杨昕
, 12 , 3 , 汤国安
1 , 2 , 3 , 袁宝印
4 , 刘海龙
1 , 2 , 3 , 黄骁力
1 , 2 , 3 , 5 , 李晨瑞
1 , 2 , 3 1.南京师范大学地理科学学院,南京210023 2.虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学),南京 210023 3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京210023 4.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029 5.滁州学院地理信息与旅游学院,滁州 239000 Characteristics and development process of spoon-shaped gully in the Loess Plateau YANG Xin
, 12 , 3 , TANG Guoan
1 , 2 , 3 , YUAN Baoyin
4 , LIU Hailong
1 , 2 , 3 , HUANG Xiaoli
1 , 2 , 3 , 5 , LI Chenrui
1 , 2 , 3 1. School of Geography, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China 2. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment (Nanjing Normal University), Ministry of Education, Nanjing 210023, China 3. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China 4. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China 5. College of Geographic Information and Tourism, Chuzhou University, Chuzhou 239000, Anhui China 通讯作者: 杨昕（1976-）,女,陕西西安人,博士,教授,博士生导师,主要从事数字地形分析和空间分析研究。E-mail: xxinyang@njnu.edu.cn 收稿日期: 2020-07-30
接受日期: 2021-02-19
网络出版日期: 2021-07-10
基金资助: 国家自然科学基金项目 .41930102 国家自然科学基金项目 .41771415
Received: 2020-07-30
Accepted: 2021-02-19
Online: 2021-07-10
摘要 沟谷是黄土高原物质交换最频繁,形态变化最剧烈的区域。在内外营力的共同作用下,不同发育阶段的各类沟谷塑造了黄土高原“千沟万壑”的独特地貌景观。在黄土高原沟壑系统中,广泛分布着一类特殊的黄土勺状沟壑,目前对其成因、发育过程与机理以及空间分布特征等的认知明显不足。本文以高分辨率遥感影像和DEM数据作为数据源,在大量野外调查和专家知识的基础上,首先提出了黄土勺状沟壑的概念,指出黄土勺状沟壑是独立发育于黄土坡面上的永久性沟谷。其次,从沟壑形态、汇流关系、侵蚀过程、分布特征等方面分析了黄土勺状沟壑区别于其他已有沟壑的特点。进而,从发育形态、发育规模、发育部位等角度对黄土勺状沟壑进行了分类,深化了对勺状沟壑的认识。再次,基于空代时理论,定量分析了黄土勺状沟壑发育过程的形态演变特征,进一步探讨了黄土勺状沟壑发育过程,论证了黄土勺状沟壑是黄土切沟的初期阶段。最后,在系统梳理总结勺状沟壑的特征及分类的基础上,提出了黄土勺状沟壑的发育过程设想,指出勺状沟壑的形成离不开黄土陷穴和暗穴的生成和发育,勺状沟壑的进一步发育伴随着水力侵蚀和重力侵蚀过程。勺沟尾部变细甚至消失,不能发育成更大规模的切沟,与地下暗穴、黄土渗透率、降雨条件以及地表覆盖有关。本文成果期望为进一步完善黄土沟谷地貌发育和侵蚀过程与机理等认识做出贡献,同时对黄土高原水土保持工作提供参考。 关键词： 黄土勺状沟壑 ;
发育模式 ;
空代时 ;
黄土高原 Abstract Gully is characterized by the frequent material exchanges and strong morphological changes in the Loess Plateau. Under the combined action of internal and external forces, various kinds of gullies in different development stages have shaped the unique geomorphologic landscape in the Loess Plateau. And a special loess gully, namely, the spoon-shaped gully is widely distributed in this plateau. At present, there is limited research on its formation, development process, mechanism, and spatial distribution characteristics. Using high-resolution remote sensing images and DEM data, and based on the sufficient field investigation and expert knowledge, this paper put forward the concept of loess spoon-shaped gully, and pointed out that the loess spoon-shaped gully is a kind of permanent discontinuous gully independently developed on the loess slope. Then, the characteristics of loess spoon-shaped gully were analyzed from the aspects of gully shape, confluence relationship, erosion process, and distribution characteristics, which were different from other existing gullies. Furthermore, the loess spoon-shaped gully was classified from the perspectives of development morphology, development scale and development location. Based on the space-for-time substitution theory, the morphological evolution characteristics of the spoon-shaped gully were analyzed quantitatively, and the development process of loess spoon-shaped gully was further discussed. It was proved that loess spoon-shaped gully was the initial stage of loess bank gully. Finally, on the basis of systematical summary on the characteristics of spoon-shaped gullies, the development process of spoon-shaped gullies was deduced, and it was pointed out that the formation of spoon-shaped gullies was closely related to the formation and development of loess sinkholes and dark caves. The further development was accompanied by the process of hydraulic erosion and gravity erosion. The reason for the shrinkage or the disappearence of the tail of the spoon-shaped gully can be attribute to the underground caves, loess permeability, rainfall conditions and surface cover. The results of this paper are expected to contribute to the further understanding of the landform development, erosion process and mechanism of the loess gully, and to provide references for soil and water conservation in the Loess Plateau. Keywords： loess spoon-shaped gully ;
development pattern ;
space-for-time substitution ;
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Bibtex 收藏本文 本文引用格式 杨昕, 汤国安, 袁宝印, 刘海龙, 黄骁力, 李晨瑞. 黄土高原勺状沟壑特征及发育过程.
