《Soil and Tillage Research》：Mechanisms of extreme rainfall partitioning in contour ridge system: A modified SCS-CN method incorporating microtopographic and ridge geometry effects
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极端降雨下等高垄系统水力响应机制及SCS-CN模型改进研究。通过100mm/h模拟降雨试验，揭示等高垄在降雨侵蚀过程中呈现的阶段性水力分异规律，发现坡面侵蚀发育阶段（地表侵蚀、溯源侵蚀、沟道侵蚀）对径流、入渗和蓄水分配比例影响显著，其中蓄水比例随侵蚀进程从87%降至64%。创新性构建RWHS-SCS-CN模型，整合垄宽（RW）、垄高（RH）、高差比（RS）及交互项参数，优化λ系数至0.05，使Nash效率系数提升至0.64，相对误差降低1.10%。研究为坡地农业水土管理提供理论支撑。
Juan An|Guohui Li|Ruofei Liu|Yuanzhi Wu|Xiyuan Wu|Rui Zhang|Yao Zhao
山东省水土保持与环境保护重点实验室，临沂大学资源与环境学院，中国山东省临沂市276005
摘要
在气候变化的影响下，极端降雨事件的频率增加，显著改变了农业系统的水文响应。在等高垄系统中，这种极端降雨会引发沟槽中的快速积水，导致积水、渗透和径流之间的独特分配机制。此外，广泛使用的土壤保持服务曲线数（SCS-CN）模型缺乏物理适应性，无法准确捕捉极端降雨-径流过程。为了研究极端降雨的分配机制并改进径流模型，在具有不同微地形和垄几何形状的等高垄表面上进行了高强度模拟降雨实验（100毫米/小时，持续70分钟）。结果表明，随着沟蚀和顺坡侵蚀的进展，径流速率增加，而渗透和积水速率降低。极端降雨在渗透和径流之间的平均分配比例从沟蚀期间的0.87:0.12分别变为顺坡侵蚀后的0.77:0.22和0.64:0.36。尽管积水仅占总降雨量的不到1.5%，但它显著增强了渗透并延迟了径流产生。垄宽（RW）、垄高（RH）以及垄高与行坡度（RS）的相互作用控制了极端降雨的分配，其贡献分别为22.83%、11.52%和24.81%。BP–SCS-CN方法通过结合曲线数（CN）的算术平均值调整，并根据RW和RH迭代初始损失系数（λ）进行校准，与原始SCS-CN模型相比提高了径流预测的准确性，但仍未能充分捕捉径流产生过程。相比之下，物理改进的RWHS–SCS-CN方法将RW、RH、RH*RS和RW*RH纳入CN校准，并将λ优化为0.05，表现出更优越的预测性能，获得了最高的纳什效率系数0.64和最低的平均相对误差-1.10%。这些发现增强了等高垄系统中极端降雨分配的过程基础预测，并为气候适应性农业水资源管理策略提供了指导。
引言
在气候变化和水资源日益稀缺的双重压力下，雨水分配对于维持全球农业生态系统的 hydrological 和生态功能至关重要（Shi 等人，2022；He 等人，2024），因为它直接调节了水资源的可用性、土壤退化以及洪水风险（Zema 等人，2016；Shi 等人，2023；Wu 等人，2024）。因此，雨水保护已成为提高土地生产力的关键管理目标，特别是在依赖雨水的农业地区（Guzha，2004；Kurothe 等人，2014）。在坡地上，世界各地开发了特定的耕作方法来促进雨水滞留。耕作方法通过改变微地形特征和流动路径，从而调控雨水在渗透、临时积水和径流之间的分配（Zhao 等人，2019；Zhao 等人，2024）。耕作方法下的雨水分配模式对降雨特性非常敏感，尤其是在极端降雨条件下（Zhao 等人，2021）。随着全球变暖的持续，极端降雨事件的频率和强度在全局和区域范围内显著增加（IPCC，2021）。这种极端情况常常引发意外的径流响应并降低渗透能力（Duan 等人，2020；Yan 等人，2024）。这一挑战在坡地上尤为突出，即使在保护性耕作系统中也是如此（Gómez 等人，2003；Wang 等人，2017；Wang 等人，2024）。然而，关于耕作条件下坡地上极端降雨分配机制的理解仍存在关键知识空白，这对于制定有效应对日益强烈降雨条件的适应管理策略至关重要。
等高垄系统是一种全球广泛采用的农业实践，用于在坡地上种植花生（Arachis hypogaea）、玉米（Zea mays）、土豆（Solanum tuberosum）和甘薯（Ipomoea batatas）（Xu 等人，2018；Wang 等人，2024）。在极端降雨条件下，该系统表现出独特的分配机制和渐进的侵蚀过程。由于微地形起伏，沿等高线精确对齐垄形具有挑战性，导致沟槽中形成许多凹陷。在沟蚀期间，雨水容易在这些凹陷中积聚（Liu 等人，2014），随着积水深度的增加，促进了侧向和纵向渗透（Chu 和 Marino，2005；Wang 等人，2017）。一旦凹陷被完全填满，积水就会溢出，从而加速径流产生。这种溢出进一步导致垄面断裂和侧壁坍塌，然后引发顺坡侵蚀，减少了积水能力和潜在渗透量。逐渐地，等高垄被破坏，沟槽底部的等高线向上延伸，最终导致沟蚀。相应地，大量积水从沟槽中流出，可能使径流增加超过10%（Darboux 和 Huang，2005；Zhao 等人，2018）。重要的是，在极端降雨条件下，由垄形形成的微沟和微凹陷极易受损，加剧了顺坡侵蚀和沟蚀的发展（Xu 等人，2018）。极端降雨期间侵蚀的快速进展给量化雨水在渗透、径流和积水之间的分配带来了巨大不确定性（Zhao 等人，2018）。关键的是，侵蚀的开始和进展主要由垄的几何形状（垄高和垄宽）和微地形（行坡度和田坡度）控制（Liu 等人，2014）。这些特征导致积水和渗透量出现显著变化（Zhang 等人，2014；Zhao 等人，2019），并从根本上改变了径流产生过程（An 等人，2023a）。然而，关于不同等高垄结构下极端降雨分配对侵蚀时期响应的系统性实验研究仍不够充分，这阻碍了优化垄配置以提高农业用水效率的发展，以及设计有效的侵蚀缓解策略以应对日益极端的气候条件。
