元谋干热河谷冲沟形态特征及其成因

杨丹，熊东红，翟娟，李佳佳，苏正安，董一帆

(1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，610041，成都;2.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所，610041，成都;3.中国科学院研究生院，100049 北京;4.成都信息工程学院，610225，成都)

冲沟侵蚀加剧面蚀的发生发展，加速土地退化进程，是江河泥沙的重要来源之一，目前正受到越来越多国内外学者的关注［1－2］。国外学者主要在冲沟侵蚀的影响因子［3－5］及其发生地形临界值的确定［6－7］、侵蚀过程评价［8－10］、沟头前进速率及侵蚀产沙效应［11－13］等方面进行了较为系统、深入的研究。国内以往的研究多集中在面蚀与细沟侵蚀上，对冲沟侵蚀的研究相对较少，目前主要集中于冲沟侵蚀监测方法的应用及其评价［14－17］、沟头集水区土地利用方式对冲沟侵蚀速率的影响［18］、沟头形态分形特征［19－20］等方面，而对于冲沟的发育特征、控制因素还鲜有专门的研究报道。本研究的目标在于:1)阐述冲沟发育的形态特征;2)进一步分析冲沟发育的控制因素;3)指明元谋干热河谷冲沟研究的重点方向。冲沟侵蚀是元谋干热河谷突出的生态环境问题之一，加强该方面的研究对当地经济可持续发展、河流生态安全及冲沟治理实践均具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于云南元谋干热河谷，该区属南亚热带季风气候，具有“炎热干燥，降水集中，干湿季分明”的特征:年均温21.9 ℃，年降水量615.1 mm，主要集中在6—10 月的雨季，占年降雨量的90%以上，年蒸发量高达3 911.2 mm，约为年降水量的6.4倍，年均干燥度为2.8。地带性土壤为燥红土，部分地区有少量变性土［21］。植被以稀树灌木草丛为主，森林覆盖率极低，仅为3.4%～6.3%［22］。冲沟发育的元谋组地层为第四系河湖相沉积物，厚达673.6 m，可分为4 段28 层，并具有结构松散、胶结度差、黏砂互层、层与层组成物质差异显著等特征［23］。

2 研究方法

试验区选择在中国科学院成都山地灾害与环境研究所与云南省农业科学院合建的干热河谷沟蚀崩塌观测研究站内。于2011 年7 月底至8 月初在站内选取发育典型的冲沟网络进行调查。冲沟的形态特征值主要采用激光测距仪、坡度仪和5 m 钢卷尺实地测定，沟头土壤入渗速率采用双环法测定，沟头土体抗剪强度采用便携式十字板剪切仪测定，土壤机械组成采用吸管法测定，其他测定数据见文中引用文献。

3 结果与分析

3.1 冲沟形态发育特征

3.1.1 空间规模大、沟壁陡立、沟谷深壑 元谋干热河谷冲沟最突出的形态特征是冲沟发育空间规模大、沟壁陡立、沟谷深壑。据2011 年7 月在元谋县苴林乡中国科学院成都山地灾害与环境研究所沟蚀崩塌观测站(以下简称“沟蚀站”)现场调查(表1)，多数冲沟长度较大，其中半数以上的冲沟长度在100 ～300 m 之间，某些大型冲沟甚至可超过400 m，如表1 中4－1号冲沟，其长度即达420 m，大多数冲沟宽度为30 ～60 m，最宽的地方则可达到265 m，多数冲沟深度在5 ～20 m 之间，最深的地方可超过80 m，沟谷极为深壑。就沟壁而言，沟壁与地平面的夹角大多在80°～90°之间，呈陡立状，如表1 中的1－1号、1－2号和2－1号冲沟，其沟壁坡度均达到了90°。由于沟壁陡立，沟谷深壑，因而冲沟在水力、重力的双动力混合作用下，崩塌作用剧烈而频繁。

