劉靜君，錢 峰

（1.武漢市水文水資源勘測局，武漢 350007；2.長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

1 研究背景

水土流失是一種自然現(xiàn)象，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，不可能完全避免，但如果采取恰當(dāng)?shù)乃帘３执胧?，就可以得到有效防治[1]。橫坡壟作能蓄積雨水、增加入滲，是被廣泛采用的保護(hù)性耕作措施之一。橫壟因匯水而具有“溝渠效應(yīng)”，但因存在高低起伏、凸凹分布的微地貌結(jié)構(gòu)，雨水極易在位置較低的壟溝內(nèi)匯集，從而誘發(fā)漫流。漫流水流不斷侵蝕壟面土體顆粒，導(dǎo)致細(xì)溝發(fā)育，最終誘發(fā)橫壟垮塌，加劇土壤侵蝕[2]。國內(nèi)外學(xué)者通過模擬試驗(yàn)和數(shù)值分析對橫壟坡面侵蝕過程進(jìn)行定量研究，取得了豐富的研究成果，但受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和觀測手段，現(xiàn)有研究多側(cè)重于不同降雨參數(shù)（雨強(qiáng)、雨量、雨型和歷時(shí)等）和壟作結(jié)構(gòu)因子（壟寬、壟高和壟向坡度等）對橫壟侵蝕的影響[2-4]。實(shí)際上，在壟溝低洼處匯集的雨水與壟面土壤間形成的水力梯度，會促使水分通過土壤孔隙發(fā)生側(cè)向移動(dòng)，形成側(cè)向滲流。側(cè)滲流改變了壟面土壤水文條件和土壤顆粒受力方式，減弱了土壤抗侵蝕能力，加速了壟面細(xì)溝的發(fā)育[3，5]。壟面細(xì)溝發(fā)育主要包括溝頭溯源、溝底下切和溝壁擴(kuò)張3種侵蝕方式，其中溝頭溯源侵蝕是壟面細(xì)溝侵蝕的開始，對整個(gè)細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙過程有重要影響，在黃土高原地區(qū)，溝頭溯源侵蝕量可占到細(xì)溝侵蝕量的50%[6]。橫壟壟面坡度較陡，漫流水流沿溝頭陡坡面沖掏帶走溝頭土壤，并使溝頭向相反方向發(fā)育，壟面細(xì)溝溝頭溯源侵蝕活躍程度決定了其可能引起的負(fù)面效用。

紫色土是發(fā)育于紫色砂頁巖上的一種幼年土，其性狀受母巖特性影響較深，有機(jī)質(zhì)少，結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性弱，易分散，致使紫色土成為一種強(qiáng)侵蝕性土壤。橫坡壟作是紫色土坡耕地主要的水土保持措施之一，但是，目前對紫色土橫壟壟面溝頭溯源侵蝕過程及其影響因素的研究較少，如何描述壟作系統(tǒng)中滲流產(chǎn)生機(jī)制仍缺乏有效的實(shí)驗(yàn)方法和模擬手段，定量識別其對壟面細(xì)溝侵蝕的貢獻(xiàn)也需要進(jìn)一步研究。揭示紫色土橫壟壟面溝頭溯源侵蝕機(jī)理，有助于進(jìn)一步明確紫色土坡耕地土壤侵蝕防治的重點(diǎn)和關(guān)鍵，對合理配置水土保持措施，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平及改善生態(tài)環(huán)境具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 坡面土壤滲流特性及模擬

坡面土壤滲流對土壤侵蝕、污染物遷移等過程有重要影響，其發(fā)生機(jī)制和模型模擬一直是土壤學(xué)和水文學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。多年來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤滲流觀測方法、影響因子、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了廣泛的研究[7-9]。紫色土具有較高的滲透性，同時(shí)由于相對透水層較淺，巖土二元結(jié)構(gòu)明顯，使得壤中流成為紫色土區(qū)主要的產(chǎn)流方式之一。劉剛才等[10]利用紫色土坡耕地徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)壤中流在大雨、暴雨或土壤飽和后才發(fā)生。Tang等[11]認(rèn)為耕作能有效改善紫色土土壤結(jié)構(gòu)，增加壤中流發(fā)生幾率。Qian等[12]比較了不同坡度和雨強(qiáng)條件下紫色土坡耕地產(chǎn)流特征，認(rèn)為壤中流占總徑流的比例隨坡度增加和降雨強(qiáng)度減少而增加。土壤質(zhì)地、分層結(jié)構(gòu)、土地利用、降雨特性等因素對壤中流形成都有重要影響。也有學(xué)者認(rèn)為坡面分布的低洼處在雨水填洼過程中對入滲、產(chǎn)流有著重要的作用。例如：Guzha[13]研究發(fā)現(xiàn)，有洼地坡面土壤入滲率高于平整坡面，且填洼量越大，土壤含水率越高。Gómez等[14]將坡面降雨入滲劃分為兩種類型：積水入滲和無積水入滲。Govindaraju等[15]研究認(rèn)為地表微地形通過改變土壤有效導(dǎo)水率對入滲率產(chǎn)生影響，低洼處積水深度會明顯增加入滲能力。趙龍山等[16]的研究也證實(shí)了該現(xiàn)象，實(shí)施耕作措施的坡面洼填量是平整坡面的4～13倍。微地貌通過對徑流運(yùn)動(dòng)的形態(tài)和路徑的影響，進(jìn)而影響坡面入滲和產(chǎn)匯流過程，相關(guān)研究需要依據(jù)土壤學(xué)、流體力學(xué)、土壤侵蝕學(xué)等原理，從機(jī)理上探討兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系。

