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(中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

溝道侵蝕是短期內(nèi)積累的徑流水在狹窄的渠道經(jīng)常反復(fù)沖刷，把土壤剝離成具有一定深度的狹窄區(qū)域的侵蝕過程[1]。其發(fā)生發(fā)展過程對現(xiàn)代地貌發(fā)育及演化過程有著重要的影響，從高地向低谷產(chǎn)生的徑流和產(chǎn)沙與溝道發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān)，且加劇了水蝕產(chǎn)生的非點源污染程度。

溝道侵蝕是人類活動誘發(fā)的土地變化和極端降雨共同作用的結(jié)果，是長期存在的一個最受關(guān)注的具有普遍性、緊迫性和復(fù)雜性的世界性環(huán)境問題[2]。它是產(chǎn)沙的主要來源[3-4]，也是土地退化的主要過程及最嚴重的表現(xiàn)形式[2,5]。

溝道侵蝕研究，如果從Charles Lyell的溝道描述算起至今170多年[6]，從Rubey[7]的工作算起90年，從Ireland的工作算79年[6]。目前，對溝道侵蝕的研究已經(jīng)進入成熟期。

除了極地氣候外，溝道侵蝕在其它氣候條件下均有發(fā)生，多數(shù)情況下與不合理的土地管理方式直接相關(guān)[8]。過去的1 500年，溝道侵蝕在世界范圍內(nèi)都有報道。如，美國西南部水沖溝的形成就是由于過度放牧和氣候變化而致[9]；英國第九世紀和第十世紀溝道的形成是由人類活動誘發(fā)植被變化所導(dǎo)致的匯水區(qū)水文過程的變化引起的[10]；第十四世紀德國的溝道形成是因土地的高強度利用和極端降雨而致[11]。

我國東北黑土區(qū)，在過去的百余年間土地被大規(guī)模、高強度的快速開發(fā)利用，導(dǎo)致水土流失現(xiàn)象嚴重[12-13]。現(xiàn)有長度大于100 m的侵蝕溝數(shù)量為29.6萬條，損毀耕地面積約占該區(qū)域的0.5%，且侵蝕面積和強度仍在不斷增加，侵蝕溝數(shù)量和密度也隨之增加，抵御自然災(zāi)害能力明顯下降[14]。東北黑土區(qū)已成為我國水土流失的3個急需治理的區(qū)域之一。

溝道形成過程具有三維本質(zhì)，受到各種因素和過程的影響，不僅研究難度大，而且很難預(yù)測。盡管多數(shù)的溝道侵蝕是由土地利用變化或是極端氣候所誘導(dǎo)或加速的，但其結(jié)果是長期的歷史過程所形成的[15]。溝道侵蝕一旦發(fā)生，發(fā)展的維度和景觀的連通性迅速增加，導(dǎo)致沉積物向下坡沉積的危險性增加，影響土壤的其它退化過程[16]。農(nóng)業(yè)用地的水道和土壤特性的許多沉積及化學(xué)的危害都與溝道有關(guān)。溝道形成后，很難實施有效的防治技術(shù)，而且投入成本很高。因此，從全球的角度而言，溝道侵蝕作為土地退化的主要驅(qū)動力不容忽略。

本文旨在從國內(nèi)外溝道侵蝕的分類、多樣性和發(fā)生過程、影響因素及其臨界條件方面進行評述，并對今后需要探討的問題予以展望。

1 溝道侵蝕的多樣性

溝道一詞，在西班牙稱為“carvaka”，法國“ravine”，馬達加斯加“l(fā)avaka”，阿拉伯“wadi”，南非“donga”，巴西“vocoroca”，阿根廷“barranco”。根據(jù)最古老的西班牙詞典，“carvaka”一詞源于‘肉’‘car’和‘洞穴’‘vava’的組合。其詞源與戰(zhàn)爭之后埋葬殉職人員的普通深坑有關(guān)。字典同時定義溝道為由于極端降雨對易侵蝕土地作用形成的大切口。

不同學(xué)科定義溝道的標準不同。形態(tài)學(xué)和地貌學(xué)的標準是：景觀中匯水區(qū)面積為10 km2或小于10 km2，有一定深度，溝壁陡峭，且少有植被的切溝[17]。水文學(xué)的標準是：暴雨過程中濺蝕洪水形成的臨時水線[18]。農(nóng)業(yè)措施標準是：水流溝的寬度和深度不能進行正常的土壤耕作[19]。不穩(wěn)定性標準是：流域內(nèi)以前不存在確定的溝渠，而近期形成的切溝[20]。

Davis[21]則將溝道定義為平坦廣袤的平原上那些原有的正常河道處于儲水能力持續(xù)降低階段的溝渠。Ireland等[6]首次提出了溝道形成理論，強調(diào)了溝道作為一個重要現(xiàn)象的可能性，并第一次提出Bt-層抗性在控制溝道深度和溝頭形狀中所起的重要作用。

由于溝道形態(tài)是溝道過程的產(chǎn)物，而且溝道的形態(tài)代表著溝道過程的過去、現(xiàn)在和未來，因此，明確溝道的形態(tài)學(xué)是評估溝道過程的第一步。Ireland等[6]基于在美國南加州的研究結(jié)果，首次對溝道進行了分類，并對溝道的形態(tài)和樣式進行了簡單的描述，他們提出了溝道的6種形態(tài)：線性的、球莖的、樹枝狀的、格狀的、并行的和復(fù)合狀的。

