特大暴雨下不同土地利用類型坡面切溝發(fā)育特征

陳卓鑫，王文龍,2，康宏亮，楊 波，趙 滿，王文鑫

·農(nóng)業(yè)水土工程·

特大暴雨下不同土地利用類型坡面切溝發(fā)育特征

陳卓鑫1，王文龍1,2※，康宏亮1，楊 波3，趙 滿4，王文鑫1

（1. 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，鄭州 450003；4. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 310000）

切溝侵蝕是黃土高原丘陵溝壑區(qū)水土流失的重要形式之一，然而極端暴雨條件下不同土地利用類型坡面切溝侵蝕研究還鮮見報道。該研究以陜北2017年“7·26”特大暴雨為例，研究了岔巴溝流域3種土地利用類型（農(nóng)地、休閑地和撂荒地）坡面切溝發(fā)育形態(tài)特征及體積估算模型。結(jié)果表明：1）農(nóng)地、休閑地和撂荒地切溝長度分布在20 m內(nèi)的占比分別為55.6%、34.8%和44.8%；農(nóng)地切溝平均深度為110 cm，分別比休閑地和撂荒地高18.3%、19.2%；農(nóng)地和休閑地切溝平均寬深比分別為0.87和0.84，橫斷面呈“寬-淺型”，而撂荒地切溝呈“方型”（寬深比1.01）。2）撂荒地切溝侵蝕體積分別比農(nóng)地和休閑地減少47.8%和28.3%，表明植被恢復有效地削弱了極端暴雨作用下的切溝侵蝕。3）農(nóng)地切溝不同坡段侵蝕體積由高到低為下坡、上坡、中坡，而休閑地和撂荒地切溝侵蝕體積沿坡長方向呈遞增趨勢；3種土地利用類型切溝在上坡段的溝岸拓寬速率大于下切速率，中下坡則相反。4）農(nóng)地、休閑地和撂荒地切溝侵蝕體積均與切溝長度、橫斷面面積呈極顯著冪函數(shù)關系（<0.001），橫斷面面積是切溝體積估算更為有效的參數(shù)。研究結(jié)果可為黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同土地利用類型坡面切溝侵蝕體積估算及其防治提供重要依據(jù)。

土地利用；侵蝕；坡面；特大暴雨；切溝；植被恢復；黃土高原

0 引 言

溝蝕作為一種常見的土壤侵蝕類型，其演變過程通常分為細溝、淺溝、切溝和沖溝等不同階段[1]。而切溝是水力侵蝕的最嚴重階段[2]，切溝溝頭前進、溝岸擴張和溝底下切各階段的土壤侵蝕極為活躍，是流域的主要泥沙來源，也是黃土高原環(huán)境惡化的重要原因之一[3]。為了遏制水土流失、恢復脆弱生態(tài)環(huán)境，政府于1999年大規(guī)模實施了退耕還林（草）工程。經(jīng)過持續(xù)有效地治理，黃土高原的植被覆蓋度指數(shù)由1999年的32%增加到2018年的63%，黃河入沙量趨勢性減少[4]。然而，伴隨著全球氣候變暖，近年來黃土高原地區(qū)的特大暴雨事件呈多態(tài)勢發(fā)展[5]，黃土坡面在遭遇特大暴雨事件后，植被恢復是否能有效控制坡面切溝形成及控制水土流失還有待考證。

