联合国《2018世界水资源开发报告》显示:随着人口增长与社会经济发展, 全球对水资源的需求正以每年1%的速度增长^[1]。浅层地下水是全球真正有效利用的淡水资源, 其水位埋深面临不断增加的趋势^[2]。降雨入渗补给量是浅层地下水的主要来源^[3], 因此, 揭示降雨入渗过程对浅层地下水的补给机理是提升浅层地下水开发潜力的关键。陆地表面地形在不同尺度上控制着地表水和地下水的流动过程^[4], 微地形作为影响水文连通性的重要因素^[5-9], 在地表水与地下水转化过程中发挥着重要作用。

流域生态系统状态与水分运动关系密切, 水文循环的各个环节都伴随着不同的生态效应, 尤其是径流(地表水、地下水)运动和转化对生态系统的健康影响巨大^[10]。为了合理配置水资源, 提高区域水资源利用效率, 国内外学者针对区域地形气候特征进行了一系列的植被配置措施。但是由于缺乏对局部小环境差异性的研究, 造成植被成活率低, 区域水环境进一步受到破坏, 如我国黄土高原区小老树现象的发生^[11]。中国北方黄土丘陵区和土石山区受气候条件影响, 植被生长状况较差, 生态条件脆弱。区域整体气候条件虽差异不大, 但是局部小区域土壤含水量、土壤养分状况和微生物量仍具有较大异质性^[12]。由于缺乏对小尺度地形环境的深入了解, 使得区域生态环境修复进程难以取得较大突破^[13-15]。

从20世纪90年代初期, 学者对微地形的地表水文效应进行了研究^[16], 其研究过程经历了由模拟地表起伏状况和降雨强度定性分析微地形对地表水文过程的影响, 到基于地表测量定量描述微地形特征与径流、入渗之间的关系。随着对微地形研究的不断深入, 相关学者建立了不同模型(two-dimensional modeling, physics-based modeling of overland flow, P2P overland flow modeling)量化微地形变化对地表水文过程的影响^[17-19], 并提出新的模型(developed P2P model)对已有模型进行验证^[19]; 与此同时, 考虑到影响地表水文过程的因素多种多样, 将地表结皮、植被分布和气象因素与微地形相结合, 探究微地形变化与周围环境之间的耦合机制对水文过程的影响正成为未来微地形研究的主要方向^[20-22]。针对以上研究目标,本文通过综述微地形对地表径流、降雨入渗、土壤含水及土壤中的水分、溶质转移路径和植被生长状况影响的研究进展, 探讨微地形变化与地表水文过程之间的协同作用机理, 为区域生态环境恢复提供指导依据。

1 微地形的定义及成因

微地形是指相对于大地形(平原、盆地、丘陵、高原、河谷等)而言, 在小尺度范围内地表起伏幅度不大的地形。微地形可简化为3种类型:平面、坡面和不均匀地形。根据我国地形起伏度等级划分方案, 高差范围在0~30 m的地形属于微地形^[23]。在我国黄土高原区, 朱清科等^[24]把丘陵沟壑区坡面微地形定义为黄土坡面内由于土壤侵蚀作用形成的大小不等、形状各异、使土壤水分和养分等生境条件在1 m²以上范围内产生变化的局部地形; 贾腾斌等^[25]和张莉等^[26]进一步将微地形的概念定义为:较小面积范围内, 地表相对高程变化在0.05~0.25 m范围内的一种地形特征。表述微地形复杂度特征的因子主要有地表糙度、地形起伏度、地表切割度、洼地蓄积量和高程变异系数, 其中地表糙度对径流产生和水分入渗过程有重要影响^[27-29]。

微地形的成因主要有两类: 1)基于生态修复或农业生产的微地形改造。它是指人类根据科学研究或改造自然的实际需求, 有目的地对下垫面原有形态结构进行的二次改造和整理, 从而形成大小不等、形状各异的微地形和集水单元^[30], 如使用等高耕作、人工掏挖、人工锄耕等耕作措施所形成的微地形; 2)在风力、水力、冻融、收缩膨胀等外营力作用下形成的典型地形, 如澳大利亚的吉尔盖地形^[31], 我国黄土丘陵区的浅沟、塌陷、切沟、缓台、陡坡等微地形, 日本丘陵地区的上边坡、谷头凹地、下边坡、麓坡、泛滥性阶地和谷底^[32]。

