砒砂巖區水力侵蝕下坡面微地貌變化特征及過程研究①

李 龍，秦富倉*，錢秋穎，董曉宇，張若曦，張 鵬

砒砂巖區水力侵蝕下坡面微地貌變化特征及過程研究①

李 龍1, 2，秦富倉1, 2*，錢秋穎1，董曉宇1，張若曦1，張 鵬1

(1內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 100018；2 荒漠生態系統保護與修復國家林業和草原局重點實驗室，呼和浩特 100018)

解決砒砂巖區坡面的產流產沙問題對黃河流域生態安全具有重要意義，選取砒砂巖裸露坡面為研究對象，在自然降雨條件下采用野外徑流小區實測結合三維激光掃描技術，分析13次有效降雨過程砒砂巖坡面微地貌的變化過程及產流產沙特征。結果表明，徑流小區內坡面土壤平均侵蝕深度為26 mm，侵蝕區占徑流小區總面積的95.27%，單位面積上侵蝕導致土壤流失體積為0.019 m3/m2。砒砂巖坡面產流產沙量與降雨強度呈較好的對應關系，降雨強度和降雨量是影響坡面產流產沙的主要因素。受降雨強度變化的影響，地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度均隨降雨呈現累積增加的趨勢，地表曲率受單次降雨強度影響明顯，呈現不規律的波動變化；坡面產流量和產沙量之間存在較好的正相關性(=0.539，<0.05)。

坡面侵蝕；微地貌；三維激光掃描；砒砂巖

水力侵蝕受到諸多因素的影響，其中下墊面的狀況在坡面尺度水力侵蝕過程中扮演著重要角色[1]。在水力侵蝕的長期作用下，坡面上土壤顆粒在徑流和泥沙的運動過程中不斷發生著破壞、剝蝕、搬運和沉積，從而導致了不同空間位置上土壤理化性狀發生改變，隨著侵蝕過程的發生和演變，這一過程同時驅動著地表微地形的變化[2]。由于侵蝕導致的土壤自身空間的位置變化與高程的消長，土壤的微地貌得到重新塑造[3]。坡面上微地形的空間分布特征(粗糙度、地表切割度、起伏度等)直接影響著坡面徑流產生、地表入滲、徑流匯集以及產流產沙過程，從而對坡面土壤的流失起到抑制或促進的作用[4]。與此同時，坡面的整個產匯流過程也是引起地表微地形變化的主要動力，因此，坡面產流產沙與微地貌變化過程兩者緊密相連，相互影響。

雨滴的擊濺和徑流的沖刷等作用使侵蝕表面發生土壤分離、泥沙沉積、洼地蓄水等現象，這些變化均會導致地表微地形的改變，同時地表微地形的變化也在影響著水蝕過程[5]。圍繞坡面微地貌與土壤侵蝕關系的研究也受到研究者們的廣泛關注，特別是在地表填洼[6]、入滲[7]、產流產沙過程[8]以及微地貌的自身發育特征[9]等方面已有大量研究成果涌現。有研究表明，由于下墊面的差異，在各降雨階段，相應區域的匯流速度和泥沙搬運能力、對地表的剪切、沖刷強度也在不斷變化，坡面形態的差異對侵蝕的增減效應始終處于一個動態的平衡[10]。然而，由于野外的原位觀測試驗具有較大困難性，自然降雨試驗受天氣因素影響較大，坡面細溝變化的研究也多集中于室內的人工降雨[11]和放水沖刷[12]等模擬試驗，難以真實反映自然降雨狀態下坡面細溝的發育過程及其與產流產沙的關系。因此，以微地貌的變化過程和規律為切入點，深入分析水力侵蝕下坡面的侵蝕過程和機制具有重要意義。