土地利用方式和人類活動顯著影響了切溝形成過程[6]。植被恢復可通過影響土壤性質(zhì)和地表水文過程等來控制切溝的形成[7]。在黃土高原“退耕還林（草）”工程實施5 a后，退耕地土壤持水能力比繼續(xù)耕作的土壤持水能力提高了55%[8]。土壤性質(zhì)的改善可能提高了坡面形成切溝的暴雨閾值，當超過暴雨閾值后，坡面形成的切溝面積和體積隨著降雨量的增加而顯著增大[9]。不同土地利用類型坡面切溝侵蝕對暴雨的響應能力也明顯不同，農(nóng)地坡面由于失去植被根系對土壤的固持作用，相對于草地和林地更易形成溝蝕[10]，且農(nóng)地型切溝尺寸明顯小于草地型切溝尺寸[9]。受匯水面積等因素的影響，切溝形態(tài)特征沿坡長方向也存在差異，速歡等[11]研究發(fā)現(xiàn)切溝形態(tài)沿坡長方向呈“寬淺-窄深-寬淺”式發(fā)展。而對于切溝的不同部位而言，溝頭是溝底下切最活躍的區(qū)域，沉積區(qū)主要發(fā)生在切溝的中上部和中下部[12]。近年來，基于三維激光掃描、三維立體攝影技術等生成的高精度數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）對小流域尺度切溝體積估算模型研究等方面也得到快速發(fā)展[9,13]，李鎮(zhèn)等[14]利用高精度DEM構建了晉西黃土區(qū)體積-溝長和體積-橫斷面面積切溝體積估算模型。但該方法獲取數(shù)據(jù)的精度易受植被等地表因素的干擾，多針對于低植被覆蓋坡面切溝的研究。目前，極端暴雨作用下的切溝侵蝕研究，野外實地勘測是獲取第一手資料最為重要的手段之一，也是對切溝侵蝕預報研究的關鍵補充。

盡管黃土高原“退耕還林（草）”工程的實施顯著提高了土壤抗蝕能力，但在特大暴雨等極端氣候條件下，植被恢復后的小流域遭受嚴重土壤侵蝕的例子仍很常見[5]。目前的研究多集中在暴雨條件下坡面細溝發(fā)育[15-16]、道路侵蝕[17]以及梯田破壞[18]等方面，而針對于極端暴雨條件下不同土地利用類型的切溝侵蝕研究還較為鮮見。因此，本研究以陜北“7·26”特大暴雨形成的切溝為研究對象，探究不同土地利用類型對坡面切溝發(fā)育的影響，構建不同土地利用類型坡面切溝體積估算模型，以期為特大暴雨條件下的切溝防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 暴雨和洪水情況

2017年7月25日—26日，陜北榆林地區(qū)突降一場五百年一遇的特大暴雨[19]。暴雨中心區(qū)集中在子洲、綏德、米脂一帶。據(jù)文獻統(tǒng)計及流域水文站氣象資料顯示[20-21]，日降雨量在100 mm以上的雨區(qū)面積達5 484 km2，部分地區(qū)降雨量超過200 mm。12 h最大降雨量子洲縣水地灣站為236.6 mm、李家坬站為217.8 mm、綏德縣趙家砭站為257.7 mm。從李家坬站降雨過程看，1、3、6 h最大降雨量分別為66.6、125.8、232.8 mm，遠大于特大暴雨的劃分標準，總降雨量接近當?shù)囟嗄昶骄涤炅康?0%。此外，受暴雨的影響，多個水文站出現(xiàn)超警戒洪峰，其中綏德站出現(xiàn)了自1960年有實測資料以來的最大洪水（洪峰流量達3 160 m3/s），水位超過歷史實測最高水位4.11 m。同時，該次暴雨洪水含沙量高，岔巴溝草坪站高達271 kg/m3，致使流域內(nèi)水利設施損毀、房屋被毀、道路受阻。

