劉 琳，劉前進(jìn)，于興修

(1.山東師范大學(xué) 人口資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；

2.臨沂大學(xué)/山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沂 276000；

3.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

橫坡壟作細(xì)溝形態(tài)特征及其影響因素

劉 琳1,2，劉前進(jìn)2，于興修3

(1.山東師范大學(xué) 人口資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；

2.臨沂大學(xué)/山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沂 276000；

3.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

摘要：指出了橫坡壟作具有涵養(yǎng)水源，減少地表徑流與土壤肥力流失的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于坡耕地。由于具體實(shí)施中難以精確等高控制，導(dǎo)致壟向坡度的存在，在壟溝內(nèi)聚集大量雨水引起橫壟垮塌，造成細(xì)溝侵蝕。利用人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)及三維立體掃描技術(shù)對(duì)細(xì)溝形態(tài)的影響因素及其形態(tài)特征進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：增加壟高能夠明顯增加細(xì)溝最大溝寬與最大溝深；滲流對(duì)最大細(xì)溝寬度的影響呈二次函數(shù)，當(dāng)細(xì)溝最大寬度大于14.3cm時(shí)，滲流與細(xì)溝最大寬度有正影響，當(dāng)細(xì)溝最大寬度低于此值時(shí)，為負(fù)影響；滲流對(duì)細(xì)溝最大深度為正影響；總產(chǎn)沙量與滲流的關(guān)系也呈二次函數(shù)；細(xì)溝最大寬度的增加速率是細(xì)溝最大深度的1.7倍；在已有的細(xì)溝體積預(yù)測(cè)模型L-V模型(V=aLb)的基礎(chǔ)上，納入細(xì)溝最大深度提出了橫坡壟作條件下的簡(jiǎn)便細(xì)溝體積預(yù)測(cè)模型(V=a*(D*L)b)，R2從0.61提高到0.92，模型預(yù)測(cè)精度顯著提高。

關(guān)鍵詞：橫坡壟作；細(xì)溝形態(tài)；三維立體掃描儀；模型

1引言

橫坡壟作廣泛應(yīng)用于坡耕地，其不僅能夠涵養(yǎng)水源，減少地表徑流、地下徑流、土壤侵蝕量以及氮、磷、鉀等元素的總流失量，同時(shí)還能提高總作物產(chǎn)量[1,2]。橫坡耕作是防治坡耕地水土流失的經(jīng)典耕作措施，具有投入少、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于橫坡壟作在實(shí)際操作過程中，很難嚴(yán)格沿等高線進(jìn)行，導(dǎo)致壟向坡度的存在。很容易蓄集大量雨水，造成橫壟垮塌，引起細(xì)溝侵蝕。由于壟向坡度的存在，細(xì)溝很容易快速發(fā)育成淺溝[3,4]，造成大量水土流失。

細(xì)溝侵蝕在坡面侵蝕中占有重要的比重，坡面侵蝕加劇主要由細(xì)溝侵蝕引起[5]。細(xì)溝寬度、深度與細(xì)溝水力要素有密切的關(guān)系。對(duì)細(xì)溝形態(tài)微地貌進(jìn)行深刻認(rèn)識(shí)，可深入揭示坡面侵蝕產(chǎn)沙機(jī)制[6]。大量研究表明，細(xì)溝深度、細(xì)溝寬度以及細(xì)溝長(zhǎng)度與細(xì)溝侵蝕體積有冪函數(shù)關(guān)系，且提出了簡(jiǎn)化細(xì)溝侵蝕預(yù)測(cè)L-V模型[7~9]，此模型相對(duì)其他數(shù)學(xué)模型或物理模型，具有簡(jiǎn)單，并且參數(shù)易于獲取的優(yōu)點(diǎn)。

