許文盛,谷金鈺,孫寶洋,張志華,張文杰,李 力

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所,武漢 430010;2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,武漢 430010;3.水利部科技推廣中心,北京 100032)

1 研究背景

全坡面是介于傳統(tǒng)坡面和流域尺度之間,研究水土流失時(shí)空分異規(guī)律的基本單元。全坡面水土流失過程受氣候、微地形、土壤、植被、水力、水文等因素的影響[1-2],但對(duì)于某確定坡面,其水土流失過程尤其受坡長、坡度、坡位和地塊單元空間異質(zhì)性的影響,這也是全坡面與傳統(tǒng)研究坡面最大的區(qū)別。坡長產(chǎn)生的泥沙輸移和沉積的尺度效應(yīng)導(dǎo)致侵蝕地貌形態(tài)演變和侵蝕鏈的形成,是影響全坡面土壤侵蝕過程最主要的因素[3]。地塊單元分布格局是土地利用的一種表現(xiàn)形式,受坡長、坡度、坡位等因素影響,徑流匯集過程和泥沙運(yùn)移路徑的連通性被改變,對(duì)水土流失過程影響顯著[4-5]。鄭粉莉等[6]基于子午嶺大型坡面徑流場,研究完整坡面的土壤侵蝕過程,發(fā)現(xiàn)所測定的林地與非林地泥沙量比值可用于小流域。坡面不同地塊單元組合下徑流產(chǎn)、匯過程,泥沙搬運(yùn)及沉積等是揭示全坡面水土流失差異的重要因素,但目前對(duì)全坡面尺度的水土關(guān)鍵要素時(shí)空分異規(guī)律,特別是觀測方法還鮮有研究。

水土流失觀測是獲取原位數(shù)據(jù)的重要手段,是開展水土流失及其影響因子研究的基礎(chǔ),也是理論和模型發(fā)展的重要組成[7-9]。我國水土流失觀測主要分為微觀和宏觀兩個(gè)方面,前者重點(diǎn)以樣地、觀測小區(qū)、坡面為主,后者則是基于地表覆蓋信息的遙感監(jiān)測和小流域卡口站觀測[10]。發(fā)展至今,土壤侵蝕觀測不斷向著高時(shí)效性、自動(dòng)化及系統(tǒng)化趨勢(shì)發(fā)展,精度也從定性到定量再到精確定量[11-13]。目前水土流失觀測方法主要有測釬法、徑流小區(qū)法、模擬降雨試驗(yàn)法、水文資料法、沉積法、示蹤法、近地面攝影測量等,但這些方法均具有局限性,無法實(shí)現(xiàn)多過程或多場景的觀測[14-17]。在土地利用高度破碎及復(fù)雜的地區(qū),水土要素遷移轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜多變,導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的觀測結(jié)果難以有效指導(dǎo)實(shí)踐。全坡面作為徑流小區(qū)和小流域尺度轉(zhuǎn)換的紐帶,其觀測結(jié)果不僅可以有效解決徑流小區(qū)至小流域水土流失過程不連續(xù)的問題,而且為解決水土流失尺度轉(zhuǎn)換問題提供有效途徑。

為此本文對(duì)全坡面水土流失時(shí)空分異規(guī)律及觀測技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié),提出未來全坡面研究的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn),以促進(jìn)多尺度水土流失規(guī)律及防治技術(shù)研究的創(chuàng)新與深化。