地理研究 [J], 2021, 40(7): 1870-1886 doi:10.11821/dlyj020200727
YANG Xin, TANG Guoan, YUAN Baoyin, LIU Hailong, HUANG Xiaoli, LI Chenrui.
Characteristics and development process of spoon-shaped gully in the Loess Plateau .
Geographical Research [J], 2021, 40(7): 1870-1886 doi:10.11821/dlyj020200727
1 引言 中国的黄土高原地区是全球最具有地学研究价值的地理区域之一,以连续分布的巨厚黄土地层、典型的黄土地貌特征、显著的沟壑侵蚀特征而出名
[1 ] ,也是中国水土流失最严重的地区之一。黄土高原千沟万壑的地理景观是黄土地貌最为标志性的特征之一。除地壳抬升,河流下切,溯源侵蚀所形成的河谷之外,大多数的黄土沟壑是在稳定的区域侵蚀基准面上。在气候变化的影响下以及不断以黄土侵蚀和黄土堆积为主导作用的相互交替过程中,形成了不同发育阶段和不同发育规模的黄土细沟、浅沟、切沟、干沟（坳沟）以及河沟,由这些不同发育规模的沟壑组成了黄土高原沟壑系统。
不论是细沟、浅沟等临时性沟谷,还是切沟、冲沟、河沟等永久性沟谷,前人都做了大量的研究,涉及沟谷的定义
[2 ,3 ,4 ,5 ,6 ] 、形态特征
[7 ,8 ,9 ,10 ,11 ,12 ,13 ] 、发育过程
[14 ,15 ,16 ,17 ,18 ,19 ,20 ,21 ] 、侵蚀模拟与预测
[22 ,23 ,24 ,25 ,26 ,27 ,28 ] 等各个方面。对于黄土沟谷的形成、发育演化以及侵蚀特征等已有深入的理解和认识。然而,在野外考察中,发现一类特殊的沟谷,与通常认识的沟谷既相似又不同。这种沟大多独立发育在黄土坡面上,其发育规模类似于切沟,却又和普通切沟从沟头到沟尾沟宽和沟深逐渐增大不一样,沟体从上到下逐渐变窄、变浅甚至消失于坡面上,与其他沟谷没有明显的联系,整体形态上大下小,俯视看像个勺子,当地人形象的称之为“勺状沟壑”,简称为“勺沟”（见
图1 ）。通过与前人有关沟壑的分类和定义对比,均未有对此类沟壑的描述。而勺状沟壑作为黄土高原中广泛存在的一类沟,有其产生、形成和发展的特殊性,对其不表达,将是黄土高原沟谷地貌研究中的重要缺失。目前,对黄土勺状沟壑的认识还非常粗浅,对勺状沟壑的形成原因、发育机理以及空间分布特征等问题尚不清楚。本文在野外考察、数据采集与分析、文献分析、专家咨询等手段基础上,系统梳理勺状沟壑的特征、分类、发育机理,基于空代时理论探索勺状沟壑发育过程,期望为进一步完善黄土沟谷地貌发育和侵蚀过程与机理等认识做出贡献。
图1 新窗口打开 |
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生成PPT 图1勺状沟壑示意 Fig. 1Schematic diagram of the spoon-shaped gully 2 黄土勺状沟壑的野外调查与数据获取 作者于2016年在山西偏关县对黄土地貌的野外考察中,首次注意到了黄土勺状沟壑,之后在内蒙和林格尔县内也发现有不少的勺状沟壑。初步调查发现勺状沟壑在有些地区大量出现,有些地区零星出现甚至没有,因此对勺状沟壑的全面认识离不开野外调查。然而,黄土高原范围辽阔,实现整个黄土高原勺沟野外调查工作不切实际。因而提出了基于谷歌地球（Google Earth）高分影像的勺沟分布状况调查方法,在获取勺沟分布位置的基础上,再对重点地区进行野外调查和数据采集工作。
2.1 基于谷歌高分影像的勺沟标识 基于野外调查对勺沟的初步认识,结合勺沟在高分影像上的特征,建立勺状沟壑的判别标准：① 独立于坡面,属于永久性沟壑。② 具有头大、身宽、尾细的形态特征,总体形态可以是勺状、掌状或分叉状。③ 与其他沟谷没有明显的汇流关系,沟尾消失于坡面或逐渐变细。④ 位于坡面顶部或者中部。⑤ 有明显的沟沿线。