因此，溝道有多種形式，但多數(shù)是指丘陵坡溝道(Hillslope gullies)。一般而言，溝道比細溝大，但比河道小[22]。典型的丘陵坡溝道長度遠大于寬度，具有一個臨界閾值，即坡度和匯水面積的函數(shù)。當剪切應(yīng)力超過特定值時即可發(fā)生[23]。由于最大的滲透速率不會超過最大的降雨強度，由此主要的徑流過程在匯水區(qū)和暴雨之間差異較大[24]。

國外侵蝕溝分類標準存在一定差異，F(xiàn)oster[25]在1986年根據(jù)侵蝕溝的持久性將其分為臨時性溝道(Ephemeral gully)和永久性溝道(Permanent gully)，認為臨時溝道每次侵蝕的寬度和深度大于細溝，但小于永久溝道，不妨礙耕作，但不能消除其痕跡。隨著年復(fù)一年耕作與侵蝕的交替，臨時切溝可發(fā)展為永久溝道。

Poesen等[26]將侵蝕溝道分為3種類型：永久溝道、岸坡溝道和臨時溝道。

永久性溝道被定義為：那些農(nóng)業(yè)土地中存在的溝渠深度較深(典型的深度為0.5 m以上，有的深度達20～30 m)，以至于不能進行常規(guī)的農(nóng)機具耕作，且不能去除的渠道[1]。換句話說，永久性溝道就是具有橫截面且寬度和深度正常耕作農(nóng)機具不能實現(xiàn)橫跨的渠道。該定義強制性提出用最低深度0.5 m來區(qū)分于細溝。永久溝道通常是大雨期間或雨后，由于地表徑流和壤中流形成的沖積、崩積沉積物的切力而形成的[27-28]?？臻g上，永久溝道可以是不連續(xù)的。Morgan[18]根據(jù)永久性溝道所在的空間位置將其分為谷底侵蝕溝和谷壁侵蝕溝。

岸坡溝道是當集中徑流橫跨土堤時形成的。由于陡峭的坡度梯度，岸坡溝道可以通過水力侵蝕、管涌侵蝕和最終的土體移動快速形成。一旦形成，通過溝頭挺進遷移到中度坡土壤表面，并進入江河或農(nóng)業(yè)梯田[27]。岸坡溝道的形成不僅需要很長的時間，還很難控制[29]。

由年際間的正常耕作所填平的擴展了的細溝稱之為臨時溝道[30]。即臨時溝道是比細溝大，但比永久溝道小的渠道切口，常規(guī)耕作能夠?qū)⑵淙コ穷~外的徑流發(fā)生在同一地點又會形成溝道[31-33]。

臨時溝道是主要的產(chǎn)沙來源，占土壤侵蝕產(chǎn)沙量的20%～100%[33]，它是農(nóng)業(yè)耕地中最為嚴重的侵蝕類型，在土壤未被植被覆蓋的種床準備階段、作物器官形成和種植過程中均可發(fā)生。臨時溝道會引起嚴重的土壤流失現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤質(zhì)量逐漸退化和土壤潛在生產(chǎn)力下降[34-38]。

臨時溝道形成區(qū)作物被沖刷走，并被沉積物掩埋。填埋運作會引起土壤退化，降低農(nóng)田的長期生產(chǎn)力[39-40]。而且，臨時溝道成為高地向谷底運輸徑流和沉積物的有效渠道，并很快演化為永久溝道[41-42]。

基于室外觀測，Casalí等[31]描述了臨時溝道的3種主要類型：經(jīng)典的、排水的和不連續(xù)的臨時溝道。經(jīng)典的臨時溝道是由相同地塊的徑流發(fā)生區(qū)的集中徑流形成，而排水的溝道來自于地塊上游區(qū)的集中排水流形成，排水流抵達田塊的上游區(qū)，侵蝕下游區(qū)的農(nóng)田。不連續(xù)的溝道常常發(fā)生在由管理措施所形成的坡度突變的區(qū)域，如與道路相鄰的農(nóng)田。臨時溝道的溝頭或許就是由這些坡度的不連續(xù)性引起的，之后向上游移動。

臨時性溝道和永久性溝道侵蝕的主要差異是前者深度淺(通常深度只有0.5 m)，且存在時間短，每年的耕作能夠?qū)⑵涮盥馵26]。

國內(nèi)最早將侵蝕溝分為淺溝、切溝、沖溝和干溝等[43]，后來又認為完整的溝蝕序列一般包括細溝、淺溝、切溝和沖溝，認為淺溝由主細溝演變而來，并能發(fā)展為切溝。劉元保等[44]認為，淺溝侵蝕是暴雨發(fā)生時匯集于集流槽底部，由徑流沖刷形成的新的侵蝕溝槽過程中所造成的土壤侵蝕，即發(fā)生在坡面順坡集流槽的底部(寬度一般在2 m 以內(nèi))。淺溝一般不阻礙普通耕作，但犁耕不能消除淺溝形態(tài)痕跡[45]。鄭粉莉等[46]認為細溝屬于面蝕的范疇，而淺溝、切溝和沖溝是侵蝕溝發(fā)育的3個不同階段。

