干熱河谷區(qū)沖溝地貌演化動力機制及其生態(tài)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(xué)院/水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；2.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 成都 611130；5.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)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(nèi)被帶走，造成嚴(yán)重的水土流失[1]。沖溝侵蝕不僅會引起河道淤塞，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降，而且還會毀壞道路橋梁地基，影響地面建筑物的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，因此對沖溝侵蝕的研究具有重要的現(xiàn)實意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在沖溝侵蝕方面開展了大量研究工作，在沖溝侵蝕監(jiān)測方法、沖溝發(fā)育的影響因素和過程機理，以及沖溝侵蝕形態(tài)變化等方面獲得了相當(dāng)多的研究成果，為干熱河谷區(qū)沖溝侵蝕研究奠定了良好的基礎(chǔ)。目前關(guān)于黃土高原區(qū)和東北黑土區(qū)沖溝侵蝕的發(fā)育及發(fā)展機理、監(jiān)測方法、侵蝕模型和防治技術(shù)等方面的研究成果較多，但關(guān)于干熱河谷區(qū)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(qū)沖溝地貌演化動力機制和生態(tài)治理模式的研究現(xiàn)狀進行了分析，以期能為干熱河谷區(qū)沖溝侵蝕研究工作提供參考。

1 干熱河谷區(qū)沖溝發(fā)育的環(huán)境背景條件

我國干熱河谷區(qū)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(qū)，氣候干熱，降雨量少，蒸發(fā)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(qū)內(nèi)河湖相地層分布范圍較廣，以紫紅色泥質(zhì)夾粉砂、細(xì)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(tài)環(huán)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(qū)惡劣的自然環(huán)境，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，沖溝大量發(fā)育。

2 干熱河谷區(qū)沖溝地貌演化過程

干熱河谷區(qū)的沖溝地貌與該區(qū)獨特的地質(zhì)地貌條件緊密相關(guān)。青藏高原和云南高原的構(gòu)造運動影響了干熱河谷區(qū)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(fā)育一系列的斷陷盆地。研究表明，干熱河谷區(qū)盆地的地貌形態(tài)經(jīng)歷了隆升剝蝕、盆地的形成與沉積、湖水外泄、現(xiàn)代地貌的發(fā)展與演變等4個階段[8]。各級構(gòu)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(xiàn)和發(fā)展。干熱河谷區(qū)在盆地期間，盆地內(nèi)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(zhì)、地貌條件是干熱河谷區(qū)沖溝發(fā)育和形成的內(nèi)因，為形成現(xiàn)代干熱河谷區(qū)沖溝地貌奠定了基礎(chǔ)。

干熱河谷區(qū)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(qū)地處低緯度地區(qū)，氣溫高，蒸發(fā)能力強，潛在蒸發(fā)量遠遠大于降雨量，比如元江干熱河谷區(qū)年降雨量為800～900 mm，而潛在年蒸發(fā)量卻達到2 750 mm[10]；金沙江干熱河谷區(qū)年降雨量在600 mm左右，而潛在年蒸發(fā)量卻可達3 640 mm[11]。干熱河谷區(qū)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(fā)育極快，并最終形成沖溝[13]。

干熱河谷區(qū)沖溝形成與發(fā)育的主要驅(qū)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(fā)育而成。初期溝道一旦形成，會迅速擴展和演變[14-16]，經(jīng)過長時間的侵蝕作用，逐漸成為大型沖溝。

沖溝形態(tài)會對沖溝地貌的演化過程產(chǎn)生顯著影響。沖溝溝壁崩塌和溝頭溯源侵蝕會導(dǎo)致相應(yīng)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(tài)變化及產(chǎn)沙最活躍的部位，影響著整個沖溝的形態(tài)發(fā)展方向[18]。同時，單獨的沖溝又會發(fā)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(diào)查和監(jiān)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(shù)。目前，三維激光掃描技術(shù)、RTK-GPS技術(shù)、無人機等新技術(shù)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(shù)結(jié)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(guī)律。