2 微地形对地表水文过程的影响 2.1 微地形变化对区域地表径流的影响

大量研究结果表明^[33-36], 由于地形起伏状况与拦截程度的差异, 不同微地形会形成不同的产汇流路径, 从而形成不同的水流形态, 直接影响流域径流量。在地块尺度上, 地表微地形对坡面流的时空分布有很大影响:相对于平坦地面, 起伏地面由于地表凹陷和边界效应的存在, 地表径流的产生时间明显延迟^[37]。Darboux等^[38]通过在光滑和粗糙表面连续进行3次模拟降雨试验显示:在第1次降雨事件中, 具有凹陷的微地形表面径流开始时间晚10 min, 第2次降雨事件中晚1 min, 第3次降雨事件中则无明显差异, 表明在土壤含水量到达饱和之前, 具有凹陷的微地形可以明显延迟径流开始时间; 此外, 对光滑表面来说, 表面凹陷的储水量均值在第1次和第2次降雨径流中分别占8%和2%, 而具有凹陷的微地形表面凹陷处雨水填充量分别占第1次和第2次降雨径流量的50%和80%, 这表明凹陷增强了地表对降雨的拦蓄量。在云南红壤丘陵坡面进行微地形改造后, 产流时间最大可延长51.18%, 产流量最多可减少25.14%^[39]。在胶东半岛, 由于梯田复垦导致的果园和林地面积增加和下垫面微地貌的稳定, 降低了降雨与流域径流的相关性, 在年降雨量呈现出不明显下降的趋势下, 研究区内黄水河与五龙河径流量相较于预测值分别下降16.77%和25.05%^[40]。Mohr等^[35]在智利中南部变质海岸山脉东坡不同年龄层的砍伐区进行人工降水试验, 发现微地形对地表径流连通性和疏水特性的影响是影响表土水文过程的一级控制因素。在以色列南部半干旱地区, 地表封闭层、微地形和植被在旱地径流过程中起着重要作用, 封闭层控制径流生成, 植被斑块通过控制局部入渗率影响坡面流, 微地形对地表径流总量影响较小, 但影响着地表径流的时空格局, 植被斑块扩大了微地形的影响, 增加了入渗和径流的时空变异性^[33]。对于微地形影响径流量的研究还有很多^{[27, 29]}, 所得结论基本相似:起伏的微地形增加了地表粗糙程度, 延长了径流路径, 减小地表径流量, 增强了对地下水的补给效应, 对区域水源涵养能力的提升具有积极作用。

2.2 微地形变化对降水入渗过程的影响

降雨是水资源转化过程中积极而活跃的因素, 降雨入渗量是地下水资源补给的重要来源。当降雨强度大于入渗强度时, 过量蓄水流经局部微地形会增加水文连通性。地表水文连通性受由小溪流或沟道中大面积的凹陷和微观地形的空间组织所决定, 微地形凹陷的存在抑制了入渗特性空间变化^[6]。Zhao等^[27]通过人工模拟试验发现, 在农业用地上, 光滑表面洼地蓄水和入渗水量占降水量的30%, 粗糙表面洼地蓄水和入渗水占总降水量的56%。水分通量是反映降水转化为土壤水数量的一个重要指标, 同时也是反映蓄积水分在土壤中数量分配的一个重要指标^[41]。Darboux等^[38]的试验结果表明无论土壤的初始含水量为多少, 在径流达到稳定阶段时, 具有凹陷的微地形表面比光滑表面多产生10%的水分通量。李艳梅等^[41-42]通过改变立地条件发现, 相比于自然坡面, 经过微地形改造后, 水平沟整地和水平台整地分别能将89%和83%的降雨转化为土壤水分, 并在时间上进行重新分配, 而自然坡面只有22%的天然降雨转化为土壤水分。Thompson等^[43]通过模拟降雨试验对光滑和具有凹陷的微地形表面进行研究发现, 相比于缺乏微地形地区, 微地形提高了降雨入渗量的20%~200%。起伏的微地形表面增加了地表粗糙程度, 凹陷的地表在降雨过程具有更强的“捕水”能力。在澳大利亚, 由于土壤强烈收缩膨胀所形成的吉尔盖地形影响了径流时空变异性^[31]。起伏的微地形表面延长了径流路径, 使水分入渗效率得以提高。