隨著觀測技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者利用數(shù)值模擬來描述坡面土壤水分運(yùn)動(dòng)過程。在坡面土壤水分運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)值模擬研究方面，通常采用基于Richards方程的HYDRUS、SWAP、FEFLOW、MODFLOW等數(shù)學(xué)軟件模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)過程。Hopp等[17]利用HYDRUS模型模擬了坡面場次降雨徑流過程，并分析了坡度、土層厚度、降雨強(qiáng)度和基巖滲透性對坡面徑流系數(shù)等評價(jià)指標(biāo)的影響。Wang等[18]利用MODFLOW模型模擬了不同降雨強(qiáng)度對地下徑流水面線、流量、流速等指標(biāo)的影響，并用人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果較為吻合。邵東國等[19]設(shè)計(jì)了南方丘陵區(qū)多層土壤結(jié)構(gòu)水平和垂向滲流試驗(yàn)，并構(gòu)建了基于HYDRUS-2D的土壤水分二維滲流模擬模型，結(jié)果表明土壤側(cè)向滲漏對水量損失的貢獻(xiàn)較大。雖然前人對于坡面土壤水分運(yùn)動(dòng)過程模擬開展了大量的研究，但在橫壟坡面的局部區(qū)域存在兩類不同，一是水力坡度的變化，如橫壟積水區(qū)域的變水頭條件；二是土壤分層的不均質(zhì)性，如人為耕作形成的不規(guī)則層狀結(jié)構(gòu)。受計(jì)算成本和觀測數(shù)據(jù)的限制，單一模型難以準(zhǔn)確描述橫壟坡面局部積水區(qū)域變水頭條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)過程。例如MODFLOW-USG模型采用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格容易產(chǎn)生稀疏的帶狀矩陣以及條件對角占優(yōu)問題[20]。FEFLOW、HYDRUS等模型采用直接局部加密的方法對不同分辨率的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一求解，容易在小尺度范圍外產(chǎn)生大量的漸變節(jié)點(diǎn)，計(jì)算效率和精度受非均勻網(wǎng)格劃分質(zhì)量的影響[21]。目前關(guān)于紫色土橫壟坡面土壤水分運(yùn)動(dòng)過程模擬的研究較少，Liu等[3]研究發(fā)現(xiàn)橫壟坡面滲流過程曲線大部分呈現(xiàn)“S”型，土壤水分的側(cè)向滲漏量可用指數(shù)函數(shù)描述。由于該研究在室內(nèi)小型土槽中開展，無法全面真實(shí)刻畫橫壟坡面滲流過程。如何在保留全坡面尺度土壤水分運(yùn)動(dòng)過程描述的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對局部復(fù)雜水力條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)過程的精細(xì)化描述，是該領(lǐng)域研究急需解決的問題。

3 侵蝕微地貌研究現(xiàn)狀

微地貌是規(guī)模相對比較微小的地表面高低起伏的狀態(tài)，如侵蝕細(xì)溝、小丘等[22]。在土壤侵蝕研究中，地表糙度是反映地表微地貌形態(tài)和物理性狀的指標(biāo)。Romkens等[23]將地表糙度參數(shù)廣義地定義為4種類型：①土壤團(tuán)聚體尺度的微地貌變化；②土塊尺度上的地表形態(tài)變化；③有向糙度，田間尺度上耕作所造成的系統(tǒng)性高程變化，如橫壟、點(diǎn)坑等；④大尺度糙度，如地塊、流域尺度上地形地貌的變化。橫壟坡面上微地貌特征主要包括前三種類型地表糙度的組合和侵蝕細(xì)溝，其中地表糙度為cm級的地表起伏變化。