1.2 研究區(qū)概況

岔巴溝流域位于陜西省子洲縣北部（37°37′31″N～37°47′57″N，109°3′1″E～109°47′16″E），流域面積約205 km2，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，黃河中游多沙多水區(qū)。流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，地面切割較深，溝緣線十分明顯，主要有梁地溝谷和峁地溝谷2種地貌類型，具于典型的黃土丘陵溝壑地貌特征[22]。該流域地跨中溫帶與暖溫帶之間的亞干旱區(qū)，具有大陸性季風氣候特點。年平均氣溫約為9 ℃，年降雨量在450 mm左右，降雨年際分配極不均勻，70%集中在7、8月，且多為短歷時的強暴雨。土壤類型以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主，黏粒含量低，土質(zhì)疏松，在暴雨作用下極易發(fā)生水力侵蝕，其中溝蝕是主要的侵蝕方式，多年平均侵蝕模數(shù)為15 780 t/km2[18]。目前，該流域內(nèi)主要代表植被類型包括馬鈴薯（）、小米（）和玉米（）等農(nóng)作物，刺槐（）、山杏（）為主的喬木和白羊草（）、鐵桿蒿（）、冰草（）等草本類植物。

1.3 樣點的選擇

自1999年退耕還林（還草）工程實施以來，岔巴溝流域內(nèi)植被覆蓋度增長明顯，2018年植被覆蓋度達到53.1%，使流域內(nèi)土地利用結(jié)構發(fā)生了巨大變化[23]，流域內(nèi)大量的陡坡農(nóng)地經(jīng)棄耕撂荒或恢復草被而演替為撂荒地，然而，由于人地矛盾的存在，流域內(nèi)部分陡坡農(nóng)地仍然存在。因此，本次切溝侵蝕調(diào)察的土地利用類型包括以下3種[24]：1）經(jīng)退耕還林（還草）措施后或耕作困難逐漸棄耕有草被覆蓋的撂荒地；；2）種植小米、高粱、大豆等農(nóng)作物的農(nóng)地；3）休閑年限1 a內(nèi)的休閑地。基于對岔巴溝流域前期資料的分析以及綜合專家團隊的選點考察[15,25]，利用Google Earth把流域分為上、中、下游3個部分，在每個部分分別選擇了4個具有完整集水區(qū)的小流域，選定的小流域沿著主溝道基本呈對稱分布。結(jié)合考察范圍的合理性以及調(diào)查的準確性，每個小流域面積宜分布在0.2～0.5 km2。因此，本研究共選取了12個小流域樣點進行了詳細的切溝侵蝕考察和測量（如圖1所示），以反映岔巴溝流域的切溝侵蝕特征。在進行實地調(diào)查時，若發(fā)現(xiàn)在已選定的小流域中存在大量的人為擾動導致切溝侵蝕調(diào)查精度受到影響的情況下，則選用與此流域相鄰的備用樣點。

圖1 岔巴溝流域調(diào)查點分布圖

1.4 切溝侵蝕調(diào)查方法

收集“7·26”暴雨前的遙感影像，并利用Google Earth對選定流域內(nèi)的坡面切溝進行勾勒，可以很好地反映出小流域的原始切溝分布情況及其坡面土地利用情況，為實地調(diào)查提供數(shù)據(jù)支撐。一般情況下，農(nóng)地上的細溝及淺溝溝槽在前期的耕地、除草、種植等措施中已被填實，因此調(diào)查中發(fā)現(xiàn)農(nóng)地的切溝可基本認定為由本次特大暴雨所導致；休閑地和撂荒地坡面由此次暴雨導致的切溝主要通過觀察切溝斷面的節(jié)理，生物結(jié)皮、植被滑落情況以及結(jié)合暴雨前的遙感影像資料來綜合判斷。

此次調(diào)查采取基于Google衛(wèi)星地圖的奧維互動地圖軟件和實地測量相結(jié)合的方法。調(diào)查人員分為2組，分別從流域的集水區(qū)出口出發(fā)，沿著兩岸的溝沿線上方進行由此次暴雨所導致的所有切溝侵蝕的測量和記錄，并利用望遠鏡和對講機觀察對岸的調(diào)查盲區(qū)，以全面考察坡面的切溝侵蝕情況，并在切溝發(fā)生的地方進行定位。使用激光測距儀和50 m量程皮尺測量切溝的長度，使用10 m量程鋼卷尺測量切溝寬度（上寬和底寬）和深度。首先沿長度方向把切溝分成上、中、下3個部分，當切溝長度≤20 m時，每個部分隔2 m測量1次寬和深；當切溝長度＞50 m時，每隔5 m測量1次，若切溝斷面變化較為復雜時，適當增加測量次數(shù)以保證測量精度。同時記錄坡面土地利用類型，本次共調(diào)查切溝140條，其中農(nóng)地45條、休閑地66條、撂荒地29條。

