横垄坡面渗流与侵蚀微地貌研究进展

刘静君，钱 峰

（1.武汉市水文水资源勘测局，武汉 350007；2.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

1 研究背景

水土流失是一种自然现象，在实际农业生产活动中，不可能完全避免，但如果采取恰当的水土保持措施，就可以得到有效防治[1]。横坡垄作能蓄积雨水、增加入渗，是被广泛采用的保护性耕作措施之一。横垄因汇水而具有“沟渠效应”，但因存在高低起伏、凸凹分布的微地貌结构，雨水极易在位置较低的垄沟内汇集，从而诱发漫流。漫流水流不断侵蚀垄面土体颗粒，导致细沟发育，最终诱发横垄垮塌，加剧土壤侵蚀[2]。国内外学者通过模拟试验和数值分析对横垄坡面侵蚀过程进行定量研究，取得了丰富的研究成果，但受限于实验设备和观测手段，现有研究多侧重于不同降雨参数（雨强、雨量、雨型和历时等）和垄作结构因子（垄宽、垄高和垄向坡度等）对横垄侵蚀的影响[2-4]。实际上，在垄沟低洼处汇集的雨水与垄面土壤间形成的水力梯度，会促使水分通过土壤孔隙发生侧向移动，形成侧向渗流。侧渗流改变了垄面土壤水文条件和土壤颗粒受力方式，减弱了土壤抗侵蚀能力，加速了垄面细沟的发育[3，5]。垄面细沟发育主要包括沟头溯源、沟底下切和沟壁扩张3种侵蚀方式，其中沟头溯源侵蚀是垄面细沟侵蚀的开始，对整个细沟侵蚀产沙过程有重要影响，在黄土高原地区，沟头溯源侵蚀量可占到细沟侵蚀量的50%[6]。横垄垄面坡度较陡，漫流水流沿沟头陡坡面冲掏带走沟头土壤，并使沟头向相反方向发育，垄面细沟沟头溯源侵蚀活跃程度决定了其可能引起的负面效用。

紫色土是发育于紫色砂页岩上的一种幼年土，其性状受母岩特性影响较深，有机质少，结构水稳定性弱，易分散，致使紫色土成为一种强侵蚀性土壤。横坡垄作是紫色土坡耕地主要的水土保持措施之一，但是，目前对紫色土横垄垄面沟头溯源侵蚀过程及其影响因素的研究较少，如何描述垄作系统中渗流产生机制仍缺乏有效的实验方法和模拟手段，定量识别其对垄面细沟侵蚀的贡献也需要进一步研究。揭示紫色土横垄垄面沟头溯源侵蚀机理，有助于进一步明确紫色土坡耕地土壤侵蚀防治的重点和关键，对合理配置水土保持措施，提高农业生产水平及改善生态环境具有重要现实意义。

2 坡面土壤渗流特性及模拟

坡面土壤渗流对土壤侵蚀、污染物迁移等过程有重要影响，其发生机制和模型模拟一直是土壤学和水文学领域研究的热点问题。多年来，国内外学者对土壤渗流观测方法、影响因子、数值模拟等方面进行了广泛的研究[7-9]。紫色土具有较高的渗透性，同时由于相对透水层较浅，岩土二元结构明显，使得壤中流成为紫色土区主要的产流方式之一。刘刚才等[10]利用紫色土坡耕地径流小区观测数据，发现壤中流在大雨、暴雨或土壤饱和后才发生。Tang等[11]认为耕作能有效改善紫色土土壤结构，增加壤中流发生几率。Qian等[12]比较了不同坡度和雨强条件下紫色土坡耕地产流特征，认为壤中流占总径流的比例随坡度增加和降雨强度减少而增加。土壤质地、分层结构、土地利用、降雨特性等因素对壤中流形成都有重要影响。也有学者认为坡面分布的低洼处在雨水填洼过程中对入渗、产流有着重要的作用。例如：Guzha[13]研究发现，有洼地坡面土壤入渗率高于平整坡面，且填洼量越大，土壤含水率越高。Gómez等[14]将坡面降雨入渗划分为两种类型：积水入渗和无积水入渗。Govindaraju等[15]研究认为地表微地形通过改变土壤有效导水率对入渗率产生影响，低洼处积水深度会明显增加入渗能力。赵龙山等[16]的研究也证实了该现象，实施耕作措施的坡面洼填量是平整坡面的4～13倍。微地貌通过对径流运动的形态和路径的影响，进而影响坡面入渗和产汇流过程，相关研究需要依据土壤学、流体力学、土壤侵蚀学等原理，从机理上探讨两者之间的内在联系。

