龕溝是崩崗早期發(fā)育的形態(tài)標志

高鈺淏，陳家宙，鄒自強，劉子軒，李文凱，楊 雪，2

(1.華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢 430070)

溝蝕是坡面徑流沖刷土體，切割坡面形成溝道并逐漸發(fā)育的過程。崩崗侵蝕是花崗巖紅壤區(qū)常見的溝蝕類型，是我國南方紅壤地區(qū)生態(tài)退化的最高表現形式，是在水力、重力綜合作用下，溝壁不斷崩塌最終形成巨大崩口的土壤侵蝕現象。崩崗所占面積往往相對較小，但侵蝕模數巨大，其發(fā)育的坡地年侵蝕模數可達20 000～50 000 t/km，遠大于面蝕、細溝和淺溝侵蝕。崩崗不僅切割山體使大量肥沃的表土流失，還會淤積河道、沖垮房屋，導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境嚴重惡化。

崩崗侵蝕一直是南方紅壤地區(qū)土壤侵蝕的研究熱點之一，近30年研究成果較多，但關于崩崗的發(fā)育階段的研究近年來卻鮮有報道。史德明以崩崗的主導侵蝕類型將崩崗劃分為初期階段(徑流下切作用為主)、中期階段(徑流下切和崩塌相互作用)、末期階段(重力侵蝕為主)；阮伏水以崩崗溝頭所處的位置將崩崗劃分為幼年期(淺溝和切溝)、青年期(溝頭位于坡面中下部)、壯年期(溝頭位于坡面1/2至分水嶺處)和晚年期(溝頭超過分水嶺)；牛德奎則以溝道發(fā)展過程將其劃分為網狀細溝階段、階梯溝階段、深溝階段和崩崗擴展階段。可以看出，學者們普遍認為崩崗早期發(fā)育的標志是細溝或淺溝，但也有學者認為，細溝、淺溝發(fā)育更多的溝蝕形態(tài)是線狀切溝，所以不可以作為崩崗的早期發(fā)育標志，崩崗的初期應該是崩崗形成之后的階段。崩崗的發(fā)育階段依然存在爭議，事實上細溝、淺溝的侵蝕營力以水力侵蝕為主，崩崗則是以重力侵蝕為主，不同的侵蝕動力條件會導致不同的溝道發(fā)育過程發(fā)生，而侵蝕營力從水力侵蝕轉變?yōu)橹亓η治g的中間過程也較少有詳細的報道。那么細溝、淺溝和崩崗之間是否存在一種特殊的溝蝕階段被人們忽略了呢？

崩崗具有特殊性，即只在花崗巖紅壤地區(qū)發(fā)生，國內其他地區(qū)如黃土高原上淺溝、切溝發(fā)育豐富，形成千溝萬壑的地表景觀卻沒有崩崗發(fā)生，其原因可能從土壤性質的角度可以解釋。黃土高原為均質土，細溝在發(fā)育為淺溝、切溝時均勻下切，水力侵蝕始終占主導地位，形成“V”形或“U”形溝。而花崗巖紅壤區(qū)則為上紅(黏)下砂的非均質土，大多數時候抗侵蝕能力強的紅土層能保護抗侵蝕能力差的砂土層使溝蝕較難發(fā)生。但是因為水力侵蝕或人為活動使得溝道切穿紅土層時，溝道下方的侵蝕便會加速，可能導致溝道侵蝕營力由水力侵蝕向水力、重力混合侵蝕轉變。

花崗巖紅壤地區(qū)豐富的壤中流侵蝕也可能導致溝道特殊的發(fā)展?；◢弾r紅壤地區(qū)較高的地下水位和土壤含水量使得壤中流大量發(fā)育。在侵蝕嚴重的砂土層出露的坡地，壤中流所占比重甚至比坡面徑流更大。壤中流侵蝕不僅產生管道侵蝕，而且還導致土壤含水量增加，土壤重量增加，土壤孔隙水壓力增加。此外，壤中流還降低土壤的抗剪強度，導致溝岸坍塌，甚至土壤液化。暴雨發(fā)生時，在花崗巖紅壤的紅砂交界處因毛細屏障效應的產生，大量橫向壤中流產生，甚至產生回歸流，使溝道發(fā)生特殊變異。

在不同的地質、地貌、土壤、人為活動等條件下，侵蝕溝具有不同的發(fā)展過程與外觀形狀，從而表現出不同的發(fā)育階段。研究崩崗初期的形態(tài)變化過程和發(fā)育階段對理解崩崗的侵蝕機理、管理和防治都有重要意義。因此，本研究通過對典型崩崗區(qū)進行實地調查，探究是否存在細溝向崩崗發(fā)育的特殊中間過程，并探究其特征、形成原因與影響因素及產生意義，并以此為依據完善崩崗發(fā)育階段的研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