1.5 相關參數(shù)的計算方法

1）切溝長度值為切溝上、中、下3個部分的和，切溝寬度值為切溝各部分測量點處的上寬與底寬的均值，切溝深度值為切溝各部分測量點處深度的均值。

2）切溝寬深比指切溝寬度與其對應深度的比值，無量綱，計算方法如式（1）所示：

式中R為切溝寬深比；W為第個測量點切溝的寬度，cm；D為第個測量點切溝的深度，cm；為測量次數(shù)。

3）切溝橫斷面面積計算方法如式（2）所示：

式中C為切溝橫斷面面積，m2。

4）切溝體積用來表示切溝侵蝕量，計算公式如式（3）所示：

式中V為切溝體積，m3；W為第段的平均切溝上寬，m；W為第段的平均切溝底寬，m；D為第段的平均切溝深度，m；L為第段的坡面切溝測量長度，m。

5）頻率指切溝某個指標發(fā)生在某個區(qū)間的可能性大小，計算方法如式（4）所示：

式中為切溝某個指標的頻率，%；為切溝某個指標出現(xiàn)在某個區(qū)間的次數(shù)；為切溝總條數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

本文使用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理，使用R軟件（版本R-3.6.3）進行數(shù)據(jù)分析，使用Arcgis10.4、R包ggplot2和OriginPro2021進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型坡面切溝形態(tài)參數(shù)頻率分布

由圖2可知，1）切溝長度集中分布在40 m內(nèi)，累積頻率均在 70%以上；其中分布在農(nóng)地、休閑地、撂荒地坡面的切溝長度均在20 m內(nèi)分布頻率最大，占比分別為55.6%、34.8%和44.8%，而對于20～30 cm和40～50 cm，農(nóng)地分布頻率最小、撂荒地分布頻率最大。2）切溝寬度均集中分布在0～80 cm范圍，累積頻率均在60%以上；農(nóng)地、休閑地和撂荒地分布頻率隨寬度的增加分別呈增加-降低-增加趨勢、增加-降低趨勢和降低趨勢，分別在60～80、40～60和<40 cm分布最大，最大分布頻率分別為33.3%、31.8%和34.5%。3）切溝侵蝕深度集中分布在100 cm以上，農(nóng)地、休閑地、撂荒地坡面切溝深度所占比例分別為40.0%、33.3%和41.4%。4）切溝橫斷面面積主要集中分布在1 m2范圍內(nèi)，累積頻率均為65%以上；其中，農(nóng)地、休閑地、撂荒地坡面切溝橫斷面面積均在0～0.5 m2范圍最大，所占比例分別為48.9%、45.5%和41.4%，而后隨橫斷面面積的增加呈降低趨勢。

