《CATENA》：Natural susceptibility and human intervention in gullies sidewalls in tropical environments of southeastern Brazil
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沟蚀研究：热带环境下土壤物理特性与畜牧业交互作用及恢复措施评估
埃斯特万·博图拉·斯特凡努托（Estêv?o Botura Stefanuto）|塞尼拉·玛丽亚·卢皮纳奇（Cenira Maria Lupinacci）|伊戈尔·洛伦佐尼·邦扎尼尼（Higor Lourenzoni Bonzanini）|达尼洛·马奎斯·德·马加良伊斯（Danilo Marques de Magalh?es）|菲利佩·卡瓦略（Filipe Carvalho）|埃斯特拉·纳达尔-罗梅罗（Estela Nadal-Romero）|梅利娜·福希米（Melina Fushimi）|法比阿诺·托马齐尼·达·康塞桑（Fabiano Tomazini da Concei??o）|阿基米德斯·佩雷斯·菲略（Archimedes Perez Filho）
巴西圣保罗州坎皮纳斯市地理科学研究所地理系，卡洛斯·戈麦斯街250号，邮编13083-855
摘要
区分由环境固有脆弱性引起的沟蚀响应和由人类活动引起的沟蚀响应至关重要。本研究探讨了沟壁侵蚀与土壤物理变量及土地利用之间的关系，特别关注畜牧业。沟壁数据在湿润季节和干燥季节均进行了收集和分析，包括颗粒大小、土壤抗渗透性和入渗性。在实施恢复技术前后也编制了土地利用数据。这些数据与三年的沟壁侵蚀监测结果进行了比较。结果表明，具有明显季节性（夏季和冬季）的热带环境也需要仔细考虑过渡期（春季和秋季），因为土壤干燥和裂缝形成会增加侵蚀风险。沙粒成分表现出较高的侵蚀敏感性；然而，细颗粒成分（尤其是粉砂）的作用同样关键，因为它们的存在加上干燥期较高的土壤抗渗透性表明这些区域具有较高的侵蚀潜力。在野外条件下测量的入渗性变化较大，这使得评估其对沟蚀发展的贡献变得复杂。采用简单措施（如围栏保护侵蚀区域）已被证明能有效减少畜牧业牧场中的土壤流失。总体而言，研究结果强调了环境脆弱性和放牧压力的共同作用是热带地区沟蚀的主要驱动因素。认识到这些相互作用对于设计适当的土壤保护策略至关重要。
引言
根据《2022年世界人口展望》，预计到2100年全球人口将达到103亿（联合国，2022年）。与此同时，土壤退化仍然是一个严重问题。联合国粮食及农业组织（FAO，2015年）估计，全球因雨水造成的土壤侵蚀速率为每年20至30亿吨，约33%的全球土壤被认为已经退化。这些数字令人担忧，因为在未来76年内，全球人口预计将增加到109亿，这将进一步增加对自然资源（包括土壤）的需求。
在这种情况下，畜牧牧场尤其值得关注。畜牧业提供了人类所需蛋白质的三分之一以上，并且是大多数发展中国家的主要生计来源（Sakadevan和Nguyen，2017年）。虽然畜牧业对社会有益，但管理不善会导致局部、区域和国家层面的环境问题（Sakadevan和Nguyen，2017年）。在巴西，农业用地占全国土地面积的33%，而畜牧业用地占总土地使用的59%。2023年，22%的巴西牧场活力较低，42%的牧场活力中等，36%的牧场活力较高。鉴于巴西的国土面积，活力较低的牧场约占地3600万公顷（Souza等人，2020年），这一数字值得在侵蚀研究中特别关注，因为这种状况可能导致草地生产力下降、土壤压实以及侵蚀等地貌过程的加剧（Apollo等人，2018年；Torresani等人，2019年）。
关于侵蚀导致的牧场退化，有两种主要观点。一种观点认为问题主要源于人类通过畜牧业的管理干预（Li等人，2019年；Moret-Fernández等人，2021年；Dalzell等人，2022年）。Li等人（2019年）指出，应关注过度放牧的影响。例如，在中国三江源地区，过去一个世纪的侵蚀率从每年每公顷16.7吨增加到过去五十年的每年每公顷99吨，主要原因是放牧压力（Li等人，2019年）。过度放牧还会改变土壤的物理性质：无牛的草地的容重明显低于农田（1.11克/立方厘米），而农田的容重为1.39克/立方厘米（Dalzell等人，2022年）。过度放牧还会影响土壤的水文特性。不同的放牧强度（低、中、高）会改变表层土壤（0-10厘米深度）的入渗能力。高强度放牧会降低土壤水分入渗，而适度放牧则对土壤水文物理性质没有负面影响（Moret-Fernández等人，2021年）。因此，高放牧强度的区域更容易发生径流、溅蚀及相关问题。另一种观点强调土壤物理性质在退化中的作用（Liu等人，2023年；Xing等人，2023年）。例如，研究表明，含有较高比例粉砂（皮尔逊相关系数r = 0.77）和沙粒（r = 0.66）以及较高抗渗透性（r = 0.70）的土壤更容易发生沟蚀。相反，含有较高粘土含量（r = -0.75）、较大凝聚力（r = -0.71）和较高有机质含量（r = -0.89）的土壤则不易发生沟蚀（Xing等人，2023年）。其他研究还表明，颗粒较细的坡地（粘土含量21.05%，粉砂含量45.33%）更容易形成深度迅速增加的沟蚀，而颗粒较粗的坡地（粉砂含量大于2毫米）能够有效抵抗水流的剪切应力（Liu等人，2023年）。
