干热河谷区冲沟地貌演化动力机制及其生态治理模式

2019-01-18杨鸿琨苏正安朱大鹏何周窈方海东史亮涛

中国水土保持 2019年3期

杨鸿琨，苏正安，朱大鹏，周涛,3，何周窈,4，方海东，史亮涛

(1.中国科学院/水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；3.中国科学院大学，北京 100049； 4.四川农业大学林学院，四川成都 611130；5.云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南元谋 651300)

冲沟侵蚀是一种重要的土壤侵蚀类型，侵蚀过程中大量泥沙从沟道内被带走，造成严重的水土流失[1]。冲沟侵蚀不仅会引起河道淤塞，导致土壤生产力下降，而且还会毁坏道路桥梁地基，影响地面建筑物的稳定性，严重影响当地居民的生产生活和经济可持续发展，因此对冲沟侵蚀的研究具有重要的现实意义。近年来，国内外学者在冲沟侵蚀方面开展了大量研究工作，在冲沟侵蚀监测方法、冲沟发育的影响因素和过程机理，以及冲沟侵蚀形态变化等方面获得了相当多的研究成果，为干热河谷区冲沟侵蚀研究奠定了良好的基础。目前关于黄土高原区和东北黑土区冲沟侵蚀的发育及发展机理、监测方法、侵蚀模型和防治技术等方面的研究成果较多，但关于干热河谷区冲沟侵蚀的研究成果则相对较少，因此本研究就干热河谷地区冲沟地貌演化动力机制和生态治理模式的研究现状进行了分析，以期能为干热河谷区冲沟侵蚀研究工作提供参考。

1 干热河谷区冲沟发育的环境背景条件

我国干热河谷区面积约有3万km2[2]，主要分布于金沙江、元江、怒江、澜沧江等流域，地形多为高山峡谷，存在热量较高的河谷盆地[3]；位于亚热带气候区，气候干热，降雨量少，蒸发量大，年均气温高，旱季时间长，雨季降水集中且多暴雨[4-5]；区内河湖相地层分布范围较广，以紫红色泥质夹粉砂、细砂沉积物等为主；土壤类型以燥红土和变性土为主，土壤抗蚀性差[6]；生态环境极为脆弱，植被多以扭黄茅、孔颖草、车桑子等耐热耐旱灌木草丛为主。干热河谷区恶劣的自然环境，导致水土流失严重，冲沟大量发育。

2 干热河谷区冲沟地貌演化过程

干热河谷区的冲沟地貌与该区独特的地质地貌条件紧密相关。青藏高原和云南高原的构造运动影响了干热河谷区冲沟地貌的形成[7]。随着亚洲板块和印度板块之间的碰撞挤压，青藏高原与云南高原隆起抬升，形成众多南北走向的山脉和断裂，并发育一系列的断陷盆地。研究表明，干热河谷区盆地的地貌形态经历了隆升剥蚀、盆地的形成与沉积、湖水外泄、现代地貌的发展与演变等4个阶段[8]。各级构造运动后，盆地终止沉降，金沙江水系形成，由于处于河流上游，地形高低起伏，水系下切侵蚀强烈，因而沟谷不断出现和发展。干热河谷区在盆地期间，盆地内有大量的泥沙沉积，形成了具有河湖相沉积特征的岩层[9]。这些地质、地貌条件是干热河谷区冲沟发育和形成的内因，为形成现代干热河谷区冲沟地貌奠定了基础。

干热河谷区特有的气候特征和岩土特性也是冲沟地貌形成与演变的重要因素。干热河谷地区地处低纬度地区，气温高，蒸发能力强，潜在蒸发量远远大于降雨量，比如元江干热河谷区年降雨量为800～900 mm，而潜在年蒸发量却达到2 750 mm[10]；金沙江干热河谷区年降雨量在600 mm左右，而潜在年蒸发量却可达3 640 mm[11]。干热河谷区土壤多为燥红土，部分为变性土，这些表层土壤的入渗性差，不利于植被生长[12]。旱季时，退化的坡地易形成大量裂缝，一旦遇强降雨很容易形成地表股流和壤中流，地表沟蚀发育极快，并最终形成冲沟[13]。

