杨 丹，熊东红，刘守江，张 斌



土壤理化及力学性质对干热河谷台地边坡沟蚀发育的影响

杨 丹1,2，熊东红3,4，刘守江1,2，张 斌1,5

（1. 西华师范大学国土资源学院，南充 637009； 2. 西华师范大学嘉陵江流域研究所，南充 637009； 3.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041； 4. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；5.西华师范大学地表过程与环境变化研究所，南充 637009）

金沙江干热河谷土地整理台地边坡沟蚀发育严重，水土流失强烈，高投入的土地整理工程效益难以发挥，严重威胁着该区的生态安全和社会经济发展。为查明干热河谷土地整理台地边坡沟蚀发育关键影响因子、防治台地边坡沟蚀发育，该研究采用野外实地测量法和实验室测定的方法，研究了干热河谷土地整理台地边坡的沟蚀发育形态特征，系统分析了土壤理化性质和力学性质对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响。结果表明：1）非毛管孔隙度是影响台地边坡沟蚀发育形态特征的主要指标，但非毛管孔隙度对台地边坡沟蚀发育宽度、深度、截面积、密度以及割裂度的影响形式和影响程度有较大差异。2）抗剪强度仅对台地边坡沟道深度和截面积影响显著，而对沟道宽度、密度和割裂度的影响甚微。3）分散率对台地边坡沟道宽度和割裂度的影响较为明显，对沟道深度、截面积和密度无显著影响。4）沟道宽度和密度均主要受非毛管孔隙度控制，割裂度受分散率的影响最大，但沟道深度和沟道截面积受土壤性质的影响相对较弱。

土壤；侵蚀；土地整理；沟道侵蚀；形态特征；干热河谷

0 引 言

金沙江干热河谷光热条件优越，被誉为“金沙江畔的菜篮子”，但由于近几十年来的不合理开发，该区域已成为中国西南地区的典型生态环境脆弱区，仅冲沟侵蚀造成的土壤侵蚀模数就高达8 000～20 000 t/(km2×a)[1-2]，耕地、道路毁坏严重，土地利用率明显降低。为有效遏制水土流失，提升土地质量，自2011年起，干热河谷开展了一系列以“平沟造地”为代表的土地整理活动，其中仅元谋干热河谷的平沟造地面积就高达6667 hm2以上。但是，由于土体压实不到位、边坡陡长、缺乏防护措施等原因，土地整理台地边坡极易发生水土流失，可在2～3 a内再度发育形成切沟或冲沟，部分地区的侵蚀强度高达8 000 t/(km2×a)左右，高投入的土地整理工程所发挥的效益极为有限。

然而，国内外研究者对土地整理的研究多关注其正面作用，主要集中于土地整理梯地系统的水文调节、土壤保持、土质改良、作物产量提高及生物多样性保护等方面[3-7]。如Gardner等[8]认为梯田在减少流域产沙和土壤侵蚀方面作用显著，修筑梯田以后其径流系数可降低至原来的10%～20%；Sharda等[9]研究发现梯田最高减水效率可达80%，减沙效率可达90%左右。相对而言，关注土地整理形成梯地系统负面效应的研究较少，特别是关于土地整理梯地系统土壤侵蚀过程的研究鲜见报道[10]，已有的少量研究也主要集中在西班牙、意大利、捷克等地中海国家[10-12]。如Mihara[13]、Chartin等[14]曾对土地整理与土壤侵蚀的关系进行了相关研究。国内学者关于土地整理梯地系统土壤侵蚀过程的研究则几乎没有，已有报道中仅Zhang等[15-16]对土地整理梯地系统的土壤侵蚀强度进行了初步估算，发现其土壤侵蚀模数介于2 500～2 700 t/(km2×a)之间。因此，针对金沙江干热河谷土地整理台地边坡沟蚀发育严重而未见相关研究报道，本研究采用野外原位测量和实验室测定的方法，获取土地整理台地边坡沟蚀发育形态参数指标和相应的土壤性质参数，探讨土壤性质与沟蚀发育形态特征之间的内在关系，确定影响干热河谷土地整理台地边坡沟蚀发育的关键土壤性质，研究结果可为根据土壤性质采取针对性措施以防控台地边坡沟蚀发育提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于云南省北部元谋县境内，金沙江下游龙川江河谷盆地内（101°35′～102°06′E、25°23′～26°06′N），该区土地总面积2 037.85 km2，区内海拔介于899～2 835 m之间[17]。该区属南亚热带季风气候，具有炎热干燥、降水集中、干湿季分明的特征，年均气温21.9 ℃，≥10 ℃的积温8 003 ℃；年降水量615.1 mm，降水集中于6－10月（雨季），雨季降雨量占全年的79%，年潜在蒸发量高达3 911.2 mm，约为年降水量的6.4倍，区内水、热矛盾突出[2]。此外，该区地带性土壤为燥红土，部分地区有少量变性土，自然景观为热带草原（, 或称稀树干草原）景观，形成以禾草为主，杂以灌木、乔木零星分布的稀树灌草丛植被类型[18]。