圖2 不同土地利用類型坡面切溝橫斷面形態(tài)參數(shù)頻率分布

2.2 不同土地利用類型坡面切溝形態(tài)參數(shù)特征

圖3表征了不同土地利用類型坡面的切溝橫斷面形態(tài)特征，其中休閑地切溝發(fā)育平均長度最大（29.7 m），分別比農(nóng)地和撂荒地切溝發(fā)育平均長度高14.8%和42.9%；不同土地利用類型坡面切溝平均寬度按大小排序為農(nóng)地、撂荒地、休閑地；農(nóng)地切溝的平均侵蝕深度為110 cm，分別比休閑地和撂荒地高18.3%和19.2%；撂荒地切溝的平均侵蝕體積最小，分別比休閑地和撂荒地降低47.8%和28.3%；農(nóng)地平均橫斷面面積是休閑地和撂荒地的1.61倍和1.33倍；侵蝕溝橫斷面的寬深比是反映切溝形態(tài)的重要指標[14,26]，不同土地利用類型坡面切溝橫斷面寬深比大部分點落在1:1線的下方（圖4），農(nóng)地和休閑地切溝平均寬深比分別為0.87和0.84，橫斷面呈“寬-淺型”，而撂荒地切溝呈“方型”（寬深比為1.01）。結(jié)合一元線性回歸方程的斜率可以看出（圖4），在暴雨作用下不同土地利用類型坡面切溝的侵蝕進程存在差異，其中撂荒地相對于農(nóng)地和休閑地的切溝溝壁拓寬能力較強，整體上不同土地利用類型坡面橫向拓寬侵蝕速率小于溝底的下切速率。

圖3 不同土地利用類型坡面切溝橫斷面形態(tài)特征

注（Note）: ***, P<0.001。

2.3 不同坡段切溝寬深比及其體積變化

上坡段的寬深比均大于1，整體上中坡段和下坡段的寬深比小于1（圖5a），這表明在暴雨作用下坡面上坡段以溝岸拓寬為主，隨著匯水面積的增加，在中下坡形成以下切侵蝕為主的溝蝕形式；就不同土地利用類型而言，上坡段的農(nóng)地寬深比最小，休閑地和撂荒地的寬深比分別較之高出0.5%和36.5%，中坡段表現(xiàn)為休閑地最小、其次為農(nóng)地，而對于下坡段，寬深比最大為休閑地、撂荒地次之、最小為農(nóng)地。對于體積變化而言（圖5b），農(nóng)地切溝不同坡段侵蝕體積按大小排列為下坡、上坡和中坡，而休閑地和撂荒地切溝侵蝕體積沿坡長方向呈遞增趨勢；而對于相同坡段的不同土地利用類型而言，均為農(nóng)地最大、休閑地次之、撂荒地最小，相比于農(nóng)地的上坡、中坡和下坡位置，休閑地分別降低40.0%、15.2%和23.6%，撂荒地分別降低63.5%、57.6%和37.5%，這可能與農(nóng)地土質(zhì)的易蝕性以及植被減蝕作用有關[27]。

圖5 不同坡段切溝寬深比和平均體積變化

2.4 不同土地利用類型坡面切溝侵蝕體積估算

溝長（）和橫斷面面積（）被作為估算切溝體積（）的主要參數(shù)，其函數(shù)關系大多以冪函數(shù)的形式表示。回歸分析結(jié)果表明（圖6），農(nóng)地、休閑地和撂荒地的切溝侵蝕體積與切溝長度之間呈極顯著的冪函數(shù)關系（<0.001），調(diào)整后的決定系數(shù)（2adj）按大小排列為休閑地、農(nóng)地、撂荒地，休閑地的體積估算模型更優(yōu)；對于-估算模型，農(nóng)地、休閑地和撂荒地切溝侵蝕體積與橫斷面面積之間可用極顯著的冪函數(shù)關系進行描述（<0.001），撂荒地2adj>農(nóng)地2adj>休閑地2adj。對于各土地利用類型而言，橫斷面面積估算體積的2adj高于長度估算體積的2adj。因此，在特大暴雨作用下岔巴溝流域切溝侵蝕-估算模型比-估算模型更能較好地進行體積估算，在現(xiàn)實調(diào)查或遙感影像估算中，若橫斷面面積難以獲取時，也可使用切溝長度作為估算切溝體積模型的有效參數(shù)。