在谷歌影像识别出勺沟后,在勺沟的中心位置添加标识点。为了使识别工作完整有序,在整个黄土高原地区制作了渔网型调查单元,生成长度为60.8km的正方形格网,去除和研究区没有交集的格网后,总共有124个单元,并给每个单元进行了编号。勺沟的识别逐单元开展,历时三个半月完成识别工作,共得到4077个勺状沟壑位置点,如
图2 所示。
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生成PPT 图2勺状沟壑点位置 Fig. 2Location of the spoon-shaped gully points 2.2 野外踏勘与数据采集 依据室内勺沟标识的结果,选择勺沟分布密集的陕西靖边县、青海西宁市、山西偏关县和宁夏固原市作为野外实地验证和数据采集的重点样区。野外踏勘主要验证基于影像识别的勺沟在实地中是否存在,
图3 为作者们在野外工作时的照片。
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生成PPT 图3野外调查及工作实景照片 Fig. 3The field investigation and work photos 野外高精度数据采集是通过摄影测量方法,建立实地的高精度DEM数据,对比查看勺沟形状、位置与谷歌地球影像中的匹配程度,进一步验证基于影像数据采集勺沟的可靠性。作者在青海西宁和陕西靖边两个样区坡面进行了无人机（DJI大疆“悟Inspire2”）摄影测量数据采集。内业处理使用Pix4D和CloudCompare软件,经过滤波处理算法结合人工修正去除植被,最终对获得的地面点云数据进行插值,生成0.5m分辨率的DEM数据。最后通过对比Google影像和无人拍摄的影像及DEM（
图4 ,见第1874页）,证实从谷歌影像中人工解译勺状沟壑是可行的。
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生成PPT 图4Google Earth中识别的勺沟和野外航测的勺沟对比 Fig. 4The spoon-shaped gullies in Google Earth images and aerial images and measurement 3 黄土勺状沟壑的概念及特点 黄土勺状沟壑是指外表呈勺状、掌状或分叉状且独立发育于黄土坡面上部或中部的永久性不连续沟谷。野外调查显示,勺状沟壑通常独立地发育在黄土坡面上,沟头位置多数因为黄土陷穴的塌陷呈现弧形形态,沿主沟道方向从沟头到沟尾,沟壑宽度逐渐变小,部分直接消失于黄土坡面上。与已有的沟壑类型对比（
表1 ,见第1874页）,勺状沟壑属于永久性沟壑,即一般的耕作不能使其消失;从发育规模上看,勺沟规模接近于切沟,一些大型勺沟甚至达到了冲沟的规模。然而,从发育形态,与其他沟谷的关系等方面又与切沟和冲沟有着明显的差别,其基本特征总结如下：
Tab. 1 表1 表1 勺沟与其他沟谷的特征对比
Tab. 1
The characteristic comparison between spoon gully and other types of gully 沟谷类型/连续性 发育 汇水 长度/宽度 轮廓形态 横剖面 纵坡面形态 勺沟/不连续 坡面中 无明显汇水关系 十几米至百余米,最长达数百米/数米至十余米 上宽下窄, 宽浅V型 基本沿坡面方向延伸,沟头附近多陡坎、跌水 浅沟/连续 坡面中 汇入切沟或冲沟 数米至数十米/1m左右 形态均匀, 浅V型 基本沿坡面方向延伸 切沟/连续 坡面中 汇入冲沟 十几米至数十米/数米至十余米 上窄下宽, 尖V型 大体沿坡面方向延伸,沟床多陡坎、跌水 冲沟/连续 沟道中 汇入河沟或河流 数公里至数十公里/数十米 上窄下宽 深V型或 与坡面方向明显不一致
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下载CSV （1）特殊的沟壑类型。在现存的黄土沟壑系统中,勺状沟壑既不是产生于谷缘线,直立于陡崖上、外形犹如悬挂在陡崖上的半个竹筒、深度宽度可由数厘米至1m、2 m的“悬沟”
