王顥霖，焦菊英,，唐柄哲，陳一先，白雷超，王 楠，張意奉

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陜北子洲“7?26”暴雨后坡耕地細(xì)溝侵蝕及其影響因素分析

王顥霖1，焦菊英1,2※，唐柄哲1，陳一先2，白雷超1，王 楠2，張意奉1

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

細(xì)溝侵蝕研究多數(shù)基于模擬降雨條件，野外自然狀態(tài)下的研究相對較少，而極端暴雨條件下的細(xì)溝侵蝕研究更為鮮見。該文對陜西子洲2017年“7?26”特大暴雨條件下坡耕地發(fā)育的細(xì)溝開展調(diào)查，研究坡位（距分水嶺距離）、坡度和坡形對坡耕地細(xì)溝侵蝕特征的影響。結(jié)果表明：通過對35個樣方的143條細(xì)溝統(tǒng)計(jì)，細(xì)溝寬度和細(xì)溝深度分別為0.5～60 cm和0.5～35 cm；細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度、細(xì)溝密度和細(xì)溝割裂度分別為2 289～110 976 t/km2、0.3～3.95 m/m2和0.002～0.441。隨距分水嶺距離（17～58 m）的增加，細(xì)溝先快速發(fā)育，坡面破碎程度加劇，距分水嶺58m后，細(xì)溝發(fā)育減慢，坡面破碎程度減弱。坡度在不同的坡位對細(xì)溝侵蝕的影響程度不同：隨坡度增大，上坡位（距分水嶺20～40 m），細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度陡升，坡面破碎程度加劇；下坡位（距分水嶺60～80 m），細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增加較緩慢，坡面破碎程度減弱。凸形坡中部為細(xì)溝侵蝕（10 292 t/km2）最為嚴(yán)重區(qū)域，下部（8 141 t/km2）次之，上部無細(xì)溝發(fā)生；細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度和細(xì)溝平均寬度先增大后減小，細(xì)溝平均深度遞增。淺溝地形細(xì)溝侵蝕隨距分水嶺距離的增加而增加，但退耕地的存在減緩了細(xì)溝侵蝕發(fā)育程度。直形坡因坡度最大其細(xì)溝侵蝕最嚴(yán)重，細(xì)溝形態(tài)同其他坡形基本相同，但最大溝寬和溝深均大于其他坡形。研究結(jié)果可為黃土高原坡耕地的水土流失防治提供參考。

土壤；侵蝕；暴雨；細(xì)溝侵蝕；坡耕地；坡形；坡度；距分水嶺距離

0 引 言

細(xì)溝的出現(xiàn)是坡面溝蝕的開始，細(xì)溝規(guī)模雖小，但發(fā)育迅速，一旦產(chǎn)生就會造成大量表土和養(yǎng)分的流失[1-2]。同時，細(xì)溝溝槽為侵蝕提供運(yùn)輸通道，便于侵蝕物質(zhì)轉(zhuǎn)移。已有研究證明，細(xì)溝侵蝕的發(fā)生使得徑流的侵蝕力和搬運(yùn)力增大，導(dǎo)致坡面侵蝕產(chǎn)沙激增[3]，成倍甚至數(shù)十倍的增加，細(xì)溝侵蝕量占到坡面總侵蝕量的70%[4-5]。而黃土高原地形破碎、黃土結(jié)構(gòu)疏松、短歷時高強(qiáng)度暴雨等特性，為細(xì)溝發(fā)育提供了有利條件。

不同自然環(huán)境下土壤發(fā)生細(xì)溝侵蝕的規(guī)律不盡相同，細(xì)溝侵蝕的發(fā)生受多因素的共同影響，如坡長、坡度、土壤等。已有研究表明坡度的增大，減少單位面積上承受的降雨量，使入滲減少、地表徑流增加，加快細(xì)溝侵蝕過程[6-7]。He等[8]發(fā)現(xiàn)坡度是影響細(xì)溝發(fā)育的主要原因，坡度與最大細(xì)溝深度、細(xì)溝數(shù)量和細(xì)溝距坡頂最長距離密切相關(guān)。陳俊杰等[9]發(fā)現(xiàn)坡長在某種程度上減弱了坡度的影響。和繼軍等[10]通過三維激光掃描儀對地表精確掃描，分析了細(xì)溝在塿土和黃綿土的不同發(fā)育規(guī)律，指出塿土細(xì)溝出現(xiàn)快于黃綿土，且塿土細(xì)溝發(fā)育有較強(qiáng)的規(guī)律性，而黃綿土細(xì)溝發(fā)育有較大的隨機(jī)性。同時，研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)可以改善土壤性質(zhì)，提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和土壤顆粒間的凝聚性，從而提高土壤的抗剪切強(qiáng)度，抵抗徑流侵蝕力[11-12]。細(xì)溝形態(tài)是細(xì)溝侵蝕的真實(shí)反應(yīng)，從細(xì)溝形態(tài)中可以準(zhǔn)確認(rèn)識細(xì)溝侵蝕過程。由于細(xì)溝發(fā)育過程存在較大的隨機(jī)性，很難從單一細(xì)溝描述細(xì)溝形態(tài)特征。吳普特等[13]提出用細(xì)溝平面密度和細(xì)溝平均深度描述細(xì)溝形態(tài)；沈海鷗等[14-15]通過統(tǒng)計(jì)細(xì)溝長度、寬度和深度以及細(xì)溝傾斜度、細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度和細(xì)溝復(fù)雜度反映坡面細(xì)溝形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)細(xì)溝寬度是最佳的形態(tài)測量指標(biāo)，而細(xì)溝割裂度則是最佳的衍生形態(tài)特征指標(biāo)。