2 水土流失單元類型劃分

2.1 水土流失單元

水土流失單元界定是準(zhǔn)確觀測水土流失規(guī)律的前提,觀測對(duì)象不同,水土流失單元也有所差異[18]。在考慮空間尺度效應(yīng)的土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)中,根據(jù)我國水土流失及環(huán)境特點(diǎn),水土流失單元一般可劃分為坡面小區(qū)、大型坡面、小流域、區(qū)域共4個(gè)層級(jí)。目前,針對(duì)坡面尺度的徑流小區(qū)和大型坡面水土流失單元的研究已相對(duì)成熟,在坡面尺度的雨滴濺蝕、面蝕、細(xì)溝侵蝕、淺溝或切溝等方面取得了大量研究成果[16,19-20]。以小流域?yàn)閱卧乃亮魇н^程,并非是對(duì)坡面尺度濺蝕、面蝕、溝蝕的簡單疊加,其水土流失過程受流域內(nèi)地形、植被、氣候、土壤、土地利用和人類活動(dòng)等相關(guān)環(huán)境要素的影響顯著,而這些要素具有強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性,外加溝道侵蝕,導(dǎo)致小流域尺度土壤的剝蝕、搬運(yùn)和沉積并非是一個(gè)完全連續(xù)的過程,難以用基于坡面的侵蝕機(jī)制來表達(dá)流域侵蝕過程[10-11]。對(duì)于區(qū)域水土流失單元而言,情況則更為復(fù)雜,地形條件、植被類型及土地利用等空間變化的隨機(jī)性,決定了區(qū)域水土流失單元是一種典型非線性的分布式參數(shù)系統(tǒng)[21]。

全坡面介于地塊單元尺度和小流域尺度之間,是坡面徑流小區(qū)向流域過渡的基本單元,但目前對(duì)其監(jiān)測技術(shù)體系的研究相較于其他尺度成果較少,外加在小流域尺度上仍缺少連續(xù)有效觀測,進(jìn)而限制了從坡面到流域針對(duì)徑流—侵蝕—輸沙過程的空間尺度效應(yīng)研究。

2.2 全坡面界定

坡面起點(diǎn)和終點(diǎn)的厘定是界定全坡面的前提,也是地貌學(xué)、水文學(xué)和土壤侵蝕研究領(lǐng)域中極富挑戰(zhàn)性的工作[22]。坡面的起點(diǎn)一般厘定為在流域的分水嶺,而對(duì)坡面的終點(diǎn),在不同的研究領(lǐng)域或數(shù)值模型中則有不同的定義。在通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)及其改進(jìn)模型中,坡面終點(diǎn)定義為明顯沉積區(qū)或者河網(wǎng)[23]。這種定義是因?yàn)閁SLE模型只考慮侵蝕過程,無法估算沉積量。而水蝕預(yù)報(bào)模型(Water Erosion Prediction Project,WEPP)和牧草區(qū)水蝕模型(Rangeland Hydrology and Erosion Model,RHEM)等一系列基于物理過程的模型,在模型構(gòu)建中考慮了泥沙沉積過程,因此坡面的終點(diǎn)定義為河網(wǎng)[24-25]。Montgomery[22]、Tarolli等[26]和Tarboton等[27]通過建立Slope-Drainage Area(SA)圖,將流域內(nèi)所發(fā)生的水文、侵蝕過程劃分為坡面過程、坡面-溝網(wǎng)過渡過程及溝網(wǎng)過程。相關(guān)野外調(diào)研數(shù)據(jù)表明,SA圖中所確定的坡面終點(diǎn)很可能是流域內(nèi)的河谷(un-channeled-Valley)而非河網(wǎng)(Channel)[26]。Cochrane等[28]把流域內(nèi)溝網(wǎng)作為坡面的終點(diǎn),將流域概化為河岸左、右、上3個(gè)全坡面。這種概化方式在WEPP和RHEM模型中得到應(yīng)用。在我國黃土高原地區(qū),存在一種特殊的“坡溝”地貌單元,全坡面是否包括溝道坡面仍然存在一定的爭議。