[2 ,10 ,29 ] ,也不是隐伏于地下的呈断续状延伸、表面有串珠状陷穴出露的“盲沟”
[30 ,31 ] ,更不是发育于塬面,形态狭长的巷沟
[32 ] 。一般沟壑形态均从上游到下游沟体逐渐增大,而勺状沟壑沟体则逐渐减小,在沟壑形态上表现为反序列变化。
（2）模糊的汇流关系。黄土沟壑系统中沟壑的汇流关系一般表现为诸如浅沟汇入切沟或冲沟,切沟汇入冲沟等由低一级沟谷汇入高一级沟谷或者小型沟壑汇入大型沟壑的特性
[33 ] 57 。对于勺状沟壑而言,或者沟尾逐渐变细,汇入大型切沟或冲沟,或者沟尾直接消失于坡面上,和其他沟壑完全没有关系,因此,黄土勺状沟壑无法看到明显的汇流关系。
（3）复杂的侵蚀过程。调查结果显示,勺状沟壑形成的过程与沟道侵蚀和土壤潜蚀紧密相关,部分勺沟沟尾发现地下暗穴的痕迹。此外,勺沟的形成和发展也离不开重力侵蚀。因此,勺状沟壑的侵蚀过程是多种因素综合作用的结果。
（4）显著的区域差异。黄土高原勺沟分布调查结果显示,勺沟不是布满整个黄土高原,且分布也极不均匀。在黄土高原东南部山地区域零散分布,而在宁夏固原、山西神池、内蒙和林格尔、青海西宁、陕西靖边等地区则密集分布,约有大于30%的坡面上有勺沟出现。除了勺沟的发育数量和密集程度不同之外,勺沟的发育形态和发育规模也不尽相同。如西宁市附近的勺沟多呈现细而长的特征,和林格尔县的勺沟多表现为宽而浅;固原市周边区域的勺沟发育规模较小,而山西神池县则发育了不同大小规模的勺沟。由此可见,勺沟的密度、形态等特征具有显著的区域差异性。
4 黄土勺状沟壑类型 为了进一步认识勺沟的特征,依据勺状沟壑发育的坡面部位、发育规模、发育形态以及沟尾的汇流关系,对勺状沟壑进行了分类（见
表2 ）。
Tab. 2 表2 表2 黄土勺状沟壑的类型
Tab. 2
The type of loess spoon-shaped gully 分类依据 类型 说明 图示 发育坡面部位 高位型 勺沟沟头接近或到达坡面的顶端 中位型 勺沟发育于坡面中间的位置 发育规模 大型 面积>10000m2 ,长度>100m,见图c 中型 面积在1000m2 ~10000m2 之间 小型 面积<1000m2 ,长度<50m,见图d 发育形态 宽型 宽度一般≥10m,见图a,图g 窄型 宽度一般<10m,见图b,图d 浅型 深度米级,一般2~5m左右,见图f 深型 深度>10m,见图c 分叉型 沟头出现2~3个分叉,只有一级分支,规模不大,见图f 分枝型 树枝型结构,出现多级分支,规模较大,见图e 沟尾类型 无沟谷连接型 勺状沟壑独立于坡面中,沟尾没有沟谷相连,见图b,图d,图e,图f 有沟谷连接型 沟尾有浅沟相连,见图a,图c,图g 有陷穴型 沟尾出现明显的陷穴,见图h出现串珠状陷穴
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下载CSV 勺状沟壑均发育于坡面的顶部和中部,底部基本没有。如青海省西宁市、山西省神池县等勺沟发育密集地区均出现了发育在坡面顶部的勺沟。在宁夏固原市、陕西靖边县均出现了发育在坡面中部的勺沟。
勺状沟壑虽然属于永久性沟谷发育的早期阶段,但是受土壤、地形、降雨、植被等环境因素以及自身发育时间的影响,勺沟发育规模差异巨大。大型勺沟的面积均在10000 m
2 以上。
表2 图c中,大型勺沟位于宁夏固原,沟头至沟尾几乎贯穿整个坡面,沟尾接近冲沟的底部,沟长484.5 m,面积为35899.1 m
2 ,属于大型勺沟。
表2 图d中,勺沟位于坡面顶部,沟尾在坡面中部直接消失不见,长度从左至右分别为31.5 m、34.8 m、26.3 m,面积分别为205.9 m
2 、232.1 m
2 、136.4 m
2 ,属于面积较小的小型勺沟。
勺沟一般呈现上大下小的形态,沟头到沟尾逐渐变窄,整体形状类似勺子,但由于发育过程的复杂性、发育时间的长短不同,以及内营力和外营力的综合影响,导致勺沟呈现出多种多样的形态特征,可分为典型形态（勺子形态）和非典型形态,其中非典型形态包括分枝型和分叉型（
