黄土高原极端降雨事件中泥球形成的双阈值控制机制与沉积动力学研究

本研究针对黄土高原极端降雨引发的泥球形成机制这一关键科学问题，通过无人机影像与实地测量相结合的多尺度方法，系统揭示了泥球沉积特征与动力过程。研究发现泥球发育受物理源供给和水力输运双阈值控制（重力侵蚀面积比≥5‰，流域高差-沟长比ΔH/L1为6.8-36），首次提出"地貌扰动-分选波动"耦合机制，建立了基于泥球参数的古洪水能量反演方法，为黄土高原侵蚀热点识别和全球泥流灾害链防控提供了理论依据。

　　

在气候变化加剧的背景下，极端降雨引发的土壤侵蚀已成为威胁全球陆地生态系统稳定的重要因素。作为世界上水土流失最严重的区域之一，黄土高原因其疏松的黄土质地、陡峭的地形和集中降雨特征，每年平均侵蚀模数高达2526.27 t/(km²a)。2022年定边县极端降雨事件（最大1小时雨强56.3 mm）中出现的泥球现象，为研究高能流体输运的沉积标记提供了天然实验室。这些由重力侵蚀产生的棱角状黄土碎屑，经过泥流搬运、磨圆后形成的层状泥球，与传统河相环境中的装甲泥球（armoured mudball）具有显著差异——前者具有独特的粉砂-黏土二元结构，其形成机制长期缺乏系统研究。

针对泥球研究中存在的源-动力耦合机制缺失、沿程分选波动归因不足等科学问题，来自国内研究机构的科研团队在《Journal of Ethnopharmacology》发表论文，通过融合无人机航拍与GIS空间分析技术，首次实现了万级泥球集群形态参数的精准提取。研究创新性地提出泥球发育的物理源供给（重力侵蚀面积比≥5‰）与水力输运（ΔH/L₁=6.8-36）双阈值理论框架，揭示了"地貌扰动-分选波动"的耦合机制，建立了基于泥球粒径（29.1-37.1 cm）和球度指数（0.79）的古洪水能量反演方法。

关键技术方法包括：（1）利用无人机航拍获取高分辨率影像数据；（2）结合GIS进行空间分析与参数提取；（3）野外实地测量验证泥球形态特征；（4）构建动态模型模拟泥球形成过程。

【研究结果】

1. 形成过程：通过影像追踪揭示泥球五阶段演化序列——重力侵蚀（源启动）、泥流输运（碎裂改组）、动态分选（形态优化）、沉积稳定（能量耗散）和后期改造（表生演化）。

2. 形态特征：泥球主要呈球形（36%）和碟形（39%），平均粒径29.1-37.1 cm，球度指数0.79。沿程粒径虽总体增大，但因泥流溯源裹挟和地貌扰动导致分选曲线波动。

3. 控制机制：提出双阈值理论——重力侵蚀面积比≥5‰保证物源供给；流域高差-沟长比ΔH/L₁在6.8-36区间确保水力输运能力。

【结论与意义】
该研究突破传统野外观测局限，首次系统阐明黄土高原暴雨泥球的形成机制：其发育受物理源供给和水力输运双阈值控制，沉积过程存在"地貌扰动-分选波动"耦合效应。建立的泥球参数-古洪水能量定量关系模型，不仅为黄土高原侵蚀热点识别提供高精度判据，更对全球泥流灾害链风险评估和防治工程设计具有普适指导价值。研究成果为理解极端气候事件下的地貌演化过程提供了新的沉积学视角。