3.1.2 活跃沟头的沟壁常呈上凸下凹状、溯源侵蚀剧烈 活跃沟头最突出的特征是其沟壁在水力和重力侵蚀作用下，呈现“上凸下凹”的形状(图1)。活跃沟头上部土体坚硬，常形成凸起状。根据实地调查，上凸部分土体厚度在22 ～121 cm 之间，平均厚度为66.5 cm(表2)。沟壁的下凹部分则常形成“竖井状””的内凹洞，其纵轴长度多在80 ～200 cm 之间，最大纵轴长度为370 cm，其横轴则相对较短，多数在70 ～50 cm 之间，最长为214 cm，最短则只有57 cm。内凹洞凹进沟壁的平均深度相对较小，多在30 ～60 cm 之间。沟头土体的这种“上部土体突出，下部土体凹进”的形态特征，即为上凸下凹状。

在活跃沟头的下底常发现有较多的新鲜崩积物，显示溯源侵蚀剧烈。由于沟头内凹洞的产生，上部土体稳定性减弱，加之降雨时内凹洞底部形成临时性的水位，蓄积的水体对沟壁不断浸润、冲刷，促使沟壁土体崩解，进而发生崩塌，因而在内凹洞下往往堆积有大量崩积物，据现场调查的13 个活跃沟头，其新鲜崩积物体积平均为0.3 m3，最大的甚至可达1.43 m3，显示出强烈的溯源侵蚀作用。

表1 调查冲沟的形态特征参数Tab.1 Morphological characteristic parameters of the investigated gullies

3.1.3 冲沟呈叶脉状网络发育 在沟蚀站调查发现，元谋干热河谷的冲沟先是发育出1 条主沟，然后在降水、地形以及人为活动的综合作用下衍生出多条支沟，在每条支沟上又发育若干个沟头，从而形成1 个冲沟网络(图2)。从表3 可以看出，平均每条冲沟有3.7 个沟头，主沟与支沟的夹角在10°～35°之间，平均夹角为22.5°，这些与主沟夹角均为锐角的支沟多集中分布在主沟纵向(从沟尾指向沟头)的上半部分，呈现出与叶脉相似的发育形态，即呈叶脉状网络发育。

图1 上凸下凹状的冲沟活跃沟头Fig.1 Active gully head with projected upper part and concaved lower one

表2 元谋干热河谷冲沟活跃沟头形态特征Tab.2 Morphological characteristics of the active gully heads in Yuanmou Dry－hot Valley

冲沟呈叶脉状网络发育与冲沟发育的地形特征、岩土组成及坡面汇流路径紧密相关。元谋干热河谷冲沟多发育在由软硬交替的岩层组成的缓坡台地上，其坡度多在10°左右，降水时形成遍布整个坡面的径流，呈漫流状。不同的岩土抗侵蚀性不同，从而产生差异性侵蚀，在岩性较软弱的地方就逐渐形成毛沟、细沟，随着流水的继续作用，细沟不断展宽、延伸，最后发展成为冲沟。多条冲沟相互连接沟通，并在空间上呈现出一定的形态，就形成了叶脉状的冲沟网络。

图2 元谋干热河谷叶脉状网络型冲沟Fig.2 Gullies with leaf vein－like developing mode in Yuanmou Dry－hot Valley

表3 冲沟发育网络主要特征参数Tab.3 Main characteristic parameters of the gully network

3.1.4 沟内侵蚀地貌发育 沟内流水侵蚀残留地貌丰富，也是元谋干热河谷冲沟的一个显著特征。在冲沟内能看到许多形态各异的地貌景观，如土墙、土屏、土锥、土柱、土堡等。土锥相对高度约1 ～3 m，土柱相对高度为5 ～10 m，土墙相对高度可超过10 m，土堡则为各柱体相连，高大雄浑，高度为10 ～20 m。元谋干热河谷发育的冲沟就是在特定的岩性组合、构造、气候、水动力条件及环境等多种因素联合作用的结果［24］。由于元谋干热河谷软硬交替的岩层以及独特的热带稀树草原气候，使得该地区地表流水作用强烈，导致岩层在一定深度范围内发生垂直侵蚀作用，形成大量裂隙，裂隙不断扩开展宽，相互连通，最后形成一系列纵横交错的深切沟，使沉积物分割成一个个残留的土柱、土锥、土塔等［25］，在冲沟内部形成丰富的地貌景观。同时，元谋干热河谷特殊的气候条件以及沉积物上部的铁锰结膜覆盖层是上述残留地貌得以保存的主要原因。