表2 图e、图f）;依据沟的宽度又可分为宽沟型（
表2 图a中勺沟宽度为36.7 m）和窄沟型（
表2 图d中,勺沟宽度较小者为3 m）;依据勺沟沟深的不同,可分为深沟型和浅沟型（
表2 图g中,勺沟深度较大者为17.6 m,深度较小者只有1.2 m）。可见,勺沟形态特征差异明显。但无论勺沟呈现何种形态,均具有上大下小,独立于坡面的共性。
勺沟的沟尾可以分为无沟谷连接型即尾部变小变浅完全消失于坡面（如
表2 图b,图d,图e,图f）、有沟谷连接型即尾部出现类似于浅沟的小尾巴（如
表2 图a,图c,图g）以及尾部有陷穴（如
表2 图h）等类型。勺沟尾部不能像切沟那样变宽变深,而是逐渐变窄变浅甚至在坡面上消失,勺沟尾部形成的模式主要有两类。
第一种模式对应于尾部有陷穴的情况。勺沟侵蚀在坡面上能量变弱的主要原因是有地下暗穴连接更高级的沟谷,物质能量从暗穴输送,导致坡面侵蚀力减弱。野外调查发现有些黄土勺状沟壑的沟尾以及沟尾下方位置发育有规模大小不一的黄土陷穴,这些黄土陷穴与地下暗穴相连通,坡面流水通过地下暗穴汇入高一级沟谷。
第二种模式对应于尾部没有陷穴或者尾部有类似浅沟的小尾巴的情况。野外调查发现,大量的勺沟底部并不存在陷穴与暗穴,勺沟尾部侵蚀力降低的原因是由于降雨对地表的侵蚀力小于黄土渗透系数
[34 ] 导致。一般情况下降雨前期的雨水均下渗到地下,然而黄土下渗是一个渐进的过程,当降雨强度很大时,由于下渗缓慢,产生超渗产流,线状流水开始侵蚀坡面,坡面上的松软物质被流水搬运,流水从沟头流向沟尾的时候携带了大量地表物质,导致向下流的速度减慢,由于强降雨历史较短,而黄土下渗率较大导致流水对地表的侵蚀力逐渐减小,同时雨水对沟道的侧蚀作用也越来越小,因此沟身逐渐变窄,少量流水最终汇入高一级沟谷,勺沟沟尾在形态上类似于一条“小尾巴”。
5 黄土勺状沟壑的形态演变与发育过程分析 5.1 基于空代时理论的黄土勺状沟壑的形态演变过程分析 在地貌学中,空代时是指通过比较不同发育年龄及不同发育阶段的相似地貌体,推测地貌的长期演化过程。其认为在特定环境条件下,对空间过程的研究和对时间过程的研究是等价的。在缺乏足够的时间序列数据支撑下,可以认为地貌空间集合体能够代表地貌体演化的时间序列。空代时方法首先被用来研究流域盆地与坡地演化发育序列的重建,之后,前人陆续从流域系统
[35 ,36 ,37 ,38 ,39 ,40 ,41 ] 、坡地发育及构造地貌
[42 ,43 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ] 、侵蚀地貌
[49 ,50 ] 等角度开展空代时研究。
沟谷的发育是一个长时间序列的发展的结果,短则十几年多则上万年。由于无法获得沟谷发育的完整时间序列,使得对沟谷发育过程的再现困难重重。本文借鉴前人成果,引入空代时理论,利用相同环境下不同发育规模的勺沟代表着不同发育阶段,并对其进行排序,通过量化形态特征,进一步认识勺沟的发育规律。
5.1.1 黄土勺状沟壑空代时序列 发育程度不同的地貌体之所以能够代表不同的发育阶段,一个重要的前提条件是他们的发育环境是相同的或者相似的,这也是空代时理论的前提。因此,本文在野外调查的基础上,遴选出了陕西省靖边县的实验区,同一坡面上发育了不同的规模的黄土勺状沟壑,这些发育不同规模的沟谷,虽然不具有空间上的差异性,但是可以认为在相同的发育环境下,不同的的发育规模代表着不同的发育阶段。Micallef等
[38 ] 利用空代时的方法研究海岸中的海沟的发育过程,以主沟谷长度为依据对海沟排序,代表不同的发育阶段。本文借鉴该方法依据主沟道长度对上述勺沟进行排序和编号,如
图5 所示。其中,最小沟道G1长度为19.96 m,最大沟道G6长度为180.46 m,图中颜色从红色到蓝色代表高程的降低,6条勺状沟壑从整体形态来看,符合空代时理论对于坡面尺度数据的要求
[33 ] ,适合利用空代时理论对其进行时空演替特征分析。
