中国东北黑土区不同地形条件下各沟壑类型的形态特征及面积—体积关系

《CATENA》：Gully morphology and area–volume relationships across gully types under different topographic conditions in the Mollisol region of Northeast China

　　

• 谷底沟的体积更大，贡献汇水面积为坡面沟的11.2倍。
• 在所有组别中，平面面积是沟蚀体积的最强预测因子。
• 沟型影响了体积水平，但不影响体积-面积（V–A）标度斜率。
• 不同流域之间的V–A斜率存在显著差异。
• 流域特定模型改善了拟合效果，支持本地化校准。

**引言**

沟蚀是最具破坏性的土壤侵蚀形式之一，也是景观退化与土地生产力下降的重要驱动因素（Vanmaercke等，2021）。沟蚀通常由集中径流引发，一旦形成便难以通过常规耕作措施消除。其发育过程通常涉及沟头后退、河道下切和岸坡崩塌（Poesen等，2003）。尽管沟蚀一般仅占流域面积的很小一部分，但其对泥沙产量的贡献却远超其面积比例，并通过增强坡面-谷地的水沙连通性、破碎耕地以及促进下游泥沙传输，对农业生产与流域环境产生持续性影响（Bennett和Wells，2019）。沟蚀形态和体积分别表征沟蚀的几何形态和侵蚀量，因此准确量化沟蚀形态和体积对于理解不同环境条件下沟蚀差异以及估算侵蚀量至关重要。

可靠的形态测量是沟蚀形态和体积表征的基础。传统野外调查通常确定沟长，并沿河道测量一系列横断面以获取沟宽、沟深和横断面面积，进而估算沟体积。已有研究表明，此类测量的精度强烈依赖于横断面间距和河道形态的复杂性（Casalí等，2006；Castillo等，2012）。近年来，三维激光扫描、无人机摄影测量和高分辨率数字高程模型大幅提升了三维沟蚀形态和体积变化的量化能力。例如，地面激光扫描可生成高分辨率河道地形，从中可提取多种形态参数；而多时相DEM差分则可直接估算体积侵蚀变化（Raj等，2022；Wu等，2018）。基于这些方法，沟长、沟宽、沟深、平面面积和体积已成为沟蚀形态最常用的描述参数。

已有研究表明，不同区域和环境条件下的沟蚀形态存在显著差异（Adediji等，2013；Galang等，2010；Marzolff和Poesen，2009；表1）。Dube等（2020）综合了全球53项研究，发现沟蚀形态在大陆尺度上存在显著差异。例如，大洋洲沟的平均长度约为1201 m，但平均深度仅为0.88 m；亚洲沟的平均宽度达21.9 m，非洲沟的平均深度达6.3 m。澳大利亚、俄罗斯和埃塞俄比亚的单项研究也报告了沟蚀形态尺度上的显著差异（Frankl等，2013；Mu?oz-Robles等，2010；Panin等，2009）。这种差异也出现在大致相似的环境条件下；例如，中国东北黑土区的研究报道了沟长、沟宽、沟深和沟体积的显著差异（Liu等，2023；Tang等，2022）。此外，单个形态参数对贡献汇水区地形和其他环境条件的响应可能各不相同（Chen等，2024）。这些发现表明，沟蚀形态的空间变异性需要结合沟发育的具体地貌背景和贡献汇水区条件来解释。

沟蚀形态、形成环境和发育特征的多样性导致了众多沟蚀分类方案。早期分类主要基于河道平面形态、沟头形态和横断面形态（Ireland等，1939）；后续方案则扩展到河道保存特征、形成过程、土地利用背景和地貌位置（Bennett和Wells，2019；Poesen等，2003；Thwaites等，2022）。这些分类方法强调了沟蚀系统的不同方面。基于形态的分类主要描述河道几何特征；基于过程与土地利用的分类更侧重于侵蚀发生的背景；而基于地貌位置的分类则强调沟在坡面-谷地系统中的位置及其相关的径流汇聚条件。从这一视角出发，已有研究按沟发生在坡面、谷侧或谷底进行分类（Grissinger，1996；Liu等，1988；Morgan，2009）。不同区域的研究进一步表明，占据不同地貌位置的沟在形态尺度、河道连续性和径流汇聚条件上往往存在显著差异（Brooks等，2009；Gao等，2024；Ioni??等，2021）。因此，地貌位置为区分沟型和理解其形态差异提供了重要框架。