随着观测技术的进步和计算机技术的发展，许多学者利用数值模拟来描述坡面土壤水分运动过程。在坡面土壤水分运动过程的数值模拟研究方面，通常采用基于Richards方程的HYDRUS、SWAP、FEFLOW、MODFLOW等数学软件模拟土壤水分运动过程。Hopp等[17]利用HYDRUS模型模拟了坡面场次降雨径流过程，并分析了坡度、土层厚度、降雨强度和基岩渗透性对坡面径流系数等评价指标的影响。Wang等[18]利用MODFLOW模型模拟了不同降雨强度对地下径流水面线、流量、流速等指标的影响，并用人工模拟降雨实验实测数据进行了验证，结果较为吻合。邵东国等[19]设计了南方丘陵区多层土壤结构水平和垂向渗流试验，并构建了基于HYDRUS-2D的土壤水分二维渗流模拟模型，结果表明土壤侧向渗漏对水量损失的贡献较大。虽然前人对于坡面土壤水分运动过程模拟开展了大量的研究，但在横垄坡面的局部区域存在两类不同，一是水力坡度的变化，如横垄积水区域的变水头条件；二是土壤分层的不均质性，如人为耕作形成的不规则层状结构。受计算成本和观测数据的限制，单一模型难以准确描述横垄坡面局部积水区域变水头条件下的土壤水分运动过程。例如MODFLOW-USG模型采用的非结构化网格容易产生稀疏的带状矩阵以及条件对角占优问题[20]。FEFLOW、HYDRUS等模型采用直接局部加密的方法对不同分辨率的网格节点统一求解，容易在小尺度范围外产生大量的渐变节点，计算效率和精度受非均匀网格划分质量的影响[21]。目前关于紫色土横垄坡面土壤水分运动过程模拟的研究较少，Liu等[3]研究发现横垄坡面渗流过程曲线大部分呈现“S”型，土壤水分的侧向渗漏量可用指数函数描述。由于该研究在室内小型土槽中开展，无法全面真实刻画横垄坡面渗流过程。如何在保留全坡面尺度土壤水分运动过程描述的基础上，实现对局部复杂水力条件下土壤水分运动过程的精细化描述，是该领域研究急需解决的问题。

3 侵蚀微地貌研究现状

微地貌是规模相对比较微小的地表面高低起伏的状态，如侵蚀细沟、小丘等[22]。在土壤侵蚀研究中，地表糙度是反映地表微地貌形态和物理性状的指标。Romkens等[23]将地表糙度参数广义地定义为4种类型：①土壤团聚体尺度的微地貌变化；②土块尺度上的地表形态变化；③有向糙度，田间尺度上耕作所造成的系统性高程变化，如横垄、点坑等；④大尺度糙度，如地块、流域尺度上地形地貌的变化。横垄坡面上微地貌特征主要包括前三种类型地表糙度的组合和侵蚀细沟，其中地表糙度为cm级的地表起伏变化。

目前有关坡面侵蚀过程中微地貌的研究，主要集中在地表糙度方面。地表糙度与土壤侵蚀关系研究始于20世纪50年代，各国学者从地表糙度形成的影响因素、测量方法以及侵蚀和坡面水文过程等方面展开研究，取得了较为丰富的成果。以下主要从地表糙度测定与量化、地表糙度与土壤侵蚀的关系2个方面介绍相关研究进展。

