提取的方法也较多,传统方式是预设一个汇水面积阈值,当栅格内汇水量大于阈值时,这一栅格被划定为沟道栅格。

总体来看,全坡面定义为分水岭至河网是较为被学界接受、使用的一种方式。因此,基于以上研究,可将全坡面定义为位于分水岭之间从坡顶到坡脚表现为单一坡面的独立集水单元,可作为水土流失多尺度观测与转换的基本单元。

3 全坡面水土流失分异规律

3.1 水土关键要素与影响因素

本文中水土关键要素主要包括径流、泥沙,土壤中碳、氮、磷等养分。径流驱动下,土壤颗粒发生分离、搬运和沉积,进而土壤侵蚀过程发生,壤中流的发育也促进了该过程;此外,土壤侵蚀发生时,坡面碳、氮、磷等养分也随地表径流一同流失,并随土壤水入渗向深层淋溶[33-34]。土壤侵蚀使土壤中有机碳、氮的含量、组分产生变化,进而影响生源要素(碳、氮、磷、硫)的循环与变化[1]。现有研究主要针对地块单元、径流小区及小流域尺度的径流、泥沙、碳、氮、磷等水土流失通量物质的迁移转化,针对地块单元间泥沙沉积过程及要素传递关系的研究明显不足。在土壤分离、泥沙输移和沉积过程中,主控因素差异显著,导致水土关键要素的耦合程度具有极明显的异质性和不确定性[2]。基于全坡面尺度,定量解析不同坡度、坡长、坡位、地块单元等空间分布格局下,径流、泥沙、碳、氮、磷等关键要素的连通性,是土壤侵蚀研究中传统坡面与流域尺度转换的关键。

土壤侵蚀影响因素的空间异质性和时间变化限制了从一个空间尺度到另一个空间尺度的信息转换[35-36]。全坡面作为坡面和流域尺度转换的桥梁,水土关键要素的迁移转化具有明显的时空变异特征。在次降水过程中,降水、地形、植被和土地利用等动力和下垫面因素,通过影响降水截留、土壤入渗、土壤水分运动与再分布等来影响水土流失过程;在月、年等中长期时间尺度上,温度、降水分布、植被生长特性、土地利用和气候变化等,通过改变侵蚀环境效应来影响水土流失过程[2]。空间上,样点或地块尺度是分析全坡面水土流失时空分布差异的基础,着重考虑微地形、土壤性质、植被等对水土关键要素的影响;从坡面到全坡面、再到沟道和小流域,径流和泥沙沿着长坡面向细沟、浅沟、切沟,从上坡向下坡、从坡面向沟坡及沟道,水力侵蚀的影响逐渐降低,沟蚀和重力侵蚀的影响逐渐增强,进而水土关键要素迁移转化的影响因素与驱动机制不断变化[13, 24]。

3.2 全坡面产流产沙规律

全坡面由于坡面宽阔,径流易于集中,降雨产流后,坡面径流形态除少部分为薄层片流外,大多为股流,侵蚀形态一般既有片蚀和细沟侵蚀,也在部分地区有浅沟和切沟侵蚀,以及沟头崩塌等重力侵蚀,其测定的水土流失量代表了自然坡面实际流失量。然而,受坡长、坡度、坡位和地块单元分布格局等因素的影响,全坡面产流产沙过程具有明显的空间分异特征。

3.2.1 坡长的影响

区别于径流小区或样地,坡长导致的尺度效应是影响全坡面水土流失过程最主要的因素[37]。坡长主要通过影响坡面集雨量、土壤入渗、坡面径流、泥沙输移沉积和坡面细沟分布等来影响坡面水力侵蚀过程。Parsons等[38]采用坡长为2.00～27.78 m的试验小区,发现产沙量随坡长的增加先增加后剧烈减少,坡长为7 m时产沙量达最大。有研究发现,土壤侵蚀强度随坡长(20～60 m)的增加呈先增大后基本稳定的趋势,坡长在20 m左右侵蚀产沙强度最大[39]。雷廷武等[40]通过变坡长试验,发现在一定坡度和流量下,泥沙含量随沟长的增加而增大,但增加的幅度逐渐减小并趋于稳定。郑粉莉等[41]发现,坡耕地侵蚀量随坡长的增加而波动交替,但整体无明显规律。