調查于2021年7月在湖北省通城縣(113°36′—114°04′E，29°02′—29°24′N)典型崩崗區(qū)楊壟小流域進行。該地區(qū)為丘陵地貌，最高海拔119 m，最低海拔54 m。崩崗侵蝕是通城縣水土流失的主要形態(tài)，據2005年調查統(tǒng)計，全縣有大小崩崗1 102處，崩崗侵蝕總面積166.4 km。楊壟小流域東西寬0.3 km，南北長2.4 km，流域面積約為0.25 km。流域內已經使用削坡開級的方式治理了崩崗，但因種植油茶等經濟作物使植被覆蓋率不足30%，很快又產生新的崩崗。流域內有3面山坡，分別位于西側、北側、東側，平均坡度分別為19.1°，22.7°和21.2°，但削坡開級的2個階梯之間的陡坡往往超過30°。

楊壟小流域被高度風化的花崗巖風化殼覆蓋，形成疏松而深厚的土層。完整的花崗巖紅壤剖面從上到下分為4層：A層(表土層)、B層(紅土層)、BC層(砂土層)和C層(碎屑層)。A層土壤有機質含量最高，但由于劇烈的水力侵蝕，通常很薄甚至沒有；B層顏色為紅褐色，黏粒含量最高，入滲能力差，土壤抗侵蝕能力也最強；BC層為灰色、粉褐色的混合顏色，砂粒含量高，入滲能力好，抗土壤侵蝕能力差；C層往往保持花崗巖原生構造，入滲能力好，抗蝕能力差。流域內嚴重的土壤侵蝕和人為破壞，導致B、BC和C層都在局部地方暴露在地表。

另外，于2021年10月選取同為典型崩崗區(qū)的廣西岑溪市(110°43′—111°22′E，22°36′—23°12′N)糯垌鎮(zhèn)曇海村進行抽樣調查驗證。岑溪市糯垌鎮(zhèn)的崩崗連片分布治理前共有大型崩崗38座，主要發(fā)生在農用地和林地，是該地區(qū)最嚴重的水土流失區(qū)域，岑溪市僅在新中國成立至20世紀80年代末期，被崩崗侵害的農田就多達1 460 hm。調查區(qū)內已通過削坡開級的方式進行了治理，但也有新崩崗再次產生。調查區(qū)面積約為1 928 m，丘陵地貌，海拔109～162 m。區(qū)內有2面山坡，西側山坡平均坡度為23°，東側山坡平均坡度為21.7°。

1.2 野外調查方法

用無人機對研究區(qū)進行低空拍攝和測量地形之后，對研究區(qū)內的所有溝道侵蝕進行全面人工勘測，并從中甄別出除細溝、淺溝、崩崗溝之外的特殊形態(tài)溝道。在發(fā)現有形態(tài)特殊的溝道之后測量其形態(tài)(用鋼尺和卷尺)，測量溝頭局地坡度、溝長，并根據其規(guī)模大小從溝頭開始每隔10 cm或50 cm測量溝道上寬、下寬、溝深數據，并從溝頭側壁上方和溝頭側壁底部采集土壤樣品。將土壤樣品帶回實驗室使用吸管法進行質地測驗。溝道匯水面積的獲取方法為使用ArcGIS軟件中TauDEM工具中D-infinity算法對無人機拍攝的試驗區(qū)DEM進行處理獲得。

2 結果與分析

2.1 龕溝的形態(tài)特征

調查區(qū)侵蝕嚴重，分布有大量的崩崗溝，在細溝密集的坡面，發(fā)現一種特殊的短溝。它由細溝發(fā)育而來，以凹陷膨大的形式出現在細溝的流路上，根據其形態(tài)命名為龕溝，即龕狀淺溝(niche-like ephemeral gully)。龕溝在形態(tài)上與常規(guī)淺溝不同，是在較短距離的溝道底部不斷向深、寬發(fā)展，使溝道內臨空面不斷加深擴大，導致溝壁頂部裂隙系統(tǒng)的遞級發(fā)展，最終觸發(fā)重力崩塌的龕狀淺溝。在通城縣調查區(qū)進行全面勘測后，共發(fā)現7個典型龕溝，1個由龕溝發(fā)育而來的3 m深的微型崩崗，其溝床內存在大量崩落物。在岑溪市調查區(qū)也發(fā)現多個形態(tài)一樣的典型龕溝。