2 研究方法

2.1 土地整理台地边坡沟蚀发育形态特征调查

本研究于2014年9月－2015年9月，对元谋干热河谷土地整理台地边坡的沟蚀发育状况进行了详细的面上调查，并在此基础上，于中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所元谋沟蚀崩塌观测研究站（以下简称“元谋站”）附近选定了9处典型土地整理台地边坡，于2016年3－4月以直尺、钢卷尺等测定台地边坡沟道的深度、宽度和长度，同时用坡度尺测定边坡的坡度。

沟道密度和沟道割裂度均是反映台地边坡沟道形态发育强度的重要指标[19]。其中，沟道密度指单位研究区域内所有沟道的总周长，计算公式如下

式中为沟道密度，m/m2；0为研究坡面的表面积，m2；P为单条沟道周长，m；为沟道数目，=1,2,…,，为坡面上沟道的总条数[19]。

沟道割裂度是参照地面割裂度进行定义，指单位研究区域内所有沟道平面面积之和，为无量纲参数，计算公式为

式中为沟道割裂度；0为研究坡面的表面积，m2；A为坡面上第条沟道的表面积，m2；为沟道数目，=1,2,…,，为坡面上沟道的总条数[19]。

基于野外测定结果，根据式（1）和式（2）计算沟道密度和沟道割裂度，计算结果如表1所示。

表1 各调查点沟蚀发育形态特征

注 ：在各调查点沟道发育的不同部位进行多次（>15次）测量，获取其沟道宽度、深度、周长等值。表中数据均为平均值。

Notes : Multimetering in every investigation spot (>15 times), and getting gullies’ width, depth and perimeter. The values in table 1 are related mean values.

2.2 土壤性质测定

于2016年3－4月，对上述9处典型台地边坡沟蚀发育形态特征调查完毕之后，通过分层采样法采集土样，每个样点分0～15、>15～30、>30～45 cm等3个土层，每个土层针对不同测定指标分别采集2～4个平行样，以测定土壤容重、孔隙度、抗剪强度、机械组成、微团聚体含量和抗冲系数。其中，土壤容重、孔隙度和抗冲系数直接在元谋站的理化实验室进行测定，而抗剪强度、机械组成、团聚体含量分别于中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所和四川省农业科学院研究院测定完成，其测定方法如表2所示。

表2 室内试验测定指标及方法

其中，土体抗剪强度是指土体抵御剪切破坏的极限强度，以黏聚力和内摩擦角来表征，并满足以下关系式

=×tan+（3）

式中为抗剪强度，kPa；为垂直荷载，kPa；为黏聚力，kPa；为内摩擦角，(°)[20]。

此外，土壤分散率可反映土壤团聚体在水中被破坏的程度，土壤分散系数越大，则团聚体的稳固性越低[21]。其计算公式如下：

根据上述分析计算，各调查点土壤性质指标值如表3所示。

2.3 数据处理

采用Excel2007对台地边坡沟蚀发育宽度、深度、周长进行整理分析，结合相应公式计算沟道截面积、沟道密度和沟道割裂度；同时，利用SPSS16.0对沟蚀发育形态特征参数和土壤性质指标进行回归分析，探讨台地边坡土壤理化性质和力学性质对沟蚀发育形态特征参数的影响。最后，通过对比分析法，确定影响台地边坡沟蚀发育形态特征参数的关键土壤性质指标。