全坡面侵蚀强度随坡长增加的变化趋势取决于尺度效应,即侵蚀产沙和输沙能力的动态平衡关系[42],但全坡面长度和汇流面积远大于以上模拟试验。郑粉莉等[6]利用大型坡面径流场,研究发现全坡面侵蚀产沙量是标准小区的7.24倍,全坡面浅沟侵蚀模数占总侵蚀模数的43.9%,而标准小区无浅沟侵蚀发生。张乐涛等[37]通过筛选对比岔巴沟不同坡长坡面的水文观测资料,发现输沙模数、平均及最大含沙量均在全坡面尺度达到最大值,而变异系数则达到最小值。

总之,坡长增加,坡面汇流量不断增大,导致侵蚀加剧,从而坡面径流含沙量不断增加,但消耗于泥沙搬运的水流能量也在增加,导致侵蚀减弱;另一方面,坡长增加,坡面径流深增大,造成的侵蚀量也相应增加;上述二者作用相互消长,造成侵蚀从坡上向坡下不断变化[43]。

3.2.2 地块单元空间异质性的影响

土地利用的空间异质性是全坡面与径流小区的最大区别。坡面地块单元分布格局是土地利用的一种表现形式,当前将景观格局分析与水土流失时空分异特征分析相结合已成为综合自然地理学的研究热点之一[44-45]。全坡面复杂的土地利用景观斑块数、斑块形状、多样性、均匀度及破碎度等格局,影响地表径流的汇集和携沙能力,改变了径流和泥沙运移路径的连通性,对水土流失产生显著影响[5]。植被格局在不同尺度上都发挥重要作用,植被与裸地镶嵌结构组成水土流失的“源—汇”格局,调控着坡面上物质的空间分配[46-47]。丁琳等[48]探讨了不同坡度和植被分布格局下的坡面水土流失过程,发现带状顺坡、点状均匀、块状镶嵌和带状横坡的草被坡面平均侵蚀量分别较裸地减小42.9%、55.7%、62.4%和78.0%,带状横坡的阻蚀减沙作用最优,且连通性指数与坡度结合,可较好模拟评价不同草被格局坡面的侵蚀产沙。

全坡面不同坡度及自坡底至坡顶不同坡位浅沟形态特征与侵蚀量特征具有明显分异规律,坡度对浅沟发育宽度、深度、密度及复杂度有较大影响,浅沟发育以坡中较为剧烈[49]。土壤可蚀性是影响土壤侵蚀的核心要素,但受土壤理化性质空间异质性的影响,同一坡面,不同坡位或土地利用的土壤可蚀性差异明显[50]。土壤机械组成是决定土壤可蚀性的重要因素,不同土地利用类型土壤黏粒含量从大到小为荒草地>林地>农耕地;同一土地利用类型,不同坡面位置土壤黏粒含量从小到大依次为上坡、中坡、下坡[11]。

综上,全坡面上径流泥沙输移本质上是径流侵蚀能力和搬运能力平衡的具体表征,因此,从能量耗散的角度去分析侵蚀与输沙过程,是揭示全坡面土壤侵蚀影响机制的有效途径[1]。

3.3 土壤养分迁移转化规律

降雨过程中,土壤中的养分在浓度梯度作用下,通过溶解、对流、扩散等形式进入径流并随之运移;同时,由于坡面侵蚀的存在,地表径流冲刷坡面携带大量泥沙,吸附在土壤颗粒上的养分也会随之发生运移[51]。土壤养分随径流迁移是一个多因素共同作用的物理化学过程,除了侵蚀作用,养分的运动特征也对其有重要影响[52]。吸附在土壤颗粒上的养分进入水体后,会发生一系列物理化学过程,进一步溶解形成可溶性养分,加重水体的面源污染[53]。不同养分元素的吸附和溶解特性存在差异,侵蚀过程对于土壤颗粒和养分的运移具有选择性,较大的土壤颗粒更容易在径流输送过程中沉降,而较小的土壤颗粒易从坡面被带走[54],因此不同形态的土壤养分存在不同的运移特征。为了预测与控制坡面径流、泥沙和养分的流失,大量学者以水分、养分在坡地上的二维运动为核心,开展土壤养分要素运移的动力学研究[33, 55]。

