黃土高原植被對重力侵蝕的作用機理

高 航, 徐向舟, 李依杭

(大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，116024，遼寧大連)

自1999年以來，我國在黃土高原上相繼開展黃河流域水土保持生態(tài)工程、黃土高原地區(qū)淤地壩工程和坡改梯工程等一批重點生態(tài)建設(shè)工程，同時采用退耕還林(草)等措施，提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量，使區(qū)域的生態(tài)- 水文過程發(fā)生明顯改變，也使水土流失惡化的趨勢得以遏制。然而，通過對降雨—徑流—輸沙的分析發(fā)現(xiàn)，以植被措施為主的水土流失綜合治理并沒有顯著影響黃土丘陵及黃土高塬溝壑區(qū)某些小流域的水沙關(guān)系。在強降水基礎(chǔ)上，特別是當降水量達到誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生的臨界值時，植被及其根系會加劇重力侵蝕的發(fā)生。重力侵蝕是指斜坡上的巖土體在重力作用下發(fā)生變形、破壞、移動和堆積的過程，也是黃土高原主要的侵蝕方式之一。黃土高原受地質(zhì)環(huán)境、土體物質(zhì)組成和地形條件等因素的綜合影響，區(qū)內(nèi)的溝坡坡體穩(wěn)定性低下，是重力侵蝕的高發(fā)區(qū)。已有研究[1]表明，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，重力侵蝕占流域侵蝕產(chǎn)沙量的20%～25%，在黃土高塬溝壑區(qū)占58%左右。重力侵蝕成因復(fù)雜，研究難度大。如何闡明植被等多因素作用下重力侵蝕的發(fā)生機制，以便制定更合理的黃土高原小流域生態(tài)治理規(guī)劃新方法，是目前黃河流域高質(zhì)量發(fā)展研究中一個亟待解決的科學(xué)問題。

1 重力侵蝕的監(jiān)測與調(diào)查

水土保持原始數(shù)據(jù)獲取方法有水土保持監(jiān)測、水土保持調(diào)查和水土保持試驗等方法。上述方法在重力侵蝕原始數(shù)據(jù)觀測中都得到了應(yīng)用。水土保持監(jiān)測和調(diào)查都是在不改變下墊面條件和侵蝕動力的前提下，對水土流失現(xiàn)象進行原位觀測。其中，監(jiān)測法是對研究區(qū)域的全面觀測，而調(diào)查法是通過對研究區(qū)域典型區(qū)段的觀測，進而推廣得到整個研究區(qū)域的重力侵蝕發(fā)生和分布規(guī)律。

利用衛(wèi)星監(jiān)測或航空監(jiān)測資料，通過對重力侵蝕斑痕的判讀和統(tǒng)計，可快速分析較大范圍內(nèi)的重力侵蝕分布。比如，已有研究通過航片解譯與野外實地考察相結(jié)合的方法分析王家溝小流域地貌及重力侵蝕的時空分布規(guī)律，認為植被分布狀況對小流域內(nèi)重力侵蝕的宏觀格局有一定影響[2]。遙感監(jiān)測能夠快速獲取較大范圍內(nèi)的重力侵蝕數(shù)據(jù)，但由于絕大部分溝道邊坡和溝頭的陡坡區(qū)位因坡度陡而難以在遙感影像中反映出來，成為遙感分析的“盲區(qū)”；另外，受影像條件的制約，目前還無法利用遙感影像實現(xiàn)多參數(shù)、天空地立體化實時自動化監(jiān)測[3]，因而難以通過遙感影像數(shù)據(jù)對重力侵蝕的微觀機理進行深入分析。隨著現(xiàn)代空間技術(shù)、電子技術(shù)、計算機以及信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代高科技技術(shù)手段成為重力侵蝕災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警的重要技術(shù)方法。如利用新型干涉光纖傳感器預(yù)警邊坡失穩(wěn)[4]，通過測量機器人監(jiān)測黃土滑坡變形[5]等。

常用的重力侵蝕現(xiàn)場調(diào)查方法主要是測針法和地貌學(xué)方法，如已有研究利用在夏秋季降雨后布設(shè)的測針對橋溝的重力侵蝕進行觀測[6]。該種現(xiàn)場調(diào)查方式詳盡準確，但需要大量的人力、物力且耗費時間較長。近年來，激光掃描儀等非接觸式測量方法技術(shù)的介入，使測量重力侵蝕的高危地形成為可能。不過，在使用激光掃描儀技術(shù)進行現(xiàn)場地貌建模時，局部深溝和深坑可能成為掃描死角，需要進行手工補測。