對(duì)于坡面的起點(diǎn),其厘定方式與終點(diǎn)差異明顯。在數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)處理過程中,分水嶺一般定義為不同流域的相鄰邊界[29]。換言之,提取分水嶺首先要將流域離散成子流域,繼而確定相鄰邊界。但受限于DEM分辨率、水流路徑算法、溝網(wǎng)準(zhǔn)確度等,流域離散結(jié)果存在一定的差異。此外,溝網(wǎng)具有不同的等級(jí),因此據(jù)此離散的流域、獲取的相鄰流域邊界也會(huì)具有不同的等級(jí),進(jìn)而導(dǎo)致坡面起點(diǎn)厘定也存在較大的不確定性。Pelletier[30]、Passalacqua等[31]和Clubb等[32]提出了基于地形閾值的溝網(wǎng)提取方法。而溝網(wǎng)提取的方法也較多,傳統(tǒng)方式是預(yù)設(shè)一個(gè)匯水面積閾值,當(dāng)柵格內(nèi)匯水量大于閾值時(shí),這一柵格被劃定為溝道柵格。

總體來看,全坡面定義為分水嶺至河網(wǎng)是較為被學(xué)界接受、使用的一種方式。因此,基于以上研究,可將全坡面定義為位于分水嶺之間從坡頂?shù)狡履_表現(xiàn)為單一坡面的獨(dú)立集水單元,可作為水土流失多尺度觀測與轉(zhuǎn)換的基本單元。

3 全坡面水土流失分異規(guī)律

3.1 水土關(guān)鍵要素與影響因素

本文中水土關(guān)鍵要素主要包括徑流、泥沙,土壤中碳、氮、磷等養(yǎng)分。徑流驅(qū)動(dòng)下,土壤顆粒發(fā)生分離、搬運(yùn)和沉積,進(jìn)而土壤侵蝕過程發(fā)生,壤中流的發(fā)育也促進(jìn)了該過程;此外,土壤侵蝕發(fā)生時(shí),坡面碳、氮、磷等養(yǎng)分也隨地表徑流一同流失,并隨土壤水入滲向深層淋溶[33-34]。土壤侵蝕使土壤中有機(jī)碳、氮的含量、組分產(chǎn)生變化,進(jìn)而影響生源要素(碳、氮、磷、硫)的循環(huán)與變化[1]?，F(xiàn)有研究主要針對(duì)地塊單元、徑流小區(qū)及小流域尺度的徑流、泥沙、碳、氮、磷等水土流失通量物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化,針對(duì)地塊單元間泥沙沉積過程及要素傳遞關(guān)系的研究明顯不足。在土壤分離、泥沙輸移和沉積過程中,主控因素差異顯著,導(dǎo)致水土關(guān)鍵要素的耦合程度具有極明顯的異質(zhì)性和不確定性[2]?；谌旅娉叨?定量解析不同坡度、坡長、坡位、地塊單元等空間分布格局下,徑流、泥沙、碳、氮、磷等關(guān)鍵要素的連通性,是土壤侵蝕研究中傳統(tǒng)坡面與流域尺度轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。

土壤侵蝕影響因素的空間異質(zhì)性和時(shí)間變化限制了從一個(gè)空間尺度到另一個(gè)空間尺度的信息轉(zhuǎn)換[35-36]。全坡面作為坡面和流域尺度轉(zhuǎn)換的橋梁,水土關(guān)鍵要素的遷移轉(zhuǎn)化具有明顯的時(shí)空變異特征。在次降水過程中,降水、地形、植被和土地利用等動(dòng)力和下墊面因素,通過影響降水截留、土壤入滲、土壤水分運(yùn)動(dòng)與再分布等來影響水土流失過程;在月、年等中長期時(shí)間尺度上,溫度、降水分布、植被生長特性、土地利用和氣候變化等,通過改變侵蝕環(huán)境效應(yīng)來影響水土流失過程[2]?？臻g上,樣點(diǎn)或地塊尺度是分析全坡面水土流失時(shí)空分布差異的基礎(chǔ),著重考慮微地形、土壤性質(zhì)、植被等對(duì)水土關(guān)鍵要素的影響;從坡面到全坡面、再到溝道和小流域,徑流和泥沙沿著長坡面向細(xì)溝、淺溝、切溝,從上坡向下坡、從坡面向溝坡及溝道,水力侵蝕的影響逐漸降低,溝蝕和重力侵蝕的影響逐漸增強(qiáng),進(jìn)而水土關(guān)鍵要素遷移轉(zhuǎn)化的影響因素與驅(qū)動(dòng)機(jī)制不斷變化[13, 24]。

