张若曦, 秦富仓,2, 李 龙,3, 杨振奇, 钱秋颖

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010018; 2.内蒙古农业大学 林学院, 呼和浩特 010018; 3.荒漠化生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室, 呼和浩特 010000; 4.水利部 牧区水利科学研究所, 呼和浩特 010020)

微地貌作为表征地表起伏变化与侵蚀强度的主要指标，在一定程度上对土壤侵蚀有重要的影响[1]，其通常表现为较小范围内地表相对高程的起伏变化，其范围一般不超过5～25 cm[2]。在水蚀过程中，坡面为最基本的单元[3]，侵蚀坡面在雨滴击溅及径流冲刷的作用下发生洼地蓄水、泥沙沉积等现象，进而导致坡面微地貌的重塑，同时微地貌的变化也在影响着整个水蚀过程[4]。在各次降雨期间，微地貌通过自身的位置变化及消长等空间分布特征对径流汇流、流向等产生影响，间接造成了坡面侵蚀量改变[5]，进而影响了侵蚀类型的改变及侵蚀程度[6]。坡面径流量及侵蚀产沙量全都取决于坡面微地貌的变化特征，微地貌重塑不仅仅是侵蚀产生的最终结果，也是造成侵蚀加速发展的首要原因[7]。有研究认为微地貌对土壤侵蚀存在促进[8]和阻碍两种作用，也有研究表明在降雨过程中，微地貌变化对土壤侵蚀的增减作用同时存在，且微地貌重塑与侵蚀的增减效益始终保持动态平衡[9]。李清溪等[10]通过人工模拟降雨试验并结合近景摄影测量技术，探讨了光滑坡面及粗糙坡面中4个坡面微地貌因子与侵蚀产沙的关系。目前，三维激光扫描仪的使用已经得到普及，在恶劣环境下能够对坡面微地貌进行高精度的获取，并准确提取坡面微地貌因子，弥补了传统测量方法对建立坡面微地貌与坡面产流产沙关系的欠缺。张建文等[11]通过人工模拟降雨试验并结合了三维扫描技术，探究了不同覆沙厚度下坡面的微地貌变化与产流产沙之间的响应关系。近几年，关于坡面微地貌变化的研究多为理想状态下的模拟降雨试验，而自然条件下坡面侵蚀多在不同雨强交叉下的连续降雨中变化，次降雨后所产生的坡面微地貌变化会继续影响下一次降雨侵蚀过程。所以，研究自然降雨侵蚀过程中坡面微地形变化与产流产沙特征是揭示坡面真实侵蚀机理的重要环节。

砒砂岩区集中分布在我国黄土高原北部晋陕蒙交界地带，大环境属于黄土丘陵沟壑区，其岩层松散，抗蚀性极差，造成了严重的侵蚀产沙。该区以水力侵蚀为主，总面积为1.67×104km2，虽然只占黄河流域面积的2%，但平均每年向黄河输沙高达2.0×108t，其中输送粒径>0.05 mm的粗沙约占总输沙量的50%，是黄河主要粗沙来源区，黄河中下游泥沙不断淤积使河床抬高，严重威胁了生态环境和人们的生产生活[12]。近年来，对砒砂岩区裸露坡面侵蚀产沙的研究多以水动力学角度[13]、利用WEPP模型[14]及与植被覆盖坡面进行对比[15]，对坡面本身微地貌的变化进行高精度的分析还鲜有人关注。因此，本文以砒砂岩区坡面径流小区为研究对象，结合三维激光扫描仪对其进行自然降雨条件下野外原位监测，分析降雨前后坡面微地貌空间变化特征，揭示坡面微地貌因子与侵蚀产沙的相关关系，为揭示微地貌对坡面土壤侵蚀的影响机理提供参考。

1 研究区概况

研究区坐落于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗暖水镇鲍家沟流域(110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N)。海拔高度为1 145～1 330 m，地形分布北部较高，南部偏低，主要地带性土壤为栗钙土。该区为典型大陆性气候，年平均气温为6～9℃，昼夜温差大，冬季寒冷干燥且时令长，夏季炎热且时令短。年均降水量400 mm，降雨类型多为暴雨，侵蚀强度大，多集中分布在夏季(7—8月)，占全年总降雨量的3/4。无霜期为100～140 d，日照充足，年均风速2～4 m/s。土壤基岩以砒砂岩为主，大部分为栗钙土，有机质含量较少。主要植被为松科的油松(PinustabuliformisCarr.)、豆科的柠条(CaraganaKorshinskiiKom.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、羊草〔Leymuschinensis(Trin.) Tzvel〕、猪毛菜(SalsolacollinaPall.)以及其他沙生类植物、沼泽草甸和退化的草地。