碳氮磷等养分是农业生产力的重要限制因素,坡面水土关键要素中碳氮磷流失是形成面源污染最重要的原因。土壤有机碳对于改善土壤质量,提高土地生产力水平,降低土壤可蚀性及促进生态修复的进程都具有重要意义。张晓霞等[56]研究发现土壤有机碳分布主要受降雨径流及植物根系的影响,阴坡有机碳含量>半阴坡>半阳坡>阳坡;相同地貌部位,不同坡向有机碳均发生垂向的淋溶迁移;相同坡向,峁坡和沟坡土壤有机碳剖面分布基本一致。氮素流失过程中主要存在硝态氮和铵态氮2种形式,在土壤中硝态氮相较于铵态氮更加稳定[57]。植被覆盖可有效减少土壤侵蚀。由于土壤全氮多为有机氮且与土壤颗粒结合紧密,因此植被在防止土壤颗粒流失的同时,相应地削减了土壤全氮的流失,且随着覆盖度的增大,削减作用随之增加;而土壤矿质氮的流失,随着覆盖度的增加而加剧[58-59]。磷是土壤生态系统中重要的元素之一,植被生长过程中所利用的磷最主要的来源途径是吸收土壤中的磷素[60]。磷易于被土壤细颗粒吸附,水蚀优先去除土壤中与磷有关的较细的部分,导致吸附态磷流失集中[61]。当降雨强度和坡度较小时,随径流迁移的可溶性养分所占比例较高;当降雨强度或坡度较大时,土壤侵蚀量增加,养分流失以泥沙吸附形态为主[53, 59]。土壤结构性发育较好的土壤,由于其大团聚体含量高,土壤大孔隙也较为发育,因而入渗性能较好,地表产流量与产沙量会相对减少,从而相对减少养分的流失[62]。

综上,受众多因素影响,全坡面水土关键要素迁移转化是一个复杂的物理化学过程,全坡面坡长、坡度、坡位和地块单元的空间变异性,导致径流、泥沙、碳、氮、磷等水土流失关键要素迁移转化的研究具有明显的复杂性和不确定性。随着高精度观测技术的进步以及数字孪生能力的发展,构建全坡面观测体系,量化水沙连通性和水土关键要素传递关系,是解析全坡面水土流失规律的有效途径。

4 全坡面水土流失观测技术

4.1 水土关键要素观测方法

水土流失观测经历了从定性到半定量与定量,从单一手段到多途径、多学科协调研究的历程[10]。观测方法主要有测钎法、径流小区法、模拟降雨试验法、水文资料法、沉积法、示踪法、近地面摄影测量等,但由于各方法的局限性,难以对水土流失过程在所有尺度上进行准确有效的观测[63]。例如,径流小区法[64]是定量研究水土流失的常规方法,主要用于面蚀,可用模板、混凝土等材料围成矩形小区,操作简单,但受场地限制,其观测的土壤质地一般为单种因素[65];模拟降雨试验是研究水土流失广泛使用的方法,常根据区域水文特征和地形条件,概化设计试验,能够揭示土壤侵蚀规律和水土流失影响因子[66-70],但试验受场地限制,水土关键要素的观测也仅能满足单一土壤质地需求,且缩尺比例下的试验条件在时间、空间尺度转换方面也存在较大的难度[71]。以上2种方法适合于径流小区尺度的水土流失观测,但无法考虑坡面土壤结构及成分、土地利用类型、微地形、水土保持措施等要素空间分布及人类活动因素的影响。同时,狭义的土壤侵蚀往往直接影响着水土流失的观测方法与结果[72]。

随着高新技术的不断创新,示踪法、近地面摄影测量、“3S”、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等技术逐渐应用于全坡面水土流失观测。示踪法主要依靠放射性元素[12-13]、稀土元素[14]、同位素及磁性等示踪技术,可对比分析不同时间和空间尺度下各元素含量与自然本底值的差异,揭示水土流失规律,观测结果相对容易和准确,但观测的可靠性需依靠土壤黏粒部分的长期观测平均值,且需要较好的参考剖面[62]。近地面摄影测量方法(含无人机遥感技术)[72]可结合三维激光扫描仪获得坡面侵蚀量等高线,分析坡度、侵蚀面积与体积的关系,进而甄别水土流失在地形上表现出的细微变化[73]。“3S”技术以其快速准确获取数据、直观便捷获得分析结果等特点被广泛应用于水土流失观测,该技术运用DEM、DRG实现高程配准,配合多光谱成像、红外成像、微波成像等,实现全坡面水土流失量的精准观测[74-76]。InSAR技术能够高精度获取微小的地表形变和形变时序,实现对水土流失的定量观测[77]。