表3 各调查点土壤理化及力学性质

3 结果与分析

3.1 容重、孔隙度对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响

容重、孔隙度是反映土壤质量的重要指标，容重小、孔隙度大的土壤有利于植被生长，对防止水土流失具有积极作用。从表4可以看出，台地边坡沟蚀发育形态特征参数与非毛管孔隙度的拟合方程均在0.1水平上显著。然而，除台地边坡沟道深度与总孔隙度的拟合方程在0.1水平上显著外，台地边坡沟蚀发育形态特征参数与容重、孔隙度和总孔隙度的拟合关系均不显著（>0.1）。由此可知，非毛管孔隙度和总孔隙度对台地边坡沟蚀发育形态特征参数存在影响，且非毛管孔隙度是影响台地边坡沟蚀发育形态特征的主要指标，而容重、总孔隙度和毛管孔隙度对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响相对较弱。

进一步分析发现，台地边坡沟道宽度和密度均随着非毛管孔隙度的增大呈线性增大趋势；沟道深度和截面积均随着非毛管孔隙度的增大呈指数增长趋势；而沟道割裂度则随着非毛管孔隙度的增大而呈逆函数减小。由此可知，非毛管孔隙度对台地边坡的不同沟蚀发育形态特征参数的影响方式和程度有较大差异。

表4 沟道形态特征参数与容重、孔隙度的曲线拟合结果

注： 本文仅列出在0.1以上水平显著的回归方程，其他不显著方程不予列出。下同。

Note: This manuscript just listed the significant fitted equations when alpha<=0.1, and the non-significant ones were not listed. The same as below.

综上所述，非毛管孔隙度对沟道发育形态特征参数有重要影响，但容重、总孔隙度和毛管孔隙度对沟道发育形态特征参数影响较弱，这与艾琴[22]、贾科利等[23]的研究结果基本一致。其中，艾琴[22]发现未侵蚀黑土的非毛管孔隙度大于发生面蚀和沟蚀的黑土，但发生沟蚀的黑土区其非毛管孔隙度大于发育面蚀的区域，即只有当非毛管孔隙度超过某一临界值（东北黑土区为5.43%）时，土壤侵蚀的风险才会明显降低；当非毛管孔隙度低于这一临界值时，随着非毛管孔隙度的增加，土壤侵蚀强度会有所增大（如从面蚀转变成沟蚀）。但是，部分学者认为容重、总孔隙度和毛管孔隙度对土壤侵蚀也存在较大影响，这与本文的研究结果有一定差异。如丁绍兰等[24]发现青海黄土丘陵区侵蚀沟的侵蚀模数随孔隙度的增大而降低；胡婵娟等[25]认为土壤侵蚀强度与容重呈负相关关系；孙泉忠等[26]认为土壤侵蚀风险与孔隙度之间可能存在正相关关系。出现这一现象可能与本研究中的堆积边坡土壤多为燥红土与变性土的混合型土有关。该混合型土与黑土均具有一定胀缩性，因而本研究中容重、孔隙度对沟道发育形态特征的影响与黑土区的研究结果较为一致，而与不具有胀缩性的黄土区的研究结果有较大差异。另一方面，本研究中容重、总孔隙度和毛管孔隙度对沟道发育形态特征参数影响较弱可能还与土样的分层采集及所选野外观测点数量有限有一定关联。

3.2 抗剪强度对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响

土壤抗剪强度反映了土壤抵抗外力机械破坏的能力大小，由黏聚力和内摩擦角2个指标来综合反映，抗剪强度越大，表示土壤抗侵蚀能力越强。对各台地边坡沟蚀发育形态特征参数与黏聚力和内摩擦角进行最优曲线拟合（表5），结果显示黏聚力与沟道深度（<0.1）、截面积（<0.05）的拟合方程显著，内摩擦角仅与沟道深度拟合方程显著（<0.1），除此之外，黏聚力和内摩擦角与沟道宽度、密度和割裂度的拟合关系均不显著（>0.1）。其中，沟道深度和截面积均与黏聚力满足三次曲线函数关系，随黏聚力的增大而呈先增大后减小再增大的变化趋势；而沟道深度与内摩擦角呈二次函数关系，随内摩擦角的增大呈先减小后增大的变化趋势。由此可知，土壤抗剪强度主要影响台地边坡沟蚀发育深度和截面积，即土壤抗剪强度主要作用于台地边坡沟道的竖向发展，而对台地边坡沟道宽度的扩展及沟道网络的形成影响较弱。

