黄土高原坡沟系统土壤侵蚀研究进展

魏霞，李占斌，李勋贵

(1.兰州大学资源环境学院，730000，兰州;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，730000，兰州;3.西安理工大学水利水电学院，710048，西安)

水土流失是黄土高原重要的环境问题之一，黄土高原的水土流失不仅使当地的生态环境变得十分脆弱，而且侵蚀的大量泥沙淤积在下游河道，堵塞了河道，加大黄河下游的洪灾风险，给当地人民生命财产和经济建设造成巨大的威胁;因此，很有必要对该地的水土流失问题进行深入研究。坡沟系统是小流域侵蚀产沙的主要源地，又是控制水土流失，恢复与重建生态环境的基本治理单元，对其侵蚀现象与规律的探究，可以为坡沟水土保持措施优化配置提供科学依据，对于恢复和重建生态环境也具有重要意义［1-2］;因此，历来是黄土高原环境整治中的重要科学命题。坡沟系统是黄土高原流域的基本组成单元，黄土高原坡沟侵蚀产沙关系的研究源于20 世纪50 年代“治坡为主还是治沟为主”的争论，其实质反映了侵蚀规律研究的薄弱［1-2］。半个多世纪以来，随着坡沟系统土壤侵蚀研究的逐渐深入和小流域水土流失治理经验的积累，黄土高原坡沟侵蚀产沙关系的研究在定性和定量研究方面，皆取得了一定的进展。笔者对前人的研究成果进行归纳总结，旨在为相关领域的进一步研究提供参考。

1 坡沟系统土壤侵蚀研究成果

黄土高原可以看作是许多直接汇入黄河干流或其各级支流的沟道小流域组成的集合体。其大的地貌单元可划分为沟间地和沟谷地2 种形态。在黄土高原的任一沟道小流域，从分水岭至沟谷底部的纵向斜坡剖面上，沟间地和沟谷地常沿垂向连续分布;相应地各种侵蚀微地貌也呈现有序的垂向排列格局，将这种由沟间地和沟谷地及各种环境要素所构成的，具有独特结构与功能的垂向空间连续结构体，称之为坡沟系统［3］。

1.1 坡沟系统侵蚀方式与侵蚀形态的垂直分带

按水土流失类型的不同，黄土高原可分为黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、风沙区、土石山区和黄土阶地区等，其中又以黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区的水土流失最为严重［4］。黄土高原侵蚀垂直分布特性直接关系到水土流失综合治理的决策和方针的制订，引起众多科学家的关注。黄秉维［5］、席 承 藩等［6］、朱 显谟［7］、罗 来 兴 等［8］、朱震达［9］、陈永宗等［10］在不同时期，曾就黄土高原土壤侵蚀类型和侵蚀分区等问题进行过深入细致的研究，尤其是朱显谟［7］从土壤侵蚀发生演变的观点，对土壤侵蚀垂直分布给予了要领性的开创研究。承继成［11］通过研究发现，在黄土高原地区，坡地上的冲刷量存在先增强后减弱、而后又逐渐增强的强弱交替变化规律。承继成［11］认为坡地流水作用总体趋势是从分水岭向下由小变大，再由大变小，自分水岭到坡脚划分为微弱侵蚀带、侵蚀强烈带、冲刷带、堆积带。陈永宗等［10］对土壤侵蚀的垂直分带进行了研究，给出了沟道流域横剖面侵蚀方式的垂直分带图(图1)。刘元保等［12］等根据野外考察资料，对黄土丘陵沟壑区侵蚀垂直分带进行了划分。刘秉正等［13］阐明了沟间地与沟谷中沟谷侵蚀发育的异同，从而为黄土高原沟壑区沟谷侵蚀的理论研究和综合治理提供了依据。陈浩［14］给出了黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区横剖面示意图(图2 和图3)，刘阳等［15］从侵蚀形态的垂直分带性规律入手，将坡沟分为峁顶、梁坡上部、梁坡下部、坡沟4 个单元，在各个单元上应用坡面产流方程、产沙方程，并提出用连续变化坐标系的方法以解决坡沟关系中的坡度不断变化的问题，为各种不同地貌、降雨强度等条件下坡沟侵蚀关系的模拟和预测提供了重要参考。王文龙等［16］采用多坡段组合模型，通过室内人工模拟降雨实验，初步研究坡沟系统中片蚀、细沟侵蚀、浅沟及切沟侵蚀的水力、泥沙参数变化及其相互间的关系，以雷诺数、弗劳德数及过水断面单位能量为不同侵蚀方式发生的动力临界指标，初步得出不同侵蚀方式发生的水动力临界值，对揭示坡沟系统土壤侵蚀规律和产沙预报具有重要意义。丁文峰等［17］根据黄土高原坡面从分水岭到坡脚，径流侵蚀产沙方式和产沙强度等特征表现出明显的垂直分带性这一特征，采用自己设计的坡沟系统模型，对坡面不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡侵蚀产沙的影响进行了研究，并建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。以上的研究在坡沟系统侵蚀方式和侵蚀形态的垂直分带方面取得了一定的研究成果;但不难看出，所有的研究都认为坡沟系统的侵蚀方式和侵蚀形态存在着垂直分带，而且定性地给出了坡沟系统的侵蚀从分水岭至沟底依次为微弱侵蚀带、侵蚀强烈带、冲刷带、堆积带，但是并没有给出定量化的研究结果，即不同侵蚀过度带之间相互转化的力学条件。

