林藝， 秦鳳， 鄭子成， 張林， 劉麟翔， 徐巍， 吳春柳， 李廷軒

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，611130，成都)

不同降雨條件下壟作坡面地表微地形及土壤侵蝕變化特征

林藝， 秦鳳， 鄭子成?， 張林， 劉麟翔， 徐巍， 吳春柳， 李廷軒

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，611130，成都)

為了弄清壟作坡面地表微地形的變化及土壤侵蝕特征，以期有效防控紫色土區(qū)坡耕地水土流失，通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，分析遞增和遞減降雨系列下，紫色土區(qū)橫坡壟作坡面地表微地形的空間變化特征，探討其對(duì)地表產(chǎn)流和侵蝕產(chǎn)沙的影響。結(jié)果表明：1)在不同降雨條件下，地表高程變化均以減小為主，變化量主要集中在-2～0 cm之間。2)遞增降雨條件下，地表糙度在前2場(chǎng)降雨中無(wú)明顯變化，到第3場(chǎng)降雨后明顯增大；遞減降雨條件下則先增大后減小。3)不同降雨條件侵蝕產(chǎn)沙量差異不大，遞增降雨條件下產(chǎn)沙量比遞減條件下大3.9%；但產(chǎn)流量比遞減條件下小14.8%。4)遞增降雨較遞減降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙時(shí)間更晚。5)橫坡壟作在小降雨強(qiáng)度時(shí)可有效地減少土壤侵蝕，但當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到1.5 mm/min 時(shí)，則易發(fā)生斷壟現(xiàn)象，反而會(huì)增大土壤侵蝕。

降雨條件； 橫坡壟作； 地表微地形； 土壤侵蝕

川中丘陵區(qū)紫色土發(fā)育程度低，抗蝕性差，年流失表土3.77億t，土壤流失強(qiáng)度僅次于黃土高原，是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是長(zhǎng)江泥沙的主要源區(qū)[1-2]；因此，該區(qū)域水土流失的防治對(duì)構(gòu)建長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障具有重要的戰(zhàn)略意義。地表糙度作為描述地表微地形起伏狀況的物理指標(biāo)，是地表微觀地貌形態(tài)和物理性狀的反映[3-4]。地表糙度通過(guò)影響地表徑流、滲透速率、凹陷處蓄水量等進(jìn)而影響地表徑流以及侵蝕產(chǎn)沙量的大小[5]，同時(shí)，在侵蝕過(guò)程中，地表糙度亦隨著地表徑流、降雨強(qiáng)度等因素的改變而改變[6]；可見(jiàn)，地表糙度的變化具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和難確定性。

橫坡壟作是我國(guó)防治坡耕地水土流失最有效的耕作措施之一，具有投入少，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在川中丘陵區(qū)早已普遍推廣[7]。有研究[8]表明：橫坡壟作在小降雨量下具有較好的水土保持能力;但當(dāng)遇到暴雨級(jí)別的降雨時(shí)，雨滴對(duì)壟的劇烈擊打和大面積水漫出使得壟遭到嚴(yán)重破壞，橫坡壟作的水土保持效益甚微，故究其蓄水保土效益還有待深入研究。此外，坡耕地地表糙度方面在國(guó)外已開(kāi)展大量研究[9-13]，但我國(guó)研究成果主要集中于黃土區(qū)[14-16]，在川中丘陵紫色土區(qū)坡耕地方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道；因此，筆者基于微地形DEM，就降雨條件下紫色土區(qū)橫坡壟作坡面地表微地形的空間變化特征及其對(duì)坡面徑流及侵蝕產(chǎn)沙的影響進(jìn)行研究，以期為紫色土區(qū)坡耕地水土流失的有效防治以及坡耕地管理提供一定的理論參考。

