黑土坡面細溝形態及剖面特征試驗研究

車曉翠, 趙文婷, 沈海鷗, 牟廷森

(吉林農業大學 資源與環境學院, 吉林 長春 130118)

細溝在坡耕地上分布廣泛，其在坡面上的分叉、合并及連通能夠促進細溝侵蝕的發展；細溝侵蝕可造成耕地面積減少，土地退化以及糧食產量降低等危害[1]。由細溝發育形成的侵蝕形態具有明顯的時空演變特征，并且反過來影響細溝侵蝕過程[2]。侵蝕性降雨或融雪產生的地表徑流對坡面細溝的產生有重要影響，徑流侵蝕力是細溝發育的直接動力[3]。細溝產生后，徑流搬運能力進一步增強，坡面侵蝕量也隨之顯著增加，從而塑造出不同的細溝形態[4]。坡度也是影響坡面細溝侵蝕及其形態特征的重要因子，土壤抗蝕能力一般會隨著坡度的增大而減小[5]，從而導致坡度越大，細溝侵蝕越嚴重，細溝形態越復雜[6-7]。在黃土坡面，通過描述細溝平均寬度、深度以及細溝剖面變化等分析細溝形態特征[8]；在細溝流量一定的條件下，伴隨著細溝發育，細溝剖面形態呈現由“寬淺型”向“窄深型”的變化特征[9]。在紅壤坡面，通過選用細溝寬深比作為指標，研究細溝剖面形態變化特征[10]?？梢?，目前關于細溝形態及其剖面特征的研究主要集中在黃土和紅壤土區域，且研究方法主要是基于試驗土槽開展的室內模擬試驗。但是，由于空間區域不同導致土壤侵蝕特性不同[10-11]，使得黑土與其他土壤在坡耕地上的細溝形態特征之間存在一定差異。

東北黑土區獨特的自然環境條件和人類生產活動方式，導致該區土壤侵蝕危害嚴重[12]。坡耕地是黑土區土壤侵蝕的主要策源地，其中，細溝侵蝕在坡面土壤侵蝕中占據重要比重，因此，關于黑土區坡耕地細溝侵蝕的相關研究逐漸受到更多學者的關注[13]。但是，目前關于黑土區坡耕地細溝形態及其剖面特征的研究較少，且缺少對細溝溝壁坡度的分析。鑒于此，本研究基于野外徑流小區，采用匯流沖刷試驗方法，對比分析不同坡度條件下黑土坡面細溝寬度、深度、寬深比及細溝剖面形態和溝壁坡度的特征，旨在為東北黑土區坡耕地細溝侵蝕防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2017年8月在吉林農業大學青溝坡面徑流觀測場(125°21′E，43°52′N)進行。該觀測場所在地區四季分明，雨熱同季，春季干燥多風，夏季高溫多雨，冬季寒冷漫長，屬于溫帶大陸性季風氣候，年日照時數為2 688 h，年平均氣溫4.8 ℃[13]。該地區屬于典型黑土區，成土母質由黏土和亞黏土組成，其顆粒組成為砂粒(>50 μm)質量分數10.2%，粉粒(2～50 μm)質量分數80.2%，黏粒(<2 μm)質量分數9.6%，有機質含量為25.6 g/kg。

1.2 試驗設計及方法

徑流小區長度20 m(水平投影)，寬度5 m，坡面為翻耕裸露處理，翻耕深度20 cm，土壤容重為1.20 g/cm3，試驗前期未對徑流小區內土壤進行飽和處理，實測土壤含水量為26.7%～27.7%。依據東北黑土區坡耕地典型坡度特點[14-15]，將坡度設計為5°和10°。匯流沖刷對細溝侵蝕的發生和發展有重要影響，故采用匯流沖刷試驗方法。由于長春地區20 a一遇的最大降雨強度接近60 mm/h[16]，經換算后采用1 L/(min·m2)的匯流流量進行沖刷，沖刷歷時為60 min。試驗處理重復2次。沖刷試驗結束后，采用測尺從坡上部開始每隔20～50 cm測定坡面細溝寬度及深度；此外，自坡頂以5 m為間隔選取3個典型細溝剖面，分別代表坡上、坡中、坡下位置，并采用直尺詳細量取其所在位置斷面的細溝頂部寬度和底部寬度，并以一側溝沿為起點，每隔1 cm縱向測量其斷面深度，從而獲取詳細的細溝剖面形態數據。

