在砍伐和烧毁的土壤上，土壤剥落速率与径流沉积物亏缺量之间的关系以及这种关系随沟长（rill length）的变化

《CATENA》：Relationships between soil detachment rate and flow sediment deficit with rill length on deforested and burned soil

研究揭示了烧毁和砍伐迹地中沟道长度对土壤剥离率（Dr）及流动沉积亏损（FSD）的影响规律，发现上游Dr最高（平均0.072 kg m-2 s-1），下游随沟道延伸显著降低（降幅达64%），并通过剪切应力与流功率建立高精度预测方程（NSE>0.89）。

　　土壤侵蚀是自然环境中一个复杂且重要的过程，尤其在陡峭的山坡和长距离的坡面上更为显著。在农业、林业以及城市区域，这种侵蚀形式可能导致严重的土地退化，影响生态系统的稳定性和人类活动的安全性。其中，沟蚀（rill erosion）作为一种常见的侵蚀形式，其发生和发展与土壤颗粒的剥离速率（soil detachment rate, Dr）密切相关。Dr的分布和变化不仅影响沟蚀的强度，还决定了表层径流中沉积物的量和浓度。因此，理解Dr在沟长度上的变化规律，对于预测和管理沟蚀过程具有重要意义。

在自然条件下，土壤的剥离速率受到多种因素的影响，包括坡度、水流速度、水深以及土壤本身的物理特性。当水流流经沟蚀区域时，其动能和剪切力是决定土壤颗粒能否被剥离的关键因素。通常情况下，沟的上游部分由于水流能量较高，剥离速率也相对较大，而随着水流向沟的下游移动，由于沉积物的累积和运输能力的降低，Dr会逐渐减少。这种变化模式揭示了沟蚀过程中存在一种反馈机制，即随着沉积物的输送，水流的侵蚀能力也会随之减弱，从而影响后续的土壤剥离过程。

然而，在经历了强烈干扰的环境中，如火灾和森林砍伐后，沟蚀的自然速率可能会显著增加。这些干扰不仅破坏了原有的植被覆盖，还改变了土壤的物理结构和稳定性，使得沟蚀更容易发生并迅速发展。在这些条件下，Dr的变化趋势可能与自然状态下有所不同，甚至在某些情况下表现出更强烈的波动。因此，有必要在这些特殊环境中开展更深入的研究，以了解Dr在沟长度上的变化规律，并建立相应的模型。

本研究的重点在于分析Dr在不同沟长度下的变化情况，并探讨沟流沉积物亏缺（flow sediment deficit, FSD）这一重要变量在沟长度上的分布特征。FSD指的是沟的两个极端点之间的Dr差异，它被认为是沟流侵蚀能力的重要指标之一。在传统的研究中，FSD的探讨较为有限，因此，本研究通过实验渠道（flume）和现场采集的土壤样本，对Dr和FSD在不同沟长度下的表现进行了系统性的测量和分析。实验渠道的长度为3.5米，而沟的长度被设定为0.75米、1.5米和2.5米三种，以模拟不同规模的沟蚀过程。

实验过程中，研究人员对三种不同的坡度（5.4%、15.5%和21.2%）以及五种不同的流量（0.55 L m?1 s?1、0.65 L m?1 s?1、0.74 L m?1 s?1、0.83 L m?1 s?1和0.94 L m?1 s?1）进行了测试。这些条件被选择以反映北伊朗地区在火灾和森林砍伐后可能出现的典型环境特征。实验结果显示，Dr在沟的上游部分达到最大值，而在下游部分则显著降低。对于0.75米长的沟，Dr下降幅度最大（-64%），而对于2.5米长的沟，Dr的下降幅度最小（-9.5%）。这表明，沟的长度在一定程度上影响了Dr的变化趋势，尤其是在水流能力较强的情况下。

