元谋干热河谷微流域细沟形态特征及控制因素

李响， 邓青春， 张斌†， 刘辉， 刘刚才， 罗明良

(1.西华师范大学国土资源学院，637009，四川南充； 2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，610041，成都)

元谋干热河谷微流域细沟形态特征及控制因素

李响1， 邓青春1， 张斌1†， 刘辉1， 刘刚才2， 罗明良1

(1.西华师范大学国土资源学院，637009，四川南充； 2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，610041，成都)

细沟侵蚀的特征、过程及形成机理研究一直是土壤侵蚀与沟蚀地貌学领域的研究热点。为了从微流域的尺度揭示细沟发育的特征及控制因素，以云南省元谋县秃秃瘠梁子某微流域为例，实地调查影响细沟形成的因素，通过野外测绘及ArcGIS9.3流域分析获取细沟及微流域形态参数。结果表明：细沟横断面宽度为0.22～0.75 m，深度为0.061～0.512 m，面积的变化范围为68.01～1 777.28 cm2，宽深比的范围为0.848～3.517。细沟左、右沟沿线与沟底线皆于第1～8 m、第20 m至沟口的两段距离内大幅度变化，而在第8～20 m内变化不明显。细沟汇水面积与横断面面积间存在正相关关系。细沟的横断面宽度、深度及面积随距沟头距离的变化而变化，该变化不稳定但具有一定的趋势性。细沟坡面较缓处植被生长稀疏或者无植被生长，而沟口处坡度虽缓却生长植物。以上结果皆缘于汇流面积、局地坡度及植被的耦合作用。本研究不仅在理论上揭示微流域尺度细沟的形态规律及发育机制，也在实践上对水土流失的防治提供科学指导。

干热河谷； 微流域； 细沟； 形态； 影响因素

作为土壤侵蚀的基本类型之一，细沟侵蚀的特征、过程及其形成机制一直是土壤侵蚀与沟蚀地貌学的研究热点。细沟是发育在坡地上一种常见的微地貌形态[1]，可因耕作活动或季节更替而发生变化,甚至消失[2]。细沟侵蚀是在已形成细小沟道的坡面上发生的土壤搬运过程，其发生原因主要是坡面本身所具有的起伏形态、浅层洞穴的崩塌、降雨过程中形成的小跌坎以及坡面径流的下切。地表径流不均匀地侵蚀土壤表面，出现多个相邻且细小的渠道，渠道的进一步发育促使细沟侵蚀发生[3]。细沟侵蚀受到地形条件、降水、土壤性质、植被等单因素以及不同因素组合的多重影响[4]。细沟侵蚀一般发生在距坡顶一定距离处，或者主要集中于裸露的斜坡或陡崖上；其发展过程受水流汇聚的影响，当汇流量达到一定阈值时细沟出现[5]。降雨、坡度以及坡长的交互效应对流水速度影响显著[6]。土壤侵蚀的根本动力是降雨，由降雨强度、降雨量以及径流形态3方面产生综合效应[7]。作为沟蚀的初始侵蚀形态，细沟一旦形成，坡面水流的侵蚀力以及搬运力均将大于雨滴和片状水流的侵蚀力和搬运力，使土壤侵蚀量大幅度增加，致使沟蚀发育极其活跃[8]。坡度是影响细沟发育的地形条件之一。细沟发育中显著变化的宽度和深度可能与斜坡的显著变化相关[9]。细沟宽度扩展的主要原因是细沟壁的坍塌以及径流速率[10-11]，宽度变化可能不受坡度的系统性影响[12]。细沟宽度扩展到一定程度，细沟流速与细沟泥沙流速相等，从而形成稳定的细沟宽度[13]。细沟深度的变化不仅与沟内流水的剪切力有关[10]，而且受作用于径流深度的分布[14]。细沟长度是细沟侵蚀发育过程中的主要规模参数之一[15]，由溯源侵蚀及坡长决定[10]。细沟形成过程中，其长度、宽度与深度的变化具有不确定性，细沟的横断面通常也是不规则的[16-17]。土壤质地及其抗冲性、植被覆盖的差异，也对细沟的发育具有重要影响[18-19]。