1.3 參數描述

(1) 細溝溝壁坡度是指細溝溝壁上所有的相鄰兩個測點連線與水平線之間的夾角進行加權求和，權重是按相鄰測點之間的長度占總細溝溝壁長度的百分比進行計算。具體又可劃分為細溝左側溝壁坡度和細溝右側溝壁坡度。公式表達形式為：

(1)

式中：α為細溝溝壁坡度(°);αi為第i點與第i+1點之間的線段與水平面之間的夾角(°);Xi為第i點與第i+1點之間的線段長度(cm)。

(2) 細溝寬深比是指細溝寬度與對應深度的比值，為一無量綱參數[17-18]。公式表達形式為：

(2)

式中：RWD為細溝寬深比;Wi為第i個測點處的細溝寬度(cm);Di為第i個測點處的細溝深度(cm);n為坡面上的測點總數。

1.4 數據處理

使用Excel 2016對試驗數據進行收集整理及制作圖表，使用Photoshop CS 6軟件測量細溝溝壁坡度，使用SPSS 19.1中方差分析和多重比較(LSD)進行顯著性水平檢驗(p<0.05)。由于坡耕地上產生的細溝寬度一般小于30 cm，最大為50 cm[19]，為了方便比較不同位置的斷面特征，假設其中軸線為25 cm，以X軸最右側數值與最左側數值的差值為細溝寬度，Y軸方向為細溝深度建立坐標系，繪制該位置的細溝剖面圖。

2 結果與分析

2.1 細溝基本形態特征分析

通過對比5°和10°坡面細溝寬度的變化，發現試驗條件下，細溝寬度的最大值均超過40.0 cm，最小值為6.0～9.0 cm，平均值均小于20.0 cm(見表1)。隨著坡度的增加，細溝寬度的最大值無顯著變化，而最小值和平均值分別減少33.3%和27.0%?？梢姡狙芯恐屑殰蠈挾入S著坡度的增加總體表現為減小的趨勢。分析原因是，地面坡度越大，其徑流匯集時間越短，導致形成的細溝股流的沖刷能力增強[18]；此外，由于2個坡度下匯流沖刷流量相同，細溝股流集中沖刷細溝底部的能力增強，就會造成其對細溝溝壁崩塌侵蝕的影響減弱，因此，細溝寬度的變化隨著坡度的增加而減小。

表1 5°和10°坡面細溝形態特征指標對比

5°和10°坡面細溝深度的最大值均小于20.0 cm，最小值均為2.0 cm，平均值均小于10.0 cm(見表1)。當坡度由5°增加為10°，細溝深度最小值無顯著變化，而最大值和平均值分別增加50.0%和66.7%?？梢?，試驗條件下，細溝深度隨著坡度的增加而明顯增大。這是由于坡面處理為翻耕裸露處理，翻耕深度為20 cm，且已有研究表明，細溝深度一般不超過20 cm[19]，這就保證了細溝下切侵蝕的發育；此外，坡度越大，徑流沖刷侵蝕能力越強，其徑流能量主要用于細溝下切侵蝕[9]。因此，細溝深度的變化隨著坡度的增加而增加。

