集水區耕作對干熱河谷沖溝溝頭溯源侵蝕過程的影響

楊鴻琨，蘇正安，朱大鵬，何周窈，周 濤，熊東紅， 方海東，史亮濤

（1. 中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，成都 610041； 2. 成都理工大學環境與土木工程學院，成都 610059；3. 西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500； 4. 四川農業大學林學院，成都 611130；5. 中國科學院大學，北京100049 6. 云南省農業科學院熱區生態農業研究所，元謀651300）

0 引 言

溝蝕作為一種重要的土壤侵蝕類型，具有產沙量大的特點，其產沙量能占到全流域總產沙量的10%～94%[1]。近年來，國內外學者針對沖溝侵蝕動力機制開展了大量研究，主要集中于沖溝監測方法的應用與評價、沖溝發育影響因素的定性分析、沖溝發育的形態特征以及沖溝侵蝕過程的模型研究[2]。例如：李佳佳等[3]利用高精度實時動態差分GPS 對沖溝溝頭形態特征進行了測量和調查，楊丹等[4]對元謀干熱河谷沖溝形態特征及其成因進行了研究，張寶軍等[5]基于力矩法探究了崩塌與溝蝕發育過程的關系，Su 等[6]通過放水沖刷試驗模擬了干熱河谷沖溝溯源侵蝕過程，研究了沖溝形態變化及侵蝕產沙規律。

金沙江干熱河谷區氣候干燥炎熱，水熱矛盾突出，植被覆蓋程度低，土壤抗蝕性差，水土流失嚴重，是中國西南地區特殊的脆弱生態環境類型區[7]。該區域沖溝發育，溝壑密度達到3～5 km/km2，且沖溝發育區的土壤侵蝕模數高達1.64×104t/(km2·a)[8]。快速發育的沖溝致使當地地形支離破碎，形成大量侵蝕劣地，導致植被生境條件變差，沖溝侵蝕已成為金沙江干熱河谷區主要的生態環境問題[6,8-10]。與此同時，金沙江干熱河谷也是中國西南干旱河谷的主要人口聚集地，大量沖溝集水區被開發為農耕地，從而導致沖溝溝頭溯源侵蝕速度產生了一定程度的變化。迄今為止，集水區強烈的人類耕作活動對沖溝溝頭侵蝕動力過程的影響機制并不清楚，關于集水區農耕活動對沖溝發育過程中水動力學的影響機制等方面的研究成果仍較少。因此，查明集水區耕作活動對沖溝溝頭水動力學和侵蝕特征的影響機制有利于進一步完善該區沖溝侵蝕的防治措施。

本研究選取一條處于發育階段的典型沖溝溝頭及其 集水區，在集水區部位進行耕作活動，并采用不同流量的 原位放水沖刷試驗，對比集水區處于裸地狀態和耕地狀態下沖溝溝頭各部位的水動力學特性和侵蝕特征差異，查明集水區耕作活動對沖溝溯源侵蝕過程的影響，從而為該區沖溝治理提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于云南省楚雄彝族自治州元謀縣（101°35′～ 102°06′E，25°23′～26°06′N），海拔介于1 067～1 138 m，該區屬于南亞熱帶季風氣候，干燥炎熱，降水集中，干濕季分明，熱量條件十分豐富，是金沙江流域典型的干熱河谷區[7]。該區年平均氣溫21.9℃，年均降水量634 mm，降水主要集中在6—10 月，占年降雨量的90%以上，年均蒸發量高達3 847.8 mm[11]。該區地帶性土壤為燥紅土，風化程度低，砂礫含量高，有機質含量少，土壤保水性能差[12]。研究區內植被種類較少、覆蓋度較低。典型的草本植物以孔穎草、扭黃茅為主，灌喬木以車桑子、酸角、余甘子為主，由此形成以稀樹灌木草叢為代表的植被群落[13]。

本研究主要在元謀干熱河谷溝蝕崩塌研究站內開展試驗（圖1），該試驗站是中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所與云南省農業科學院聯合共建的野外觀測站。站內沖溝密布，地形切割劇烈，溝蝕崩塌嚴重，是沖溝發育的典型區域。