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生成PPT 图5陕西靖边样区勺状沟壑排序结果 Fig. 5Sorting results of spoon-shaped gully in Jingbian sample areas, Shaanxi 5.1.2 黄土勺状沟壑发育形态指标 参考前人研究
[33 ,38 ,51 ] ,为了更加全面、综合、有效地反应黄土勺状沟壑发育过程中的形态变化特征,选取以下量化指标,如
表3 所示。
Tab. 3 表3 表3 勺状沟壑发育形态指标因子
Tab. 3
The morphological indices of spoon-shaped gully 因子名称 含义 沟道长度 指勺状沟壑的主沟道长度,即勺沟网络中长度最长、级别最高的一级沟谷长度 沟道宽度 指沿主沟道方向以一定间距做主沟道的垂线,取被沟沿线截取垂线的最大值 沟道深度 指主沟道位置处侵蚀前和侵蚀后的最大高程差 沟道面积 指沟道在水平面上的投影面积 侵蚀体积 指整个沟谷范围内侵蚀前后的土壤体积 开析度 指沟道宽度和沟道深度的比值,反映的是勺状沟壑的张开程度,划分标准是：开析型K≥2.61;半开析型K≥1.32且K<2.61;深切型K<1.32 延展度 指沟道宽度和沟道长度的比值,反映的是沿坡面法线方向勺状沟壑外接矩形的长宽比例,根据黄金律比例标准进行划分：细长型：F<0.618;黄金律型：F=0.618;粗短型：F>0.618,同时该指标也能间接反映勺状沟壑尾部堆积类型 沟谷坡面变率 指沟头与沟尾的高程差与沟道长度的比值
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下载CSV 5.1.3 黄土勺状沟壑发育特征分析
表4 为各阶段勺沟形态量化指标计算结果。可以看出,沟道长度、沟道宽度、沟道面积、侵蚀体积等指标均随着勺沟的发育而增大。对于沟道深度而言,除了5号勺状沟壑出现异常外,其它勺沟深度也逐渐增大。就开析度而言,若沟谷下切程度较深,则其开析度较小。相反下切程度较小的沟谷,其对应的开析度较大。6条勺沟均属于半开析型,除了G1外,随着勺沟的进一步发育,开析度指标逐渐增大,表明勺沟下切程度逐渐增大。所有勺沟的延展度指标均较小,属于细长型,与普通切沟相差较大。
Tab. 4 表4 表4 陕西靖边样区勺状沟壑形态指标结果
Tab. 4
Morphological indices of spoon-shaped gully in Jingbian sample areas, Shaanxi 指标名称 G1 G2 G3 G4 G5 G6 沟道长度(m) 19.96 63.15 98.13 101.64 138.24 180.46 沟道宽度(m) 7.31 14.57 13.82 16.04 19.72 38.23 沟道深度(m) 3.18 7.65 8.74 8.91 7.64 17.60 沟道面积(m2 ) 107.47 774.04 976.79 1145.23 1856.70 4383.98 侵蚀体积(m3 ) 105.97 6549.31 6729.06 13239.78 16861.33 87240.42 开析度 2.30 1.90 1.58 1.80 2.58 2.17 延展度 0.37 0.23 0.14 0.16 0.14 0.21 沟谷坡面变率 0.34 0.42 0.34 0.30 0.26 0.26
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下载CSV 以沟道长度为基准,分析其他指标与沟道长度的相关性,结果如
图6 （见第1879页）所示。
图6 （见第1879页）显示,沟道宽度、沟道深度、沟道面积和侵蚀体积均随着沟道长度的增加而增加,其中沟道宽度、沟道深度、沟道面积和侵蚀体积与沟道长度呈较强的指数增长关系。实验结果表明,勺沟与一般沟谷发育模式吻合
[52 ] ,也即沟谷侵蚀存在横向的侧蚀作用和纵向的下切作用,导致沟谷的宽度及深度均不断增加,进而使沟谷侵蚀量增加。