進一步分析細溝寬深比的變化，發現最大值可達到或超過10.0，最小值均為1.0左右，平均值變化于2.3～4.9，均小于5.0(見表1)。隨著坡度由5°增加為10°，細溝寬深比最大值和最小值均無顯著變化，而平均值明顯減小53.1%?？梢?，試驗條件下，細溝寬深比隨著坡度的增加總體表現為減小的趨勢。這也與細溝寬度和深度隨坡度的變化趨勢有關。

綜上可見，細溝平均寬度，深度，寬深比分別變化于13.5～18.5 cm，4.2～7.0 cm，2.3～4.9；隨著坡度的增加，細溝下切侵蝕作用增強幅度明顯超過細溝溝壁崩塌侵蝕作用，造成細溝寬度減小、細溝深度增加，進而導致細溝寬深比減小。

2.2 細溝剖面形態特征分析

為了進一步分析細溝基本形態特征，分別繪制了5°和10°坡面不同坡位典型細溝剖面圖(見圖1)。由圖1可知，黑土坡面細溝剖面形態主要表現為“U”型。而在黃土[9]、黑壚土[8]以及紅壤土[10]地區，“V”型剖面屬于典型細溝剖面之一，在黑土坡面上，該“V”型剖面形態則較少。造成這種結果的原因主要與黑土的抗沖蝕能力相關，由于黑土腐殖質層的有機質含量較高，土壤表層結構疏松，造成黑土的抗蝕能力較差[20]；其土壤本身性質能夠影響細溝侵蝕形態特征[10,15]。且已有相關研究[21]表明，黑土的抗沖蝕能力在一定條件下甚至弱于黃土、紅壤土以及紫色土。此外，黑土層較薄，匯流沖刷極易到達犁底層，犁底層的土壤為黏黃土，其土壤質地黏重，水分下滲能力弱[14]，導致徑流匯集，向細溝兩側蔓延，在不斷下切侵蝕過程中，修飾細溝溝壁，形成“U”型細溝剖面形態。

通過對比5°和10°坡面不同坡位典型細溝剖面，發現隨著坡度的增加，黑土坡面更趨向于形成“窄深型”細溝(見圖1)。分析原因是，隨著坡度的增大，匯流沿坡面向下的分力增大，徑流流速也隨之增大[9,22]，徑流的沖刷能力沿流動方向逐漸增強，對坡面的沖刷更為劇烈，土壤的抗沖蝕能力一般也隨坡度的增大而減小[5]，導致細溝溝底下切侵蝕增強。因此，10°坡面較5°坡面更易產生“窄深型”的“U”型細溝。坡度越大，細溝剖面形態由“寬淺型”向“窄深型”發展的現象不止出現在黑土坡面上，同樣存在于黃土坡面[9]?？梢?，坡度對坡面細溝剖面形態的發育有重要影響。

圖1 5°和10°坡面不同坡位典型細溝剖面

黑土坡面上、中、下3個坡位之間的細溝剖面形態也存在一定差異(見圖1)。5°坡面坡上，坡中，坡下位置的細溝寬深比分別為2.4，1.7，8.9，10°坡面坡上，坡中，坡下位置的細溝寬深比分別為3.1，1.5，1.9(見圖2)。結果表明，黑土坡面從上到下的細溝剖面形態呈現為由“寬淺型”到“窄深型”再到“寬淺型”的變化趨勢。其原因主要包括2個方面： ①與土壤團聚度有關，有研究指出，坡上和坡下位置的土壤團聚度較坡中位置的土壤團聚度高，造成坡中位置土壤抗蝕性較其他部位差[22]； ②當匯流到達坡中位置，在沿坡面向下繼續運動的過程中，其重力勢能主要轉化為水流的動能，徑流流速逐漸增加，侵蝕能力加強，其下切侵蝕作用大于溝壁崩塌侵蝕，而徑流流經坡上部位和坡中部位后，挾帶大量泥沙至坡下部位并發生沉積，使坡下部位的細溝深度變淺，而徑流流路變寬，造成細溝隨之加寬。因此，相對于坡上和坡下位置而言，坡中位置更易形成“窄深型”細溝。

