黄土坡面细沟侵蚀研究进展与展望

赵龙山，侯 瑞，吴发启

黄土坡面细沟侵蚀研究进展与展望

赵龙山1，侯 瑞1，吴发启2

(1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025； 2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

细沟；土壤侵蚀；模型；地表糙度；黄土高原

细沟侵蚀是黄土高原地区坡面土壤侵蚀的主要方式之一，在土壤剥蚀—搬运—沉积过程中具有重要作用，开展细沟侵蚀研究对于深入了解坡面土壤侵蚀机理与建立水土流失模型具有重要意义。从野外调查研究、室内模拟研究及细沟形态定量化等3个方面对坡面细沟侵蚀与特征的研究状况进行了综述，并探讨了细沟侵蚀研究的发展趋势。

水力侵蚀主要包括雨滴对地表打击作用造成的溅蚀，坡面径流对地表冲刷与搬运作用造成的面蚀和坡面流汇集后对地表下切、侧蚀和溯源侵蚀造成的沟蚀等3种侵蚀方式[1]。通常情况下，这3种侵蚀方式在一场降雨过程中同时存在，但是相对于溅蚀和面蚀，沟蚀对耕层土壤损坏程度更大，一直是人们关注的重点侵蚀问题之一。

细沟对地表土壤侵蚀的作用和影响主要包括两个方面。一是细沟形成后地表出现大量的负地形和临时性水路网，这必然会影响坡面产流、汇流过程，使径流连通性显著增加，从而导致地表的蓄水能力和径流阻力降低。也就是说，有侵蚀细沟的坡面在降雨过程中更容易产生径流。二是细沟会进一步加剧土壤侵蚀的发生。当坡面产生细沟后，径流搬运能力增强，坡面侵蚀量随之增加。细沟尺寸会随着侵蚀作用的增大逐渐增大，若不及时采取有效的防治措施，细沟的规模会不断扩展，最后形成沟长较长、下切深度和宽度较大的浅沟。在坡耕地上，浅沟一旦形成，很难通过一次正常的耕作管理措施来消除，达到地表恢复的目的[2]，久而久之，势必会造成土地资源的破坏与浪费，对保障区域粮食安全及生态环境健康产生较大影响。

沟蚀在黄土高原的坡面尤为普遍。从逻辑关系上讲，在超渗产流汇集与流动过程中最先出现细沟，之后是浅沟、切沟、冲沟和干沟。细沟产生后，其水深、流速及侵蚀力均有较大增加，坡面侵蚀方式也发生了根本性变化，因而侵蚀强度可较面蚀增加几倍至几十倍，甚至面蚀强度与沟蚀强度相比有时可以忽略[3-4]。因此，深入开展细沟侵蚀研究对揭示土壤侵蚀机理、建立土壤侵蚀模型都具有重要意义[5]。本研究就坡面细沟侵蚀的研究状况进行综述，并探讨其发展趋势。

1 野外调查研究

黄土高原的水土流失问题一直受到人们的关注。20世纪50年代以来，中科院、水利部等先后组织专家对黄土高原地区土壤侵蚀状况进行实地调查，取得了诸多成果。这些成果极大地促进了人们对黄土高原土壤侵蚀状况、特征及影响因素的认识，为后续开展土壤侵蚀发生机制与特征方面的系统研究奠定了基础。

调查发现，受复杂的地形地貌条件影响，黄土高原地区土壤侵蚀类型多样。沟蚀是黄土高原地区土壤侵蚀中主要的侵蚀类型之一[6]。朱显谟[7]认为，依据侵蚀程度，沟蚀可以分为细沟、浅沟和切沟等类型。细沟是沟蚀发展的最初形式，它的纵断面和坡面一致，横断面往往呈浅V形，沟深以10～15 cm为主，沟宽多小于15 cm，沟间距15～95 cm，一般多见于5°以上的农地，如塬畔坡地、沟壁塬面集水区。在农地上产生的细沟多呈枝状分布，在农事生产中很容易通过耕作消除。细沟侵蚀的另一种形式常见于荒坡草地，因有植被生长，地面径流常在较稀疏草地或草丛间裸露地面流动，将流道逐渐侵蚀为细沟，此种细沟常呈网状密布于地面而不成枝状。浅沟是细沟和切沟的过渡形式，规模上较细沟大，但远小于切沟，横断面往往呈浅U形，在农事生产中能进行横坡耕作，但耕作后侵蚀沟痕迹依然存在。切沟是浅沟进一步下切发育的结果，沟的深度和宽度都较大，横断面形状和分布情况也较为多样，在农事生产中不能进行横坡耕作，故一般不能消除。