2 材料与方法

2.1 试验设计

本试验于2019年6月30日开始准备，根据研究区地形条件，选取坡度为30°，规格为2 m(长)×5 m(宽)的径流小区进行野外原位观测，观测时间为2019—2020年两个雨季(6—8月)，共监测到产生径流和泥沙的有效降雨13场(表1)。试验开始前将径流小区内植被剔除，为无措施裸地，小区旁设有固定雨况监测点，降水过程采用虹吸式自制雨量计进行监测，并配有相互校验的雨量筒，记录每次降雨的基本数据。小区下方设置集流装置来收集径流泥沙。降雨前与每次降雨后15 min坡面达到稳渗均使用三维激光扫描仪(奥地利，RIGEL-400)对坡面状态进行扫描，此仪器100 m范围内扫描精度为3 mm，将仪器固定在距径流小区底部2 m平地处，设置扫描范围为0°～180°，为保证每次扫描的一致性，对扫描仪架设位置及三脚架高度均进行标记。

表1 各场降雨基本特征

2.2 数据处理及分析

次降雨后坡面产沙量采用烘干法进行测定，径流量则为自制铁皮集流桶所测量得出径流体积。采用RiSCAN_PRO软件对扫描所得坡面点云数据进行去噪、拼接及裁剪等处理，生成坡面三维点云坐标并导出。通过ArcGIS 10.2软件的Topo To Raster工具生成坡面微地貌高精度数字高程模型(M-DEM)。根据高程值进行重分类，划分出侵蚀区与沉积区并提取侵蚀强度。单一地形因子不能全面描述坡面微地貌变化，故本研究选取了4个具有代表性的常规地形因子(微坡度、地表粗糙度、地表起伏度及地表切割深度)来表征坡面微地貌特征[16]，计算方法如下：

(1) 微坡度(S)是指局部地表在该点的倾斜程度，该值的大小能够影响坡面物质迁移与能量转化的规模大小。通过ArcGIS中的坡度函数来提取。

(2) 地表粗糙度(R)是指坡面DEM中每个单元栅格的表面积与投影面积的比值，用来表征坡面微地貌的起伏程度。采用ArcGIS中栅格计算器进行计算，公式为：

R=1/cos(S·π/180)

式中:R为地表粗糙度；S为所提取坡度。

(3) 地表起伏度(RA)是指坡面所有栅格中最大高程值与最小高程值的差，是反映坡面微地貌特征的重要指标，也是用于地貌形态划分的重要参考指数。采用ArcGIS中邻域分析工具进行提取。

RA=Hmax-Hmin

式中:RA为地表起伏度；Hmax为最大高程值(m)；Hmin为最小高程值(m)。

(4) 地表切割深度(SI)是指坡面所有栅格中平均高程值与最小高程值的差。能够表征地表被侵蚀切割的程度，是反映地表侵蚀发育情况的重要参考指数。采用ArcGIS中邻域分析工具进行提取。

SI=Hmean-Hmin

式中:SI为地表切割深度；Hmean为平均高程值(m)；Hmin为最小高程值(m)。

各坡位地形因子均在ArcGIS中进行重分类后区域分析工具中提取，统计分析在SPSS软件中进行，采用Pearson相关分析法对数据进行相关分析，绘图采用ArcGIS 10.2及Origin 2019。

3 结果与分析

3.1 坡面侵蚀强度

降雨侵蚀可以明显改变地表高程，使坡面得到重塑，进而体现出坡面的侵蚀强度。两个雨季中，各次降雨作用后地表高程的变化可将坡面划分出侵蚀区与沉积区，侵蚀区依据侵蚀深度将其分为0～1 cm微度侵蚀、1～2 cm轻度侵蚀、2～3 cm中度侵蚀及>3 cm的重度侵蚀。由表2可知，两个雨季13次有效降雨中，有2次降雨为微度侵蚀，3次降雨侵蚀强度为轻度，5次降雨表现为中度侵蚀，3次降雨表现为重度侵蚀。各次降雨侵蚀强度均表现为在0～1 cm微度侵蚀中像元个数最多，其中第8次降雨侵蚀面积最小，像元数为106个，占整个坡面的6.2%；第9次降雨侵蚀面积最大，像元数为14 650个，占比85%，均属于中度侵蚀。图1为两个雨季过后坡面总体侵蚀情况，由图1可知，坡面侵蚀强度为轻度侵蚀，且沉积区多分布于上坡部，坡下少量分布，侵蚀区多集中在坡中与坡下且面积远大于沉积区。