元谋干热河谷土壤侵蚀具有面积广、强度大、产沙能力强等特点，对本区土壤侵蚀的研究始于20世纪80年代，早期开展了关于土壤侵蚀过程和机制的研究。元谋干热河谷具有典型的干热特征，气候具有典型的非地带性，多年降水量的变化既是基于大气环流和全球气候变化背景，又与下垫面性质的改变具有密切的联系[20]。该区年蒸发量是年降水量的6倍以上，植被以稀树草原为主，生态环境恶劣，水土流失严重。目前对干热河谷土壤侵蚀的研究主要集中在土壤侵蚀机制和土壤侵蚀环境效应方面，而对本区域细沟特征、演化过程及形成机制的研究、特别是基于微流域尺度的研究极为少见。微流域是最小的水文单元，由坡面和沟道组成，较之普遍意义上的小流域更小，面积在0～0.1 km2之间。笔者基于野外实地测量所获得的数据并运用ArcGIS 9.3软件及Microsoft Excel 2003软件计算出研究区微流域面积，以位于该微流域内的细沟为研究对象。本文目标在于从微流域的尺度揭示细沟发育的特征及控制因素，其结果不仅在理论上揭示微流域尺度细沟的形态规律及发育机制，也在实践上对水土流失防治提供科学指导，例如在侵蚀强烈的阶段，草本与灌丛具有良好的保持水土效果，因而要重视生态恢复对水土流失的防治作用。坡度对水土流失的影响较大，坡度大的区域水土保持工作的难度较大，因而可以首先选择坡度较小的区域进行生态恢复以减弱水土流失强度。

1 研究区概况

元谋干热河谷地处金沙江一级支流龙川江下游，在E 101°35′～102°069′，N 25°23′～26°06′间，海拔980～1 400 m。龙川江由南向北纵贯元谋盆地，两岸阶地发育；山区高差大，间有坝子分布。本区侵蚀切割强烈，形成了沟谷纵横、地形破碎、土林土柱随处可见的强烈侵蚀景观特征。该地区从上新世以来，形成不同地质时期沉积的、岩土特性和厚度均不同的沉积物。本区气候干旱，干湿季分明，年均温度21.9 ℃，年均降水量约为613.8 mm，年均蒸发量3 640.5 mm。区内土壤类型以燥红土和变性土为主，燥红土结构较好，是该地区的基带土壤；变性土主要分布在丘岗的中、上部[21]。自然植被以扭黄茅(Heteropogoncontortus)、剑麻(AgavesisalanaPerr. ex Engelm)、苍耳(XanthiumsibiricumPatr)、金合欢(Acaciafarnesiana(Linn.)Willd.)、木棉(Bombaxmalabartca)、车桑子(Dodonaeaviscose(L.) Jacq)等乔、灌木为主。该区域植物分布稀疏且植物覆盖度低。

研究区位于元谋县黄瓜园镇小雷宰村秃秃瘠梁子。微流域面积173.89 m2，土壤为典型的变性土，地形条件相对简单。在微流域内部发育着由沟蚀作用而成的细沟(图1)，沟长31.27 m，沟道明显，是该微流域的重要水沙输送通道。细沟沟头与沟口的坡度变化区间为25°～30°，中段沟底线坡度在25°～68°的区间内变化。在距离沟头较近的上部扭黄茅生长较多，浅沟中部多生长剑麻和苍耳，浅沟下部及沟口处生长苍耳。

2 数据与方法

2.1 数据采集

数据采集的时间为2014年1月份，主要使用徕卡TCR802型全站仪对研究区进行地形测绘。对细沟左、右沟沿线及沟底线使用小于0.1 m的间隔进行碎部测量；对细沟汇水区域采用0.5 m的步长进行碎部测绘，对地形变化相对复杂的区域加密碎部点。根据横断面形态特征的变化以及距沟头的距离，用坡度仪测定横断面沟底坡度。为精确测定细沟横断面的形态，自制了宽度为0.8 m、高度为0.6 m的测针板(测针截面为边长0.5 cm的正方形、长度为0.6 m)。实际野外工作中，按1∶1的比例尺，用测针板将选定的18处特征断面(图1)勾绘到A3纸上。观察细沟处的植物生长情况(种属、盖度、高度等)并作记录。

图1 研究区概图Fig.1 Map of study area

2.2 数据处理

扫描绘制于A3纸上的特征断面，将其输入ArcGIS 9.3软件；以所绘制的断面图上的4个角坐标为准，对扫描照片进行校正并矢量化，分析形态特征并提取横断面面积、宽度、深度的数据。使用Microsoft Excel 2003软件计算细沟横断面的宽深比，分别对横断面宽度与横断面面积、横断面深度和横断面面积进行线性拟合。