2.3 微地形变化对土壤含水量及土壤水分运移的影响

土壤水分的运移直接关系到深层土壤水分能否得到补给, 掌握土壤水分的动态变化规律对了解区域水分收支状况, 实现流域水资源优化配置, 提高降水利用效率具有重要意义^[41-42]。李艳梅等^[41-42]对云南干热河谷的研究表明:微地形改造可以明显改善土壤水分状况。在集中降雨条件下, 水平台、水平沟整地后能拦截降雨, 使其在0~200 cm土层范围进行分配, 且缓坡上水平台能使100 cm以下的土壤水分状况明显改善。进行微地形改造后形成的水平沟、水平台土壤水分季节动态较自然坡面高, 在相同高程上, 土壤各层的年平均含水率比自然坡度高, 变异系数比自然坡度小^[42]。此外, 微地形改造后, 雨后土壤水分的消退过程变缓, 土壤水分在土壤中停留的时间增加^[42]。在黄土丘陵区微地形土壤水分的研究中也有相同结论:随着土层厚度的增加, 微地形土壤水分的变异系数有减小的趋势, 但是陡坡的土壤水分变异系数最大, 塌陷区变异系数最小, 不同类型微地形土壤水分含量顺序为:塌陷 > 缓台 > 切沟底 > 浅沟底 > 原状坡 > 陡坡^[44]。黄土高原地区在多年降雨量维持正常范围情况下, 0~40 cm土壤含水量由于微地形的存在呈现出高度的不稳定性^[45]。Frei等^{[4, 34]}利用模型对湿地表面微地形(凹陷或者驼峰)进行模拟发现, 微地形改变了地表径流与地下径流的优先度, 一年内降雨的大部分都转化为地下径流, 仅在暴雨期间表现为地表径流优势。

2.4 微地形变化对土壤溶质运移的影响

植被生长分布状况与土壤溶质运移路径和富集程度关系密切, 了解微地形变化下土壤溶质运移路径与积累状况, 对改善土壤质地及合理配置植被分布格局具有一定指导意义。Christensen等^[46]对科罗拉多州的河流进行同位素标记研究发现, 受微地形控制的水分渗透空间差异性直接导致溶质从渗透带到蓄水层的转移是不均匀的。Chu等^[47]对光滑和粗糙两种土地表面进行地表径流和示踪剂迁移的试验研究发现, 微地形表面的凹陷加强了水流入渗和示踪剂的淋溶, 因此更深的土层中具有更高的Br浓度, 而在光滑表面, 示踪剂主要随着水流在水平方向上运移, 使得浅层土壤中具有较高的Br浓度^[47]。Yang等^[48]、杨帆等^[49-50]和张华艳等^[51]通过咸水灌溉和野外观测试验发现, 微地形的高低起伏会导致水文过程发生变化, 受地表与地下径流的影响, 土壤中的水分和盐分也随之发生分异和积累。在干旱条件下, 蒸散发作用会使带有可溶性盐分的积水沿着浓度梯度从高浓度区向低浓度区转移, 因此, 盐分留在土层的中上部, 这是形成土壤盐渍化的原因^[48-51]。Pal等^[36]在恒河流域埃塔地区半干旱气候下研究发现, 低碱度微高地区和高碱度微低地区土壤碱度的分布表明碱土的形成受到微地形的控制。