3.2 全坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律

全坡面由于坡面寬闊,徑流易于集中,降雨產(chǎn)流后,坡面徑流形態(tài)除少部分為薄層片流外,大多為股流,侵蝕形態(tài)一般既有片蝕和細(xì)溝侵蝕,也在部分地區(qū)有淺溝和切溝侵蝕,以及溝頭崩塌等重力侵蝕,其測定的水土流失量代表了自然坡面實(shí)際流失量。然而,受坡長、坡度、坡位和地塊單元分布格局等因素的影響,全坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程具有明顯的空間分異特征。

3.2.1 坡長的影響

區(qū)別于徑流小區(qū)或樣地,坡長導(dǎo)致的尺度效應(yīng)是影響全坡面水土流失過程最主要的因素[37]。坡長主要通過影響坡面集雨量、土壤入滲、坡面徑流、泥沙輸移沉積和坡面細(xì)溝分布等來影響坡面水力侵蝕過程。Parsons等[38]采用坡長為2.00～27.78 m的試驗(yàn)小區(qū),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)沙量隨坡長的增加先增加后劇烈減少,坡長為7 m時(shí)產(chǎn)沙量達(dá)最大。有研究發(fā)現(xiàn),土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡長(20～60 m)的增加呈先增大后基本穩(wěn)定的趨勢(shì),坡長在20 m左右侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度最大[39]。雷廷武等[40]通過變坡長試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在一定坡度和流量下,泥沙含量隨溝長的增加而增大,但增加的幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。鄭粉莉等[41]發(fā)現(xiàn),坡耕地侵蝕量隨坡長的增加而波動(dòng)交替,但整體無明顯規(guī)律。

全坡面侵蝕強(qiáng)度隨坡長增加的變化趨勢(shì)取決于尺度效應(yīng),即侵蝕產(chǎn)沙和輸沙能力的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系[42],但全坡面長度和匯流面積遠(yuǎn)大于以上模擬試驗(yàn)。鄭粉莉等[6]利用大型坡面徑流場,研究發(fā)現(xiàn)全坡面侵蝕產(chǎn)沙量是標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的7.24倍,全坡面淺溝侵蝕模數(shù)占總侵蝕模數(shù)的43.9%,而標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)無淺溝侵蝕發(fā)生。張樂濤等[37]通過篩選對(duì)比岔巴溝不同坡長坡面的水文觀測資料,發(fā)現(xiàn)輸沙模數(shù)、平均及最大含沙量均在全坡面尺度達(dá)到最大值,而變異系數(shù)則達(dá)到最小值。

總之,坡長增加,坡面匯流量不斷增大,導(dǎo)致侵蝕加劇,從而坡面徑流含沙量不斷增加,但消耗于泥沙搬運(yùn)的水流能量也在增加,導(dǎo)致侵蝕減弱;另一方面,坡長增加,坡面徑流深增大,造成的侵蝕量也相應(yīng)增加;上述二者作用相互消長,造成侵蝕從坡上向坡下不斷變化[43]。

3.2.2 地塊單元空間異質(zhì)性的影響

土地利用的空間異質(zhì)性是全坡面與徑流小區(qū)的最大區(qū)別。坡面地塊單元分布格局是土地利用的一種表現(xiàn)形式,當(dāng)前將景觀格局分析與水土流失時(shí)空分異特征分析相結(jié)合已成為綜合自然地理學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[44-45]。全坡面復(fù)雜的土地利用景觀斑塊數(shù)、斑塊形狀、多樣性、均勻度及破碎度等格局,影響地表徑流的匯集和攜沙能力,改變了徑流和泥沙運(yùn)移路徑的連通性,對(duì)水土流失產(chǎn)生顯著影響[5]。植被格局在不同尺度上都發(fā)揮重要作用,植被與裸地鑲嵌結(jié)構(gòu)組成水土流失的“源—匯”格局,調(diào)控著坡面上物質(zhì)的空間分配[46-47]。丁琳等[48]探討了不同坡度和植被分布格局下的坡面水土流失過程,發(fā)現(xiàn)帶狀順坡、點(diǎn)狀均勻、塊狀鑲嵌和帶狀橫坡的草被坡面平均侵蝕量分別較裸地減小42.9%、55.7%、62.4%和78.0%,帶狀橫坡的阻蝕減沙作用最優(yōu),且連通性指數(shù)與坡度結(jié)合,可較好模擬評(píng)價(jià)不同草被格局坡面的侵蝕產(chǎn)沙。