3.1 地表糙度测定与量化

目前，测量地表糙度的方法基本可分为接触式和非接触式2个类型。接触式测量是指测量工具与土壤表面直接接触，如测针法和链条法等；非触式测量指的是测量工具不与土壤表面直接接触，如三维激光扫描法和摄影测量技术。接触式测量会对地表产生扰动，影响实验精度；非接触式测量方法大多采用先进的仪器设备，能够获取大量的数据，数据能真实反映微地貌形态特征，但后期数据处理计算量大，需要操作人员具备相应的知识背景和熟练操作软件的技能。Nadalromero等[24]分别利用激光扫描技术和摄影测量技术测量了坡面侵蚀沉积过程，并建立了数字高程模型，对比测量结果发现，两种技术都具有非接触、受环境等因素影响小、数据采集速度快等优点，但激光扫描仪测算精度更高，摄影测量技术要求近距离拍摄才能保证精度；Stenberg等[25]分别采用测针法和激光扫描仪测量地表糙度，对比分析后认为，激光扫描仪测算精度高、点云密度大，更适用于地表糙度的测量。吴立新等[26]利用地面激光扫描技术（TLS）对植被稀疏地区沟蚀变化进行监测，结果表明TLS点云构建的切沟表面模型能准确获取切沟侵蚀量、地形信息及其变化。可以看出，激光扫描技术具有测算速度快、点云密度大、精度高、非接触等优点，适用于野外条件，在土壤侵蚀测量领域得到了广泛的应用。

为定量研究地表糙度与侵蚀的关系，研究者们采用了多种计算模型来定量描述地表糙度，主要分为三类：①空间高程或水平距离上的差异，如有限高差；②空间高程与水平距离相结合，如弯曲度指数、最大填洼量；③分形理论，如分形维数、多重分形谱。随着测量技术的发展，采用单一数值表征微地貌特征的统计学指标和简单分形维数，难以反映出微地貌的空间结构，而多重分形理论则可通过谱函数来描述复杂分形结构在演化过程中的不同层次或局域的结构特征，是处理微地貌非线性和复杂问题的有力工具。罗键等[27]通过人工降雨实验，结合多重分形理论和方法，分析了递增和递减条件下横垄坡面微地形变化特征，结果表明横垄坡面微地形变化多重分形特征明显，满足多重分形算法要求。同样在坡耕地上，郑子成等[28]利用多重分形理论分析了不同坡度下紫色土地表微地形变化及其对土壤侵蚀的影响，发现不同坡度坡面多重分形谱高差、奇异指数跨度均较降雨前增加，降雨前后微地形空间差异增大。可见，多重分形理论对量化微地貌的随机性和空间复杂特征提供了新的思路和方法。

3.2 地表糙度与土壤侵蚀的关系

作为侵蚀下垫面，地表粗糙度与侵蚀过程息息相关。目前国内外相关研究主要集中在地表填洼、入渗和产流产沙过程。降雨过程中，在地表相对低洼处蓄积的雨水量称为地表填洼量，填洼量的大小直接影响了坡面产流产沙过程[29]。雨水在低洼处汇集延缓了坡面漫流产生的时间，增大了雨水入渗，其影响程度随洼地蓄积填充、径流连通性以及累积降雨量的提高而减小[30]。有研究认为，地表洼地蓄积过程能延缓坡面产流5～10 min左右[31]，有洼地坡面土壤入渗率高于平整坡面，且填洼量越大，土壤含水率越高。有学者将粗糙坡面降雨入渗划分为两种类型：积水入渗和无积水入渗。地表糙度通过改变土壤有效导水率对入渗率产生影响，低洼处积水处入渗率明显增加。可见，粗糙坡面低洼处在雨水填洼过程中对入渗、产流有着重要的作用。

