細溝發育與形態特征研究進展

沈海鷗,鄭粉莉,溫磊磊

1 吉林農業大學資源與環境學院,長春 130118 2 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100 3 水利部松遼水利委員會,長春 130021

細溝侵蝕是坡耕地土壤侵蝕的主要方式,造成大量表土和養分流失[1-5],對流域坡面地貌發育和演化有重要的潛在影響[6-7]。細溝侵蝕過程非常復雜,除具有自身的侵蝕特征外,細溝還通過水流橫向溢流、襲奪等搬運由細溝間侵蝕產生的泥沙[8-10]。在降雨產流過程中,細溝一旦產生,土壤侵蝕量迅速增加[11-13]。坡面上細溝的分叉、合并或連通能夠促進細溝侵蝕發展,塑造復雜的細溝形態。細溝侵蝕及其形態演變與土壤的抗侵蝕性、降雨強度、徑流侵蝕力及坡面微地形等的差異有關[14]。細溝形態對坡面徑流侵蝕水動力機制有重要影響,反過來作用于細溝侵蝕過程[15-16]。細溝形態在坡面上具有明顯的時空變異特征[9, 17],開展相關研究是揭示細溝侵蝕機理的前提[18-20]。然而,關于細溝發育及其形態特征的研究進展尚缺少系統分析。鑒于此,本文通過分析過去幾十年細溝侵蝕研究成果,綜合評述細溝發育、細溝形態特征及二者耦合關系研究進展,提出研究展望,以期深化細溝侵蝕過程研究,并為后續研究提供系統指導。

1 細溝發育過程

1.1 細溝尺寸

細溝是指在坡面徑流差異性侵蝕條件下,在坡面上產生的一種小溝槽地形,其縱剖面與所在斜坡剖面基本一致,并能被當年正常耕作活動填平[21-23],其橫剖面呈“V形”或箱形[24]。在降雨和徑流作用下,坡面上一旦產生1—2 cm的小溝,就標志細溝侵蝕的開始[25]。細溝長度為數米至數十米,而細溝寬度和深度的界定尚有一定差異。劉秉正和吳發啟[24]認為,細溝寬度和深度均為1—10 cm。朱顯謨[22]對黃土區土壤侵蝕進行分類,認為細溝寬度多小于10—15 cm,細溝深度以10—15 cm為主。羅來興[26]則指出,細溝的寬度和深度可變化于1—50 cm。鄭粉莉等[14]通過統計指出,多數細溝寬度小于30 cm,一般不超過50 cm;多數細溝深度小于20 cm,一般不超過30 cm。也有學者根據細溝深度定義細溝,將其描述為地表土壤顆粒被細溝水流剝離、搬運,形成深度不足20 cm的線狀小溝[27],或由集中股流沖刷下切形成的深度為5—30 cm,具有明顯溝壁的溝槽[28]。綜上可見,關于細溝尺寸的界定還存在爭議,明確細溝長度、寬度和深度是深化細溝侵蝕研究的前提。

1.2 細溝形成過程

當降雨徑流侵蝕力大于土壤抗蝕力時,細溝開始形成和發展,導致薄層狀的坡面流轉變為集中水流狀態的細溝股流,徑流流速和深度相應增加[29- 30],其侵蝕特性發生本質變化[31-34]。與坡面流相比,細溝股流能夠搬運更多的泥沙,其對細溝溝壁、溝底、溝頭土壤的分散、沖刷和搬運促進了細溝的發育,最終形成的細溝具有明顯的地貌特征[35-36]。

多數研究認為細溝侵蝕起源于降雨過程中形成的小跌坎[14],但也有研究指出其可能起源于淺層洞穴的崩塌[37]。坡面上的每一條徑流流路上都有多個不連續的小跌坎,每個跌坎都可能發育成侵蝕的最活躍點[38],進而演化為細溝下切溝頭[39];在降雨和徑流的共同作用下,下切溝頭不斷發生溯源侵蝕和溝壁崩塌,形成斷續細溝;同一徑流流路上的多條斷續細溝通過溯源侵蝕和向下沖刷侵蝕,導致多處溝頭貫通,連接成為連續細溝[14,39-40]。細溝侵蝕過程首先為細溝的下切和橫向發展,其次是細溝內跌坎的局部強度侵蝕,第三為細溝溝壁崩塌以及細溝橫向遷移,最后形成穩定細溝[41]。細溝的形成促進了徑流的匯聚與集中,反過來又影響細溝發育過程[30,42]。

de Bie[28]在時間上將細溝發育分為5個階段,依次是濺蝕土塊階段、坡面漫流階段、小紋溝階段、細溝階段和土壤沉積階段。其中,細溝階段通常可以作為區域微溝道系統的一部分,直接影響后期侵蝕溝的發生和發展。王貴平等[43]在空間上將細溝發育劃分為3個坡位：第一坡位在坡面的上部,細溝表現為“V”型下切;第二坡位在坡面的中下部,細溝表現為“U”型,此坡位細溝主要向寬深方向發展;第三坡位位于坡面下部,細溝底部已下切至犁底層,細溝表現為上部開口小、底部開口大的剖面形態。可見,細溝發育具有明顯的時空變化特征。

