不同降雨條件下紫色土橫壟坡面地表微地形變化特征

羅 鍵，尹 忠，鄭子成，何淑勤，李廷軒

（1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，成都 610081；3四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，成都 611130）

不同降雨條件下紫色土橫壟坡面地表微地形變化特征

羅 鍵1，尹 忠2，鄭子成1，何淑勤3，李廷軒1

（1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，成都 610081；3四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，成都 611130）

【目的】地表微地形是影響坡面侵蝕過程的重要因素之一。它影響著地表填洼量、滲透速率、地表徑流等過程，同時這些過程也會對微地形變化產(chǎn)生影響。論文探討了不同降雨條件下地表微地形動態(tài)變化特征，為深入理解坡面水蝕機(jī)理，以及坡耕地水土流失的有效防治與耕作措施的合理布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。【方法】以川中丘陵區(qū)橫坡壟作坡面為研究對象，以直線坡面為對照，通過室內(nèi)人工模擬降雨方法，結(jié)合GIS技術(shù)，從地表糙度的角度，分析遞增和遞減降雨條件下，紫色土坡面地表微地形的變化特征。【結(jié)果】不同降雨條件下橫壟坡面高程值變化范圍最高可達(dá)-180—80 mm，主要集中在-20—20 mm，地表高程減小區(qū)域所占比例相對較大。直線坡面高程變化量在-10—10 mm，主要集中-5—5 mm。不同措施在遞增降雨系列下的土壤侵蝕面積均大于遞減降雨系列；不同降雨條件下橫壟坡面地表糙度值介于 57.47—65.32 mm，且不同坡位地表糙度值均呈現(xiàn)出上坡＞下坡＞中坡。直線坡面地表糙度值在5.71—6.28 mm內(nèi)變動，不同坡位受隨機(jī)糙度的影響具有明顯的空間變異性；橫壟坡面不同降雨條件下微坡度柵格數(shù)隨坡度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的變化趨勢，坡度主要集中于 0°—5°和 30°—35°。對于直線坡面，柵格統(tǒng)計數(shù)隨坡度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢，微坡度主要集中在 0°—10°。不同降雨條件下橫壟坡面微坡向柵格數(shù)主要分布在北坡和南坡，且其余坡向分布較為均勻。直線坡面在不同降雨條件下微坡向分布差異較大。【結(jié)論】水蝕過程中，地表高程值變化、地表糙度體現(xiàn)了微地形垂直方向上的變化，地形因子體現(xiàn)了微地形的空間分布，將其結(jié)合起來可較好的反映橫壟坡面微地形變化特征。遞增型降雨雨型與紫色土區(qū)夏季主要侵蝕雨型特點(diǎn)相似，更易造成的土壤侵蝕的發(fā)生，是研究區(qū)坡耕地土壤侵蝕防控的主要雨型。該研究結(jié)果可以為地表微地形量化、揭示坡耕地土壤侵蝕效應(yīng)本質(zhì)提供新思路。

