干熱河谷區沖溝地貌演化動力機制及其生態治理模式

楊鴻琨，蘇正安，朱大鵬，周 濤,3，何周窈,4，方海東，史亮濤

(1.中國科學院/水利部 成都山地災害與環境研究所中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；2.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500；3.中國科學院大學，北京 100049； 4.四川農業大學 林學院，四川 成都 611130；5.云南省農業科學院 熱區生態農業研究所，云南 元謀 651300)

沖溝侵蝕是一種重要的土壤侵蝕類型，侵蝕過程中大量泥沙從溝道內被帶走，造成嚴重的水土流失[1]。沖溝侵蝕不僅會引起河道淤塞，導致土壤生產力下降，而且還會毀壞道路橋梁地基，影響地面建筑物的穩定性，嚴重影響當地居民的生產生活和經濟可持續發展，因此對沖溝侵蝕的研究具有重要的現實意義。近年來，國內外學者在沖溝侵蝕方面開展了大量研究工作，在沖溝侵蝕監測方法、沖溝發育的影響因素和過程機理，以及沖溝侵蝕形態變化等方面獲得了相當多的研究成果，為干熱河谷區沖溝侵蝕研究奠定了良好的基礎。目前關于黃土高原區和東北黑土區沖溝侵蝕的發育及發展機理、監測方法、侵蝕模型和防治技術等方面的研究成果較多，但關于干熱河谷區沖溝侵蝕的研究成果則相對較少，因此本研究就干熱河谷地區沖溝地貌演化動力機制和生態治理模式的研究現狀進行了分析，以期能為干熱河谷區沖溝侵蝕研究工作提供參考。

1 干熱河谷區沖溝發育的環境背景條件

我國干熱河谷區面積約有3萬km2[2]，主要分布于金沙江、元江、怒江、瀾滄江等流域，地形多為高山峽谷，存在熱量較高的河谷盆地[3]；位于亞熱帶氣候區，氣候干熱，降雨量少，蒸發量大，年均氣溫高，旱季時間長，雨季降水集中且多暴雨[4-5]；區內河湖相地層分布范圍較廣，以紫紅色泥質夾粉砂、細砂沉積物等為主；土壤類型以燥紅土和變性土為主，土壤抗蝕性差[6]；生態環境極為脆弱，植被多以扭黃茅、孔穎草、車桑子等耐熱耐旱灌木草叢為主。干熱河谷區惡劣的自然環境，導致水土流失嚴重，沖溝大量發育。

2 干熱河谷區沖溝地貌演化過程

干熱河谷區的沖溝地貌與該區獨特的地質地貌條件緊密相關。青藏高原和云南高原的構造運動影響了干熱河谷區沖溝地貌的形成[7]。隨著亞洲板塊和印度板塊之間的碰撞擠壓，青藏高原與云南高原隆起抬升，形成眾多南北走向的山脈和斷裂，并發育一系列的斷陷盆地。研究表明，干熱河谷區盆地的地貌形態經歷了隆升剝蝕、盆地的形成與沉積、湖水外泄、現代地貌的發展與演變等4個階段[8]。各級構造運動后，盆地終止沉降，金沙江水系形成，由于處于河流上游，地形高低起伏，水系下切侵蝕強烈，因而溝谷不斷出現和發展。干熱河谷區在盆地期間，盆地內有大量的泥沙沉積，形成了具有河湖相沉積特征的巖層[9]。這些地質、地貌條件是干熱河谷區沖溝發育和形成的內因，為形成現代干熱河谷區沖溝地貌奠定了基礎。

干熱河谷區特有的氣候特征和巖土特性也是沖溝地貌形成與演變的重要因素。干熱河谷地區地處低緯度地區，氣溫高，蒸發能力強，潛在蒸發量遠遠大于降雨量，比如元江干熱河谷區年降雨量為800～900 mm，而潛在年蒸發量卻達到2 750 mm[10]；金沙江干熱河谷區年降雨量在600 mm左右，而潛在年蒸發量卻可達3 640 mm[11]。干熱河谷區土壤多為燥紅土，部分為變性土，這些表層土壤的入滲性差，不利于植被生長[12]。旱季時，退化的坡地易形成大量裂縫，一旦遇強降雨很容易形成地表股流和壤中流，地表溝蝕發育極快，并最終形成沖溝[13]。

干熱河谷區沖溝形成與發育的主要驅動力是水力和重力。在水力和重力的共同作用下，沖溝從坡地或臺地邊緣的凹岸逐漸發育而成。初期溝道一旦形成，會迅速擴展和演變[14-16]，經過長時間的侵蝕作用，逐漸成為大型沖溝。