3.2 冲沟发育的形成原因

元谋干热河谷冲沟的发育与该区域的岩层结构、气候降雨、土壤属性等密切相关。

3.2.1 岩层结构 元谋干热河谷的岩层具有沉积年代晚、胶结度差、软硬互层的特点［21］，这是造成冲沟发育的一个重要因素。从岩层性质上讲，元谋干热河谷岩层为第四系河湖相沉积物，土体结构疏松、易于侵蚀而形成大、深的冲沟;从层序结构来看，共计673.6 m 厚的岩层，可以分为4 段28 层，每层在颗粒组成、胶结程度上均有所差异，并且具有黏土与粉砂互层(软硬岩层互层)的特点(表4)［26］，从而导致不同土层的抗蚀性存在很大差异，如不同土层抗剪强度就存在很大差异。据南岭等［27］在元谋干热河谷试验测定结果(表5)，沟头上层土体的抗剪强度平均为110.0 kPa，中间层土体的平均抗剪强度为79.8 kPa，下层土体的平均抗剪强度则只有76.5 kPa，土体抗剪强度表现出随深度增加而减小的趋势，即上部土体为较坚硬抗蚀性强，下部土体较疏松抗蚀性弱，因而在流水作用下，下部土体被优先侵蚀，岩层侵蚀成上凸下凹的形状，土体发生崩塌。如果上部为结构疏松的土体，下部为较坚硬的土体，土体会发生溜滑，下层疏松土体裸露出地表，迅速被完全侵蚀，则又形成坚硬土层在上、疏松层在下的结构，进而发生崩塌。

3.2.2 气候及降雨 旱季高温干燥、雨季降水集中且暴雨雨量大，是干热河谷冲沟形成的重要因素。元谋干热河谷干湿季节特别分明，干季长而干燥，自当年11 月初至翌年5 月底，长达7 个月之久，总降雨量不到年降水量的10%。雨季则降雨频繁，平均降雨量达515.8 mm，占年降水量的90%以上。元谋干热河谷以暴雨为主2003—2010 年间暴雨雨量平均为年降雨量的25%，暴雨雨量在某些年份甚至可占到年降水量的40%以上，如2003 年和2008 年，暴雨雨量就分别占到了年降水量的49.5%和41.2%(表6)。暴雨对地面强烈的冲刷、侵蚀作用极大地加速了冲沟的发生发展。

表4 元谋组地层属性表Tab.4 Attributes list of the strata for Yuanmou Formation

表5 各沟头不同土层的抗剪强度Tab.5 Soil shear strength for different soil horizons of gully heads

表6 元谋干热河谷2003—2010 年降水特征Tab.6 Rainfall characteristics in Yuanmou Dry－hot Valley during 2003—2010

元谋干热河谷属南亚热带季风气候，旱季高温干燥，月平均温度超过20 ℃的高达5 个月，并主要集中分布在旱季末期的3—5 月，在5 月甚至达到27.0 ℃，土壤相对湿度低至31%，土壤水分含量低至凋萎湿度以下。这漫长而炎热干燥的旱季，使得元谋干热河谷的土体松散，抗蚀性降低，加剧了水蚀和重力侵蚀的发生程度，使得元谋干热河谷的冲沟极为发育。