朱显谟[6]认为，降雨、地形地貌、地质条件、土壤类型和植被覆盖等都会影响沟蚀的产生、发展与分布，尤其是降水对沟蚀的影响更大。在黄土高原地区，全年降水分布极为不均，80%集中在7—8月份，且以暴雨为主，同时地形地貌复杂和土壤质地均匀、土层深厚、土质以粉沙为主、表土腐殖质含量极低、土壤结构性差等造成黄土抗冲性差，再有干旱的气候条件限制了植物生长，植被覆盖度低和人为活动扰动大等，使得黄土高原地区沟蚀问题较为严重。

自然状态下，黄土坡面土壤侵蚀具有明显的垂直分带性[8-10]。自分水岭向下到沟沿线之间作为农耕地的梁峁坡面，在邻近分水岭地带的梁峁顶部，在坡度小于5°的情况下，主要为溅蚀、面蚀的弱侵蚀区，面积甚小，不到坡地总面积的1%；在梁峁坡的上部，顺坡向上，坡度逐渐增加，径流距离增长，主要为细沟侵蚀区，占坡地总面积的10%以内；在梁峁坡的中下部，主要为细沟、浅沟侵蚀区，占坡地总面积的70%～90%。根据浅沟分布的密度及侵蚀程度，梁峁坡的中下部又可划分为以细沟侵蚀为主的轻度—强烈细沟侵蚀和浅沟侵蚀区，以及以浅沟侵蚀为主的极强烈—剧烈浅沟侵蚀和细沟侵蚀区。后者主要分布在梁峁坡下部临近沟沿线地带，浅沟密度较大，间距为10～15 m，浅沟切割也较深，接近切沟侵蚀，往往成为由沟间地发展为沟谷地的过渡地带。

在黄土高原地区，坡耕地由两大部分组成，即沟间地部分的坡耕地和沟谷地部分的陡坡地，这为细沟侵蚀的产生与发展提供了天然的地理条件。朱显谟[7]调查表明，在坡度大于5°的农地上，降雨强度较大时会有细沟出现，而当坡度达到25°时，细沟侵蚀更加明显。唐克丽等[9]对杏子河流域坡耕地的土壤侵蚀调查表明，坡面径流通过细沟的汇集，并经浅沟和切沟，最终排入沟道系统，这一方面会促使细沟沟头继续前进，沟的规模继续加深与扩展，导致侵蚀沟面积不断扩大、坡面面积减小，另一方面沟蚀的发育为地表土壤的流失提供了运输通道，加剧了坡面侵蚀的发生发展，因此在杏子河流域，除上游河源部分的重力侵蚀比较活跃外，大部分地区以沟蚀为主，伴随有面蚀、重力侵蚀、洞穴侵蚀等。在沟间地部分，除少数的水平梯田及林灌草地为无侵蚀和鳞片状侵蚀外，绝大部分坡耕地为细沟侵蚀和浅沟侵蚀，而细沟和浅沟侵蚀的发展又加剧了土壤侵蚀程度。据估算，在入黄泥沙中，有30%～50%来自坡耕地耕层土，如按耕层20 cm计算，每年损失的有效耕地面积为22.0万～36.7万hm2。坡耕地土壤侵蚀量可占总侵蚀量的60%，而细沟侵蚀是坡耕地土壤侵蚀的主要方式之一，据测算细沟侵蚀量可以占到总侵蚀量的45.3%[11]。

以上分析表明，细沟侵蚀是黄土高原坡耕地土壤侵蚀的主要方式之一[9,12]。由于细沟具有向浅沟、切沟演化的可能，因此研究细沟形态特征对于了解坡面沟蚀演化规律具有重要意义。另外，黄土高原地区坡耕地数量较大、坡度较陡，研究坡耕地细沟的形成与演化特征对揭示坡耕地土壤侵蚀的规律、防治水土流失具有重要意义。