自然降雨與模擬降雨存在很大差異，自然降雨有多個雨強(qiáng)交換進(jìn)行，而模擬降雨是在多個固定雨強(qiáng)下進(jìn)行，這使得細(xì)溝侵蝕發(fā)生發(fā)展有所不同。然而，多數(shù)學(xué)者對細(xì)溝侵蝕的研究是在模擬降雨條件下進(jìn)行的，野外自然狀態(tài)下細(xì)溝研究相對較少，特別是極端暴雨條件下的細(xì)溝侵蝕研究更為鮮見。為此，本研究基于2017年7月26日陜西省榆林市子洲縣發(fā)生的特大暴雨，對子洲清水溝小流域坡耕地細(xì)溝進(jìn)行實(shí)地測量，分析坡耕地細(xì)溝侵蝕狀況及規(guī)律，探討坡位、坡度及坡形對坡面細(xì)溝侵蝕的影響，以期為黃土高原坡耕地的水土流失防治提供參考。

1　研究區(qū)概況

陜西省榆林市子洲縣氣候干旱少雨，屬大陸性干旱半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，1971－2017年期間，年平均氣溫9.5 ℃，歷史上極端最高氣溫41.1 ℃，極端最低氣溫?25.7 ℃；年平均降水量434.2 mm，年最大降水量655 mm，最小降水量248.7 mm，年際差406.3 mm，降水主要集中在7?9月。研究區(qū)屬于黃土梁峁丘陵溝壑區(qū)，溝壑縱橫，梁峁起伏，地面支離破碎，地形起伏大，溝壑密度為5～6 km/km2，溝深可達(dá)100～150 m[16-17]。

本研究選擇在陜西省榆林市子洲縣清水溝小流域進(jìn)行調(diào)查。清水溝小流域位于子洲縣城西南方位，北緯37°35′25″～37°37′16″，東經(jīng)109°58′49″～110°0′45″，清水溝小流域總面積5.86 km2。清水溝是大理河流域內(nèi)的一個小支流，總的地勢是西南部山峰陡峻，東北山峰較低緩，海拔最高1 045 m，最低863 m。退耕還林還草政策實(shí)施后，但仍有大量的坡耕地存在。該流域內(nèi)種植農(nóng)作物有綠豆（）、玉米（）、大豆（）、馬鈴薯（）、芝麻（）等，草本植物主要有苜蓿（）、鐵桿蒿（）、草木樨狀黃芪（）等，喬木有刺槐（）、榆樹（）、旱柳（）等。

2 材料與方法

2.1 暴雨情況

2017年7月25日－26日陜西省榆林市發(fā)生了強(qiáng)暴雨事件，降雨主要過程開始于25日15時，至26日2時達(dá)到最大，此后降雨開始減弱，至26日8時，降雨過程基本結(jié)束，主要降雨過程總歷時集中在17 h之內(nèi)，其雨量占場次雨量的97%，降雨量接近當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅康?0%[18]。暴雨中心主要集中在無定河支流大理河流域，無定河流域面平均降雨量為67.5 mm，大理河流域面平均降雨量為139.0 mm，7月25日8時－26日8時累計(jì)降雨量大于100 mm的有32站，大于200 mm的有10站（李家河、曹坪等）[19-20]。暴雨過程中大部分雨量站1 h雨量為30～40 mm，部分站為50～60 mm，而磨石溝李孝河站最大（79 mm）[19-20]。

子洲站和曹坪站是距離清水溝最近的2個雨量站，子洲站總降雨量183.3 mm，最大1 h降雨量52 mm，平均降雨強(qiáng)度0.13 mm/min，曹坪站總降雨量212.4 mm，最大1 h降雨量49.2 mm，平均降雨強(qiáng)度0.25 mm/min。

2.2 野外調(diào)查

坡耕地細(xì)溝調(diào)查于2017年8月3日在清水溝小流域進(jìn)行，涉及5個坡耕地坡面（圖1），分別為3個直形坡面，1個凸形坡面，1個淺溝地形坡面，共16個調(diào)查點(diǎn)。每個調(diào)查點(diǎn)設(shè)置樣方規(guī)格為2 m×2 m，并設(shè)2～3個重復(fù)。樣方坡度變化在12°～38°之間，作物蓋度為10%～20%，距分水嶺距離的范圍為10～100 m之間。

注：數(shù)字為調(diào)查點(diǎn)距分水嶺距離的平均距離

Note: Number is the average distance of survey sample distance from the watershed distance.

