从侵蚀形态和泥沙连通性表征紫色土坡和上坡土堤阶地的细沟侵蚀过程

      细沟是沿山坡输送侵蚀沉积物的重要场所。坡面内泥沙输移效率和连通性受细沟侵蚀和形态的时空演变影响。然而，上坡泥沙流入对细沟侵蚀和连通性的影响尚不清楚。本研究通过水槽冲刷实验，研究了细沟侵蚀形态和泥沙连通性的变化。考虑到0.15、0.30和0.45  m ² 的上坡阶地面积以及上坡入流，模拟了上坡泥沙入流。细沟的数量和横截深度随着上坡阶地面积的增加而逐渐减少。在细沟侵蚀过程中，细沟的横截面形态由V形变为U形。与宽深比（ R _w\d ）和细沟d相比，所有形态参数的平均值都随着上坡阶地面积的增加而逐渐减小 通道。 R _w\d 和ρ的变化与径流量和侵蚀产沙量显著相关，可用于估计不同上坡阶地区域下的细沟侵蚀过程 。

2.1  基于DEM的水平方向导数计算

2.2  细沟形态指标  

2.3  不同细沟侵蚀阶段的细沟横截面（RCS）

2.4  泥沙连通性 

      基于一阶导数的DEM等高线图的方向导数的空间分布强调了沿水平方向的坡度分布，等高线在更高的地形波动下变得更密集。总体而言，随着上坡阶地面积的增加，一阶导数的等高线逐渐稀疏，表明地形起伏减小。RS阶段的土壤微观地形是相当不均匀的。在坡度为0的情况下，跌水坑主要发育在水槽的上斜坡上。30平方米的露台面积。在HE阶段，较低的斜坡上出现间歇性细沟，细沟长度迅速增加。在RS阶段，在坡面上形成了一个初始的细沟网络。在0.45 m ² 的阶地面积下，细沟侵蚀初期细沟形态发展缓慢，径流路径连接导致细沟出现分叉和融合，尤其是在HE和RS阶段。 

      此外，RCS形态呈现出V形轮廓。在HE阶段，RCS深度增加，RCS大多呈V形，0.45 m ² 阶地面积的情况除外。在RS阶段，RCS深度达到最大值（0.038m）；当上坡阶地面积增加到0.45m ² 时，它迅速下降。此外，RCS形态逐渐从V形轮廓变为U形轮廓。

图2  不同上坡阶地区域细沟侵蚀阶段坡面水平方向一阶导数等值线图。

图3  不同上坡阶地区域细沟侵蚀阶段细沟横截面的变化 。

      在整个细沟侵蚀过程中，Al、Aw和Ad的平均值都随着上坡阶地面积的增加而降低。在0.45  m ² 上坡阶地面积下，Al、Aw和Ad的变化小于在0.15  m ² 阶地面积下的变化，分别下降了2.78%、20.67%和33.68%。此外，0.30  m ² 阶地面积下的 R _w\d 和ρ高于0.15  m ² 和0.45  m ² 阶地面积,径流在冲刷实验的早期阶段急剧增加，然后在大约8分钟后稳定下来。产沙量随冲刷时间的变化与径流的变化显著不同,随着上坡阶地面积的增加，DP阶段的产沙量呈现出适度增加然后减少的趋势；RS阶段的产沙量下降幅度大于IR和HE阶段的下降幅度。

图4 不同上坡阶地区径流（a）和产沙量（b）随冲刷持续时间的变化。不同上坡阶地区域细沟侵蚀阶段径流（a）和产沙量（b）的变化。

      细沟作为山坡上泥沙输移的主要场所，在不同的上坡阶地区域下，其连通性高于沟间区域。此外，与距离细沟流域相对较远的地区相比，细沟通道附近的位置也表现出更高的泥沙连通性，这有利于径流和沉积物汇聚到细沟通道中，并通过细沟网络迁移。在不同的上坡阶地条件下，泥沙的IC随着细沟侵蚀的发展而逐渐增加，并在RS阶段达到最大值。然而，平均IC在1.77至3.15之间，结果表明，侵蚀和沉积往往在细沟和沟间区域交替发生。IC也表现出随着上坡阶地面积的增加而减小的趋势 。 表明与土壤侵蚀相比，由于阶地面积大，大部分沉积发生在斜坡区。尽管泥沙IC的总体趋势显示出平均值的差异，但这些变化并不显著，因为在不同的上坡阶地区域下，在不同的细沟侵蚀阶段，每个DEM内的IC差异很大。  

图5  不同上坡阶地地区细沟侵蚀阶段IC的空间格局。

      为了研究形态变化对细沟侵蚀的影响，使用Pearson相关系数矩阵分析了地表径流、产沙量和每个细沟形态参数之间的关系。基于独立样本的t检验对相关分析结果的统计学显著性进行分析。可以确定不同上坡阶地条件下影响细沟侵蚀土壤流失的关键形态参数。除 R _w\d 外，径流与细沟形态参数呈正相关。 在0.15  m ² 的上坡阶地面积下，形态参数与径流之间的Pearson相关系数按ρ>Al>Aw>Ad>c>R _w\d 的顺序下降，这与产沙量一致。 不包括0.30 m ² 上坡阶地区域下的R _w\d ，所有其他关系表明径流和产沙量。

      具体而言，在实验土壤水槽的两侧观察到细沟捕获。随着次级细沟并入主细沟，更多的地表径流集中在细沟通道内。然后，这种细沟流加速了主要细沟宽度的增加，这增加了细沟被捕获的可能性， 此外，斜坡上贡献区边界处的细沟侧壁扩张可能导致RS阶段的小贡献区被主要细沟贡献区捕获。在这种情况下，井间流可能会被细沟流所取代。上述结果与Shen等人的研究结果一致，细沟捕获促进了细沟发育后期细沟长度的减少。

      在每次试验处理下，细沟的密度在细沟演化过程中都有所增加，但细沟密度的变化率随着上坡阶地面积的增加而逐渐降低。可以使用能量耗散最小化的原理来解释和分析这些趋势。随着含沙量的增加，径流能量因含沙量而降低。此外，间歇细沟并入成功细沟的过程促进了细沟密度的降低。这最终导致rill网络以最低的能源消耗进入稳定状态。基于这一分析，很明显，土堤阶地具有缓冲区的作用，在防止坡耕地细沟侵蚀方面发挥着至关重要的作用。

      细沟形态指标与地表径流之间的相关性分析结果与之前的研究结果不一致，该研究得出的结论是，细沟宽度和曲折度复杂性是估算细沟侵蚀的最佳衍生形态指标。这种差异可能是由于实验条件的差异造成的。此外， R _w\d 是描述沿水平和垂直方向的细沟横截面相对比例的重要指标。在细沟形态指标中，在不同的上坡阶地区域， R _w\d 与细沟侵蚀呈负相关。这一结果得到了先前关于模拟流入和现场条件下弃土堆细沟侵蚀特征的研究结果的支持。在这项研究中，相关性分析证实了这些选定的细沟形态指标的适用性。

图6 （a–c）上坡阶地面积分别为0.15、0.30和0.45 m ² 的相关热图 。