黄土高原水蚀-风蚀交错区坡面水动力学特性及细沟发育对侵蚀作用的响应

《CATENA》：The response of slope hydrodynamics and rill development to erosion in the water-wind erosion crisscross region of the Loess Plateau, China

间歇性降雨下黄土高原风-水侵蚀交错区不同土壤类型（黄土、砂土）的沟蚀侵蚀模数贡献率达58.54%-78.13%，临界水力参数（流速0.061-0.013 m/s，剪切应力0.459-0.179 Pa）及沟道形态参数（最大沟长30.3%、最大沟宽39.6%）主导侵蚀过程，揭示流功率（R2=0.642）在黄土区更具解释力，而剪切应力（R2=0.595）在砂土区更关键。

　　在黄土高原的风-水侵蚀交错区，沟蚀是坡面土壤和水损失的关键过程之一。尽管这一过程对土壤侵蚀的总体影响已被广泛认可，但其具体特征和内在机制仍存在诸多未知。因此，本研究通过室内土壤冲刷模拟实验，深入探讨了不同降雨强度和土壤类型条件下，坡面沟蚀的泥沙输出、水动力学特性以及形态演变之间的关联性。通过这一系统性研究，不仅有助于理解沟蚀的形成与发展机制，也为区域土壤侵蚀防治提供了科学依据。

### 研究背景与意义

沟蚀是土壤侵蚀的重要形式之一，尤其在黄土高原这样的脆弱生态区，其影响更为显著。黄土高原地区的土壤质地以粉质壤土和沙质土壤为主，其结构较为松散，抗侵蚀能力较差。降雨是沟蚀发生的主要驱动因素，其强度和持续时间直接影响地表径流的形成与演变。特别是在风-水侵蚀交错区，由于土壤结构的脆弱性，降雨事件往往能够迅速引发土壤侵蚀，并通过沟蚀进一步加剧土壤流失。

在实际研究中，已有大量文献探讨了连续降雨条件下沟蚀的发展过程。然而，对于间歇性降雨条件下沟蚀的累积效应和形态演变，研究相对较少。间歇性降雨通常表现为“降雨-停歇-再降雨”的模式，这种周期性的水力冲击会对土壤结构产生持续的影响，削弱土壤团聚体的稳定性，增加地表结皮和土壤颗粒的剥离。因此，理解间歇性降雨条件下沟蚀的演化过程，对于评估黄土高原地区的土壤侵蚀风险具有重要意义。

### 研究方法与实验设计

本研究采用室内土壤冲刷模拟实验的方法，以控制降雨强度和土壤类型为主要变量，系统分析了沟蚀的泥沙输出、水动力学特性和形态演变过程。实验共选择了四种降雨强度（1.0、1.5、2.0和2.5 mm/min）和两种典型土壤坡面条件（黄土坡面和沙覆盖坡面）。通过模拟不同降雨强度和土壤类型的组合，研究人员能够观察沟蚀在不同条件下的发展规律，并进一步探讨其关键控制因素。

在实验过程中，研究人员通过精确控制降雨的持续时间、强度以及间隔时间，模拟了间歇性降雨的典型特征。这一设计有助于揭示间歇性降雨对土壤结构和沟蚀形态的长期影响。同时，为了评估不同水动力学参数对沟蚀过程的解释能力，研究团队还采用了线性回归分析的方法，比较了流速、剪切应力、流能和单位流能等参数与土壤侵蚀速率之间的关系。

### 实验结果与分析

研究结果表明，沟蚀在坡面土壤侵蚀中发挥了显著作用。对于黄土坡面，沟蚀对总坡面土壤侵蚀的贡献率在67.02%至78.13%之间；而对于沙覆盖坡面，这一贡献率则在58.54%至73.56%之间。这一发现说明，无论是在黄土坡面还是沙覆盖坡面，沟蚀都是土壤流失的主要途径，其贡献率均超过50%。这提示我们，在黄土高原的风-水侵蚀交错区，沟蚀的防治应作为土壤侵蚀治理的核心任务。

在水动力学参数方面，研究团队发现黄土坡面的临界流速、临界剪切应力、临界流能和临界单位流能分别为0.061 m/s、0.459 Pa、0.036 N/m/s和0.013 m/s。相比之下，沙覆盖坡面的临界水动力学参数则普遍较低。这一结果表明，沙质土壤对水力作用的响应更为敏感，其侵蚀阈值较低，因此更容易在较低的流速和剪切应力条件下发生侵蚀。这种差异可能与沙质土壤颗粒之间的粘结力较弱、孔隙度较高以及地表覆盖层较薄等因素有关。

进一步的线性回归分析显示，流能对黄土坡面土壤侵蚀过程的解释能力较强，其决定系数（R2）达到0.642，且显著性水平（p）低于0.01。这意味着，流能是影响黄土坡面土壤侵蚀的主要因素之一。而在沙覆盖坡面，剪切应力则表现出更强的解释能力，其R2值为0.595，同样具有显著性。这一结果表明，尽管流能对黄土坡面的侵蚀具有重要影响，但剪切应力在沙覆盖坡面的侵蚀过程中起着更为关键的作用。