紫色土；微地形；微坡度；微坡向；橫坡壟作

0　引言

【研究意義】地表微地形作為影響地表水文學(xué)和水力學(xué)特性的一個重要特征值［1-3］，伴隨著侵蝕過程的發(fā)生與演變，它會通過自身空間各點(diǎn)位置的變化與高程值的消長影響土壤入滲［4］、地表徑流［5-6］以及地表凹陷處蓄水量［7］等過程。反之，這些過程均會導(dǎo)致地表微地形的變化。故了解地表微地形動態(tài)變化特征對于深入理解坡面水蝕機(jī)理具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】微地形對土壤侵蝕的影響主要是通過其影響坡面徑流產(chǎn)生與徑流的匯流方式，進(jìn)而對坡面徑流與侵蝕產(chǎn)沙產(chǎn)生抑制或促進(jìn)作用，而這些作用的產(chǎn)生與微地形的空間分布特征密切相關(guān)。因此，對微地形的量化一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。鄭子成等［8］利用地表糙度指標(biāo)較好的預(yù)測了裸露地表的產(chǎn)流量，MAGUNDA等［9］通過研究得出隨機(jī)糙度與侵蝕產(chǎn)沙量之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，崔靈周等［10］也通過研究表明多重分形參數(shù)預(yù)測侵蝕產(chǎn)沙是可行的。可見，尋找適宜的微地形量化指標(biāo)對于土壤侵蝕的研究至關(guān)重要，這也是區(qū)域土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報模型構(gòu)建亟待解決的關(guān)鍵問題之一［1］。目前微地形常用的度量指標(biāo)中，諸如地表糙度［5， 11］、分形維數(shù)等［12］單一指標(biāo)，僅能反映地表糙度的數(shù)量大小，而難以反映微地形的空間結(jié)構(gòu)變化。隨著人們對于微地形認(rèn)識的不斷深入，LD×LS［13］、Markov-Gaussian［14］等模型相繼提出，但以上這些模型反映了空間高程或水平尺度的變化，缺乏將二者綜合起來進(jìn)行考慮，使得這些模型不能很好的反映實(shí)際情況。近年來，隨著GIS技術(shù)在土壤侵蝕領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［15-16］，地形因子的提取為微地形空間結(jié)構(gòu)分析提供了新思路。【本研究切入點(diǎn)】近年來，地表微地形雖被視為土壤侵蝕的重要影響因子，但它的土壤侵蝕效應(yīng)一直存在相悖的觀點(diǎn)［17-20］，究其原因是地表微地形變化具有高動態(tài)性和復(fù)雜性，而對其的定量化表征存在不少局限性，缺乏數(shù)量特征和空間特征的結(jié)合，影響了人們對地表微地形的深入理解。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文運(yùn)用人工模擬降雨的方法，從地表糙度角度，結(jié)合GIS技術(shù)，探討不同降雨條件下紫色土橫壟坡面地表微地形變化特征，以期揭示地表微地形對土壤侵蝕的作用，服務(wù)于坡耕地水土流失的有效防治與耕作措施的合理布設(shè)。

1　材料與方法

試驗于2015年10—12月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤侵蝕實(shí)驗室內(nèi)完成。

1.1 試驗區(qū)狀況

研究區(qū)位于長江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘流域，隸屬于資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)，地貌屬典型的川中丘陵區(qū)，年均降雨量約為965.8 mm。該區(qū)土壤為侏羅紀(jì)遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥，pH 7.5，有機(jī)質(zhì)含量為7.3 g·kg-1，土壤黏粒、粉粒和砂粒含量分別為22%、29%和49%，土壤質(zhì)地為黏壤土。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 土樣采集與填充 試驗選用四川省雁江區(qū)坡耕地耕層土壤。土樣混勻、風(fēng)干后過10 mm篩。為了使填土均一且接近自然坡面，按容重還原法每10 cm分層填充在鋼制侵蝕槽內(nèi)，規(guī)格為2.0 m×1.0 m×0.4 m，平均容重保持在1.2 g·cm-3左右，并在土槽底部鋪設(shè)10 cm厚度的粗砂作為排水濾層。在實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣，在侵蝕槽內(nèi)布設(shè)橫坡壟作（RT），按水平方向開溝起壟，壟高15 cm，壟距90 cm，壟寬40 cm，以直線坡面（CK）作為對照。

1.2.2 降雨試驗 采用人工模擬降雨試驗，根據(jù)研究區(qū)多年水文資料記錄的降雨頻率及特點(diǎn)，設(shè)定雨強(qiáng)為1.0，1.5，2.0 mm·min-1，降雨歷時分別為60，40，30 min。為客觀地反映自然降雨，分為雨強(qiáng)遞增（1.0，1.5，2.0 mm·min-1）和遞減（2.0，1.5，1.0 mm·min-1）2個降雨系列。人工降雨裝置采用中國科學(xué)院水土保持研究所生產(chǎn)的SR型移動式人工模擬降雨器，裝置噴頭系統(tǒng)為美國V-80100，降雨高度6 m，均勻系數(shù)在85%以上。

