全坡面水土流失时空分异规律及观测技术研究进展.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:水利部水利重大关键技术研究项目(/)作者简介:许文盛()男安徽金寨人正高级工程师博士主要从事水土保持科学与技术研究:.:./.():全坡面水土流失时空分异规律及观测技术研究进展许文盛谷金钰孙宝洋张志华张文杰李 力(.长江科学院 水土保持研究所武汉.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心武汉.水利部科技推广中心北京)摘 要:全坡面是介于传统坡面和流域尺度之间进行水土流失多尺度观测与转换的基本单元 在分析水土流失基本单元的基础上界定了全坡面的范围确定全坡面是位于分水岭之间从坡顶到坡脚表现为单一坡面的独立集水单元 坡长、坡度、坡位和土地利用分布格局等空间异质性是区别于传统研究坡面影响全坡面水土流失空间分异规律的关键因素 径流、泥沙、碳、氮、磷等水土流失通量物质是全坡面侵蚀规律研究的关键要素 全坡面关键要素迁移转化是一个复杂的物理化学过程而目前的观测技术难以对各要素进行高效的识别、提取与定量分析亟需建立全坡面观测技术体系 通过对全坡面水土流失时空分异规律及观测技术的研究可为构建水土流失多尺度嵌套观测体系模拟预测不同尺度下侵蚀产流产沙过程提供重要参考和依据关键词:水土流失水土关键要素时空变化观测技术全坡面中图分类号:.文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():(.):.:第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .研究背景全坡面是介于传统坡面和流域尺度之间研究水土流失时空分异规律的基本单元 全坡面水土流失过程受气候、微地形、土壤、植被、水力、水文等因素的影响但对于某确定坡面其水土流失过程尤其受坡长、坡度、坡位和地块单元空间异质性的影响这也是全坡面与传统研究坡面最大的区别 坡长产生的泥沙输移和沉积的尺度效应导致侵蚀地貌形态演变和侵蚀链的形成是影响全坡面土壤侵蚀过程最主要的因素 地块单元分布格局是土地利用的一种表现形式受坡长、坡度、坡位等因素影响径流汇集过程和泥沙运移路径的连通性被改变对水土流失过程影响显著 郑粉莉等基于子午岭大型坡面径流场研究完整坡面的土壤侵蚀过程发现所测定的林地与非林地泥沙量比值可用于小流域 坡面不同地块单元组合下径流产、汇过程泥沙搬运及沉积等是揭示全坡面水土流失差异的重要因素但目前对全坡面尺度的水土关键要素时空分异规律特别是观测方法还鲜有研究水土流失观测是获取原位数据的重要手段是开展水土流失及其影响因子研究的基础也是理论和模型发展的重要组成 我国水土流失观测主要分为微观和宏观两个方面前者重点以样地、观测小区、坡面为主后者则是基于地表覆盖信息的遥感监测和小流域卡口站观测 发展至今土壤侵蚀观测不断向着高时效性、自动化及系统化趋势发展精度也从定性到定量再到精确定量 目前水土流失观测方法主要有测钎法、径流小区法、模拟降雨试验法、水文资料法、沉积法、示踪法、近地面摄影测量等但这些方法均具有 局 限 性 无 法 实 现 多 过 程 或 多 场 景 的 观测 在土地利用高度破碎及复杂的地区水土要素迁移转化过程复杂多变导致现有技术的观测结果难以有效指导实践 全坡面作为径流小区和小流域尺度转换的纽带其观测结果不仅可以有效解决径流小区至小流域水土流失过程不连续的问题而且为解决水土流失尺度转换问题提供有效途径为此本文对全坡面水土流失时空分异规律及观测技术的相关研究进行了总结提出未来全坡面研究的发展趋势和研究重点以促进多尺度水土流失规律及防治技术研究的创新与深化 水土流失单元类型划分.