橫坡壟作細溝形態特征及其影響因素

劉 琳，劉前進，于興修

(1.山東師范大學 人口資源與環境學院，山東 濟南 250014；

2.臨沂大學/山東省水土保持與環境保育重點實驗室，山東 臨沂 276000；

3.湖北大學 資源環境學院，湖北 武漢 430062)

橫坡壟作細溝形態特征及其影響因素

劉 琳1,2，劉前進2，于興修3

(1.山東師范大學 人口資源與環境學院，山東 濟南 250014；

2.臨沂大學/山東省水土保持與環境保育重點實驗室，山東 臨沂 276000；

3.湖北大學 資源環境學院，湖北 武漢 430062)

摘要：指出了橫坡壟作具有涵養水源，減少地表徑流與土壤肥力流失的優點，已被廣泛應用于坡耕地。由于具體實施中難以精確等高控制，導致壟向坡度的存在，在壟溝內聚集大量雨水引起橫壟垮塌，造成細溝侵蝕。利用人工模擬降雨實驗及三維立體掃描技術對細溝形態的影響因素及其形態特征進行了分析，結果發現：增加壟高能夠明顯增加細溝最大溝寬與最大溝深；滲流對最大細溝寬度的影響呈二次函數，當細溝最大寬度大于14.3cm時，滲流與細溝最大寬度有正影響，當細溝最大寬度低于此值時，為負影響；滲流對細溝最大深度為正影響；總產沙量與滲流的關系也呈二次函數；細溝最大寬度的增加速率是細溝最大深度的1.7倍；在已有的細溝體積預測模型L-V模型(V=aLb)的基礎上，納入細溝最大深度提出了橫坡壟作條件下的簡便細溝體積預測模型(V=a*(D*L)b)，R2從0.61提高到0.92，模型預測精度顯著提高。

關鍵詞：橫坡壟作；細溝形態；三維立體掃描儀；模型

1引言

橫坡壟作廣泛應用于坡耕地，其不僅能夠涵養水源，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，同時還能提高總作物產量[1,2]。橫坡耕作是防治坡耕地水土流失的經典耕作措施，具有投入少、操作簡單等優點。然而，由于橫坡壟作在實際操作過程中，很難嚴格沿等高線進行，導致壟向坡度的存在。很容易蓄集大量雨水，造成橫壟垮塌，引起細溝侵蝕。由于壟向坡度的存在，細溝很容易快速發育成淺溝[3,4]，造成大量水土流失。

細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溝侵蝕引起[5]。細溝寬度、深度與細溝水力要素有密切的關系。對細溝形態微地貌進行深刻認識，可深入揭示坡面侵蝕產沙機制[6]。大量研究表明，細溝深度、細溝寬度以及細溝長度與細溝侵蝕體積有冪函數關系，且提出了簡化細溝侵蝕預測L-V模型[7~9]，此模型相對其他數學模型或物理模型，具有簡單，并且參數易于獲取的優點。

目前對溝蝕發育監測手段主要包括測尺法、測針板法、GPS測量法和三維激光掃描等。其中三維激光掃描數據生成的DEM不僅詳細描述溝蝕演變過程，還可以具體到每條細溝的具體形態和深淺，能很好地還原坡面降雨前后的坡面形態以及進行坡面各項參數的測定。這是一種用于監測降雨前后坡面微地形變化的新方法，也是坡面細溝侵蝕發育研究的新方向[10~12]。

本研究模擬了人工模擬降雨及滲流條件下的細溝侵蝕形態特征，通過三維立體掃描儀獲得的降雨前后細溝侵蝕微地貌的三維立體點云數據，分析橫坡壟作條件下細溝形態特征的影響因素，并進一步驗證滲流對土壤侵蝕的作用。同時提出橫坡壟作條件下的簡化細溝侵蝕預測模型。

2材料與方法

2.1　試驗材料

本實驗在山東省水土保持與環境保育重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。采用的下噴式模擬降雨器均勻系數在0.89以上。實土槽為劉前進等[4]設計的土槽，可以同時調整坡向坡度和壟向坡度。實驗用土為由花崗巖發育而來且含沙量較高的棕壤(表1)。