砒砂巖位于黃土丘陵溝壑區的大地理環境下，由于其巖層成巖程度低、沙粒間膠結程度差、結構強度低，抗沖刷和抗蝕能力均弱，特別是砒砂巖表層土壤易受到降雨后水分的影響，對坡面土壤結構破壞嚴重，加速砒砂巖崩解，極易造成水土流失[13]。因此，本研究以砒砂巖區裸露坡面為研究對象，在自然降雨條件下通過野外徑流小區監測試驗，結合三維激光掃描技術，研究水力侵蝕作用下坡面微地貌變化過程以及侵蝕規律，以期為合理調節地區土壤流失，構建坡面土壤侵蝕模型提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗鮑家溝流域(圖1)，地理坐標為110°31′ ～ 110°35′Ｅ、39°46′ ～ 39°48′Ｎ，海拔在1 110 ～ 1 300 m；屬溫帶大陸性氣候，冬季漫長干燥，夏季短暫溫熱，年降雨量400 mm，多為暴雨。研究區降雨量集中在夏季(6—8月)，夏季多年平均降水量256.4 mm，占全年降水量的64.1%。光照資源豐富，年日照時數3 100 ～ 3 200 h，年日照率大于70%，多年平均氣溫7.2 ℃，無霜期平均135天。土壤基巖為砒砂巖(表1)，以栗鈣土為主，土層厚度小于1 m。腐殖質層厚度一般為20 ～ 30 cm，有機質含量較低，pH 8 ～ 8.5，質地一般為砂壤土，結構為小粒狀。植被屬于溫帶干旱草原植被，植物類型多以多年生的草本植物組成，以禾本科植物為主，其次是菊科、豆科植物，另有部分小灌木、半灌木，以豆科、菊科為主。主要人工植被有沙棘()、檸條()、油松()等。

圖1 研究區位置圖

1.2 試驗設計

1.2.1 樣地選取與布設 根據研究區典型的地形條件，選擇坡度為10o且棄耕年限在15 a以上的坡地為研究對象。本研究旨在觀測坡面土壤侵蝕過程，因此清除小區內部雜草、枯落物、大塊礫石等雜物，在坡地上設置5個規格為2 m(寬)×5 m(長)徑流小區。小區長邊界垂直于等高線，小區低端設出水口，并配備集流桶以便采集水沙樣品。收集到的徑流和泥沙立即稱量，采用烘箱105 ℃ 恒溫烘干，稱量泥沙干物質量。徑流小區旁設置有固定HOBO氣象站，采用虹吸式自計雨量計記錄大氣降水過程，并配備雨量筒進行相互校驗，測定降雨量、降雨強度(最大30 min降雨強度)，及降雨歷時等基本數據。

1.2.2 微地貌變化過程測定 為精確分析水力侵蝕過程對坡面微地貌的影響，本研究采用高精度三維激光掃描儀對降雨前后的徑流小區進行掃描，獲取降雨前和降雨后的坡面地表微地形點云數據，所使用儀器為RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，掃描精度為2 mm (100 m距離)，掃描距離為600 m(反射率90%)，掃描范圍為100°(垂直)×360°(水平)。此外，該三維激光掃描儀應用波形數字化和在線波形分析技術，每秒可發出多達300 000束精細激光束，從而提供高達0.0005° 的角分辨率。

表1 研究區土壤基本理化性質

注：土壤機械組成為體積分數。

在徑流小區底端架設三維激光掃描儀，固定掃描位置與高度不變，于每次降雨前對徑流小區進行掃描，獲取雨前坡面上微地貌點云數據；降雨后15 min (等待坡面水分完全入滲，坡面達到穩定后掃描以保障掃描精度)，在相同位置再次對徑流小區進行掃描，獲取雨后坡面微地貌點云數據。

1.2.3 微地貌模型(M-DEM)構建 在每次降雨發生前后，從坡面收集高程點云數據。最終，每次掃描確定超過80 000個坡面微形貌的高程數據點。在ArcGIS軟件平臺的“數據轉換模塊”將點云數據轉化為柵格數據，點云數據精度可達到水平方向2.0 mm，垂直方向達1.5 mm；轉為柵格數據后生成的分辨率為2 mm × 2 mm 的M-DEM。