圖1 研究區位置圖 Fig.1 Location of study area

2 材料與方法

2.1 研究方法

本研究在試驗站內選取一條具有典型代表且仍在發育的沖溝溝頭及其集水區（溝頭植被蓋度＜5%且無人類活動），沿沖溝集水區至溝床的縱斷面將其均勻劃分為4個試驗小區，每個小區劃分為集水區、溝壁和溝床3 部分（見圖2）。本研究采用原位放水沖刷試驗模擬沖溝溝頭溯源侵蝕過程，基于當地典型降雨量和匯水區面積設定了不同流量，在試驗小區的上方設置穩流槽，以期獲得連續而穩定的放水流量。為測量溝壁位置的相關參數，選取集水區下部最后一個斷面至溝床上部第一個斷面的部位作為溝壁，如圖2 所示。選取集水區和溝床的斜面面積作為本研究的計算面積。

圖2 溝頭及集水區示意圖 Fig.2 Diagram of gully head and catchment area

本研究兩輪試驗均在同一條沖溝進行，裸地沖刷試驗于2013 年9 月（干旱無雨期）開展，試驗過程保持集水區處于裸地且未耕作的狀態，試驗后將沖溝地形恢復成最初狀態。耕作后的沖刷試驗于2015 年3 月進行。第二輪試驗開展前，對4 個小區的集水區部位進行翻耕、整平，并在每個小區均輪流種植花生和玉米。

基于當地典型降雨量和匯水區面積，設定兩次放水沖刷試驗的流量為30、60、90 和120 L/min，每個小區對應一種流量（見表1）。試驗開始后，每10 min 測定3 次徑流寬、徑流深、流速和水溫等參數，固定每次測量的讀數位置以減小誤差，取平均值用于計算。其中徑流流速測定采用滴墨法，徑流深、徑流寬、水溫則采用直尺和溫度計直接量測。試驗過程中，每隔30 min 暫停放水， 使用LMS-Z420i 三維激光掃描儀對溝頭各部位進行地形測量，調節激光掃描儀的相關部件改變掃描角度，進行多角度掃描測量，測量精度為±2mm[6]。繼續放水沖刷試驗，單次放水沖刷試驗持續時間為150 min。

表1 試驗小區規格設置 Table 1 Specification of test plots

2.2 參數計算

Darcy-Weisbach 阻力系數f 是水流剪切力做功與水流動能的比值，反映水流流動時所受阻力大小，計算公式[14]為：

式中J 為坡降或坡度[15]；V 為徑流平均流速（m/s）；R為水力半徑（m）；g 為重力加速度（m/s2）。

徑流能耗是土壤侵蝕過程中水流克服阻力將土壤分離所做的功。徑流能耗理論利用侵蝕過程的初始和最終狀態，通過計算初始狀態和最終狀態的徑流能量變化，來推測侵蝕過程中消耗的總能量。通過公式[16-17]表示為：

式中E 為徑流能耗（J/s）；ρ 為水的密度（kg/m3）q1為初始狀態流量（m3/s）；q2為最終狀態的徑流流量（m3/s）；L 為坡長（m）；V1為初始狀態徑流流速（m/s）；Vx為最終狀態徑流流速（m/s）；X 為最終狀態位置；T 為持續的時間（s）；θ 為試驗坡面的坡度（°）。

侵蝕單位土體的徑流能耗表征徑流侵蝕單位質量的 土體所消耗的能量，主要公式[16,17]為：

式中Eu為侵蝕單位土體的徑流能耗（J/g）；R 為土壤侵蝕的速率（g/(m2·s)）；S 為土壤侵蝕面積（m2）；T 為沖刷時間（s）。

2.3 數據處理

利用三維激光掃描儀測量的地形數據導入Arcgis10.1軟件中，再通過Arcgis10.1 軟件生成高分辨率數字高程模型，然后采用3D 分析工具中的TIN 插值方法，計算試驗前后的地形變化和土壤侵蝕速率。在此基礎之上，運用SPSS22.0 軟件中配對樣本t 檢驗對所獲數據進行配對分析，采用Origin8.0 對沖溝在耕作前后的土壤侵蝕速率、徑流阻力系數和徑流能耗等進行分析和制圖。