沖溝形態會對沖溝地貌的演化過程產生顯著影響。沖溝溝壁崩塌和溝頭溯源侵蝕會導致相應部位植被難以生長，從而加劇溝道的擴張[17]。干熱河谷沖溝溝頭是整個沖溝形態變化及產沙最活躍的部位，影響著整個沖溝的形態發展方向[18]。同時，單獨的沖溝又會發育成若干個支溝，形成大范圍的沖溝地貌[5]。以往針對沖溝地貌，主要采用直接丈量法、測針板等方法進行調查和監測，但是隨著觀測尺度的擴大，野外工作量急劇增加，急需引進更精確更快捷的測量技術。目前，三維激光掃描技術、RTK-GPS技術、無人機等新技術逐漸被運用于沖溝侵蝕研究，如：DONG et al.[19]采用RTK-GPS手段研究了沖溝形成的臨界條件；SU et al.[20]采用三維激光掃描技術結合沖刷試驗研究了沖溝溝頭的溯源侵蝕過程及其時空變化規律。

干熱河谷區發育的沖溝地貌是自然因素和人為活動等聯合作用的結果。當地特殊的土壤類型加之土地利用方式變化致使土地易退化而被侵蝕，促進了沖溝地貌的演化[21]。同時，耕作放牧、林地經營和開礦冶煉等強烈的人為活動也對沖溝地貌演化產生了重要影響。

3 干熱河谷區沖溝動力機制研究

干熱河谷地區的沖溝發育是在水力侵蝕和重力侵蝕共同作用下進行的[22]，且二者在沖溝發育的不同階段扮演了不同的角色。

3.1 水力侵蝕過程

水力作用是干熱河谷區沖溝發育過程中主要的驅動力。目前，徑流模擬試驗是干熱河谷區沖溝侵蝕水動力過程研究中一種重要的研究手段。研究人員多通過徑流模擬試驗模擬沖溝發育過程，獲取土壤侵蝕速率、地形變化和水動力學參數，揭示沖溝發育過程的動力學機制，如熊東紅等[23]通過原位徑流模擬試驗研究了股流作用下沖溝溝頭的產沙效應。

在土壤侵蝕過程中，受地形起伏、入滲和植被截流等影響，地表徑流是一種復雜的三維非均勻流過程，但為了方便求解，研究人員常常將其簡化為一維均勻流進行計算和分析[24]。有學者從力和能量的觀點提出了徑流剪切力、徑流功率和徑流能耗等徑流理論來分析徑流問題[25-27]。由于徑流剪切力和徑流功率均屬于矢量，具有大小和方向，在溝蝕發育動力過程中(尤其是溯源侵蝕過程中)應用存在較多問題[28]，因此近年來徑流能耗作為一種標量參數逐漸被引入到沖溝侵蝕動力學過程研究中[4]，并逐漸被廣大土壤學者和水土保持學者所認同。在干熱河谷區沖溝侵蝕水動力過程的研究中，研究人員也引入了水動力學理論展開模擬試驗和理論研究，從而探究沖溝溯源侵蝕的發生機理。SU et al.[4]利用野外徑流模擬試驗，詳細研究了不同放水流量時沖溝集水區的徑流水動力特征。熊東紅等[23]通過開展不同溝壁形態下的集水區和溝床的水動力學試驗，探究了在不同的流量下沖溝溝頭土壤侵蝕量與徑流水動力特征的關系。相關研究均表明，徑流能耗理論在沖溝侵蝕過程中更實用，作為標量，可以通過計算地表股流初始狀態和末端狀態的能量變化來模擬整個沖溝侵蝕水動力學過程的變化，進而有效預測沖溝侵蝕。但總體而言，目前利用徑流能耗、徑流剪切力和徑流功率等理論來研究干熱河谷區沖溝侵蝕過程的研究成果仍然較少，未來還需要開展更加深入、定量化的研究。

干熱河谷區植被覆蓋會影響沖溝水動力過程，且植被覆蓋與土壤含水量、土壤厚度之間存在密切的關系[29]。DONG et al.[30]通過野外調查發現溝道植被的生長狀態不僅與土壤、地形有關，而且受到溝頭上游徑流過程的影響。SU et al.[31]對比了沖溝集水區裸地和耕地的阻力系數和徑流能耗的變化特征，證實了沖溝集水區土地利用類型變化會顯著改變沖溝溝頭的水動力學過程。YANG et al.[32]通過試驗證實了溝床草被會對徑流水動力特征產生顯著影響。這些試驗都表明沖溝植被覆蓋對沖溝侵蝕過程具有顯著影響，同時植被覆蓋類型、形式和范圍也會影響沖溝水動力過程。