從龕溝的形態(tài)特征(表1)可以觀察到龕溝的平均下寬和深都大于或接近平均上寬，且最大的溝深/上寬比達到3.75～11.00，最大的下寬/上寬比達到1.30～5.45。結果表明龕溝的形態(tài)特征為溝壁>90°，下寬、深均大于上寬的深寬梯形斷面；而最大橫截面積/平均橫截面積(即溝道局地突變程度)最小也接近1.5，龕溝上游存在細溝，表明龕溝是在線狀溝道的某一段發(fā)生變深變寬的突變而形成。

表1 龕溝的形態(tài)特征

2.2 龕溝發(fā)生的位置

龕溝發(fā)生的位置具有集中分布的特點，其集中分布在植被稀少、水蝕強烈和砂土層出露的區(qū)域。調查區(qū)內西部山坡紅土層保存較完好，不僅沒有龕溝，連細溝都鮮有產生。而北部和東部山坡紅土層較薄，往往在中坡位即有砂土層裸露。野外調查中的龕溝便集中分布在北部和東部山坡的中坡位。龕溝發(fā)生位置另一個重要的特征是普遍發(fā)育在砂土層出露的位置。8個龕溝中有7個發(fā)育在砂土層或上紅(黏)下砂的土壤質地層次交界處(表2)，表現為質地層次突變。龕溝的匯水面積相對較小，最小僅需40 m即可發(fā)育出龕溝，但是對于坡度的要求極大，最小也需30°。僅6號龕溝發(fā)育在純紅土層上，其擁有陡峭的坡度(47°)和較小的規(guī)模(最大橫截面積2 772 cm)。調查結果表明，2個調查區(qū)的龕溝大部分發(fā)生在水力侵蝕劇烈、砂土層出露位置，且均具有一定的集水面積及30°以上的局部坡度。

表2 龕溝分布的地形特征與土壤質地

3 討 論

3.1 龕溝與其他相似地貌的辨析

淺溝一般是指深度介于20～50 cm的線狀地形，而在風化花崗巖山坡上，淺溝的寬度常為100 cm，深度通常>50 cm，其不妨礙耕作可被常規(guī)耕作措施消除，但會反復發(fā)生在同一位置。切溝是深度在50 cm以上、可達20～100 m的線狀地形，無法被常規(guī)耕作措施消除。而龕溝常產生在坡耕地田間，深度為25～180 cm，寬度可達20～250 cm，可被常規(guī)耕作措施消除，但會反復出現在同一位置，在定義上應該作為淺溝的一種。形態(tài)上淺溝的寬度往往比深度更大，溝頭溯源不明顯，呈寬淺形，沒有明顯溝壁。切溝的橫截面為窄深形，斷面呈“U”或“V”形，溝壁較陡，溝頭溯源明顯。龕溝的寬度比深度小，斷面為上窄下寬的梯形，呈寬深形，溝壁很陡(超過90°)，溝頭溯源明顯。形態(tài)上龕溝更像是淺溝與切溝的融合體，寬深的形態(tài)、陡峭的溝壁和明顯的溯源侵蝕將重力侵蝕的作用大幅增加。因此，細溝、淺溝代表了以水力侵蝕為主的侵蝕過程，切溝代表水力侵蝕與重力侵蝕交互的侵蝕過程(相互促進、分開的2個過程)，而龕溝則代表水力侵蝕和重力侵蝕高度耦合的侵蝕過程(水力作用和重力作用過程無法分開)。綜上所述，龕溝不管是從侵蝕營力(水力、重力混合侵蝕)，還是形態(tài)(寬深形龕狀)上都與常規(guī)的淺溝、切溝存在很大的不同，卻符合寬度和深度大于細溝又小于切溝，不妨礙耕作可被常規(guī)耕作措施消除，但每年會反復出現在同一位置的定義，并且龕溝是在細溝或淺溝的流路上凹陷膨大而產生的，所以將龕溝作為細溝和切溝(崩崗)中間的特殊形態(tài)的淺溝是較為合理的定義。即細溝進一步發(fā)展應該有線性淺溝和龕狀淺溝2種發(fā)展途徑。這種侵蝕過程不僅僅在花崗巖紅壤地區(qū)存在，在全世界范圍內類似花崗巖“上強下弱”土層結構的地區(qū)，特別是具有類崩崗侵蝕地貌的地區(qū)，如巴西東南部、馬達加斯加、南非等都極有可能產生龕溝。龕溝應是一種水力、重力混合侵蝕的形態(tài)表現，不只是只存在于我國花崗巖紅壤區(qū)的侵蝕地貌。