全坡面不同坡度及自坡底至坡頂不同坡位淺溝形態(tài)特征與侵蝕量特征具有明顯分異規(guī)律,坡度對(duì)淺溝發(fā)育寬度、深度、密度及復(fù)雜度有較大影響,淺溝發(fā)育以坡中較為劇烈[49]。土壤可蝕性是影響土壤侵蝕的核心要素,但受土壤理化性質(zhì)空間異質(zhì)性的影響,同一坡面,不同坡位或土地利用的土壤可蝕性差異明顯[50]。土壤機(jī)械組成是決定土壤可蝕性的重要因素,不同土地利用類型土壤黏粒含量從大到小為荒草地>林地>農(nóng)耕地;同一土地利用類型,不同坡面位置土壤黏粒含量從小到大依次為上坡、中坡、下坡[11]。

綜上,全坡面上徑流泥沙輸移本質(zhì)上是徑流侵蝕能力和搬運(yùn)能力平衡的具體表征,因此,從能量耗散的角度去分析侵蝕與輸沙過程,是揭示全坡面土壤侵蝕影響機(jī)制的有效途徑[1]。

3.3 土壤養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律

降雨過程中,土壤中的養(yǎng)分在濃度梯度作用下,通過溶解、對(duì)流、擴(kuò)散等形式進(jìn)入徑流并隨之運(yùn)移;同時(shí),由于坡面侵蝕的存在,地表徑流沖刷坡面攜帶大量泥沙,吸附在土壤顆粒上的養(yǎng)分也會(huì)隨之發(fā)生運(yùn)移[51]。土壤養(yǎng)分隨徑流遷移是一個(gè)多因素共同作用的物理化學(xué)過程,除了侵蝕作用,養(yǎng)分的運(yùn)動(dòng)特征也對(duì)其有重要影響[52]。吸附在土壤顆粒上的養(yǎng)分進(jìn)入水體后,會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)過程,進(jìn)一步溶解形成可溶性養(yǎng)分,加重水體的面源污染[53]。不同養(yǎng)分元素的吸附和溶解特性存在差異,侵蝕過程對(duì)于土壤顆粒和養(yǎng)分的運(yùn)移具有選擇性,較大的土壤顆粒更容易在徑流輸送過程中沉降,而較小的土壤顆粒易從坡面被帶走[54],因此不同形態(tài)的土壤養(yǎng)分存在不同的運(yùn)移特征。為了預(yù)測與控制坡面徑流、泥沙和養(yǎng)分的流失,大量學(xué)者以水分、養(yǎng)分在坡地上的二維運(yùn)動(dòng)為核心,開展土壤養(yǎng)分要素運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)研究[33, 55]。