1 材料與方法

供試土壤采自長(zhǎng)江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘流域，為侏羅紀(jì)遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥，土壤質(zhì)地為黏壤土。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取土壤質(zhì)地、地形部位較為一致的地塊，于2013年5月采集0～20 cm耕層土壤。土樣混勻、風(fēng)干后過(guò)10 mm篩。為了使填土均一且接近自然坡面，按土壤密度還原法每10 cm分層填充在鋼制侵蝕槽內(nèi)，規(guī)格為2.0 m×1.0 m×0.4 m，平均密度保持在1.2 g/cm3左右，并在土槽底部鋪設(shè)10 cm厚度的粗砂作為排水濾層。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用人工模擬降雨和微小區(qū)相結(jié)合的試驗(yàn)方法，根據(jù)研究區(qū)多年水文資料記錄的降雨頻率及特點(diǎn)，設(shè)定降雨強(qiáng)度為1.0、1.5、2.0 mm/min，降雨歷時(shí)分別為60、40、30 min。為客觀地反映自然降雨，結(jié)合降雨與降雨侵蝕力特征[17]，本研究降雨強(qiáng)度設(shè)為遞增(1.0、1.5、2.0 mm / min)和遞減(2.0、1.5、1.0 mm/min)2個(gè)降雨系列。在實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣，在侵蝕槽內(nèi)布設(shè)橫坡壟作。按水平方向開(kāi)溝起壟，壟高15 cm，壟距30 cm，壟寬40 cm。

為了不影響地表微地形的測(cè)定，每場(chǎng)降雨間隔24 h，期間用塑料薄膜覆蓋地表以控制蒸發(fā)對(duì)試驗(yàn)的影響。在每個(gè)系列第1場(chǎng)雨前采用0.5 mm/min降雨強(qiáng)度降雨15 min，以保證試驗(yàn)土壤含水量一致[18]。依據(jù)研究區(qū)紫色土區(qū)坡耕地分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)地表坡度為15°。試驗(yàn)于2013 年10月和11月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。人工降雨裝置采用中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所生產(chǎn)的SR型移動(dòng)式人工模擬降雨器，裝置噴頭系統(tǒng)為美國(guó)V- 80100，降雨高度6 m，均勻系數(shù)在85%以上。

i代表遞增降雨系列，d代表遞減降雨系列。 i represents the increasing rainfall series, and d represents the decreasing rainfall series. 圖1 不同降雨條件下橫壟坡面地表微地形DEMFig.1 DEM of soil surface micro-topography on cross ridge slope under different rainfall conditions

1.3 研究方法

1.3.1 地表糙度計(jì)算 采用測(cè)針?lè)ㄅc攝影法相結(jié)合的方法測(cè)定地表微地形起伏，測(cè)針間距為2 cm，沿坡面每2 cm測(cè)定1次，分別在每場(chǎng)降雨前后測(cè)定地表糙度。為防止圖像變形，將相機(jī)焦點(diǎn)調(diào)節(jié)至讀數(shù)板中央位置，然后運(yùn)用C#語(yǔ)言自行編制的程序提取相片上的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。其原理是：利用讀數(shù)板背景為白色、測(cè)針為黑色的色差對(duì)比，以規(guī)則的讀數(shù)板4個(gè)頂點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行影像配準(zhǔn)，采用圖像處理技術(shù)，將照片對(duì)應(yīng)測(cè)針的頂點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)注，運(yùn)用C#編程獲取地表高程。采用平均絕對(duì)高差法計(jì)算地表糙度

式中：Zi為點(diǎn)i的高程；Zi+h為點(diǎn)i+h的高程；h為距點(diǎn)i的距離；n為樣本數(shù)。

1.3.2 DEM的建立 用提取的共4 753個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)在Arc GIS 9.3中運(yùn)用3D Analyst生成原始的DEM，分辨率為2 cm×2 cm。

例如，學(xué)生可以根據(jù)第二次筆記中記載的有關(guān)“蛋白質(zhì)”專(zhuān)題的知識(shí)，進(jìn)行蛋白質(zhì)概念圖的建構(gòu)。學(xué)生在分析解決一定量的遺傳題之后總結(jié)遺傳題分析手段(方法)有兩種： 通過(guò)遺傳圖解分析與通過(guò)系譜圖分析等。

1.3.3 徑流及泥沙的測(cè)定 降雨過(guò)程中，準(zhǔn)確記錄降雨始時(shí)和起始產(chǎn)流時(shí)間，每3 min收集1次地表徑流和泥沙樣。其中，徑流量采用體積法測(cè)定，泥沙量采用烘干稱(chēng)量法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表微地形的變化