图1 沟道流域横剖面侵蚀方式的垂直分带性Fig.1 Erosion style ridge-hilly-gully of cross section in gully drainage basin

图2 黄土丘陵沟壑区横剖面示意图Fig.2 Sketch map of cross section of hilly and gully region in Loess Plateau

图3 黄土高原沟壑区横剖面示意图Fig.3 Sketch map of cross section of tableland region in Loess Plateau

1.2 坡沟系统侵蚀泥沙来源

侵蚀泥沙来源问题一直是坡沟系统研究中的相对重要而又欠缺的问题。新中国成立以来，我国先后分别在陇东西峰和陕北绥德建立水土保持试验站，随后在各省区相继设水保站，开始坡沟系统土壤侵蚀的野外定位观测，为研究揭示坡沟系统的土壤侵蚀规律积累了丰富的观测资料。自20 世纪60 年代以来，许多学者对各试验站的小区观测资料进行了统计分析，来定量表达黄土高原不同区域小流域坡沟泥沙的来源问题。蒋德麒等［18］通过研究指出，黄土丘陵沟壑区第一副区韭园沟梁峁坡片蚀、细沟、浅沟为主的侵蚀占总侵蚀量的28.7%。龚时旸等［19］指出，小流域沟间地和农耕地侵蚀量分别占43.3%～61.8%和50%以上。徐雪良［20］得出韭园沟流域沟间地泥沙占30.8%。石辉等［21-22］利用人工模拟降雨发现，REE 示踪法可以比较满意地示踪小流域泥沙来源情况。陈浩等［23］根据坡面水下沟的“净产沙”原理，运用成因分析法分析了小流域泥沙来源，结果表明黄河中游小流域泥沙主要来自于坡面。杨明义等［24］应用137Cs 研究了安塞纸坊沟流域的麦地沟小流域泥沙来源问题，结果表明该流域泥沙主要来源于沟谷地，占流域总产沙量的72.4%。王晓［25］采用粒度分析法对砒砂岩不同侵蚀类型区典型小流域泥沙来源进行了分析计算，结果表明，砒砂岩区小流域泥沙主要来源于沟谷地，占小流域总产沙量的79.39% ～84.89%。刘卉芳等［26］以晋西黄土区7 个典型小流域为研究对象，根据14 a 的定位观测结果，对流域泥沙来源进行了分析，结果表明，沟谷地产沙量占流域总产沙量的60%以上，沟谷地侵蚀模数是沟间地的1.28 ～2.48倍。李勉等［27］根据黄土丘陵区关地沟小流域淤地坝1959—1987 年泥沙沉积旋回变化及各旋回层泥沙中、小流域沟间地和沟谷地表层土体中放射性同位素137Cs 含量，研究了小流域侵蚀产沙变化过程及泥沙主要来源，结果表明，淤地坝内沉积泥沙的70%来源于沟间地。由以上的研究结果可知:由于所选流域和所采用的研究方法不同，研究结果相差较大，甚至截然相反;因此，在坡沟系统泥沙来源问题方面还需要进行大量的室内和野外研究，找出坡沟侵蚀泥沙的主要来源及其动态变化规律。