表5 沟道形态特征参数与土壤抗剪强度指标的曲线拟合结果

然而，国内外学者对土壤抗剪强度与侵蚀强度的研究结果存在较大差异。如Gomez-Gutierrez等[27]对西班牙西南部的沟道侵蚀与水文特征之间的关系进行了探讨，结果发现降雨后沟壁黏聚力明显降低是导致沟道快速扩张的重要原因；Istanbulluoglu等[28]发现土壤黏聚力较小时，沟道以横向发展为主，其宽度较大而深度较浅；当土壤黏聚力较大时，沟道以纵向发展为主，形成深度较大、沟壁陡立的形态；但是，姚军[29]认为抗剪强度与侵蚀模数之间相关性较小，两者之间无显著关系。本研究中抗剪强度（黏聚力、内摩擦角）对沟道深度和截面积影响显著，而对沟道的宽度和切割强度影响不显著，可能与台地边坡土质较为松散，土壤颗粒混合程度较高有关。高混合程度的松散土壤容易在径流剪切作用下发生下蚀作用，使得沟道深度不断增加，因而表现出抗剪强度与沟道深度之间的强关联性；相对而言，这一时期径流对沟道两侧的侧蚀作用弱于下蚀作用，且沟道宽度的增加与其边壁遇水垮塌有关，这些崩塌物堆积在沟道内进一步被径流搬运带走，加之土壤内部颗粒之间的摩擦、拔蚀作用，沟道深度进一步增加，而沟道宽度却变化相对较小且不固定，因而表现出与抗剪强度的关联性较弱。

3.3 土壤分散率对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响

土壤分散率反映了土壤团聚体在水中被破坏的程度，土壤分散系数越大，表示土壤抗侵蚀能力越弱[21]。为探究土壤分散率对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响，对土壤分散率与沟蚀发育形态特征进行了最优曲线拟合，结果如表6所示。

从表6可以看出，土壤分散率与台地边坡沟道宽度和割裂度的回归方程在0.05水平上显著，而与台地边坡沟道深度、截面积和密度的拟合关系不显著（>0.1）。其中，沟道宽度随土壤分散率的增大呈S型曲线函数增大，而割裂度则随土壤分散率的增大呈幂函数减小。由此可知，土壤分散率主要影响台地边坡发育沟道的宽度和割裂度，而对其他形态指标影响较弱。这可能与土壤分散率反映土壤团聚状况，而土壤分散率越大，土壤结构性越差有关。随着土壤分散率的增大，土壤结构性越差，越容易因径流的浸润作用而发生边壁崩塌进而拓宽沟道。但是，台地边坡沟道割裂度随着土壤分散率的增加而减小，这可能与分散率越大越容易被侵蚀而形成大规模沟道，从而使得降雨和径流更多的进入到已经形成的沟道中，一定程度上减少了沟道外围边坡的侵蚀，因此降雨和径流仅能使得边坡的沟道割裂度缓慢增大。相对而言，土壤分散率小的边坡不容易形成大规模沟道，因而在整个边坡上形成密布的细小沟道，相对而言，沟道的割裂度就大于土壤分散率大的边坡。因此，台地边坡沟道割裂度与土壤分散率成负相关关系，表现出随分散率增大而减小的趋势。

表6 沟道形态特征参数与土壤分散率的曲线拟合结果

3.4 台地边坡沟蚀发育形态特征的主要影响因子综合分析

对台地边坡沟蚀发育形态特征参数与上述土壤性质进行多元线性逐步回归分析（表7），结果表明沟道宽度和密度受非毛管孔隙度的影响显著，沟道割裂度受土壤分散率的影响明显，但沟道深度和截面积则受土壤性质的影响较弱。由此推断，非毛管孔隙度和分散率对台地边坡沟蚀发育的影响程度要强于容重、总孔隙度、毛管孔隙度和抗剪强度。出现这一现象可能与各土壤性质指标对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响方式不同有一定关系。

表7 沟道形态特征参数与土壤性质的多元线性回归分析结果

通过对表4－表6中拟合关系显著（<0.1）的方程进行综合对比分析发现，非毛管孔隙度对沟道宽度呈线性影响，而分散率对沟道宽度呈指数影响，且分散率对沟道宽度的影响程度弱于非毛管孔隙度，因而非毛管孔隙度是影响沟道宽度最重要的指标；沟道密度仅受非毛管孔隙度的影响较为显著，不受其他土壤性质指标的影响，因此对各土壤性质指标进行多元线性回归时沟道密度表现出受非毛管孔隙度的影响显著；沟道割裂度分别与非毛管孔隙度和分散率呈逆函数和幂函数关系，而分散率对沟道割裂度的影响强度高于非毛管孔隙度，加之沟道割裂度-分散率线性拟合结果显著（=0.034<0.05），因而沟道割裂度表现出受分散率的控制；沟道深度与各土壤性质的拟合关系在0.05水平上均不显著，因而在多元线性回归分析时表现为不受土壤性质的影响；此外，沟道截面积与非毛管孔隙度和黏聚力的拟合关系分别呈指数函数和三次函数关系，相互之间不存在多元线性关系，因而沟道截面积受土壤性质的影响较弱。