地表微地形的測定：每場降雨間隔24 h，期間用塑料薄膜覆蓋地表以控制蒸發(fā)對試驗的影響。在每個系列第1場雨前采用0.5 mm·min-1進(jìn)行預(yù)降雨15 min，以保證試驗土壤含水量一致。依據(jù)研究區(qū)紫色土區(qū)坡耕地分布特點(diǎn)，設(shè)計地表坡度為15°。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 微地形 DEM的建立 采用測針法與攝影法相結(jié)合的方法測定地表微地形起伏［21］，測針間距為 2 cm，沿坡面每2 cm測定一次，分別在每場降雨前后測定地表糙度。測定時將土槽坡度調(diào)節(jié)為0°，然后將測針垂直輕放于地表，將相機(jī)焦點(diǎn)調(diào)節(jié)至讀數(shù)板中央位置，以防止圖像變形，每個小區(qū)共獲得97張照片，然后運(yùn)用 C#語言自行編制的程序提取相片上的測點(diǎn)坐標(biāo)。用提取的共4 753個測點(diǎn)坐標(biāo)在ArcGIS中運(yùn)用3D Analyst生成原始的DEM，分辨率為2 cm×2 cm。

1.3.2 地表糙度計算 地表糙度是較為常用的量化地表微地形起伏程度的指標(biāo)［5］，其計算公式為：

式中，S.D.為地表糙度值（mm）；Z（xi）為位置在xi點(diǎn)的高程值（mm）；ˉZ為研究區(qū)內(nèi)測得的高程值的均值（mm）；N為研究區(qū)內(nèi)測得的高程點(diǎn)數(shù)目。1.3.3 地形因子提取與分析 在DEM的基礎(chǔ)上，利用向量的差分原理提取微坡度和微坡向［15］。其中，微坡度依次劃分為0°—5°、5°—10°、10°—15°、15°—20°、20°—25°、25°—30°、30°—35°、35°—40°、＞40° 9個等級，并統(tǒng)計各等級的柵格數(shù)占總柵格數(shù)百分比。微坡向以正北方向為 0°，按順時針方向（0°—360°），依次為北、東北、東、東南、南、西南、西和西北坡，并統(tǒng)計各微坡向柵格數(shù)占總數(shù)的百分比。計算公式如下：

微坡度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，S、A分別為地表上某點(diǎn)的微坡度、微坡向；fx為X方向高程變化率，fy為Y方向高程變化率，其計算公式如下，此處（X， Y）∈｛ （X，Y） | X=N， Y=N，NE，…，WN｝。

式中，h為柵格間距（cm）；Zi， j為某點(diǎn)高程（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS 10.0 進(jìn)行DEM的建立；采用Data Processing System 11.0 進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；多重比較選擇最小顯著差數(shù)法（Least Significant Difference，LSD）；圖表制作采用Surfer 12.0 和Excel 2013。

2　結(jié)果

2.1 地表高程變化量空間分布特征

從圖1可以看出，在遞減降雨條件下，第1場降雨后（2.0 mm·min-1），橫壟坡面下壟右側(cè)表土坍塌沉積形成面積較大的洼地；而直線坡面已形成了明顯的細(xì)溝。第2場降雨過程中（1.5 mm·min-1），隨著累積降雨量的增加，當(dāng)匯集的雨水超過壟溝蓄水容量時，雨水會從壟頂較低處發(fā)生漫流，壟溝內(nèi)水位較高，具有較強(qiáng)的侵蝕力，最終導(dǎo)致細(xì)溝的形成。第3場降雨后（1.0 mm·min-1），橫壟坡面地表微地形未發(fā)生明顯的變化。而直線坡面，在第2和第3場降雨作用下，地表微地形變化均較為穩(wěn)定。

圖1　不同雨型下地表微地形的變化Fig. 1 Change of soil surface microrelief under different rainfall patterns

在遞增降雨條件下，第1場雨后（1.0 mm·min-1），橫壟坡面下部壟右側(cè)壟頂形成零星的洼地；而直線坡面在坡中和坡下部形成了零星洼地。第2場降雨后（1.5 mm·min-1），橫壟坡面形成的洼地逐漸被徑流沖刷貫通，形成1條明顯的細(xì)溝；而直線坡面在坡面中下部形成3條明顯的細(xì)溝。第3場降雨后（2.0 mm·min-1），橫壟坡面形成的細(xì)溝不斷加深變寬，且細(xì)溝的源頭延伸至溝內(nèi)，橫向發(fā)育較為明顯；而直線坡面形成的細(xì)溝僅呈現(xiàn)出加深變寬的變化趨勢。