图1 两个雨季侵蚀强度

表2 次降雨下坡面侵蚀情况

3.2 坡面微地貌变化特征

在水蚀过程中，微地貌会始终伴随着降雨的发生与演变，而微地貌因子随降雨的变化情况可以反映坡面的侵蚀特征，本文选取了可以表征微地貌变化特征的4个代表性因子，分别为地表粗糙度、地表起伏度、地表切割深度与微坡度。两个雨季结束后，初始坡面与第13次降雨后微地貌因子变化特征见图2，降雨前坡面较为平整均一，由于降雨前存在较强的坡面异质性，使得坡下较上坡部及中坡部各地形因子值更大，呈现在图中表现为零星斑块破碎化。降雨后各地形因子均增大，且最大值均分布于上坡边缘部及下坡右边缘处，坡面破碎化严重，贯穿整个坡面。表明微地形随着降雨的推动，不断发育，使坡面发生侵蚀得到重塑。由于坡面沉积区与侵蚀区在坡位角度上有明显的区分，故从坡位角度上来研究各坡位地形因子在13次降雨过程中的变化特征(图3)。降雨前坡面上、中、下各坡位初始微地形因子分别为地表粗糙度1.162，1.183，1.287，地表起伏度为0.025，0.027，0.034 m，地表切割深度表现为0.013，0.014，0.017 m，微坡度表现为30.052°，31.623°，35.663°，均呈现出由坡上至坡下依次显著增大。随着降雨次数的增加，各坡位地形因子总体表现出上升趋势，降雨后各坡位地形因子变化为地表起伏度0.041，0.034，0.038 m较雨前分别增加了64%，26%，12%。地表切割深度表现为0.020，0.017，0.019 m，较雨前初始切割深度增加了54%，21%，12%。微坡度较雨前分别增加了12%，7%，4%，表现为33.597°，33.984°，37.118°。而地表粗糙度在坡上及坡中表现为增加，分别是1.329，1.222，较雨前增加了14%，3%，在坡下表现为减小。地表粗糙度、地表起伏度及地表切割深度均在上坡部波动起伏较为明显，而坡中及坡下起伏较缓，变化趋势基本一致。

注：图中A为地表粗糙度，B为地表切割深度(m)，C为微坡度(°)，D为地表起伏度(m)，且上方为雨前，下方为雨后。图2 降雨前后微地形因子变化

图3 不同坡位地形因子变化

3.3 坡面产流产沙特征

两个雨季13次降雨下坡面侵蚀产沙变化特征见图4，径流量在R4时达到最大值，为65 L；在R2时为最小值径流量为3.1 L。降雨初期坡面表现为入渗状态，产流较少，随着降雨次数增加，坡面入渗率下降而R4降雨侵蚀力最强，故产生径流量明显增多。前两次降雨产沙量极少，到第三次降雨明显增多，可能与细沟的产生与发育有关，之后产沙量随着降雨次数的增加而增加，后几次变化幅度较缓。降雨过程中，侵蚀不断发生，径流中不断携带泥沙，含沙量的变化与侵蚀发展密切相关，因坡面细沟不断地合并联通，沟壁不间断性的坍塌，使得坡面径流含沙量存在峰谷交错，波动明显的现象，表现为在R2时为最小值0.023 kg/L，在R13达到最大值为2.515 kg/L。

图4 侵蚀产沙特征

3.4 坡面微地貌与侵蚀产沙的关系

因侵蚀强度存在明显的坡位之分，故从不同坡位来阐述微地貌因子与侵蚀产沙间的关系，对各坡位4个地形因子变化和产流产沙量进行相关分析，结果见表3。由表3可知，坡上各地形因子间均存在相关关系，地表切割深度与地表粗糙度及地表起伏度相关性显著，其中与地表起伏度存在极显著相关，相关系数达到0.842。产流量与微坡度相关性显著，相关系数为0.494，与其他地形因子存在负相关。产沙量则与地表粗糙度存在极显著相关关系，相关系数为0.786。坡中地表切割深度与地表粗糙度存在极显著相关关系，相关系数为0.910。产流量同坡上一样，仅与微坡度相关性较强，且相关系数增加到0.501，产沙量与地表粗糙度与地表起伏度存在极显著相关，相关系数分别为0.903，0.887。从坡下来看，地表切割深度与地表起伏度存在显著相关关系，系数为0.542，产流量同坡上及坡中一样，仅与微坡度相关性较好，系数增加到0.509。产沙量则与地表起伏度存在极显著相关性，相关系数为0.761。其中由于坡中及坡下为侵蚀区，故其地形因子与产流产沙量的相关性较上坡部更为强烈。由此可见水蚀过程中，侵蚀与地形因子之间相互影响，侵蚀使地形因子随之改变，而地形因子的改变也极大的影响了侵蚀量的变化。