影響細溝形成的關鍵因素包括空間因子和水文因子兩方面[44],其中空間因子決定細溝發生的位置和密度,其與土壤特性和地表形態有關;水文因子決定細溝發生的難易程度,主要包括徑流流速、弗汝德數、剪切力等[10,17,38,45]。如果兩個因子同時滿足條件,則細溝將會在坡面上形成并發育。基于侵蝕過程的WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型能夠對細溝侵蝕和細溝間侵蝕及泥沙運動機理進行物理描述[46],但是受模型適應性的限制,模型的推廣還面臨較大困難,如果要應用該模型,必須先對其進行修正[47]。Favis-Mortlock等[48]基于自組織方法模擬坡面細溝的形成和發育,創建了RillGrow模型,但是由于模型是一維的,不能模擬細溝長度和寬度的變化,只能考慮坡面高程的變化,另外,該模型對沉積考慮不足,簡化了徑流水文過程。倪晉仁等[49]基于自組織理論建立了三維空間細溝形成機理模型,并結合黃土坡面細溝發育對模型進行了分析,但是模型中未考慮雨滴濺蝕及細溝合并的影響。因此,有關細溝發育模型的研究還需深入。

1.3 細溝網發育

細溝產生之后,在雨滴打擊、徑流沖刷、坡面微地形、土壤及水文等因素的共同影響下,坡面上可能發生細溝分叉、合并和連通現象,形成細溝網[14, 50]。坡面細溝網是河流水系形態的縮影,也是河流水系發育的雛形[51-52]。水系具有開放性、隨機性、自相似性等特點[53],符合分形理論[54-55]。水系存在于較大的空間尺度上,而存在于較小空間尺度上的細溝網具有很多與水系相似的特征[56-57]。Horton[58]最早開展溝網分形研究,指出任何溝網都將遵循一定規律并有序排列。我國學者根據Horton理論,分析黃土高原溝網分形特征,證明黃土高原的流域具有自相似性[59]。在此基礎上,分形維數、拓撲參數等指標被用來定量分析細溝溝網的形態特征[52, 60]。研究表明坡面細溝發育符合耗散結構中的自組織理論,基于該理論構建的黃土坡面細溝形成機理模型,能夠定量預測紋溝、細溝和溝網發育過程[49, 61]。可見,現有溝網分形及自組織理論研究成果,可為細溝發育及其形態特征量化提供理論基礎。

細溝網發育復雜,有關研究主要集中描述細溝網演變過程和徑流侵蝕關系[12, 44],而對細溝網發育的量化研究較少。細溝間距離[48]、細溝分布密度[62]、細溝分叉數和合并點數[63]等能夠較直觀地定量衡量細溝網發育(表1)。隨著細溝網的發育,細溝間距離逐漸減小,細溝分布密度總體呈現為先增加后減小的趨勢,細溝分叉數和合并點數基本呈增加的趨勢[30]。在今后的研究中可以選取上述指標,并在此基礎上開拓和推廣新的細溝網發育指標。

表1 細溝網發育指標的概念及物理意義

目前已有較多學者研究細溝侵蝕過程[2, 35,64-65],但由于降雨特性、匯流強度、土壤類型、地形因素等試驗條件的不同,以及細溝侵蝕隨時空的動態變化特征,造成研究結果具有一定差異,尤其缺少對細溝形成過程的量化分析。因此,仍需深入開展研究,側重對不同尺度下細溝發育的定量研究、構建推廣模型、以及挖掘細溝網發育指標等,這將為深刻認識細溝侵蝕機理提供科學依據。

2 細溝形態特征

細溝發育塑造了復雜的侵蝕形態,包括基本的幾何形態和據此衍生的形態;而細溝形態對細溝發育又有一定的影響。已有研究[44]常側重分析坡面上主細溝特征,因為與小細溝相比,主細溝能夠攜帶和搬運更多的徑流和泥沙。但是,小細溝作為坡面細溝網的組成部分,其對細溝網的形成和形態演化具有重要作用[30]。因此,為了客觀揭示坡面細溝發育過程及其形態特征,有必要全面系統地研究坡面上的每一條細溝。

