元謀干熱河谷沖溝形態(tài)特征及其成因

楊丹，熊東紅，翟娟，李佳佳，蘇正安，董一帆

(1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，610041，成都;2.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都;3.中國科學(xué)院研究生院，100049 北京;4.成都信息工程學(xué)院，610225，成都)

沖溝侵蝕加劇面蝕的發(fā)生發(fā)展，加速土地退化進(jìn)程，是江河泥沙的重要來源之一，目前正受到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［1－2］。國外學(xué)者主要在沖溝侵蝕的影響因子［3－5］及其發(fā)生地形臨界值的確定［6－7］、侵蝕過程評價［8－10］、溝頭前進(jìn)速率及侵蝕產(chǎn)沙效應(yīng)［11－13］等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)、深入的研究。國內(nèi)以往的研究多集中在面蝕與細(xì)溝侵蝕上，對沖溝侵蝕的研究相對較少，目前主要集中于沖溝侵蝕監(jiān)測方法的應(yīng)用及其評價［14－17］、溝頭集水區(qū)土地利用方式對沖溝侵蝕速率的影響［18］、溝頭形態(tài)分形特征［19－20］等方面，而對于沖溝的發(fā)育特征、控制因素還鮮有專門的研究報道。本研究的目標(biāo)在于:1)闡述沖溝發(fā)育的形態(tài)特征;2)進(jìn)一步分析沖溝發(fā)育的控制因素;3)指明元謀干熱河谷沖溝研究的重點方向。沖溝侵蝕是元謀干熱河谷突出的生態(tài)環(huán)境問題之一，加強該方面的研究對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、河流生態(tài)安全及沖溝治理實踐均具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南元謀干熱河谷，該區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，具有“炎熱干燥，降水集中，干濕季分明”的特征:年均溫21.9 ℃，年降水量615.1 mm，主要集中在6—10 月的雨季，占年降雨量的90%以上，年蒸發(fā)量高達(dá)3 911.2 mm，約為年降水量的6.4倍，年均干燥度為2.8。地帶性土壤為燥紅土，部分地區(qū)有少量變性土［21］。植被以稀樹灌木草叢為主，森林覆蓋率極低，僅為3.4%～6.3%［22］。沖溝發(fā)育的元謀組地層為第四系河湖相沉積物，厚達(dá)673.6 m，可分為4 段28 層，并具有結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)度差、黏砂互層、層與層組成物質(zhì)差異顯著等特征［23］。

2 研究方法

試驗區(qū)選擇在中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所與云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院合建的干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站內(nèi)。于2011 年7 月底至8 月初在站內(nèi)選取發(fā)育典型的沖溝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)查。沖溝的形態(tài)特征值主要采用激光測距儀、坡度儀和5 m 鋼卷尺實地測定，溝頭土壤入滲速率采用雙環(huán)法測定，溝頭土體抗剪強度采用便攜式十字板剪切儀測定，土壤機械組成采用吸管法測定，其他測定數(shù)據(jù)見文中引用文獻(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 沖溝形態(tài)發(fā)育特征

3.1.1 空間規(guī)模大、溝壁陡立、溝谷深壑 元謀干熱河谷沖溝最突出的形態(tài)特征是沖溝發(fā)育空間規(guī)模大、溝壁陡立、溝谷深壑。據(jù)2011 年7 月在元謀縣苴林鄉(xiāng)中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所溝蝕崩塌觀測站(以下簡稱“溝蝕站”)現(xiàn)場調(diào)查(表1)，多數(shù)沖溝長度較大，其中半數(shù)以上的沖溝長度在100 ～300 m 之間，某些大型沖溝甚至可超過400 m，如表1 中4－1號沖溝，其長度即達(dá)420 m，大多數(shù)沖溝寬度為30 ～60 m，最寬的地方則可達(dá)到265 m，多數(shù)沖溝深度在5 ～20 m 之間，最深的地方可超過80 m，溝谷極為深壑。就溝壁而言，溝壁與地平面的夾角大多在80°～90°之間，呈陡立狀，如表1 中的1－1號、1－2號和2－1號沖溝，其溝壁坡度均達(dá)到了90°。由于溝壁陡立，溝谷深壑，因而沖溝在水力、重力的雙動力混合作用下，崩塌作用劇烈而頻繁。