碳氮磷等養(yǎng)分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要限制因素,坡面水土關(guān)鍵要素中碳氮磷流失是形成面源污染最重要的原因。土壤有機(jī)碳對(duì)于改善土壤質(zhì)量,提高土地生產(chǎn)力水平,降低土壤可蝕性及促進(jìn)生態(tài)修復(fù)的進(jìn)程都具有重要意義。張曉霞等[56]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳分布主要受降雨徑流及植物根系的影響,陰坡有機(jī)碳含量>半陰坡>半陽坡>陽坡;相同地貌部位,不同坡向有機(jī)碳均發(fā)生垂向的淋溶遷移;相同坡向,峁坡和溝坡土壤有機(jī)碳剖面分布基本一致。氮素流失過程中主要存在硝態(tài)氮和銨態(tài)氮2種形式,在土壤中硝態(tài)氮相較于銨態(tài)氮更加穩(wěn)定[57]。植被覆蓋可有效減少土壤侵蝕。由于土壤全氮多為有機(jī)氮且與土壤顆粒結(jié)合緊密,因此植被在防止土壤顆粒流失的同時(shí),相應(yīng)地削減了土壤全氮的流失,且隨著覆蓋度的增大,削減作用隨之增加;而土壤礦質(zhì)氮的流失,隨著覆蓋度的增加而加劇[58-59]。磷是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的元素之一,植被生長過程中所利用的磷最主要的來源途徑是吸收土壤中的磷素[60]。磷易于被土壤細(xì)顆粒吸附,水蝕優(yōu)先去除土壤中與磷有關(guān)的較細(xì)的部分,導(dǎo)致吸附態(tài)磷流失集中[61]。當(dāng)降雨強(qiáng)度和坡度較小時(shí),隨徑流遷移的可溶性養(yǎng)分所占比例較高;當(dāng)降雨強(qiáng)度或坡度較大時(shí),土壤侵蝕量增加,養(yǎng)分流失以泥沙吸附形態(tài)為主[53, 59]。土壤結(jié)構(gòu)性發(fā)育較好的土壤,由于其大團(tuán)聚體含量高,土壤大孔隙也較為發(fā)育,因而入滲性能較好,地表產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量會(huì)相對(duì)減少,從而相對(duì)減少養(yǎng)分的流失[62]。

綜上,受眾多因素影響,全坡面水土關(guān)鍵要素遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,全坡面坡長、坡度、坡位和地塊單元的空間變異性,導(dǎo)致徑流、泥沙、碳、氮、磷等水土流失關(guān)鍵要素遷移轉(zhuǎn)化的研究具有明顯的復(fù)雜性和不確定性。隨著高精度觀測技術(shù)的進(jìn)步以及數(shù)字孿生能力的發(fā)展,構(gòu)建全坡面觀測體系,量化水沙連通性和水土關(guān)鍵要素傳遞關(guān)系,是解析全坡面水土流失規(guī)律的有效途徑。

4 全坡面水土流失觀測技術(shù)

4.1 水土關(guān)鍵要素觀測方法

水土流失觀測經(jīng)歷了從定性到半定量與定量,從單一手段到多途徑、多學(xué)科協(xié)調(diào)研究的歷程[10]。觀測方法主要有測釬法、徑流小區(qū)法、模擬降雨試驗(yàn)法、水文資料法、沉積法、示蹤法、近地面攝影測量等,但由于各方法的局限性,難以對(duì)水土流失過程在所有尺度上進(jìn)行準(zhǔn)確有效的觀測[63]。例如,徑流小區(qū)法[64]是定量研究水土流失的常規(guī)方法,主要用于面蝕,可用模板、混凝土等材料圍成矩形小區(qū),操作簡單,但受場地限制,其觀測的土壤質(zhì)地一般為單種因素[65];模擬降雨試驗(yàn)是研究水土流失廣泛使用的方法,常根據(jù)區(qū)域水文特征和地形條件,概化設(shè)計(jì)試驗(yàn),能夠揭示土壤侵蝕規(guī)律和水土流失影響因子[66-70],但試驗(yàn)受場地限制,水土關(guān)鍵要素的觀測也僅能滿足單一土壤質(zhì)地需求,且縮尺比例下的試驗(yàn)條件在時(shí)間、空間尺度轉(zhuǎn)換方面也存在較大的難度[71]。以上2種方法適合于徑流小區(qū)尺度的水土流失觀測,但無法考慮坡面土壤結(jié)構(gòu)及成分、土地利用類型、微地形、水土保持措施等要素空間分布及人類活動(dòng)因素的影響。同時(shí),狹義的土壤侵蝕往往直接影響著水土流失的觀測方法與結(jié)果[72]。

