黄土高原植被对重力侵蚀的作用机理

高 航, 徐向舟, 李依杭

(大连理工大学水利工程学院，116024，辽宁大连)

自1999年以来，我国在黄土高原上相继开展黄河流域水土保持生态工程、黄土高原地区淤地坝工程和坡改梯工程等一批重点生态建设工程，同时采用退耕还林(草)等措施，提高区域生态系统的质量，使区域的生态- 水文过程发生明显改变，也使水土流失恶化的趋势得以遏制。然而，通过对降雨—径流—输沙的分析发现，以植被措施为主的水土流失综合治理并没有显著影响黄土丘陵及黄土高塬沟壑区某些小流域的水沙关系。在强降水基础上，特别是当降水量达到诱发滑坡灾害发生的临界值时，植被及其根系会加剧重力侵蚀的发生。重力侵蚀是指斜坡上的岩土体在重力作用下发生变形、破坏、移动和堆积的过程，也是黄土高原主要的侵蚀方式之一。黄土高原受地质环境、土体物质组成和地形条件等因素的综合影响，区内的沟坡坡体稳定性低下，是重力侵蚀的高发区。已有研究[1]表明，在黄土高原丘陵沟壑区，重力侵蚀占流域侵蚀产沙量的20%～25%，在黄土高塬沟壑区占58%左右。重力侵蚀成因复杂，研究难度大。如何阐明植被等多因素作用下重力侵蚀的发生机制，以便制定更合理的黄土高原小流域生态治理规划新方法，是目前黄河流域高质量发展研究中一个亟待解决的科学问题。

1 重力侵蚀的监测与调查

水土保持原始数据获取方法有水土保持监测、水土保持调查和水土保持试验等方法。上述方法在重力侵蚀原始数据观测中都得到了应用。水土保持监测和调查都是在不改变下垫面条件和侵蚀动力的前提下，对水土流失现象进行原位观测。其中，监测法是对研究区域的全面观测，而调查法是通过对研究区域典型区段的观测，进而推广得到整个研究区域的重力侵蚀发生和分布规律。

利用卫星监测或航空监测资料，通过对重力侵蚀斑痕的判读和统计，可快速分析较大范围内的重力侵蚀分布。比如，已有研究通过航片解译与野外实地考察相结合的方法分析王家沟小流域地貌及重力侵蚀的时空分布规律，认为植被分布状况对小流域内重力侵蚀的宏观格局有一定影响[2]。遥感监测能够快速获取较大范围内的重力侵蚀数据，但由于绝大部分沟道边坡和沟头的陡坡区位因坡度陡而难以在遥感影像中反映出来，成为遥感分析的“盲区”；另外，受影像条件的制约，目前还无法利用遥感影像实现多参数、天空地立体化实时自动化监测[3]，因而难以通过遥感影像数据对重力侵蚀的微观机理进行深入分析。随着现代空间技术、电子技术、计算机以及信息技术的发展，现代高科技技术手段成为重力侵蚀灾害的监测预警的重要技术方法。如利用新型干涉光纤传感器预警边坡失稳[4]，通过测量机器人监测黄土滑坡变形[5]等。

常用的重力侵蚀现场调查方法主要是测针法和地貌学方法，如已有研究利用在夏秋季降雨后布设的测针对桥沟的重力侵蚀进行观测[6]。该种现场调查方式详尽准确，但需要大量的人力、物力且耗费时间较长。近年来，激光扫描仪等非接触式测量方法技术的介入，使测量重力侵蚀的高危地形成为可能。不过，在使用激光扫描仪技术进行现场地貌建模时，局部深沟和深坑可能成为扫描死角，需要进行手工补测。

现场监测和现场调查都是直接从原型流域获取重力侵蚀分布信息，可以为小流域或者更大尺度区域的水土保持规划提供设计依据，而且还能为其他重力侵蚀研究方法，如重力侵蚀模型试验和数学模型模拟，提供可靠性验证。需要注意的是，监测法和调查法都是在降雨后对地貌特征进行调查来反推水土流失量。虽然这种反推调查法比较容易实施，也是目前水土保持行业中常用方法，但是采用这种方法观测重力侵蚀量时，由于在前几次降雨后，下落的崩滑体中一部分可能已被水流冲走，或者从上游来水带来的部分土体会在崩滑体中沉积，从而可能造成测量误差。