表1　試驗土壤質地特征

注：土壤質地采用USDA的土壤分類系統進行劃分

2.2　試驗設計

實驗前將土樣自然風干并過10.0mm篩，以去除石塊和雜草的影響。填充土槽時，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。每個試驗土層所需填土量按照調整因子水平后土槽體積計算，其中壟形狀設計為較低的壟面的投影長度為另一壟面的兩倍，以保證與野外實際耕作應用的壟形狀相同。如圖1所示，土槽中共填充兩壟。為增加土表均勻性，每次實驗開始前12h進行雨強為20mm·h-1的60 min的預降雨。

圖1　實驗土槽

實驗共分為兩個階段：灌水階段和模擬降雨階段。灌水階段：通過管子(a)進行壟間灌水，灌水流速設置為3L min-1。兩個小水管(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，有滲流產生開始共計60min。在出水口采集最后2min的滲流量稱重，灌水階段結束。停止灌水的同時即刻開始進入人工模擬降雨階段，降雨時長持續到壟垮塌后15min結束，采用雨強為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烘干獲得侵蝕產沙量。

2.3　數據處理

每次降雨前后用三維激光掃描儀(Trimble GX)對坡面細溝進行掃描，生成降雨前后的坡面的三維立體掃描點云。首先對點云進行配準，使用掃描儀自帶的Trimble Realworks 6.5軟件的OfficeSurvey模塊對降雨前后的壟面進行對比分析，從而提取細溝幾何特征。提取的特征主要包括最大溝深、最大溝寬、細溝溝長以及細溝體積。總徑流量以及總產沙量通過所采集樣品計算總和獲得。

3結果與分析

3.1　細溝形態的影響因素

實驗共包括10個處理，通過對比實驗1和10，實驗2和7，實驗3和8以及實驗6和9，壟向坡度對最大細溝深與最大細溝寬無明顯影響。對比實驗2和3，實驗4和6，實驗7和8，實驗9和10，發現壟高的增加能夠明顯增加滲流量并加大細溝最大深度和細溝最大寬度(表2)。細溝寬深比在本實驗中，并沒有表現出明顯的規律。已有研究表明等高線偏離度越大細溝發育越完全，有細溝發生坡面等高線偏離度是無細溝坡面的1倍以上[13]。坡度對細溝總長、平均細溝深和細溝侵蝕量以及細溝平均寬度都有顯著的影響[14]。

表2　實驗因子水平及實驗結果

本實驗是在橫坡壟作滲流條件下發生的細溝侵蝕，其中壟高對細溝形態有明顯影響，這是由于壟高可以增加壟溝內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加劇橫壟垮塌瞬間的重力侵蝕，從而加大細溝寬度與深度。其中10號實驗具有最大滲流量，其對應的最大細溝寬度為所有實驗最大值22.64cm。5號實驗也產生了較大滲流，其對應的最大細溝深度為所有實驗中的最大值13.03cm，從而初步說明了滲流對細溝發育的促進作用，而橫坡壟作中出現的滲流現象類似于坡耕地底部出現的滲流，它們都對細溝的發育起不可忽略的重要作用[15~17]。

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

圖 2　滲流與最大細溝寬度、最大細溝深度的關系

降低土壤抗剪強度來增加土壤不穩定性[18~20]，隨著滲流的增大，侵蝕明顯加劇，細溝最大寬度增大明顯。滲流與細溝最大深度的關系基本呈增加的趨勢(圖2b)。 滲流對總產沙量的影響也呈二次曲線趨勢，用二次回歸曲線y=0.02x2-0.15x+1.01進行擬合，R2=0.59，頂點坐標為(3.75,0.73)(圖3)。表明當產沙量低于3.75kg時，滲流對泥沙侵蝕量有負影響，當產沙量高于3.75kg時，滲流對泥沙侵蝕量有促進作用，即滲流越大，泥沙侵蝕量越大。滲流會使所在區域易于遭受侵蝕，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，一方面是從內部破壞土壤穩定性，搬運土體內部的細小顆粒，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土壤侵蝕。實驗中，徑流量并沒有顯示出與細溝形態特征有明顯關系，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系