坡面微地貌的變化與侵蝕過程對土壤的搬運和沉積密切相關。因此，本試驗采用侵蝕前的M-DEM中減去侵蝕后的M-DEM，其差值可以定量地描述坡面微地貌的變化。為了確定精確的空間疊加位置，在每個徑流小區附近設置了6個固定的匹配點作為參考。在ArcGIS空間分析模塊下，使用柵格計算器實現柵格疊加相減，并完成計算分析。若降雨前微地貌模型(M-DEM前)減去降雨后微地貌模型(M-DEM后)得到?E-DEM為負值，則表明對應的區域為侵蝕區，若為正值，則表明對應區域為沉積區[14]。

那么，侵蝕區面積(total erosion area，TEA)和沉積區面積(total deposition area，TDA)可計算為：

TEA =×(1)

TDA =×(2)

式中：表示統計單元柵格的面積(m2)，和分別代表侵蝕區和沉積區的柵格數量。

侵蝕體積(total erosion volumes，TEV)、沉積體積( total deposition volumes，TDV) 和凈土壤流失體積 (net loss volumes，NLV) 可計算為：

式中：ΔZ 表示柵格的高程差值，和分別代表侵蝕區和沉積區的柵格位置。

1.2.4 微地貌參數的提取 1)曲率。曲率是指地形表面扭曲變化程度的定量化度量因子，能夠直觀地反映出地表凹凸起伏的變化狀況。在某一圖層的DEM柵格數據的基礎上進行曲率的提取。

2) 地表粗糙度。地面粗糙度是指在一個特定的區域內，基于坡度的基礎上，地球表面積與其投影面積之比，通過地圖代數計算出來，能直觀反映出某一區域的地表起伏和侵蝕狀況，公式如下：

=1/COS([Slope of DEM]×π/180)(6)

式中：表示某一特定區域的地表粗糙度，[Slope of DEM]指某一圖層的DEM坡度，π一般取值3.14159。

3) 地表起伏度RA。地表起伏度是指在一定的區域范圍內，最低海拔與最高海拔之間的高差，能直觀反映出土壤在侵蝕過程中地表的高低起伏狀況，是區域地形的宏觀性指標，公式如下：

RA=max–min(7)

式中：RA表示一定范圍內的地形起伏度，max表示該范圍內最高點的高度值，min表示該范圍內最低的高度值，表示某一特定區域范圍的符號。

4) 地表切割度SI。切割度指在某點鄰近區域范圍內平均海拔與最低海拔之間的差值，能直觀反映出地表被侵蝕切割的狀況，公式如下：

SI=mean–min(8)

式中：SI表示區域范圍內某一點的地表切割深度，mean表示鄰近區域窗口的平均高度值，min表示鄰近區域窗口的最低高度值。

5) 匯流累積量DS。上一柵格的水流量按照水流方向流向下一柵格的累積水流量，流域內一個柵格的水流量代表了這個柵格的集水匯流能力的強弱。先對某一圖層的DEM進行填洼，對得到的無洼地DEM計算水流方向，在水流方向的基礎上提取匯流累積量[15]。

2 結果與分析

2.1 水力侵蝕下坡面產流產沙特征

基于2019年和2020年雨季(6—9月)徑流小區所觀測的26場天然降雨數據，分析水力侵蝕下砒砂巖坡面微地形變化及其產流產沙特征。其中，2019年觀測到15場降雨，總降雨量為399.4 mm，其中有6場降雨導致坡面產流產沙；2020年觀測到11場降雨，總降雨量為376.5 mm，其中有7場降雨導致產流產沙。因此，本研究只針對坡面產流產沙的13場有效降雨進行分析，認為未產生徑流的降雨均屬于無效降雨，不納入研究范圍。

如表2所示，2019年觀測到有效降雨總降雨量為153.4 mm，總降雨歷時為4 123 min，總徑流量為161.75 L，總泥沙量為31.42 kg。第四次降雨的降雨量最大，為56.4 mm，產生的徑流量也最大，為65 L，泥沙量為4.97 kg；第六次降雨的最大30 min的降雨強度最大，徑流量為33.2 L，產沙量最大，為12.74 kg。2020年有效降雨總降雨量為114 mm，總降雨歷時為1 770 min，總徑流量為132.3 L，總泥沙量為79.92 kg。第九次降雨的降雨量和30最大，為32 mm和10.2 mm/h，其產生的徑流量也最大，為42.9 L，泥沙量為13 kg。