3.1.2 活躍溝頭的溝壁常呈上凸下凹狀、溯源侵蝕劇烈 活躍溝頭最突出的特征是其溝壁在水力和重力侵蝕作用下，呈現(xiàn)“上凸下凹”的形狀(圖1)。活躍溝頭上部土體堅硬，常形成凸起狀。根據(jù)實地調(diào)查，上凸部分土體厚度在22 ～121 cm 之間，平均厚度為66.5 cm(表2)。溝壁的下凹部分則常形成“豎井狀””的內(nèi)凹洞，其縱軸長度多在80 ～200 cm 之間，最大縱軸長度為370 cm，其橫軸則相對較短，多數(shù)在70 ～50 cm 之間，最長為214 cm，最短則只有57 cm。內(nèi)凹洞凹進(jìn)溝壁的平均深度相對較小，多在30 ～60 cm 之間。溝頭土體的這種“上部土體突出，下部土體凹進(jìn)”的形態(tài)特征，即為上凸下凹狀。

在活躍溝頭的下底常發(fā)現(xiàn)有較多的新鮮崩積物，顯示溯源侵蝕劇烈。由于溝頭內(nèi)凹洞的產(chǎn)生，上部土體穩(wěn)定性減弱，加之降雨時內(nèi)凹洞底部形成臨時性的水位，蓄積的水體對溝壁不斷浸潤、沖刷，促使溝壁土體崩解，進(jìn)而發(fā)生崩塌，因而在內(nèi)凹洞下往往堆積有大量崩積物，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的13 個活躍溝頭，其新鮮崩積物體積平均為0.3 m3，最大的甚至可達(dá)1.43 m3，顯示出強烈的溯源侵蝕作用。

表1 調(diào)查沖溝的形態(tài)特征參數(shù)Tab.1 Morphological characteristic parameters of the investigated gullies

3.1.3 沖溝呈葉脈狀網(wǎng)絡(luò)發(fā)育 在溝蝕站調(diào)查發(fā)現(xiàn)，元謀干熱河谷的沖溝先是發(fā)育出1 條主溝，然后在降水、地形以及人為活動的綜合作用下衍生出多條支溝，在每條支溝上又發(fā)育若干個溝頭，從而形成1 個沖溝網(wǎng)絡(luò)(圖2)。從表3 可以看出，平均每條沖溝有3.7 個溝頭，主溝與支溝的夾角在10°～35°之間，平均夾角為22.5°，這些與主溝夾角均為銳角的支溝多集中分布在主溝縱向(從溝尾指向溝頭)的上半部分，呈現(xiàn)出與葉脈相似的發(fā)育形態(tài)，即呈葉脈狀網(wǎng)絡(luò)發(fā)育。

圖1 上凸下凹狀的沖溝活躍溝頭Fig.1 Active gully head with projected upper part and concaved lower one

表2 元謀干熱河谷沖溝活躍溝頭形態(tài)特征Tab.2 Morphological characteristics of the active gully heads in Yuanmou Dry－h(huán)ot Valley

沖溝呈葉脈狀網(wǎng)絡(luò)發(fā)育與沖溝發(fā)育的地形特征、巖土組成及坡面匯流路徑緊密相關(guān)。元謀干熱河谷沖溝多發(fā)育在由軟硬交替的巖層組成的緩坡臺地上，其坡度多在10°左右，降水時形成遍布整個坡面的徑流，呈漫流狀。不同的巖土抗侵蝕性不同，從而產(chǎn)生差異性侵蝕，在巖性較軟弱的地方就逐漸形成毛溝、細(xì)溝，隨著流水的繼續(xù)作用，細(xì)溝不斷展寬、延伸，最后發(fā)展成為沖溝。多條沖溝相互連接溝通，并在空間上呈現(xiàn)出一定的形態(tài)，就形成了葉脈狀的沖溝網(wǎng)絡(luò)。

圖2 元謀干熱河谷葉脈狀網(wǎng)絡(luò)型沖溝Fig.2 Gullies with leaf vein－like developing mode in Yuanmou Dry－h(huán)ot Valley

表3 沖溝發(fā)育網(wǎng)絡(luò)主要特征參數(shù)Tab.3 Main characteristic parameters of the gully network