中國農(nóng)業(yè)百科全書土壤卷編委會在《土壤侵蝕與水土保持分支條目》[47]中指出，淺溝由坡耕地上主細溝發(fā)展形成，其橫斷面因不斷的再侵蝕和再耕作呈弧形擴展，無明顯的溝緣。在黃土丘陵區(qū)淺溝的深度均大于耕層厚度，一般為20～30 cm，也有超過50 cm的；而在南方花崗巖風化殼丘陵斜坡上，也可發(fā)生淺溝，其寬度約1 m 左右，深度可超過0.5 m。

鄭粉莉等[48]在參編《Encyclopedia of Soil Science》溝蝕(Gully)條目時，將我國定義的淺溝侵蝕與美國定義的臨時性侵蝕(Ephemeral gully)歸為同一類溝蝕類型。

由于定義的多樣性和溝道侵蝕評估的復(fù)雜性，人們不斷地對此問題進行重復(fù)探索，認知也在不斷深入[49-51]。

2 溝道侵蝕發(fā)生過程

Ireland等[22]認為，溝道是由下坡的沖刷、溝頭的切割及其快速擴展、自我愈合和趨于穩(wěn)定的過程。Horton[52]關(guān)于溝道形成的經(jīng)典論文指出，當降雨強度超過入滲能力時，水就會在洼地積累，溢出的水以不規(guī)則湍流向下坡流動，對土壤施加剪切應(yīng)力。分水線周邊的剪切應(yīng)力小于夾帶的閾值，而下坡的水流水位增高，超過閾值，便形成了“非侵蝕帶”，這個“非侵蝕帶”是降雨強度與入滲能力的差異、水力粗糙度、表面臨界牽引力和所在坡度的函數(shù)?！胺乔治g帶”以外，片蝕與剪切應(yīng)力相稱，由此形成流水的深度和水表面的梯度，即侵蝕溝。

FAO提出，溝道的形成發(fā)育是幾個過程單一或者同時作用的結(jié)果，包括(1)流水和磨料(土壤或瓦礫)對底部或溝道壁的沖刷；(2)溝頭(跌水效應(yīng))瀑布式的侵蝕。溝道發(fā)育的速率和程度與徑流量和徑流速度緊密相關(guān)。溝道形成需要相對大量的水來提供用于分離和運送土壤的能量。水量與匯水區(qū)面積的大小和徑流特性緊密相連，暴雨徑流是搬運溝道瓦礫的主要外力[53]。因此，溝道主要通過沖積而形成，即沖積過程是引起溝道形成的初始因素。

實際上，溝道形成是一個復(fù)雜的地貌系統(tǒng)過程，而不是簡單的沖積過程，它的形成涉及到溝頭、溝岸、溝底、溝頭上面的坡地及匯水面積等。Bryan和Yair[54]指出，形成溝道的主要過程包括雨濺、表面徑流、面蝕、集中徑流和管道徑流。Hudson[28]認為，溝道的形成是水道過程和形態(tài)平衡被破壞的結(jié)果，(1)要么是渠道承載的洪水徑流量的增加；(2)要么是渠道承載水流的能力下降。土地利用的變化或匯水面積的增加都會導(dǎo)致水流的增加；渠道的粗燥度增加或是沉積后水流量降低都會降低渠道承載水的能力。由此，Hudson[28]指出溝道形成的過程是不能自我修復(fù)的。他的這種說法，與溝道可能隨著時間的推移會逐漸穩(wěn)定的提法形成鮮明對比。

景可[55]認為切溝侵蝕發(fā)展的方式主要有：(1)溝頭的溯源侵蝕，溝頭前進是切溝發(fā)展的主要方式之一；(2)溝坡橫向侵蝕的發(fā)展，主要方式是瀉溜、崩塌和滑坡；(3)垂向的下切侵蝕，在其它條件相同的情況下，切溝下切侵蝕的強度取決于水流侵蝕強度。

Bocco[56]認為潛蝕是切溝形成和發(fā)展的最重要形式之一。Roberson 和Hanson[57]認為溯源侵蝕是切溝發(fā)展的主要方式之一。Majid[58]通過對切溝侵蝕過程的監(jiān)測結(jié)果表明，切溝的發(fā)展是一系列過程作用的結(jié)果，其中包括滲漏、土壤蠕動、塌方和沖刷。沿切溝發(fā)生的侵蝕形態(tài)和空間分布規(guī)律表明，滲漏和地表徑流這2 種水文過程在切溝發(fā)展過程中起著非常重要的作用。而且，溝頭下切侵蝕的主要過程是滲漏，地表徑流則是維持溝頭溯源侵蝕的必要過程。

于國強等[59]對黃土高原坡溝系統(tǒng)的研究表明，坡溝系統(tǒng)上部位移以“沉降”模式為主，下部位移以“剪切”模式為主，溝頭溯源區(qū)是坡溝系統(tǒng)重力侵蝕最為強烈的部位；剪切塑性區(qū)域主要分布于坡面和溝坡大部分區(qū)域，張拉塑性區(qū)域主要分布于梁峁頂和梁峁坡上部。

鄭粉莉等[46]結(jié)合她們團隊研究的成果，提出溝道侵蝕包括溝頭溯源侵蝕、溝壁崩塌和溝底下切3 個子過程。溯源侵蝕會影響匯水面積，改變坡面坡度。因此,在當前溝頭處測量的坡度及匯水面積并不能代表溝道形成之初的情況。