表2 自然降雨基本特征

注:R1、R2…，R13分別代表坡面產流產沙的第一次降雨到第十三次降雨；30為最大30 min降雨強度。

2.2 水力侵蝕下坡面侵蝕沉積特征

M-DEM清晰地展現了徑流小區內部坡面的土壤侵蝕特征(圖2)。如表3所示，侵蝕過后坡面土壤平均沉積深度為5.9 mm，土壤平均侵蝕深度為26.3 mm，從空間上看，隨著降雨累積，徑流小區中下部出現明顯細溝。就土壤蝕積面積而言，沉積區面積占徑流小區總面積的0.73%，主要分布在小區頂部；侵蝕區面積占徑流小區總面積的95.27%，主要分布在小區中下部，呈集中的細溝狀侵蝕特征。侵蝕導致土壤流失體積為0.193 2 m3，凈土壤流失體積為0.191 1 m3。沉積區和侵蝕區單位面積土壤流失量分別為0.000 21、0.019m3/m2。由此可知，徑流小區內部坡面呈現明顯的侵蝕特征，未侵蝕區所占面積極小，主要集中在坡頂，坡面中下部開始以細溝狀侵蝕為主，并呈現明顯的侵蝕溝網。

2.3 水力侵蝕下坡面微地貌變化特征

微觀地形因子表征一個微分點的地形信息，其量值受點位海拔及其鄰域的高度影響[16]；宏觀地形因子描述的是特定區域之內整體的地形信息，被看成一個整體進行計算。綜合考慮水力侵蝕后坡面微地貌的基本變化特征，本研究分析每次降雨后砒砂巖坡面曲率、地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度以及匯流累積量5項微地貌指標的特征，以揭示單次降雨后坡面微地貌的變化規律，結果如表4所示。

坡面曲率是地表扭曲變化程度的定量化因子，會影響徑流的流速、匯聚和分散，進而影響到坡面的侵蝕和沉積，曲率為正說明該像元的表面向上凸，曲率為負說明該像元的表面開口朝下凹入[17]。次降雨的各項微地貌指標如表4所示，坡面曲率的變化較大，且并未隨著降雨次數的累積呈現出明顯的增減趨勢；原坡面的曲率為–11.029，表明降雨侵蝕之前的坡面初始微地貌形態為凹型坡。當初次降雨過后，R1變為1.482，說明第一場降雨對坡面起到了削高填低的作用，對坡面微地貌的改造作用明顯；此后，隨著坡面徑流泥沙運動，坡面曲率也多次出現正負交替的變化，這應該與坡面微尺度上侵蝕–沉積交替轉換有著直接聯系。當最后一場降雨觀測結束，R13的坡面曲率變為–11.249，從數值上看，13場有效降雨過后，坡面曲率由–11.029變為–11.249，變化范圍較小，但結合圖2，坡面中下部出現了由集中的股流沖刷而成的細溝，徑流沖刷的細溝呈現“U”型和“V”型的凹面，導致坡面最終侵蝕曲率為負值。

圖2 自然降雨下坡面細溝形態發育過程

表3 坡面侵蝕沉積基本特征

表4 單次降雨坡面微地貌特征

地表粗糙度、地表起伏度和地表切割度都可以反映地表的起伏變化和坡面在侵蝕過程中微地形的形態變化。研究區坡面地表粗糙度整體呈增大的趨勢，原裸坡的地表粗糙度為1.209，一次降雨之后其變化不顯著，R13的地表粗糙度增長到1.280，而降雨過程中地表粗糙度既有增大又有減小。

地表起伏度由原裸坡的28.4 mm增長到R13的37.6 mm，次降雨的侵蝕，徑流攜帶泥沙增多，侵蝕劇烈，坡面細溝數增加，微地形的破壞程度也增大，導致地表起伏度的增大。地表切割度由原裸坡的14.2 mm增長到R13的18.6 mm，隨著徑流量的增大，徑流能量提升，對地表的沖刷和切割能力也增強，致使地表切割度的增大。匯流累積量是指區域地形每點的流水累積量，其值由原坡面的110.709 ml變為R13的100.892 ml，次降雨過程中數值變化較明顯。

