李 龍, 張 鵬, 郭 躍, 余 英

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 100018; 2.荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 100018; 3.鄂爾多斯市林業(yè)和草原局， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010; 4.宜賓林竹產(chǎn)業(yè)研究院, 四川 宜賓 644000)

砒砂巖區(qū)作為黃河流域多沙粗沙主要策源地，該地區(qū)土壤侵蝕極其強(qiáng)烈，土壤侵蝕模數(shù)達(dá)3.00×104～4.00×104t/(km2·a)。雖然其面積僅占黃河流域的2%，但產(chǎn)生的粗泥沙占黃河下游河道淤積量的1/4，對(duì)黃河中下游的生態(tài)安全構(gòu)成巨大威脅[1]。坡面是土壤侵蝕研究與治理的基本單元，對(duì)于侵蝕十分劇烈的裸露砒砂巖區(qū)，地表的微小起伏都會(huì)影響坡面侵蝕量，特別是坡面細(xì)溝的發(fā)育，對(duì)徑流泥沙的影響更加顯著[2-3]。在徑流的沖刷下，坡面土壤發(fā)生侵蝕、搬運(yùn)、堆積的同時(shí)也迅速形成各類(lèi)形態(tài)各異的細(xì)溝地貌，侵蝕細(xì)溝出現(xiàn)后，細(xì)溝水流不同于坡面漫流，侵蝕能力顯著增強(qiáng)，流道左右擺動(dòng)，初步形成淺溝，加劇了侵蝕的發(fā)展[4-5]。鑒于此，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家紛紛致力于坡面細(xì)溝形態(tài)變化及其產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究，并涌現(xiàn)出眾多有價(jià)值的研究結(jié)果[6-7]。然而近年來(lái)，人們多關(guān)注于砒砂巖區(qū)土壤復(fù)配[8]、植被恢復(fù)[9]、治理模式等[10]領(lǐng)域的研究，側(cè)重于溝蝕的水動(dòng)力學(xué)特征、影響因素以及匯流網(wǎng)絡(luò)特征[11-12]，就坡面細(xì)溝變化的研究也多集中于室內(nèi)的人工降雨[13]和放水沖刷等[14]模擬試驗(yàn)，難以真實(shí)反映自然降雨?duì)顟B(tài)下坡面細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程及其與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系。其中，錢(qián)秋穎等[15]通過(guò)野外原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)揭示了砒砂巖坡面自然降雨過(guò)程坡面粗糙度的變化的時(shí)空差異，提出了坡面粗糙度和土壤顆粒空間運(yùn)移的相互關(guān)系；楊振奇等[16]也通過(guò)野外徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)指出，降雨類(lèi)型對(duì)砒砂巖坡面細(xì)溝形態(tài)和產(chǎn)流產(chǎn)沙量有著直接的影響。因此，探究砒砂巖區(qū)坡面細(xì)溝微形態(tài)變化及其侵蝕機(jī)制，自然降雨條件下的野外原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)仍然具有不可替代的作用。本文以?xún)?nèi)蒙古鄂爾多斯砒砂巖坡面為研究對(duì)象，采用野外徑流小區(qū)結(jié)合利用三維激光掃描技術(shù)，分析自然降雨條件下砒砂巖坡面水力侵蝕作用下細(xì)溝微形態(tài)演變及其產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，揭示坡面細(xì)溝發(fā)生發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程與土壤侵蝕的內(nèi)在規(guī)律，研究結(jié)果旨在為區(qū)域土壤侵蝕機(jī)制研究提供理論參考，為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗西部暖水鄉(xiāng)鮑家溝流域，地理坐標(biāo)為39°42′—39°50′N(xiāo)，110°25′—110°48′E。鮑家溝流域?qū)儆诘湫吐懵杜皫r區(qū)，巖層上風(fēng)化后覆土較薄，坡面植被蓋度極低，是十分典型的裸露砒砂巖區(qū)(表1)。該流域?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷且漫長(zhǎng)，夏季炎熱且短促，春秋變化最為明顯，年平均氣溫6.5 ℃，多年平均降水量400 mm，年最大降水量為640.2 mm，雨季主要集中在6—9月，多年日照時(shí)數(shù)在2 900～3 200 h之間，無(wú)霜期148 d，年平均風(fēng)速3.4 m/s。土壤大部分以黃土為主，伴隨砒砂巖景觀有覆土砒砂巖、覆沙砒砂巖出現(xiàn)，表土較薄，土壤結(jié)構(gòu)疏松，富含石灰，地勢(shì)起伏較大，溝壑縱橫，水土流失嚴(yán)重。自然植被稀疏，退耕還林，主要以人工植被為主，主要用于防風(fēng)固沙和水土保持，主要樹(shù)種有檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、油松(Pinustabuliformis)、山杏(Armeniacasibirica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等。