3 溝道侵蝕影響因素

總體上，影響溝道侵蝕的因素有侵蝕動力因子(降雨、上方匯流及地下潛流)、地形因子(坡度、坡長及坡形等)、地表植被、土壤、土地類型和人類活動等[46]。Watson等[30]曾指出，參與溝道形成的因素包括3個方面：(1)徑流的體積、速度和類型；(2)土壤內(nèi)含物對侵蝕的敏感性或溝道的侵蝕性；(3)土地利用和保護措施引起的植被覆蓋的變化。因此，影響溝道侵蝕的因素可以簡單歸結(jié)為：能量、抗性和保護措施。

眾所周知，雨滴擊濺和徑流沖刷是水土流失的動力[60-61]。而極端的降雨，尤其當降雨的能量與地表徑流的合力超過土壤顆粒耐分離的能力時，就會發(fā)生溝蝕[62]。

降雨對溝道侵蝕的影響主要體現(xiàn)在降雨強度、降雨量等方面。淺溝侵蝕主要受降雨強度影響，基本與降雨量無關(guān)。當降雨強度由1.31 mm·min-1增大到3.52 mm·min-1時，在降雨量大體相當?shù)那闆r下，每毫米降雨引起的侵蝕量由0.543 kg增加到2.626 kg。當降雨強度增大2.687倍時，淺溝侵蝕量增加4.836倍[63]。意大利西西里島典型小流域內(nèi)的研究結(jié)果表明，當3 d 最大降雨量達到51 mm 時，流域內(nèi)即開始發(fā)生淺溝侵蝕；雖然一年內(nèi)平均監(jiān)測到7 次侵蝕性降雨，但淺溝的發(fā)生和發(fā)育均是由單次侵蝕性暴雨所導(dǎo)致的[64]。此外，降雨在年內(nèi)的分布特征、降雨雨型等對淺溝發(fā)育過程也有重要影響。

次降雨條件下，坡上方來水使淺溝侵蝕帶的侵蝕量增加12%～84%，年平均增加38%～66%[65]。而且，上方來水引起的侵蝕產(chǎn)沙量隨降雨強度的增加而增大，其增加幅度為4.4%～83.5%；1L·min-1的上方匯流可引起單位長度淺溝剝離率達0.1～0.3 kg·(m·min)-1；上方來水使淺溝溝坡徑流流速較無上方來水時增加12%～24%，尤其是上方來水使淺溝溝槽徑流流速增加45.6%～58.4%。上方來水時的淺溝土槽的徑流含沙量較無上方來水時的含沙量增大5.4%～287%[66]。由此提出，溝道上方來水來沙對淺溝侵蝕帶產(chǎn)沙量具有重要影響。

地下徑流的潛蝕影響著坡面淺溝侵蝕的發(fā)生和發(fā)展過程，但通過土壤大孔隙或土壤管道運輸?shù)牡叵聺摿骱茈y被觀測到，常常被研究人員所忽視[67]。Wilson等[35]研究表明，地下潛流的存在加快了淺溝的發(fā)生過程，隨著徑流的沖刷，土壤孔隙慢慢變大，表層土壤發(fā)生崩塌，產(chǎn)生的侵蝕量也變大，崩塌的土壤顆粒被徑流搬運后便形成了淺溝，這一過程受土壤性質(zhì)和土地利用等多因素的影響。由此認為，針對地表徑流的一般水保措施，很難對地下潛流產(chǎn)生的侵蝕進行防治。

存在于地表的黃土、泥灰?guī)r以及其他沉積物，由于其相對豐度高且抗侵蝕能力低，是最普遍的巖性因素。風成沉積是世界所有黃土帶最易形成溝道侵蝕的原因，在美國、以色列、阿根廷、波蘭和比利時均有發(fā)生[68-70]。

黃土區(qū)由溝道侵蝕所引起的生態(tài)環(huán)境脆弱性，主要源于其對土壤顆粒分離的抗性低，對瓦解倒塌的敏感性高以及不能滲透但促進滲漏的地質(zhì)層次配置等因素。泥灰?guī)r對侵蝕的敏感性，主要源于它們的黏性結(jié)構(gòu)、柔軟度和地球化學(xué)特性，如具有較高的pH值和鈉離子含量[71-74]。韓魯艷等[75]發(fā)現(xiàn)，黃土侵蝕量和水穩(wěn)性團聚類因子及有機質(zhì)含量之間分別存在極顯著與顯著相關(guān)關(guān)系，鑒于土壤分析的易獲性，由此提出可選擇>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體與有機質(zhì)含量作為反映土壤侵蝕程度的指標。

疏松的砂巖、泥巖和頁巖經(jīng)常在溝道中出現(xiàn)[76-78]。除了特定的基巖屬性外，有些沉積層次配置，如黃土耕作層的配置或頁巖沙石交替層[79]，能夠促進形成有利于滲漏的條件，易導(dǎo)致壁體塌陷。然而，溝道侵蝕在火成巖和變質(zhì)巖巖性區(qū)也同樣發(fā)生，但比例較小[80]。這些巖石堅硬固相的本質(zhì)解釋了為什么嚴重溝道侵蝕經(jīng)常發(fā)生在深層土、風化層或腐泥土層環(huán)境中[81-82]。