現(xiàn)場監(jiān)測和現(xiàn)場調(diào)查都是直接從原型流域獲取重力侵蝕分布信息，可以為小流域或者更大尺度區(qū)域的水土保持規(guī)劃提供設(shè)計依據(jù)，而且還能為其他重力侵蝕研究方法，如重力侵蝕模型試驗和數(shù)學(xué)模型模擬，提供可靠性驗證。需要注意的是，監(jiān)測法和調(diào)查法都是在降雨后對地貌特征進行調(diào)查來反推水土流失量。雖然這種反推調(diào)查法比較容易實施，也是目前水土保持行業(yè)中常用方法，但是采用這種方法觀測重力侵蝕量時，由于在前幾次降雨后，下落的崩滑體中一部分可能已被水流沖走，或者從上游來水帶來的部分土體會在崩滑體中沉積，從而可能造成測量誤差。

2 植被作用下重力侵蝕產(chǎn)沙的試驗研究

由于現(xiàn)場監(jiān)測和現(xiàn)場調(diào)查無法控制侵蝕動力條件，因此進行試驗研究是必要的。水土保持試驗是運用模擬和觀測裝置，對嚴格邊界控制條件下的侵蝕對象進行現(xiàn)場試驗或模型試驗，以研究水、土壤及土壤營養(yǎng)物的輸移變化規(guī)律及其控制方法[7]。水土保持試驗分為模型試驗和現(xiàn)場試驗2種：模型試驗是在重塑的下墊面上開展模擬試驗，現(xiàn)場試驗是依據(jù)未擾動的原始下墊面進行模擬試驗(又稱為原位試驗)。對重力侵蝕過程的模型試驗，多屬于全尺模型，即模型與原型沒有比例上的縮放(a segment of the unscaled reality)[7]。水土保持試驗中多運用降雨模擬方式作為驅(qū)動力促使天然溝坡或者重塑溝坡發(fā)生崩塌、滑坡、泥流等。降雨模擬試驗?zāi)艽蟠筇岣吖ぷ餍?，在短時間內(nèi)能夠獲得大量資料，還能系統(tǒng)地控制動力條件[8]。目前，一種基于結(jié)構(gòu)光的觀測技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)模型試驗尺度重力侵蝕過程的定量觀測，即：激光一字儀與攝像機配合，獲取坡面的等值線圖，然后在ArcGIS軟件中賦予高程值形成三維立體圖，進而可提供坡體的體積、投影面積和各點坐標等參數(shù)，溝坡面上崩滑前后瞬間坡體的體積差，即為該次重力侵蝕的體積[9]。另外，將地貌儀和移動實驗室相結(jié)合，還能夠?qū)崿F(xiàn)小流域野外重力侵蝕過程的現(xiàn)場模擬和觀測[10]。

通過重力侵蝕試驗，可以深入研究重力侵蝕發(fā)生、發(fā)展的機制。表1展示國內(nèi)外研究人員已完成的考慮植被影響的重力侵蝕相關(guān)試驗。如通過降雨模擬現(xiàn)場試驗研究植被影響下重力侵蝕與土壤含水量之間的關(guān)系[11-12]?，F(xiàn)場試驗不用重塑地形，即除預(yù)設(shè)邊界外，其他的下墊面條件都和原型一樣。當然，由于現(xiàn)場試驗的模擬、觀測條件相對簡陋，仍存在一定誤差。已有同行開展了考慮植被影響的重力侵蝕模型試驗。例如，通過模型試驗分析不同植被格局下植被對水力侵蝕產(chǎn)沙的影響[13]，或者探明不同類型植被在相同降雨和風荷載作用下對斜坡穩(wěn)定性的影響[14]。Gao等[15]利用根土復(fù)合溝坡模型，通過降雨模擬和地貌儀動態(tài)觀測技術(shù)，研究灌木對黃土溝坡不同類型重力侵蝕的影響。但該文獻所述試驗中預(yù)埋的模型植物根系與天然多年生植被根系相比，其固土作用大小尚存在一定誤差。

表1 考慮植被影響的重力侵蝕相關(guān)試驗

重力侵蝕治理的實踐證實，植被對土體穩(wěn)定性的影響是復(fù)雜的、多方面的。但就目前來看，在植被影響溝坡穩(wěn)定方面的研究仍然不夠深入。總體來看，目前通過水土保持試驗研究植被與水力侵蝕的關(guān)系較多。在研究植被對重力侵蝕影響方面，主要集中在力學(xué)分析上，對重力侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)注較少。現(xiàn)有試驗多側(cè)重于草類的影響，對灌、喬木作用的影響研究，還需要加強。