為了進(jìn)一步明確地表微地形的變化特征，將雨前、雨后柵格圖層進(jìn)行疊加，得到地表高程變化量分布比例。

由表1可知，對于橫壟坡面，不同降雨條件下地表高程變化范圍隨累積降雨量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。在整個降雨過程中，地表高程變化量均以-20—0 mm所占面積最大，分布比例高；其次為 0—20 mm所占比例，兩者占到試驗小區(qū)面積的69.28%—97.46%。且隨降雨場數(shù)的增加，遞增降雨系列下，地表高程減小區(qū)域所占比例總和分別為64.39%、54.65%和60.74%；遞減降雨系列下，地表高程減小區(qū)域所占比例總和分別為 59.08%、49.71%和65.08%。可見，不同降雨條件下，地表高程減小區(qū)域所占比例相對較大，具體表現(xiàn)為地表發(fā)生土壤侵蝕的面積隨累積降雨量增加呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢，遞增降雨系列下的土壤侵蝕面積大于遞減降雨系列。

表1　不同降雨條件下橫壟坡面地表高程變化量分布比例Table 1 Distribution proportion of elevation variation on the sloping of ridge tillage under different rainfall patterns （%）

而對于直線坡面，地表高程變化量在整個降雨過程僅在-10—10 mm這個范圍內(nèi)變動（表2）。除了遞增降雨系列第1場降雨地表高程變化量分配比例較均勻之外，其余降雨過程地表高程變化量主要集中在-5 —5 mm。遞增降雨系列下，地表高程減小區(qū)域所占比例總和分別為48.56%、45.28%和63.14%；遞減降雨系列下，地表高程減小區(qū)域所占比例總和分別為38.59%、36.59%和35.12%。遞增降雨系列下地表發(fā)生土壤侵蝕面積隨降雨時間的推移逐漸增大，遞減降雨系列則呈相反的變化趨勢，前者土壤侵蝕面積大于后者。

2.2 地表糙度變化特征

由圖2可以看出，遞增降雨條件下，橫壟坡面地表糙度隨累積降雨量的增加呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后逐漸上升的變化趨勢，糙度值介于 58.58—65.32 mm，而在遞減降雨條件下，糙度值隨累積降雨量的增加呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢，糙度值介于 57.47—64.22 mm。不同坡位地表糙度在不同降雨條件下呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即上坡＞下坡＞中坡。

表2　不同降雨條件下直線坡面地表高程變化量分布比例Table 2 Distribution proportion of elevation variation on the linear slope under different rainfall patterns （%）

圖2　不同雨型下橫壟坡面全坡面（A）和不同坡位（B）地表粗糙度的變化特征Fig. 2 Change characteristics of soil surface roughness of the sloping of ridge tillage in entire slope （A） and different positions （B）under different rainfall patterns

由圖3可知，遞增降雨條件下，直線坡面地表糙度隨累積降雨量的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，糙度值介于 5.71—6.21 mm，而在遞減降雨條件下，糙度值隨累積降雨量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，糙度值在5.98—6.28 mm內(nèi)變動。

不同坡位地表糙度具有明顯的空間變異性。兩種降雨類型下，上坡地表糙度均隨降雨量的增加波動下降。下坡和中坡變化趨勢截然不同，遞增降雨系列下，中坡和下坡地表糙度呈逐漸增大的變化趨勢，且后者增長幅度明顯高于前者；遞減降雨系列下，中下坡地表糙度在降雨中后期無明顯變化。

2.3 地形因子提取與分析

2.3.1 微坡度變化特征 由圖4可知，不同降雨條件下，橫壟坡面微坡度柵格統(tǒng)計數(shù)隨坡度的增加呈現(xiàn)出先降低后上升再下降的變化趨勢，且主要集中在0°—5°和30°—35°這兩個區(qū)間內(nèi)。在遞增降雨條件下，它們分別占試驗小區(qū)柵格總數(shù)的 28.56%和18.21%，而在遞減降雨條件下則分別為 27.81%和 19.57%。且從圖中可以看出，不同降雨條件下微坡度分布狀況基本與雨前保持一致，不會隨著累積降雨量的增加表現(xiàn)出明顯的變異。而對于直線坡面，不同降雨條件下微坡度柵格統(tǒng)計數(shù)隨坡度的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢，且主要集中在0°—5°和5°—10°這兩個區(qū)間內(nèi)。