2 试验模拟研究

细沟是坡面径流形成股流后对地表下切、侧蚀和溯源产生的一种地表形态。近年来，许多学者用模拟试验的方法对细沟侵蚀产生的动力学条件、细沟侵蚀量和沟道空间分布特征等进行了研究[13-21]，这些研究成果极大地提高了人们对细沟侵蚀的认识。

在水力侵蚀中，细沟侵蚀的发生具有临界条件。雷阿林等[22]用室内模拟降雨和放水试验方法，在一个长、宽和深分别为1.5、1.0、0.4 m的木制冲刷槽中研究了黄土坡面细沟侵蚀的水动力学条件，试验包括3个降雨强度(29.7、90.2、153.7 mm/h)、5个试验坡度(5°、10°、15°、20°和25°)。研究结果表明坡面产生细沟前后坡面流的水动力学特征明显不同，因此他们认为水动力学特征可以作为判断坡面细沟侵蚀发生与否的依据，并给出雷诺数(Re)和弗劳德数(Fr)临界值分别为1 486和6.519，过水断面单位能量(E)临界值为1.387 cm，当坡面流的这3个特征参数大于临界值时，即发生细沟侵蚀。王文龙等[23]采用组合坡形的方法，在室内模拟了黄土丘陵沟壑区梁峁、沟谷系统细沟发生的水动力学特征，其研究结果也表明Re、Fr和E可以作为判断侵蚀方式演变的水动力学指标。李占斌等[24]用室内放水试验的方法，在一个长、宽、深分别为7.0、1.0、0.6 m的钢制冲刷槽中研究了陡坡产生细沟的水动力学特性及其相互关系，试验采用3个流量(6.5、8.5、10.5 L/min)、3个坡度(21°、24°、27°)，研究结果表明坡面产生细沟后，Re明显增大，且增大幅度会随放水时间的延长而增大，细沟产生后，Re>500，Fr>1。SAVAT et al.[25]发现有黏性的土壤，其细沟产生的Fr临界值在2.3～2.8之间。郑粉莉[26]在野外调查的基础上，在长、宽分别为5.0、1.5 m，面积为7.5 m2的试验小区上对坡面细沟产生的影响因素进行了研究，结果表明降雨动能对细沟侵蚀的影响较大，径流侵蚀力是造成细沟侵蚀的直接动力，但是只有当径流侵蚀力超过土壤抗蚀能力后，才会发生细沟侵蚀。张科利等[27]利用室内径流冲刷试验，在一个长、宽、深分别为5.0、0.5、0.7 m的钢制冲刷槽中研究了黄土坡面细沟侵蚀发生的水动力学条件及输沙特征，结果表明试验黄土坡面发生细沟侵蚀的临界切应力约为7 Pa，并建立了陡坡面细沟侵蚀能力与径流切应力之间的关系式D=8.18(τ-7)/1 0000，其中τ为细沟中径流的平均切应力(Pa)，D为细沟侵蚀能力〔kg/(ms〕，8.18为与试验黄土土壤性质有关的侵蚀系数，7为黄土坡面发生细沟侵蚀的临界切应力。杨具瑞等[28]研究认为，黄土坡面细沟侵蚀的临界坡度在21°～50°之间，同时土壤类型及坡长也会影响细沟侵蚀的临界坡度。雷廷武等[29]利用15 m长的土槽，在30～35 mm/h模拟降雨条件下，研究了细沟产生与坡面流之间的关系，研究结果表明在水流方向上，地面产生侵蚀坑是细沟产生的前提，在侵蚀坑出现的位置，水流的溯源侵蚀和搬运作用导致细沟逐渐发育形成，同时坡面急流(超过临界流)的出现和水流波动对坡面的冲刷是产生侵蚀坑的前提条件，不存在临界水动力条件。