目前有關(guān)坡面侵蝕過程中微地貌的研究，主要集中在地表糙度方面。地表糙度與土壤侵蝕關(guān)系研究始于20世紀(jì)50年代，各國學(xué)者從地表糙度形成的影響因素、測量方法以及侵蝕和坡面水文過程等方面展開研究，取得了較為豐富的成果。以下主要從地表糙度測定與量化、地表糙度與土壤侵蝕的關(guān)系2個(gè)方面介紹相關(guān)研究進(jìn)展。

3.1 地表糙度測定與量化

目前，測量地表糙度的方法基本可分為接觸式和非接觸式2個(gè)類型。接觸式測量是指測量工具與土壤表面直接接觸，如測針法和鏈條法等；非觸式測量指的是測量工具不與土壤表面直接接觸，如三維激光掃描法和攝影測量技術(shù)。接觸式測量會對地表產(chǎn)生擾動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)精度；非接觸式測量方法大多采用先進(jìn)的儀器設(shè)備，能夠獲取大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能真實(shí)反映微地貌形態(tài)特征，但后期數(shù)據(jù)處理計(jì)算量大，需要操作人員具備相應(yīng)的知識背景和熟練操作軟件的技能。Nadalromero等[24]分別利用激光掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)測量了坡面侵蝕沉積過程，并建立了數(shù)字高程模型，對比測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種技術(shù)都具有非接觸、受環(huán)境等因素影響小、數(shù)據(jù)采集速度快等優(yōu)點(diǎn)，但激光掃描儀測算精度更高，攝影測量技術(shù)要求近距離拍攝才能保證精度；Stenberg等[25]分別采用測針法和激光掃描儀測量地表糙度，對比分析后認(rèn)為，激光掃描儀測算精度高、點(diǎn)云密度大，更適用于地表糙度的測量。吳立新等[26]利用地面激光掃描技術(shù)（TLS）對植被稀疏地區(qū)溝蝕變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明TLS點(diǎn)云構(gòu)建的切溝表面模型能準(zhǔn)確獲取切溝侵蝕量、地形信息及其變化?？梢钥闯觯す鈷呙杓夹g(shù)具有測算速度快、點(diǎn)云密度大、精度高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，適用于野外條件，在土壤侵蝕測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

為定量研究地表糙度與侵蝕的關(guān)系，研究者們采用了多種計(jì)算模型來定量描述地表糙度，主要分為三類：①空間高程或水平距離上的差異，如有限高差；②空間高程與水平距離相結(jié)合，如彎曲度指數(shù)、最大填洼量；③分形理論，如分形維數(shù)、多重分形譜。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，采用單一數(shù)值表征微地貌特征的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)和簡單分形維數(shù)，難以反映出微地貌的空間結(jié)構(gòu)，而多重分形理論則可通過譜函數(shù)來描述復(fù)雜分形結(jié)構(gòu)在演化過程中的不同層次或局域的結(jié)構(gòu)特征，是處理微地貌非線性和復(fù)雜問題的有力工具。羅鍵等[27]通過人工降雨實(shí)驗(yàn)，結(jié)合多重分形理論和方法，分析了遞增和遞減條件下橫壟坡面微地形變化特征，結(jié)果表明橫壟坡面微地形變化多重分形特征明顯，滿足多重分形算法要求。同樣在坡耕地上，鄭子成等[28]利用多重分形理論分析了不同坡度下紫色土地表微地形變化及其對土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)不同坡度坡面多重分形譜高差、奇異指數(shù)跨度均較降雨前增加，降雨前后微地形空間差異增大。可見，多重分形理論對量化微地貌的隨機(jī)性和空間復(fù)雜特征提供了新的思路和方法。

3.2 地表糙度與土壤侵蝕的關(guān)系

作為侵蝕下墊面，地表粗糙度與侵蝕過程息息相關(guān)。目前國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在地表填洼、入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。降雨過程中，在地表相對低洼處蓄積的雨水量稱為地表填洼量，填洼量的大小直接影響了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程[29]。雨水在低洼處匯集延緩了坡面漫流產(chǎn)生的時(shí)間，增大了雨水入滲，其影響程度隨洼地蓄積填充、徑流連通性以及累積降雨量的提高而減小[30]。有研究認(rèn)為，地表洼地蓄積過程能延緩坡面產(chǎn)流5～10 min左右[31]，有洼地坡面土壤入滲率高于平整坡面，且填洼量越大，土壤含水率越高。有學(xué)者將粗糙坡面降雨入滲劃分為兩種類型：積水入滲和無積水入滲。地表糙度通過改變土壤有效導(dǎo)水率對入滲率產(chǎn)生影響，低洼處積水處入滲率明顯增加?？梢?，粗糙坡面低洼處在雨水填洼過程中對入滲、產(chǎn)流有著重要的作用。