2 植被作用下重力侵蚀产沙的试验研究

由于现场监测和现场调查无法控制侵蚀动力条件，因此进行试验研究是必要的。水土保持试验是运用模拟和观测装置，对严格边界控制条件下的侵蚀对象进行现场试验或模型试验，以研究水、土壤及土壤营养物的输移变化规律及其控制方法[7]。水土保持试验分为模型试验和现场试验2种：模型试验是在重塑的下垫面上开展模拟试验，现场试验是依据未扰动的原始下垫面进行模拟试验(又称为原位试验)。对重力侵蚀过程的模型试验，多属于全尺模型，即模型与原型没有比例上的缩放(a segment of the unscaled reality)[7]。水土保持试验中多运用降雨模拟方式作为驱动力促使天然沟坡或者重塑沟坡发生崩塌、滑坡、泥流等。降雨模拟试验能大大提高工作效率，在短时间内能够获得大量资料，还能系统地控制动力条件[8]。目前，一种基于结构光的观测技术已经成功实现模型试验尺度重力侵蚀过程的定量观测，即：激光一字仪与摄像机配合，获取坡面的等值线图，然后在ArcGIS软件中赋予高程值形成三维立体图，进而可提供坡体的体积、投影面积和各点坐标等参数，沟坡面上崩滑前后瞬间坡体的体积差，即为该次重力侵蚀的体积[9]。另外，将地貌仪和移动实验室相结合，还能够实现小流域野外重力侵蚀过程的现场模拟和观测[10]。

通过重力侵蚀试验，可以深入研究重力侵蚀发生、发展的机制。表1展示国内外研究人员已完成的考虑植被影响的重力侵蚀相关试验。如通过降雨模拟现场试验研究植被影响下重力侵蚀与土壤含水量之间的关系[11-12]。现场试验不用重塑地形，即除预设边界外，其他的下垫面条件都和原型一样。当然，由于现场试验的模拟、观测条件相对简陋，仍存在一定误差。已有同行开展了考虑植被影响的重力侵蚀模型试验。例如，通过模型试验分析不同植被格局下植被对水力侵蚀产沙的影响[13]，或者探明不同类型植被在相同降雨和风荷载作用下对斜坡稳定性的影响[14]。Gao等[15]利用根土复合沟坡模型，通过降雨模拟和地貌仪动态观测技术，研究灌木对黄土沟坡不同类型重力侵蚀的影响。但该文献所述试验中预埋的模型植物根系与天然多年生植被根系相比，其固土作用大小尚存在一定误差。

表1 考虑植被影响的重力侵蚀相关试验

重力侵蚀治理的实践证实，植被对土体稳定性的影响是复杂的、多方面的。但就目前来看，在植被影响沟坡稳定方面的研究仍然不够深入。总体来看，目前通过水土保持试验研究植被与水力侵蚀的关系较多。在研究植被对重力侵蚀影响方面，主要集中在力学分析上，对重力侵蚀产沙量的关注较少。现有试验多侧重于草类的影响，对灌、乔木作用的影响研究，还需要加强。