3.2.3 土壤属性 元谋干热河谷土壤多为燥红土和变性土，其原有正常岩土剖面为:发育燥红土的母质在上，发育变性土的母质在下。变性土母质黏性，透水率低，土壤入渗率低，燥红土母质属沙性～粉沙性，在水分作用下，土体易于崩散，这是冲沟发育的重要原因之一。据实地调查结果显示，元谋干热河谷土壤稳定入渗率在0.3 ～4.5 mm/min 之间，其中，表面有铁锰结膜的裸地，土壤入渗率最低，为0.3 mm/min(表7)。土壤的低入渗率使得大部分降水转化为地表径流，地表径流系数最高可达0.797［28］，从而使得地表形成大量径流，土体表层湿润而土体表层以下的土层仍较干燥，并且随着土层深度的增加，土壤水分含量越来越低(表8［27］)。这些由降水直接转化而来的地表径流在沟头汇集形成跌水，跌水不断冲击沟头下部，形成具有一定水位的跌穴，跌穴中的水又持续地浸润沟壁下部的干燥土体，土体吸水后产生崩解，土体崩解速率随着土体含水量的减少而增大，如表8 中的1－3土层，其崩解速率高达1 551 g/min。另一方面，跌穴中的水体不断对沟壁进行侧蚀，在沟壁下部形成内凹洞，随着侧蚀作用的加强，内凹洞不断扩大，沟头形成上凸下凹的形状，当内凹洞大小扩大到一定程度时，上部土体失去支撑，在重力作用下发生崩塌。

表7 不同土地覆被类型下沟头土壤入渗特征指标值Tab.7 Index values for soil infiltration characteristics under different LUUC

表8 各沟头不同土层的土壤含水量及崩解速率Tab.8 Soil infiltration rates and disintegration rates in different soil horizons of gully heads

燥红土和变性土黏粒含量均较高，具有膨胀收缩强烈、裂隙发育的特点，变性土具有多蒙脱石的矿物特征，燥红土则很少;因此产生差别的膨胀收缩，加剧了土壤侵蚀。从表9［29］可以发现，土体黏粒(＜0.002 mm)质量分数大多在50%～60%之间，膨胀度和收缩度均在25%～35%之间。土体裂隙发育的面密度是土体裂隙发育程度的重要表征，是指调查样方内所有裂缝面积占地表总面积的比例。元谋干热河谷裂隙发育的面密度可达20%～30%，属中、强度发育。可见，土体黏粒质量分数越多，土体吸水、失水过程中，土体形态变化越剧烈，在长期的干湿交替下，土体不断收缩膨胀，导致大量裂隙发育，降低了土体强度和抗侵蚀性。为雨水的深入下渗创造了条件，加剧了沟壁土体的不稳定性，促进了崩塌的发生。

表9 元谋干热河谷土壤样品黏粒质量分数及土壤胀缩性测定结果Tab.9 Clay content and swell－shrink characteristic of soil samples in the Yuanmou Dry－hot Valley

4 讨论

1) 由于元谋干热河谷发育的冲沟空间尺度很大，而其形态变化及侵蚀产沙又集中在较小的部位发生，迄今为止，还没能找到一种非常有效的监测手段;因此，找到一种合理、有效、快速、便捷且能同时获取冲沟微观尺度形态特性及其宏观尺度形态特性的监测方法是进一步深入研究冲沟侵蚀的关键所在，也是未来冲沟形态监测的发展趋势。具体来说就是将地面监测手段(如侵蚀针法、高精度GPS 法、三维激光扫描法等)与遥感航空摄影手段(航空相片、卫星图像解译等)相结合，以兼顾冲沟不同部位的大小，开展有效的、全面的侵蚀监测。

2) 元谋干热河谷冲沟具有“沟壁陡立、沟头沟壁上凸下凹、整体呈叶脉状网络发育”等形态特征，这些独特的形态是如何形成的?是否伴随有独特的水土作用过程?野外调查发现，元谋干热河谷冲沟的发育，涉及非常复杂的系列水土作用过程，如仅就沟头溯源侵蚀而言，就包含了“沟头汇流形成跌水—跌水冲刷形成跌穴—跌穴水体浸润、溶蚀沟壁，形成内凹洞—内凹洞不断往沟壁深处扩展—崩塌发生—崩积物随后被运移—沟头前进”等系列子过程。量化研究冲沟沟头溯源侵蚀、沟壁扩展及沟床下切等过程，对于建立冲沟侵蚀物理机制模型具有重要意义，是未来元谋干热河谷冲沟侵蚀取得突破的重要方向之一。