3.1.4 溝內(nèi)侵蝕地貌發(fā)育 溝內(nèi)流水侵蝕殘留地貌豐富，也是元謀干熱河谷沖溝的一個顯著特征。在沖溝內(nèi)能看到許多形態(tài)各異的地貌景觀，如土墻、土屏、土錐、土柱、土堡等。土錐相對高度約1 ～3 m，土柱相對高度為5 ～10 m，土墻相對高度可超過10 m，土堡則為各柱體相連，高大雄渾，高度為10 ～20 m。元謀干熱河谷發(fā)育的沖溝就是在特定的巖性組合、構(gòu)造、氣候、水動力條件及環(huán)境等多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果［24］。由于元謀干熱河谷軟硬交替的巖層以及獨特的熱帶稀樹草原氣候，使得該地區(qū)地表流水作用強烈，導(dǎo)致巖層在一定深度范圍內(nèi)發(fā)生垂直侵蝕作用，形成大量裂隙，裂隙不斷擴開展寬，相互連通，最后形成一系列縱橫交錯的深切溝，使沉積物分割成一個個殘留的土柱、土錐、土塔等［25］，在沖溝內(nèi)部形成豐富的地貌景觀。同時，元謀干熱河谷特殊的氣候條件以及沉積物上部的鐵錳結(jié)膜覆蓋層是上述殘留地貌得以保存的主要原因。

3.2 沖溝發(fā)育的形成原因

元謀干熱河谷沖溝的發(fā)育與該區(qū)域的巖層結(jié)構(gòu)、氣候降雨、土壤屬性等密切相關(guān)。

3.2.1 巖層結(jié)構(gòu) 元謀干熱河谷的巖層具有沉積年代晚、膠結(jié)度差、軟硬互層的特點［21］，這是造成沖溝發(fā)育的一個重要因素。從巖層性質(zhì)上講，元謀干熱河谷巖層為第四系河湖相沉積物，土體結(jié)構(gòu)疏松、易于侵蝕而形成大、深的沖溝;從層序結(jié)構(gòu)來看，共計673.6 m 厚的巖層，可以分為4 段28 層，每層在顆粒組成、膠結(jié)程度上均有所差異，并且具有黏土與粉砂互層(軟硬巖層互層)的特點(表4)［26］，從而導(dǎo)致不同土層的抗蝕性存在很大差異，如不同土層抗剪強度就存在很大差異。據(jù)南嶺等［27］在元謀干熱河谷試驗測定結(jié)果(表5)，溝頭上層土體的抗剪強度平均為110.0 kPa，中間層土體的平均抗剪強度為79.8 kPa，下層土體的平均抗剪強度則只有76.5 kPa，土體抗剪強度表現(xiàn)出隨深度增加而減小的趨勢，即上部土體為較堅硬抗蝕性強，下部土體較疏松抗蝕性弱，因而在流水作用下，下部土體被優(yōu)先侵蝕，巖層侵蝕成上凸下凹的形狀，土體發(fā)生崩塌。如果上部為結(jié)構(gòu)疏松的土體，下部為較堅硬的土體，土體會發(fā)生溜滑，下層疏松土體裸露出地表，迅速被完全侵蝕，則又形成堅硬土層在上、疏松層在下的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)生崩塌。

3.2.2 氣候及降雨 旱季高溫干燥、雨季降水集中且暴雨雨量大，是干熱河谷沖溝形成的重要因素。元謀干熱河谷干濕季節(jié)特別分明，干季長而干燥，自當(dāng)年11 月初至翌年5 月底，長達(dá)7 個月之久，總降雨量不到年降水量的10%。雨季則降雨頻繁，平均降雨量達(dá)515.8 mm，占年降水量的90%以上。元謀干熱河谷以暴雨為主2003—2010 年間暴雨雨量平均為年降雨量的25%，暴雨雨量在某些年份甚至可占到年降水量的40%以上，如2003 年和2008 年，暴雨雨量就分別占到了年降水量的49.5%和41.2%(表6)。暴雨對地面強烈的沖刷、侵蝕作用極大地加速了沖溝的發(fā)生發(fā)展。

表4 元謀組地層屬性表Tab.4 Attributes list of the strata for Yuanmou Formation

表5 各溝頭不同土層的抗剪強度Tab.5 Soil shear strength for different soil horizons of gully heads

表6 元謀干熱河谷2003—2010 年降水特征Tab.6 Rainfall characteristics in Yuanmou Dry－h(huán)ot Valley during 2003—2010