地表糙度對土壤侵蝕過程的影響還表現(xiàn)在它對坡面徑流連通性的影響。以橫壟坡面為例，在侵蝕性降雨條件下，超過入滲的降水會在位置較低的壟溝內(nèi)匯集，之后坡面洼地逐漸被填滿進(jìn)而發(fā)生漫流，在這個(gè)過程中微地貌改變了降水分配路徑，并通過不斷的填洼和分流為坡面匯流創(chuàng)造了條件。王林華[32]研究發(fā)現(xiàn)地表粗糙度有抑制徑流匯流路徑發(fā)育的作用，但是該作用隨著雨強(qiáng)增加而減弱。郭慧莉等[33]采用間歇性人工降雨實(shí)驗(yàn)，對魚鱗坑坡面侵蝕過程進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)隨著降雨歷時(shí)的增加，由于魚鱗坑的層層攔截與蓄滿，坡面徑流流速和水深呈波動(dòng)式增長。Yang等[31]的研究表明，在坡面產(chǎn)流過程中，不同坡位洼地蓄水時(shí)間長短不同，產(chǎn)流曲線呈現(xiàn)階梯式的增長模式。因此，地表糙度對產(chǎn)流過程的影響還與耕作措施空間布局、洼地空間特征有關(guān)。

目前關(guān)于地表糙度對侵蝕產(chǎn)沙量的作用存在兩個(gè)相悖的觀點(diǎn)：一種是地表糙度能減小侵蝕，另一種則是地表糙度能加劇侵蝕。由于試驗(yàn)條件和研究尺度的不同，測量手段和方法的限制，研究成果會出現(xiàn)較大的差異。實(shí)際上，粗糙坡面降雨-徑流過程可分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段主要是土壤濕潤、洼地填充階段；第二個(gè)階段主要為坡面匯流網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展；第三個(gè)階段坡面出現(xiàn)固定的徑流流路，進(jìn)入相對平穩(wěn)時(shí)期。Vermang等[34]研究認(rèn)為地表糙度對土壤侵蝕過程的作用關(guān)鍵是延緩了徑流的產(chǎn)生，而不是減少了侵蝕量。Zheng等[35]研究發(fā)現(xiàn)人工鋤耕、人工掏挖、等高耕作和直型坡四種耕作措施在降雨后地表糙度均有不同程度的降低。在相同降雨環(huán)境下，隨著坡面降雨-徑流進(jìn)入了第三階段，不同糙度的地表其徑流量和侵蝕產(chǎn)沙量差別逐漸減小。可知，當(dāng)耕作措施不能減緩徑流，也就失去了相應(yīng)的水土保持功能。

4 結(jié)論與展望

綜上，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就坡面土壤滲流特性及模擬、地表糙度測量與量化手段、地表糙度與地表填洼量、入滲以及產(chǎn)流產(chǎn)沙等問題取得了大量的研究成果，但仍然存在以下問題需要進(jìn)一步探討。

采用一定分辨率的儀器所測得的微地貌只能反映該分辨率水平下的地表粗糙形態(tài)，不能完全反映坡面粗糙形態(tài)的真實(shí)信息，利用有限的信息去重構(gòu)紫坡面真實(shí)復(fù)雜的微地貌的研究較少；針對微地貌多重分形算法的研究也較少，此外，依據(jù)不同的歸一化概率測度計(jì)算方法，計(jì)算得到的三維概率測度不同，采用哪種計(jì)算方法解析紫色土橫壟坡面微地貌三維特征概率測度需要進(jìn)一步研究。

目前大部分研究采用相對固定的粗糙度值去描述地表糙度形態(tài)，缺乏對不同尺度微地貌特征的描述，地表糙度在侵蝕過程中的動(dòng)態(tài)變化。針對橫坡壟作這一耕作措施，當(dāng)壟溝內(nèi)匯集的雨水超過壟溝蓄水能力后，引發(fā)漫流，導(dǎo)致壟面細(xì)溝的發(fā)育，一旦壟垮塌，失去了蓄水?dāng)r沙的功能，反而加劇土壤侵蝕。因此，為準(zhǔn)確評價(jià)橫壟坡面土壤侵蝕，合理利用橫壟的水土保持功能，需要對其不同侵蝕發(fā)育階段微地貌演化過程進(jìn)行研究。

橫壟蓄水作用對坡面土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響沒有定量化。橫壟坡面土壤水分運(yùn)動(dòng)過程模擬需要精細(xì)刻畫下墊面，數(shù)值計(jì)算中涉及土壤非均質(zhì)性和高度非線性等問題，計(jì)算成本高，運(yùn)用單一模型難以準(zhǔn)確描述局部小尺度復(fù)雜邊界條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)過程。因此，需要開展相關(guān)研究對坡耕地土壤侵蝕過程模型進(jìn)行完善，以便更好地揭示土壤侵蝕機(jī)制。