干热河谷区冲沟形成与发育的主要驱动力是水力和重力。在水力和重力的共同作用下，冲沟从坡地或台地边缘的凹岸逐渐发育而成。初期沟道一旦形成，会迅速扩展和演变[14-16]，经过长时间的侵蚀作用，逐渐成为大型冲沟。

冲沟形态会对冲沟地貌的演化过程产生显著影响。冲沟沟壁崩塌和沟头溯源侵蚀会导致相应部位植被难以生长，从而加剧沟道的扩张[17]。干热河谷冲沟沟头是整个冲沟形态变化及产沙最活跃的部位，影响着整个冲沟的形态发展方向[18]。同时，单独的冲沟又会发育成若干个支沟，形成大范围的冲沟地貌[5]。以往针对冲沟地貌，主要采用直接丈量法、测针板等方法进行调查和监测，但是随着观测尺度的扩大，野外工作量急剧增加，急需引进更精确更快捷的测量技术。目前，三维激光扫描技术、RTK-GPS技术、无人机等新技术逐渐被运用于冲沟侵蚀研究，如：DONG et al.[19]采用RTK-GPS手段研究了冲沟形成的临界条件；SU et al.[20]采用三维激光扫描技术结合冲刷试验研究了冲沟沟头的溯源侵蚀过程及其时空变化规律。

干热河谷区发育的冲沟地貌是自然因素和人为活动等联合作用的结果。当地特殊的土壤类型加之土地利用方式变化致使土地易退化而被侵蚀，促进了冲沟地貌的演化[21]。同时，耕作放牧、林地经营和开矿冶炼等强烈的人为活动也对冲沟地貌演化产生了重要影响。

3 干热河谷区冲沟动力机制研究

干热河谷地区的冲沟发育是在水力侵蚀和重力侵蚀共同作用下进行的[22]，且二者在冲沟发育的不同阶段扮演了不同的角色。

3.1 水力侵蚀过程

水力作用是干热河谷区冲沟发育过程中主要的驱动力。目前，径流模拟试验是干热河谷区冲沟侵蚀水动力过程研究中一种重要的研究手段。研究人员多通过径流模拟试验模拟冲沟发育过程，获取土壤侵蚀速率、地形变化和水动力学参数，揭示冲沟发育过程的动力学机制，如熊东红等[23]通过原位径流模拟试验研究了股流作用下冲沟沟头的产沙效应。

在土壤侵蚀过程中，受地形起伏、入渗和植被截流等影响，地表径流是一种复杂的三维非均匀流过程，但为了方便求解，研究人员常常将其简化为一维均匀流进行计算和分析[24]。有学者从力和能量的观点提出了径流剪切力、径流功率和径流能耗等径流理论来分析径流问题[25-27]。由于径流剪切力和径流功率均属于矢量，具有大小和方向，在沟蚀发育动力过程中(尤其是溯源侵蚀过程中)应用存在较多问题[28]，因此近年来径流能耗作为一种标量参数逐渐被引入到冲沟侵蚀动力学过程研究中[4]，并逐渐被广大土壤学者和水土保持学者所认同。在干热河谷区冲沟侵蚀水动力过程的研究中，研究人员也引入了水动力学理论展开模拟试验和理论研究，从而探究冲沟溯源侵蚀的发生机理。SU et al.[4]利用野外径流模拟试验，详细研究了不同放水流量时冲沟集水区的径流水动力特征。熊东红等[23]通过开展不同沟壁形态下的集水区和沟床的水动力学试验，探究了在不同的流量下冲沟沟头土壤侵蚀量与径流水动力特征的关系。相关研究均表明，径流能耗理论在冲沟侵蚀过程中更实用，作为标量，可以通过计算地表股流初始状态和末端状态的能量变化来模拟整个冲沟侵蚀水动力学过程的变化，进而有效预测冲沟侵蚀。但总体而言，目前利用径流能耗、径流剪切力和径流功率等理论来研究干热河谷区冲沟侵蚀过程的研究成果仍然较少，未来还需要开展更加深入、定量化的研究。