研究發(fā)現(xiàn)地下巖石的非連續(xù)性控制著溝道的形成[83-86]，基巖對切口的極限抗性、溝道橫切面積的維度以及景觀巖石學(xué)意義的溝道分布均受其控制[87-88]。

地形因子對淺溝侵蝕的影響主要體現(xiàn)在坡度、坡長和坡形等特征方面。

坡度影響坡面的受雨面積及受雨量，從而影響坡面徑流、入滲能力和徑流動能的大小。淺溝發(fā)生的臨界坡度是臨界動能的具體體現(xiàn)之一。黃土丘陵區(qū)淺溝發(fā)生的臨界坡度為18.2°，坡度越大，坡面物質(zhì)重力在沿坡面向下方向的分量也就越大，穩(wěn)定性就越差、越容易發(fā)生淺溝侵蝕[88]。劉元保等[44]基于野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淺溝頂端到分水嶺的距離以及坡面順坡集流槽的間距與坡度呈線性相關(guān)關(guān)系。

坡長影響徑流的匯集過程及徑流量的多少，決定著淺溝侵蝕的發(fā)生。就某一條淺溝而言，在一定坡長范圍內(nèi)侵蝕量隨坡長的增加而增加，但超過一定的坡長范圍后，由于泥沙負荷的增加，徑流挾沙力減小，淺溝侵蝕量減小。黃土丘陵區(qū)淺溝發(fā)生臨界坡長特征值范圍為20～60 m，平均為40 m 左右。由于淺溝已有了固定形態(tài)，淺溝侵蝕發(fā)生的臨界匯水面積就等于發(fā)生淺溝侵蝕的臨界坡長與間距的乘積，該特征值為300～1 200 m2，以400～800 m2之間居多，平均為657 m2[63]。

坡形是坡度和坡長的組合形態(tài)，其決定著徑流的匯集方式和過程，進而影響淺溝的分布形式和分布密度，由此影響著侵蝕量。唐克麗等[89]研究表明，凸凹形坡與凹形坡上的土壤流失量均高于直形坡的原因是凸凹形坡與凹形坡易發(fā)生淺溝侵蝕，而直形坡一般尚無淺溝形成，在其它條件相同的情況下，凸凹形地塊的侵蝕量較凹形坡地塊的侵蝕量增加了一倍，其中淺溝侵蝕量為總侵蝕量的86.7%。Deoliverira[90]研究了坡度和坡形對切溝的影響，結(jié)果表明切溝常常在坡面中段坡度最陡處出現(xiàn)，有的甚至在中間出現(xiàn)，而下部卻是淺溝侵蝕。這是坡度大導(dǎo)致徑流下切能力突然增大的原因。

隨著GIS和遙感成像技術(shù)的出現(xiàn)，人們更加關(guān)注地表過程。秦偉等[91]基于Quickbird高分辨率遙感影像和數(shù)字高程模型，提取了坡面淺溝分布的地形參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在黃土丘陵溝壑區(qū)，坡面坡度、長度、坡向以及匯水坡長是影響坡面淺溝數(shù)量的主要地形要素，發(fā)生淺溝侵蝕臨界坡度的上限與下限分別介于26°～27°和15°～20°，而臨界坡長介于50～80 m。

植被覆蓋通過削弱雨滴擊濺，增加入滲率和增強土壤抗沖性等方面的作用而有效地減少淺溝侵蝕。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)發(fā)育成淺溝的坡面一經(jīng)撂荒后，因淺溝底部生草的根系從而抑制淺溝侵蝕的發(fā)生[75]。而且，隨著植被演替的恢復(fù)，土壤侵蝕量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。土壤抗蝕性綜合指數(shù)強弱為灌木群落階段>多年生草本和蒿類群落階段>一二年生草本群落階段。與一二年生草本群落階段相比，灌木群落階段與多年生草本和蒿類群落階段的土壤抗蝕性分別增加了3.6～6.7 倍和5.7～9.3倍[75]。就優(yōu)勢植物群落而言，狼牙刺群落、刺槐和沙棘群落抗侵蝕性能最好，豬毛蒿群落抗侵蝕性能最低[92]。于國強等[59]研究發(fā)現(xiàn)，有植被覆蓋時，根系加固作用改善了坡面淺層的土體應(yīng)力，有效地降低了坡面土體的集中應(yīng)力；減小了坡溝系統(tǒng)坡面淺層土體位移，使水平位移減少15%；鉛垂位移減少2.5%；并減少了塑性屈服區(qū)體積，使剪切塑性區(qū)減少11.5%，張拉塑性區(qū)減少84.0%；減輕了重力侵蝕的破壞程度，但并未改變坡溝系統(tǒng)以剪切破壞力為主的屈服模式。該研究為更好理解植被根系調(diào)控重力侵蝕研究提供了新的技術(shù)方法。

溝道侵蝕與其它形式土壤退化的區(qū)別是地下深層過程不同。Rubey[7]是首位研究溝道侵蝕的地下過程重要性的科學(xué)家。地下過程因素主要涉及管路、隧道、巖石學(xué)因子和土壤剖面過程。這些過程的研究主要涉及土壤的可分散性或黏粒含量、活躍的地下水流和坡度梯度等。但是，與表層動態(tài)比較，由于亞表層現(xiàn)象中存在更大的差異性，因此評估起來難度更大，導(dǎo)致有關(guān)土壤開裂、地下水和滲漏方面的研究工作十分有限。