目前對(duì)溝蝕發(fā)育監(jiān)測(cè)手段主要包括測(cè)尺法、測(cè)針板法、GPS測(cè)量法和三維激光掃描等。其中三維激光掃描數(shù)據(jù)生成的DEM不僅詳細(xì)描述溝蝕演變過程，還可以具體到每條細(xì)溝的具體形態(tài)和深淺，能很好地還原坡面降雨前后的坡面形態(tài)以及進(jìn)行坡面各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)定。這是一種用于監(jiān)測(cè)降雨前后坡面微地形變化的新方法，也是坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育研究的新方向[10~12]。

本研究模擬了人工模擬降雨及滲流條件下的細(xì)溝侵蝕形態(tài)特征，通過三維立體掃描儀獲得的降雨前后細(xì)溝侵蝕微地貌的三維立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析橫坡壟作條件下細(xì)溝形態(tài)特征的影響因素，并進(jìn)一步驗(yàn)證滲流對(duì)土壤侵蝕的作用。同時(shí)提出橫坡壟作條件下的簡(jiǎn)化細(xì)溝侵蝕預(yù)測(cè)模型。

2材料與方法

2.1　試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)在山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。采用的下噴式模擬降雨器均勻系數(shù)在0.89以上。實(shí)土槽為劉前進(jìn)等[4]設(shè)計(jì)的土槽，可以同時(shí)調(diào)整坡向坡度和壟向坡度。實(shí)驗(yàn)用土為由花崗巖發(fā)育而來且含沙量較高的棕壤(表1)。

表1　試驗(yàn)土壤質(zhì)地特征

注：土壤質(zhì)地采用USDA的土壤分類系統(tǒng)進(jìn)行劃分

2.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)前將土樣自然風(fēng)干并過10.0mm篩，以去除石塊和雜草的影響。填充土槽時(shí)，最下面以1.6g·cm-3的容重填充20cm厚的土層代表犁底層。犁底層之上填充耕作層，容重為1.2 g·cm-3。每個(gè)試驗(yàn)土層所需填土量按照調(diào)整因子水平后土槽體積計(jì)算，其中壟形狀設(shè)計(jì)為較低的壟面的投影長(zhǎng)度為另一壟面的兩倍，以保證與野外實(shí)際耕作應(yīng)用的壟形狀相同。如圖1所示，土槽中共填充兩壟。為增加土表均勻性，每次實(shí)驗(yàn)開始前12h進(jìn)行雨強(qiáng)為20mm·h-1的60 min的預(yù)降雨。

圖1　實(shí)驗(yàn)土槽

實(shí)驗(yàn)共分為兩個(gè)階段：灌水階段和模擬降雨階段。灌水階段：通過管子(a)進(jìn)行壟間灌水，灌水流速設(shè)置為3L min-1。兩個(gè)小水管(b)穿過槽子固定在壟溝底部，用來保持壟間水面高度始終比壟最低點(diǎn)低1cm左右。該階段從坡底部，即槽子最下端的出口處，有滲流產(chǎn)生開始共計(jì)60min。在出水口采集最后2min的滲流量稱重，灌水階段結(jié)束。停止灌水的同時(shí)即刻開始進(jìn)入人工模擬降雨階段，降雨時(shí)長(zhǎng)持續(xù)到壟垮塌后15min結(jié)束，采用雨強(qiáng)為39±0.4 mm·h-1。

采樣間隔為2min，采集的樣品立刻稱重，然后在105°C溫度下24h烘干獲得侵蝕產(chǎn)沙量。

2.3　數(shù)據(jù)處理

每次降雨前后用三維激光掃描儀(Trimble GX)對(duì)坡面細(xì)溝進(jìn)行掃描，生成降雨前后的坡面的三維立體掃描點(diǎn)云。首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，使用掃描儀自帶的Trimble Realworks 6.5軟件的OfficeSurvey模塊對(duì)降雨前后的壟面進(jìn)行對(duì)比分析，從而提取細(xì)溝幾何特征。提取的特征主要包括最大溝深、最大溝寬、細(xì)溝溝長(zhǎng)以及細(xì)溝體積?？倧搅髁恳约翱偖a(chǎn)沙量通過所采集樣品計(jì)算總和獲得。