由不同降雨條件下橫壟坡面地表微地形DEM(圖1)可知：遞增降雨系列，1.0 mm/min降雨條件下，壟作坡面地表微地形無(wú)明顯變化；1.5 mm/min降雨條件下，在91 min時(shí)下部的壟發(fā)生了明顯的斷壟現(xiàn)象，在坡面右側(cè)產(chǎn)生了1條細(xì)溝；2.0 mm/min降雨條件下，壟上的細(xì)溝不斷加深加寬，細(xì)溝的源頭延伸至溝內(nèi)，并呈現(xiàn)橫向發(fā)育的現(xiàn)象。遞減降雨系列，2.0 mm/min降雨條件下，壟作坡面地表微地形就發(fā)生了明顯變化，下壟右側(cè)表土坍塌產(chǎn)生了較小的細(xì)溝；1.5 mm/min降雨條件下，細(xì)溝不斷發(fā)育，在62 min時(shí)下壟發(fā)生斷壟現(xiàn)象；1.0 mm/min降雨條件下，細(xì)溝逐漸加深加寬，細(xì)溝源頭位置無(wú)明顯變化，且斷壟處兩側(cè)坍塌的土塊在地表堆積，未被帶出試驗(yàn)小區(qū)?？梢?jiàn)，不同降雨系列對(duì)壟作坡面地表微地形的變化影響較大。遞增降雨系列地表微地形在降雨中期開(kāi)始發(fā)生明顯的變化，且地表細(xì)溝發(fā)育程度不斷加強(qiáng)，而遞減降雨在降雨初期地表微地形已開(kāi)始坍塌，降雨后期雖然細(xì)溝繼續(xù)變寬和加深；但是其細(xì)溝起點(diǎn)較為穩(wěn)定，并未沿起壟方向延伸和發(fā)育。

從不同降雨條件下地表高程變化量分布比例(表1)可以看出：不同降雨系列，在第1場(chǎng)降雨后地表相對(duì)高程變化范圍均較小，遞增降雨系列主要集中于-2～4 cm之間，遞減降雨主要集中于-8～2 cm之間；第2場(chǎng)降雨下，2種降雨系列地表高程變化范圍迅速增大至-18～6 cm之間，第3場(chǎng)降雨下地表高程變化范圍均有所縮小，主要集中于-14～6 cm之間?？梢?jiàn)，不同降雨條件下，隨著降雨的持續(xù)，地表高程變化范圍逐漸增大并趨于穩(wěn)定，且地表微地形驟變均發(fā)生于第2場(chǎng)降雨。在地表出現(xiàn)斷壟后，坡面中部壟溝內(nèi)蓄積的雨水從斷壟處溢出，徑流主要集中于斷壟附近，因此地表高程變化逐漸趨于穩(wěn)定。在整個(gè)降雨過(guò)程中，地表高程變化量均以-2～0 cm所占面積比例最大，分布比例高；其次為0～2 cm，二者占到試驗(yàn)小區(qū)面積的69.28%～97.46%。隨降雨場(chǎng)數(shù)的增加，遞增降雨系列下，地表高程減小區(qū)域所占總的高程變化量比例總和分別為64.39%(第1場(chǎng)降雨)、54.65%(第2場(chǎng)降雨)和60.74%(第3場(chǎng)降雨)；遞減降雨系列下，地表高程減小區(qū)域所占比例總和分別為59.08%(第1場(chǎng)降雨)、49.71%(第2場(chǎng)降雨)和65.08%(第3場(chǎng)降雨)。可見(jiàn)，不同降雨條件下，地表高程均以減小為主。對(duì)壟作地表而言，由于壟溝內(nèi)蓄有一定量的雨水，雨滴擊濺和徑流沖刷的作用主要發(fā)生在壟上，在斷壟產(chǎn)生前侵蝕產(chǎn)生的泥沙在壟溝內(nèi)沉積，此時(shí)削高填底作用較為明顯。當(dāng)斷壟出現(xiàn)后，徑流較為集中，對(duì)地表的剪切力增加，局部高程迅速下降，故地表高程大面積降低。

表1 不同降雨條件下地表高程變化量分布比例

2.2 地表糙度的變化特征

由圖2(a)可以看出，遞增降雨系列下，壟作上、下坡面地表糙度的變化呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但在2.0 mm/min降雨條件下，下坡地表糙度有所增大。造成這一結(jié)果主要是由于在降雨初期，地表土粒較為松散，受雨滴打擊后凸起部分被濺散，凹陷部分被楔入土粒填塞土壤孔隙，局部形成結(jié)皮，因而地表糙度有所減小[5]。同時(shí)，地表徑流的沖刷和搬運(yùn)作用也會(huì)導(dǎo)致地表糙度的變化[19]。1.5 mm/min降雨后期，坡面下部出現(xiàn)了斷壟現(xiàn)象，徑流的剪切力增強(qiáng)，加劇了對(duì)地表的沖刷作用，但坡面下部地表起伏仍以削高填低作用為主導(dǎo)，故下坡地表糙度仍持續(xù)減小。全坡面地表糙度在前2場(chǎng)降雨條件下均無(wú)明顯變化，2.0 mm/min降雨后地表糙度明顯增加。前期由于壟溝內(nèi)的蓄水對(duì)雨滴動(dòng)能具有消減和緩沖作用，產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)較晚，故地表微地形變幅較小；但在1.5 mm/min降雨后期出現(xiàn)斷壟現(xiàn)象后，徑流量和泥沙量不斷增加。同時(shí)，有研究[18]表明，橫坡壟作坡面在降雨強(qiáng)度達(dá)2.0 mm/min后，坡面下部出現(xiàn)過(guò)渡流或紊流，故在2.0 mm/min降雨后地表糙度增幅變大。