有學者曾提出崩崗的崩壁上普遍存在內凹跌坑，將其稱為龕穴。形成原因為崩崗崩壁上的瀑流不斷淘蝕并剝落崩壁下部砂土土體形成濺蝕坑，進而擴大成龕穴，是崩崗崩壁溯源侵蝕的重要組成部分。龕穴與龕溝存在很多不同，如龕穴的發(fā)育地點是在次生崩壁或切溝溝壁上，形態(tài)為內凹的圓洞或水滴狀，由崩壁上的瀑流沖刷而成。而龕溝發(fā)育地點則為原生坡面，形態(tài)為上窄下寬的梯形，由地表集中徑流沖刷而成。但是龕穴與龕溝也存在不少相似性，如都在崩崗區(qū)發(fā)育，都在砂土層出露的位置發(fā)育，都有類似壁龕的內凹形態(tài)，都由地表徑流引發(fā)以及重力侵蝕都發(fā)揮不可或缺的作用等。其發(fā)生的條件和形態(tài)與原生坡面上的龕溝雖然有所不同，但其發(fā)生機理、對崩崗的作用是一致的，所以崩壁出現的龕穴，應是龕溝的一種。

在國外也存在類似龕溝的侵蝕過程。Montgomery等在進行野外調查時發(fā)現，存在一些類似凹進去的壁龕的溝頭，稱之為Alcove；Dunne也發(fā)現了露天劇場狀的溝道，命名為Amphitheater shaped canyons。2種溝道形態(tài)相似都被證明是壤中流侵蝕產生的標志。Lamb等認為，Amphitheater shaped canyons的形態(tài)具有3個特點：溝頭上部外形粗糙、溝岸陡峭、上游地形較少。雖然Alcove和Amphitheater shaped canyons都與龕溝一樣具有相同的內凹形態(tài)，但是龕溝同樣與其存在本質區(qū)別。龕溝不僅具有更陡峭的坡度，而且上游都有明顯的細溝存在。上游的細溝表明地表徑流在龕溝的形成中發(fā)揮了不可或缺的作用，而不是僅僅由壤中流催化產生。因此，將龕溝的特點總結為上游有明顯細溝或淺溝、溝岸陡峭(>90°)、上窄下寬的寬深梯形形態(tài)。

3.2 龕溝對于崩崗起始發(fā)育的意義

細溝產生在不同土壤上的溝岸崩塌方式和程度均不同。而花崗巖上紅(黏)下砂的土層結構使1個細溝可以同時在2種土壤上發(fā)育，有特殊發(fā)展的可能。因此，從龕溝形態(tài)及土層結構的角度可以推測龕溝的形成機理，即在擁有足夠的徑流和坡度的情況下，細溝在紅砂交界處下切至砂土層時，因土壤抗侵蝕強度大幅下降，使細溝底部迅速向寬向深發(fā)育。同時，毛細管屏障效應使壤中流在紅砂交界處產生大量回歸流。大幅增加的臨空面和壤中流使溝道下部砂土層的溝岸崩塌劇烈產生，而上層的紅土層則大部分保持不變，最終形成上窄下寬的龕溝?？骨治g能力強的紅土層可以使溝道長期保持龕溝形態(tài)，并不斷擴大其規(guī)模，>90°的臨空面不僅使邊坡失穩(wěn)，還加劇上游坡面裂隙的產生。在擁有足夠的時間和空間的條件下，龕溝最終發(fā)生大規(guī)模崩塌形成崩崗。純砂土的坡面也有多個龕溝發(fā)育，但上層的砂土層因抗侵蝕能力弱，導致龕溝無法長時間存在，很快發(fā)生崩塌，無法充分發(fā)育后形成微型崩崗。不過純砂土上發(fā)生的龕溝向上溯源至紅砂交界面時亦可能發(fā)展為微型崩崗。