圖3　不同雨型下直線坡面全坡面（A）和不同坡位（B）地表粗糙度的變化特征Fig. 3 Change characteristics of soil surface roughness of the linear slope in entire slope （A） and different positions （B） under different rainfall patterns

圖4　遞減（A）和遞增（B）降雨系列下微坡度分級分布Fig. 4 Distribution of microslope classification under decreased rainfall series （A） and increased rainfall series （B）

2.3.2 微坡向變化特征 由圖5可知，不同降雨條件下，橫壟坡面微坡向主要分布在北坡和南坡。在遞增降雨條件下，它們分別占試驗小區(qū)柵格總數(shù)的33.52% 和 35.52%，而在遞減降雨條件下則分別為 39.02%和 31.23%，且其余坡向分布較為均勻，各降雨階段微坡向分布基本與雨前保持一致。

對于直線坡面，不同降雨條件下微坡向分布差異較大。在遞增降雨條件下，微坡向分布基本與雨前一致，而在遞減降雨條件下，雨前微坡向主要分布在南坡和西南坡，隨著累積降雨量的增加，微坡向逐漸向北坡和西北坡集中。

圖5　遞減（A）和遞增（B）降雨系列下微坡向分級分布Fig. 5 Distribution of microaspect classification under decreased rainfall series （A） and increased rainfall series （B）

3　討論

本文分別以地表高程值變化、地表糙度和地形因子表征了地表微地形的特征。前二者體現(xiàn)了微地形垂直方向上的變化［1］，后者體現(xiàn)了微地形的空間分布。在降雨過程中，坡面土壤的分離、搬運(yùn)和沉積作用是同時存在的，但在不同條件下作用各異。本研究中，直線坡面上方侵蝕產(chǎn)生的泥沙在中下部發(fā)生沉積，導(dǎo)致地表高程增大區(qū)域所占比例相對較大且地表高程變化范圍較小。相對于直線坡面而言，壟作坡面由于壟的存在，地表微地形的變化及泥沙遷移特征表現(xiàn)出不同的變化。壟作坡面，地表凸出部位易受徑流沖刷，地表局部高程值不斷降低，侵蝕泥沙遷移至低洼處發(fā)生沉積導(dǎo)致高程值不斷增加。雖然地表侵蝕面積相對較大，但高程變化范圍相對較小，且由于壟溝的存在，徑流攜帶的泥沙大量在此處匯集。當(dāng)斷壟發(fā)生后，局部微地形的驟變導(dǎo)致高程值迅速降低，壟作為侵蝕的“源”，大量泥沙遷移出試驗小區(qū)，且隨著降雨的延續(xù)，壟溝內(nèi)溯源侵蝕的發(fā)生導(dǎo)致地表高程衰退面積進(jìn)一步擴(kuò)大。在降雨后期，由于坡面細(xì)溝的出現(xiàn)，坡面泥沙呈回填的趨勢，故高程值變化范圍有所減小。可見，橫壟坡面在降雨初期具有較好的蓄水保土的作用，但隨著降雨的延續(xù)，這種作用逐漸減弱，甚至加劇土壤侵蝕的發(fā)生。