3 植被对重力侵蚀及其产沙的作用

黄土高原土壤贫瘠、降雨稀少，在沟坡、陡崖植被类型主要为草本植物群落和杂灌木的原生次生植被[16]。在对黄土高原进行生态建设的过程中，这些典型植被群落对重力侵蚀的影响变得尤为重要。由于植物根系是固定和支撑植物体的重要器官，而且根系力学性能也影响着植被固土的力学作用。近年来，植物根系的固土护坡机理、根土相互作用等研究越来越受到国内外同行的关注，使根系力学特征的研究成为生态学研究的热点之一。研究表明，根系密度与土壤的剥蚀能力有很强的负相关关系[15]。除根茎力学影响之外，植被的冠层径流在数量、空间及时间上重新分配降雨，进一步降低土壤侵蚀的发生[17]。但在一些实际调查研究中发现，在强降雨条件下，植被还会加剧重力侵蚀的发生。对泥石流、滑坡灾害的现场调查得知，在中小强度降雨激发下，植被能够削减泥石流、滑坡的规模，甚至抑制泥石流、滑坡的发生；当降雨超过一定阈值后，在水作用下，植被不但不能削减重力侵蚀规模，反而增大其规模[18]。对子午岭林区的调查也指出，当降水量达到诱发滑坡灾害发生的临界值时，植被及其根系会加剧重力侵蚀的发生[19]。由此可见，植被对重力侵蚀的影响是多方面的。

重力侵蚀作为黄土高原最常见的土壤侵蚀方式，对流域产沙有着非常重要的影响。极端气候条件下，降水导致的突发性黄土沟坡重力侵蚀增多而且表现出历时长、范围广、损失重的特征。黄委会西峰、天水、绥德水保站分别在南小河沟、吕二沟、韭园沟3个典型小流域的调查结果表明，重力侵蚀产沙量分别占土壤流失量的57.5%、68.0%和20.2%[20]。重力侵蚀直接或间接地向河道输送大量的泥沙，是流域土壤侵蚀和河流泥沙来源的主要物理过程之一，并在区域地貌演化中发挥了重要作用。随着黄土高原地区植被的恢复，坡面水土流失量减小，切割黄土高原的沟谷侵蚀将会显得更加突出。韭园沟小流域的沟谷地虽只占流域总面积的43%，但其来沙量却占全流域的70%[21]。在极端暴雨下，丘陵沟壑区内植被覆盖较好的沟谷地的重力侵蚀量仍占总侵蚀量的49.0%～88.5%[22]。有研究表明在黄土高塬沟壑区，重力侵蚀和河床冲刷是河流泥沙的主要来源[23]。这可能与高含沙水流搬运与重力侵蚀的强耦合关系有关。

由于重力侵蚀的复杂性，在流域范围内重力侵蚀发育及其造成的产沙缺乏系统的、直接的观测及统计资料，因而很难准确地计算重力侵蚀对流域产沙的贡献度。特别是植被恢复下，由于植被与重力侵蚀的耦合作用，使得对重力侵蚀的定量计算及其在总侵蚀产沙中所占比例的研究一直处于十分薄弱的环节。

4 结论与展望

虽然目前小流域生态治理得到了长足的发展，但小流域内重力侵蚀产沙状况没有得到根本改善。现场试验和模型试验能够展示植被对重力侵蚀作用的动态过程，是研究重力侵蚀微观机理的有效途径。遥感监测能够快速获取较大范围内的重力侵蚀数据，为水土保持宏观决策提供参考。同时现场监测和现场调查能够为模型试验结果的可靠性提供验证。

在黄土高原植被对重力侵蚀的作用这一方向上，下一步需要研究的工作如下：

1)建立基于卫星、航空遥感技术的多层次重力侵蚀动态监测体系。由于重力侵蚀发生的随机性和不确定性，流域内系统的重力侵蚀发生位置、时间、特征等数据缺乏，开展大数据的重力侵蚀遥感监测并构建完善的观测数据资料库，可为重力侵蚀监控提供数据基础。

2)解决重力侵蚀观测中出现的新问题。由于土壤侵蚀现象的复杂性，亟需研发观测范围更广、数据处理更快的重力侵蚀观测手段，以实现对侵蚀地貌的准确分析，为深入研究重力侵蚀发生机理和区域水土流失规律提供技术支撑。

3)深入研究植被对重力侵蚀的作用机理。黄土高原重力侵蚀发生机理复杂、影响因素多、随机性较大。加强生态建设后，重力侵蚀预测研究可正确评价该地区小流域泥沙输移量，为制定更合理的小流域生态治理规划提供参考。