經(jīng)驗分析表明，永久溝道與臨時溝道相比：深層形態(tài)趨于產(chǎn)生更高的土壤侵蝕模數(shù)。這似乎與已有的結(jié)論相違：即當臨時溝道保持不變時，溝道演化呈降低趨勢[93]。今后的研究應(yīng)該側(cè)重什么條件(地表限制、土地管理、植被重建的程度)會導(dǎo)致不同的結(jié)果，這有利于解釋現(xiàn)有的觀測結(jié)果，也有利于制定及實施防控和恢復(fù)策略。

4 溝道侵蝕發(fā)生的臨界條件

有關(guān)溝道形成的地形閾值的評估是溝道侵蝕最熱門的研究課題。Schumm和 Hadley[94]認識到流域的地形特征對溝道發(fā)育的重要性，并認為半干旱山谷區(qū)土壤侵蝕的發(fā)生有一個臨界坡度閾值。Schumm[95]進一步強調(diào)了地形閾值在侵蝕沉積土地演化中的意義。Patton 和Schumm[96]有關(guān)美國科羅拉多州西北部溝道的研究發(fā)現(xiàn)，溝道上方的局地坡面臨界坡度(S)和上坡匯水面積(A)之間一般存在反向關(guān)系，數(shù)據(jù)的底線值能夠建立坡面與流域面積的臨界關(guān)系(圖1)，即對一定排水面積的區(qū)域而言，高于直線(臨界值)以上的區(qū)域就會產(chǎn)生溝道。此關(guān)系可用于辨識潛在的不穩(wěn)定的溝谷，有助于土地經(jīng)營者確定不穩(wěn)定的區(qū)域，制定有效的經(jīng)濟措施。他們同時強調(diào)，此特定的數(shù)量關(guān)系僅適用于他們研究的區(qū)域，即科羅拉多州西北部的半干旱Piceance彎和黃彎流域。對于具有其他特性的區(qū)域，還要考慮額外的因素給予分析，但流域穩(wěn)定性的基本理論具有應(yīng)用價值。由此開創(chuàng)了溝道侵蝕地形臨界條件研究的新紀元。此項研究工作的開展，源于當時有關(guān)溝道的臨界坡度可能與徑流程度相關(guān)的認知，但缺少測定排水的方法。更受到Burkham[97]在美國新墨西哥州半干旱區(qū)域有關(guān)排水和流域面積高度相關(guān)的研究結(jié)果的啟發(fā)(圖1)。

Begin和Schumm[98]及Vandaele等[99]提出水力侵蝕導(dǎo)致溝道發(fā)育的臨界關(guān)系可以用冪函數(shù)S=aAb表示，即由溝頭排水面積和溝頭坡度的對數(shù)坐標軸說明，或者說溝道侵蝕是坡度和匯水面積的函數(shù)[23]。其中，S單位為m·m-1；A單位為hm2；a值代表著溝蝕發(fā)生所需的臨界值；b為一無量綱量。b值在理論上則代表著匯水面積的相對重要性，它受到氣候、土壤、主導(dǎo)徑流過程、降雨特征和植被等土地利用狀況的影響。

Desmet等[100]認為溝道侵蝕是坡面集中徑流侵蝕的結(jié)果，其形成和發(fā)展取決于一定的徑流量和徑流動能，而上方匯水面積及坡度決定了徑流量和徑流動能的大小。Poesen等[27]認為，只有在徑流產(chǎn)生的剪切力大于土壤的抗蝕力時才會有溝道的出現(xiàn)。Sidorchuk[24]也認為當徑流特性，如剪切應(yīng)力超過一個關(guān)鍵值時，才有可能發(fā)生溝道。而地表徑流強度主要是由匯水面積和局地坡度等地貌參數(shù)決定的[101]。

在坡度一定的前提下，一般從濕潤氣候到干旱氣候，產(chǎn)生同樣徑流能量所需的匯水面積逐漸變大；地下徑流過程的加入使得產(chǎn)生等同徑流能量的匯水面積變小，如果是以塊體運動和崩塌等地貌為主，b值甚至可以變?yōu)樨撝担匆馕吨鳶-A 關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系。

低頻高強度降水使較小的匯水面積就能產(chǎn)生同樣的徑流能量；良好的植被覆蓋度一方面可以緩沖降水對地表的沖擊，另一方面還可以增加土壤抗蝕性及降水入滲，從而減少地表徑流，因此，產(chǎn)生同樣的徑流能量就需要更大的匯水面積。這就是為什么淺溝侵蝕常發(fā)生于坡度較陡的坡面上，而且一般多發(fā)生于具有一定匯水面積的坡面中部和中下部的主要原因。

圖1 美國科羅拉多州Piceance流域溝道和非溝道區(qū)坡度與排水面積關(guān)系[96]Fig.1 Slope-area relation for gullied and ungullied valley in Piceance basin of Northwestern Colorado[96]

顯然，在坡度一定的情況下，切溝下切形成時所需的臨界面積要比淺溝大。淺溝的發(fā)育規(guī)模形態(tài)要比切溝小，而侵蝕體積大小與剪切力有關(guān)[102]。另一方面，剪切力主要由水流量和坡度決定，在以表面漫流為主的流域中，流量可以用匯水面積來代替，也就是說剪切力主要由匯水面積和坡度決定。因此，在假定其他因素相同的情況下，小侵蝕形態(tài)只需較小的匯水面積就可以形成，而發(fā)育成切溝則需要相對較大的匯水面積。