總體而言，目前關于干熱河谷區沖溝水動力學機制的研究多以野外原位的徑流模擬試驗為主。這種試驗方法充分還原了沖溝形成的環境條件，但由于較少考慮降雨的直接作用，忽略了降雨對地表的濺蝕作用，以及降雨導致的地表結皮過程，因此在一定程度上沒有模擬出真實的侵蝕過程。除此之外，在徑流模擬試驗過程中，研究人員多將沖溝溝頭設置為陡立溝壁，較少關注溝頭坡度對沖溝水力侵蝕過程的影響。此外，盡管徑流模擬試驗可以在短時間內模擬時間尺度較大的徑流匯集過程，但弱化了長時間土壤入滲、干濕交替等其他因素對沖溝溯源侵蝕過程的影響。目前為止，研究人員針對干熱河谷區沖溝溯源侵蝕的水動力過程開展了一定研究，取得了一定成果，但相應的模擬控制試驗手段有待進一步改進。

3.2 重力侵蝕過程

重力作用是干熱河谷區沖溝溯源侵蝕和溝壁崩塌過程中的另一個重要的驅動力。沖溝發育過程中重力的動力來源主要是土體自身重力。在沖溝重力侵蝕過程中，土體通過重力克服顆粒之間的黏聚力和摩擦力而向地勢低處運動。干熱河谷區沖溝的重力侵蝕形式主要為溝壁崩塌[33]。

坡度是影響重力侵蝕過程的一個重要因素。受自身重力影響，當土體沿坡面或滑面向下的自重分量超過土體的抗拉強度或抗剪強度時，則可能發生崩落或崩塌，而土體沿坡面或滑面向下的自重分量又與坡度具有顯著的相關關系。干熱河谷區沖溝溝壁多呈直立狀態，沖溝溝岸的坡度一般較大，滿足發生土體崩塌的條件。同時，陡直的溝岸土壤水分條件差，植被覆蓋度較低，也會起到加速溝壁崩塌的作用[34]。目前，研究干熱河谷區坡度對沖溝重力侵蝕過程影響的難度較大，相關研究成果較少。

干熱河谷區沖溝重力侵蝕的發生過程還與土壤類型有關。在干熱河谷區，出露地表的土層多為砂性土(燥紅土、古紅土和砂土)和黏性土(變性土)[16]。相關研究表明，燥紅土的抗侵蝕能力主要受到團聚體的穩定性和膠結凝聚力影響，且表現出正相關關系[35]；而變性土的抗侵蝕能力變化特征與土壤中黏粒和黏土礦物含量具有密切的相關關系[36]。張素等[37]在試驗中發現土體的平均內摩擦角隨著沖溝發育程度的增加而增大，平均黏聚力隨著沖溝發育程度的增加而減小，并且土壤中有機質含量的提高會增強土體的抗剪強度。此外，在干熱河谷區，人類的頻繁擾動，導致燥紅土與變形土等不同土壤類型之間混合比例改變，土壤性質也發生不同程度的改變，進一步增加了沖溝發育過程中重力侵蝕研究的難度。

干熱河谷區土壤裂縫對沖溝重力侵蝕過程也會產生顯著的影響[38]。SINGH et al.[39]在試驗中發現土壤水分存在一個分界點，超過這個分界點，土壤結構容易受到力的作用發生破壞，分離而形成裂縫。XIONG et al.[40]研究發現干熱河谷區土壤裂隙的連通性會隨著土壤含水量的逐漸下降而上升。與此同時，在頻繁的干濕交替作用下，土體裂隙會逐漸影響土壤結構，從而導致溝岸崩塌的發生[36]。目前，干熱河谷區土壤裂縫試驗主要以室內模擬試驗為主，試驗中對土樣的擾動較大，且土樣尺寸較小，將來還需要開展野外控制試驗，從而進一步探明土壤裂縫在干熱河谷區沖溝發育過程中所扮演的角色。