2.4 坡面微地貌與產流產沙量的關系

自然降雨下地形因子與侵蝕量之間的相關性結果如表5所示，地表粗糙度與其他各微地貌指標均存在顯著相關性，且地表粗糙度與徑流量、泥沙量呈顯著的正相關關系(<0.05)，相關系數分別是0.121、0.644；地表起伏度和地表切割度與徑流量、泥沙量無顯著的相關關系；匯流累積量與徑流量無顯著的相關關系，和泥沙量呈顯著的負相關關系。坡面產流量和產沙量之間存在較好的正相關性(<0.05)，相關系數為0.539。

表5 自然降雨下地形因子與產流產沙之間的相關性

注：*、**表示相關性達到<0.05和<0.01顯著水平。

3 討論

3.1 自然降雨對坡面產流的影響

自然降雨過程中，當降雨強度大于土壤入滲速度，地表就會產生超滲徑流，天然降雨的雨強具有不穩定性，有其獨特的產流規律。如圖3所示，根據13次降雨點繪出降雨強度和產流率隨降雨次數的變化折線圖，可以看出降雨強度和產流率有很好的對應關系，產流率隨著降雨強度的變化而變化。初始的幾次降雨降雨強度較小且變化過程緩慢，對應的產流率也較小，可能是初始土壤較為干燥，雨水大部分用于入滲。R4降雨強度的增大，導致產流率也增大，可能是由于前幾次降雨的基礎，使得土壤含水量達到飽和，產流率也迅速增大。第九、十和十一次降雨的變幅較大，R9的降雨強度是2.24 mm/h，產流率是3.01 L/h；R10的降雨強度增大，為20.16 mm/h，其產流率也增大，為26.16 L/h；R11的降雨強度減小，為6.36 mm/h，對應的產流率也減小，為10.15L/h。大雨強的雨滴直徑較大，其落地的最終速度也大，對坡面土壤會產生較大的擊濺破壞作用，更易產生地表徑流。當雨強較小，小于土壤的入滲強度時，雨滴的直徑和動能都較小，對坡面地表結皮的破壞程度較弱，徑流量也較少[18]。由于坡面土壤砂粒含量較多，孔隙較大，土壤滲漏嚴重，主要是蓄滿產流并以壤中流的形式產流，因此，次降雨強度小的產流率就少[19]。同時，隨著侵蝕的累積作用，坡面所產生的細溝，逐漸形成的地表徑流流通的通道，微地貌的逐漸形成發育對地表徑流的產生發揮著促進作用。

圖3 徑流小區降雨強度與產流率變化特征

此外，通過降雨總量與徑流深和徑流侵蝕功率的關系可以得出，降雨總量和徑流深和徑流侵蝕功率呈顯著的正相關關系(圖4)，其關系可以分別擬合成多項式的函數形式。徑流深和降雨總量符合的多項式函數為：= 0.186 22–2.055 2+ 159.26，2為0.46；徑流侵蝕功率和降雨總量符合的多項式函數為：= 0.018 42–0.419+ 6.521 8，2為0.64。說明降雨量對坡面產流具有明顯促進作用，這一結論與李霞等[20]的研究一致。

圖4 降雨量對坡面產流的影響

3.2 自然降雨對坡面產沙的影響

研究區坡面的降雨強度與產沙率的關系見圖5，坡面產沙率隨著降雨強度的變化而變化，前幾次降雨的降雨強度較小，產沙率也較小，這是由于在裸露砒砂巖地區，植被稀少，基巖風化程度高，即使降雨強度相對較小的時候也會伴隨有產流產沙的現象，R4的降雨強度由R3的0.42 mm/h增大到5.67 mm/h，產沙率也由0.18 kg/h增大到0.50 kg/h ，這可能是由于雨滴的擊濺造成土粒飛濺，土壤表層空隙阻塞，形成板結，增強了地表薄層徑流的流動強度，利于地表徑流的形成，導致侵蝕和輸沙能力增大[21]。