3.2　細溝幾何形態特征

對最大細溝寬度與最大深度的關系進行回歸分析，得到圖4中，細溝最大深度與細溝最大寬度基本呈一次線性關系(R2=0.69)，且細溝最大寬度的增長速度是細溝最大深度的1.7倍。這進一步說明在橫坡壟作條件下細溝發展到一定程度主要是通過增加溝寬來增加侵蝕量，細溝趨于橫向發育，因此在橫坡壟作條件下可以通過加強土壤表面強度來控制細溝侵蝕，例如耕作區的套種[28]，以及秸稈覆蓋[29,30]等。同時說明，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較弱，滲流使土壤表面強度降低，此時細溝壁的重力侵蝕有重要作用，從而造成細溝溝寬相對于溝深發育更快。

圖4　最大溝深與最大溝寬的關系

已有研究表明，細溝的形態參數(溝長，溝寬和溝深)都與細溝體積有顯著的關系[31]。再者，已經提出的用于預測細溝侵蝕量的過程模型與數學模型，需要輸入的變量過多，預測較為麻煩[7,32,33]。其中，溝長與細溝體積有最顯著的關系，因此基于溝長，已經提出簡化的經驗模型：(V=aLb(V=細溝體積(m3))，=細溝長度(m)用來預測細溝體積[7～9]。

在本研究中，細溝最大溝寬、最大溝深與溝長都與細溝體積也呈現出明顯的冪函數關系。其中細溝最大深度的R2最大，達到0.65，其次是最大溝寬達到0.64，顯著性最低的是細溝長度(R2=0.61)(圖5)。這是由于，以前的研究中提出的L-V模型是基于假設細溝橫截面積不變以及細溝發生在平坦坡面上的前提下的[7]，而本實驗是在橫坡壟作的條件下進行的，微地形條件的改變影響了細溝形態特征與侵蝕量的關系。因此，已經提出的L-V細溝預測模型并不完全適用于橫坡壟作條件下的細溝侵蝕。基于前人細溝體積預測的L-V模型，并且有最高顯著性的最大細溝深度與細溝長度本實驗的結果顯示有相同的冪指數，因此在橫坡壟作條件下，納入最大細溝深度，提出橫坡壟作條件下簡便細溝體積預測模型(2)：

V=a*(D*L)b

(1)

圖5　細溝最大寬度、細溝最大深度和細溝溝長與細溝體積之間的關系

模型回歸結果為：

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可以看出預測細溝體積與測量細溝體積有很好的一致性。相較于只用細溝溝長預測，納入細溝最大溝深后的一致性得到明顯提高。

圖6　測量細溝體積與預測細溝體積關系

由于本實驗是在室內條件下進行的，因此該模型仍需大量的野外細溝形態觀測數據進行進一步驗證，并且該模型也可以為其他地形條件下細溝侵蝕預測提供思路。關于溝深與溝長的獲取也仍然需要大量經驗數據來建立不同地形、土壤條件下細溝溝長與最大溝深的數據庫，或者尋找基于水文參數的溝長與溝深的簡便預測方法。

4結論

(1)壟高和滲流對細溝形態特征有明顯影響。壟高對細溝發育有一定促進作用，滲流對細溝最大寬度以及細溝總侵蝕量的影響成二次函數。當滲流較大時，對細溝最大寬度有正影響，當滲流較少時，對其有負影響。侵蝕量較大時，滲流有明顯的促進作用，侵蝕量少時，滲流起負影響。

(2)細溝發展更趨向于橫向發展，細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溝體積的簡單預測經驗模型：V=a*(D*L)2，能夠顯著提高預測精度，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：S157

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2015)04-0167-05

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

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

基金項目：國家自然科學基金項目(編號：41101263，41303061和41471227)；臨沂市重大科技創新項目(編號：201211027)資助

收稿日期：2015-03-02