圖1 調(diào)查坡耕地的分布

Fig.1 Distribution of sampling slopelands

直形坡（距分水嶺17、25、40 m）作物為綠豆，直形坡（距分水嶺距離37、61 m），作物為黃豆，直形坡（距分水嶺79、83 m）作物為黑豆、馬鈴薯。凸形坡全坡面均為坡耕地，種植黃豆，坡耕地上方為草地，并在坡耕地上方修有排水溝，故將排水溝當(dāng)作凸形坡的分水嶺。淺溝地形坡面為多田塊組合的坡面，由5個田塊組成，如圖2所示，從上至下排列順序?yàn)楦兀ňG豆）、耕地（綠豆、糜子）、退耕地（退耕4～5年，主要植物狗尾草、畫眉草、苦菊，植被蓋度30%）、退耕地（退耕1～2年，主要植物早熟禾、豬毛蒿、賴草，植被蓋度15%）、耕地（糜子）。所設(shè)樣方中只有淺溝地形坡面中田塊3和田塊4為退耕地，其余所設(shè)樣方與分水嶺之間均為坡耕地。

在調(diào)查中，記錄每個樣方的細(xì)溝數(shù)量，采用測尺法直接測量每條細(xì)溝的長度、寬度和深度，對于形狀不規(guī)則的細(xì)溝，進(jìn)行分段測量，計(jì)算細(xì)溝體積。然后，將測量每個分段的細(xì)溝體積相加以計(jì)算樣方內(nèi)細(xì)溝的總體積。用環(huán)刀法測得各樣方土壤容重，與各樣方細(xì)溝總體積相乘，求得各樣方細(xì)溝總侵蝕量，最后換算為細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度。測量坡度時，采用坡度儀在樣方內(nèi)取3點(diǎn)測量，取平均值。同時，記錄各樣方的經(jīng)緯度坐標(biāo)（手持GPS）與坡向等信息。

2.3 樣方設(shè)定

坡長是指坡面的水平投影長度，而不是指坡面長度。在實(shí)際研究中，因坡面形態(tài)非常復(fù)雜而不易考察完整坡面，在本研究中選取距分水嶺距離代表坡面長度。用距分水嶺距離表示調(diào)查樣方所處的坡位，不同坡位可反映坡耕地受上方來水的影響，因而距分水嶺不同距離的坡耕地細(xì)溝發(fā)育狀況不同。研究距分水嶺不同距離樣方的細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度變化和細(xì)溝形態(tài)變化，分析距分水嶺距離與細(xì)溝發(fā)育和細(xì)溝形態(tài)各參數(shù)的相關(guān)性以及變化趨勢。為此選取距分水嶺0～100 m內(nèi)坡度為12～15°的樣方，所選樣方種植作物均為豆類（黃豆、綠豆、黑豆）。確定距分水嶺距離時，將樣方的經(jīng)緯度在Google Earth軟件標(biāo)注，并在分水嶺附近根據(jù)海拔確定分水嶺，沿坡面方向測量樣方與分水嶺之間的距離，然后求取重復(fù)樣方距分水嶺距離的平均值。根據(jù)其他工作在Google Earth上測距精度反饋，此方法精度誤差為5%～12%。

在坡面坡耕地集中的坡位，挑選距離相近且坡度相差較大的樣方，比較不同坡位上坡度對細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的變化趨勢。為此選取了距分水嶺20～40（上坡位）和60～80 m（下坡位）兩區(qū)間，距分水嶺20～40 m區(qū)間的坡度為12°、20°、32°，距分水嶺60～80 m區(qū)間的坡度為16°、22°、38°。

坡形的分析中選取3種不同坡形的坡耕地：一是直形坡，距分水嶺13～42 m區(qū)間，坡度逐漸增加，分別為12°、20°、32°。直形坡坡面本身分為上、中、下部，測量發(fā)現(xiàn)上、中、下、部間距相差不多，故采用直形坡坡面本身的上、中、下部分布。二是凸形坡，凸形坡上方有一條較大的排水溝（寬20～50 cm，深20～50 cm），將上方來水引到旁邊的溝谷中，將排水溝看作分水嶺；凸型坡坡長100 m，上部坡度12°，中部坡度18°，下部坡度21°。將凸形坡的凸出坡位作為凸形坡中部，凸出坡位上方為凸形坡上部，凸出坡位下方為凸形坡下部。三是淺溝地形坡，將田塊1和田塊2作為淺溝地形的上部，田塊3和田塊4作為淺溝地形的中部，田塊5作為淺溝地形的下部。統(tǒng)計(jì)暴雨后這3種不同坡形坡耕地坡面上、中、下部細(xì)溝數(shù)量與特征，分析3種不同坡形坡耕地細(xì)溝侵蝕隨距分水嶺距離變化的空間分布特征。

圖2 淺溝地形坡面狀況

2.4 細(xì)溝侵蝕參數(shù)計(jì)算

采用細(xì)溝長度、寬度和深度作為細(xì)溝形態(tài)的基本幾何指標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算得到細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度、細(xì)溝寬深比等指標(biāo)，分析這次暴雨后坡耕地細(xì)溝形態(tài)的變化特征：

