切溝是重要的侵蝕類型,是小流域侵蝕泥沙的主要來源,對其發(fā)生發(fā)展的動力過程、形態(tài)特征、監(jiān)測方法及預(yù)報模型進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié),是揭示切溝侵蝕發(fā)生動力學(xué)機(jī)制、治理切溝侵蝕、保護(hù)土地資源的前提和基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)分析、總結(jié)切溝及切溝侵蝕概念、切溝形態(tài)特征與測量方法、影響因素、發(fā)育動力過程和預(yù)報模型等相關(guān)研究進(jìn)展,明晰了切溝概念,對比了不同測定方法的優(yōu)劣,量化了影響切溝發(fā)育的關(guān)鍵因素,明確了切溝發(fā)育各子過程的動力機(jī)制,比較了典型切溝侵蝕模型的結(jié)構(gòu)與主控因素,提出了切溝侵蝕亟待加強(qiáng)的研究內(nèi)容。為理解切溝侵蝕形成、發(fā)育動力過程、提高切溝侵蝕治理的有效性提供理論依據(jù)。 

【文章來源】：水土保持學(xué)報. 2020,34(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

攝像測量法測定切溝形態(tài)的數(shù)據(jù)處理過程

式中:S為坡度(m/m);A為溝頭以上集水區(qū)面積(m2);a和b為經(jīng)驗系數(shù),均隨著環(huán)境條件的變化而變化[15]。表2為典型地區(qū)不同土地利用條件下切溝發(fā)育的臨界地形條件,從表2可知,無論是a,還是b都隨著研究區(qū)域和土地利用的變化而有所不同,但Torri等 [52]分析了全球的相關(guān)研究后發(fā)現(xiàn),系數(shù)a受土地利用方式影響顯著,而指數(shù)b卻相對比較穩(wěn)定,坡耕地a值最小,依次為荒坡、草地和林地。公式(1)也可以表達(dá)為AS2的形式,介于500～4 000 m2[49]。在干旱和半干旱地區(qū),土壤水分是影響植被生長的限制性因子,濕潤指數(shù)越大,植被生長越茂密,對切溝發(fā)育的抑制功能越強(qiáng)[53]。在黃土高原丘陵溝壑區(qū),切溝主要分布在地表濕度較大、坡度>35°的陰坡凹型坡面[54-55],而在東北黑土區(qū),受積雪消融的影響,陽坡的切溝發(fā)育明顯大于陰坡[56]。凹型坡有利于徑流匯聚,促進(jìn)切溝形成和發(fā)育[36]。溝壑密度越大,越有利于侵蝕泥沙輸移,切溝越發(fā)育[57-58]。巖性及土壤顯著影響切溝侵蝕。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動引起壓力或張力的非均衡分布,形成巖石裂隙,促進(jìn)巖石風(fēng)化,在優(yōu)先流的作用下形成地表塌陷,是地表徑流匯聚、形成切溝溝頭的重要部位[59]。雖然土壤物理結(jié)皮形成會增大表層土壤黏結(jié)力,抑制細(xì)溝間侵蝕,但隨著土壤物理結(jié)皮的形成,土壤入滲速率迅速下降,大量地表徑流的形成,勢必會促進(jìn)切溝形成和發(fā)育,因此,土壤物理結(jié)皮發(fā)育是切溝廣泛分布于黃土帶及其他干旱和半干旱區(qū)的重要原因之一[60-61],也是粗骨土、砂土和沖積泥沙容易發(fā)生切溝的關(guān)鍵所在[39]。土壤抗蝕性能是土壤質(zhì)地的函數(shù),因而土壤質(zhì)地是影響切溝發(fā)育[62]、特別是影響溝頭溯源速率和溝頭下切深度的主要因素[63]。垂直節(jié)理發(fā)育是黃土的顯著特征,降雨時節(jié)理被徑流快速填充,節(jié)理內(nèi)靜水壓力增大,促使溝頭和溝壁失穩(wěn)崩塌[63]。當(dāng)土體中存在相對不透水層且降雨強(qiáng)度適宜時,會形成壤中流,流動過程中遇到富含鈉的土層時,極易分散土壤形成洞穴,進(jìn)而逐漸崩塌擴(kuò)張形成切溝溝頭,強(qiáng)淋溶性或富含蒙脫石的土壤,也存在類似現(xiàn)象[64]。在黃土高原丘陵溝壑區(qū),洞穴發(fā)育與切溝形成密切相關(guān),面積僅為9.1 km2的山西省王家溝小流域,發(fā)育了704個切溝和967個洞穴,79%的坳蜆切溝、48%的坡面切溝和3%的溝坡切溝伴隨著洞穴發(fā)育[65]。

