沟壑发育对山地流域林道-溪流路径沉积物传输效率的驱动机制研究

针对山地流域林道侵蚀沉积物通过不同路径（沟壑化/部分沟壑化/扩散路径）向溪流迁移的水文生态问题，研究团队通过模拟含沙径流冲刷实验（0-15 g L?1），定量揭示沟壑比例（0%-100%）对水动力参数（流速、剪切力）和沉积物传输效率（STE）的影响，建立预测模型STE=0.575–0.014SC+0.490GP（R2=0.915），为控制路径沟壑发育提供科学依据。

　　

山地流域的林道系统在提供交通便利的同时，也成为沉积物输出的重要来源。这些沉积物通过沟壑化、部分沟壑化或扩散路径迁移至溪流，不仅造成道路结构破坏，更引发水质恶化、栖息地退化等连锁生态反应。尽管前人关注过林道本身的侵蚀特征，但对沉积物从"源"到"汇"的传输动态，尤其是路径沟壑发育程度如何影响传输效率这一关键科学问题，仍缺乏定量研究。

中国大别山河南森林生态系统国家野外科学观测研究站的研究团队，在香茶沟流域开展了一项创新性实验。通过人工构建6种沟壑比例（0%-100%）的传输路径，结合4种含沙浓度（0-15 g L^?1）的径流冲刷试验，首次系统量化了沟壑发育对沉积物传输效率（STE）的驱动机制。研究发现：当沟壑比例从0%增至100%时，平均径流速度呈指数增长（增幅达300%），径流剪切力线性增加；而沉积物浓度每升高5 g L^?1，STE下降7.3%。这些发现发表在《CATENA》期刊，为优化水土保持措施提供了理论支撑。

研究采用野外原位控制实验法，在统一坡度的林道-溪流山坡上人工设置6种沟壑比例的传输路径。通过流量控制装置生成含沙径流（0/5/10/15 g L^?1），测量水动力参数（流速v、剪切应力τ、径流功率ω）和沉积物通量，计算侵蚀-沉积比（SER）和传输效率（STE）。数据采用多元回归分析建立预测模型。

【水动力特征变化】沟壑发育显著改变径流动力学：100%沟壑路径的径流能量比0%路径高4.8倍，剪切应力增长斜率达0.78 Pa/10%GP（沟壑比例）。高含沙浓度（15 g L^?1）使雷诺数（Re）降低至3800，导致湍流强度减弱。

【沉积物传输规律】SER在80%沟壑路径接近1（侵蚀-沉积平衡），而在高含沙量时降至0.3（沉积主导）。STE与沟壑比例呈正相关（R²=0.82），但受含沙浓度负向调节，表明二者存在交互效应。

【预测模型构建】建立的STE=0.575–0.014S_C+0.490G_P模型显示，沟壑比例的贡献系数（0.490）是含沙浓度（-0.014）的35倍，证实沟壑发育是控制传输效率的主控因子。

该研究突破性地揭示：沟壑发育通过指数级提升水动力强度（如100%沟壑路径的径流功率达2.4×10^?3 kg m^?1 s^?1），使STE最高提升至78.5%；而含沙浓度通过增加流体粘滞性抑制传输，这种双重调控机制为理解"离场效应"提供了新视角。建议通过植被恢复控制路径沟壑化（如保持GP<40%），结合分散径流措施（如修建消能坎），可降低STE达60%。这些发现对山地流域生态修复具有重要指导价值，特别是为《全国重要生态系统保护和修复重大工程规划》中的"森林质量精准提升工程"提供了科学依据。