地表糙度是描述地表土壤分布與起伏狀況的一個物理量，它的大小具有空間依賴性［22］。在本研究中，直線坡面在整個降雨過程中全坡面地表糙度及變幅相對較小，且不同坡位地表糙度具有明顯的空間變異性，可能是由于整平坡面上地表糙度主要由土壤顆粒構(gòu)成的隨機(jī)糙度，土壤顆粒空間分布的隨機(jī)性較大造成的［23］。與直線坡面相比，橫坡壟作是垂直于坡面方向上實(shí)施的耕作措施，改變了地表的空間分布格局，直觀表現(xiàn)為坡面高程分布離散程度較大，相應(yīng)的地表糙度值也較大。橫壟全坡面地表糙度在不同降雨條件下隨累積降雨量的增加變化趨勢不盡相同，這主要是由于降雨侵蝕的類型差異所導(dǎo)致［24］。在遞增降雨條件下，由于起始雨強(qiáng)較小，雨滴動能較低，產(chǎn)流時間相對滯后，且主要為薄層水流，對泥沙的剝離和搬運(yùn)能力較小，僅地表疏松部位被侵蝕，微地形不會發(fā)生明顯的改變。隨著降雨強(qiáng)度的增大，雨滴和徑流對微地形的擾動不斷加劇，故地表糙度呈現(xiàn)增加的變化趨勢。而在遞減降雨條件下，前期雨滴動能及徑流沖刷作用均較大，坡面侵蝕作用不斷加強(qiáng)，故導(dǎo)致地表微地形的變化較為明顯，地表糙度增大。微地形出現(xiàn)驟變的同時，降雨引起的土壤壓實(shí)和密閉作用也相對較強(qiáng)，使得中雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)條件下降雨對地表的影響有所減弱，侵蝕產(chǎn)生的土粒在試驗小區(qū)內(nèi)不斷沉積，故地表糙度又有所減小。而不同坡位地表糙度在不同降雨條件下呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即上坡＞下坡＞中坡，這主要是由于地表糙度變化與其空間位置密切相關(guān)，因為不同坡位，地表糙度的形態(tài)具有一定差異［25］，地表糙度對降雨和徑流侵蝕作用的響應(yīng)不同［11］，從而導(dǎo)致不同的變化規(guī)律。坡面上部地表微地形受雨滴影響較大，雨滴擊打地表形成的魚鱗坑使得地表糙度較大，而中下部受徑流的影響較為明顯，坡面上方的泥沙隨徑流的搬運(yùn)在坡面中下部發(fā)生沉積，以削高填低為主導(dǎo)變化趨勢，故糙度值較低，而坡中又是溝壟內(nèi)泥沙沉積的集中區(qū)域，微地形在降雨過程中并不會發(fā)生明顯的變異，故其糙度值是最低的。

微地形因子是為定量表達(dá)地貌微形態(tài)特征而設(shè)定的具有一定意義的數(shù)學(xué)參數(shù)或指標(biāo)，反映了該地貌地表單元的形態(tài)、起伏或者扭曲特征。直線坡面受隨機(jī)糙度的影響，不同降雨條件下微坡度較小且微坡向變化較為復(fù)雜。相較于直線坡面，具有耕作措施的坡面地形具有明顯的起伏，從而使承雨面不均勻［26］，具有多變的微坡度和微坡向，在水蝕過程中雨滴擊濺和徑流沖刷的土粒隨微坡向和微坡度移動，縮短了土粒在坡面上的躍遷距離。有研究表明微坡度越大，地表填洼量就越大［27］，地表填洼量的增加對抑制水土流失作用也呈增加的趨勢。本研究中，不同降雨條件下，橫壟坡面微坡度主要集中在0°—5°和30°—35°這兩個區(qū)間內(nèi)，隨著累積降雨量的增加，微坡度分布逐漸向10° —30°轉(zhuǎn)移，填洼量趨于減小，蓄水保土能力逐漸降低，這與前面分析的結(jié)果是一致的，這是由于橫壟在阻止徑流向坡面下方流動時，因壟向微坡度的存在，雨水在壟溝內(nèi)匯集，當(dāng)匯集的雨水超過壟溝蓄水能力時，雨水在坡頂發(fā)生躍壟現(xiàn)象，進(jìn)而形成跌坎，最終導(dǎo)致破壟的發(fā)生。不同降雨條件下，橫壟坡面微坡向主要分布在北坡和南坡，且其余坡向分布較為均勻，這主要是由于耕作措施是影響地表微地形空間異質(zhì)性的決定性因子［28］，在降雨侵蝕過程中，橫壟坡面表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間自相關(guān)性［29］，使得微坡向?qū)涤甑姆从巢幻舾小?/p>

4　結(jié)論

4.1 不同雨型對微地形的影響差異較大，遞增型降雨更易造成的土壤侵蝕的發(fā)生。遞增型降雨雨型與四川紫色土區(qū)夏季主要侵蝕雨型特點(diǎn)相似，是研究區(qū)坡耕地土壤侵蝕防控的主要雨型。