1）細(xì)溝體積（）是指某條細(xì)溝寬度、深度與測段長度乘積的加和，可以用下式進(jìn)行計(jì)算。

式中為細(xì)溝的體積，cm3；W為第個測量段的細(xì)溝平均寬度，cm；D為第個測量段的細(xì)溝平均深度，cm；L為第個測段的長度，cm；為樣方內(nèi)細(xì)溝的個數(shù)。

2）細(xì)溝平均深度指樣方為所有細(xì)溝深度的平均值。

3）細(xì)溝平均寬度指樣方為所有細(xì)溝深度的平均值。

4）細(xì)溝割裂度（）是根據(jù)地面割裂度進(jìn)行定義的，指單位面積的細(xì)溝平面面積之和，無量綱，用（2）計(jì)算。

式中為細(xì)溝割裂度；A為第條細(xì)溝的面積，m2；為所研究樣方的面積，m2；為樣方內(nèi)細(xì)溝的個數(shù)。

5）細(xì)溝寬深比（R）是指細(xì)溝寬度與其對應(yīng)深度的比值，無量綱，可用（3）計(jì)算。

式中W為第個測量點(diǎn)處的細(xì)溝寬度，cm；D為第個測量點(diǎn)處的細(xì)溝深度，cm。

6）細(xì)溝密度（ρ）是指單位面積上細(xì)溝的長度，可以用下式進(jìn)行計(jì)算。

式中ρ為細(xì)溝密度，m/m2；為細(xì)溝總條數(shù)；L為第條細(xì)溝的長度，m。

7）細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度（）：指單位面積細(xì)溝的侵蝕量，t/km2，可以用下式進(jìn)行計(jì)算。

式中V為第條細(xì)溝的體積，cm3；ρb為土壤容重，g/cm3。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡耕地細(xì)溝形態(tài)與侵蝕特征

通過對35個樣方的143條細(xì)溝的統(tǒng)計(jì)，細(xì)溝寬度變化范圍為0.5～60 cm，其中10～15 cm寬度的占比最大（51%），5～10 cm寬度的次之（28%），大多數(shù)細(xì)溝寬度小于20 cm（93%），僅少數(shù)在細(xì)溝溝壁坍塌嚴(yán)重地段的細(xì)溝溝寬大于30 cm（1%）；細(xì)溝深度變化范圍為0.5～35 cm，其中0～5 cm的深度占比最大（69%），5～10 cm的深度次之（29%），大多數(shù)細(xì)溝深度小于15 cm（97%），僅在徑流集中地段的細(xì)溝深度大于15 cm（3%）。

通過對35個樣方的統(tǒng)計(jì)，細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度變化范圍為2 289～110 976 t/km2，其中2 289～10 000 t/km2占比最大（39%），越靠近坡面下部細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度越大。細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度最大值為110 976 t/km2，發(fā)生在徑流集中地段（距分水嶺43 m，坡度35°）。細(xì)溝密度變化范圍為0.3～3.95，細(xì)溝密度1～2（44%）集中在距分水嶺17～58 m的坡面。細(xì)溝割裂度變化范圍為0.002～0.441，其中細(xì)溝割裂度0～0.100的占比達(dá)到63%。

3.2 距分水嶺距離（坡位）對細(xì)溝侵蝕的影響

距分水嶺距離0～100 m內(nèi)（坡度11°～15°）的細(xì)溝平均寬度、細(xì)溝平均深度和細(xì)溝寬深比等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示：細(xì)溝平均寬度隨距分水嶺距離增大而增加，并在9.6～14.7 cm之間波動。細(xì)溝平均深度隨距分水嶺距離增大而增加，細(xì)溝平均深度從2.7 cm增長到9.0 cm（增長量6.3 cm），在距分水嶺76～86 m時出現(xiàn)較大增長（3.2 cm），占總增長量的49.6%。細(xì)溝寬深比隨距分水嶺距離的增大而減小，從3.27降到1.49，表明距分水嶺越近，細(xì)溝形態(tài)寬而淺，隨著距分水嶺距離的增大，細(xì)溝寬度，深度均增大，但寬度的增大速度小于深度的增大速度。細(xì)溝基本形態(tài)的變化反映了出坡面徑流的侵蝕變化。分析可知，坡上部的匯水面積較小，徑流侵蝕力較弱，對細(xì)溝溝壁和溝底的侵蝕沖刷作用較小，細(xì)溝較淺且較窄；隨著坡長的增加，匯水面積逐漸增大，徑流匯集作用增強(qiáng)，徑流侵蝕力增大，對細(xì)溝溝壁和溝底的侵蝕沖刷加強(qiáng)，細(xì)溝更深；細(xì)溝寬深比隨距分水嶺距離增大而減小、細(xì)溝深度隨距分水嶺距離增大而增大，也說明徑流在侵蝕過程中下切侵蝕逐漸增強(qiáng)；同時，細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度在隨距分水嶺距離的增大表現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象，在距分水嶺距離36 m之前，細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度以較快速度增大；而在距分水嶺距離36 m后，細(xì)溝密度緩慢減小，細(xì)溝割裂度減少并趨于穩(wěn)定（圖3b）。