细沟侵蚀对坡面输沙量及侵蚀量大小具有明显影响。坡面出现细沟后，坡面流汇集到细沟，形成细沟流，流速和水深大大增加，水流的侵蚀与搬运能力增强，导致侵蚀量显著增加。郑粉莉[26]在长5 .0 m、宽1.5 m、面积7.5 m2的试验小区上对细沟侵蚀过程中坡面输沙能力的研究结果表明，细沟侵蚀量增加值与降雨动能增加值之间存在显著的线性关系，对降雨动能和径流位能影响细沟侵蚀能力的分析表明，径流位能对细沟侵蚀的影响远大于降雨动能，同时土壤、地形及土地管理措施都会影响细沟侵蚀量，且这些影响基本与野外调查结果相符。SLATTERY et al.[30]研究表明，坡面产生细沟会减小坡面径流量，增加产沙量，细沟侵蚀产沙量与弗劳德数之间满足标准幂函数关系y=axb，y为细沟侵蚀产沙量(g)，x为弗劳德数，a、b为回归系数。张科利等[15]用多元统计方法对水槽冲刷试验资料进行分析，建立了细沟侵蚀量与径流量、坡度的指数关系。雷廷武等[29]用室内径流冲刷试验，将长8 m、宽1 m的钢制冲刷槽分隔为宽0.1 m的小水槽，研究了黄土坡面细沟侵蚀发生过程中的输沙特征，试验设置5个坡度(5°、10°、15°、20°、25°)、9个沟长(0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 m)和3个流量(0.12、0.24、0.48 m3/h)，结果表明：输沙能力随坡度的变化较大，但当坡度大于20°时，坡度对输沙能力的影响减弱；输沙能力随流量的变化较小；沟长与细沟输沙能力之间存在明显的函数关系。近年来，除试验模拟建立的经验模型外，一些具有物理基础的细沟侵蚀模型也被提出，如WEPP模型中的细沟侵蚀量Dr。但总体而言，由于细沟产生、发展过程具有随机性，因此目前细沟侵蚀模拟研究仍不成熟，有待进一步地完善和提高[31]。

以上分析表明，人们利用试验模拟的方法在细沟侵蚀的发生机理与侵蚀量计算方面取得了一些成果，但是也存在一些不足，需要进一步深入研究。比如，就研究方法来讲，大多数模拟试验中试验土壤经过风干、过筛处理，试验坡面都是经平整处理的，这与自然条件下细沟侵蚀发生的地表条件相比明显不同。朱显谟等[2,8-9,26]的调查都表明，黄土高原细沟侵蚀多发生在具有一定坡度的农地上，人为耕作、作物生长及其他农事活动会造成地表土壤的空间分布变化，增加地表糙度。研究表明，在侵蚀过程中，地表糙度会通过自身特征与变化影响径流的产生、流向、地表填洼量和土壤入渗量，进而影响径流量与侵蚀量的大小[32-33]，特别是对流向的影响会造成汇流路径变化[34-37]，这必然导致不同地表条件下细沟分布的差异。此外，地表糙度的存在会造成局部水流动力特征的变化，这会影响细沟的形成与演化过程，导致不同地表条件下细沟的形态差异。但是，纵观已有的研究，很少考虑地表糙度对细沟侵蚀的影响，这在一定程度上影响了人们对细沟侵蚀机理的理解及其在研究与生产中的应用。因此，未来需要对地表糙度影响细沟侵蚀的作用展开研究。

3 细沟形态定量化研究

在细沟侵蚀的研究中，关于细沟形态特征的研究主要包括两个方面：一方面是细沟空间分布特征；另一方面是细沟形态的量化表达。从已有的研究成果看，关于细沟空间分布特征的研究较多，但是关于细沟形态量化的研究较少，正处于不断探索与发展阶段。GOMEZ et al.[38]对坡面细沟发育过程进行了模拟研究，结果表明，坡面细沟的形成与发育满足能量优化原理，故可将水文学研究中常用的方法引入坡面细沟分布的研究中，具体步骤是用三维扫描仪或者其他测量工具获取地表高程信息，结合GIS技术建立地表数字高程模型DEM，用水文分析的方法，提取河网分布，进而获得细沟的空间分布特征，比如分叉比、河网密度、汇流频度、流向等，通过这些指标即可掌握细沟空间分布特征。在此基础上，张攀等[39]采用分形理论和信息熵来量化坡面细沟分布特征，结果表明用分形理论可以表达细沟的平面形态，但是对细沟侵蚀量的表达不理想，因为分形维数随着侵蚀过程的变化波动较大，相反，信息熵的变化较稳定，随侵蚀的加剧呈单调增加趋势，这说明信息熵与侵蚀过程的相关性较大。