水土流失单元水土流失单元界定是准确观测水土流失规律的前提观测对象不同水土流失单元也有所差异在考虑空间尺度效应的土壤侵蚀定量评价中根据我国水土流失及环境特点水土流失单元一般可划分为坡面小区、大型坡面、小流域、区域共 个层级目前针对坡面尺度的径流小区和大型坡面水土流失单元的研究已相对成熟在坡面尺度的雨滴溅蚀、面蚀、细沟侵蚀、浅沟或切沟等方面取得了大量研究成果 以小流域为单元的水土流失过程并非是对坡面尺度溅蚀、面蚀、沟蚀的简单叠加其水土流失过程受流域内地形、植被、气候、土壤、土地利用和人类活动等相关环境要素的影响显著而这些要素具有强烈的空间异质性外加沟道侵蚀导致小流域尺度土壤的剥蚀、搬运和沉积并非是一个完全连续的过程难以用基于坡面的侵蚀机制来表达流域侵蚀过程 对于区域水土流失单元而言情况则更为复杂地形条件、植被类型及土地利用等空间变化的随机性决定了区域水土流失单元是一种典型非线性的分布式参数系统全坡面介于地块单元尺度和小流域尺度之间是坡面径流小区向流域过渡的基本单元但目前对其监测技术体系的研究相较于其他尺度成果较少外加在小流域尺度上仍缺少连续有效观测进而限制了从坡面到流域针对径流侵蚀输沙过程的空间尺度效应研究.全坡面界定坡面起点和终点的厘定是界定全坡面的前提也是地貌学、水文学和土壤侵蚀研究领域中极富挑战性的工作 坡面的起点一般厘定为在流域的分水岭而对坡面的终点在不同的研究领域或数值模型中则有不同的定义 在通用土壤流失方程()及其改进模型中坡面终点定义为明显沉积区或者河网 这种定义是因为 模型只考虑侵蚀过程无法估算沉积量 而水蚀预报模型()和牧草区水蚀模型()等一系列基于物理过程的模型在模型构建中考虑了泥沙沉积过程因此坡面的终点定义为河网、等和 等通过建立 ()图将流域内所发生的水文、侵蚀过程 长江科学院院报 年 划分为坡面过程、坡面沟网过渡过程及沟网过程相关野外调研数据表明 图中所确定的坡面终点很可能是流域内的河谷()而非河网()等把流域内沟网作为坡面的终点将流域概化为河岸左、右、上 个全坡面 这种概化方式在 和 模型中得到应用 在我国黄土高原地区存在一种特殊的“坡沟”地貌单元全坡面是否包括沟道坡面仍然存在一定的争议对于坡面的起点其厘定方式与终点差异明显在数字高程模型()处理过程中分水岭一般定义为不同流域的相邻边界 换言之提取分水岭首先要将流域离散成子流域继而确定相邻边界 但受限于 分辨率、水流路径算法、沟网准确度等流域离散结果存在一定的差异 此外沟网具有不同的等级因此据此离散的流域、获取的相邻流域边界也会具有不同的等级进而导致坡面起点厘定也存在较大的不确定性、等和 等提出了基于地形阈值的沟网提取方法 而沟网提取的方法也较多传统方式是预设一个汇水面积阈值当栅格内汇水量大于阈值时这一栅格被划定为沟道栅格总体来看全坡面定义为分水岭至河网是较为被学界接受、使用的一种方式 因此基于以上研究可将全坡面定义为位于分水岭之间从坡顶到坡脚表现为单一坡面的独立集水单元可作为水土流失多尺度观测与转换的基本单元 全坡面水土流失分异规律.水土关键要素与影响因素本文中水土关键要素主要包括径流、泥沙土壤中碳、氮、磷等养分 径流驱动下土壤颗粒发生分离、搬运和沉积进而土壤侵蚀过程发生壤中流的发育也促进了该过程此外土壤侵蚀发生时坡面碳、氮、磷等养分也随地表径流一同流失并随土壤水入渗向深层淋溶 土壤侵蚀使土壤中有机碳、氮的含量、组分产生变化进而影响生源要素(碳、氮、磷、硫)的循环与变化 现有研究主要针对地块单元、径流小区及小流域尺度的径流、泥沙、碳、氮、磷等水土流失通量物质的迁移转化针对地块单元间泥沙沉积过程及要素传递关系的研究明显不足 在土壤分离、泥沙输移和沉积过程中主控因素差异显著导致水土关键要素的耦合程度具有极明显的异质性和不确定性 基于全坡面尺度定量解析不同坡度、坡长、坡位、地块单元等空间分布格局下径流、泥沙、碳、氮、磷等关键要素的连通性是土壤侵蚀研究中传统坡面与流域尺度转换的关键土壤侵蚀影响因素的空间异质性和时间变化限制了从一个空间尺度到另一个空间尺度的信息转换 全坡面作为坡面和流域尺度转换的桥梁水土关键要素的迁移转化具有明显的时空变异特征 在次降水过程中降水、地形、植被和土地利用等动力和下垫面因素通过影响降水截留、土壤入渗、土壤水分运动与再分布等来影响水土流失过程在月、年等中长期时间尺度上温度、降水分布、植被生长特性、土地利用和气候变化等通过改变侵蚀环境效应来影响水土流失过程 空间上样点或地块尺度是分析全坡面水土流失时空分布差异的基础着重考虑微地形、土壤性质、植被等对水土关键要素的影响从坡面到全坡面、再到沟道和小流域径流和泥沙沿着长坡面向细沟、浅沟、切沟从上坡向下坡、从坡面向沟坡及沟道水力侵蚀的影响逐渐降低沟蚀和重力侵蚀的影响逐渐增强进而水土关键要素迁移转化的影响因素与驱动机制不断变化.