2.5 微地形变化对蒸散发量的影响

蒸散发是地表水热平衡的重要参量。它既是连接全球水循环(包含大气水、地表水和地下水)过程的重要纽带, 也是水陆表面热量平衡的关键, 对流域水资源的配置具有参考价值^[52-53]。微地形变化导致了地表汇水面积、土壤水分分布以及植被生长状况不同, 而这些因素对蒸散发过程具有重要影响。通过对科尔沁沙地生长季沙丘间景观水分平衡的定量研究发现, 位于低洼地区的蒸散量大于其他微地形地区。微地形导致了沙丘之间不同坡位水分的收支差异, 在湿润年份, 沙丘顶部、上部、下部与坡底蒸散发量与降雨量之间的比值分别是96%、97%、86%和96%, 而在干旱年份比值分别是103%、103%、88%和104%^[54]。在北极冻原地区, 每个微地形位置与特定的植被类型有关, 地貌单元和植物类型的结合是蒸散发产生重大变异性的原因, 植物分布和微地形对北极蒸散发量的估计和预测都是十分重要的^[55]。Hirose等^[56]和Le等^[57]通过模型模拟发现, 由于降雨和地表径流在地表凹陷处积累引发更高的入渗率, 无论在植被覆盖区还是非植被覆盖区, 洼地都会呈现更高的土壤含水率; 通常蒸发量随着土壤含水量的增加会形成S型上升曲线, 在研究区内假设面积相同的A、B两点土壤含水量呈现梯度上升趋势, 在干旱条件下, 由A、B两点土壤含水量计算出平均蒸散发量(E_AB)则大于由区域平均土壤含水量C计算出的平均蒸散量E_C, 在湿润条件下, 计算结果则相反, 这表明需充分考虑由微地形差异所导致土壤水分空间异质性才能更加准确地计算出区域蒸散发量; 此外, 对美国5种不同景观地形凹陷的研究表明, 景观中的小规模地形凹陷在物质通量、蒸发和水文连通性的再分配过程中发挥着重要作用^[58]。

2.6 微地形变化对SPAC系统的反馈作用

土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统通过调节土壤-大气界面、土壤根系界面和冠层-大气界面实现对生态系统中水分的高效利用^[59]。在农业生产和耕作活动中, 连续降雨过程中的雨滴溅蚀和径流搬运会改变地表糙度, 但影响效果受降雨强度影响^[60-61]。由地表糙度的变化所引起的微地形异质性反过来也会影响地表填洼量、降雨入渗量及地表径流的产生、流向、径流量和侵蚀量^[25]。微地形起伏变化间接导致内部热量、水分、养分等资源在局部范围内产生微小变化, 从而导致地上植被类型、特征和生产力不同。袁振等^[62]对太行山片麻岩地区进行野外调查发现:微地形的存在使土壤厚度分布不均, 导致植被生长分布的差异; Dunne等^[16]在肯尼亚南部地区研究发现, 较长山坡上微地形洼地的下坡径流深度逐渐增大, 渗透性较强、植被覆盖较高^[26]。由此可知, 微地形与植被存在着互利共赢的协同进化优势。江聪等^[63]在若尔盖地区进行采样调查研究发现, 微地形生境下植物通过生理生态过程影响土壤环境, 不同的土壤环境为土壤微生物群落提供了不同的理化环境和营养物质, 土壤微生物群落活性和多样性会迅速响应土壤环境改变, 并通过有机质和土壤元素迁移和富集反馈调节植被的生长状况。由此可见微地形-土壤-微生物-植物之间存在着相互作用(图 1)。但是他们之间相互作用的量化关系还需要一步研究。

3 尚存在的不足 3.1 对微地形的尺度及种类的划分不够系统化

综上可知, 国内外学者对微地形变化的水文效应进行了探讨。但由于研究区地理特征、气候条件不同以及研究对象差异, 对微地形种类及尺度的划分标准不尽相同。我国对微地形的地表水文效应研究主要集中于黄土高原区。张宏芝等^[11]根据黄土丘陵区的实际情况, 将黄土区自然恢复状态下的微地形划分为浅沟、切沟、塌陷、缓台和陡坎5种^[21]。国外相关学者则将丘陵区微地形划分为顶破、上边坡、谷头洼地、下边坡、麓坡、泛滥性阶地和谷底7类^[32]。在农林业生产区, 微地形主要分为鱼鳞坑、反坡台、水平阶、水平沟、水平槽和各类梯田^{[42, 64]}。在其他生态系统中仅对地表的起伏程度进行了粗略描述^[65], 未见对微地形详细划分的研究。这些粗略的划分标准和模糊的尺度范围容易导致对微地形认识的误区, 不仅会导致相似研究方法得出差别性结论, 也不利于后续研究的开展。因此, 未来的研究中应对不同研究区微地形尺度进行统一界定, 制定出适宜不同地区的微地形研究策略, 使研究成果具有更广泛的适用性, 为后续研究提供参考。