将测绘的地形碎部点导入ArcGIS 9.3软件中，并使用3D Analyst功能生成DEM。利用SWAT插件精确地提取细沟，使用Watershed Delineator模块Automatic Watershed Delineator→DEM-Based→Stream Network→Delineate Watershed→Raster Calculation等功能对细沟的汇水面积、沟底线、沟沿线等进行提取与计算。

3 结果与分析

3.1 形态特征

细沟横断面宽度范围为0.216～0.747 m；其中， 宽度在0.2～0.3 m(0.2≤宽度<0.3)之间的断面有2个，0.3～0.4有3个，0.4～0.5有2个，0.5～0.6有0个，0.6～0.7有6个，0.7～0.8有5个；距沟头1～9 m处的宽度数值变化幅度大，10～18 m处的数值变化幅度小；宽度的最大值与最小值相差0.531 m。如表1所示，细沟宽度在距沟头1～8 m的区间内呈波动增加的趋势；8～15 m处宽度变化较小；16～18 m处的宽度总体上呈波动减小的态势。细沟横断面深度的范围为0.061～0.512 m；其中，深度在0～0.1 m之间的断面有1个，0.1～0.2 m有2个，0.2～0.3 m有5个，0.3～0.4 m有5个，0.4～0.5 m有3个，0.5～0.6 m有2个。距沟头1～13 m处的细沟深度波动大，随距离增加总体呈增加趋势；13～17 m之间下降后保持稳定，18 m处回升；深度最大值与最小值相差0.454 m。

横断面面积范围为68.01～1 777.28 cm2；其中，面积在0～500 cm2之间的断面有5个，500～1 000 cm2有7个，1 000～1 500 cm2有5个，1 500～2 000 cm2有1个。面积数值的变化呈振荡分布，在距沟头1～4 m以及14～18 m两部分的变化幅度较小，而在距沟头5～13 m处的变化幅度较大；面积最大值与最小值相差1 709.21 cm2。如表1所示，横断面面积随着距沟头距离的增加呈现出不规则的变化，且二者之间不存在统计上的规律性。

表1 距离沟头不同距离的特征断面形态参数

图2 细沟宽度、深度与特征断面面积的变化关系Fig.2 Changes in the relationship between the rill width, depth and the area of characteristic cross section

横断面宽深比的范围在0.848～3.517之间；宽深比在0.5～1.0之间的断面有2个，1.0～1.5有2个，1.5～2.0有8个，2.0～2.5有3个，2.5～3.0有1个，3.0～3.5有1个，3.5～4.0有1个。距沟头1～6 m处特征断面的宽深比振荡幅度大，7～18 m处的振荡幅度小。

以细沟横断面的宽度、深度为横轴，横断面面积为纵轴作散点图，用指数函数进行拟合(图2)。结果表明：随宽度与深度的变化，其断面面积呈指数式增长；根据相关系数以及指数的大小，细沟断面深度对面积的影响比宽度更显著。但是从二者的关系图中可知，2组不同的数据受微地形坡度、土壤性质、植被等因素突变的影响各有多个点表现出异常，影响了整体的拟合效果。

细沟的沟沿线与沟底线的变化反映其纵剖面特征。图3中纵轴为沟沿线与沟底线的相对高程，横轴表示断面与沟头的沟底线距离而非直线距离。如图3所示，位于沟口处的左沟沿线变化不明显，而右沟沿线、沟底线变化明显；距沟头距离8 m处与20 m处的断面是3条线变化的转折点。沟沿线、沟底线的变化趋势存在一致性：左、右沟沿线与沟底线皆在第1～8 m和第20 m至沟口的2段距离内大幅度变化，而在第8～20 m小幅度变化。

图3 沟沿线与沟底线的沿程变化规律Fig.3 Change law of thalweg and shoulder-line

3.2 影响因素

影响细沟侵蚀的因素很多，例如降水特征、土壤性质、坡度、坡长、坡形等。本流域面积较小，其降水、土壤性质的空间变异小，故不予讨论，仅分析汇流面积、坡度与沿程植被对细沟发育的影响。