圖3 距分水嶺距離對細(xì)溝侵蝕的影響

隨著距分水嶺距離的增加，細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度呈增長趨勢，在17～58 m距離處細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增長幅度最大，為11 913 t/km2（圖3d）。在距分水嶺17 m坡長處，徑流以侵蝕為主，具有較強(qiáng)的侵蝕力，細(xì)溝侵蝕模數(shù)增長幅度大；距分水嶺36 m后的徑流，自身能量支持徑流攜帶泥沙繼續(xù)前進(jìn)，并對土壤進(jìn)行侵蝕，攜帶的泥沙之間不可避免地存在著交替碰撞，也需要消耗能量，降低了侵蝕能力，實(shí)際表現(xiàn)出來的就是細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增長幅度減少[21-22]。

3.3 坡度對細(xì)溝侵蝕的影響

圖4為坡度對細(xì)溝侵蝕各指標(biāo)的影響圖。從圖4可知，隨著坡度的增加，細(xì)溝平均寬度、細(xì)溝平均深度和細(xì)溝寬深比的具有如下特征：上坡位細(xì)溝平均寬度從10.1 cm增大到17.5 cm，細(xì)溝平均深度從2.8 cm增大到7.0 cm；下坡位細(xì)溝平均寬度從15.6 cm減少到10.5 cm，細(xì)溝平均深度從3.9 cm增長到6.6 cm。上坡位與下坡位的細(xì)溝平均深度變化趨勢類似，均呈增大趨勢，上坡位細(xì)溝平均深度的增大幅度（7.4cm）大于下坡位的增大幅度（2.7 cm）；而細(xì)溝平均寬度變化趨勢截然不同，上坡位細(xì)溝平均寬度呈增大趨勢。上坡位與下坡位的細(xì)溝寬深比都呈減少趨勢（圖4c），上坡位細(xì)溝寬深比從3.67減小至2.55，下坡位區(qū)間細(xì)溝寬深比從4.14減小到1.60；但上坡位，隨著坡度增大，寬深比減小，但細(xì)溝的寬度、深度均是增大的，只是細(xì)溝寬度的增大速度不如細(xì)溝深度增大的速度快，而下坡位，隨著坡度增大，細(xì)溝寬度減小，深度增大。分析可知，上坡位細(xì)溝發(fā)育過程中溝壁坍塌、下切侵蝕得到加強(qiáng)，而下坡位細(xì)溝發(fā)育過程中溝壁坍塌方式減弱，下切侵蝕得到加強(qiáng)。上坡位細(xì)溝密度和細(xì)溝割裂度也均隨坡度的增大而增大（圖4d、4e），下坡位細(xì)溝密度和細(xì)溝割裂度均隨坡度增大而增大（圖4d、4e），但下坡位的細(xì)溝割裂度增長幅度（1.707）遠(yuǎn)大于上坡位（0.249）。從實(shí)際測量看，上坡位細(xì)溝窄淺，樣方內(nèi)多條（4～8條）細(xì)溝平行，而下坡位細(xì)溝橫斷面呈深“V”型，最深為32 cm，且樣方內(nèi)細(xì)溝僅有2或3條。

上坡位與下坡位的細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度隨坡度增大均呈增大趨勢，但細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增大幅度不同。上坡位的細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增大幅度（28 329 t/km2）遠(yuǎn)大于下坡位的細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增大幅度（8 306 t/km2）。

圖4 坡度對細(xì)溝侵蝕的影響

3.4 坡形對細(xì)溝侵蝕的影響

表1為不同坡形的細(xì)溝侵蝕特征表，表2為不同坡形的細(xì)溝侵蝕特征表。分析表1可知，凸形坡坡面中部（10 292 t/km2）是細(xì)溝侵蝕最為嚴(yán)重的坡位，下部（8 141 t/km2）細(xì)溝侵蝕次之，上部無細(xì)溝侵蝕（但有面蝕發(fā)生）；細(xì)溝侵蝕各指標(biāo)的最大值大都出現(xiàn)在中部，其中坡面中部的細(xì)溝密度（1.68 m/m2）和細(xì)溝割裂度（0.281）遠(yuǎn)大于坡面上下部；溝寬平均值在坡面中下部變化不大，但溝寬最大值（35 cm）出現(xiàn)在中部；下部細(xì)溝的深度平均值、最大值、最小值均大于中部。分析整個坡面變化可知，細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度和細(xì)溝平均寬度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，細(xì)溝平均深度呈現(xiàn)逐漸遞增的變化趨勢。從整個坡面細(xì)溝的幾何形態(tài)和坡面破碎情況變化看，中部細(xì)溝溯源侵蝕、溝壁坍塌加強(qiáng)，下部細(xì)溝下切侵蝕加強(qiáng)。