沟体积是衡量侵蚀量的关键指标，但其直接测定通常需要密集的横断面测量或高精度的三维地形数据，这限制了其在较大范围或历史三维数据不可用情况下的应用（Kompani-Zare等，2011）。因此，研究者投入了大量精力利用可较易从遥感影像中获取的二维形态变量来估算沟体积。沟长主要代表河道的纵向延伸，而平面面积则包含纵向延伸和横向扩展两方面信息，因此许多研究证明平面面积对沟体积具有更强的预测能力。体积-长度（V–L）与体积-面积（V–A）关系的比较同样表明，平面面积通常能提供更好的体积估计（Li等，2017；Liu等，2025）。

基于上述关系，不同区域的研究一致报告了沟平面面积与体积之间存在强幂律关系，但标度指数β变化较大，已发表的值约为1.15–1.44（Li等，2017；Liu等，2025；Liu等，2023；Yibeltal等，2019）。东北黑土区、中国黄土高原和埃塞俄比亚的模型参数各不相同，同一区域内的不同沟型之间也报告了参数差异（Guo等，2024）。这些发现表明，幂律V–A关系对沟体积估算具有广泛潜力，但其拟合参数在区域和沟型之间有所不同。因此，平面面积与体积之间的转换可能具有一定程度的情境依赖性，V–A模型在不同沟型和环境条件下的稳定性与适用性仍缺乏充分的认识。

沟蚀在中国东北黑土区广泛分布，坡面沟和谷底沟在不同地形条件下共存，包括较缓的丘陵地、较陡的丘陵地和低山丘陵区。这一组合为比较不同沟型和地形条件下沟蚀形态及面积-体积关系提供了合适的研究基础。已有研究通过区域调查和代表性流域的详细调查，考察了该区域沟蚀形态、空间分布、侵蚀量及面积-体积关系（Gao等，2024；Liu等，2023；Tang等，2022）。然而，多数已有研究单独探讨沟蚀形态、环境控制因子或体积估算。因此，目前尚不清楚不同地貌位置下的沟型和不同地形条件下的流域是否在形态和贡献汇水区地形特征上存在系统性差异，以及V–A模型参数的观测差异是否具有统计显著性且足够明显以支持建立分组的体积估算模型。

据此，本研究探讨两个相关问题：（1）坡面-谷地系统中的地貌位置以及不同地形条件是否对应沟蚀形态和贡献汇水区地形特征的系统性差异；（2）不同沟型和流域之间的V–A关系是否存在显著差异，以及这些差异是否提供了足够的统计支持以建立分组特定模型。因此，我们提出两个假设：（1）坡面沟和谷底沟，以及不同地形条件下的沟，在形态参数和贡献汇水区地形特征上表现出系统性差异；（2）不同沟型和流域之间的V–A关系存在差异，且分组特定建模能改善模型性能。为检验这些假设，我们调查了东北黑土区三个不同地形条件农业流域中的110条野外调查沟。我们比较了不同沟型和流域之间的形态参数和贡献汇水区地形特征，考察了沟蚀形态与沟特定贡献汇水区条件之间的关系，并使用合并模型、沟型特定模型和流域特定模型结合正式统计比较，评估了V–A关系的差异。该框架用于评估面积-体积标度的组间差异以及合并模型与分组特定体积估算模型的适用性。

**研究区域与流域选择**

沟蚀在中国东北黑土区广泛分布，主要发生在以丘陵地和低山丘陵区为特征的农业区域（Liu等，2023；Tang等，2022）。为比较不同地形条件下沟蚀形态、贡献汇水区地形特征及面积-体积关系，本研究选取了相府（XF）、双胜（SS）和孔家（KJ）三个农业流域进行野外调查（图1）。

**不同沟型与地形条件下沟蚀形态与贡献汇水区特征**

为比较不同沟型之间以及不同流域之间的形态差异，并进一步考察沟蚀形态与沟特定贡献汇水区地形条件之间的关系，分析按沟型、流域和单条沟依次进行。

**不同沟型与地形条件下沟蚀形态差异**

本研究揭示了两种沟型之间明显的形态差异。坡面沟（HGs）和谷底沟（BGs）在主要形态参数——包括长度、宽度、深度、平面面积和体积——上存在显著差异。BGs这些参数的平均值约为HGs的1.8至11.2倍，其中体积的相对差异最大。其他区域的研究也报告了类似的形态差异。一项调查表明

**结论**

本研究表明，沟蚀形态在不同地貌位置上存在差异，而面积-体积关系在不同地形条件下的流域间差异更为明显。主要结论如下：

（1）坡面-谷地系统中的地貌位置是理解沟蚀形态差异的重要依据，而不同形态维度在不同流域间并未表现出一致的变异模式。谷底沟的贡献汇水面积为……

**作者贡献声明**

杨安安：撰写-初稿、可视化、方法、调查、数据整理、概念设计。刘宝源：撰写-审阅与编辑、监督、基金获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文工作的已知经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家重点研发计划（2021YFD1500704）资助。

杨安安 | 刘宝源