3) 不同气候和土地利用条件下，冲沟侵蚀对整个流域产沙的贡献有多大?这个问题在欧美国家已经有了初步答案，但是在我国，尤其是对于长江上游的重点产沙区——金沙江干热河谷，这是一个迫切需要回答的问题。初步研究［18］表明，不同土地利用方式对冲沟沟头的溯源侵蚀速率有重要影响，表现为裸地溯源侵蚀速率最快，耕地次之，有林地最慢的变化规律;但迄今为止，冲沟集水区、冲沟沟头、沟岸、沟床等各部位的产沙贡献及产沙机制仍不十分清楚，查明这些问题对于解决该区长期存在的“治沟”还是“治坡”问题及对该区的水土保持宏观决策也将产生深远影响。

4) 人类活动是如何影响冲沟发育进程的? 如何采取经济有效的治理措施来遏制冲沟发展、促进冲沟稳定?这是元谋干热河谷冲沟侵蚀研究一项长期而艰巨的任务。传统的坡地耕作、过度放牧等人类活动如何导致土地退化并进一步影响冲沟发育的?当前在该区发生的采用大型工程机械进行的大面积的“平沟为园(葡萄园)”活动，其今后冲沟发育重启动的可能性多大?如何综合生物、工程、农耕措施进行经济、有效的治理? 这些都是今后研究值得重点关注的问题。

5 结论

1) 元谋干热河谷冲沟发育极为典型，冲沟形态发育表现出以下特征:空间规模大、沟壁陡立、沟谷深壑，活跃沟头的沟壁常呈上凸下凹状、溯源侵蚀剧烈，典型冲沟呈叶脉状网络发育，沟内侵蚀地貌发育。

2) 元谋干热河谷软硬互层的岩层结构，旱季高温干燥、雨季降水集中的气候及降雨特征，膨胀收缩强烈、裂隙发育及遇水极易崩解的土壤属性，是导致其冲沟发育、崩塌作用强烈的主要原因。

3) 未来元谋干热河谷冲沟侵蚀研究的重点方向应主要集中于冲沟形态监测方法、冲沟发育过程及机制、冲沟各部位的产沙贡献及机制、人类活动对冲沟发育的影响等方面。研究区的岩层结构，气候及降雨情况，土壤属性是导致其冲沟典型发育的主要原因。此外，人类活动的干扰，主要是土地利用方式的不同对冲沟的形态发育也起着重要的作用。

［1］ Poesen J，Nachtergaele J，Vertraeten G，et al.Gully erosion and environmental change: importance and research needs［J］.Catena，2003，50:91－133

［2］ Valentin C，Poesen J，Li Yong.Gully erosion: Impacts，factors and control［J］.Catena，2005，63(2/3): 132－153

［3］ Morgan R P C，Mngomezulu D.Threshold conditions for initiation of valley－side gullies in the Middle Veld of Swaziland［J］.Catena，2003，50(2/4)，401－414

［4］ Carnicelli S，Benvenuti M，Ferrari G，et al.Dynamics and driving factors of late Holocene gullying in the Main Ethiopian Rift(MER) ［J］.Geomorphology，2009，103:541－554

［5］ Capra A，Porto P，Scicolone B.Relationships between rainfall characteristics and ephemeral gully erosion in a cultivated catchment in Sicily(Italy) ［J］.Soil and Tillage Research，2009，105:77－87

［6］ Vandekerckhove L，Poesen J，Oostwoud Wijdenes D，et al.Topographical thresholds for ephemeral gully initiation in intensively cultivated areas of the Mediterranean［J］.Catena，1998，33:271－292

［7］ Samani A N，Ahmadi H，Jafari M，et al.Geomorphic threshold conditions for gully erosion in Southwestern Iran( Boushehr－Samal watershed) ［J］.Journal of Asian Earth Sciences，2009，35(2):180－189