元謀干熱河谷屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，旱季高溫干燥，月平均溫度超過20 ℃的高達(dá)5 個月，并主要集中分布在旱季末期的3—5 月，在5 月甚至達(dá)到27.0 ℃，土壤相對濕度低至31%，土壤水分含量低至凋萎濕度以下。這漫長而炎熱干燥的旱季，使得元謀干熱河谷的土體松散，抗蝕性降低，加劇了水蝕和重力侵蝕的發(fā)生程度，使得元謀干熱河谷的沖溝極為發(fā)育。

3.2.3 土壤屬性 元謀干熱河谷土壤多為燥紅土和變性土，其原有正常巖土剖面為:發(fā)育燥紅土的母質(zhì)在上，發(fā)育變性土的母質(zhì)在下。變性土母質(zhì)黏性，透水率低，土壤入滲率低，燥紅土母質(zhì)屬沙性～粉沙性，在水分作用下，土體易于崩散，這是沖溝發(fā)育的重要原因之一。據(jù)實地調(diào)查結(jié)果顯示，元謀干熱河谷土壤穩(wěn)定入滲率在0.3 ～4.5 mm/min 之間，其中，表面有鐵錳結(jié)膜的裸地，土壤入滲率最低，為0.3 mm/min(表7)。土壤的低入滲率使得大部分降水轉(zhuǎn)化為地表徑流，地表徑流系數(shù)最高可達(dá)0.797［28］，從而使得地表形成大量徑流，土體表層濕潤而土體表層以下的土層仍較干燥，并且隨著土層深度的增加，土壤水分含量越來越低(表8［27］)。這些由降水直接轉(zhuǎn)化而來的地表徑流在溝頭匯集形成跌水，跌水不斷沖擊溝頭下部，形成具有一定水位的跌穴，跌穴中的水又持續(xù)地浸潤溝壁下部的干燥土體，土體吸水后產(chǎn)生崩解，土體崩解速率隨著土體含水量的減少而增大，如表8 中的1－3土層，其崩解速率高達(dá)1 551 g/min。另一方面，跌穴中的水體不斷對溝壁進(jìn)行側(cè)蝕，在溝壁下部形成內(nèi)凹洞，隨著側(cè)蝕作用的加強，內(nèi)凹洞不斷擴大，溝頭形成上凸下凹的形狀，當(dāng)內(nèi)凹洞大小擴大到一定程度時，上部土體失去支撐，在重力作用下發(fā)生崩塌。

表7 不同土地覆被類型下溝頭土壤入滲特征指標(biāo)值Tab.7 Index values for soil infiltration characteristics under different LUUC

表8 各溝頭不同土層的土壤含水量及崩解速率Tab.8 Soil infiltration rates and disintegration rates in different soil horizons of gully heads

燥紅土和變性土黏粒含量均較高，具有膨脹收縮強烈、裂隙發(fā)育的特點，變性土具有多蒙脫石的礦物特征，燥紅土則很少;因此產(chǎn)生差別的膨脹收縮，加劇了土壤侵蝕。從表9［29］可以發(fā)現(xiàn)，土體黏粒(＜0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在50%～60%之間，膨脹度和收縮度均在25%～35%之間。土體裂隙發(fā)育的面密度是土體裂隙發(fā)育程度的重要表征，是指調(diào)查樣方內(nèi)所有裂縫面積占地表總面積的比例。元謀干熱河谷裂隙發(fā)育的面密度可達(dá)20%～30%，屬中、強度發(fā)育?？梢?，土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，土體吸水、失水過程中，土體形態(tài)變化越劇烈，在長期的干濕交替下，土體不斷收縮膨脹，導(dǎo)致大量裂隙發(fā)育，降低了土體強度和抗侵蝕性。為雨水的深入下滲創(chuàng)造了條件，加劇了溝壁土體的不穩(wěn)定性，促進(jìn)了崩塌的發(fā)生。

表9 元謀干熱河谷土壤樣品黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤脹縮性測定結(jié)果Tab.9 Clay content and swell－shrink characteristic of soil samples in the Yuanmou Dry－h(huán)ot Valley

4 討論

1) 由于元謀干熱河谷發(fā)育的沖溝空間尺度很大，而其形態(tài)變化及侵蝕產(chǎn)沙又集中在較小的部位發(fā)生，迄今為止，還沒能找到一種非常有效的監(jiān)測手段;因此，找到一種合理、有效、快速、便捷且能同時獲取沖溝微觀尺度形態(tài)特性及其宏觀尺度形態(tài)特性的監(jiān)測方法是進(jìn)一步深入研究沖溝侵蝕的關(guān)鍵所在，也是未來沖溝形態(tài)監(jiān)測的發(fā)展趨勢。具體來說就是將地面監(jiān)測手段(如侵蝕針法、高精度GPS 法、三維激光掃描法等)與遙感航空攝影手段(航空相片、衛(wèi)星圖像解譯等)相結(jié)合，以兼顧沖溝不同部位的大小，開展有效的、全面的侵蝕監(jiān)測。