在圖2(b)可以看出，遞減降雨系列下，壟作坡面上部地表糙度一直緩慢減小，下坡卻呈先減小后增大再減小的變化，而全坡面地表糙度總體呈先增大后減小的趨勢(shì)。這主要由于上坡受雨滴擊打，地表凸起處土粒分散、遷移，使地表糙度減小。而對(duì)于下坡，由于開(kāi)始降雨強(qiáng)度較大，坡面很快出現(xiàn)徑流，坡面土粒凹凸區(qū)域間不斷遷移，使得地表糙度有所減小，隨后逐漸發(fā)展為過(guò)渡流或紊流[18]，增強(qiáng)了對(duì)地表的沖刷作用，再加上部分?jǐn)鄩?，地表糙度呈增大的變化。而?.0 mm/min降雨條件下，坡面沖刷作用較弱，徑流流經(jīng)坡面凹陷處，攜帶的部分泥沙在凹陷處沉積，且坡面徑流流態(tài)為層流[18]，故使地表糙度呈減小的變化趨勢(shì)。就全坡面而言，由于前期雨滴動(dòng)能及徑流沖刷作用均較大，坡面侵蝕作用不斷加強(qiáng)，故導(dǎo)致地表微地形的變化較為明顯，地表糙度增大。1.0 mm/min降雨條件下，降雨對(duì)地表的影響有所減弱[20]，且侵蝕產(chǎn)生的土粒在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)不斷沉積，所以地表糙度又有所減小。

圖2 遞增和遞減降雨系列下地表糙度的空間變化Fig.2 Spatial variation of soil surface roughness in increasing and decreasing rainfall series

圖3 遞增和遞減降雨條件下地表產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程Fig.3 Process of runoff and sediment yield in the increasing (a) and decreasing (b) rainfall series

2.3 土壤侵蝕特征

由圖3(a)可以看出，遞增降雨系列，1.0 mm/min降雨條件下，降雨起始主要以入滲的方式進(jìn)入土體，隨著土壤含水量的增加，地表開(kāi)始產(chǎn)流，侵蝕產(chǎn)沙量也隨之增加。1.5 mm/min 降雨條件下，85 min左右，斷壟導(dǎo)致產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量陡然增大達(dá)峰值。隨著降雨強(qiáng)度的增加和降雨的延續(xù)，地表產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量各異。在降雨后期，由于地表徑流較為分散，地表微地形變幅較小，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量逐漸趨于穩(wěn)定。由圖3(b)看以看出，遞減降雨系列，地表產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨著降雨場(chǎng)數(shù)的增加和降雨時(shí)間的推移變化趨勢(shì)較為一致，均表現(xiàn)為雙峰曲線。2.0 mm/min降雨條件下，隨著降雨的持續(xù)，0～25 min內(nèi)產(chǎn)流量逐漸增加，產(chǎn)沙量較為穩(wěn)定，到25 min時(shí)發(fā)生局部斷壟形成了細(xì)溝，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量瞬間達(dá)到第1個(gè)峰值，隨后又逐漸降低。在1.5 mm/min降雨條件下，由于部分區(qū)域產(chǎn)生結(jié)皮，起始產(chǎn)沙量并不明顯，隨著降雨持續(xù)產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量逐漸增加，在62 min時(shí)發(fā)生部分?jǐn)鄩艑?dǎo)致產(chǎn)流、產(chǎn)沙量達(dá)到第2個(gè)峰值。在1.0 mm/min降雨條件下，從第70 min開(kāi)始，地表微地形變幅較小，地表徑流量波動(dòng)卻較大，但侵蝕產(chǎn)沙量則相對(duì)穩(wěn)定。