圖6 岔巴溝流域切溝侵蝕體積與形態(tài)參數(shù)之間的關系

3 討 論

3.1 特大暴雨作用下切溝侵蝕影響因素

切溝作為一種常見的地表形態(tài)，其影響因素可以歸納為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素包括土壤性質(zhì)、地形地貌和土地利用類型等；外部因素是指突然觸發(fā)切溝侵蝕的事件，包括降雨、凍融以及人類活動等[28]。首先，降雨提供了切溝侵蝕最主要的侵蝕動力，通過溝頭溯源侵蝕，溝底下切，溝岸擴展、崩塌、陷穴等作用形式，導致土壤分離、搬運和沉積，不斷切割坡面形態(tài)，造成土壤流失[29]。研究表明，不同土地利用類型坡面對徑流的抵抗能力差異顯著，植被的存在增強了土壤抗沖性[30]。尤其是在黃土高原地區(qū)，由于黃土的結(jié)構性、濕陷性和水敏性等特殊土壤性質(zhì)，裸露的農(nóng)地在暴雨作用下更易形成溝蝕。坡度和坡長是影響切溝發(fā)育的關鍵地形因素，直接影響切溝的上方匯水條件[31]。坡度的增加可以迅速形成徑流，徑流在下坡段快速匯水，導致徑流侵蝕能力增加，加劇了切溝的縱向切割率[32]。而坡形是坡度和坡長的組合形態(tài)，決定徑流的匯集形式和過程，進而影響坡面切溝侵蝕發(fā)育。對于凹坡而言，徑流易集中而形成股流，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)在瓦背狀地形的凹洼部分，切溝分布相對于凸坡部位密集且侵蝕量大。另外，在匯水面積一定時，切溝斷面受植被因子限制而自發(fā)地調(diào)整形態(tài)和尺寸，一般來說，植被的存在可抑制切溝的發(fā)育。一方面，農(nóng)地退耕為草地或林地增加了土壤有機質(zhì)含量、促進土壤團聚體穩(wěn)定并降低土壤可蝕性[27]，降雨作用下撂荒地具有更強的抗沖性并通過削弱徑流動能來抑制切溝形成[33]。另一方面，植被根系發(fā)育易形成土壤大孔隙，并產(chǎn)生優(yōu)先滲流路徑，在特大暴雨條件下，植被的存在可能會促進溝岸瀉溜、崩塌、滑坡等重力侵蝕的發(fā)生，使植被對切溝溝岸發(fā)育的抑制作用失效[26]。

退耕還林（草）后的黃土高原地區(qū)在應對特大暴雨事件時的水土流失防護還存在諸多問題。1）在調(diào)查的12個小流域中，依然存在大面積陡坡耕作現(xiàn)象，建議陡坡農(nóng)地繼續(xù)實施退耕政策并合理配置土地利用類型，鼓勵農(nóng)民開展生態(tài)農(nóng)業(yè)等農(nóng)業(yè)模式。2）對于已退耕的撂荒地，需實施完善的管理措施，避免復耕現(xiàn)象；其次，開展各項調(diào)配坡面徑流措施，完善排水系統(tǒng)，形成一套綜合防護體系。3）遏制淺溝再發(fā)育，淺溝提供了繼續(xù)發(fā)育成切溝的良好基礎，避免集中徑流經(jīng)過淺溝，防止進一步發(fā)育成切溝。

3.2 特大暴雨作用下切溝侵蝕對植被恢復的響應

以實地測量的切溝形態(tài)參數(shù)為自變量建立的體積估算模型，對大時空尺度上進行切溝侵蝕定量研究有重要意義[34]。本研究表明，暴雨作用下不同土地利用類型坡面形成的切溝體積分別隨溝長、橫斷面面積的增長以冪函數(shù)形式增加（=aL、=′A），其中-模型的和′為模型擬合參數(shù)，值被視為單位溝長上切溝橫斷面面積的增長率[35]，值接近1表明切溝橫斷面面積沿溝長方面近乎變化一致，本研究得出的草地值在約為1，而農(nóng)地和休閑地大于1，這說明植被在控制切溝形態(tài)變異方面可能具有優(yōu)勢[7]。而-模型的值被視為單位切溝面積上溝深的增長率，越接近于1表明從溝頭到溝口的溝深越趨于恒定。在特大暴雨作用下，具有強大沖刷能力的徑流使得切溝從溝頭到溝口都有充沛的徑流能量去下切土體，導致不同坡段的溝深并沒有明顯差異，這是值接近1的重要原因。由調(diào)整后的決定系數(shù)可知（圖6），模型-比-在預測切溝體積上有更好的表現(xiàn)，與吳紅艷[36]在相同地區(qū)的研究結(jié)果一致。然而，在云南元謀干熱河谷區(qū)，用溝長進行預測相對于用橫斷面面積預測切溝體積更具有優(yōu)勢[6]。因此，估算切溝體積的有效參數(shù)還應根據(jù)特定情況而定。

