沟床上的草根植被会抑制深潭的形成，但对沟壁侵蚀的减缓作用有限：基于中国西南部干热河谷地区现场实验的案例研究

《CATENA》：Grass roots on gully bed inhibit plunge pool development but have a limited influence on headcut retreat: a case study based on an in-situ experiment in dry-hot valley of southwest China

跌水发育与沟头溯源侵蚀（GHR）受草本根系影响的规律及其水力机制研究。通过干热河谷地区元谋试验区4个不同根系密度的沟头地形，利用无人机实时监测和三维建模技术，分析了根系对跌水形态演变（最大长度、宽度、深度及体积）和GHR的抑制效应。结果表明：单位面积根系质量与跌水形态参数呈显著负相关（R2=0.89-0.99），但对GHR体积影响有限（R2=0.21-0.34）；总能量消耗与侵蚀体积呈显著正相关（R2=0.72-0.88，P<0.01）；根系通过增强土壤抗剪强度抑制跌水发育，但对GHR整体过程的调控作用较弱。

　　本研究探讨了在沟槽头部退缩（Gully Headcut Retreat, GHR）过程中，草根对冲刷形成的水池（Plunge Pool）及其发展的影响。GHR是沟槽侵蚀的关键过程之一，其速率是衡量沟槽发育强度的重要指标。在不同草根条件下进行的现场冲刷实验表明，草根对水池形态的形成具有显著的抑制作用，但对GHR过程的影响却不明显。这一发现为理解草根在沟槽侵蚀中的作用提供了新的视角，尤其是在水池发展和沟槽头部退缩之间的相互作用。

在实验中，研究人员构建了四个具有相似初始地形和土壤特性的沟槽头部模型，并在不同草根密度条件下进行现场冲刷测试。实验结果显示，随着草根质量的增加，水池的形态参数呈现出明显的对数下降趋势，R2值在0.89至0.99之间，但平均深度的变化则不显著。这表明草根对水池的形成有较强的抑制作用，尤其是在水池的扩展方向上。然而，GHR过程并未显示出与草根质量之间存在明显关联，说明草根虽然影响水池的形态，但对沟槽头部退缩的长期影响有限。

水池体积与流体剪切应力之间存在显著的正相关关系（R2为0.23至0.60），而与Darcy-Weisbach摩擦因子呈负相关（R2为0.21至0.34）。这一结果表明，水池的体积在一定程度上受水流动力学参数的影响，而草根的存在则可能通过改变摩擦因子来间接影响水池的发展。此外，水池体积与GHR的总体能量消耗之间也表现出显著的正相关性（R2为0.74至0.88和0.72至0.95），这说明水池和GHR过程在能量消耗方面具有一定的关联性。然而，随着草根质量的增加，水池体积的增长速率逐渐减缓，这表明草根对水池的抑制作用在短期内较为显著。

在实验过程中，研究人员利用无人机（UAV）对水池和沟槽头部退缩的形态变化进行了监测。通过设置地面控制点（GCPs）并使用Agisoft MetaShape Professional软件处理图像数据，研究人员能够精确提取水池和沟槽头部的体积、深度以及形态参数。这一方法不仅提高了数据的准确性，也为后续的定量分析提供了可靠的基础。实验结果表明，水池的长宽比（L/W）在不同草根条件下有所变化，但总体上呈现出一定的规律性。

进一步的回归分析显示，水池体积与剪切应力之间的关系最为显著，R2值高达0.79。这表明剪切应力是影响水池体积变化的主要因素，而草根质量对水池体积的影响则相对较小。尽管草根能够有效抑制水池的形成，但沟槽头部退缩仍可能由其他侵蚀机制驱动，如质量失衡（mass failure）、渗流侵蚀（seepage erosion）和沟槽壁的侵蚀（gully headwall scours）。这些因素可能在实验中导致GHR的持续发生，即使水池的形成受到草根的限制。

研究还发现，草根对水池体积的影响与总能量消耗之间存在负相关关系，R2值为0.21至0.33。这说明随着草根质量的增加，水池体积的增长逐渐放缓，但对GHR的总体影响并不显著。因此，草根虽然在短期内对水池的形成起到一定的抑制作用，但对沟槽头部退缩的长期趋势影响有限。

此外，研究还指出，植被在沟槽侵蚀中的作用主要体现在其对土壤的保护能力上。草根系统能够显著增强土壤的抗侵蚀能力，减少土壤流失和沟槽侵蚀的发生。然而，由于实验条件的限制，研究仅涉及一种草种和四种草根密度梯度，未能涵盖所有可能的植被类型及其根系结构对侵蚀过程的影响。因此，未来的研究需要进一步探讨不同草种和根系结构对沟槽侵蚀的综合影响。

总的来说，本研究通过现场冲刷实验和定量分析，揭示了草根对水池形态和沟槽头部退缩的影响。虽然草根能够有效抑制水池的形成，但对沟槽头部退缩的长期影响有限。这一发现为未来在植被恢复和沟槽侵蚀防治方面的研究提供了重要的参考。同时，研究也指出了实验方法和数据采集方面的局限性，建议在今后的研究中进一步扩大样本量和研究范围，以更全面地理解草根在沟槽侵蚀过程中的作用。