經(jīng)不同降雨條件產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量測(cè)定可知，遞增降雨系列產(chǎn)沙量較遞減降雨系列大3.9%，遞增降雨系列產(chǎn)流量較遞減降雨系列卻小14.8%?？梢?jiàn)，不同降雨條件下橫壟坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙表現(xiàn)出不同步性，產(chǎn)沙量相近，但產(chǎn)流量差異較大。遞減降雨系列，2.0 mm/min降雨對(duì)壟作坡面的沖刷作用較強(qiáng)，加劇了坡面的侵蝕；在1.5 mm/min降雨條件下，坡面部分區(qū)域斷壟之后細(xì)溝不斷加深，使得1.0 mm/min降雨下雨水易于匯集流出坡面，坡面下滲作用減弱。遞增降雨系列，1.0 mm/min降雨對(duì)坡面沖刷作用較小，水分運(yùn)動(dòng)主要以下滲為主，少量分散徑流沿坡面流下；1.5 mm/min降雨條件下，坡面部分區(qū)域出現(xiàn)斷壟，斷壟處坡面以下水分運(yùn)動(dòng)以地表徑流為主：因此，坡面產(chǎn)沙量主要取決于在斷壟時(shí)流失的泥沙和大降雨強(qiáng)度時(shí)橫壟坡面徑流沖刷帶走的泥沙的多少。

3 討論

本試驗(yàn)條件下，2種降雨系列下坡面出現(xiàn)細(xì)溝的時(shí)間大致相同；但第1場(chǎng)降雨地表相對(duì)高程變化較小，這與秦鳳等[21]直線坡面的研究結(jié)果不同，表明橫坡壟作在降雨初期具有較好的蓄水保土的作用。直線坡面第1場(chǎng)降雨后地表微地形變化范圍縮小并趨于穩(wěn)定，但本試驗(yàn)的地表微地形驟變均發(fā)生第2場(chǎng)降雨過(guò)程中，且逐漸趨于穩(wěn)定[21]。本試驗(yàn)條件下地表高程均以降低為主，地表高程變化的最大值主要出現(xiàn)于坡面中下部，而有研究指出在遞減降雨系列后期有泥沙回填高程增加的趨勢(shì)[21]。上述結(jié)果表明，隨著降雨的延續(xù)，橫坡壟作的蓄水保土作用逐漸降低，尤其斷壟后甚至?xí)觿∷亮魇АｋS著降雨的延續(xù)，不同耕作措施下地表糙度總體呈先減小后增大的變化趨勢(shì)[5,15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明：遞增降雨系列橫坡壟作下地表糙度均表現(xiàn)為先減小后增大；遞減降雨系列卻表現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。可見(jiàn)，橫坡壟作對(duì)地表糙度的影響較大，尤其斷壟帶來(lái)的徑流和泥沙的驟變，導(dǎo)致地表糙度變化較大。因此，研究區(qū)坡耕地橫坡壟作雖在降雨前期可以有效地減少土壤侵蝕，但在降雨強(qiáng)度達(dá)到1.5 mm/min 后，壟內(nèi)凹陷處蓄水被破壞，產(chǎn)生斷壟現(xiàn)象，地表沖刷和侵蝕作用反而加劇。

本試驗(yàn)在遞增降雨系列下，產(chǎn)流、產(chǎn)沙直到第1場(chǎng)降雨末期才發(fā)生。而直線坡面第1場(chǎng)降雨初期，地表均已產(chǎn)流、產(chǎn)沙[21]，這表明橫坡壟作能有效延緩坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙時(shí)間。隨著降雨的延續(xù)，不同耕作措施條件下坡面產(chǎn)流量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，產(chǎn)沙量總體呈先增大后減小的趨勢(shì)，二者最終趨于穩(wěn)定[15]。而本試驗(yàn)在遞增降雨系列下產(chǎn)流、產(chǎn)沙均呈先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定，但是遞減降雨系列下呈雙峰變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)，橫坡壟作雖能有效攔蓄地表徑流，增強(qiáng)入滲，減少土壤侵蝕，但存在一定適用條件；因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)施橫坡壟作需考慮區(qū)域的降雨條件，結(jié)合其他輔助措施，有效地降低區(qū)域水土流失。

4 結(jié)論

1)在不同降雨系列下，橫壟坡面地表高程變化均以減小為主，主要集中在-2～0 cm之間。在遞增降雨系列下，壟上逐漸形成細(xì)溝發(fā)生斷壟，并出現(xiàn)橫向發(fā)育現(xiàn)象；地表糙度在前2場(chǎng)降雨中無(wú)明顯變化，到第3場(chǎng)降雨后明顯增大。在遞減降雨系列下，細(xì)溝加快形成，逐漸加深加寬；地表糙度的變化表現(xiàn)為先增大后減小。