細溝進一步發(fā)育形成龕溝，龕溝再發(fā)育成崩崗，龕溝比細溝、淺溝更適合作為崩崗早期發(fā)育的形態(tài)標志。首先，龕溝的產生使溝道加速向深向寬發(fā)展，顯著增大溝道內的臨空面，降低坡面穩(wěn)定性；其次，細溝、淺溝都以水力侵蝕為主，而龕溝則為水力、重力混合侵蝕，崩崗與龕溝的侵蝕機理一致。單個龕溝在條件適宜的地點可獨立發(fā)展為崩崗，在調查區(qū)內已發(fā)現由單個龕溝發(fā)育成的微型崩崗，并且龕溝在野外分布較為集中，這導致崩崗可能由多個密集產生的龕溝發(fā)育而來。因此，崩崗的發(fā)育有2種可能的途徑：(1)坡面在自然狀態(tài)下為細溝→龕溝→崩崗(圖1a)；(2)坡面在人為干擾下，為人為臨空面→龕溝→崩崗(圖1b)，2個途徑都經過龕溝階段。據此，可以把崩崗侵蝕的發(fā)育劃分為4個階段：(1)早期準備階段，即坡面細溝或淺溝沖刷并切割紅土層或人為破壞導致出露砂土層；(2)初期啟動階段，即龕溝發(fā)生階段，水力和重力2種營力同步作用，是高度耦合的復合侵蝕階段；(3)中期發(fā)展階段，即龕溝變大形成微型或小型崩崗，水力和重力作用交替進行；(4)后期成熟階段，即形成中型和大型崩崗，侵蝕營力以重力為主，水力侵蝕主要發(fā)生在崩積體。崩崗4個階段簡單描述見表3。

注：(a)為自然狀態(tài)；(b)為人為作用。

表3 崩崗侵蝕的發(fā)育階段

龕溝對崩崗區(qū)的防治管理具有重要意義。龕溝產生在紅土層淺薄或砂土層出露的位置表明保護紅土層可以有效預防龕溝發(fā)生，從而延緩崩崗發(fā)育。在紅土層較薄的花崗巖紅壤地區(qū)進行生產建設時(如修筑道路、建設種植園等)，局地坡度不宜超過30°。在治理方式方面，削坡開級的方式在很多崩崗區(qū)被普遍使用，這種治理方式可能在紅土層較厚的花崗巖紅壤區(qū)適用，但在紅土層較薄的花崗巖紅壤地區(qū)可削坡，但不可開級。因為大部分坡面原始坡度不會達到30°，而削坡開級的2個階梯之間的陡坡反而遠超過30°，且陡坡上植被很難生長，更重要的是開級時容易挖開紅土層使砂土層直接裸露。所以在紅土層較薄的花崗巖紅壤區(qū)使用削坡開級的方式治理崩崗，反而會促進新崩崗的產生。調查區(qū)的龕溝也都產生在削坡開級造成的陡坡上。雖然現有的崩崗區(qū)治理方式很難完全杜絕龕溝的產生，但是人們可以在發(fā)現龕溝產生后及時填平，同時不僅在坡頂進行截流，更需要在坡面適當分流，不可使坡面單個位置匯水面積過大，這樣亦可以有效減少崩崗的產生。

關于龕溝還有待進一步的研究。龕溝可能存在多種形態(tài)，如在接近90°的崩壁上龕溝發(fā)展為龕穴形態(tài)。另外，是否所有的龕溝都最終形成崩崗有待商榷，如本研究中發(fā)現的產生在紅土層上的龕溝、匯水面積過小的龕溝、發(fā)育空間過小的龕溝應該不會發(fā)展為崩崗。龕溝作為崩崗的起始階段標志著溝道向崩崗發(fā)展的開始，但龕溝與崩崗之間是否還有其他特殊的侵蝕形式，以及龕溝發(fā)生和發(fā)展過程機理有待進一步研究。

4 結 論

花崗巖紅壤崩崗區(qū)存在一種特殊形態(tài)的淺溝，將其命名為龕溝(niche-like ephemeral gully)。龕溝主要發(fā)生在植被稀少、水力侵蝕劇烈、坡度很陡、砂土層出露的坡面上。龕溝的形態(tài)特征為下寬、深度大于上寬的寬深梯形斷面，有明顯的陡壁和溯源侵蝕，并且其上游存在明顯線狀細溝。龕溝發(fā)生的原因是花崗巖風化殘積土存在明顯的上紅(黏)下砂的質地層次，細溝溝底股流沖刷下，下部抗蝕力差的砂土層沖蝕更快，導致上部紅土層懸空。從定義、外形和侵蝕營力等方面將龕溝與淺溝、切溝、龕穴等多種溝蝕地貌類型進行對比發(fā)現，龕溝與其他溝蝕地貌有明顯的區(qū)別。龕溝是細溝在花崗巖紅壤區(qū)向崩崗侵蝕進一步發(fā)展形成的特殊形態(tài)的淺溝，是水力侵蝕轉變?yōu)樗椭亓旌锨治g的階段，是崩崗早期起始發(fā)育的形態(tài)標志。以龕溝出現為標志，崩崗的發(fā)育過程為細溝→龕溝→崩崗或人為臨空面→龕溝→崩崗，并將崩崗發(fā)育階段重新劃分為早期準備階段、初期啟動階段、中期發(fā)展階段和后期成熟階段。