3 結果與分析

3.1 耕作對溝頭土壤侵蝕速率的影響

圖3 顯示出，在時間變化上，沖溝各部位的土壤侵蝕速率的變化趨勢差異并不明顯。在不同放水量的情況下，隨著放水沖刷時間的增加，裸地和耕地集水區、溝壁和溝床的土壤侵蝕速率變化趨勢均表現為先減小后趨于穩定的趨勢。

圖3 沖溝溝頭土壤侵蝕速率隨時間的變化趨勢 Fig.3 Change trend of soil erosion rate at gully head with time

對于沖溝各部位，耕地狀態和裸地狀態下的土壤侵蝕速率的大小具有顯著差異。如圖3 所示，在放水沖刷試驗進行到90min 后，溝頭徑流侵蝕過程逐漸穩定。在4 種流量狀態下，沖溝集水區部位，裸地狀態下的土壤侵蝕速率分別為0.016、0.026、0.032、0.048 kg/(m2·min)，耕地狀態下的土壤侵蝕速率分別為0.049、0.071、0.078、0.128 kg/(m2·min)，耕地狀態下集水區土壤侵蝕速率比裸地狀態下的土壤侵蝕速率增加了約1.62 倍。相比于集水區處于裸地狀態下的溝壁部位，集水區耕地狀態下的溝壁土壤侵蝕速率與之并不存在顯著差異。集水區處于裸地狀態時溝床的土壤侵蝕速率分別穩定在0.077、0.135、0.153、 0.179 kg/(m2·min)，集水區處于耕地狀態時溝床的土壤侵蝕速率分別為0.057、0.118、0.126、0.172 kg/(m2·min)。結果表明，在集水區進行農耕活動可顯著增加集水區的土壤侵蝕速率，而對溝壁的土壤侵蝕速率則無顯著影響，在集水區進行農耕活動反而會導致溝床的侵蝕速率有所減小。

3.2 耕作對溝頭徑流阻力系數的影響

隨著放水沖刷時間的增加，兩種處理下沖溝溝頭不同部位的阻力系數變化差異顯著。集水區處于裸地狀態時，集水區和溝床部位的徑流阻力系數在試驗前90 min 內逐漸增加，90 min 后，徑流阻力系數均逐漸趨于穩定（圖4）。集水區處于耕地狀態時，集水區和溝床的徑流阻力系數則在前90 min 內逐漸減小，90 min 后逐漸趨于穩定（圖4），這表明在集水區開展耕作活動可顯著改變沖溝徑流阻力 系數的變化趨勢。

耕作后，沖溝各部位徑流阻力系數均出現了較大幅度 的變化。圖4 顯示，試驗進行至90min 后，沖溝各部位的徑流阻力系數逐漸穩定。裸地狀態下集水區的徑流阻力系數（穩定值）分別為0.53、0.27、0.28、0.29，耕地狀態下集水區的徑流阻力系數則分別為3.54、2.99、2.35、2.02，耕地集水區的徑流阻力系數比裸地集水區增加約6.96 倍。集水區為裸地狀態時，溝床的徑流阻力系數分別穩定在2.02、1.77、1.94、2.11，而集水區為耕地狀態時，溝床的徑流阻力系數分別穩定在4.01、4.18、3.26、2.96，集水區為耕地狀態下溝床的徑流阻力系數相比裸地狀態增加了約2 倍。由此可見，集水區由裸地轉變為耕地狀態后，集水區和溝床的徑流阻力系數均會顯著增加，這表明耕作活動可顯著增加沖溝溝頭的徑流阻力系數。

圖4 沖溝溝頭徑流阻力系數隨時間的變化趨勢 Fig.4 Change trend of runoff resistance coefficient at gully head with time