4.2 全坡面水土流失观测体系

全坡面水土流失观测多聚焦不同坡位处的流失量,可采用“3S”、卫星遥感、无人机、视频监控等空天地一体化设备进行观测,建立全坡面尺度不同景观格局下的水土流失数据采集体系。对于坡面土壤侵蚀量的观测(图1),采用卫星遥感+无人机低空测量手段,能够高精度生成DEM图像,结合插值法计算得到坡面尺度局部区域土壤侵蚀和沉积量[78-80]。针对全坡面径流、泥沙等水土要素及氮、磷等生源要素的流失程度,可采用原位径流小区长期观测及人工原位模拟降雨试验等手段。为观测全坡面水土流失量,阐明泥沙在坡面洼地处的沉积,解析全坡面不同地块单元的水土流失贡献量,需要在坡面坡脚处修建集水堰。

图1 全坡面及水土流失观测技术体系示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement technology system for soil and water loss on the whole hillslope

然而,全坡面作为以分水岭之间从坡顶到坡脚表现为单一坡面的独立集水单元,是由不同坡度的直面坡相互连接而形成的复合型坡[81],需要以全坡面为整体单元探索其水土流失规律。吕威等[82]与Rieke等[83]通过室内土槽模拟试验,重建不同数量直面坡、凸型坡、凹型坡组合的复合型坡开展,全坡面水土流失观测,揭示了不同坡型的径流流速、深度及弗劳德数的差异。上述学者在揭示变坡条件下全坡面水土流失规律的同时,采用摄影测量法开展全坡面三维地形重建,获取坡面DEM数据,探索了坡面细沟侵蚀发育过程[84]。

总之,基于多种新型观测技术,国内外水土流失观测取得了快速发展,有力促进了水土保持学科的发展。然而,上述技术只表征于水土流失量观测,在坡面水土关键要素识别、提取与定量分析等方面仍显不足,全坡面水土流失观测技术体系尚未形成,如坡面径流、面源污染等指标观还需更为精确、创新的手段[15-17]。因此,建立基于水沙连通性的全坡面水土流失观测体系,是揭示坡面径流携沙能力、地表微地形阻控泥沙搬运机制以及不同地块单元物质通量输移规律的关键手段。

5 结论及展望

(1)水土流失研究是认识径流、泥沙、养分等水土关键要素从源到汇过程的重要方式。目前水土关键要素迁移、转化机理和观测手段研究已取得了相对丰富的成果,但人们也逐渐认识到传统以样点、径流小区、坡面、小流域为基本单元的研究,在解析大尺度复杂要素驱动的产汇流过程时仍面临着诸多难题,如空间要素概化不全面、跨尺度数据难融合、多尺度结果不匹配等。而全坡面作为连接样地与小流域尺度的纽带,囊括了造成水土流失差异的潜在驱动条件和控制因素,涵盖了不同地块单元水土关键要素的传递关系。全坡面观测能够获取不同坡位和地块单元的水土关键要素动态数据,有效补充“样点-径流小区-坡面-小流域”多尺度嵌套观测网络,是解决当前水土流失尺度效应问题的有效手段。

(2)目前,全坡面观测技术体系尚无标准可依,但基于传统水土流失观测技术,综合考虑全坡面特点及其观测目标和要求,可认识到坡面场景数字孪生化和技术手段信息化是未来一段时间的重要任务和发展方向。一方面,全坡面作为多空间要素的集合体,不同的地块单元必然在土地利用格局、微地形、耕作措施等方面具有差异性,坡面场景数字孪生作为观测站点嵌套优化的底层依据和观测数据的融合输出,在数字孪生工作的引领下,势必是未来全坡面观测的重要方向。另一方面,全坡面作为分水岭之间从坡顶到坡脚的完整集水单元,其范围较大的自然属性要求采用更为宏观且具有较高精度和效率的手段,“3S”、卫星遥感、无人机、视频监控等信息化技术的融合应用也是今后一段时间内土壤侵蚀研究和水土流失管理最为关切的发展方向。

(3)坡面径流、泥沙、养分共存输移及其相互作用关系始终是土壤侵蚀、面源污染、生态修复等研究面临的挑战,全坡面的尺度效应和空间格局变异性,导致径流、泥沙、碳、氮、磷等水土关键要素迁移转化的研究具有明显的复杂性和不确定性。当前全坡面土壤侵蚀的力学机理尚未取得突破进展,水土流失过程的精确模拟也逐渐陷入瓶颈,如何通过全坡面观测提取水土关键要素的迁移、转化结果,解析土壤分离与泥沙输移间的黑箱,寻求不同尺度间侵蚀产沙的转换机理关系,并从这些尺度转换中得到普遍规律,也是今后全坡面水土关键要素迁移转化研究的重要内容和发展方向。