表1 研究區(qū)土壤基本理化性質(zhì)

1.2 小區(qū)的布設(shè)及測(cè)定方法

在全面調(diào)查研究立地條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)地形實(shí)際情況，砒砂巖裸坡坡度多在30°左右，因此，2019年6月于研究區(qū)全面開(kāi)展試驗(yàn)，選取坡度為30°且坡面基本裸露的坡地為研究對(duì)象，在坡面上設(shè)置規(guī)格為2 m×5 m的徑流小區(qū)，清除小區(qū)內(nèi)部零星分布的石塊、雜草。徑流小區(qū)采用寬0.5 m厚2.5 mm的鋼板圍建，用皮錘將鋼板打入地下30 cm作為隔水墻，地上出露20 cm，用于分隔小區(qū)內(nèi)外徑流，夯實(shí)過(guò)程中應(yīng)盡量減少對(duì)土壤的擾動(dòng)影響試驗(yàn)結(jié)果。小區(qū)長(zhǎng)邊界垂直于等高線(xiàn)，小區(qū)低端設(shè)出水口，并配備集流桶以便收集每次降雨后的水沙樣品。徑流小區(qū)旁設(shè)立一臺(tái)美國(guó)HOBO公司生產(chǎn)的型號(hào)為U30的氣象站，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究坡面降雨歷時(shí)、降雨量、溫度、土壤水分等指標(biāo)。每次降雨產(chǎn)流結(jié)束后，對(duì)集流池、分流池內(nèi)水位和泥沙進(jìn)行測(cè)量記錄并取樣，收集到的徑流和泥沙立即稱(chēng)量，并采用烘箱105 ℃恒溫烘干，稱(chēng)量泥沙干重。

1.3 坡面細(xì)溝形態(tài)掃描與分析

試驗(yàn)使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀測(cè)量每次降雨前后坡面細(xì)溝微形態(tài)特征。試驗(yàn)所使用的三維激光掃描儀精度為2 mm(100 m距離)，掃描距離為600 m(反射率90%)，掃描范圍為100°(垂直)×360°(水平)。此外，該三維激光掃描儀應(yīng)用波形數(shù)字化和在線(xiàn)波形分析技術(shù)，每秒可發(fā)出多達(dá)300 000束精細(xì)激光束，從而提供高達(dá)0.000 5°的角分辨率。在徑流小區(qū)底端、頂端和左右兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)固定水泥樁作為掃描站點(diǎn)，并選取5～8個(gè)固定參考點(diǎn)作為每一站掃描數(shù)據(jù)后的拼接參考點(diǎn)，最后架設(shè)三維激光掃描儀，使用三腳架將掃描儀固定在距離徑流小區(qū)底部的2 m處，并對(duì)三腳架擺放位置進(jìn)行標(biāo)記，三腳架距離地面高度為105 cm，保證每次掃描位置的一致性，固定掃描位置與高度不變對(duì)小區(qū)進(jìn)行全面掃描，于每次降雨前對(duì)徑流小區(qū)進(jìn)行全面掃描，降雨停止15 min后(以保證坡面徑流入滲結(jié)束，坡面達(dá)到完全穩(wěn)定)對(duì)雨后的徑流小區(qū)坡面進(jìn)行掃描，最終共獲取到14次降雨前后坡面上微地貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描后數(shù)據(jù)在所配套的RiCAN PRO軟件中導(dǎo)出，對(duì)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪并生成矢量數(shù)據(jù)，使用ArcGIS軟件對(duì)掃描后的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建精度為1 cm的地表微數(shù)字高度模型(M-DEM)。經(jīng)過(guò)水文模塊的處理，在ArcGIS軟件中建立坡面細(xì)溝形態(tài)數(shù)字高度模型，運(yùn)用河網(wǎng)矢量化描述細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程，并用正負(fù)地形計(jì)算細(xì)溝的深度，在AutoCAD軟件中對(duì)細(xì)溝的長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算其形態(tài)特征指標(biāo)。