［8］ Oostwoud Wijdenes D J，Poesen J，Vandekerckhove L，et al.Spatial distribution of gully head activity and sediment supply along an ephemeral channel in a Mediterranean environment［J］.Catena，2000，39:147－167

［9］ Bull L J，Kirkby M J.Channel heads and channel extension∥Bull L J，Kirkby M J.Dryland Rivers: Hydrology and Geomorphology of Semi－Arid Channels［M］.England: Wiley，Chichester，2002:263－298

［10］Emmanuel J G，Andy B.A morphometric analysis of gullies scoured by post－fire progressively bulked debris flows in southwest Montana，USA［J］.Geomorphology，2008，96:298－309

［11］Martinez－Casasnovasa J A，Ramosa M C，Poesen J.Assessment of sidewall erosion in large gullies using multitemporal DEMs and logistic regression analysis［J］.Geomorphology，2004，58:305－321

［12］Ndomba P M，Mtalo F，Killingtveit A.Estimating gully erosion contribution to large catchment sediment yield rate in Tanzania［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2009，34:741－748

［13］Whitfor J A，Newham L T H，Vigiak O，et al.Rapid assessment of gully sidewall erosion rates in data－poor catchment: a case study in Australia［J］.Geomorphology，2010，118:330－338

［14］胡刚，伍永秋，刘宝元，等.GPS 和GIS 进行短期沟蚀研究初探:以东北漫川漫岗为例［J］.水土保持学报，2004，18(4):16－19

［15］Wu Yongqiu，Cheng Hong.Monitoring of gully erosion on the Loess Plateau of China using a global positioning system［J］.Catena，2005，63(2/3):154－166

［16］Hu Gang，Wu Yongqiu，Liu Baoyuan，et al.The characteristics of gully erosion over rolling hilly black soil areas of Northeast China［J］.Geographical Science，2009，19(3):309－320

［17］何福红，李勇，李璐，等.基于GPS 与GIS 技术的长江上游山地冲沟的分布特征研究［J］.水土保持学报，2005，19(6):19－22

［18］范建容，刘淑珍，周从斌，等.元谋盆地土地利用/土地覆盖对冲沟侵蚀的影响［J］.水土保持学报，2004，18(2):130－132

［19］王小丹，范建容，柴宗新，等.金沙江下游元谋盆地冲沟沟头弯曲度的分形研究［J］.水土保持学报，2001，15(5):65－67

［20］王小丹，钟祥浩，范建容，等.金沙江干热河谷元谋盆地冲沟沟头形态学特征研究［J］.地理科学，2005，25(1):63－67

［21］何毓蓉，黄成敏，宫阿都，等.金沙江干热河谷区(云南)土壤退化机理研究:母质特性对土壤退化的影响［J］.西南农业学报，2001，14(增刊):9－13

［22］杨艳鲜，纪中华，方海东，等.元谋干热河谷早坡地复合生态农业模式效益研究初评［J］.水土保持研究，2005，12(4):88－90

［23］钱方，凌小惠.元谋土林成因及类型的初步研究［J］.中国科学:B 辑，1989，(4):412－418

［24］陈述云，张建云.元谋土林的形成条件及发育速率［J］.云南地质，1994，13(4):383－391

［25］李宝祥.元谋土林初探［J］.玉溪师专学报:自然科学版，1991(1):19－23

［26］钱方，周国兴.元谋第四纪地质与古人类［M］.北京:科学出版社，1991:17－35

［27］南岭.金沙江干热河谷冲沟溯源侵蚀特征与过程研究［D］.成都:中国科学院成都山地灾害与环境研究所，2011:35

［28］郭芬芬，南岭，陈安强，等.干热河谷植被覆盖对雨季地表径流和土壤水分的影响［J］.安徽农业科学，2010，38(16):8554－8558

［29］熊东红.元谋干热河谷土壤裂缝形态特征及发育规律研究［D］.成都:中国科学院成都山地灾害与环境研究所，2008:84