此外，研究还发现，沟蚀形态参数在不同土壤类型下的作用存在显著差异。在黄土坡面，沟的最大长度（MRL）和最大宽度（MRW）是影响土壤流失的主要因素，其贡献率分别为30.3%和39.6%。而在沙覆盖坡面，这两个参数的贡献率则更高，分别达到39.6%和41.2%。这表明，沟蚀形态的变化在不同土壤类型下对土壤流失的影响存在差异，且在沙覆盖坡面中，沟的形态参数对土壤流失的控制作用更为突出。

### 沟蚀的演化过程

沟蚀的演化过程可以分为三个主要阶段：初始侵蚀、活跃侵蚀和动态平衡。在初始侵蚀阶段，雨滴冲击和地表径流的冲刷作用会形成微小的沟槽，为上游侵蚀提供条件。随着降雨的持续，这些微沟槽会逐渐被加深和拓宽，进入活跃侵蚀阶段。在这一阶段，沟蚀的形态和深度迅速增加，泥沙输出量也随之上升。最终，当侵蚀和沉积达到动态平衡时，沟的形态趋于稳定，泥沙输出量趋于平稳。

在整个沟蚀演化过程中，上游侵蚀、沟壁侵蚀、沟底侵蚀以及沟间侵蚀等过程相互作用，共同塑造沟的长度、宽度、深度和横截面形态。这些过程的动态变化不仅影响沟的形态发展，还通过改变局部水动力条件，对沟蚀的演变产生反馈调节作用。因此，沟蚀的演化过程不仅是一个物理过程，更是一个复杂的生态系统过程，涉及土壤结构、水动力学条件和侵蚀机制的多重相互作用。

### 间歇性降雨的累积效应

研究还发现，间歇性降雨对土壤侵蚀具有显著的累积效应。在模拟实验中，第一次降雨事件的土壤流失率相对较低，这主要归因于初始土壤结构的完整性以及土壤团聚体的稳定性。然而，随着间歇性降雨的持续，土壤结构逐渐被破坏，土壤颗粒的剥离和搬运能力增强，导致土壤流失率在第二次和第三次降雨事件中显著上升。这种累积效应不仅体现在土壤流失量的增加上，还表现为沟蚀形态的持续发展。

间歇性降雨的累积效应主要源于其对土壤结构的反复冲击。在每次降雨事件中，土壤表面会被湿润，随后经历停歇期，导致土壤颗粒之间的粘结力下降。当再次降雨时，土壤更容易被冲刷，形成新的沟蚀。这种“湿-干”循环过程会持续削弱土壤的抗侵蚀能力，使土壤更容易发生结构性破坏和表层剥蚀。因此，间歇性降雨不仅是一种短期的侵蚀驱动因素，更是一个长期的侵蚀累积机制。

### 不同土壤类型的侵蚀响应差异

研究还指出，不同土壤类型对间歇性降雨的侵蚀响应存在显著差异。黄土坡面由于其较强的颗粒粘结性和相对较高的孔隙度，其抗侵蚀能力较强，但对间歇性降雨的响应较慢。相比之下，沙覆盖坡面由于颗粒之间的粘结力较弱，且土壤结构较为松散，对降雨的响应更为迅速。因此，在相同降雨条件下，沙覆盖坡面的土壤流失率通常高于黄土坡面。

此外，土壤类型对沟蚀的形态演变也产生了重要影响。在黄土坡面，沟的形态较为规则，其长度和宽度的增长速度相对稳定。而在沙覆盖坡面，沟的形态变化更为剧烈，其长度和宽度的增长速度更快，且在降雨结束后仍能保持较高的侵蚀速率。这种差异可能与土壤颗粒的物理性质、土壤结构的稳定性以及地表覆盖条件等因素有关。

### 研究意义与展望

本研究通过系统分析间歇性降雨条件下沟蚀的泥沙输出、水动力学特性和形态演变，揭示了沟蚀在不同土壤类型下的发展规律和关键控制因素。研究结果表明，流能和剪切应力是影响沟蚀过程的重要水动力学参数，且在不同土壤类型下，其作用机制存在差异。同时，沟蚀形态参数在不同土壤类型下的贡献率也有所不同，这为理解沟蚀的形成与演化提供了新的视角。

未来的研究可以进一步探讨不同降雨模式（如短时强降雨、持续性降雨等）对沟蚀的影响，以及气候变化背景下降雨特征的变化如何影响沟蚀的发展。此外，还可以结合遥感技术和地理信息系统（GIS）对实际坡面的沟蚀情况进行监测和建模，从而实现对土壤侵蚀过程的更精确预测和管理。通过这些研究，我们能够更好地应对黄土高原地区日益加剧的土壤侵蚀问题，为生态保护和可持续发展提供科学支持。