坡度對細溝橫斷面不對稱形態的影響

吳強建中

（西華師范大學國土資源學院，四川南充 637009）

細溝侵蝕是坡面土壤侵蝕的主要方式之一［1］，細溝侵蝕造成的土壤退化與水土流失問題非常嚴重［2］。在細溝侵蝕和發育過程中，細溝形態受多種自然因素綜合影響，發育的階段和程度不同，其侵蝕方式和發育特征存在差異［3］，這種差異主要表現在細溝形態尤其是橫斷面不對稱形態上，細溝橫斷面不對稱形態的特征和演化規律深刻地影響著細溝形態的發育和細溝侵蝕的發展，也是影響坡面細溝侵蝕與水土流失的主要因素，因此，細溝橫斷面形態及其演化規律一直以來都是溝蝕研究的主要內容［4，5］。

目前，細溝橫斷面不對稱形態的研究主要集中于黃土高原區、東北黑土區、南方紅壤丘陵區，研究的主要方向和熱點集中于探索細溝橫斷面形態的成因機制和演化規律、橫斷面不對稱形態的刻畫和參數的提取技術、橫斷面形態與細溝侵蝕的關系等方面［6-9］，在研究方法上，主要采用室內人工降雨模擬沖刷實驗監測細溝橫斷面形態的動態演化，并利用“3S”技術提取細溝橫斷面形態的相關參數來研究細溝橫斷面不對稱特征和發育規律［10-12］；而元謀干熱河谷區自然環境奇特，溝蝕地貌獨具特色［13］，該區細溝橫斷面形態特征和發育演化規律與其他地區差異很大，因而受到越來越多學者的關注。雖然前人在黃土高原區、東北黑土區、南方紅壤丘陵區的研究成果已經很豐碩了，但其研究方法和技術手段并不能完全模擬細溝形成演化的原始自然條件，其結論也不適宜元謀干熱河谷區細溝橫斷面不對稱性的研究，因此，在元謀干熱河谷區開展細溝橫斷面不對稱形態研究是今后更應注重的方向，也是研究細溝形態和細溝侵蝕的重要方面，為開展土壤侵蝕和水土流失的防治工作提供理論指導。

1 研究區概況

元謀縣地處滇中高原北部，介于101°35′E～102°06′E、25°23′N～26°06′N。境內河流屬金沙江水系，主要河流有金沙江、龍川江。元謀屬南亞熱帶干熱季風氣候，年平均氣溫21.9℃，極端最高溫度42℃，最低溫度-0.1℃。多年平均日照時數約為2670.4h，無霜期長。年蒸發量為降水量的6.4倍，年平均降雨量613.8mm，最多年為906.7mm（1966年），最少年為287.4mm（1960年）。7月降雨最多，平均為137.8mm；1月最少，為3.1mm。冬春雨少，3—5月不足60mm，12月至次年2月不足20mm。元謀土壤以燥紅土為主，分布有少量紫色土和變性土［14，15］。境內植被覆蓋率低，以稀樹灌木草本為主，水土流失嚴重。元謀地質地形條件較復雜，東面是由侏羅系和白堊系的長石石英砂巖、礫巖和泥巖構成的山地，海撥超過1000m，侵蝕溝發育程度低；西側、北側主要由元古界片麻巖、石英巖、大理巖、花崗巖等組成的山梁［16］，海撥較低，侵蝕溝發育比較強烈；盆地內部及周邊主要為河流相、湖沼相沉積，侵蝕溝發育非常強烈。