2) 元謀干熱河谷沖溝具有“溝壁陡立、溝頭溝壁上凸下凹、整體呈葉脈狀網(wǎng)絡(luò)發(fā)育”等形態(tài)特征，這些獨特的形態(tài)是如何形成的?是否伴隨有獨特的水土作用過程?野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，元謀干熱河谷沖溝的發(fā)育，涉及非常復(fù)雜的系列水土作用過程，如僅就溝頭溯源侵蝕而言，就包含了“溝頭匯流形成跌水—跌水沖刷形成跌穴—跌穴水體浸潤、溶蝕溝壁，形成內(nèi)凹洞—內(nèi)凹洞不斷往溝壁深處擴展—崩塌發(fā)生—崩積物隨后被運移—溝頭前進(jìn)”等系列子過程。量化研究沖溝溝頭溯源侵蝕、溝壁擴展及溝床下切等過程，對于建立沖溝侵蝕物理機制模型具有重要意義，是未來元謀干熱河谷沖溝侵蝕取得突破的重要方向之一。

3) 不同氣候和土地利用條件下，沖溝侵蝕對整個流域產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)有多大?這個問題在歐美國家已經(jīng)有了初步答案，但是在我國，尤其是對于長江上游的重點產(chǎn)沙區(qū)——金沙江干熱河谷，這是一個迫切需要回答的問題。初步研究［18］表明，不同土地利用方式對沖溝溝頭的溯源侵蝕速率有重要影響，表現(xiàn)為裸地溯源侵蝕速率最快，耕地次之，有林地最慢的變化規(guī)律;但迄今為止，沖溝集水區(qū)、沖溝溝頭、溝岸、溝床等各部位的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)及產(chǎn)沙機制仍不十分清楚，查明這些問題對于解決該區(qū)長期存在的“治溝”還是“治坡”問題及對該區(qū)的水土保持宏觀決策也將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

4) 人類活動是如何影響沖溝發(fā)育進(jìn)程的? 如何采取經(jīng)濟(jì)有效的治理措施來遏制沖溝發(fā)展、促進(jìn)沖溝穩(wěn)定?這是元謀干熱河谷沖溝侵蝕研究一項長期而艱巨的任務(wù)。傳統(tǒng)的坡地耕作、過度放牧等人類活動如何導(dǎo)致土地退化并進(jìn)一步影響沖溝發(fā)育的?當(dāng)前在該區(qū)發(fā)生的采用大型工程機械進(jìn)行的大面積的“平溝為園(葡萄園)”活動，其今后沖溝發(fā)育重啟動的可能性多大?如何綜合生物、工程、農(nóng)耕措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、有效的治理? 這些都是今后研究值得重點關(guān)注的問題。

5 結(jié)論

1) 元謀干熱河谷沖溝發(fā)育極為典型，沖溝形態(tài)發(fā)育表現(xiàn)出以下特征:空間規(guī)模大、溝壁陡立、溝谷深壑，活躍溝頭的溝壁常呈上凸下凹狀、溯源侵蝕劇烈，典型沖溝呈葉脈狀網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，溝內(nèi)侵蝕地貌發(fā)育。

2) 元謀干熱河谷軟硬互層的巖層結(jié)構(gòu)，旱季高溫干燥、雨季降水集中的氣候及降雨特征，膨脹收縮強烈、裂隙發(fā)育及遇水極易崩解的土壤屬性，是導(dǎo)致其沖溝發(fā)育、崩塌作用強烈的主要原因。

3) 未來元謀干熱河谷沖溝侵蝕研究的重點方向應(yīng)主要集中于沖溝形態(tài)監(jiān)測方法、沖溝發(fā)育過程及機制、沖溝各部位的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)及機制、人類活動對沖溝發(fā)育的影響等方面。研究區(qū)的巖層結(jié)構(gòu)，氣候及降雨情況，土壤屬性是導(dǎo)致其沖溝典型發(fā)育的主要原因。此外，人類活動的干擾，主要是土地利用方式的不同對沖溝的形態(tài)發(fā)育也起著重要的作用。

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