地表糙度对土壤侵蚀过程的影响还表现在它对坡面径流连通性的影响。以横垄坡面为例，在侵蚀性降雨条件下，超过入渗的降水会在位置较低的垄沟内汇集，之后坡面洼地逐渐被填满进而发生漫流，在这个过程中微地貌改变了降水分配路径，并通过不断的填洼和分流为坡面汇流创造了条件。王林华[32]研究发现地表粗糙度有抑制径流汇流路径发育的作用，但是该作用随着雨强增加而减弱。郭慧莉等[33]采用间歇性人工降雨实验，对鱼鳞坑坡面侵蚀过程进行了分析，研究发现随着降雨历时的增加，由于鱼鳞坑的层层拦截与蓄满，坡面径流流速和水深呈波动式增长。Yang等[31]的研究表明，在坡面产流过程中，不同坡位洼地蓄水时间长短不同，产流曲线呈现阶梯式的增长模式。因此，地表糙度对产流过程的影响还与耕作措施空间布局、洼地空间特征有关。

目前关于地表糙度对侵蚀产沙量的作用存在两个相悖的观点：一种是地表糙度能减小侵蚀，另一种则是地表糙度能加剧侵蚀。由于试验条件和研究尺度的不同，测量手段和方法的限制，研究成果会出现较大的差异。实际上，粗糙坡面降雨-径流过程可分为三个阶段：第一个阶段主要是土壤湿润、洼地填充阶段；第二个阶段主要为坡面汇流网络的形成与发展；第三个阶段坡面出现固定的径流流路，进入相对平稳时期。Vermang等[34]研究认为地表糙度对土壤侵蚀过程的作用关键是延缓了径流的产生，而不是减少了侵蚀量。Zheng等[35]研究发现人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和直型坡四种耕作措施在降雨后地表糙度均有不同程度的降低。在相同降雨环境下，随着坡面降雨-径流进入了第三阶段，不同糙度的地表其径流量和侵蚀产沙量差别逐渐减小。可知，当耕作措施不能减缓径流，也就失去了相应的水土保持功能。

4 结论与展望

综上，目前国内外学者已经就坡面土壤渗流特性及模拟、地表糙度测量与量化手段、地表糙度与地表填洼量、入渗以及产流产沙等问题取得了大量的研究成果，但仍然存在以下问题需要进一步探讨。

采用一定分辨率的仪器所测得的微地貌只能反映该分辨率水平下的地表粗糙形态，不能完全反映坡面粗糙形态的真实信息，利用有限的信息去重构紫坡面真实复杂的微地貌的研究较少；针对微地貌多重分形算法的研究也较少，此外，依据不同的归一化概率测度计算方法，计算得到的三维概率测度不同，采用哪种计算方法解析紫色土横垄坡面微地貌三维特征概率测度需要进一步研究。

目前大部分研究采用相对固定的粗糙度值去描述地表糙度形态，缺乏对不同尺度微地貌特征的描述，地表糙度在侵蚀过程中的动态变化。针对横坡垄作这一耕作措施，当垄沟内汇集的雨水超过垄沟蓄水能力后，引发漫流，导致垄面细沟的发育，一旦垄垮塌，失去了蓄水拦沙的功能，反而加剧土壤侵蚀。因此，为准确评价横垄坡面土壤侵蚀，合理利用横垄的水土保持功能，需要对其不同侵蚀发育阶段微地貌演化过程进行研究。

横垄蓄水作用对坡面土壤水分运动的影响没有定量化。横垄坡面土壤水分运动过程模拟需要精细刻画下垫面，数值计算中涉及土壤非均质性和高度非线性等问题，计算成本高，运用单一模型难以准确描述局部小尺度复杂边界条件下的土壤水分运动过程。因此，需要开展相关研究对坡耕地土壤侵蚀过程模型进行完善，以便更好地揭示土壤侵蚀机制。