综上所述，土壤性质对台地边坡不同沟道发育特征参数的影响方式和影响程度有一定差异，某一项土壤性质指标可能仅影响台地边坡沟蚀发育的某一项或几项形态特征参数，即台地边坡的沟道发育是由土壤性质的各个方面综合作用的结果，且不同土壤性质指标在台地边坡沟蚀发育过程中的贡献大小也有较大差异。

4 讨 论

本文主要探讨了土壤理化性质和力学性质对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响，结果表明非毛管孔隙度、抗剪强度和分散率是影响台地边坡沟蚀发育形态特征的主要因素，同时探明了非毛管孔隙度、抗剪强度和分散率对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响方式和影响程度。然而，沟道侵蚀是一个受多种因素共同控制的复杂过程，除了受到土壤性质本身的影响外，还受到所在坡面边坡类型、植被状况、汇水状况、土地利用方式等因素的影响。例如，Rahmati等[30]认为土壤质地、地形条件、水文因子、土地利用及与道路之间的距离是影响沟道侵蚀的主要因素；Mukai[31]则认为影响沟道形态特征的主要因素是植被状况和土地利用方式；王磊[32]研究了元谋干热河谷陡坡细沟发育的控制因素，结果发现地形和土壤性质是影响干热河谷陡坡细沟发育形态的关键因素，且降雨、植被覆盖和人为干扰对细沟发育形态也有较大影响。此外，吴良超[33]研究发现，地面组成物质、降雨侵蚀力、植被类型与盖度和人为影响对黄土沟壑空间分异规律存在重要影响；李君兰等[34]也得到了类似结论，认为地形、土壤表面特征和土地管理等是影响细沟侵蚀的主要因素。尽管沟蚀发育受到多种因素的综合影响，但由于本研究主要关注干热河谷土地整理台地边坡沟蚀发育的影响因子，而在本研究区土地整理台地边坡的地形条件（坡度、坡长）大致相同，且基本都为闲置荒坡，从而使得本研究所涉及台地边坡的地形条件、植被状况、汇水状况及土地利用方式等相差不大。因而，在本研究中主要探讨了土壤性质对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响，而没有涉及其他因素的分析。但为了更为系统地探明影响土地整理台地边坡沟蚀发育的关键因子，笔者将在下一步研究中综合考虑土壤类型、边坡类型、植被状况、汇水状况和土地利用方式等因素对台地边坡沟蚀发育形态特征的影响。此外，由于台地边坡沟道侵蚀所引起的强烈水土流失，以及伴随发生的污染物质迁移都对下游河道产生较大的负面影响，因而，在后续的研究中，关注台地边坡沟蚀发育-溶质迁移的耦合作用机制也是重点之一。同时，台地边坡的沟蚀发育主要是在水力-重力的共同作用下发生的，研究台地边坡沟蚀发育过程中的水动力条件特征及土体的失稳过程特征，对从机理机制上认识台地边坡沟蚀发育过程也至关重要。针对上述内容的研究对充分认识台地边坡沟蚀发育影响因素，探明台地边坡沟蚀发育动力过程和机制，提出合理有效的沟蚀发育的防治措施意义重大，是进一步研究的重要方向。

5 结 论

1）非毛管孔隙度是影响台地边坡沟蚀发育形态特征的主要指标，对台地边坡沟蚀发育宽度、深度、截面积、密度以及割裂度均有显著影响（<0.1），但非毛管孔隙度对上述沟蚀发育参数的影响形式有较大差异。

2）抗剪强度仅对台地边坡沟道深度和截面积影响显著（<0.1），而对沟道宽度、密度和割裂度的影响甚微；分散率对台地边坡沟道宽度和割裂度的影响较为明显（<0.05），对沟道深度、截面积和密度无显著影响。

3）沟道宽度和密度均主要受非毛管孔隙度控制（<0.05），割裂度受分散率的影响最大（=0.034），而沟道深度和沟道截面积受土壤性质的影响相对较弱，亦即不同土壤性质对台地边坡不同沟道发育特征参数的影响方式和影响程度有一定差异。

[1] 钟祥浩. 干热河谷区生态系统退化及恢复与重建途径[J]. 长江流域资源与环境，2000，9(3)：376－383.