隨著高新技術(shù)的不斷創(chuàng)新,示蹤法、近地面攝影測量、“3S”、合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)等技術(shù)逐漸應(yīng)用于全坡面水土流失觀測。示蹤法主要依靠放射性元素[12-13]、稀土元素[14]、同位素及磁性等示蹤技術(shù),可對(duì)比分析不同時(shí)間和空間尺度下各元素含量與自然本底值的差異,揭示水土流失規(guī)律,觀測結(jié)果相對(duì)容易和準(zhǔn)確,但觀測的可靠性需依靠土壤黏粒部分的長期觀測平均值,且需要較好的參考剖面[62]。近地面攝影測量方法(含無人機(jī)遙感技術(shù))[72]可結(jié)合三維激光掃描儀獲得坡面侵蝕量等高線,分析坡度、侵蝕面積與體積的關(guān)系,進(jìn)而甄別水土流失在地形上表現(xiàn)出的細(xì)微變化[73]?！?S”技術(shù)以其快速準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)、直觀便捷獲得分析結(jié)果等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水土流失觀測,該技術(shù)運(yùn)用DEM、DRG實(shí)現(xiàn)高程配準(zhǔn),配合多光譜成像、紅外成像、微波成像等,實(shí)現(xiàn)全坡面水土流失量的精準(zhǔn)觀測[74-76]。InSAR技術(shù)能夠高精度獲取微小的地表形變和形變時(shí)序,實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失的定量觀測[77]。

4.2 全坡面水土流失觀測體系

全坡面水土流失觀測多聚焦不同坡位處的流失量,可采用“3S”、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、視頻監(jiān)控等空天地一體化設(shè)備進(jìn)行觀測,建立全坡面尺度不同景觀格局下的水土流失數(shù)據(jù)采集體系。對(duì)于坡面土壤侵蝕量的觀測(圖1),采用衛(wèi)星遙感+無人機(jī)低空測量手段,能夠高精度生成DEM圖像,結(jié)合插值法計(jì)算得到坡面尺度局部區(qū)域土壤侵蝕和沉積量[78-80]。針對(duì)全坡面徑流、泥沙等水土要素及氮、磷等生源要素的流失程度,可采用原位徑流小區(qū)長期觀測及人工原位模擬降雨試驗(yàn)等手段。為觀測全坡面水土流失量,闡明泥沙在坡面洼地處的沉積,解析全坡面不同地塊單元的水土流失貢獻(xiàn)量,需要在坡面坡腳處修建集水堰。

圖1 全坡面及水土流失觀測技術(shù)體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement technology system for soil and water loss on the whole hillslope

然而,全坡面作為以分水嶺之間從坡頂?shù)狡履_表現(xiàn)為單一坡面的獨(dú)立集水單元,是由不同坡度的直面坡相互連接而形成的復(fù)合型坡[81],需要以全坡面為整體單元探索其水土流失規(guī)律。呂威等[82]與Rieke等[83]通過室內(nèi)土槽模擬試驗(yàn),重建不同數(shù)量直面坡、凸型坡、凹型坡組合的復(fù)合型坡開展,全坡面水土流失觀測,揭示了不同坡型的徑流流速、深度及弗勞德數(shù)的差異。上述學(xué)者在揭示變坡條件下全坡面水土流失規(guī)律的同時(shí),采用攝影測量法開展全坡面三維地形重建,獲取坡面DEM數(shù)據(jù),探索了坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育過程[84]。

總之,基于多種新型觀測技術(shù),國內(nèi)外水土流失觀測取得了快速發(fā)展,有力促進(jìn)了水土保持學(xué)科的發(fā)展。然而,上述技術(shù)只表征于水土流失量觀測,在坡面水土關(guān)鍵要素識(shí)別、提取與定量分析等方面仍顯不足,全坡面水土流失觀測技術(shù)體系尚未形成,如坡面徑流、面源污染等指標(biāo)觀還需更為精確、創(chuàng)新的手段[15-17]。因此,建立基于水沙連通性的全坡面水土流失觀測體系,是揭示坡面徑流攜沙能力、地表微地形阻控泥沙搬運(yùn)機(jī)制以及不同地塊單元物質(zhì)通量輸移規(guī)律的關(guān)鍵手段。