干热河谷区植被覆盖会影响冲沟水动力过程，且植被覆盖与土壤含水量、土壤厚度之间存在密切的关系[29]。DONG et al.[30]通过野外调查发现沟道植被的生长状态不仅与土壤、地形有关，而且受到沟头上游径流过程的影响。SU et al.[31]对比了冲沟集水区裸地和耕地的阻力系数和径流能耗的变化特征，证实了冲沟集水区土地利用类型变化会显著改变冲沟沟头的水动力学过程。YANG et al.[32]通过试验证实了沟床草被会对径流水动力特征产生显著影响。这些试验都表明冲沟植被覆盖对冲沟侵蚀过程具有显著影响，同时植被覆盖类型、形式和范围也会影响冲沟水动力过程。

总体而言，目前关于干热河谷区冲沟水动力学机制的研究多以野外原位的径流模拟试验为主。这种试验方法充分还原了冲沟形成的环境条件，但由于较少考虑降雨的直接作用，忽略了降雨对地表的溅蚀作用，以及降雨导致的地表结皮过程，因此在一定程度上没有模拟出真实的侵蚀过程。除此之外，在径流模拟试验过程中，研究人员多将冲沟沟头设置为陡立沟壁，较少关注沟头坡度对冲沟水力侵蚀过程的影响。此外，尽管径流模拟试验可以在短时间内模拟时间尺度较大的径流汇集过程，但弱化了长时间土壤入渗、干湿交替等其他因素对冲沟溯源侵蚀过程的影响。目前为止，研究人员针对干热河谷区冲沟溯源侵蚀的水动力过程开展了一定研究，取得了一定成果，但相应的模拟控制试验手段有待进一步改进。

3.2 重力侵蚀过程

重力作用是干热河谷区冲沟溯源侵蚀和沟壁崩塌过程中的另一个重要的驱动力。冲沟发育过程中重力的动力来源主要是土体自身重力。在冲沟重力侵蚀过程中，土体通过重力克服颗粒之间的黏聚力和摩擦力而向地势低处运动。干热河谷区冲沟的重力侵蚀形式主要为沟壁崩塌[33]。

坡度是影响重力侵蚀过程的一个重要因素。受自身重力影响，当土体沿坡面或滑面向下的自重分量超过土体的抗拉强度或抗剪强度时，则可能发生崩落或崩塌，而土体沿坡面或滑面向下的自重分量又与坡度具有显著的相关关系。干热河谷区冲沟沟壁多呈直立状态，冲沟沟岸的坡度一般较大，满足发生土体崩塌的条件。同时，陡直的沟岸土壤水分条件差，植被覆盖度较低，也会起到加速沟壁崩塌的作用[34]。目前，研究干热河谷区坡度对冲沟重力侵蚀过程影响的难度较大，相关研究成果较少。

干热河谷区冲沟重力侵蚀的发生过程还与土壤类型有关。在干热河谷区，出露地表的土层多为砂性土(燥红土、古红土和砂土)和黏性土(变性土)[16]。相关研究表明，燥红土的抗侵蚀能力主要受到团聚体的稳定性和胶结凝聚力影响，且表现出正相关关系[35]；而变性土的抗侵蚀能力变化特征与土壤中黏粒和黏土矿物含量具有密切的相关关系[36]。张素等[37]在试验中发现土体的平均内摩擦角随着冲沟发育程度的增加而增大，平均黏聚力随着冲沟发育程度的增加而减小，并且土壤中有机质含量的提高会增强土体的抗剪强度。此外，在干热河谷区，人类的频繁扰动，导致燥红土与变形土等不同土壤类型之间混合比例改变，土壤性质也发生不同程度的改变，进一步增加了冲沟发育过程中重力侵蚀研究的难度。