在耕作的坡地上，径流一直被认为是控制雨水分配的主要过程（Zhao 等人，2018；Zhao 等人，2024）。因此，准确预测径流产生是量化雨水分配的基本前提。此外，可靠的径流量化对于预测和控制土壤流失、减轻农业非点源污染以及减少农业流域的洪水风险至关重要（Shi 等人，2018；Song 等人，2021）。为此，需要一个强大且广泛适用的预测模型。美国农业部基于长期降雨-径流观测开发的土壤保持服务曲线数（SCS-CN）模型是最广泛使用的径流预测模型之一（Bartlett 等人，2016；Li 等人，2023）。该模型依赖于两个关键参数：初始损失系数（λ）和径流曲线数（CN）（Dieudonne 等人，2019）。传统上，λ固定为0.2，CN值从SCS手册的查找表中得出（USDA，1972）。然而，这些默认值在环境复杂和耕作方式与美国不同的地区往往不合适。为了提高区域适用性，对CN进行了两种主要修改，而λ始终保持在其传统值0.2。第一种方法使用观测到的降雨-径流数据校准CN值，如算术平均值方法、渐近线方法和平均值方法。其中，算术平均值方法已被证明具有更好的性能（Fu 等人，2012；Kowalik 和 Walega，2015；Lian 等人，2020）。第二种方法侧重于通过纳入特定站点因素（如前期土壤湿度、坡度梯度、降雨特性和土地管理实践）来细化CN估计（Huang 等人，2006；Zoure 等人，2019；Verma 等人，2020；Shi 和 Wang，2020）。在等高垄系统中，微地形和垄几何形状显著影响径流产生（Liu 等人，2014）。然而，这些因素尚未整合到CN校准中，且λ在极端降雨条件下未进行适应性调整。这些限制会导致径流预测的巨大不确定性。因此，将微地形和垄几何形状明确纳入λ和CN值的优化成为提高SCS-CN模型在等高垄系统中预测准确性的基本要求。
先前的研究广泛探讨了等高垄系统如何影响渗透和径流产生（Liu 等人，2014；Zhao 等人，2019；Zhao 等人，2024；Vl?ek 等人，2022）。然而，关于极端降雨如何在连续侵蚀期间分配到渗透、径流和积水中的定量理解仍然有限。此外，广泛采用的SCS-CN模型缺乏在等高垄系统中精确估计极端降雨-径流所需的物理适应性。为解决这些关键知识空白，本研究探讨了极端降雨在等高垄系统中连续侵蚀过程中的分配机制，并通过改进SCS-CN模型提高了径流预测的准确性。本研究的主要目标是：（1）量化不同侵蚀期间极端降雨在渗透、径流和积水之间的动态分配；（2）确定控制这种分配的关键微地形和垄几何形状因素；（3）优化SCS-CN模型以提高极端降雨-径流预测的准确性。
实验设计
在中国北部岩石山区种植花生和甘薯的田地调查表明，行坡度（RS）介于2°至10°之间，垄高（RH）在8厘米至16厘米之间。垄的底宽（RW）介于50厘米至80厘米之间，明显大于相应的顶宽10–15厘米。等高垄系统内的田坡度通常介于5°至15°之间。
极端降雨分配随侵蚀进展的时间动态
在模拟极端降雨事件期间，根据等高垄结构，识别出不同的土壤侵蚀阶段，其特征是依次发生的沟蚀、顺坡侵蚀和沟蚀。如图1a所示，在沟蚀期间，极端降雨在沟槽内的凹陷中积聚，最初只有第一个垄产生径流。在随后的顺坡侵蚀期间（图1b），发生溢流并迅速形成局部
极端降雨在渗透、径流和积水之间的分配动态对侵蚀阶段的响应
等高垄系统对极端降雨的水文响应受土壤侵蚀进程的控制。在极端降雨的早期阶段，来自侧坡的雨水迅速在沟槽凹陷中积聚，同时侵蚀的土壤颗粒沉积在这些低洼区域。这些由凹陷引起的积水区促进了优先的侧向渗透（Zhang 等人，2013），这成为沟蚀和顺坡侵蚀期间的主导水文过程
结论
本研究通过模拟降雨实验，深入了解极端降雨的分配机制（渗透/径流/积水），并改进了等高垄系统中的径流产生模型。最高的径流速率和最低的渗透/积水速率与由沟蚀和顺坡侵蚀驱动的流动连通性增加最为显著时一致。在沟蚀期间，极端降雨的平均分配比例为0.87（渗透），0.12（径流）
CRediT作者贡献声明
Yao Zhao：研究。Rui Zhang：资源、方法论。Xiyuan Wu：写作 – 审稿与编辑、资金获取。Yuanzhi Wu：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取。Ruofei Liu：方法论、研究。Guohui Li：写作 – 审稿与编辑、方法论。Juan An：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本手稿中呈现的工作。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（ZR2024MD032）和国家自然科学基金（资助编号：41977067、42277306、42277337）的支持。