圖5 徑流小區降雨強度與產沙率變化特征

R9的降雨強度較小，為2.24 mm/h，產沙率是0.91 kg/h；R10的降雨強度增大，為20.16 mm/h，其產沙率也增大，為31.20 kg/h；R11的降雨強度減小，為6.36 mm/h，對應的產沙率也減小，為6.41 kg/h。降雨強度越大，土壤孔隙性較差的裸露砒砂巖坡面在降雨過程中產生的土粒來不及向坡下運移而堵塞地表土壤孔隙，減小雨水入滲的速率，對土壤團聚體的濺散能力就增強，能更快地產生地表徑流，地表徑流的增加就存在可以攜帶更多泥沙的可能性，增大沖刷量，產沙率就增大[18]。

本研究中，地表粗糙度隨著降雨量和降雨強度的變化而變化，R3 的降雨量和降雨強度較小，故地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度均減小；R4 的降雨量和降雨強度較大，地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度也相應增大，這與楊坪坪等[22]的降雨強和地表粗糙度呈正比的結果相一致。研究中地表粗糙度變化與降雨侵蝕發生發展過程有很好的一致性，研究結果與一些學者[1,5,23]的研究結果類似，驗證了本研究的可行性與可靠性。因此，降雨量和降雨強度影響著坡面地表粗糙度的變化與微地形的動態變化，進而對坡面產沙有著密切聯系。

4 結論

自然降雨過程中，砒砂巖坡面呈現明顯的侵蝕特征，土壤平均侵蝕深度為26.3 mm，侵蝕區占徑流小區總面積的95.27%，單位面積上侵蝕導致土壤流失體積為0.019 m3/m2；就侵蝕空間分布而言，坡頂侵蝕強度較低，坡面中下部以細溝狀侵蝕為主，呈現破碎的侵蝕溝網，且徑流沖刷的細溝呈現“U”型和“V”型的凹面，導致坡面最終侵蝕曲率為負值。

降雨強度和降雨量是影響坡面產流產沙的主要因素，降雨影響產沙量的同時改變坡面微地貌形態。隨著侵蝕累積作用，地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度均呈現累積增大的趨勢。地表粗糙度與徑流量、泥沙量呈現出顯著的正相關關系(<0.05)。

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Micro-geomorphic Change Characteristics and Process of Slope Under Water Erosion in Pisha Sandstone Area

LI Long1,2, QIN Fucang1,2*, QIAN Qiuying1, DONG Xiaoyu1, ZHANG Ruoxi1, ZHANG Peng1

(1 Desert Science and Engineer College, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 100018, China; 2 Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Desert Ecosystem Conservation and Restoration, Huhhot 100018, China)

It is of great significance to solve the problem of runoff and sediment yield in Pisha Sandstone Area for the ecological security of the Yellow River Basin. The bare slope of Pisha Sandstone was taken as the research object, the field runoff plot measurement and three-dimensional laser scanning technology were used to analyze the micro-geomorphic change process and runoff and sediment yield characteristics under the 13 effective rainfall processes. The results showed that the average soil erosion depth was 26 mm, and the erosion area accounted for 95.27% of the total runoff area. The volume of soil loss caused by erosion was 0.019 m3/m2. Runoff and sediment yield of Pisha Sandstone slope had a good corresponding relationship with rainfall intensity. Rainfall intensity and rainfall were the main factors affecting runoff and sediment yield. Influenced by the change of rainfall intensity, surface roughness, surface undulation and surface cutting degree all showed cumulative increasing trends with rainfall. The surface curvature was obviously affected by the intensity of single rainfall, but showing irregular fluctuations; there was a good positive correlation between runoff and sediment yield (=0.539,< 0.05).

Slope erosion; Micro topography; 3D laser scanning; Pisha Sandstone

李龍, 秦富倉, 錢秋穎, 等. 砒砂巖區水力侵蝕下坡面微地貌變化特征及過程研究. 土壤, 2022, 54(1): 198–205.

S157.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.01.026

內蒙古科技計劃項目(2021GG0052)、中央引導地方科技發展資金項目(2021ZY0023)和內蒙古自然科學基金重大項目(2021ZD07)資助。

(qinfc@126.com)

李龍(1989—)，男，吉林樺甸人，博士，副教授，從事水土保持領域工作。E-mail: lilongdhr@126.com