3.3 耕作對溝頭徑流能耗的影響

3.3.1 徑流能耗的變化特征

如圖5 所示，集水區農耕活動并未對沖溝各部位的徑流總能耗產生明顯影響。在4 種流量狀態下，裸地狀態下集水區的徑流能耗的穩定值分別為6.86、12.96、17.14、26.08 J/s，耕地狀態下集水區的徑流能耗的穩定值分別為10.85、15.01、19.96、26.18 J/s ，與裸地相比，耕地狀態集水區的徑流能耗增加了約20%。集水區裸地狀態下溝壁的徑流能耗的穩定值分別為3.57、8.12、9.79、16.61 J/s ，集水區耕地狀態下溝壁的徑流能耗分別為5.49、9.59、15.51、18.66 J/s ，集水區耕地狀態下溝壁徑流能耗比裸地狀態下增加了約37%。集水區裸地狀態下溝床的徑流能耗的穩定值分別為6.62、19.42、30.49、44.64 J/s ，集水區耕地狀態下溝床的徑流能耗的穩定值分別為11.36、17.71、23.33、29.59 J/s ，二者的徑流能耗相近。由此可見，集水區農耕活動會導致沖溝各部位的徑流能耗有所增加，但其差異并不顯著。

隨著沖刷時間增加，沖溝各部位的徑流能耗的變化趨勢較為接近。隨著沖刷時間的增加，裸地狀態下和耕地狀態下的沖溝集水區、溝壁和溝床的徑流能耗均呈現先增加后趨于穩定的變化趨勢。這表明耕作活動不會對徑流能耗的時間變化趨勢產生明顯影響。

圖5 沖溝溝頭徑流能耗隨時間的變化趨勢 Fig.5 Change trend of energy consumption of gully runoff at gully head with time

3.3.2 侵蝕單位土體的徑流能耗的變化特征

試驗發現，隨著放水沖刷時間的增加，裸地和耕地狀態下沖溝集水區、溝壁和溝床的侵蝕單位土體的徑流能耗均呈現出先增加后趨于穩定的變化趨勢，這表明農耕活動對侵蝕單位土體徑流能耗的時間變化趨勢影響較小。

相比于裸地狀態下集水區，集水區為耕地時侵蝕單位土體徑流能耗會顯著降低。從圖6 可見，裸地狀態下集水區侵蝕單位土體的徑流能耗穩定值分別為0.78、0.89、0.90、0.97 J/g，耕地狀態下集水區的侵蝕單位土體的徑流能耗穩定值分別為0.44、0.47、0.49、0.43 J/g，耕地集水區侵蝕單位土體的徑流能耗相比裸地集水區減少約50%。集水區裸地狀態下溝壁侵蝕單位土體的徑流能耗分別為4.15、5.70、4.56、5.48 J/g，集水區耕地狀態下溝壁侵蝕單位土體的徑流能耗分別為5.40、7.60、11.13、11.41 J/g，集水區耕地狀態下溝壁比裸地狀態下溝壁侵蝕單位土體的徑流能耗略微增加，但整體來看，差異并不顯著。與此同時，集水區處于不同處理狀態下，溝床的侵蝕單位土體徑流能耗也沒有產生顯著影響。這表明在集水區進行農耕活動會導致集水區侵蝕單位土體徑流能耗顯著降低，侵蝕、搬運相同質量的土體所消耗的能量減少，但在集水區進行農耕活動并不會對溝壁、溝床侵蝕單位土體徑流能耗產生顯著影響。

圖6 沖溝溝頭侵蝕單位土體的徑流能耗隨時間的變化趨勢 Fig. 6 Change trend of energy consumption per unit soil loss of gully runoff at gully head with time

4 討 論

干熱河谷區沖溝廣泛分布，當集水區處于不同土地利用類型時，沖溝發育速度并不同[18]。查明集水區處于不同土地利用類型時沖溝溯源侵蝕速率及其水動力學差異，以及研究農耕活動對沖溝溯源侵蝕過程的影響機制，可以為該區域采取針對性的沖溝防治措施奠定理論基礎。

集水區處于耕地狀態時，集水區徑流阻力系數比裸地狀態增加了5～10 倍，溝床徑流阻力系數比裸地增加了約2 倍，這表明改變集水區地表粗糙度能夠顯著改變沖溝溝頭的徑流阻力系數變化趨勢。前人研究表明，耕作導致的地表土壤粗糙度改變會顯著改變地表徑流過程[19-21]。相比于裸地狀態集水區，集水區為耕地狀態時地表土壤粗糙度顯著增加，從而導致土體對徑流的阻力系數會明顯增大。