1.4 細(xì)溝形態(tài)特征指標(biāo)的計(jì)算

本文的計(jì)算參數(shù)及計(jì)算公式都是經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算方法[2]為：

(1) 細(xì)溝寬深比(RWD)。細(xì)溝寬深比是指細(xì)溝某斷面處的平均寬度與對(duì)應(yīng)的平均深度的比值，該項(xiàng)指標(biāo)能夠反映細(xì)溝的形狀的寬深整體變化特征，揭示坡面侵蝕細(xì)溝的下切深度與水平方向侵蝕速率間的相互關(guān)系，計(jì)算公式為：

(1)

式中：RWD指細(xì)溝寬深比；Wj指第j條細(xì)溝監(jiān)測(cè)的平均寬度(m)；Dj指第j條細(xì)溝監(jiān)測(cè)的平均深度(m)。

(2) 溝壑密度(DS)。溝壑密度是指單位面積內(nèi)細(xì)溝的總長(zhǎng)度，用來(lái)反映細(xì)溝的密集程度，該項(xiàng)指標(biāo)能夠揭示坡面細(xì)溝侵蝕的切割破碎程度，一般溝壑密度越大，地形越破碎。計(jì)算公式為：

(2)

式中：DS為溝壑密度(m/m2)；A為試驗(yàn)坡面的表面積(m2)；Ltj是第j條細(xì)溝及其分叉的總長(zhǎng)度(m)；j為細(xì)溝數(shù)目,j=1,2,3,…,m;m為坡面上細(xì)溝的總條數(shù)。

(3) 細(xì)溝表面積(S)。該項(xiàng)指標(biāo)直接反應(yīng)坡面細(xì)溝所占坡面的體積大小，揭示坡面侵蝕負(fù)地形的發(fā)育程度。細(xì)溝表面積通過(guò)ArcGIS 10.2提取正負(fù)地形，得到溝沿線(xiàn)并進(jìn)行修正，計(jì)算公式為：

S=N·S柵格

(3)

式中:S為細(xì)溝表面積(m2);N為溝沿線(xiàn)內(nèi)的柵格數(shù)量;S柵格為單元柵格面積，柵格大小為 3 mm×3 mm。

(4) 細(xì)溝復(fù)雜度(c)。細(xì)溝復(fù)雜度是指其中一條細(xì)溝及其分叉的總長(zhǎng)度與它的垂直有效長(zhǎng)度的比值，能夠反映坡面細(xì)溝網(wǎng)的豐富程度，計(jì)算公式為：

(4)

式中：c是細(xì)溝復(fù)雜度；Lj為第j條細(xì)溝的垂直有效長(zhǎng)度。

(5) 細(xì)溝割裂度(μ)。細(xì)溝割裂度是指試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有細(xì)溝的平面面積之和與小區(qū)面積的比值，是無(wú)量綱參數(shù)，能夠反映坡面的破碎程度和細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

(5)

式中：μ是細(xì)溝割裂度；Aj為坡面第j條細(xì)溝的表面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然降雨特征分析

研究2019—2020年實(shí)際觀測(cè)到26場(chǎng)天然降雨，其中2019年觀測(cè)到15場(chǎng)降雨，降雨量為399.4 mm，產(chǎn)生地表徑流的有效降雨發(fā)生6場(chǎng)；2020年觀測(cè)到11場(chǎng)降雨，降雨量為376.5 mm，產(chǎn)生地表徑流的有效降雨發(fā)生7場(chǎng)。因此，在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)共發(fā)生13場(chǎng)有效降雨(表2)。

表2 研究區(qū)自然降雨的基本特征

2019—2020年觀測(cè)到的有效降雨總降雨量為267.40 mm，總降雨歷時(shí)為5 893 min，總徑流量為294.05 L，總泥沙量為111.34 kg。其中2020年7月12日降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量最高，分別為42.90 L和13 kg。根據(jù)氣象學(xué)對(duì)降雨等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)劃分為小雨(<10.0 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(50.0～100.0 mm)和大暴雨(>100.0 mm)5個(gè)等級(jí)[15]。