干热河谷区土壤裂缝对冲沟重力侵蚀过程也会产生显著的影响[38]。SINGH et al.[39]在试验中发现土壤水分存在一个分界点，超过这个分界点，土壤结构容易受到力的作用发生破坏，分离而形成裂缝。XIONG et al.[40]研究发现干热河谷区土壤裂隙的连通性会随着土壤含水量的逐渐下降而上升。与此同时，在频繁的干湿交替作用下，土体裂隙会逐渐影响土壤结构，从而导致沟岸崩塌的发生[36]。目前，干热河谷区土壤裂缝试验主要以室内模拟试验为主，试验中对土样的扰动较大，且土样尺寸较小，将来还需要开展野外控制试验，从而进一步探明土壤裂缝在干热河谷区冲沟发育过程中所扮演的角色。

干热河谷区冲沟发育过程中重力侵蚀和水力侵蚀存在一定的相互作用机制。干热河谷区年内降雨量分配不均，降雨时间集中，易形成短历时暴雨。次降雨后土体质量增加，黏聚力和内摩擦系数减小，裂隙进一步扩张直至剪切面贯通，最终土体分离，在冲沟沟壁发生崩塌。除了降雨强度，降雨历时也会对冲沟溯源侵蚀和沟壁崩塌的发生造成巨大影响[41]。因此，干热河谷区冲沟发育过程是水力和重力共同作用的结果。但目前关于干热河谷区冲沟侵蚀过程中重力和水力耦合作用机制的定量研究成果还相对较少，急需进一步开展野外控制试验和原位监测，从而为探明干热河谷区冲沟发育过程奠定基础。

4 干热河谷区冲沟生态治理模式

受气候和土壤性质影响，干热河谷地区植被覆盖度低，土壤表层被铁锰胶膜覆盖，土壤入渗能力远远低于黄土高原等我国其他干旱区，在短历时、高强度降雨作用下极易形成地表股流，并发育形成大量冲沟，从而造成严重的水土流失。绿色植物具有保水固土、改善土壤结构、美化环境等重要作用，植被建设是干热河谷区冲沟治理的最佳方法。

由于干热河谷区生境条件较差，因此在植被品种选择上，应首选适应性强、耐热耐旱的植物进行试验和推广[42]。通过研究人员几十年的探索和研究，已经筛选出十几种适宜干热河谷区的植物物种，并总结了各个物种的适种范围和生长特性。例如，剑麻、银合欢、木豆具有很强的速生性和吸水保水能力，其根系还能改良土壤理化性质，是目前干热河谷区植被恢复过程中应用较为成功的植物物种[43]；车桑子、扭黄茅、孔颖草等乡土物种也被广泛运用于冲沟发育区的生态修复。此外，酸豆(罗望子)、余甘子等乡土物种由于具有抗旱耐瘠的优势，在当地不仅具有改良土壤的生态效益，而且还有较高的经济效益，在干热河谷区也被作为先锋树种用于生态治理[44]。

在干热河谷冲沟发育区进行生态修复时，采用不同植物物种进行搭配的复合治理模式不仅能够保水固土，还能促进植被生长，因此得到了广泛研究和应用[45]。例如，罗望子+木豆+象草组合种植模式、麻疯树(膏桐)+木豆复合种植模式、龙眼+香叶天竺葵和龙眼+台湾青枣复合种植模式不仅能互相促进植被生长，而且还有一定的经济效益[46]。虽然目前干热河谷区已经筛选出了一定数量的适生植被，但具有经济价值的植被多为外来物种，不仅投入成本高，而且还容易造成物种入侵，因此仍需要通过进一步开展控制试验补充和扩大适宜乡土物种的种类和数量，并加强植被配置模式的优选。