表1 不同坡形的細(xì)溝侵蝕特征

表2 淺溝地形坡面不同田塊的細(xì)溝侵蝕特征

分析表1、表2可知，淺溝地形的田塊1、田塊2、田塊5均為坡耕地，田塊2與田塊1細(xì)溝的幾何形態(tài)基本相同，但細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度分別從1.24增大到1.75 m/m2、0.008增到0.012；田塊5位于坡面最底部，坡面的破碎程度最為嚴(yán)重，細(xì)溝密度（2.70 m/m2）和細(xì)溝割裂度（0.013）均為所有田塊中最大，但細(xì)溝的幾何形態(tài)和田塊1、田塊2基本相同。田塊3和田塊4為退耕地，田塊4的細(xì)溝形態(tài)、侵蝕強(qiáng)度、細(xì)溝密度和細(xì)溝割裂度均大于田塊3，但增長幅度較小。由此可知，淺溝地形坡耕地和退耕地的細(xì)溝侵蝕隨距分水嶺距離的增加而增加。田塊3較田塊2坡面的破碎程度減小，細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度分別從1.75減少到1.10 m/m2、0.012減少到0.010，但細(xì)溝形態(tài)較田塊2有一定量的拓展；田塊3和田塊4為退耕地，坡面為初級演替植被，且已形成生物結(jié)皮，對坡面具有一定的保護(hù)作用，減弱了徑流對坡面的沖刷。由此可知，退耕地的存在減弱了細(xì)溝侵蝕隨距分水嶺距增大而增大的程度，有效的保護(hù)坡面。

由于受地形限制，直形坡樣方所選區(qū)間在距分水嶺17～40 m的范圍內(nèi)，為所選坡形中最短的，但3個樣方坡度分別為12°、20°、32°，為坡度變化最大的坡面。從表1可得，細(xì)溝發(fā)育較快，侵蝕強(qiáng)度3 801～32 129 t/km2，且相鄰坡位的侵蝕強(qiáng)度差值較大，分別為5 959 t/km2和22 369 t/km2；細(xì)溝平均寬度9.6～17.5 cm，相鄰坡位的平均寬度差分別為2.2、5.7cm；平均深度2.8～7.0 cm，相鄰坡位的平均深度差分別為0.7和2.5 cm。與其他的2種坡形對比，雖然直形坡坡面較短，但是細(xì)溝發(fā)育最快，侵蝕情況最為嚴(yán)重，直形坡下部侵蝕強(qiáng)度（32 129 t/km2）、細(xì)溝割裂度（0.359）均為3種坡形中的最大值；細(xì)溝形態(tài)方面，細(xì)溝平均寬度和細(xì)溝平均深度較其他坡形坡位相差無幾，但最大溝寬60 cm和細(xì)溝最大深度36 cm均為3種坡形中的最大值（表1）。

4 討 論

細(xì)溝作為坡面產(chǎn)沙的重要環(huán)節(jié)，其形成和發(fā)展受距分水嶺距離的影響[23-24]。孔亞平等[25]研究指出細(xì)溝侵蝕能力隨距分水嶺距離先增大，超過一定距分水嶺距離后逐漸減少，存在侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間，隨后侵蝕減弱。蔡強(qiáng)國[26]對1961－1969年在子洲20、40、60 m坡長小區(qū)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)0～20 m是侵蝕能力最強(qiáng)的區(qū)間，40、60 m處的侵蝕能力逐漸減弱，且坡長40和60 m處的侵蝕差異不大。而本研究發(fā)現(xiàn)，距分水嶺距離0～36 m為侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間，距分水嶺距離36 m之后侵蝕能力減弱，但侵蝕仍在增加，表現(xiàn)為增長幅度減小。野外試驗(yàn)研究表明[13]細(xì)溝侵蝕發(fā)育強(qiáng)烈地段在坡長中部，其次是下部和上部，而全坡長的細(xì)溝侵蝕量貢獻(xiàn)順序?yàn)橄虏?、中部、上部。高軍俠等[27]研究也表明隨著降雨強(qiáng)度的增大，侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間會延長?？梢姡涤晏匦缘牟町愂窃斐杉?xì)溝侵蝕差異的重要原因之一。同時，結(jié)皮對坡面產(chǎn)流位置也有一定影響。已有研究表明徑流在有物理結(jié)皮的坡面具有較小的水流剪切力，減慢細(xì)溝出現(xiàn)，使細(xì)溝侵蝕發(fā)生的位置下移[28-29]。本研究區(qū)在此次暴雨前有過降雨，表土有結(jié)皮形成，結(jié)皮的存在減慢了細(xì)溝的出現(xiàn)。張攀等[30]指出細(xì)溝形態(tài)的發(fā)育是多維全面的進(jìn)行，且細(xì)溝密度與平均寬度、平均深度均呈正相關(guān)，但本研究中距分水嶺距離36 m前細(xì)溝密度與平均寬度、平均深度呈正相關(guān)，距分水嶺距離36 m后（細(xì)溝侵蝕能力減弱區(qū)間）呈負(fù)相關(guān)。這與其研究選取坡長較短有關(guān)，處于侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間，坡面多條細(xì)溝發(fā)育，且對溝壁破壞和下切侵蝕作用強(qiáng)烈[26,31]，但本研究距分水嶺36 m后侵蝕能力減弱，細(xì)溝發(fā)育條數(shù)減少，細(xì)溝密度減少，細(xì)溝更多用于運(yùn)輸泥沙，對溝壁破壞減弱，細(xì)溝寬度變化不大，但下切侵蝕繼續(xù)加強(qiáng)，細(xì)溝深度增大，最終表現(xiàn)為距分水嶺距離36m后細(xì)溝密度與平均寬度、平均深度均呈負(fù)相關(guān)。沈海鷗[14]指出細(xì)溝密度和細(xì)溝割裂度均呈現(xiàn)整體現(xiàn)增加后減小的趨勢，與本研究結(jié)果一致。由此可知，在此次暴雨中細(xì)溝侵蝕隨距分水嶺距離增大而增大，且細(xì)溝侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間的擴(kuò)展是高歷時、高強(qiáng)度的降雨特性和表土物理結(jié)皮的共同作用。