植被常被看作抑制切溝發(fā)育的關鍵因子，當植被覆蓋度大于60%時能有效地抑制切溝的發(fā)育[3]，本研究結(jié)果也證實了植被恢復能有效減少切溝侵蝕量（圖3d）。需要注意的是，當植被恢復后的小流域在遭受特大暴雨時極易觸發(fā)重力侵蝕，植被根系的縱向根劈作用促進了崩塌、滑塌的發(fā)生[5]，如2013年黃土高原天水地區(qū)“7·25”暴雨在植被覆蓋度良好的坡面上引發(fā)重力侵蝕災害700多處[37]。重力侵蝕產(chǎn)沙最高可占流域總侵蝕產(chǎn)沙量的67.0%[22]。另外，暴雨作用下坡面的陷穴侵蝕也同樣不可忽視。陷穴侵蝕被認為是切溝侵蝕的一個重要過程，特別是在植被存在的情況下，植被通過促進壤中流和優(yōu)先流的形成而加速土壤顆粒分離來促進陷穴侵蝕。但由于在發(fā)生凹陷或通道坍塌之前，陷穴侵蝕無法從地表可見，因此在切溝侵蝕過程中，陷穴侵蝕常常被忽視[38-39]（圖7）。盡管植被恢復以及梯田等措施能在一般降雨情況下發(fā)揮良好的減水減沙能力[20]，然而，針對于特大暴雨情況，如何在適宜的部位布設引水/攔沙措施來減輕溝坡重力侵蝕以及陷穴侵蝕的危害，是土壤侵蝕研究中值得重視的問題。

圖7 岔巴溝流域坡面洞穴侵蝕

4 結(jié) 論

本研究以陜北“7·26”特大暴雨作用下岔巴溝流域新形成的切溝為研究對象，通過對其中12個小流域不同土地利用類型（農(nóng)地、休閑地和撂荒地）坡面切溝侵蝕調(diào)查，研究了不同土地利用類型坡面切溝發(fā)育形態(tài)特征及其體積估算模型。結(jié)果表明：1）“7·26”特大暴雨下，農(nóng)地、休閑地和撂荒地切溝侵蝕長度在20 m內(nèi)的占比分別為55.6%、34.8%和44.8%，深度分布在100 cm以上的占比分別為40.0%、33.3%和41.4%；農(nóng)地切溝平均深度為110 cm，分別比休閑地和撂荒地高18.3%、19.2%；農(nóng)地和休閑地切溝平均寬深比分別為0.87和0.84，橫斷面呈“寬-淺型”，而撂荒地切溝呈“方型”（寬深比1.01）。

2）撂荒地切溝侵蝕體積最小，分別比農(nóng)地和休閑地降低47.8%和28.3%；農(nóng)地切溝不同坡段侵蝕體積為下坡最大、上坡次之、中坡最小，而休閑地和撂荒地切溝侵蝕體積沿坡長方向呈遞增趨勢。

3）農(nóng)地、休閑地和撂荒地切溝侵蝕體積均與切溝長度、斷面面積呈極顯著冪函數(shù)關系（<0.001），橫斷面面積是進行體積估算更為有效的參數(shù)。

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Gully development characteristics of the slopes for different land-use types under extreme rainstorms