图6 新窗口打开 |
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生成PPT 图6沟长与其它指标相关关系 Fig. 6Correlation between gully length and other indexes 延展度和沟谷坡面变率均随着沟长的增加而减小。其中延展度与沟长呈递减的对数函数关系,沟谷坡面变率与沟长呈指数递减关系,说明勺沟是永久性沟谷发育的初始阶段,以沟谷长度增加最为迅速,侧蚀作用引起的沟谷变宽速度较慢。
前人研究证实,黄土切沟侵蚀体积与沟道长度以及沟道面积之间存在着幂函数关系
[53 ,54 ,55 ,56 ] ,因此可以用沟道长度或沟道面积来估算沟壑侵蚀量。本文勺状沟壑的沟道面积和沟壑侵蚀体积进行了回归分析,以幂函数进行拟合,得到回归方程
y =0.0289
x 1.8008 ,决定系数为0.9839,如
图7 （见第1880页）所示。结果表明黄土勺状沟壑侵蚀体积与侵蚀面积有较强的幂函数关系,与切沟相同。因此,判断勺沟可归属于切沟,但是属于较为特殊的一类,是切沟发育过程中的初始发育阶段。
图7 新窗口打开 |
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生成PPT 图7黄土勺状沟壑面积与侵蚀量关系 Fig. 7The relationship between the area and erosion amount of spoon-shaped gully 5.2 黄土勺状沟壑发育过程机理 黄土勺状沟壑的形成及发育是由气候、土壤、植被等外营力因素和地质、地貌等内营力因素综合作用的结果。基于野外调查及专家咨询,对比已有沟谷研究成果,对勺状沟壑发育过程进行了设想,主要分为勺沟的形成、发展以及溯源侵蚀三个部分。
5.2.1 黄土勺状沟壑的形成及初始发育阶段 黄土勺状沟壑的形成主要由黄土陷穴及暗穴等重力侵蚀而来。在黄土高原地区,分布有大量的黄土洞穴
[57 ] 。由勺状沟壑分布（
图2 ）可知,大部分黄土勺状沟壑分布在黄土高原西部及北部边缘地带,这些区域降雨量少,黄土颗粒以沙黄土和绵黄土为主,湿陷性强,易发生黄土潜蚀作用,因此形成了大量的黄土洞穴。通过对黄土勺状沟壑密集区域（包括安塞纸坊沟、环县鸳鸯沟、环县掌沟、吴起高窑子沟、志丹韩柳沟及西宁和靖边样区）进行野外调查,发现部分黄土勺状沟壑的沟尾总是伴随着陷穴和暗穴的出现。
黄土暗穴是一种由于水力侵蚀作用形成的潜伏于地表以下、接近水平或有较小倾角的黄土洞穴,在地表以下有一定延伸长度;黄土陷穴是由于重力侵蚀作用而形成的一种在地表可见的黄土洞穴。两种黄土洞穴类型紧密相关,黄土暗穴可以发育成为黄土陷穴,黄土暗穴在水力侵蚀作用下下切和侧蚀,上覆土体由于重力作用塌陷,导致黄土暗穴在地表可见,形成黄土陷穴。同时,陷穴除了单独存在的形式以外,还往往作为暗穴的出口及入口存在,控制着黄土洞穴的发育进程（见
图8 ）。
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生成PPT 图8黄土陷穴及暗穴示意 注：该图引用文献[
33 ]66。
Fig. 8Schematic diagram of loess cave and dark cave 基于无人机摄影测量方法,获得了陕西省靖边县研究样区的高分辨率DEM数据。对坡面上的勺沟绘制了主沟道剖面线L1~L4,如
图9 所示。根据
图9 b~
图9 e可知,四条纵剖面线中被红线圈中的地方对应的高程发生了突然下降,表明在黄土勺状沟壑发育的过程中,黄土陷穴和黄土暗穴的重力崩塌导致的侵蚀量突然增加,进一步加剧了黄土勺状沟壑向下游的侵蚀。4条纵剖面线中,高程发生突变的部位均靠近沟头位置,说明黄土勺状沟壑发育过程中,因黄土陷穴和黄土暗穴重力侵蚀导致的沟深突变出现在勺状沟壑发育的前期过程中,进一步证实了黄土勺状沟壑是由黄土陷穴及暗穴而来。