當集水區為裸地狀態時，集水區和溝床的徑流阻力系數均呈現先增大后逐漸趨于穩定的趨勢；相反地，當集水區為耕地狀態時，集水區和溝床的徑流阻力系數均呈現出先減小后趨于穩定的趨勢。這是由于在放水試驗初期，裸地集水區和溝床地表均較為平整，徑流寬度較大，徑流深較小，徑流阻力系數也較小，但隨著徑流不斷剝蝕地表土壤，細溝逐漸形成，分散的徑流逐漸匯集形成股流，徑流寬逐漸減小，徑流深增加，阻力系數逐漸增加并趨于穩定。當集水區處于耕地狀態時，初始集水區地表土壤粗糙度較高，隨著放水沖刷試驗進行到 90 min 后，徑流不斷剝蝕地表土壤，逐漸形成較為平滑的細溝，徑流的阻力系數顯著減小，并在90 min 后逐漸趨于穩定。在溝床部位，徑流阻力系數均明顯大于集水區，與此同時，由于初始狀態下集水區阻力系數較大，徑流消耗的能量較多，隨著沖刷時間的增加，阻力系數逐步變小，所以溝床的阻力系數也隨之呈現逐漸減小后趨于穩定的趨勢。

徑流能耗表征了徑流在土壤侵蝕過程中克服土體阻力將其剝離和搬運所做的功[16,17]。試驗結果表明，徑流能耗與土壤侵蝕速率的時間變化存在相反的趨勢，即隨著沖刷時間增加，徑流能耗呈逐漸增加并趨于穩定的趨勢，但是土壤侵蝕速率呈逐漸減小并趨于穩定的趨勢。這是由于金沙江干熱河谷區不同層次土體之間風化程度存在顯著差異，以及表層土體易開裂所致。在金沙江干熱河谷區，土壤類型以燥紅土為主，氣候干熱，太陽輻射強，從而導致表層土壤逐漸開裂變得疏松，而下層土壤由于沒有暴露在陽光下而相對較為緊實[22]。當徑流逐漸下切到下層土壤時，徑流下切所需的徑流能耗也更大，即相同徑流能耗能夠侵蝕和搬運的土壤量更少，侵蝕單位土體的徑流能耗則顯著增加。此外，本研究結果表明，耕作后地表侵蝕單位土體徑流能耗會顯著降低。因此，在沖溝治理過程中，應盡量減少人為耕作活動，避免加速沖溝發育區土壤侵蝕速率。此外，相比于徑流能耗，侵蝕單位土體徑流能耗這一指標更能夠反映沖溝溯源侵蝕動力過程變化趨勢。

5 結 論

本研究通過野外放水沖刷試驗，對比集水區分別為裸地和耕地兩種狀態下沖溝溝頭不同部位的侵蝕特征和水動力參數變化，得出以下結論：

1）在集水區進行耕作活動會加速集水區部位的土壤侵蝕速率，但在集水區進行耕作活動對溝壁和溝床的土壤侵蝕速率影響并不顯著。

2）在集水區進行農耕活動會顯著改變沖溝溝頭不同部位的徑流阻力系數及其時間變化趨勢。與裸地相比，耕作后集水區、溝床的阻力系數分別提高了約6.96 倍和2倍。與此同時，相比于集水區為裸地狀態時徑流阻力系數呈現先增大后逐漸趨于穩定的趨勢，在集水區進行農耕活動會導致溝頭不同部位徑流阻力系數呈先減小后逐漸趨于穩定的時間變化趨勢。

3）耕作活動會導致侵蝕單位土體徑流能耗顯著降低，從而增加整個坡溝系統的土壤侵蝕量。當集水區處于耕地狀態時，集水區侵蝕單位土體的徑流能耗比裸地狀態降低了約50%，但集水區的農耕活動并不會對溝壁、溝床侵蝕單位土體徑流能耗產生顯著影響。