3結(jié)果與分析

3.1　細(xì)溝形態(tài)的影響因素

實(shí)驗(yàn)共包括10個(gè)處理，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和10，實(shí)驗(yàn)2和7，實(shí)驗(yàn)3和8以及實(shí)驗(yàn)6和9，壟向坡度對(duì)最大細(xì)溝深與最大細(xì)溝寬無明顯影響。對(duì)比實(shí)驗(yàn)2和3，實(shí)驗(yàn)4和6，實(shí)驗(yàn)7和8，實(shí)驗(yàn)9和10，發(fā)現(xiàn)壟高的增加能夠明顯增加滲流量并加大細(xì)溝最大深度和細(xì)溝最大寬度(表2)。細(xì)溝寬深比在本實(shí)驗(yàn)中，并沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。已有研究表明等高線偏離度越大細(xì)溝發(fā)育越完全，有細(xì)溝發(fā)生坡面等高線偏離度是無細(xì)溝坡面的1倍以上[13]。坡度對(duì)細(xì)溝總長(zhǎng)、平均細(xì)溝深和細(xì)溝侵蝕量以及細(xì)溝平均寬度都有顯著的影響[14]。

表2　實(shí)驗(yàn)因子水平及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)是在橫坡壟作滲流條件下發(fā)生的細(xì)溝侵蝕，其中壟高對(duì)細(xì)溝形態(tài)有明顯影響，這是由于壟高可以增加壟溝內(nèi)蓄積水量從而增加滲流壓力與滲流量，從而加劇侵蝕量，并且較高的壟高也會(huì)加劇橫壟垮塌瞬間的重力侵蝕，從而加大細(xì)溝寬度與深度。其中10號(hào)實(shí)驗(yàn)具有最大滲流量，其對(duì)應(yīng)的最大細(xì)溝寬度為所有實(shí)驗(yàn)最大值22.64cm。5號(hào)實(shí)驗(yàn)也產(chǎn)生了較大滲流，其對(duì)應(yīng)的最大細(xì)溝深度為所有實(shí)驗(yàn)中的最大值13.03cm，從而初步說明了滲流對(duì)細(xì)溝發(fā)育的促進(jìn)作用，而橫坡壟作中出現(xiàn)的滲流現(xiàn)象類似于坡耕地底部出現(xiàn)的滲流，它們都對(duì)細(xì)溝的發(fā)育起不可忽略的重要作用[15~17]。

對(duì)最大細(xì)溝寬度與滲流流量作回歸分析，滲流對(duì)細(xì)溝最大寬度的影響呈二次曲線趨勢(shì)，可用方程y=0.01x2-0.23x+2.35很好擬合(R2=0.63)，頂點(diǎn)坐標(biāo)為(14.3，0.72)(圖2a)。即在本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)細(xì)溝最大寬度低于14.3cm時(shí)，滲流增大，但是細(xì)溝寬度減少。這可能是由于在特定情況下橫壟側(cè)滲流的增加預(yù)示著入滲量的增加，從而減少坡面徑流，雖然滲流有破壞土壤穩(wěn)定性的作用，但是坡面徑流的侵蝕作用占主導(dǎo)，因而徑流侵蝕減弱，而且細(xì)溝發(fā)育后期主要以擴(kuò)展細(xì)溝寬度為主，從而細(xì)溝最大寬度隨滲流增加降低。當(dāng)細(xì)溝最大寬度大于14.3cm的時(shí)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中滲流足夠大以至于完全展示出其土壤破壞能力，它能通過搬運(yùn)土壤顆粒和。