2 研究方法和數據處理

2.1 數據獲取 2018年1月中下旬至2月初，在元謀縣干熱河谷區開展了為期15d的細溝橫斷面測繪工作，并實地調查和采集了橫斷面測繪區域的地形因子相關數據。以該區細溝分布比較廣泛且典型的苴林、班皂利村、沙地村、元謀人遺址、甘塘、禿禿脊梁子等幾個區域為研究小區。隨機選取測繪區域內的57條細溝共275個斷面進行橫斷面測繪。在測繪橫斷面時，根據溝頭、溝中部、溝下部和溝口不同部位橫斷面發育的情況隨機選取3～5個典型的橫斷面進行測繪，對于長度超過10m的細溝則需要增加橫斷面測繪的數量，一般需要每間隔1～2m測繪一個斷面。在測繪時，需要事前選定橫斷面測繪位置并做好標記，將自制測針版垂直放置于橫斷面位置處，松動測針使其下部均能接觸到細溝溝底，并立刻固定測針上部，利用不同顏色的水彩筆將測針版上反映出來的橫斷面形態描繪于測針版內的圖紙上，并調查了斷面位置坡度的相關數據，使用坡度儀測量了坡面坡度、溝坡和斷面位置兩側坡度。

2.2 數據處理 將野外測繪的細溝橫斷面帶回實驗室后，利用ARCGIS10.5首先對橫斷面圖紙進行校正，在此基礎上將每條溝的多個斷面分別矢量化并單獨命名，提取各個斷面的相關橫斷面形態參數，包括溝寬（W）、左右側半溝寬、溝深（D）、溝面積（S）、左右側溝面積等，并利用數理統計軟件EXCEL計算得到橫斷面的溝寬不對稱率、侵蝕線不對稱率、面積不對稱率和侵蝕面不對稱率等參數。將野外調查和測量的坡度因子相關數據統計分析后，利用數理軟件計算得到斷面位置兩側的坡度比、坡度差和平均溝坡，并分析歸納了細溝坡度的相關數據。

3 結果與分析

3.1 橫斷面不對稱性統計學特征 從表1可以看出，橫斷面溝寬不對稱率最小值為0.0453，最大值為15.0342，平均值為1.3481；面積不對稱率最小值為0.0466，最大值為15.4644，平均值為1.5561；侵蝕線不對稱率最小值為0.0624，最大值為6.7553，平均值為1.2239；侵蝕面不對稱率最小值為0.0504，最大值為12.5237，平均值為1.4799。在調查分析的275組斷面中，溝寬不對稱率小于0.9和大于1.1的組數分別為144組、104組，不對稱橫斷面所占比例為90.18%，溝寬不對稱率介于0.9～1.1的組數為27組，準對稱橫斷面所占比例為9.82%；面積不對稱率小于0.9和大于1.1的組數分別為137組、113組，不對稱橫斷面所占比例為90.91%；面積不對稱率介于0.9～1.1的組數為25組，準對稱橫斷面所占比例為9.09%；侵蝕線不對稱率小于0.9和大于1.1的組數分別為129組、109組，不對稱橫斷面所占比例為86.55%，侵蝕線不對稱率介于0.9～1.1的組數為37組，準對稱橫斷面所占比例為13.45%；侵蝕面不對稱率小于0.9和大于1.1的組數分別為131組、116組，不對稱橫斷面所占比例為89.82%，侵蝕面不對稱率介于0.9～1.1的組數為28組，準對稱橫斷面所占比例為10.18%。

表1 橫斷面不對稱參數

溝寬不對稱率面積不對稱率侵蝕線不對稱率侵蝕面不對稱率0.9～1.1（組數）＞1.1（組數）27 104 25 113 37 109 28 116

3.2 坡度對溝寬不對稱率的影響 從圖1中可以看出，在275組斷面的不同坡度影響下，細溝橫斷面溝寬不對稱率的數值也具有不同的特點，其中最大溝寬不對稱率超過了13，達到13.3484，最小溝寬不對稱率則不到0.1，僅為0.0891；溝寬不對稱率隨著斷面位置坡度的增加逐漸趨近于1，其變化趨勢亦變現為隨著斷面位置坡度的增加而逐漸變得平緩；具體來看，斷面位置坡度介于1～8°，其溝寬不對稱率波動幅度極大，當坡度介于8.5～19.5°，溝寬不對稱波動幅度減小，但依然保持在0.5～3，而當坡度超過19.5°以后，橫斷面溝寬不對稱率波動幅度則非常小，其數值多接近于1。