由圖1可知，研究區(qū)2 a間共有小雨1場(chǎng)，中雨9場(chǎng)，大雨3場(chǎng)，觀測(cè)期內(nèi)有效降雨雨強(qiáng)(小雨、中雨、大雨)的頻率分布為7.7%，69.2%和23.1%，大雨的平均降雨量是中雨和小雨的2.57和4.75倍；平均降雨量表現(xiàn)為：大雨>中雨>小雨，分別為39.90，15.50，8.40 mm。平均降雨強(qiáng)度和I30(連續(xù)最大30 min降雨強(qiáng)度)都是隨著降雨量和降雨等級(jí)的增大而增大，變化范圍在2.01～4.92 mm/h和8.4～15.8 mm/h。大雨、中雨和小雨對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率為：中雨(55.40%)>大雨(37.67%)>小雨(3.58%)，對(duì)泥沙的貢獻(xiàn)率為：中雨(70.18%)>大雨(16.69%)>小雨(12.49%)，這表明對(duì)坡面侵蝕影響較大的主要是中雨和大雨。

圖1 研究區(qū)坡面降雨特征

2.2 自然降雨下坡面細(xì)溝幾何特征分析

砒砂巖坡面細(xì)溝的發(fā)育具有明顯的時(shí)空演變的特征(圖2—3)，R前為降雨前坡面形態(tài)，降雨前期坡面較為平整。通過(guò)連續(xù)的試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，第一次降雨坡面侵蝕以濺蝕為主，隨著降雨的持續(xù)，逐步形成薄層水流，開(kāi)始進(jìn)入片蝕階段；此時(shí)段坡面以片蝕為主，坡面細(xì)溝發(fā)育并不明顯，僅有6條細(xì)溝形成，累計(jì)長(zhǎng)度1.69 m，細(xì)溝的平均寬度為1.45 cm，平均深度是0.17 cm。隨著坡面薄層水流逐漸匯集成多個(gè)小股狀水流，坡面逐步形成了較清晰明顯的細(xì)溝(R3)，在股狀水流的流路上，坡面流路兩側(cè)薄層水流的侵蝕力小于徑流侵蝕力，導(dǎo)致坡面發(fā)生差異性侵蝕，細(xì)溝繼續(xù)發(fā)育，寬度和深度繼續(xù)增加，且能明顯的觀測(cè)到細(xì)溝雛形，其剖面形態(tài)呈寬淺型。此時(shí)(R3)細(xì)溝數(shù)目增加為10條，累計(jì)長(zhǎng)度為4.98 m，平均寬度為2.10 cm，平均深度為0.258 cm。降雨的再次發(fā)生后，坡面出現(xiàn)無(wú)規(guī)律且零星的跌坎，同一流路的多條細(xì)溝還未連通，在坡面上表現(xiàn)為R4和R5的斷續(xù)細(xì)溝，細(xì)溝增加5條，并且有大量分支出現(xiàn)；隨著地表徑流的持續(xù)沖刷，同一流路上的多條斷續(xù)細(xì)溝連通成連續(xù)細(xì)溝，相鄰的細(xì)溝合并，演變成錯(cuò)綜復(fù)雜的細(xì)溝網(wǎng)，且細(xì)溝形狀開(kāi)始由寬淺型向窄深型過(guò)渡，部分溝道合并連通，溝頭不斷分叉形成清晰的細(xì)溝網(wǎng)。此時(shí)(R7)細(xì)溝總長(zhǎng)為29.29 m，平均寬度為2.51 cm，平均深度為0.867 cm。隨著細(xì)溝內(nèi)股狀水流的侵蝕，溝道不斷合并連通，相鄰溝壁的坍塌，細(xì)溝不斷拓寬加深，細(xì)溝總長(zhǎng)在R12結(jié)束后逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)細(xì)溝總長(zhǎng)為40.52 m，平均寬度為4.31 cm，平均深度為1.215 cm。因此，砒砂巖雨坡面細(xì)溝的發(fā)育全過(guò)程可總結(jié)為：濺蝕—片蝕—寬淺型細(xì)溝—連續(xù)細(xì)溝網(wǎng)—溝壁坍塌—溝道穩(wěn)定。