1.3 上方来水来沙对沟坡土壤侵蚀过程的影响

上方来水来沙对坡沟系统侵蚀的影响也取得相应的研究成果。曾伯庆［28］通过分析山西羊沟道资料得出沟坡地接受沟间地径流的侵蚀产沙量是沟坡地不接受沟间地径流的4.5 倍。陈永宗等［10］分析子洲团山沟黄土沟坡受沟地径流下沟影响的侵蚀产沙量是不受径流下沟影响侵蚀产沙量的5 倍。焦菊英等［29］的观测分析结果表明，山西羊沟道流域沟坡地接受沟间地径流的侵蚀产沙量是沟坡地不接受沟间地径流的1.8 倍。陈浩等［23］定量研究了坡面来水来沙在沟坡上的净产沙量和搬运量及含沙水流的侵蚀特性，提出了坡面水下沟“净产沙增量”的概念，认为坡面来水来沙在小流域产沙中起决定性作用。雷阿林［3］通过建立实体模型，研究了上坡来水对不同坡段产沙的贡献，结果表明上坡来水对坡段产沙地贡献很大，由于上坡来水的作用，梁峁坡的产沙量增大了20.2%～63.5%，谷坡的产沙量增大了42.9%～74.5%。郑粉莉等［30］研究表明:上方来水来沙使细沟侵蚀带的侵蚀产沙量和浅沟侵蚀带的侵蚀产沙量分别增加13.5% ～37.3%和6.5% ～82.8%;上方来水来沙对坡下方侵蚀量增加的多少主要取决于上方来水量及其来水含沙量、降雨特征和下垫面侵蚀状况。郑粉莉等［31］基于室内双土槽径流小区系统，研究了陡坡地上方来水来沙对坡下方有浅沟侵蚀带和无浅沟侵蚀带侵蚀产沙的影响。肖培青等［32］利用变坡度坡沟系统模型和人工模拟降雨试验，分析了不同降雨强度下的坡沟系统产流产沙过程，揭示了坡面沟道侵蚀产沙耦合特征，结果表明，梁峁坡面来水径流量与沟坡净侵蚀量之间呈幂函数关系，梁峁坡面来水含沙量与沟坡净侵蚀量之间呈反线性相关。从以上研究成果可以看出:在坡沟系统的上方来水来沙对坡沟系统的土壤侵蚀过程影响方面，研究者达成共识，一致认为上方来水来沙可增大坡沟系统的土壤侵蚀;但增加的量如何，增加的这一部分的侵蚀量的主要影响因素、变化规律等的研究鲜有报道。因此，在后续的研究中，可以在这些方面进行深入细化研究。

2 草被覆盖及空间分布对坡沟系统土壤侵蚀的影响

坡沟系统是联系坡面和流域的关键，随着土壤侵蚀研究的不断深入，人们逐渐认识到坡面与沟坡在流域暴雨汇流与产沙过程中是不可分割的整体，坡面和沟坡林草措施在坡沟侵蚀防治中起着重要作用，而破坏植被、不合理开垦等人为活动对坡沟系统土壤侵蚀过程起着加剧作用。唐克丽等［33-34］通过对杏子河流域的考察也指出，沟谷陡坡的毁林开荒是该流域土壤侵蚀加剧的重要原因;通过进一步研究指出唯有当沟谷植被破坏殆尽时，其侵蚀强度才将超过坡面的侵蚀强度，可见植被抑制侵蚀作用之显著。李勉等［35-36］通过室内放水试验对坡沟系统坡面不同草被覆盖度及空间配置下，坡沟系统侵蚀产沙过程及变化特征进行了研究，结果表明:小流量时，覆盖度越高，侵蚀产沙量越小;坡面草被不同配置下的产沙量大小依次是:坡上部＞坡中部＞坡下部;大流量时，不同草被覆盖度间的产沙量差异增大，不同草被空间配置下的产沙量变化规律不十分显著;坡沟产沙比随坡面草被覆盖度的增加呈指数增加，大流量比小流量下增加的幅度快。丁文峰等［37］通过室内放水试验研究表明:对试验条件下的每一个放水流量来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势;沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的比例由放水流量2.125 L/min 时的38.13%，增加到放水流量7.185 L/min时的56.01%。李勉等［38］利用实验土槽和放水冲刷试验方法研究了2 种流量(3.2 L/min 和5.2 L/min)、5 种草被盖度(0、30%、50%、70%和90%)坡面及3 种空间配置(坡上部、坡中部、坡下部)下，坡沟系统坡面径流能量的变化过程与特征。结果表明:有草断面比无草断面下的径流动能、势能普遍偏小，变化幅度也较平缓;各断面能耗时间上呈下降—稳定的变化趋势，空间上随着径流流程的增加呈显著增加趋势;坡面流能耗变化过程与径流含沙量变化过程基本一致，裸坡情况下二者关系更为密切。由上述成果可以看出，在草被覆盖及其空间分布对坡沟系统土壤侵蚀的影响研究方面进行的定量研究比较少，主要是李勉等［35-36，38］采用概化的坡沟系统模型进行了一系列的室内模拟研究，得出了一些定性的结论，至于草被覆盖及其空间分布对野外坡沟系统的影响是否也存在类似室内研究结果的结论，还不得而知。