3.2.1 汇流面积 特征断面面积趋势线呈振荡分布，而汇水面积趋势线呈单调递增(图4(a))。沟头上方的残存的土柱和土墙为燥红土，形似漏斗且具有较强的抗蚀性，抑制了分水线的迁移，有利于水流的汇聚,从而保证细沟上游具有较为稳定的来水量，对细沟的发育起着推动作用。距沟头13 m处特征断面的宽度、深度值达到最大，其断面面积也达到最大(表1)，表明在距离沟头0～13 m范围内汇水面积对细沟规模具有决定性影响，但之后汇水面积的影响作用有限。以该处为界，将数据分为前后两部分。前半部分的细沟数据，以汇水面积为横轴，特征断面面积为纵轴于Microsoft Excel软件中作散点图并进行指数拟合R2=0.659 8(图4(b))。结果显示，在距离沟头0～13 m处，随着汇水面积的增加，细沟的横断面面积呈近指数增长，这也表明径流量的增加导致了细沟规模的扩展。距沟头13 m处特征断面面积达到最大，然后逐渐变小，与汇水面积的关系不明显。这表明细沟发育除了受到汇水面积的影响，在其发育过程中，局地坡度与植被根系的抗蚀和抗剪性极大地制约着细沟的发育。

图4 特征断面面积与汇水面积的关系Fig.4 Relationship between the area of characteristic cross section and catchment area of rill

3.2.2 地形条件 细沟沟头与沟口的坡度变化区间为25°～30°，中段沟底线在25°～68°的区间内变化。前者为距离沟头较近的区域，由于该部分的坡度较缓，水流势能弱，对细沟的侵蚀作用小，尚未出现明显的细沟，该部分细沟断面宽度振荡变化，深度随汇流量的增加而扩大。后者坡度的大幅度变化导致径流随着距离的增加而加剧，即水流动能增加，这促使细沟下切侵蚀和侧蚀，有利于沟道的形成，故断面宽度、深度增加明显。此时的侵蚀处于细沟侵蚀加剧期或坡面侵蚀发育中期。细沟沿程18.5 m、24.5 m 2处存在跌坎，在此2处水流侵蚀至细沟基岩。另外，第1处生长扭黄茅，第2处生长扭黄茅和苍耳，两跌坎的部分植物根部被水流侵蚀掏空，而根部上部土壤保存良好，说明该部分(土壤+根系)抗蚀性强，其根系的固土作用明显。与其余部分相比，这2处坡度变化小，断面宽度、深度降低。

3.2.3 植被 距沟头最近的横断面处有数条股流汇合，为植物的生长提供了相对充足的水分条件。细沟断面及附近分布着扭黄茅、剑麻、苍耳等植物(图5)，其生长特别是根系对细沟形态具有明显的影响。根据实地观测，1号至5号横断面面积较小，不仅是因为其处于沟头，坡度缓、水力侵蚀小，还在于这些横断面处生长植物，其根系具有较好的固土效果，可增强斜坡抗冲性，且具有稳定斜坡控制重力侵蚀的作用。细沟内18.5 m的断面上游生长扭黄茅，周围的土壤保存量较多；而该断面下游未见植物生长且细沟侧蚀明显。沟内20 m处出现跌坎，底部土壤主要受扭黄茅与苍耳等植物根系控制；23～24.5 m处细沟左侧生长剑麻，植物覆盖的土壤受水流侵蚀影响较小；23.5 m处根部以下的土壤受水流侵蚀作用较大，已被水流掏空。24.5～27 m处沟底生长扭黄茅，该部分细沟变化不明显。在跌坎处生长的植物根系可分为垂直根和侧根，垂直根主要起锚固作用，而侧根主要起加筋的作用[22]。这些植物通过根系在土体中穿插、缠绕、网络、固结，使土体抵抗风化侵蚀、流水冲刷和重力侵蚀的能力增强，从而有效地提高土壤的抗侵蚀能力[23]。另外，扭黄茅，苍耳等植物在土体内生长的根系(垂直根和侧根)增加了土-土与根-土粒间的摩擦力；同时，植物根系自身的特征如深度、密度、抗拉力、以及根土黏结力不仅增强了土壤抗剪切性能，而且有效地加深土壤的抗冲性[24-25]，这些对于细沟横断面的抗蚀以及稳定斜坡而言有着极其重要的意义。

图5 细沟沿程植物Fig.5 Plants along the rill

4 结论与讨论

对元谋干热河谷区微流域内细沟形态特征及其影响因素的研究，是对本区侵蚀地貌的深入与细化，研究结果对于元谋干热河谷微流域植被恢复、控制水土流失和土壤侵蚀具有重要价值。秃秃瘠梁子作为元谋干热河谷区的一部分，其土壤性质、气候条件趋于一致，这为简化影响因子，进而为从微流域的角度研究细沟奠定了基础。本文的研究对象沟道明显，流域面积小，植物沿细沟生长，具有代表性和典型性，能综合反映局地坡度与植被之间的耦合作用。