干熱河谷區(qū)發(fā)育的沖溝地貌是自然因素和人為活動等聯(lián)合作用的結(jié)果。當(dāng)?shù)靥厥獾耐寥李愋图又恋乩梅绞阶兓率雇恋匾淄嘶磺治g，促進了沖溝地貌的演化[21]。同時，耕作放牧、林地經(jīng)營和開礦冶煉等強烈的人為活動也對沖溝地貌演化產(chǎn)生了重要影響。

3 干熱河谷區(qū)沖溝動力機制研究

干熱河谷地區(qū)的沖溝發(fā)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(fā)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(qū)沖溝發(fā)育過程中主要的驅(qū)動力。目前，徑流模擬試驗是干熱河谷區(qū)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?zāi)M沖溝發(fā)育過程，獲取土壤侵蝕速率、地形變化和水動力學(xué)參數(shù)，揭示沖溝發(fā)育過程的動力學(xué)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(chǎn)沙效應(yīng)。

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(fù)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(xué)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(fā)育動力過程中(尤其是溯源侵蝕過程中)應(yīng)用存在較多問題[28]，因此近年來徑流能耗作為一種標(biāo)量參數(shù)逐漸被引入到?jīng)_溝侵蝕動力學(xué)過程研究中[4]，并逐漸被廣大土壤學(xué)者和水土保持學(xué)者所認(rèn)同。在干熱河谷區(qū)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(xué)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(fā)生機理。SU et al.[4]利用野外徑流模擬試驗，詳細(xì)研究了不同放水流量時沖溝集水區(qū)的徑流水動力特征。熊東紅等[23]通過開展不同溝壁形態(tài)下的集水區(qū)和溝床的水動力學(xué)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(guān)系。相關(guān)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(biāo)量，可以通過計算地表股流初始狀態(tài)和末端狀態(tài)的能量變化來模擬整個沖溝侵蝕水動力學(xué)過程的變化，進而有效預(yù)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(qū)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(qū)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(guān)系[29]。DONG et al.[30]通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)溝道植被的生長狀態(tài)不僅與土壤、地形有關(guān)，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(qū)裸地和耕地的阻力系數(shù)和徑流能耗的變化特征，證實了沖溝集水區(qū)土地利用類型變化會顯著改變沖溝溝頭的水動力學(xué)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(chǎn)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(guān)于干熱河谷區(qū)沖溝水動力學(xué)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(huán)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(dǎo)致的地表結(jié)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(shè)置為陡立溝壁，較少關(guān)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(nèi)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(qū)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(yīng)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(qū)沖溝溯源侵蝕和溝壁崩塌過程中的另一個重要的驅(qū)動力。沖溝發(fā)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(qū)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(dāng)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(fā)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(guān)關(guān)系。干熱河谷區(qū)沖溝溝壁多呈直立狀態(tài)，沖溝溝岸的坡度一般較大，滿足發(fā)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(qū)坡度對沖溝重力侵蝕過程影響的難度較大，相關(guān)研究成果較少。

干熱河谷區(qū)沖溝重力侵蝕的發(fā)生過程還與土壤類型有關(guān)。在干熱河谷區(qū)，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(guān)研究表明，燥紅土的抗侵蝕能力主要受到團聚體的穩(wěn)定性和膠結(jié)凝聚力影響，且表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系[36]。張素等[37]在試驗中發(fā)現(xiàn)土體的平均內(nèi)摩擦角隨著沖溝發(fā)育程度的增加而增大，平均黏聚力隨著沖溝發(fā)育程度的增加而減小，并且土壤中有機質(zhì)含量的提高會增強土體的抗剪強度。此外，在干熱河谷區(qū)，人類的頻繁擾動，導(dǎo)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(zhì)也發(fā)生不同程度的改變，進一步增加了沖溝發(fā)育過程中重力侵蝕研究的難度。

干熱河谷區(qū)土壤裂縫對沖溝重力侵蝕過程也會產(chǎn)生顯著的影響[38]。SINGH et al.[39]在試驗中發(fā)現(xiàn)土壤水分存在一個分界點，超過這個分界點，土壤結(jié)構(gòu)容易受到力的作用發(fā)生破壞，分離而形成裂縫。XIONG et al.[40]研究發(fā)現(xiàn)干熱河谷區(qū)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(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致溝岸崩塌的發(fā)生[36]。目前，干熱河谷區(qū)土壤裂縫試驗主要以室內(nèi)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(qū)沖溝發(fā)育過程中所扮演的角色。