2.1 幾何形態特征

細溝幾何形態特征指標包括細溝長度、寬度、深度以及橫斷面,應用這些指標已經取得了大量研究成果。細溝長度能夠反映流域內細溝體積變化及細溝侵蝕過程的嚴重性[66]。最長細溝溝頭離坡頂距離、細溝平均寬度和深度等指標可用于描述崩崗崩積體的細溝形態特征[67]。由細溝寬度和深度體現的細溝橫斷面的變化能夠反映細溝發育情況及細溝流能量的變化,即在細溝上部,細溝流剝離并搬運溝壁土壤,在細溝下部,細溝流剝離土壤的能力減弱,但是仍可繼續搬運來自上方的泥沙[10,44]。雷廷武和Nearing[68]通過在砂壤土上開展水槽試驗,指出細溝寬度沿溝長呈周期性變化,并進一步揭示輸沙能力的采樣長度為2—4 m。也有學者通過測量統計細溝長度、寬度和深度,指出降雨初期細溝以溯源侵蝕為主,細溝溝頭的溯源侵蝕和同一條徑流流路上多條斷續細溝的相互連接是細溝加長的主要方式[69];隨著降雨歷時的延長,溯源侵蝕逐漸減弱,溝壁崩塌和溝底下切侵蝕則逐漸加強,但是溝底下切侵蝕受犁底層的制約[30]。溝壁崩塌和相鄰細溝的合并是細溝加寬的主要方式,而溝底下切侵蝕以及細溝內多級跌水的形成是細溝加深的主要方式[14, 20]。

目前,新技術逐漸被應用于細溝基本幾何形態特征研究中[18,70],例如,采用微地貌掃描方法,研究坡耕地細溝發育過程及其形態演變特征[18];采用高精度攝影測量法和三維激光掃描技術獲取高精度DEM,提取侵蝕溝溝道整體形態,包括細溝總長、最大溝長、平均溝寬、平均溝深及最大溝深等,進而表征坡面細溝形態變化[19, 71- 73]。這些高新技術經過改進與發展,將克服現有測量手段的限制,突破細溝侵蝕研究瓶頸,進而推進細溝形態特征研究。

2.2 衍生形態特征

細溝發育過程復雜,形態演化迅速,具有明顯的時空演變特征[9, 17]。坡面上細溝的分叉、合并和連通能夠促進細溝網體系的發育,影響細溝形態特征[14,70]。細溝溝頭在溯源侵蝕過程中遇到抗侵蝕力強的土塊,徑流侵蝕力不足以沖刷掉土塊,導致徑流繞道而行,產生細溝分叉;細溝通過相互吞并、細溝水流流路彎曲和徑流線集中,引起細溝的合并和連通[14]。可見,僅分析基本幾何形態特征難以反映復雜的細溝網發育過程,為此,有必要深入探究細溝衍生形態特征。

應用細溝長度、寬度和深度可以衍生出一些其他指標(表2)用來描述細溝形態。例如,細溝密度,一些研究認為細溝密度可以較好地體現細溝發育程度,其值越大,則細溝侵蝕越嚴重,分叉數也較多[74- 77];但也有相反的觀點認為細溝密度不適合表征細溝形態[15]。此外,細溝總表面積、寬深比、平面密度和平均深度等均可表征坡面細溝侵蝕及其形態特征[9,78- 79]。通過整合已有研究成果,筆者選取并界定了細溝傾斜度、細溝密度、割裂度(細溝平面密度)、復雜度及寬深比指標,用于表征黃土坡面細溝形態特征[30,50,80],結果表明,隨著降雨強度、雨滴動能等降雨因子的增大,細溝在水平方向的延展性、坡面的破碎程度、細溝網豐富度等均增加;隨著坡度、坡長等地形因子的增大,坡面的破碎程度、細溝網的豐富度等皆增加,而細溝在水平方向的延展性及下切侵蝕作用隨坡度和坡長的變化具有一定差異。此外,針對具體的降雨和地形條件,各指標的適用性有差異,其中,細溝割裂度是描述黃土坡面細溝發育的最佳形態特征指標。

盡管已經有學者對細溝形成、發育及形態特征進行了研究,但是細溝的形成和演化機制尚未明晰,而細溝網發育過程中細溝形態的量化表征也不夠深入。此外,在野外實地開展細溝發育及形態特征量化研究將有助于深入揭示細溝侵蝕機理[81-82]。因此,研究坡面細溝發育過程,并應用相應形態特征指標描述坡面細溝形態,有助于揭示坡耕地細溝侵蝕機理。