Zhong Xianghao. Degradation of ecosystem and ways of its rehabilitation and reconstruction in dry and hot valley[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2000, 9(3): 336－383. (in Chinese with English abstract)

[2] Yang D, Xiong D H, Zhang B J, et al. Effect of grass basal diameter on hydraulic properties and sediment yield processes in gully beds in the dry-hot valley region of Southwest China[J]. Catena, 2017, 152: 299－310.

[3] Dumbrovsky M, Sobotkova V, Sarapatka B, et al. Long-term improvement in surface water quality after land consolidation in a drinking water reservoir catchment[J]. Soil and Water Research, 2015, 10(1): 49－55.

[4] Celebi M, Saglam C, Duran A. The potential contribution of land consolidation to prevent wind erosion in turkey[J]. Fresenius Environmental Bulletin, 2015, 24(2): 429－437.

[5] 王智勇. 土地整理的土地质量和景观格局研究[D]. 郑州：河南农业大学，2009.

Wang Zhiyong. Research on the Land Quality and Landscape Pattern for Land Consolidation[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[6] Hammad A A, Haugen L E, Borresen T. Effects of stonewalled terracing techniques on soil-water conservation and wheat production under Mediterranean conditions[J]. Environmental Management, 2004, 34(5): 701－710.

[7] Kosulic O, Michalko R, Hula V. Recent artificial vineyard terraces as a refuge for rare and endangered spiders in a modern agricultural landscape[J]. Ecological Engineering, 2014, 68: 133－142.

[8] Gardner R A M, Gerrard A J. Runoff and soil erosion on cultivated rainfed terraces in the Middle Hills of Nepal[J]. Applied Geographyy, 2003, 23(1): 23－45.

[9] Sharda V N, Juyal G P, Singh P N. Hydrologic and sedimentologic behavior of a Conservation Bench Terrace system in a sub-humid climate[J]. T Asaee, 2002, 45(5): 1433－1441.

[10] Arnaez J, Lana-Renault N, Lasanta T, et al. Effects of farming terraces on hydrological and geomorphological processes. A review[J]. Catena, 2015, 128: 122－134.

[11] Arnaez J, Lasanta T, Errea M P, et al. Land abandonment, landscape evolution, and soil erosion in a spanish mediterranean mountain region: The case of camero viejo[J]. Land Degradation & Developmentt, 2011, 22(6): 537－550.

[12] Nadal-Romero E, Lasanta T, Garcia-Ruiz J M. Runoff and sediment yield from land under various uses in a Mediterranean mountain area: Long-term results from an experimental station[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2013, 38(4): 346－355.

[13] Mihara M. Effects of agricultural land consolidation on erosion processes in semi-mountainous paddy fields of Japan[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1996, 64(3): 237－247.

[14] Chartin C, Evrard O, Salvador-Blanes S, et al. Quantifying and modelling the impact of land consolidation and field borders on soil redistribution in agricultural landscapes (1954-2009)[J]. Catena, 2013, 110: 184－195.

[15] Zhang Q W, Li Y. Effectiveness assessment of soil conservation measures in reducing soil erosion in Baiquan County of Northeastern China by using Cs-137 techniques[J]. Environmental Science-Processes & Impacts, 2014, 16(6): 1480－1488.

[16] Zhang Y Q, Long Y, An J, et al. Spatial patterns of Cs-137 inventories and soil erosion from earth-banked terraces in the Yimeng Mountains, China[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2014, 136: 1－9.

[17] Su Z A, Xiong D H, Dong Y F, et al. Hydraulic properties of concentrated flow of a bank gully in the dry-hot valley region of southwest China[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2015, 40(10): 1351－1363.

[18] Su Z, Xiong D, Dong Y, et al. Simulated headward erosion of bank gullies in the Dry-hot Valley Region of southwest China[J]. Geomorphology, 2014, 204: 532－541.

[19] 沈海鸥. 黄土坡面细沟发育与形态特征研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2015.