干熱河谷區(qū)沖溝發(fā)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(qū)年內(nèi)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(zhì)量增加，黏聚力和內(nèi)摩擦系數(shù)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(fā)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(fā)生造成巨大影響[41]。因此，干熱河谷區(qū)沖溝發(fā)育過程是水力和重力共同作用的結(jié)果。但目前關(guān)于干熱河谷區(qū)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(jiān)測，從而為探明干熱河谷區(qū)沖溝發(fā)育過程奠定基礎(chǔ)。

4 干熱河谷區(qū)沖溝生態(tài)治理模式

受氣候和土壤性質(zhì)影響，干熱河谷地區(qū)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(qū)，在短歷時、高強度降雨作用下極易形成地表股流，并發(fā)育形成大量沖溝，從而造成嚴(yán)重的水土流失。綠色植物具有保水固土、改善土壤結(jié)構(gòu)、美化環(huán)境等重要作用，植被建設(shè)是干熱河谷區(qū)沖溝治理的最佳方法。

由于干熱河谷區(qū)生境條件較差，因此在植被品種選擇上，應(yīng)首選適應(yīng)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(jīng)篩選出十幾種適宜干熱河谷區(qū)的植物物種，并總結(jié)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(zhì)，是目前干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)過程中應(yīng)用較為成功的植物物種[43]；車桑子、扭黃茅、孔穎草等鄉(xiāng)土物種也被廣泛運用于沖溝發(fā)育區(qū)的生態(tài)修復(fù)。此外，酸豆(羅望子)、余甘子等鄉(xiāng)土物種由于具有抗旱耐瘠的優(yōu)勢，在當(dāng)?shù)夭粌H具有改良土壤的生態(tài)效益，而且還有較高的經(jīng)濟效益，在干熱河谷區(qū)也被作為先鋒樹種用于生態(tài)治理[44]。

在干熱河谷沖溝發(fā)育區(qū)進行生態(tài)修復(fù)時，采用不同植物物種進行搭配的復(fù)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(yīng)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(fù)合種植模式、龍眼+香葉天竺葵和龍眼+臺灣青棗復(fù)合種植模式不僅能互相促進植被生長，而且還有一定的經(jīng)濟效益[46]。雖然目前干熱河谷區(qū)已經(jīng)篩選出了一定數(shù)量的適生植被，但具有經(jīng)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(xiāng)土物種的種類和數(shù)量，并加強植被配置模式的優(yōu)選。

5 結(jié) 語

溝壑密布的沖溝發(fā)育區(qū)是干熱河谷區(qū)生態(tài)最脆弱的區(qū)域。為減少沖溝發(fā)育區(qū)土壤侵蝕及其產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)對當(dāng)?shù)厝罕娚詈徒?jīng)濟發(fā)展的影響，本研究對干熱河谷區(qū)沖溝形成原因、地貌演化過程、動力機制及生態(tài)恢復(fù)模式進行了綜述，認(rèn)為下一步仍需在以下方面開展更多的研究。

(1)地質(zhì)構(gòu)造運動形成的斷陷盆地和河湖相沉積地是現(xiàn)代干熱河谷區(qū)沖溝地貌形成的基礎(chǔ)，且干熱河谷區(qū)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(guān)系，換言之，干熱河谷區(qū)發(fā)育的沖溝地貌是多因素聯(lián)合作用的結(jié)果。但目前，關(guān)于干熱河谷區(qū)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(yīng)的水動力學(xué)參數(shù)，運用徑流剪切力、徑流能耗及徑流功率等水動力學(xué)理論分析沖溝溯源侵蝕的水動力學(xué)過程，但目前關(guān)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(guān)于干熱河谷區(qū)沖溝發(fā)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(qū)沖溝的水力侵蝕和重力侵蝕過程存在耦合作用機制，但關(guān)于這兩種力學(xué)過程的相互作用機制尚不清楚。

(4)干熱河谷沖溝發(fā)育區(qū)植被修復(fù)過程中應(yīng)選擇適宜的林草種，采用不同植物物種進行組合搭配的復(fù)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(fù)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(fù)過程中還需側(cè)重于鄉(xiāng)土物種的篩選。