圖2 研究區(qū)自然降雨下坡面微地貌變化過(guò)程

2.3 自然降雨下坡面細(xì)溝形態(tài)特征分析

選取細(xì)溝寬深比、細(xì)溝密度、細(xì)溝表面積、細(xì)溝復(fù)雜度和細(xì)溝割裂度指標(biāo)分析坡面細(xì)溝形態(tài)的時(shí)空演變過(guò)程。

由表3可以看出，細(xì)溝寬深比整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其數(shù)值在R4最大，為16.09，這主要是因?yàn)樵谇治g初期，尚未形成穩(wěn)定的細(xì)溝形態(tài)，坡面仍然以漫流為主，下切能力較弱，溝深較淺；而R4的降雨量較前3次降雨明顯升高，為54.6 mm，降雨量的增大使徑流量隨之增大，徑流的流通路徑變寬；在徑流侵蝕的作用下，細(xì)溝寬度增大的同時(shí)，徑流攜帶的泥沙會(huì)填充溝道的凹陷，深度會(huì)減小，導(dǎo)致細(xì)溝的初期形態(tài)以寬淺型為主。隨著降雨的反復(fù)發(fā)生，形成集中的股流，徑流下切能力增強(qiáng)，坡面細(xì)溝逐漸發(fā)育，細(xì)溝寬深比在13場(chǎng)降雨過(guò)后變?yōu)?.55，細(xì)溝發(fā)育的逐漸成熟，重力作用導(dǎo)致徑流對(duì)地表的侵蝕不斷加深，寬深比數(shù)值越來(lái)越小，形成窄深型細(xì)溝。此外，坡面的溝壑密度、細(xì)溝表面積、復(fù)雜度和割裂度均隨著降雨次數(shù)的增加呈現(xiàn)穩(wěn)步增高的趨勢(shì)(表3)。其中，細(xì)溝密度和細(xì)溝表面積在R6時(shí)有較大幅度的增大，細(xì)溝密度由1.05變?yōu)?.59，增大了1.51倍，細(xì)溝表面積由1.58變?yōu)?.71，增大了2.98倍，結(jié)合降雨強(qiáng)度分析，R6的降雨強(qiáng)度最大，侵蝕破壞力較強(qiáng)，對(duì)土壤表層剝離和破碎的影響較大；在徑流的不斷沖刷，細(xì)溝在縱向溯源侵蝕不斷延伸，橫向細(xì)溝分支也不斷增多，導(dǎo)致細(xì)溝整體在形態(tài)上趨于復(fù)雜化。

圖3 研究區(qū)自然降雨下坡面細(xì)溝形態(tài)發(fā)育過(guò)程

表3 研究區(qū)自然降雨下坡面細(xì)溝形態(tài)特征指標(biāo)變化

2.4 自然降雨下細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)與侵蝕量的關(guān)系

由表4可知，細(xì)溝各相同指標(biāo)之間相關(guān)性較好，細(xì)溝寬深比與溝壑密度、細(xì)溝割裂度均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，溝壑密度與細(xì)溝復(fù)雜度、割裂度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。此外，坡面細(xì)溝的各形態(tài)指標(biāo)與侵蝕量之間存在緊密的相關(guān)性。坡面細(xì)溝寬深比與泥沙量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)是-0.595，但與徑流量無(wú)顯著相關(guān)性，這表明坡面溝道寬深比越小，坡面產(chǎn)沙越強(qiáng)，即溝道越向窄深型發(fā)育，坡面產(chǎn)沙量越高。溝壑密度與泥沙量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.566，說(shuō)明細(xì)溝的數(shù)量的增加對(duì)坡面產(chǎn)沙量有著直接的影響；細(xì)溝割裂度與徑流量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.583。綜上，細(xì)溝形態(tài)的變化直接反映坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的基本情況。

表4 研究區(qū)自然降雨下細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)與侵蝕量之間的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