圖2 5°和10°坡面不同坡位細溝寬深比

2.3 細溝溝壁坡度的變化特征

由圖1可知，黑土坡面細溝溝壁較陡。應用Photoshop CS6軟件進行測量，得出黑土坡面細溝溝壁坡度主要分布于37.7°～85.2°之間；其中，細溝左側溝壁坡度和右側溝壁坡度的平均值分別為75.2°和70.6°(見表2)。對比不同坡度條件細溝溝壁坡度可知，5°和10°坡面細溝左側溝壁坡度平均值分別為70.0°和80.5°，細溝右側溝壁坡度平均值分別為60.2°和81.1°。可見，細溝溝壁坡度隨著地面坡度的增加而增大，即細溝溝壁邊坡逐漸變陡。分析原因是，坡度作為影響坡面土壤侵蝕的主要因子，坡面徑流的位能、沖刷能力和挾沙能力均隨坡度的增加而明顯增強[23]，入滲量則隨之減小[5]，細溝侵蝕量增大，從而造成細溝溝壁被侵蝕得更加陡峭。由此可見，東北黑土區陡坡耕地，特別是在無植被生長或處于植被生長幼苗期的裸露休閑地上發育的細溝溝壁坡度較大，對應的細溝侵蝕防治也更加困難。

表2 5°和10°坡面各坡位細溝溝壁坡度

對比黑土坡面上、中、下3個坡位細溝溝壁坡度，可知5°坡面坡上，坡中，坡下位置的細溝溝壁坡度分別為70.4°，77.5°，47.4°；10°坡面坡上，坡中，坡下位置的細溝溝壁坡度分別為78.0°，82.1°，82.3°(見表2)。結果表明，細溝溝壁坡度與其所處坡段位置存在一定關系，即坡中位置細溝溝壁坡度一般大于坡上和坡下位置，尤其在坡度較為平緩的條件下；但是，隨著坡度的增加，坡中位置細溝溝壁坡度的變化趨勢明顯減弱。分析原因是，徑流在坡面上部形成之后，便逐漸匯集，導致徑流流速增大，其對應的徑流沖刷能力也隨坡面位置的變化而增強，使得細溝溝壁呈現逐漸變陡的變化趨勢；但是，在徑流沖刷能力增強到一定程度后，由于徑流挾帶的泥沙逐漸增多，導致泥沙在坡面下部發生臨時性沉積，使得細溝溝壁坡度變緩；此外，已有相關研究指出東北黑土區坡耕地坡中位置的土壤侵蝕強度較其他坡位更大[22]。因此，黑土坡面坡中位置的細溝溝壁邊坡更為陡峭，應作為黑土坡面細溝侵蝕防治的重點部位。

3 結 論

(1) 試驗條件下，細溝平均寬度，深度，寬深比分別變化于13.5～18.5 cm，4.2～7.0 cm，2.3～4.9；黑土坡面更易形成“U”型細溝剖面形態。隨著坡度的增加，細溝下切侵蝕作用增強幅度明顯超過細溝溝壁崩塌侵蝕作用，造成細溝剖面形態由“寬淺型”向著“窄深型”發育。黑土坡面從上到下的細溝剖面形態呈現為由“寬淺型”到“窄深型”再到“寬淺型”的變化。因此，相對于坡上和坡下位置而言，坡中位置更易形成“窄深型”細溝。

(2) 黑土坡面細溝溝壁坡度主要介于37.7°～85.2°，其值隨著地面坡度的增加而增大；此外，細溝溝壁坡度與其所處坡段位置存在一定關系，即坡中位置的細溝溝壁坡度普遍大于坡上和坡下位置。綜上所述，東北黑土區陡坡耕地，特別是無植被生長或處于植被生長幼苗期的裸露休閑地坡中位置發育的細溝溝壁邊坡更為陡峭，對應的細溝侵蝕防治尤為關鍵。