人为因素和土壤物理因素都影响着沟蚀特征的形成和发展（Castillo和Gómez，2016年）。沟蚀的侧壁退缩受多种因素影响。洼地经常通过移除侧壁底部的土壤来引发块体崩塌，从而导致裂缝和悬臂结构失效（Wells等人，2013年；Gutierres等人，2023年）。悬臂结构失效可能是由于剪切、倾倒或应力引起的（Wang等人，2016年）。连续的降雨事件通过使土壤饱和、增加物质重量并在底部发生侵蚀来加剧这一过程（Karimov等人，2015年；Anderson等人，2021年）。水分积聚还会加剧冲刷侵蚀，产生涡流，从而将块体冲走，尤其是在侧壁较高且较陡的情况下（Oliveira，1999年；Huang等人，2025年）。值得注意的是，气候变化导致的更强降雨强度可能会提高沟蚀率（Majhi等人，2025年）。土壤质地也起着关键作用：细质土壤有利于快速侵蚀，而粗质材料则更能抵抗剪切应力（Liu等人，2023年），土壤层侵蚀性的变化和土壤裂缝的存在也会影响侵蚀过程（Hartwing和Alves，2025年）。细颗粒可能会堵塞孔隙通道，引起孔隙压力波动，增加侧壁的不稳定性（Wang等人，2024年）。就土地利用而言，裸露的土壤最容易受到侵蚀，而草地和灌木丛具有缓解作用，牧场的侧壁侵蚀程度低于被灌木覆盖的侧壁（Kang等人，2021年）。
这些发现强调了侵蚀过程的多因性。沟蚀是一种复杂的地貌形态，是自然因素和人为因素共同作用的结果（Castillo和Gómez，2016年）。尽管Rubey（1928年）和Ireland（1939年）的开创性研究已有八十多年历史，但人们对沟蚀动态的理解仍存在显著空白。需要进一步研究来阐明土地利用、土壤学和岩石学特性以及干旱季节土壤行为等因素如何影响这些动态（Dube等人，2020年；Vanmaercke等人，2021年）。此外，区分哪些典型的沟蚀响应源于环境的固有脆弱性，哪些是由人类活动引起的也非常重要（Murray等人，2009年）。
在这方面，巴西圣保罗州的丘陵地带（东南部）有长达六十年的畜牧业用地记录，自1962年以来就有沟蚀的测绘数据（Silva等人，2022年；Stefanuto等人，2022年；Andrade和Lupinacci，2025年）。然而，该地区关于土壤物理特性与土地利用相互作用的研究很少。因此，本研究的新颖之处在于详细尺度的分析以及长期和频繁的监测。
我们的初步假设是，该地区的沟蚀具有天然的土壤侵蚀敏感性，而土地利用加速了其发展。基于此，本研究旨在详细分析沟壁侵蚀与土壤物理变量和人为活动（土地利用）之间的关系。具体目标是：1. 确定哪些土壤物理变量（颗粒大小、土壤抗渗透性和入渗率）对侧壁侵蚀影响最大；2. 评估畜牧业对侧壁侵蚀的影响；3. 评估恢复技术在减少侧壁侵蚀方面的有效性。
研究区域
研究区域位于巴西东南部的科鲁姆巴塔伊（Corumbataí），坐标为南纬22°18′32″，西经47°39′12″，海拔高度在612至721米之间（图1）。从降雨动态来看，1月是最湿润的月份（夏季），8月是最干燥的月份（冬季）。根据历史分析（1983-2012年），1983年的年降雨量最高（2229毫米），2003年的年降雨量最低（1232毫米）。该地区的年平均降雨量为1507毫米（Mello，2014年）。
从地貌学角度来看，研究区域位于...
沟蚀动态
监测的沟壁表现出动态行为，表现为物质损失的变化（图2）。四个时期尤为显著：2021年2月（总物质损失2.93米）、2021年5月（2.33米）、2021年11月（3.42米）和2022年2月（2.83米）。2022年2月之后，物质损失明显减少。在巴西东南部的夏季月份（2021年2月和2022年2月）发生了两次显著的物质损失增加，这与高降雨期相吻合。
讨论
研究结果为热带环境中的沟壁侵蚀提供了新的见解，特别是关于土壤性质、土地利用和畜牧业管理的影响。这些结果有助于在更广泛的地貌学和环境框架内对这些因素进行批判性评估。
监测期间共记录了四次显著的土壤侵蚀事件（图2）。其中两次发生在巴西夏季（2021年2月和2022年2月），与东南部的湿润季节相吻合。
结论
本研究为区分热带地貌系统中沟蚀的自然驱动因素和人为驱动因素提供了新的见解。主要贡献总结如下：
a)在具有明显季节性（夏季和冬季）的热带环境中，过渡期（春季和秋季）也具有显著的侵蚀潜力，因为土壤干燥和裂缝形成。未来的研究应结合粘土矿物学分析和降雨事件进行
作者贡献声明
埃斯特万·博图拉·斯特凡努托（Estêv?o Botura Stefanuto）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，资源获取，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。塞尼拉·玛丽亚·卢皮纳奇（Cenira Maria Lupinacci）：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念化。伊戈尔·洛伦佐尼·邦扎尼尼（Higor Lourenzoni Bonzanini）：撰写 – 审稿与编辑，方法论，形式分析，数据管理。达尼洛·马奎斯·德·马加良伊斯（Danilo Marques de Magalh?es）：撰写 – 审稿与...
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