Shen Hai’ou. Rill development and its morphological characteristics at loess hillslope[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[20] 张素，熊东红，杨丹，等. 干热河谷不同活跃度冲沟土体抗剪强度分异及理化性质[J]. 水土保持学报，2014，28(6)：124－129, 160.

Zhang Su, Xiong Donghong, Yang Dan, et al. Soil shear strength and its physical properties on different active degree type of gullies in dry-hot valley[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(6): 124－129, 160. (in Chinese with English abstract)

[21] 薛涛. 小流域土壤团聚体稳定性及空间变异特征研究[D]. 长沙：湖南农业大学，2010.

Xue Tao. Characteristics of aggregation stability and its spatial variability in the small watershed of South Hunan Province[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2010, (in Chinese with English abstract)

[22] 艾琴. 侵蚀黑土与非侵蚀黑土土壤持水性能及物理性质差异性研究[D]. 长春：吉林农业大学，2013.

Ai Qin. The Research About the Water Holding Capacity and the Difference in Physical Properties of the Eroded Black Soil and Non-Eroded Black Soil[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[23] 贾科利，常庆瑞，王占礼，等. 陕北坡耕地土壤侵蚀对土壤性质的影响研究[J]. 中国生态农业学报，2006，14(1)：96－99.

Jia Keli, Chang Qingrui, Wang Zhanli, et al. Effects of soil erosion on the soil properties in slope cropland of northern Shaanxi[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2006, 14(1): 96－99. (in Chinese with English abstract)

[24] 丁绍兰，王振，赵串串，等. 青海黄土丘陵区沟蚀侵蚀模数与其影响因子关系分析[J]. 干旱区资源与环境，2012，26(6)：60－65.

Ding Shaolan, Wang Zhen, Zhao Chuanchuan, et al. The relationship between the erosion modulus and the influence factors in the loess hilly and gully area[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2012, 26(6): 60－65. (in Chinese with English abstract)

[25] 胡婵娟，刘国华，郭雷，等. 土壤侵蚀对土壤理化性质及土壤微生物的影响[J]. 干旱区研究，2014，31(4)：702－708.

Hu Chanjuan, Liu Guohua, Guo Lei, et al. Effects of soil erosion on soil physicochemical properties and soil microorganisms[J]. Arid Zone Research, 2014, 31(4): 702－708. (in Chinese with English abstract)

[26] 孙泉忠，刘瑞禄，陈菊艳，等. 贵州省石漠化综合治理人工种草对土壤侵蚀的影响[J]. 水土保持学报，2013，27(4)：67－72，77.

Sun Quanzhong, Liu Ruilu, Chen Juyan, et al. Effect of planting grass on soil erosion in karst demonstration areas of rocky desertification integrated rehabilitation in Guizhou province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(4): 67－72,77. (in Chinese with English abstract)

[27] Gomez-Gutierrez A, Schnabel S, Juan De Sanjose J, et al. Exploring the relationships between gully erosion and hydrology in rangelands of SW Spain[J]. Zeitschrift Fur Geomorphologiee, 2012, 56: 27－44.

[28] Istanbulluoglu E, Bras R L, Flores-Cervantes H, et al. Implications of bank failures and fluvial erosion for gully development: Field observations and modeling[J]. Journal of Geophysical Research-Earth Surface, 2005, 110(F1): 1－21.

[29] 姚军. 黄土坡耕地土壤抗剪强度与侵蚀的关系研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2009.

Yao Jun. Relationship of soil shear strength and erosion of sloping cultivated land on Loess Plateau[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[30] Rahmati O, Tahmasebipour N, Haghizadeh A, et al. Evaluating the influence of geo-environmental factors on gully erosion in a semi-arid region of Iran: An integrated framework[J]. Science of the Total Environment, 2017, 579: 913－927.

[31] Mukai S. Gully erosion rates and analysis of determining factors: A case study from the semi-arid main ethiopian rift valley[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28(2): 602－615.

[32] 王磊. 元谋干热河谷陡坡细沟的形态特征和控制因素[D]. 南充：西华师范大学，2016. Wang Lei. The Morphology and Controlling Factors of Rills on Steep Slope in Yuanmou Dry-Hot Valley[D]. Nanchong: China West Normal University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[33] 吴良超. 基于DEM的黄土高原沟壑特征及其空间分异规律研究[D]. 西安：西北大学，2005.