4.2 水蝕過程中，地表高程值變化、地表糙度僅能體現(xiàn)微地形垂直方向的變化，而地形因子更能體現(xiàn)微地形的空間分布，將以上三者結(jié)合起來能夠較好的反映橫壟坡面的微地形變化特征。

4.3 在降雨初期，由于橫坡壟作自身壟溝相間的幾何特征，自相關(guān)性引起的空間異質(zhì)性較強(qiáng)，水土保持效果較好，但隨著降雨的延續(xù)，破壟導(dǎo)致的微地形驟變可能加劇土壤侵蝕的發(fā)生。在防治坡耕地水土流失措施布局上，應(yīng)綜合考慮橫坡壟作的水土保持效應(yīng)。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Variation Characteristics of Microtopography of Ridge Tillage of Purple Soil Under Different Rainfall Patterns

LUO Jian1， YIN Zhong2， ZHENG Zi-cheng1， HE Shu-qin3， LI Ting-xuan1
（1College of Resources， Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130；2Sichuan Forestry Inventory and Planning Institute，Chengdu 610081；3College of Forestry， Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130）

【Objective】Soil surface microtopography is one of the important factors that affects processes such as surface depression storage， penetration rate and surface runoff. Conversely， some of these processes also alter microtopography due to erosion and deposition. The objective of this paper was to investigate the dynamic variation characteristics of microtopography under different rainfall patterns， which to further understand water erosion mechanism on sloping farmland， and to provide a scientific basis for optimizing the configuration of tillage measures and the prediction of soil erosion.【Method】This paper took sloping of ridge tillage in Hilly Area of Central Sichuan basin as the research object and the linear slope was used as control. From the perspective of soil roughness， methods involving artificial rainfall and GIS were adopted to analyze the variation characteristics of microtopographyof purple soil.【Result】The range of relative elevation was from -180 mm to 80 mm on the sloping of ridge tillage under different rainfall patterns， which mainly focused on -20 mm-20 mm， the proportion of soil surface elevation reduction was relatively higher. However， the range of relative elevation was from -10 mm to 10 mm on the linear slope， which mainly focused on -5 mm-5 mm. The soil erosion area of increased rainfall series was higher than that of decreased rainfall series for different tillage measures. The value of soil roughness was from 57.47 mm to 65.32 mm on the sloping of ridge tillage under different rainfall patterns， and the value of soil roughness showed that upslope＞downslope＞midslope under different slope positions. The value of soil roughness was from 5.71 mm to 6.28 mm on the linear slope under different rainfall patterns， but soil roughness of different slope positions had obvious variability affected by the random roughness. Grid number of micro-slope of the sloping of ridge tillage showed a decreasing-increasing-decreasing with the increase of slope under different rainfall patterns， and the slopes were mainly concentrated at 0°-5°and 30°-35°. Grid number of micro-slope of the linear slope decreased gradually with the increase of slope， and the slope was mainly concentrated at 0°-10°. Grid number of micro-aspect of the sloping of ridge tillage mainly focused on the northern slope and the southern slope， and distributions of the other micro-aspect were relatively even， but there was an obvious difference in the linear slope under different rainfall patterns. 【Conclusion】The variation of elevation values and soil roughness reflected the vertical variability of microtopography， while the terrain factors could reflect the spatial distribution of microtopography in the process of water erosion. The combination of them reflected variation characteristics of microtopography of the sloping of ridge tillage well. The increased rainfall pattern was similar to the major erosion rainfall pattern in purple soil region in summer which resulted in relatively severe soil erosion on sloping farmland， and it was the main rainfall pattern of soil erosion prevention and control in the study area. This study could provide a new ideas for quantification of microtopography and reveal the essence of soil erosion on sloping farmland.

purple soil； microtopography； microslope； microaspect； ridge tillage

2016-03-03；接受日期：2016-06-16

國家自然科學(xué)基金（41271307，40901138）、四川省教育廳項目（15ZB0009）、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)科建設(shè)雙支計劃團(tuán)隊項目（2015）

聯(lián)系方式：羅鍵，E-mail：luojian_sicau@163.com。通信作者鄭子成，E-mail：zichengzheng@aliyun.com