坡度的增大可加快坡面產(chǎn)流進(jìn)程，進(jìn)而加快細(xì)溝的出現(xiàn)和發(fā)育[32]，但不同位置對坡度增大的響應(yīng)呈現(xiàn)不同情況。陳俊杰等[9]和李君蘭等[33]發(fā)現(xiàn)在5、10 m的徑流小區(qū)中坡度增大導(dǎo)致細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增大，其原因?yàn)?和10 m坡長較短，細(xì)溝侵蝕處于侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間，坡度的增大，增大了細(xì)溝侵蝕侵蝕能力，加劇了細(xì)溝對坡面的破壞[5,26]。本研究發(fā)現(xiàn)距分水嶺距離20～40 m范圍內(nèi)細(xì)溝侵蝕隨坡度增大而增大的幅度遠(yuǎn)大于距分水嶺距離60～80 m范圍內(nèi)的。本試驗(yàn)中在60～80 m區(qū)間侵蝕能力已減弱，雖坡度增大加劇了細(xì)溝對坡面的破壞，但因坡度增大導(dǎo)致的細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增大幅度遠(yuǎn)小于20～40 m的增大幅度，表明在坡面足夠長的情況下距分水嶺距離會削弱坡度對細(xì)溝侵蝕的影響。這與陳俊杰等[9]研究得到的結(jié)論相一致，坡面侵蝕量隨坡度的增加而增加，而坡長在一定程度上會減弱坡度影響的。

坡形是坡度和坡長的組合形態(tài)，影響著坡面徑流的匯集方式和過程，進(jìn)而影響坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育。野外調(diào)查[34]發(fā)現(xiàn)在瓦背狀地形的凹洼部分，細(xì)溝分布密集，侵蝕量大；在凸出部分，細(xì)溝分布稀疏，侵蝕量小；直形坡的細(xì)溝侵蝕量處于兩者之間[6]。于曉杰等[34]模擬降雨試驗(yàn)表明直形坡坡面產(chǎn)沙對降雨特性和坡度的響應(yīng)均弱于凹形坡和凸形坡。呂威[35]研究表明直形坡的土壤侵蝕量均小于凹形坡和凸形坡，凸形坡土壤流失量大于凹形坡；凸形坡土壤侵蝕量隨上下坡面坡度增大顯著增大；凹形坡，上坡面坡度較小時，土壤侵蝕隨上坡坡度增大顯著增大，下坡坡度較大時，土壤侵蝕量隨上坡坡度增大而顯著減小。而本研究發(fā)現(xiàn)直形坡侵蝕最大，凸形坡最小，淺溝地形介于二者之間。直形坡為坡度變化最大的坡面，因此坡度變化導(dǎo)致其細(xì)溝侵蝕最為嚴(yán)重。而凸形坡因地形呈凸面狀，徑流間的交匯作用減弱，一定程度上限制的細(xì)溝發(fā)育，使得其侵蝕強(qiáng)度最小。研究表明侵蝕量與上方來水呈正相關(guān)[23]，而下墊面的變化可以影響細(xì)溝侵蝕的發(fā)育程度[5,37-38]，本研究中淺溝地形的淺溝地勢較低，由于徑流匯集在淺溝中，坡面受上方來水量影響減弱，且坡面中下部存在退耕地，植被及生物結(jié)皮對細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度具有減弱作用，使得中下部的細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增加幅度較小，可見上方來水集中排水和植被覆蓋可有效的減少細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度。

綜上，“7.26”暴雨事件反映了水土流失問題，細(xì)溝侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間的擴(kuò)展，細(xì)溝侵蝕能力在強(qiáng)烈區(qū)間對坡度的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，這兩點(diǎn)問題都表明對坡耕地的水土流失治理應(yīng)放在細(xì)溝侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間，加強(qiáng)對細(xì)溝侵蝕能力強(qiáng)烈區(qū)間的治理，減弱細(xì)溝侵蝕對坡面破壞。

5 結(jié) 論

1）隨距分水嶺距離（17～58 m）的增加，細(xì)溝先快速發(fā)育，坡面破碎程度加劇，距分水嶺58 m后，細(xì)溝發(fā)育減慢，坡面破碎程度減弱，但整個過程中細(xì)溝寬度和深度均有增大。

2）坡度增加會使細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增大，但在不同坡位上坡度對細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度的影響程度不同：在上坡位（距分水嶺20～40 m），隨坡度增大，細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度陡升（增大幅度28 329 t/km2），細(xì)溝寬度、深度均有增大（7.4、4.2 cm），坡面破碎程度加??；在下坡位（距分水嶺60～80 m），隨著坡度增大，細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度增加緩慢（增大幅度8 306 t/km2），細(xì)溝寬度減少（5.1 cm），細(xì)溝深度增大（2.7 cm），坡面破碎程度減弱。