表2 細溝形態特征指標的概念、計算公式及物理意義

3 細溝形態與細溝發育耦合關系

坡面產生細溝后,泥沙輸移速率迅速增加,此時坡面細溝形態在地形和水文上均具有重要作用[9, 35,83-84]。研究表明,坡面徑流含沙量與細溝形態的變化過程基本一致[19],溝網發育程度對土壤侵蝕有重要影響[85],原因在于細溝網發育能夠促使徑流連通及水流向溝道集中[86-87]。細溝網基本形成后,徑流的連通和匯聚造成細溝繼續發育,細溝溝頭發生溯源侵蝕、溝壁崩塌加寬、溝底下切加深,形成穩定的細溝溝槽,細溝網發育趨向于成熟。可見,細溝形態與細溝發育關系密切,深入揭示二者的耦合關系對細溝侵蝕防治有重要指導作用。

細溝侵蝕受降雨徑流、地形、土壤及地表狀況等共同影響。降雨因子中的降雨強度、雨滴動能、降雨量、降雨歷時和雨型等對細溝侵蝕影響較大。以降雨強度和雨滴動能為例,在降雨量相同的條件下,隨著降雨強度的增加,坡面流穩定時間縮短、徑流強度增加、跌水和細溝出現的時間縮短,細溝侵蝕更容易發生并進一步發育[30,50];而細溝傾斜度、細溝密度、割裂度和復雜度均增大,細溝侵蝕量增加[30,50,67, 88]。雨滴動能可以較好地表征降雨侵蝕力,對細溝侵蝕影響較大[41, 89-90],間接影響坡面細溝形態特征,具體表現為：消除雨滴動能可使細溝溝槽更加規則,即細溝寬度和深度的變異程度減小;細溝密度、割裂度、傾斜度和寬深比均減小,說明坡面的破碎程度、細溝侵蝕強度和細溝在水平方向的延展性等均隨著雨滴動能的消減而減小[30, 80]。

地形因子中的坡度和坡長對細溝侵蝕及其形態特征影響顯著[91]。在一定坡度范圍內,坡度越大,細溝侵蝕量越大,細溝發育更加充分,細溝平均溯源侵蝕速率也逐漸增大;而細溝傾斜度和寬深比基本呈減小的變化趨勢,表明細溝在水平方向的延展性隨坡度的增加而降低,此外,細溝下切侵蝕明顯增強;細溝密度、割裂度和復雜度增大,說明坡面的破碎程度、細溝侵蝕強度以及坡面細溝網的豐富程度皆隨坡度的增加而增加。細溝密度和傾斜度對坡度變化的響應也較為明顯[43, 50, 92-93]。坡長與細溝長度關系密切[94],隨著坡長的增加,坡面流能量的匯集時間、跌水和細溝出現的時間皆縮短,導致細溝侵蝕更容易發生;而細溝傾斜度、細溝密度、割裂度、復雜度和寬深比均增加,其中,前3個指標對坡長變化的響應更加顯著。綜上可知,一般隨著細溝的發育,細溝形態變化趨向于復雜化,其反過來促進細溝發育,二者相互關聯、彼此制約。目前,關于細溝形態與細溝發育的關系研究已經取得了一些重要成果,但不同因素綜合影響下二者的耦合關系仍需系統深入地研究。

4 研究展望

終上所述,盡管細溝侵蝕研究已經取得了一定的研究成果,為深入揭示土壤侵蝕規律及防治水土流失提供了重要參考。但是,受研究方法和技術條件所限,目前關于細溝發育過程及其形態特征的研究還存在一些問題和不足,需要我們更加深入地進行研究。

4.1 細溝形成演變過程及其侵蝕機理的量化研究

細溝發育過程的研究多停留在定性或半定量階段,或者基于已經形成的細溝,大都簡化了細溝發育過程,特別對坡面細溝網發育的定量研究還比較薄弱。今后的研究中,應該加強量化細溝的形成和演化機制。

4.2 細溝形態特征指標體系構建

細溝形態主要體現在細溝長度、寬度、深度、橫斷面特征及細溝傾斜度、細溝密度、割裂度、復雜度和寬深比等方面,但是,對于這些形態特征指標的科學意義、適宜性及推廣應用的可行性等方面研究不足,因此,需要根據實際應用條件,構建科學的細溝形態特征指標體系。

4.3 細溝形態與細溝發育過程的關系研究

細溝發育塑造的侵蝕形態反過來又對細溝發育過程產生重要影響,但是,關于細溝形態與細溝發育過程的交互影響及具體關系的研究還不夠深入。因此,需要綜合降雨、土壤、地形等多種因素,系統分析二者之間復雜的耦合關系,進而深入揭示細溝侵蝕過程及機理。