本文基于野外实地测绘调查及内业处理，研究了微流域尺度上的细沟发育特征及其形成因素。选取18处特殊发育的断面为研究目标，发现细沟的宽度与深度皆影响断面面积，后者较之前者的影响程度大。汇流面积与横断面面积存在正相关关系，前者的增加导致径流量的增加，进而扩展了细沟规模。坡度决定水流势能的强弱，对沟道的形成及其形态的塑造至关重要。横断面宽度、深度及面积随距沟头的距离而发生较大的变化，这种变化不稳定但具有一定的趋势性。

相关研究表明，65°左右是元谋干热河谷地区冲沟沟坡地形上植被生长的临界坡度，也是生态恢复的理论坡度上限[26]。本文所选细沟的中、上部，坡度约25°，坡面较缓，植被生长稀疏。细沟中、下部，坡度在46°～68°处均生长植被，而坡面较缓处无植被生长。沟口处坡度约22°，坡面较缓且生长植被。细沟不同坡度生长异类植物，坡度与植被类型的关系需进一步的研究。元谋干热河谷地区日照充足，土壤以燥红土和变性土为主，对于该土壤的抗蚀性和抗冲性、土壤团聚体的稳定性和分散性的局地差异性等方面未做出分析，有待进一步研究。

本文与前人研究的相同之处在于，对微地形而言，由于条件有限，二者皆仅以植物生长情况为主要分析因素。前人用元谋干热河谷地区不同微地形的植物盖度来分析不同坡度对植物生长的限制度[26]，而本文主要是将细沟沿程的植物生长情况与坡度变化作为影响因素，以此分析微地形流域中细沟的发育特征和机制。文中选取秃秃瘠梁子某微流域中的一条细沟为研究对象，研究中得出的数据基本上能代表该区域细沟的一般状况，在下一步的工作中还需对该区域内的细沟发育情况和影响因子进行详细研究，获取更全面、系统的数据，以更深入认识微流域内细沟的发育机制及控制因素。

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(责任编辑：程 云 郭雪芳)

Characteristics and controlling factors of rills in the micro-watershed of Yuanmou Dry-hot Valley

Li Xiang1, Deng Qingchun1, Zhang Bin1, Liu Hui1, Liu Gangcai2, Luo Mingliang1

(1.School of Land and Resources, China West Normal University, 637009, Nanchong, Sichuan, China; 2.Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, 610041, Chengdu, China)

Characteristics, process and mechanism of rills are key hotspot in the field of soil erosion and gully erosion geomorphology. In order to reveal the developing characteristics and controlling factors at the micro-topography scale, based on the field survey and data collection at Tutujiliangzi in Yuanmou County of Yunnan Province, and with the support of ArcGIS, we worked out the shape parameters of watershed and rill. The results showed that the ranges of variation in the width, length, area of rill cross section were respectively in 0.22-0.75 m, 0.061-0.512 m, and 68.01-1 777.28 cm2. The variation of width/depth ratio ranged from 0.848 to 3.517. It was not obvious for the development of rill from 8thto 20thm, but the shoulder-lines in left and right sides and the thalueg of will from 1stto 8thm and 20thm to the end of rill were developing heavily. The area of cross section had a positive relationship with catchment area of rill. The width, length and area of rill cross section varied with the distance from rill-head to the cross section. The variety followed a certain trend but not stable. There were few and scattered plants in gentle slopes of the rill but other similar places had no vegetations. Plants existed in the gentle slopes at the exit of the rill. Rill slope controls the potential water energy and influences the developing process of rill. The effect of fastening soil of root system improves the ability of resisting soil erosion. These results are due to the coupling effect of catchment area, local slope degree and vegetations. This paper will not only reveal theoretically the regularity of rill forms and developing mechanism of rills at the micro-topography scale but also help to provide prevention measures for water and soil losses and environmental protection.

dry-hot valley; micro-catchment; rill; morphology; influencing factors

2014-12-08

2015-08-03

项目名称：国家自然科学基金“基于DEM的黄土高原流域侵蚀基准体系研究”(41101348)

李响(1989—)，男，硕士研究生。主要研究方向：生物地貌过程。 E-mail: lx25090310@qq.com

†通信作者简介：张斌(1975—)，男，博士，教授。主要研究方向：侵蚀地貌。 E-mail: envgeo@163.com

K903

A

1672-3007(2015)05-0024-07