3.2 对微地形变化与地表水文过程间耦合作用的研究尚显不足

微地形广泛存在于不同生态类型区中, 不同生态类型区的划分方法也有所差别。通过系统梳理国内外文献发现, 在探究微地形变化对地表水文过程影响的研究中, 除了定量分析了地表糙度与径流量、入渗量之间的关系外, 对其他水文效应的研究大多处于定性分析阶段^{[27-29, 51, 66]}。这一方面归咎于微地形种类的多样性, 另一方面地表水文过程对微地形的反馈调节作用也使得这一问题趋于复杂化。微地形通过影响径流汇聚、分散路径改变径流量, 改变土壤特征(如溶质富集程度、微生物量)进而改变入渗量, 通过改变植被生长分布状态影响区域蒸散发量。但是不同微地形特征因子(地表起伏度、地表切割度、洼地蓄积量)对地表径流、降雨入渗、植被蒸散所起作用有何异同？贡献率有几何？这些问题仍悬而未决。此外, 微地形与土壤、植被之间存在着协同进化关系, 但是植被的配置格局、根系的分布状况以及土壤盐渍化程度、微生物数量等因素如何影响微地形演变进程？如何建立三者间的参数化关系？这都需要进一步的强化研究。

4 结语

本文概括总结了微地形变化对地表水文过程的影响作用, 并指出了当前研究中存在的一些问题。从现有研究来看, 微地形变化对地表水文过程的影响主要集中在3个方面:降雨-径流、土壤入渗以及蒸散发过程。对径流的影响主要是通过增加地表糙度, 提高地表储水量, 减少地表径流量; 对入渗过程的影响主要是延长和改变径流路径、增加径流时间, 增强降水入渗能力; 对蒸散发过程的影响主要集中于不同微地形条件下, 改变汇水面积和植被生长状况引发蒸散发量的差异。虽然微地形变化对地表水文的影响效应已进行了很多探讨, 但由于气候条件与研究方法的差异, 也会出现与结果相矛盾的情况^[60]。鉴于此, 在后续研究中, 应围绕以下方面进行详细探讨:

4.1 加强对微地形种类和不同区域研究尺度的界定

由于不同生态类型区微地形特征具有一定的差异性, 因此对微地形进行划分时要依托于不同的生态类型区, 例如在农耕区地形具有更强的均质性, 相比于具有较强地形变异性的丘陵沟壑区, 研究尺度可适当减小。另外, 还需要考虑微地形的形成方式是基于人为改造还是自然营力, 因为这两种方式除了改变地表形态外, 也会影响土壤粒径、土壤孔隙度等土壤物理性质。地表高程起伏是影响地表水文过程的重要因素, 因此对微地形进行划分时, 地表高程起伏程度应作为重要的指标, 例如, 平坦耕地区微地形高程的变化范围为0~5 cm, 而坡耕区高程变化范围可能达到10~20 cm, 对于不同高程变化范围的微地形, 需要给出不同的定义与研究方式。随着遥感技术的不断发展和测量设备的不断改进, 将微地形的测量设备与遥感技术相结合是定量描绘微地形特征以及揭示微地形与地表水文过程之间定量关系的关键。

4.2 加强微地形变化与地表水文过程之间耦合机制的研究

大量的研究已经证明微地形对地表水文过程的影响效应。但对水文过程中侵蚀搬运作用对微地形演化过程的影响知之甚少。因此, 在以后的研究中, 需要考虑不同侵蚀动力学条件下形成的微地形特征。对不同侵蚀区建立长期定位观测点, 同时与短期室内模拟试验相结合, 揭示雨滴溅蚀、水流搬运侵蚀和冻融侵蚀等过程对微地形特征的影响, 这是准确建立微地形特征变量与地表水文过程模型的基础。

4.3 加强全球气候变化条件下微地形与水文动态之间相互作用研究

受气候变化的影响, 全球极端降雨事件不断增加, 降水范围也逐渐呈现出由内陆地区向沿海地区迁移的趋势, 中国北方土石山区受地理位置与气候条件影响, 洪涝灾害愈发频繁。基于微地形在降雨再分配过程中的重要作用, 深入探讨微地形与水文动态之间的相互作用, 通过微地形改良加强区域对水资源的调蓄作用是实现气候变化条件下对水资源进行合理配置的前提。此外, 探究不同尺度微地形变化下区域水资源的演变规律, 揭示地表水文效应对不同尺度微地形变化的敏感程度, 对地区优化产业配置和加强水资源调控能力具有一定的指导意义。