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切沟是指农地中形成的农业机械无法直接跨越的沟壑,切沟既是一种重要的土壤侵蚀类型,也是流域主要的泥沙来源,因此,对切沟发育的研究对了解地区土壤侵蚀的过程和严重程度有重要的意义。东北黑土区是我国重要的粮食生产基地,但自开垦以来,该区域水土流失十分严重,其中切沟侵蚀是东北黑土区重要的侵蚀类型。然而,目前针对切沟的研究还较为薄弱。本文基于对研究区两个小流域(2号流域和8号流域)内切沟的多年高精度观测,结合元素示踪法和其它实地监测和搜集的数据,围绕不同时空尺度下的切沟侵蚀速率变化对切沟进行研究,重点探讨了研究区内不同切沟侵蚀过程的差异,同一切沟不同部位侵蚀强弱差异；以及对切沟在中长期尺度上的泥沙贡献比例以及侵蚀速率的变化规律等问题。以这些规律研究为基础,针对不同类别的切沟进行了初步的侵蚀预报,并尝试从流域尺度上预报切沟侵蚀。
2号流域和8号流域过去几年的切沟侵蚀模数分别为113.36 t/km2.a和28.46 t/km2.a。流域不同的切沟,存在完全不同的发育过程。两条谷底沟的沟头溯源侵蚀剧烈,年均后退速率分别为11.49 m/a和6.98 m/a,其体积在干旱年份发育基本停滞,在湿润年份则发育迅速,但在动力条件中等的年份却往往出现堆积。坡面沟中,一部分切沟发育同样迅速,但其主要的侵蚀来源于沟壁的崩塌和沟底的下切,沟头侵蚀所占比重远不如谷底沟,命名为活跃型坡面沟。另一部分切沟主要受径流的改道和土地利用等因素的影响,导致其在监测时段内发育缓慢,相对于谷底沟和活跃型坡面沟,几乎没有造成明显的侵蚀,命名为稳定型坡面沟。
为进一步了解切沟发育的规律,对切沟DEM按20 m一段进行分割,分析了侵蚀剧烈的谷底沟和活跃型坡面沟不同部位侵蚀过程的差异。谷底沟距离沟头20 m的区域内侵蚀最为剧烈,当距离沟头距离逐渐增大,切沟呈现出不同年份的侵蚀堆积交互变化,体积缓慢增长,命名为中部交互区。中部交互区占切沟整体比例一直超过60％,其发育过程与谷底沟整体的侵蚀过程相似。活跃型坡面沟的上游部位规模较小,平均侵蚀速率仅2.75 m3/a,命名为头部稳定区(1～6段)。而中部发育活跃,沟壁的崩塌和沟底的下切十分明显,每一段的年均侵蚀速率达到17.38 m3/a,命名为中部活跃区(7～17段)。不论谷底沟还是活跃型坡面沟,切沟沟尾都主要呈现泥沙堆积,命名为尾部堆积区(谷底沟为9～11段,活跃型坡面沟为18～20)。
依据2号流域小塘坝沉积物年层的分析,并对比坡面土壤(0～5 cm)与小塘坝沉积物的137Cs含量,计算切沟侵蚀占流域产沙总量的比例为27.5％。利用实测的切沟侵蚀数据与流域输沙数据进行验证,其结果与27.5％的比例十分接近。据此推算了中长期尺度上2号流域的切沟的输沙模数为124.8 t/km2.a,这一速率与过去几年2号流域实测的切沟侵蚀模数相近(113.36 t/km2.a)。因此,研究区的主要侵蚀类型为坡面侵蚀,但切沟仍然是重要的泥沙源。
对于短期切沟侵蚀的预报,通过切沟发育及其影响因素的分析,认为气候因素对切沟短期侵蚀速率的变化产生主要影响,建立了由冬季降雪量(Sf)、年有效EI30以及最大日降雨量(Drmax)三个独立参数组成的沟蚀动力因子Rg。
Rg=ln(Sf)×ln(EI30有效)×ln(Drmax)
在预报时,采用切沟体积增长率来代替传统的切沟侵蚀量作为曲线拟合的目标,以消除不同切沟初始规模带来的侵蚀量差异。利用Rg,结合不同类型切沟的发育特征,用二次曲线对谷底沟进行了拟合,指数增长曲线对活跃型坡面沟进行拟合。同时,从小流域尺度上看,排除人为因素后,流域切沟总的体积增长率与Rg呈良好的指数增长关系(R2=0.84,P<0.05),可以用于估算流域尺度上的切沟侵蚀速率。
Vir谷底=0.1247Rg2-22.684Rg+1001.4(R2=0.72,P<0.01)
Vir坡面=0.00014×e(Rg/10.60145)+4.06355(R2=0.64,P<0.05)。