一般而言，對于不同的地區(qū)，都會有不同的溝道起始臨界值a和b。b值正值是與表面漫流產(chǎn)生的侵蝕有關(guān)，而負值則與滲蝕(Seepage erosion)和發(fā)育崩塌的地下過程等有關(guān)[103]。

臨界模型中的參數(shù)一般通過實測溝道上方的匯水面積(A)和局地坡度(S)數(shù)據(jù)進行推求，方法有兩種：一是分散數(shù)據(jù)的下限所對應(yīng)的參數(shù)；二是通過數(shù)據(jù)的回歸得出的參數(shù)。這兩套參數(shù)用于不同的研究目的：第一種主要進行溝蝕的預(yù)測，第二種主要用于對主導(dǎo)溝蝕過程的分析。只要確定了臨界模型中的系數(shù)a和b值，就可以利用其預(yù)測將發(fā)生溝蝕的區(qū)域。

Begin和Schumm[100]通過理論分析得到的b值在0.2～0.4之間。Morgan 和Mngomezulu[103]認為b值小于0.2時將會有地下過程參與。

不同學(xué)者基于各自研究區(qū)域的地形及侵蝕特點，建立了不同地區(qū)的淺溝侵蝕臨界模型。

胡剛等[104]分析東北漫川漫崗黑土區(qū)淺溝和切溝侵蝕與地貌參數(shù)發(fā)現(xiàn)：(1)無論切溝還是淺溝的上坡匯水面積和局地坡度都呈較高的負冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系；(2)坡度一定時,切溝開始下切所需的臨界面積要比淺溝大；同樣,匯水條件一定時,發(fā)育切溝需要的坡度比淺溝更大；(3)切溝發(fā)生的地貌臨界公式為：S =0.1161 A-0.4457，淺溝公式為：S =0.0631 A-0.4643。此外，他們還校驗了Moore等(1988)[105]的溝蝕發(fā)生公式，通過與野外實測淺溝和切溝發(fā)生位置對比，臨界模型預(yù)測的溝蝕位置較好地反映了野外實際狀況。由此提出，地下徑流過程的參與可能是最終導(dǎo)致切溝的S-A 回歸趨勢線斜率即b值較淺溝小的原因，只有在SAb>a時，才會有溝道侵蝕的發(fā)生。

對于淺溝和切溝局地坡度和匯水面積的測量及量算有不同標準，一旦切溝或淺溝形成就會發(fā)生溯源侵蝕，溯源侵蝕會影響匯水面積，改變坡面坡度。一般而言,在臨界坡度下坡面侵蝕量最大，片蝕最容易過渡到細溝侵蝕，進而發(fā)展到溝蝕[106]。

李斌兵等[107]通過GPS 實測數(shù)據(jù)并結(jié)合GIS空間分析與統(tǒng)計回歸方法，建立了適用于黃土高原丘陵區(qū)的切溝侵蝕臨界模型(SA0.1351> 1.948)，發(fā)現(xiàn)在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，隨著坡度的增大，發(fā)生切溝侵蝕的臨界值a 增大，高強度降雨致使判定式中匯水面積的指數(shù)b值減小，從而減少了匯水面積的影響作用。同時臨界模型的驗證結(jié)果表明，基于所建臨界模型提取的淺溝侵蝕分布區(qū)與野外實際相吻合。

Torri和Poesen[108]對比了世界各地63 個已經(jīng)建立的形成淺溝的臨界地形模型，并對不同環(huán)境狀況下的參數(shù)值變化規(guī)律進行了總結(jié)，認為需要建立更完善的，包括土地利用、氣候變化和自然災(zāi)害因素在內(nèi)的基于物理過程的模型來判定淺溝發(fā)生的臨界條件。因為溝道的產(chǎn)生是由作用在溝頭上的動力過程所控制，這些過程包括地表漫流、地下水導(dǎo)致的滲流和潛蝕以及塊體塌陷或崩塌等因素。

有關(guān)淺溝形成、臨界地形條件及其影響因素的研究，鄭粉莉等[46]做了非常詳細的評述，感興趣的讀者可以閱讀原文。

5 溝道侵蝕研究展望

作為土壤侵蝕科學(xué)中一個獨立的研究領(lǐng)域，溝道侵蝕研究發(fā)表的論文只占土壤侵蝕方面的10%。分析溝道侵蝕的研究內(nèi)容，大約有2/3以上的研究集中在溝道的觀測、退化速率的定量化、退化過程的評估及其影響因素的分析等，長期和短期評價主要基于對正射投影的解釋，其他是模型和溝道預(yù)測指數(shù)的研究，很少一部分是實驗室研究、定性描述和防治研究。溝道預(yù)測指數(shù)的研究主要基于環(huán)境指標的分析(如地形等因素)來預(yù)測溝道的地點和嚴重程度[16]。