圖1 溝寬不對稱率

3.3 坡度對面積不對稱率的影響 在275組斷面的不同坡度影響下，細溝橫斷面面積不對稱率也呈現出不同的變化規律。從圖2可以看出，面積不對稱率最大值超過6，為6.5537，面積不對稱率最小值則不到0.1，僅為0.0994；其變化趨勢變現為面積不對稱率隨著斷面位置坡度的增加而逐漸趨近于1，波動的幅度逐漸平緩；具體來看，斷面位置坡度介于1～11.5°，其面積不對稱率波動幅度非常大，當坡度介于11.5～20.5°，面積不對稱率波動幅度則明顯減小，但依然保持在0.5～2，而當坡度超過21°以后，橫斷面面積不對稱率的波動幅度則極小，面積不對稱率趨近于1。

圖2 面積不對稱率

3.4 坡度對侵蝕線不對稱率的影響 從圖3可以看出，在275組斷面的不同坡度影響下，細溝橫斷面最大侵蝕線不對稱率數值超過9，達到9.2289，最小侵蝕線不對稱率則不到0.1，僅為0.0684；侵蝕線不對稱率隨著斷面位置坡度的增加逐漸趨近于1，其變化趨勢亦變現為隨著斷面位置坡度的增加而逐漸變得平緩，具體來看，斷面位置坡度介于1～10°，其侵蝕線不對稱率波動幅度極大，當坡度介于10～20°，侵蝕線不對稱率波動幅度減小，但依然保持在0.5～2，而當坡度超過20°以后，橫斷面侵蝕線不對稱率波動幅度則非常小，其數值已基本趨近于1。

圖3 侵蝕線不對稱率

3.5 坡度對侵蝕面不對稱率的影響 從圖4可以看出，在275組斷面的不同坡度三°影響下，最大侵蝕面不對稱率數值超過6，達到6.5002，最小侵蝕面不對稱率則不到0.1，僅為0.1013；侵蝕面不對稱率隨著斷面位置坡度的增加逐漸趨近于1，其變化趨勢亦變現為隨著斷面位置坡度的增加而逐漸變得平緩；具體來看，斷面位置坡度介于1～8°，其侵蝕面不對稱率波動幅度極大，當坡度介于8.5～19.5°，侵蝕面不對稱率波動幅度減小，但依然保持在0.5～3，而當坡度超過20°以后，侵蝕面不對稱率的波動幅度則非常小，其數值基本接近于1。

圖4 侵蝕面不對稱率

4 結論與討論

通過野外考察和室內處理275組斷面的相關數據，分析了坡度對元謀干熱河谷區細溝橫斷面不對稱性的影響，可得出如下結論：（1）元謀干熱河谷細溝橫斷面在坡度條件的的影響下發育的差異巨大，往往具有不對稱特征，具體來看，溝寬不對稱率為90.18%，準對稱的比例僅占9.82%，面積不對稱率、侵蝕線不對稱率與侵蝕面不對稱率分別為90.91%、86.55%和89.82%。（2）在坡度的影響下，元謀干熱河谷細溝溝寬不對稱率變化趨勢表現為當坡度小于8°時，溝寬不對稱率波動幅度極大，當坡度介于報8.5～19.5°時溝寬不對稱率波動幅度減小，而當坡度大于20°以后，溝寬不對稱率則逐漸趨近于1，變化幅度非常小，面積不對稱率、侵蝕線不對稱率和侵蝕面不對稱率亦變現為在不同坡度區間內波動幅度不均，3種不對稱率分別呈現出在1～11.5、1～10、1～8°的區間內波動幅度極大，在11.5～20.5、10～20、8.5～19.5°區間內不對稱率波動幅度減小，當坡度超過20°以后，面積不對稱率、侵蝕線不對稱率和侵蝕面不對稱率波動幅度均平緩。（3）坡度對細溝橫斷面不對稱性的影響極大，當坡度較小時細溝橫斷面不對稱性明顯，往往具有不對稱形態，而當坡度較大時，細溝橫斷面多表現為準對稱形態。

對細溝橫斷面不對稱性的研究還有待進一步加深，許多具有科學價值的重要信息亟待挖掘，以更好地為開展土壤侵蝕和水土流失防治工作提供理論依據。