圖 2　滲流與最大細(xì)溝寬度、最大細(xì)溝深度的關(guān)系

降低土壤抗剪強(qiáng)度來增加土壤不穩(wěn)定性[18~20]，隨著滲流的增大，侵蝕明顯加劇，細(xì)溝最大寬度增大明顯。滲流與細(xì)溝最大深度的關(guān)系基本呈增加的趨勢(shì)(圖2b)。 滲流對(duì)總產(chǎn)沙量的影響也呈二次曲線趨勢(shì)，用二次回歸曲線y=0.02x2-0.15x+1.01進(jìn)行擬合，R2=0.59，頂點(diǎn)坐標(biāo)為(3.75,0.73)(圖3)。表明當(dāng)產(chǎn)沙量低于3.75kg時(shí)，滲流對(duì)泥沙侵蝕量有負(fù)影響，當(dāng)產(chǎn)沙量高于3.75kg時(shí)，滲流對(duì)泥沙侵蝕量有促進(jìn)作用，即滲流越大，泥沙侵蝕量越大。滲流會(huì)使所在區(qū)域易于遭受侵蝕，并且其位置通常位于所在坡面底部，加速小跌坎以及溝頭的形成[19~21]。滲流主要通過兩方面來加速侵蝕，一方面是從內(nèi)部破壞土壤穩(wěn)定性，搬運(yùn)土體內(nèi)部的細(xì)小顆粒，降低土壤臨界剪切力；另一方面滲流可以加入地表徑流，增加地表徑流侵蝕能力[18~27]。但是由于滲流的增大預(yù)示著表面徑流的減少、入滲量的增加，因此滲流并不始終促進(jìn)土壤侵蝕。實(shí)驗(yàn)中，徑流量并沒有顯示出與細(xì)溝形態(tài)特征有明顯關(guān)系，但是較大的徑流量仍然有較大的侵蝕量(表1)。

圖3　滲流與泥沙侵蝕量的關(guān)系

3.2　細(xì)溝幾何形態(tài)特征

對(duì)最大細(xì)溝寬度與最大深度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到圖4中，細(xì)溝最大深度與細(xì)溝最大寬度基本呈一次線性關(guān)系(R2=0.69)，且細(xì)溝最大寬度的增長(zhǎng)速度是細(xì)溝最大深度的1.7倍。這進(jìn)一步說明在橫坡壟作條件下細(xì)溝發(fā)展到一定程度主要是通過增加溝寬來增加侵蝕量，細(xì)溝趨于橫向發(fā)育，因此在橫坡壟作條件下可以通過加強(qiáng)土壤表面強(qiáng)度來控制細(xì)溝侵蝕，例如耕作區(qū)的套種[28]，以及秸稈覆蓋[29,30]等。同時(shí)說明，在橫坡壟作壟向坡度存在的條件下，由于橫壟垮塌以及滲流的存在，下切侵蝕以及溯源侵蝕相對(duì)較弱，滲流使土壤表面強(qiáng)度降低，此時(shí)細(xì)溝壁的重力侵蝕有重要作用，從而造成細(xì)溝溝寬相對(duì)于溝深發(fā)育更快。

圖4　最大溝深與最大溝寬的關(guān)系

已有研究表明，細(xì)溝的形態(tài)參數(shù)(溝長(zhǎng)，溝寬和溝深)都與細(xì)溝體積有顯著的關(guān)系[31]。再者，已經(jīng)提出的用于預(yù)測(cè)細(xì)溝侵蝕量的過程模型與數(shù)學(xué)模型，需要輸入的變量過多，預(yù)測(cè)較為麻煩[7,32,33]。其中，溝長(zhǎng)與細(xì)溝體積有最顯著的關(guān)系，因此基于溝長(zhǎng)，已經(jīng)提出簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?V=aLb(V=細(xì)溝體積(m3))，=細(xì)溝長(zhǎng)度(m)用來預(yù)測(cè)細(xì)溝體積[7～9]。