5 結(jié)論及展望

(1)水土流失研究是認(rèn)識(shí)徑流、泥沙、養(yǎng)分等水土關(guān)鍵要素從源到匯過程的重要方式。目前水土關(guān)鍵要素遷移、轉(zhuǎn)化機(jī)理和觀測手段研究已取得了相對(duì)豐富的成果,但人們也逐漸認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)以樣點(diǎn)、徑流小區(qū)、坡面、小流域?yàn)榛締卧难芯?在解析大尺度復(fù)雜要素驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)匯流過程時(shí)仍面臨著諸多難題,如空間要素概化不全面、跨尺度數(shù)據(jù)難融合、多尺度結(jié)果不匹配等。而全坡面作為連接樣地與小流域尺度的紐帶,囊括了造成水土流失差異的潛在驅(qū)動(dòng)條件和控制因素,涵蓋了不同地塊單元水土關(guān)鍵要素的傳遞關(guān)系。全坡面觀測能夠獲取不同坡位和地塊單元的水土關(guān)鍵要素動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),有效補(bǔ)充“樣點(diǎn)-徑流小區(qū)-坡面-小流域”多尺度嵌套觀測網(wǎng)絡(luò),是解決當(dāng)前水土流失尺度效應(yīng)問題的有效手段。

(2)目前,全坡面觀測技術(shù)體系尚無標(biāo)準(zhǔn)可依,但基于傳統(tǒng)水土流失觀測技術(shù),綜合考慮全坡面特點(diǎn)及其觀測目標(biāo)和要求,可認(rèn)識(shí)到坡面場景數(shù)字孿生化和技術(shù)手段信息化是未來一段時(shí)間的重要任務(wù)和發(fā)展方向。一方面,全坡面作為多空間要素的集合體,不同的地塊單元必然在土地利用格局、微地形、耕作措施等方面具有差異性,坡面場景數(shù)字孿生作為觀測站點(diǎn)嵌套優(yōu)化的底層依據(jù)和觀測數(shù)據(jù)的融合輸出,在數(shù)字孿生工作的引領(lǐng)下,勢(shì)必是未來全坡面觀測的重要方向。另一方面,全坡面作為分水嶺之間從坡頂?shù)狡履_的完整集水單元,其范圍較大的自然屬性要求采用更為宏觀且具有較高精度和效率的手段,“3S”、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、視頻監(jiān)控等信息化技術(shù)的融合應(yīng)用也是今后一段時(shí)間內(nèi)土壤侵蝕研究和水土流失管理最為關(guān)切的發(fā)展方向。

(3)坡面徑流、泥沙、養(yǎng)分共存輸移及其相互作用關(guān)系始終是土壤侵蝕、面源污染、生態(tài)修復(fù)等研究面臨的挑戰(zhàn),全坡面的尺度效應(yīng)和空間格局變異性,導(dǎo)致徑流、泥沙、碳、氮、磷等水土關(guān)鍵要素遷移轉(zhuǎn)化的研究具有明顯的復(fù)雜性和不確定性。當(dāng)前全坡面土壤侵蝕的力學(xué)機(jī)理尚未取得突破進(jìn)展,水土流失過程的精確模擬也逐漸陷入瓶頸,如何通過全坡面觀測提取水土關(guān)鍵要素的遷移、轉(zhuǎn)化結(jié)果,解析土壤分離與泥沙輸移間的黑箱,尋求不同尺度間侵蝕產(chǎn)沙的轉(zhuǎn)換機(jī)理關(guān)系,并從這些尺度轉(zhuǎn)換中得到普遍規(guī)律,也是今后全坡面水土關(guān)鍵要素遷移轉(zhuǎn)化研究的重要內(nèi)容和發(fā)展方向。