3）凸形坡，中部的坡耕地為細(xì)溝最為嚴(yán)重區(qū)域，下部次之，上部最輕；細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度和細(xì)溝寬度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，細(xì)溝深度呈現(xiàn)逐漸遞增的變化趨勢。淺溝地形的多田塊坡耕地和退耕地的細(xì)溝侵蝕隨距分水嶺距離的增加而增加。直形坡因坡度最大其細(xì)溝侵蝕最嚴(yán)重，細(xì)溝形態(tài)同其他坡形基本相同，但最大溝寬和溝深均大于其他坡形。

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Characteristics of rill erosion and its influencing factors in slope farmland after “7?26” rainstorm in Zizhou County, Shaanxi Province

Wang Haolin1, Jiao Juying1,2※, Tang Bingzhe1, Chen Yixian2, Bai Leichao1, Wang Nan2, Zhang Yifeng1

(1.,,,712100,; 2.,,,712100,)

Most studies on rills are conducted under simulated rainfall condition. However, the study under natural rainfall condition is rare, especially under extreme storm condition.In this study, we investigated rill erosion under the rainstorm that occurred on 26 July, in Zizhou County, Shaanxi Province. The 16 investigation sites were in Qingshuigou small watershed involving 5 slope surfaces of slope farmland, including 3 straight slopes, 1 convex slope, and 1 shallow ditch terrain slope. For each investigation point, the size of the quadrats was set as 2 m×2 m, and 2-3 duplicates were set. Rill intensity, rill density and degree of rill dissection of each sample plot were measured to discuss the influence of slope position (distance from watershed), slope gradient and slope type on rill characteristics of slope farmland. The results showed that: rill erosion intensity, rill density and degree of rill dissection were 2 289-110 976 t/km2, 0.3-3.95 m/m2and 0.002-0.441, respectively.The width of rills varied from 0.5 to 60 cm, with 51% rills ranging from 10 to 15 cm in width, and 93% rills was less than 20cm. The depth of the rill varied from 0.5 to 35 cm, with 69% of rills ranging from 0 to 5 cm, and 97% of the rill depth was less than 15cm. As the increase of distance from the watershed, rill erosion intensity increased, and rill erosion developed rapidly firstly and then slowed down. Between 17-58 m from the watershed, with the increase of distance, rills developed rapidly and the degree of fragmentation of the slope increased. After 58 m from the watershed, the development of rills slowed down and the degree of fragmentation of the slope weakened. The effect of slope gradient on the rill erosion varied among different slope positions.With the increase of slope gradient, in the upper part of the slope (20-40 m from the watershed), rill erosion intensity raised sharply, and slope fragmentation degree increased. With the increase of slope gradient, in the lower part of the slope (60-80 m from the watershed), rill erosion intensity increased slowly, and slope fragmentation degree weakened. In convex slope, the middle slope had the largest rill erosion intensity (10 292 t/km2), followed by the lower slope (8 141 t/km2) and the upper slope (no rill erosion but have surface erosion). With increase of the distance from watershed, rill density, degree of rill dissection and rill depth increased firstly and then decreased, while rill erosion intensity and rill depth increased. In the slope with shallow gully, the rill erosion of sloping farmland and abandoned farmland increased with the increase of the distance. However, the existence of abandoned farmland weakened the development of rill. In the straight slope, rill developed rapidly due to the larger slope gradient. Therefore， the straight slope had the largest rill erosion intensity, rill density and degree of rill dissection in the three slope types. This paper analyzes the erosion status and regularity of rills in slope farmland during this rainstorm, and discusses the influence of slope position, slope gradient and slope shape on rill erosion of slope surface, aim to provide reference for soil erosion control of sloping farmland on the Loess Plateau.

soils; erosion; rainstorm; rill erosion; sloping farmland; slope type; slope gradient; distance from the watershed

2018-09-10

2019-05-27

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“黃土丘陵溝壑區(qū)流域泥沙連通性對降雨與人類活動的響應(yīng)機(jī)制”（41771319）

王顥霖，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g。Email：whlnwsuaf@163.com

焦菊英，博士，研究員。主要從事流域侵蝕產(chǎn)沙、土壤侵蝕與植被關(guān)系及水土保持效益評價。Email：jyjiao@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.014

S157

A

1002-6819(2019)-11-0122-09

王顥霖，焦菊英，唐柄哲，陳一先，白雷超，王 楠，張意奉. 陜北子洲“7?26”暴雨后坡耕地細(xì)溝侵蝕及其影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：122－130. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.014 http://www.tcsae.org

Wang Haolin, Jiao Juying, Tang Bingzhe, Chen Yixian, Bai Leichao, Wang Nan, Zhang Yifeng. Characteristics of rill erosion and its influencing factors in slope farmland after “7?26” rainstorm in Zizhou County, Shaanxi Province [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 122－130. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.014 http://www.tcsae.org