全坡面产流产沙规律全坡面由于坡面宽阔径流易于集中降雨产流后坡面径流形态除少部分为薄层片流外大多为股流侵蚀形态一般既有片蚀和细沟侵蚀也在部分地区有浅沟和切沟侵蚀以及沟头崩塌等重力侵蚀其测定的水土流失量代表了自然坡面实际流失量 然而受坡长、坡度、坡位和地块单元分布格局等因素的影响全坡面产流产沙过程具有明显的空间分异特征.坡长的影响区别于径流小区或样地坡长导致的尺度效应是影响全坡面水土流失过程最主要的因素 坡长主要通过影响坡面集雨量、土壤入渗、坡面径流、泥沙输移沉积和坡面细沟分布等来影响坡面水力侵蚀过程 等采用坡长为.的试验小区发现产沙量随坡长的增加先增加后剧烈减少坡长为 时产沙量达最大 有研究发现土壤侵蚀强度随坡长()的增加呈先增大后基本稳定的趋势坡长在 左右侵蚀产沙强度最大 雷廷武等通过变坡长试验发现在一定坡度和流量下泥沙含量随沟长的增加而增大但增加的幅度逐渐减小并趋于稳定 郑粉莉等发现坡耕地侵蚀量随坡长的增加而波动交替但整体无明显规律 第 期许文盛 等 全坡面水土流失时空分异规律及观测技术研究进展全坡面侵蚀强度随坡长增加的变化趋势取决于尺度效应即侵蚀产沙和输沙能力的动态平衡关系但全坡面长度和汇流面积远大于以上模拟试验 郑粉莉等利用大型坡面径流场研究发现全坡面侵蚀产沙量是标准小区的.倍全坡面浅沟侵蚀模数占总侵蚀模数的.而标准小区无浅沟侵蚀发生 张乐涛等通过筛选对比岔巴沟不同坡长坡面的水文观测资料发现输沙模数、平均及最大含沙量均在全坡面尺度达到最大值而变异系数则达到最小值总之坡长增加坡面汇流量不断增大导致侵蚀加剧从而坡面径流含沙量不断增加但消耗于泥沙搬运的水流能量也在增加导致侵蚀减弱另一方面坡长增加坡面径流深增大造成的侵蚀量也相应增加上述二者作用相互消长造成侵蚀从坡上向坡下不断变化.地块单元空间异质性的影响土地利用的空间异质性是全坡面与径流小区的最大区别 坡面地块单元分布格局是土地利用的一种表现形式当前将景观格局分析与水土流失时空分异特征分析相结合已成为综合自然地理学的研究热点之一 全坡面复杂的土地利用景观斑块数、斑块形状、多样性、均匀度及破碎度等格局影响地表径流的汇集和携沙能力改变了径流和泥沙运移路径的连通性对水土流失产生显著影响 植被格局在不同尺度上都发挥重要作用植被与裸地镶嵌结构组成水土流失的“源汇”格局调控着坡面上物质的空间分配 丁琳等探讨了不同坡度和植被分布格局下的坡面水土流失过程发现带状顺坡、点状均匀、块状镶嵌和带状横坡的草被坡面平均侵蚀量分别较裸地减小.、.、.和.带状横坡的阻蚀减沙作用最优且连通性指数与坡度结合可较好模拟评价不同草被格局坡面的侵蚀产沙全坡面不同坡度及自坡底至坡顶不同坡位浅沟形态特征与侵蚀量特征具有明显分异规律坡度对浅沟发育宽度、深度、密度及复杂度有较大影响浅沟发育以坡中较为剧烈 土壤可蚀性是影响土壤侵蚀的核心要素但受土壤理化性质空间异质性的影响同一坡面不同坡位或土地利用的土壤可蚀性差异明显 土壤机械组成是决定土壤可蚀性的重要因素不同土地利用类型土壤黏粒含量从大到小为荒草地林地农耕地同一土地利用类型不同坡面位置土壤黏粒含量从小到大依次为上坡、中坡、下坡综上全坡面上径流泥沙输移本质上是径流侵蚀能力和搬运能力平衡的具体表征因此从能量耗散的角度去分析侵蚀与输沙过程是揭示全坡面土壤侵蚀影响机制的有效途径.土壤养分迁移转化规律降雨过程中土壤中的养分在浓度梯度作用下通过溶解、对流、扩散等形式进入径流并随之运移同时由于坡面侵蚀的存在地表径流冲刷坡面携带大量泥沙吸附在土壤颗粒上的养分也会随之发生运移 土壤养分随径流迁移是一个多因素共同作用的物理化学过程除了侵蚀作用养分的运动特征也对其有重要影响 吸附在土壤颗粒上的养分进入水体后会