在本研究中，細(xì)溝最大溝寬、最大溝深與溝長(zhǎng)都與細(xì)溝體積也呈現(xiàn)出明顯的冪函數(shù)關(guān)系。其中細(xì)溝最大深度的R2最大，達(dá)到0.65，其次是最大溝寬達(dá)到0.64，顯著性最低的是細(xì)溝長(zhǎng)度(R2=0.61)(圖5)。這是由于，以前的研究中提出的L-V模型是基于假設(shè)細(xì)溝橫截面積不變以及細(xì)溝發(fā)生在平坦坡面上的前提下的[7]，而本實(shí)驗(yàn)是在橫坡壟作的條件下進(jìn)行的，微地形條件的改變影響了細(xì)溝形態(tài)特征與侵蝕量的關(guān)系。因此，已經(jīng)提出的L-V細(xì)溝預(yù)測(cè)模型并不完全適用于橫坡壟作條件下的細(xì)溝侵蝕?；谇叭思?xì)溝體積預(yù)測(cè)的L-V模型，并且有最高顯著性的最大細(xì)溝深度與細(xì)溝長(zhǎng)度本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示有相同的冪指數(shù)，因此在橫坡壟作條件下，納入最大細(xì)溝深度，提出橫坡壟作條件下簡(jiǎn)便細(xì)溝體積預(yù)測(cè)模型(2)：

V=a*(D*L)b

(1)

圖5　細(xì)溝最大寬度、細(xì)溝最大深度和細(xì)溝溝長(zhǎng)與細(xì)溝體積之間的關(guān)系

模型回歸結(jié)果為：

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

(2)

R2從最初的0.61增加到0.92，并且由圖6可以看出預(yù)測(cè)細(xì)溝體積與測(cè)量細(xì)溝體積有很好的一致性。相較于只用細(xì)溝溝長(zhǎng)預(yù)測(cè)，納入細(xì)溝最大溝深后的一致性得到明顯提高。

圖6　測(cè)量細(xì)溝體積與預(yù)測(cè)細(xì)溝體積關(guān)系

由于本實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)條件下進(jìn)行的，因此該模型仍需大量的野外細(xì)溝形態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，并且該模型也可以為其他地形條件下細(xì)溝侵蝕預(yù)測(cè)提供思路。關(guān)于溝深與溝長(zhǎng)的獲取也仍然需要大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來建立不同地形、土壤條件下細(xì)溝溝長(zhǎng)與最大溝深的數(shù)據(jù)庫(kù)，或者尋找基于水文參數(shù)的溝長(zhǎng)與溝深的簡(jiǎn)便預(yù)測(cè)方法。

4結(jié)論

(1)壟高和滲流對(duì)細(xì)溝形態(tài)特征有明顯影響。壟高對(duì)細(xì)溝發(fā)育有一定促進(jìn)作用，滲流對(duì)細(xì)溝最大寬度以及細(xì)溝總侵蝕量的影響成二次函數(shù)。當(dāng)滲流較大時(shí)，對(duì)細(xì)溝最大寬度有正影響，當(dāng)滲流較少時(shí)，對(duì)其有負(fù)影響。侵蝕量較大時(shí)，滲流有明顯的促進(jìn)作用，侵蝕量少時(shí)，滲流起負(fù)影響。

(2)細(xì)溝發(fā)展更趨向于橫向發(fā)展，細(xì)溝最大寬度的增加幅度是最大溝深的1.7倍。重力侵蝕在橫坡壟作中壟向坡度存在的情況下起重要作用。

(3)提出橫坡壟作條件下的細(xì)溝體積的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停篤=a*(D*L)2，能夠顯著提高預(yù)測(cè)精度，R2從最初的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

中圖分類號(hào)：S157

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2015)04-0167-05

通訊作者：于興修(1967—)，男，山東莒縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土流失與環(huán)境保育研究。

作者簡(jiǎn)介：劉琳(1990—)，女，山東龍口人，碩士，主要從事水土保持與環(huán)境保育研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41101263，41303061和41471227)；臨沂市重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào)：201211027)資助

收稿日期：2015-03-02