干熱河谷區沖溝發育過程中重力侵蝕和水力侵蝕存在一定的相互作用機制。干熱河谷區年內降雨量分配不均，降雨時間集中，易形成短歷時暴雨。次降雨后土體質量增加，黏聚力和內摩擦系數減小，裂隙進一步擴張直至剪切面貫通，最終土體分離，在沖溝溝壁發生崩塌。除了降雨強度，降雨歷時也會對沖溝溯源侵蝕和溝壁崩塌的發生造成巨大影響[41]。因此，干熱河谷區沖溝發育過程是水力和重力共同作用的結果。但目前關于干熱河谷區沖溝侵蝕過程中重力和水力耦合作用機制的定量研究成果還相對較少，急需進一步開展野外控制試驗和原位監測，從而為探明干熱河谷區沖溝發育過程奠定基礎。

4 干熱河谷區沖溝生態治理模式

受氣候和土壤性質影響，干熱河谷地區植被覆蓋度低，土壤表層被鐵錳膠膜覆蓋，土壤入滲能力遠遠低于黃土高原等我國其他干旱區，在短歷時、高強度降雨作用下極易形成地表股流，并發育形成大量沖溝，從而造成嚴重的水土流失。綠色植物具有保水固土、改善土壤結構、美化環境等重要作用，植被建設是干熱河谷區沖溝治理的最佳方法。

由于干熱河谷區生境條件較差，因此在植被品種選擇上，應首選適應性強、耐熱耐旱的植物進行試驗和推廣[42]。通過研究人員幾十年的探索和研究，已經篩選出十幾種適宜干熱河谷區的植物物種，并總結了各個物種的適種范圍和生長特性。例如，劍麻、銀合歡、木豆具有很強的速生性和吸水保水能力，其根系還能改良土壤理化性質，是目前干熱河谷區植被恢復過程中應用較為成功的植物物種[43]；車桑子、扭黃茅、孔穎草等鄉土物種也被廣泛運用于沖溝發育區的生態修復。此外，酸豆(羅望子)、余甘子等鄉土物種由于具有抗旱耐瘠的優勢，在當地不僅具有改良土壤的生態效益，而且還有較高的經濟效益，在干熱河谷區也被作為先鋒樹種用于生態治理[44]。

在干熱河谷沖溝發育區進行生態修復時，采用不同植物物種進行搭配的復合治理模式不僅能夠保水固土，還能促進植被生長，因此得到了廣泛研究和應用[45]。例如，羅望子+木豆+象草組合種植模式、麻瘋樹(膏桐)+木豆復合種植模式、龍眼+香葉天竺葵和龍眼+臺灣青棗復合種植模式不僅能互相促進植被生長，而且還有一定的經濟效益[46]。雖然目前干熱河谷區已經篩選出了一定數量的適生植被，但具有經濟價值的植被多為外來物種，不僅投入成本高，而且還容易造成物種入侵，因此仍需要通過進一步開展控制試驗補充和擴大適宜鄉土物種的種類和數量，并加強植被配置模式的優選。

5 結 語

溝壑密布的沖溝發育區是干熱河谷區生態最脆弱的區域。為減少沖溝發育區土壤侵蝕及其產流產沙效應對當地群眾生活和經濟發展的影響，本研究對干熱河谷區沖溝形成原因、地貌演化過程、動力機制及生態恢復模式進行了綜述，認為下一步仍需在以下方面開展更多的研究。

(1)地質構造運動形成的斷陷盆地和河湖相沉積地是現代干熱河谷區沖溝地貌形成的基礎，且干熱河谷區沖溝地貌地形的后期演變與其特有的氣候特征和土壤特性有著重要的關系，換言之，干熱河谷區發育的沖溝地貌是多因素聯合作用的結果。但目前，關于干熱河谷區沖溝地貌演化整個過程的研究還不夠充分。

(2)目前研究人員主要通過徑流模擬試驗測得相應的水動力學參數，運用徑流剪切力、徑流能耗及徑流功率等水動力學理論分析沖溝溯源侵蝕的水動力學過程，但目前關于降雨、地貌、植被等因素影響沖溝溯源侵蝕過程的研究成果還不多，還需要進一步采用模擬控制試驗來進行證實和完善。

(3)關于干熱河谷區沖溝發育過程中重力侵蝕動力機制的研究成果較少。同時，干熱河谷區沖溝的水力侵蝕和重力侵蝕過程存在耦合作用機制，但關于這兩種力學過程的相互作用機制尚不清楚。

(4)干熱河谷沖溝發育區植被修復過程中應選擇適宜的林草種，采用不同植物物種進行組合搭配的復合治理模式取得了良好的治理效果。然而，目前用于植被恢復的植物多為外來物種，不僅投入成本高，還易造成物種入侵，因此在未來植被恢復過程中還需側重于鄉土物種的篩選。