3 植被對重力侵蝕及其產(chǎn)沙的作用

黃土高原土壤貧瘠、降雨稀少，在溝坡、陡崖植被類型主要為草本植物群落和雜灌木的原生次生植被[16]。在對黃土高原進行生態(tài)建設(shè)的過程中，這些典型植被群落對重力侵蝕的影響變得尤為重要。由于植物根系是固定和支撐植物體的重要器官，而且根系力學(xué)性能也影響著植被固土的力學(xué)作用。近年來，植物根系的固土護坡機理、根土相互作用等研究越來越受到國內(nèi)外同行的關(guān)注，使根系力學(xué)特征的研究成為生態(tài)學(xué)研究的熱點之一。研究表明，根系密度與土壤的剝蝕能力有很強的負相關(guān)關(guān)系[15]。除根莖力學(xué)影響之外，植被的冠層徑流在數(shù)量、空間及時間上重新分配降雨，進一步降低土壤侵蝕的發(fā)生[17]。但在一些實際調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，在強降雨條件下，植被還會加劇重力侵蝕的發(fā)生。對泥石流、滑坡災(zāi)害的現(xiàn)場調(diào)查得知，在中小強度降雨激發(fā)下，植被能夠削減泥石流、滑坡的規(guī)模，甚至抑制泥石流、滑坡的發(fā)生；當降雨超過一定閾值后，在水作用下，植被不但不能削減重力侵蝕規(guī)模，反而增大其規(guī)模[18]。對子午嶺林區(qū)的調(diào)查也指出，當降水量達到誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生的臨界值時，植被及其根系會加劇重力侵蝕的發(fā)生[19]。由此可見，植被對重力侵蝕的影響是多方面的。

重力侵蝕作為黃土高原最常見的土壤侵蝕方式，對流域產(chǎn)沙有著非常重要的影響。極端氣候條件下，降水導(dǎo)致的突發(fā)性黃土溝坡重力侵蝕增多而且表現(xiàn)出歷時長、范圍廣、損失重的特征。黃委會西峰、天水、綏德水保站分別在南小河溝、呂二溝、韭園溝3個典型小流域的調(diào)查結(jié)果表明，重力侵蝕產(chǎn)沙量分別占土壤流失量的57.5%、68.0%和20.2%[20]。重力侵蝕直接或間接地向河道輸送大量的泥沙，是流域土壤侵蝕和河流泥沙來源的主要物理過程之一，并在區(qū)域地貌演化中發(fā)揮了重要作用。隨著黃土高原地區(qū)植被的恢復(fù)，坡面水土流失量減小，切割黃土高原的溝谷侵蝕將會顯得更加突出。韭園溝小流域的溝谷地雖只占流域總面積的43%，但其來沙量卻占全流域的70%[21]。在極端暴雨下，丘陵溝壑區(qū)內(nèi)植被覆蓋較好的溝谷地的重力侵蝕量仍占總侵蝕量的49.0%～88.5%[22]。有研究表明在黃土高塬溝壑區(qū)，重力侵蝕和河床沖刷是河流泥沙的主要來源[23]。這可能與高含沙水流搬運與重力侵蝕的強耦合關(guān)系有關(guān)。

由于重力侵蝕的復(fù)雜性，在流域范圍內(nèi)重力侵蝕發(fā)育及其造成的產(chǎn)沙缺乏系統(tǒng)的、直接的觀測及統(tǒng)計資料，因而很難準確地計算重力侵蝕對流域產(chǎn)沙的貢獻度。特別是植被恢復(fù)下，由于植被與重力侵蝕的耦合作用，使得對重力侵蝕的定量計算及其在總侵蝕產(chǎn)沙中所占比例的研究一直處于十分薄弱的環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論與展望

雖然目前小流域生態(tài)治理得到了長足的發(fā)展，但小流域內(nèi)重力侵蝕產(chǎn)沙狀況沒有得到根本改善?，F(xiàn)場試驗和模型試驗?zāi)軌蛘故局脖粚χ亓η治g作用的動態(tài)過程，是研究重力侵蝕微觀機理的有效途徑。遙感監(jiān)測能夠快速獲取較大范圍內(nèi)的重力侵蝕數(shù)據(jù)，為水土保持宏觀決策提供參考。同時現(xiàn)場監(jiān)測和現(xiàn)場調(diào)查能夠為模型試驗結(jié)果的可靠性提供驗證。

在黃土高原植被對重力侵蝕的作用這一方向上，下一步需要研究的工作如下：

1)建立基于衛(wèi)星、航空遙感技術(shù)的多層次重力侵蝕動態(tài)監(jiān)測體系。由于重力侵蝕發(fā)生的隨機性和不確定性，流域內(nèi)系統(tǒng)的重力侵蝕發(fā)生位置、時間、特征等數(shù)據(jù)缺乏，開展大數(shù)據(jù)的重力侵蝕遙感監(jiān)測并構(gòu)建完善的觀測數(shù)據(jù)資料庫，可為重力侵蝕監(jiān)控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2)解決重力侵蝕觀測中出現(xiàn)的新問題。由于土壤侵蝕現(xiàn)象的復(fù)雜性，亟需研發(fā)觀測范圍更廣、數(shù)據(jù)處理更快的重力侵蝕觀測手段，以實現(xiàn)對侵蝕地貌的準確分析，為深入研究重力侵蝕發(fā)生機理和區(qū)域水土流失規(guī)律提供技術(shù)支撐。

3)深入研究植被對重力侵蝕的作用機理。黃土高原重力侵蝕發(fā)生機理復(fù)雜、影響因素多、隨機性較大。加強生態(tài)建設(shè)后，重力侵蝕預(yù)測研究可正確評價該地區(qū)小流域泥沙輸移量，為制定更合理的小流域生態(tài)治理規(guī)劃提供參考。