上世紀90年代初，學(xué)者們主要開展了有關(guān)溝道測定和定性方面的研究，之后實驗室模擬研究受到重視。1999-2005年間，開始開發(fā)和利用侵蝕模型開展研究。2006年以來，溝道侵蝕預(yù)測指數(shù)的研究受到重視。同期，溝道侵蝕對土壤質(zhì)量、生產(chǎn)力和生產(chǎn)成本的研究也逐步受到關(guān)注。目前的研究趨向于更復(fù)雜的表面過程和地下過程分析。這些研究加深了人們對溝道侵蝕發(fā)生發(fā)展過程及其防治的認識，也為溝道侵蝕危害性評價提供了一定的依據(jù)。深入開展對溝道的監(jiān)測、研究和模擬，是預(yù)測環(huán)境變化對溝道侵蝕速率影響的基礎(chǔ)，有助于人類深入認識溝道侵蝕發(fā)生的機理，從而采取阻控措施以減緩溝道侵蝕的持續(xù)發(fā)生。

但是，從時間和強度角度看，溝道侵蝕并不是一個均質(zhì)同類的過程，具有多要素和非一致性的形成特點，依賴于尺度的行為，且年內(nèi)存在著差異性(氣候促使和深層剖面的依賴性)[16]。而且，長期研究表明全球范圍內(nèi)溝道侵蝕的驅(qū)動力并不相同。例如，二十世紀中葉機械的引進是歐洲近期溝道侵蝕的主要因素[109-110]。由于溝道侵蝕過程的復(fù)雜性、非線性、突發(fā)性及區(qū)域差異性等特點，加之研究方法的局限和受人為耕作活動的特殊性影響，溝道侵蝕的研究尚有許多亟需深入探討的問題。

鄭粉莉等[47]提出，目前溝道侵蝕過程的定量研究、溝道發(fā)生的臨界地形和動力條件、發(fā)育過程的定量描述、水流的剝離方程及泥沙搬運能力，包括切溝侵蝕的流域侵蝕預(yù)報模型、動態(tài)監(jiān)測切溝侵蝕過程的新方法等研究還相對薄弱，有待加強。且至今尚未有公認的溝蝕過程定量表達式，致使現(xiàn)有侵蝕預(yù)報模型尚不能預(yù)報溝蝕量，并對控制溝道侵蝕動態(tài)的基本過程分析關(guān)注的較少，迫切需要加強溝蝕過程的研究。

土壤侵蝕發(fā)生規(guī)律具有很強的區(qū)域特征，與土壤性質(zhì)和氣候緊密相關(guān)。我國黑土區(qū)具有典型的漫川漫崗地形和相對集中的降雨特征，土壤黏重，雖然研究者對黑土區(qū)土壤侵蝕機理的研究已經(jīng)開展了一些工作，但是相對其他區(qū)域的研究還比較少。因此，今后要深入研究東北黑土區(qū)溝道侵蝕空間分布特征，定量化標識東北黑土區(qū)細溝及細溝間侵蝕，界定侵蝕溝生成的臨界條件，明晰溝蝕發(fā)生發(fā)展過程及其多種侵蝕外營力交互、耦合與疊加作用機制，揭示溝道侵蝕機理，提出東北黑土區(qū)溝道侵蝕防治、修復(fù)措施，為選擇與布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)國內(nèi)外溝道侵蝕研究的進展和成果，以下方面仍需要進一步加強和明確：(1)從水力學(xué)、降雨、地形、土壤和土地利用角度，明確特定區(qū)域溝道發(fā)生、發(fā)展和填充的水力閾值、降雨閾值和地形閾值；(2)從土壤抗切割的能力、土壤剖面中滲透條件或坡度的不穩(wěn)定性方面，定量評估地下過程對溝道侵蝕的動態(tài)學(xué)和敏感性影響；(3)凍融過程、土體開裂、地下水水文學(xué)和滲漏力對溝道形成的作用，溝道侵蝕與水文和其他土壤退化過程的互作作用；(4)既然細溝和片蝕有一個可接受的土壤損失值，那么溝道侵蝕是否需要確定一個最小的或者是一個可以接受的土壤損失值？以此確定什么條件下，需要采取控制措施；(5)管理措施的空間模式是如何影響溝道侵蝕空間變化和沉積速率的？不同土地利用、不同氣候環(huán)境下，不同時空尺度溝道侵蝕對整個土壤流失和沉積的貢獻率如何？(6)對易發(fā)生溝道侵蝕的區(qū)域，在溝道侵蝕的初期，土地管理、植被重建對溝道侵蝕發(fā)生發(fā)展的影響程度，什么樣的農(nóng)業(yè)或工程措施可以盡早有效地控制溝頭的挺進；(7)有效阻止和控制溝道的技術(shù)方法以及溝道治理計劃成敗的教訓(xùn)等，由此制定防控和恢復(fù)策略；(8)研發(fā)預(yù)測各種時空條件下溝道侵蝕速率、溝道對水文學(xué)、產(chǎn)沙量和景觀演化的適宜模型；(9)溝道普查的方法也需要改進，除了對溝道形態(tài)的時間和空間測定，也要對排水量和產(chǎn)沙量等進行測定。陸地攝影測量方法和三維攝影重建技術(shù)已經(jīng)用于測定和模擬細溝和溝道，今后需要探討不同時空尺度下，監(jiān)測和研究適宜溝道類型的測定技術(shù)；(10)全球變化對溝道侵蝕的直接(降雨量、降雨強度和降雨時空分布變化)和間接影響(全球增溫影響植被覆蓋、土壤含水量變化以及人類社會經(jīng)濟因素的變化)也需要關(guān)注。

致 謝

感謝“國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺-東北黑土科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://northeast.geodata.cn)”提供數(shù)據(jù)支撐。

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