近些年来，随着GIS技术的发展，一些新的测量技术逐步应用到细沟侵蚀的研究中，比如：HELMING et al.[34]、GOMEZ et al.[38]、ROMKENS et al.[40]、霍云云等[41]、陈俊杰等[42]、沈海鸥等[43]利用三维激光扫描仪对模拟降雨条件下坡面细沟侵蚀的演化过程进行了测量，结果表明，前期坡面上以不连续细沟为主，细沟深度和长度都较小，后期随着降雨时间的延长和降雨场次的增加，细沟沟长增加。但是，由于侵蚀产生的细沟形态较为复杂，利用三维激光扫描仪不能完整地测量细沟形态，因此不能用来量化细沟的形态特征。在自然状态下，由于土壤性质的空间不均匀性，再加上降雨分布、地表糙度等其他因素的影响，土壤抗蚀性也具有空间变异性，导致侵蚀产生细沟的空间分布和形态特征具有多种类型。概括来讲，细沟的空间形态可以分为上宽下窄型、上窄下宽型或上窄中宽下又窄型等类型。通常情况下，这几种侵蚀沟类型是同时存在的。尽管三维激光扫描仪可以精确测量空间物体的形状，空间分辨率可达毫米级，但是也仅限于视域范围内的物体形状，对于受外物遮挡或不在视域范围内的物体形状很难测量，比如上窄下宽型或上窄中宽下又窄型的细沟受沟沿(或沟壁)遮挡影响，利用三维激光扫描仪很难获得细沟的完整形态，降低了测量结果的精度。也正是因为以上原因，目前还没有形成细沟形态量化的专门方法。

目前，有学者利用摄影测量技术来测量坡耕地上的侵蚀沟，取得了较好的效果，这为细沟形态的量化表达提供了新的技术思路。但是，NOUWAKPO et al.[44]研究中所测量的侵蚀沟深度和宽度都较大，不属于细沟的范畴。同时，从报道的情况来看，他们所测量侵蚀沟的类型也属于上宽下窄型，故摄影测量技术是否可以用来测量细沟，并最终对细沟进行量化表达还需要做进一步的评估研究。此外，在大多数研究中，细沟沟长、宽度、沟壑密度和切割深度等作为描述坡面细沟形态特征的参数，其值通常是用均值表达。严格来讲，这里所说的细沟形态并不完整，它实质上是细沟的水平投影，而完整的细沟形态应该是由细沟深度和宽度及其随空间位置变化共同构成的三维空间形态。

4 结 语

在很长一段时间内，人们在野外调查和试验模拟的基础上，将细沟的发生归咎于坡度、降雨、流速，以及土壤抗蚀性与径流剪切力等因素相互作用的结果，并探讨了细沟发生的临界条件，取得了诸多成果。但是，这些研究要么调查范围小，要么试验模拟条件有限，不能全面地反映细沟侵蚀特征。另外，对细沟形态的度量，人们常常用细沟深度与宽度的平均值作为特征参数，用汇流路径来表达细沟的空间形态。严格来讲，汇流路径并不是细沟的形态，它实质上是细沟在坡面的投影，而真实的形态应该是包括深度和宽度及其随空间位置变化的三维空间形态。可见细沟侵蚀的复杂性，以及人们认识和研究方法的局限性，使土壤侵蚀过程中细沟侵蚀这一研究领域仍处在不断的探索与发展阶段。目前研究中还存在几方面的问题：沟蚀过程中形成的细沟空间特征复杂，目前还没有较好的方法对其三维形态进行量化表达；已有的研究较多的是讨论细沟产生的临界条件，而对于沟蚀过程中细沟的演化规律的研究较少；已有的研究表明地表糙度在坡耕地土壤侵蚀中具有重要的作用，但是对地表糙度与细沟侵蚀之间相互作用的研究还未见报道。这些问题研究的缺乏，在一定程度上影响了人们对细沟侵蚀及其在土壤侵蚀中的作用的理解，因此急需开展相关研究工作，为坡面土壤侵蚀与土地管理提供科学基础，也为土壤侵蚀学科发展增补知识。

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(责任编辑 李杨杨)

S157.1

A

1000-0941(2017)09-0047-05

赵龙山(1985—)，男，甘肃古浪县人，副教授，博士，主要从事水土保持与生态环境建设方面的研究工作。

2017-03-15