Chen Zhuoxin1, Wang Wenlong1,2※, Kang Hongliang1, Yang Bo3, Zhao Man4, Wang Wenxin1

(1.712100,; 2.712100,; 3.450003,; 4.310000,)

Gully erosion has been considered as one of the main forms of soil erosion on the Loess Plateau of China. To control soil and water loss and improve the eco-environmental quality of the Loess Plateau, the Chinese government implemented the “Grain for Green” project in 1999 to restore vegetation on steep slope farmlands. Although the project has been implemented for two decades, soil erosion on the loess hilly region caused by extreme rainstorms is still serious. Therefore, the controlled effects of vegetation restoration on gully formation and soil erosion on loess hillslopes under extreme rainstorms need to be evaluated. Moreover, the effect of land use change on the morphology of gullies and gully volume estimation under extreme rainstorms is poorly understood. Given these issues, the Chabagou watershed (a typical watershed in the Loess Plateau of China) suffered by an rainstorm (called “7·26” rainstorm) was selected as the study area of gully erosion. Four small basins in the Chabagou watershed were selected from the upper, middle, and lower reaches, respectively, to explore the morphological characteristics and derive volume estimation models of three land uses (farmland, fallow land, and abandoned land) under extreme rainstorm. A total of 140 gullies were investigated, including 45 gullies on farmland, 66 gullies on fallow land and 29 gullies on abandoned land. The gully length was measured by the laser rangefinder and the gully was divided into three sections (upper, middle and lower) by a 50-m tape. In each section, the top width, bottom width and the depth of the gully were measured using a steel tape. The measuring times was adjusted according to the gully length to ensure the measuring accuracy. The measured cross-sectional parameters (i.e. width and depth) of the three sections were averaged as the eventual width and depth of each section, and the gully volumes of the three sections were summarized to be the amount of gully erosion. The results showed that: 1) the gullies less than 20 m on farmland, fallow land and abandoned land accounted for 55.6%, 34.8% and 44.8%, respectively. The averaged gully depth on farmland was 110 cm, which was 18.3%, and 19.2% higher than those on fallow land and abandoned land, respectively. The width-depth ratios of gully on farmland and fallow land were 0.87 and 0.84, respectively, and their cross sections were characterized by the wide and shallow shape, but the crossed section of the gully on abandoned land was closed to squared shape (width-depth ratio was 1.01). 2) The lowest gully erosion volume was found on abandoned land, which was 47.8% and 28.3% lower than that of farmland and fallow land, respectively, indicating that vegetation restoration can effectively contain gully erosion under extreme rain. 3) Gully erosion volume of farmland on upslope was largest, followed by downslope and mid-lope, while fallow land and abandoned land showed an increasing trend along the slope. For the three types of land use, the widening rate of gully on the upslope was greater than that on the downslope, but the opposite was found on the mid-slope. 4) The significant (<0.001) power functions could express the relationships between gully erosion volume and gully length and/or gully cross-sectional area on farmland, fallow land, and abandoned land, and the cross-sectional area was a more effective parameter for estimating gully volume. This study results can provide important information for predicting the gully erosion of different land use types and controlling gully erosion in the hilly area of the Loess Plateau.

land use; erosion; slopes; extreme rainstorms; gully; vegetation restoration; Loess Plateau

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Chen Zhuoxin, Wang Wenlong, Kang Hongliang, et al. Gully development characteristics of the slopes for different land-use types under extreme rainstorms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 77-84. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.009 http://www.tcsae.org

2020-07-27

2020-11-10

國家自然科學基金面上項目（41571275）；水利部“726”特大暴雨水土流失調(diào)查項目

陳卓鑫，主要從事土壤侵蝕研究。Email：xiyu.zxchen@foxmail.com

王文龍，博士生導師，主要從事土壤侵蝕和生產(chǎn)建設水土保持研究。Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.009

S157.1

A

1002-6819(2020)-23-0077-08