表3 各坡位地形因子与产流产沙的相关关系

4 讨 论

研究坡面微地貌的变化是深入理解砒砂岩区水力作用导致土壤侵蚀机理的一个重要环节。砒砂岩区坡面两个雨季降雨下侵蚀强度的划分与降雨强度密切相关，R4，R6与R10降雨强度大，侵蚀深度强，均划分为重度侵蚀，而R2与R3降雨强度小且均为前期降雨，虽R3降雨后产沙量较多但更多地只是将表土冲刷，侵蚀深度较浅，故均划分为微度侵蚀。而整个坡面中下部为侵蚀区，可能因为坡长较短，上坡部汇水面积小，较难形成集中股流，细沟在坡面首次出现在利于其发展的中下部，随着降雨的发展，细沟沿坡面不断延长，通过合并及分叉不断变宽且向深层发育，故在坡面中下部侵蚀较为严重。降雨通过雨滴击溅、径流的冲刷和搬运以及沉积作用于坡面土壤，降雨与坡面土壤这种相互作用导致了土壤侵蚀[17]。各坡位地形因子均在R4降雨时出现峰值，可能由于R4降雨量最多，降雨侵蚀力最大，对地形因子的影响较强，且砒砂岩土壤较为松散，粒径较大，遇水即碎，在自然降雨多雨强交叉的作用下，坡面形态多变，各地形因子表现为高低起伏[18]，坡面土壤颗粒被径流携带，土壤粒径减小，地形因子呈减小趋势，而随着降雨不断冲刷，使坡面产生细沟及洼地，降低了径流的携带能力，使部分土壤颗粒在坡面上被沉积，地形因子表现为上升趋势，故存在跌宕起伏的现象。

上坡部地表粗糙度、地表起伏度及地表切割深度较坡中及坡下波动更剧烈，这一结论与赵龙山等[19]对黄土坡面不同坡位地形因子与降雨侵蚀的响应关系一致，地形因子所处的位置不同，对降雨侵蚀的响应也不尽相同。在上坡部，雨滴击溅会形成大小不一的鱼鳞坑，使地形因子均表现为增加，但所形成的鱼鳞坑深度及大小不足以抵挡径流的冲刷，随时都会被移平，减弱了雨滴击溅作用。同时径流会将坡面土壤颗粒带走，使坡面均一化，地形因子则又表现为减小的趋势。与唐辉等[20]对黄土坡面微地形变化与产流产沙响应关系研究一致，不同坡位地形因子间均存在相关关系。且坡面产流产沙量与坡面地形因子变化间的差异可以表明坡面微地貌与产流产沙的相互关系，根据李清溪等[10]的研究，微地貌因子的变化可以用来估算坡面侵蚀量，可见地形因子与产流产沙量存在一定相关性。通过分析可以得出，地表粗糙度可以作为评价砒砂岩区坡面土壤侵蚀的最佳地形因子，地表起伏度则为备选指标。这一结论与赵斯琦等[21]的研究一致。

5 结 论

(1) 两个雨季13次有效降雨中，R4，R6，R10降雨强度大，侵蚀深度强均划分为重度侵蚀，而R2与R3降雨强度小且均为前期降雨，虽R3降雨后产沙量较多但更多地只是将表土冲刷侵蚀深度较浅，故均划分为微度侵蚀。且最后一次降雨后坡面明显的划分出侵蚀区及沉积区，侵蚀区主要分布在坡中及坡下，沉积区主要分布在上坡部，坡下边缘有少量分布。

(2) 两个雨季过后，坡面各地形因子均变大，坡面破碎化严重。且不同坡位上地形因子变化表现不同，因R4降雨强度较大，此时各地形因子均达到峰值。且上坡部地形因子变化较坡中及坡下更为剧烈。

(3) 不同坡位上地形因子与产流产沙的相关性不尽相同，坡上坡中及坡下产流量均与微坡度相关性较好，且随着坡位越靠下相关性越显著。产沙量在坡上及坡中均与地表粗糙度为极显著相关，在下坡部则与地表起伏度呈极显著相关。