3.1 自然降雨特征對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

自然降雨屬于間歇性的降雨，與可控的人工降雨不同，每次降雨間的降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、降雨量等均存在較大的差異，且單次降雨過(guò)程中的變化也十分復(fù)雜[17]。降雨量和降雨強(qiáng)度直接影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，在雨滴的打擊濺蝕和地表徑流沖刷下，為坡面產(chǎn)沙提供了更多的物質(zhì)來(lái)源，降雨量和降雨強(qiáng)度的大小，直接決定于出口斷面徑流泥沙量的多少[18]。本研究中，降雨強(qiáng)度和產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程有著較強(qiáng)的一致性，圖4清晰地反映了次降雨過(guò)程中，徑流和泥沙具有明顯的同步特征，且表4也反映出徑流與泥沙具有顯著正相關(guān)關(guān)系(0.782，p<0.01)。就降雨量而言，中雨和大雨匯流量增加，加速了徑流向出口斷面的匯集，徑流的紊動(dòng)性也增強(qiáng)[19]，侵蝕能力和攜沙能力也增強(qiáng)，相較于小雨而言，中雨和大雨的頻率共計(jì)92.3%，對(duì)徑流和泥沙的貢獻(xiàn)率達(dá)93.07%和86.86%，說(shuō)明徑流和泥沙主要來(lái)自于較大的幾場(chǎng)雨，這與前人在坡面和小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究結(jié)果相似[20-21]，而小雨也會(huì)有產(chǎn)流產(chǎn)沙現(xiàn)象是源于研究區(qū)坡面的土壤，裸露砒砂巖的巖性特點(diǎn)，特別是降雨歷時(shí)短，降雨強(qiáng)度大的瞬時(shí)降雨，且在前期有多次降雨，土壤含水量較高的坡面更容易發(fā)生侵蝕[22]。

圖4 研究區(qū)坡面自然降雨強(qiáng)度與產(chǎn)流率變化特征

3.2 坡面細(xì)溝形態(tài)指標(biāo)間的變化關(guān)系

自然降雨具有無(wú)規(guī)律性的特點(diǎn)，但對(duì)坡面的侵蝕具有明顯的累積作用，隨著次降雨次數(shù)的增多，坡面細(xì)溝的形態(tài)由寬淺型向窄深型過(guò)渡。細(xì)溝的長(zhǎng)、寬、深都在侵蝕過(guò)程中不斷變化。由圖5可知，細(xì)溝的平均寬度、累積長(zhǎng)度和平均深度兩兩之間均存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，且其擬合系數(shù)在0.72～0.99之間，說(shuō)明細(xì)溝參數(shù)之間并不是相互獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。細(xì)溝的發(fā)展發(fā)育過(guò)程是多維度的變化，溯源侵蝕、重力侵蝕和徑流剪切侵蝕對(duì)坡面的侵蝕發(fā)揮協(xié)同作用，細(xì)溝的發(fā)展發(fā)育受各作用力之間的共同作用，能反映出坡面的綜合侵蝕過(guò)程[23]。特別是在幾場(chǎng)暴雨過(guò)后，細(xì)溝形態(tài)變化差異顯著，寬深比、溝壑密度等指標(biāo)的變化幅度均出現(xiàn)明顯的提升，加之自然降雨對(duì)坡面侵蝕的累積作用，隨著次降雨的反復(fù)發(fā)生，徑流剪切力增大，對(duì)土壤的剝蝕、結(jié)構(gòu)破壞的能力增強(qiáng)，破壞土體穩(wěn)定性，下切侵蝕的作用更為明顯，這與呂剛等[24]的研究結(jié)果一致。

圖5 研究區(qū)自然降雨下坡面細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)2019—2020年發(fā)生13場(chǎng)有效降雨，總降雨量為267.40 mm，總降雨歷時(shí)為5 893 min，總徑流量為294.05 L，總泥沙量為111.34 kg。降雨對(duì)徑流和泥沙的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：中雨>大雨>小雨，對(duì)坡面侵蝕影響較大的主要是中雨和大雨。

(2) 在第12次降雨后坡面細(xì)溝達(dá)到穩(wěn)定，細(xì)溝整體在形態(tài)上趨于復(fù)雜化，其總長(zhǎng)達(dá)為40.52 m，平均寬度為4.31 cm，平均深度為1.22 cm。次降雨坡面細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程表現(xiàn)為：濺蝕—片蝕—寬淺型細(xì)溝—連續(xù)細(xì)溝網(wǎng)—溝壁坍塌—溝道穩(wěn)定。

(3) 自降雨條件下細(xì)溝各形態(tài)指標(biāo)均呈現(xiàn)明顯的二次多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系，細(xì)溝的形態(tài)指標(biāo)與侵蝕量呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，細(xì)溝形態(tài)的變化直接反映坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的基本情況。