切溝侵蝕敏感性表征了切溝發(fā)育的可能性,敏感性評估是近期切溝研究的熱點(diǎn),大體思路見圖3。根據(jù)研究目的選擇研究區(qū)域及代表性切溝,利用前文敘述的切溝監(jiān)測方法,測量切溝的形態(tài)特征,確定切溝侵蝕量,同時收集或測定影響切溝的影響因素,主要包括氣候、巖性、土壤、地形、植被和土地利用情況。將切溝數(shù)據(jù)隨機(jī)劃分為模型率定數(shù)據(jù)集(60%或70%)和模型驗證數(shù)據(jù)集(40%或30%),利用雙變量分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林等算法,基于率定數(shù)據(jù)集確定各影響因素對切溝發(fā)育的相對貢獻(xiàn)率。通過驗證數(shù)據(jù)集、以ROC(receiver operating characteristic curve,接受者操作特征)曲線和AUC(area under curve,曲線下面積)曲線,遴選評估切溝發(fā)育敏感性的最佳或適宜模型[36-37,42]。理想條件下AUC的值為1,而0.5則表示模型精度不可接受。介于0.5～0.6為差,0.6～0.7為一般,0.7～0.8為好,0.8～0.9為很好,0.9～1.0為優(yōu)秀。切溝發(fā)育敏感性評估的結(jié)果可用概率表征,也可以劃分成等級(很低、低、中、高、很高)用圖表示。與坡面細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕相比,切溝侵蝕模型研發(fā)相對滯后且更為復(fù)雜。目前對影響切溝發(fā)育的動力過程知之甚少,且它們都隨環(huán)境條件的變化而變化[98]。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)和原理,可將切溝模型分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃瓦^程模型2類。前者參數(shù)較少且較易獲取,因而相關(guān)研究明顯多于后者,但機(jī)理或過程模型是切溝侵蝕模型研究的方向,急需加強(qiáng)研究。切溝侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ脱芯考性跍项^發(fā)育、溝頭溯源和溝岸擴(kuò)張幾個方面。溝頭形成是切溝發(fā)育的基礎(chǔ)和前提,因而準(zhǔn)確預(yù)測切溝溝頭出現(xiàn)的位置極為重要。采用切溝發(fā)育臨界地形條件(S=aA-b),是預(yù)測切溝溝頭發(fā)育位置最常用的方法[40,50]。雖然許多學(xué)者[15,49]認(rèn)為,系數(shù)a為常數(shù),指數(shù)b隨著環(huán)境條件的變化而變化,且介于0.500～0.875,但Torri等[52]通過元分析評估全球切溝溝頭發(fā)育地形臨界條件時發(fā)現(xiàn),土地利用方式顯著影響系數(shù)a,而指數(shù)b與土地利用類型無關(guān)。氣候、礫石覆蓋和流域持水性能對系數(shù)a具有一定影響。對于給定的b值,可利用美國土壤保持局(USDA-SCS)徑流曲線數(shù)CN、礫石覆蓋、土壤性質(zhì)和植被屬性估算a值,進(jìn)而預(yù)測切溝溝頭發(fā)育位置。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]幾個常用土壤侵蝕術(shù)語辨析及其生產(chǎn)實(shí)踐意義[J]. 劉寶元,楊揚(yáng),陸紹娟.  中國水土保持科學(xué). 2018(01)
[2]使用高分遙感立體影像提取黃土丘陵區(qū)切溝參數(shù)的精度分析[J]. 唐杰,張巖,范聰慧,程曉鑫,鄧家勇.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2017(18)
[3]陜北黃土區(qū)退耕前（1976—1997）坡面切溝發(fā)育特征[J]. 陳一先,焦菊英,魏艷紅,趙珩鈧.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2017(17)
[4]不同分辨率DEM提取切溝形態(tài)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)化研究[J]. 吳紅艷,鄭粉莉,徐錫蒙,覃超,鐘科元.  水土保持學(xué)報. 2016(06)
[5]黃土坡面侵蝕溝溝岸擴(kuò)張過程[J]. 李斌兵,黃磊,馮林,李鵬,姚京威,柳方明,李俊利,唐輝.  應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報. 2016(06)
[6]陜北黃土區(qū)植被恢復(fù)對切溝發(fā)育速率的影響[J]. 楊松,張巖,阿尼克孜·肉孜,李宏鈞,劉彥.  中國水土保持科學(xué). 2016(04)
[7]黃土高原切溝地貌學(xué)研究述評[J]. 那嘉明,楊昕,李敏,丁滸,湯國安.  地理與地理信息科學(xué). 2016(04)
[8]溝蝕過程研究進(jìn)展[J]. 鄭粉莉,徐錫蒙,覃超.  農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報. 2016(08)
[9]一種基于線結(jié)構(gòu)光技術(shù)的細(xì)溝形態(tài)測量系統(tǒng)[J]. 朱良君,張光輝,李振煒,耿韌.  山地學(xué)報. 2015(06)
[10]退耕草地近地表層特征對坡面流流速的影響[J]. 易婷,張光輝,王兵,蘇子龍,李振煒,師陽陽.  山地學(xué)報. 2015(04)



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