3 淤地坝在坡沟系统土壤侵蚀研究中的应用

淤地坝是指在水土流失地区各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑。过去不同时期内泥沙的来源包含着许多自然环境和人为环境的历史变化信息，而过去时段内的泥沙来源又不可能用现场取河水泥沙样的办法来确定，同时长时期的泥沙连续监测、测量也是不可能的。而且我国黄土区由于其特殊的降雨、地貌条件，从长期来看，流域侵蚀与产沙基本达到平衡，泥沙输移比约等于1，那么黄土丘陵沟壑区于千沟万壑中建立的淤地坝，其坝地泥沙淤积物也能反映坝控流域淤积年限内的自然和人为历史变化信息;因此，利用储存在沉积物中的信息确定泥沙沉积的年代和泥沙来源的时间变化成为可能，可以利用坝地淤积物这一稳定的沉积环境，研究流域产沙、泥沙来源与侵蚀环境变化之间的关系，预测流域的侵蚀、产沙与侵蚀环境变化，评价流域整治效应。因此，从坡沟系统出发，以黄土丘陵沟壑地区的淤地坝系为特色，利用坝库这一稳定的淤积物，研究坡沟系统产沙量、泥沙来源、坡沟产沙比例等，对于深入认识坡沟系统的侵蚀产沙机制，进一步明确小流域坡沟治理的重点和关键具有重要的科学意义和现实意义［39］。

张信宝等［40］根据黄土丘陵区小流域淤地坝记录的信息，利用137Cs 示踪技术研究了黄土高原丘陵沟壑区小流域沟间地和沟谷地的产沙比。孙秋来等［41］对韭园沟流域沟掌淤地坝次暴雨淤积量的调查分析推算该坝控流域坡面侵蚀状况，客观地评价了坡面水土保持措施的作用，为坡沟系统水土流失量的科学估算提出了一种新方法;王晓燕等［42］通过对坝地沉积泥沙137Cs 含量进行分析，结果表明，137Cs含量、沉积厚度与次降雨侵蚀强度、侵蚀类型之间存在密切关系，同时运用沉积样中核素含量特征对流域尺度坡面侵蚀与沟谷侵蚀的比例关系进行初步探讨;魏霞［43］也利用坝地淤积物的分层淤积信息来反演无水文资料地区的降雨情况。这些研究方法为坡沟系统侵蚀研究拓宽了思路。侯建才等［44］根据黄土丘陵区王茂沟流域关地沟3 号淤地坝29 年泥沙沉积旋回变化，以及各旋回层泥沙中、坝控流域沟间地和沟谷地表层土壤中137Cs 的测量，结合淤地坝修建、运行历史资料及次降雨资料，估算了坝控流域沟间地和沟谷地的相对产沙量和坝控流域不同时期的侵蚀产沙强度。李勉等［45］根据黄土丘陵区关地沟小流域淤地坝1959—1987 年泥沙沉积旋回变化及各旋回层泥沙中、小流域沟间地和沟谷地表层土体中放射性同位素137Cs 含量，研究了小流域侵蚀产沙变化过程及泥沙主要来源。由以上的研究成果可知，淤地坝在坡沟系统土壤侵蚀研究中的应用，主要集中在由淤地坝坝地淤积信息来推测坝控流域坡沟系统的土壤侵蚀情况，对于淤地坝对坡沟系统土壤侵蚀的影响研究较少。

4 结语

从黄土高原坡沟系统的侵蚀方式和侵蚀形态的垂直分带性、坡沟系统侵蚀泥沙来源、上方来水来沙对坡沟系统侵蚀过程的影响、草被覆盖及其空间分布对坡沟系统侵蚀的影响、淤地坝在坡沟系统土壤侵蚀研究中的应用等方面对坡沟系统侵蚀研究进行了系统全面的回顾。在当前的相关研究中，需要量化侵蚀带过渡的力学条件和上方来水来沙对坡沟系统土壤侵蚀量及其主要影响因素，加强野外原状坡沟系统试验，进行野外试验与室内试验的相互验证，分析坡沟系统侵蚀泥沙的主要来源及其动态变化规律，开展淤地坝对坡沟系统土壤侵蚀的影响研究。

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