此外，研究还发现，Dr的变化可以用幂函数进行高精度的估算，其输入变量包括剪切力和水流功率。在这些模型中，剪切力的Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）超过了0.94，而水流功率的NSE则超过了0.89。这些结果不仅为沟蚀过程的建模提供了理论支持，也为土地管理者和水文学家在森林生态系统受损区域的土壤保护提供了实践指导。特别是在火灾和森林砍伐后，由于自然侵蚀速率的显著增加，Dr的变化趋势可能更加复杂，因此，建立准确的模型对于预测和控制沟蚀具有重要的现实意义。

本研究的实验设置具有一定的创新性，它允许对不同长度沟的Dr进行精确的量化分析。通过实验渠道模拟沟蚀过程，研究人员能够在控制条件下测量Dr，并观察其在沟的不同位置的变化情况。这种实验方法不仅能够提供高质量的数据，还能够揭示Dr与沟长度、坡度以及流量之间的复杂关系。实验结果显示，Dr在沟的上游部分达到最大值，而在下游部分则逐渐减少，这与水流能力的变化密切相关。随着沟长度的增加，Dr的变化趋势也表现出一定的规律性，例如在较长的沟中，Dr的下降幅度较小，这可能与沉积物的累积和水流的稳定有关。

在沟的下游部分，由于沉积物的积累，水流的侵蚀能力逐渐减弱，这导致Dr的下降。这种现象在火灾和森林砍伐后的环境中尤为明显，因为这些干扰会显著降低土壤的稳定性，增加沟蚀的发生概率。研究还发现，Dr的变化不仅受到沟长度的影响，还受到沟的坡度和流量的调节。例如，在较高的坡度和较大的流量条件下，Dr的变化幅度更大，而在较低的坡度和较小的流量条件下，Dr的变化幅度则较小。这些结果表明，Dr的变化是一个多因素共同作用的结果，需要综合考虑各种环境变量。

为了更好地理解沟蚀过程，研究人员还探讨了FSD在沟长度上的分布特征。FSD的测量结果表明，沟的两端之间的Dr差异在沟长度较短时更为显著，而在沟长度较长时则相对较小。这可能与沟的形态、水流的分布以及沉积物的输送能力有关。此外，研究还发现，FSD的变化可以用简单的数学模型进行预测，这些模型能够帮助研究人员在不同的环境条件下评估沟蚀的强度和趋势。

在实际应用中，这些模型可以被整合到基于物理机制的侵蚀模型中，以提高对沟蚀过程的预测能力。特别是在经历了强烈干扰的环境中，如火灾和森林砍伐后的区域，这些模型能够帮助土地管理者制定更有效的土壤保护措施。例如，通过了解Dr在沟长度上的变化趋势，管理者可以采取针对性的措施，如在沟的上游部分加强土壤保护，以减少沟蚀的发生和扩展。此外，通过预测FSD的变化，管理者可以更好地评估沟流的侵蚀能力，并采取相应的措施，如在沟的下游部分增加植被覆盖，以提高土壤的稳定性。

研究还发现，Dr的变化趋势在不同环境条件下可能有所不同。例如，在自然状态下，Dr的变化可能相对平缓，而在火灾和森林砍伐后的环境中，Dr的变化可能更加剧烈。这表明，Dr的变化不仅受到沟长度的影响，还受到环境条件的调节。因此，在制定土壤保护措施时，需要充分考虑这些环境变量，以确保措施的有效性和可持续性。

总的来说，本研究通过实验渠道和现场土壤样本的测量，揭示了Dr在沟长度上的变化规律，并探讨了FSD在沟蚀过程中的作用。研究结果表明，Dr的变化可以用幂函数进行高精度的估算，而FSD的变化则可以用简单的数学模型进行预测。这些模型不仅能够帮助研究人员更好地理解沟蚀过程，还能够为土地管理者提供实用的工具，以制定有效的土壤保护措施。特别是在经历了强烈干扰的环境中，这些模型的应用对于控制沟蚀的扩展和减少土壤损失具有重要意义。