2)遞增降雨較遞減降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙時(shí)間晚；當(dāng)斷壟產(chǎn)生時(shí)，產(chǎn)流、產(chǎn)沙量達(dá)到峰值；之后產(chǎn)流、產(chǎn)沙量逐漸減小趨于穩(wěn)定。降雨條件對(duì)產(chǎn)流量的影響大于對(duì)侵蝕量的影響。橫坡壟作在小降雨強(qiáng)度時(shí)可有效地減少土壤侵蝕，防止水土流失；但當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到1.5 mm/min 時(shí)，則易發(fā)生斷壟現(xiàn)象，反而會(huì)加劇土壤侵蝕。

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(責(zé)任編輯：程 云)

Characteristics of variations in soil surface micro-topography and soil erosion on the cross ridge slope under different rainfall conditions

Lin Yi, Qin Feng, Zheng Zicheng, Zhang Lin, Liu Linxiang, Xu Wei, Wu Chunliu, Li Tingxuan

(College of Resources, Sichuan Agricultural University, 611130, Chengdu, China)

The purpose of this study was to understand the characteristics of variations in soil surface micro-topography and soil erosion, providing evidence for the effective prevention and control of soil erosion in sloping farmland of purple soil region. Based on the indoor simulated rainfall experiments, the spatial variation of soil surface micro-topography was studied in sloping farmland with cross ridge in purple soil region under the conditions of increasing and decreasing rainfall series. Soil surface roughness was used to indicate the dynamic changes in the soil surface micro-topography. On this basis, soil surface roughness was calculated and DEM was established, and the effect of soil surface micro-topography on runoff and sediment yield was explored. The results showed that the change of soil surface elevation was characterized primarily by the reduction in increasing and decreasing rainfall series, concentrated mainly in the range of -2 to 0 cm. Under the increasing rainfall series, soil surface micro-topography changed obviously in the middle course of rainfall and the rill erosion kept intensifying. However, in the decreasing rainfall series, soil surface micro-topography began to collapse in earlier rainfall course. In the late rainfall course, rills tended to broaden and deepen, but the starting point of rill formation was relatively stable, which did not extend and develop along the ridge direction. In the increasing rainfall series, the variation of soil surface roughness was not obvious in the first two rainfalls, whereas the soil surface roughness showed a significant increase in the third rainfall. The soil surface roughness increased first and then decreased under the decreasing rainfall series. The difference of sediment yield was not significant between the increasing and decreasing rainfall series. The sediment yield in the increasing rainfall series was 3.9% higher than that in the decreasing rainfall series, while the volume of runoff under the condition of the increasing rainfall series was 14.8% lower than that in the decreasing rainfall series. When cross ridge-breaking happened, surface water movement dominated in surface runoff on the ridge-breaking slope. The sediment yield depended on the soil loss of ridge breaking and runoff washing under high-intensity rainfalls in slope farmland of purple soil region. Compared with the decreasing rainfall series, the initial time of runoff and sediment yield was later in the increasing rainfall series. Effect of rainfall conditions on runoff was greater than the effect of erosion yield. Cross ridge could be used to effectively reduce soil erosion in light-intensity rainfalls in slope farmland of purple soil region. However, ridge breaking was likely to happen for the cross ridges of sloping farmland in purple soil region, and it might increase soil erosion when the rainfall intensity increased to 1.5 mm/min.

rainfall conditions; cross ridge; soil surface micro-topography; soil erosion

2014-08-15

2015-04-11

項(xiàng)目名稱(chēng)： 國(guó)家自然科學(xué)基金“紫色土坡耕地侵蝕演化特征及其對(duì)作物防蝕的響應(yīng)機(jī)制”(41271307)，“川中丘陵區(qū)坡耕地防蝕機(jī)理研究”(40901138)；四川省教育廳項(xiàng)目“紫色土區(qū)玉米季橫壟坡面片蝕過(guò)程研究”(15ZB0009)；四川農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目“紫色土壟作條件下地表糙度的侵蝕效應(yīng)”(1310626087)

林藝(1993—)，女，本科生。主要研究方向：土地資源管理。E-mail: linyi9393@126.com

?通信作者簡(jiǎn)介： 鄭子成(1976—)，男，博士，教授。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zichengzheng@aliyun.com

S157.1

A

1672-3007(2015)03-0032-07