Wu Liangchao. A Research on Gully Characteristics and Their Spatial Variance Based on DEM in the Loess Plateau[D]. Xi’an: Northwest university, 2005. (in Chinese with English abstract)

[34] 李君兰，蔡强国，孙莉英，等. 细沟侵蚀影响因素和临界条件研究进展[J]. 地理科学进展，2010，29(11)：1319－1325.

Li Junlan, Cai Qiangguo, Sun Liying, et al. Reviewing on factors and critical conditions of rill erosion[J]. Progress in Geography, 2010, 29(11): 1319－1325. (in Chinese with English abstract)

Impacts of soil physical-chemical and mechanical properties on gully erosion development on terrace slopes in dry-hot valley region

Yang Dan1,2, Xiong Donghong3,4, Liu Shoujiang1,2, Zhang Bin1,5

(1.637009,; 2.637009,; 3.,610041; 4.610041; 5.,637009,)

Gully erosion on land consolidation terrace slopes (LCTSs) is well developed in Jinsha Dry-hot valley region, and has caused serious soil losses. According to the field investigation, the soil erosion modulus caused by gully erosion on LCTSs can up to 8 000 t/(km2×a), which can lead continuous increase of sediment content in Jinsha River and its tributary rivers. Moreover, the development of gully erosion on LCTSs can severely destroy terrace land systems and hamper the exertion of ecological and economic benefits in the study area. In order to explore the key controlling factors of gully erosion development onLCTSs, and to find effective prevention and controlling measurements for gully erosion on LCTSs, a series of field investigations and laboratory measurements have been conducted between March and April 2016. Width, depth, sectional area, density and lacerate-degree of gullies in studied spots had been obtained by directly measuring and calculating based on related theoretical formula. In addition, bulk density, total porosity, capillary porosity, non-capillary porosity, shear strength (including cohesion and internal friction angle) and dispersion rate of studied soil samples were determined by conventional methods in soil science. On the basis of that, in this study, we analyzed the morphological characteristics of gullies on LCTSs, and explored the influence of soil physicochemical properties and mechanical properties on gully erosion development on LCTSs. The results showed that: 1) The non-capillary porosity was the major factor that affected the development of gully morphological characteristics on LCTSs. Non-capillary porosity had significant influence on width, depth, sectional area, density and lacerate-degree of gullies, while the impact manner and degree of non-capillary porosity on above-mentioned morphological characteristics were very different; 2) Soil shear strength only affected depth and sectional area of gullies, and had little influence on width, density and lacerate-degree of gullies on LCTSs. The impact manner of soil cohesion on depth and sectional area was similar, from which both fitting functions were cubic curves. In contrast, soil internal friction angle just affected the gullies’ depth, and a quadratic function can be found between soil internal friction angle and gullies’ depth; 3) Soil dispersion rate exerted obviously role in the changing of width and lacerate-degree of gullies, among which an exponential growth function can be found between gully width and soil dispersion rate, as well as a power function was built between lacerate-degree of gullies and soil dispersion rate. However, no significant influence had been detected for soil dispersion rate on depth, sectional area and density of gullies on LCTSs; 4) Width and density of gullies were mainly controlled by non-capillary porosity, and soil dispersion rate had more strong effect on lacerate-degree of gullies than other soil properties, while soil physicochemical properties and mechanical properties only had very slightly effect on the depth and sectional area of gullies on LCTSs. According to the above-mentioned analysis, it can be found that the impact manner and degree of soil properties on different morphological characteristics of gullies on LCTSs were very different, and different soil properties also had differential contribution in the development processes of gullies on LCTSs.

soils; erosion; land consolidation; gully erosion; morphological characteristics; dry-hot valley region

2017-10-20

2018-02-02

国家重点基础研究发展计划资助项目课题（2015CB452704）；西华师范大学博士科研启动项目（412655）；四川省教育厅重点项目资助（17AZ0373）；西华师范大学英才科研基金资助（2017YC114）

杨 丹，讲师，博士，主要从事土壤侵蚀与植被恢复、水土保持等方面研究。Email：danyang_mh@cwnu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.020

TV14

A

1002-6819(2018)-04-0170-07

杨 丹，熊东红，刘守江，张 斌. 土壤理化及力学性质对干热河谷台地边坡沟蚀发育的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(4)：170－176.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.020 http://www.tcsae.org

Yang Dan, Xiong Donghong, Liu Shoujiang, Zhang Bin. Impacts of soil physical-chemical and mechanical properties on gully erosion development on terrace slopes in dry-hot valley region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 170－176. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.020 http://www.tcsae.org