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生成PPT 图9黄土勺状沟壑纵剖面示意图（陕西靖边） Fig. 9Diagrammatic profile of loess spoon-shaped gully in Jingbian of Shaanxi province 因此,推断出黄土陷穴和黄土暗穴发育为勺沟的过程如下：
第一,降雨到达黄土坡面后,在地表形成地表径流,线状流水集中到一定程度后,对地表的侵蚀能力得到加强,在土质松软的地方物质被大量搬走,出现流水侵蚀形成的水涮窝（水涮窝是指沟头、沟谷陡壁和各种跌水或堤埂上面,呈直立的半圆筒状凹槽,它是由坡面股流在下泻过程中有一小部分沿陡壁成跌水流动,在抗冲性较弱的部位发生的淘刷、舐蚀作用所形成的
[58 ] ）,或者降雨在黄土坡面上下渗,溶解了部分黄土中的易溶物质,导致黄土坡面上产生了陷穴。
第二,水涮窝或者陷穴上方形成跌水,跌水不断向上方移动,水涮窝和陷穴不断加深,陡坎加高,同时沟道以侧向的旁蚀为主,使水涮窝和陷穴进一步扩大。
第三,随着流水侵蚀、重力侵蚀以及潜蚀作用的不断加剧,沟道的长度、宽度和深度等几何形态均不断扩大,由于沟底发育的陷穴在坡底形成出口,导致降雨形成的流水通过黄土暗穴以地下径流的形式转移至坡底,同时,地下流水对暗穴的侧蚀和下蚀作用进一步加剧。
第四,随着潜蚀作用的加剧,黄土陷穴至坡底出水口之间的黄土暗穴由于承受不住上覆黄土的重力而发生崩塌,从而形成了勺状沟壑的初始形态。
5.2.2 黄土勺状沟壑的进一步发育 黄土勺沟在经过前期黄土陷穴和黄土暗穴的重力侵蚀后,沟道长度、沟道宽度和沟道深度均出现了不同程度的增加,形成了初始的勺状沟壑形态。
之后,侵蚀方式由重力侵蚀和水力侵蚀综合作用转变为水力侵蚀为主。由于黄土勺沟大部分分布在黄土高原的西部及西北边缘,这些地区降雨量小,黄土类型以沙黄土和绵黄土为主,两种黄土类型相对于其它黄土类型土质疏松、渗透系数较大,经过强降雨产生的地表径流对地表物质的搬运,导致勺沟沿坡面向下游继续侵蚀,同时沟道长度、沟道宽度和沟道深度进一步增加。
在向下游侵蚀的过程中,如果降雨量较小,雨水全部下渗到黄土中,无法形成地表径流,对地表物质没有搬运作用,但如果出现持续时间较短的强降雨,则会出现超渗产流的情况,因此形成地表径流。由于黄土渗透系数较大的原因,导致地表径流在因重力作用向下流的过程中,对地表物质的搬运作用越来越小,同时在搬运的过程中,从沟道至沟尾,径流中搬运的物质逐渐堆积,从而形成勺状沟壑“头大、身宽、尾细”的形态特征,在野外调查时也发现有些勺沟存在水力侵蚀引起的黄土堆积现象。但如果遇到降雨强度更大的暴雨,地表径流携带的水沙等物质并没有完全沉积在坡面上,有一部分径流沿着坡面方向向下汇入上一级沟谷,因此有些勺状沟壑沟尾形成了一条细细的“小尾巴”（如
图9 a所示）。
5.2.3 黄土勺状沟壑的溯源侵蚀 溯源侵蚀是黄土高原目前最活跃的沟谷发育方式
[3 ] ,主要的侵蚀位置是沟头,侵蚀方式以滑塌、崩塌和潜蚀为主。沟谷溯源侵蚀过程为：由于降雨造成沟床的下切侵蚀,进一步形成跌水,跌水不断侵蚀沟头,导致沟头发生崩塌,经过一个长时间的循环过程,使沟头位置沿坡面方向往上游移动,从而沟道长度、宽度和深度都得到了进一步的增加
[59 ] 。
野外调查显示,不少勺沟的沟头上游出现了一个或若干个陷穴,陷穴的进一步发展形成一定规模后与勺沟沟头连通,造成沟头位置上移。调查发现许多大型勺沟的沟头均有溯源侵蚀的痕迹,也就是说勺沟发育成大型勺沟离不开溯源侵蚀的过程。
综上,勺状沟壑的形成来源于黄土陷穴、暗穴等黄土潜蚀,发展壮大受到重力侵蚀和水力侵蚀的共同作用,尤其是沟头的溯源侵蚀促进了勺沟的进一步发育。不论哪种侵蚀方式,在勺沟的形成和发育中都发挥了重要的作用。当降雨量和降雨强度都很大时,径流产生,沟道中的水力侵蚀作用增强,沟蚀过程凸显出来。当降雨量较小时,黄土潜蚀作用缓慢持续进行,突破平衡点时,地表垮塌,陷穴出露,形成勺沟或沟头前进。为什么勺沟不能发育成普通切沟,除了土壤性质、地表覆盖之外,主要受雨量及雨强的影响。勺沟主要分布在黄土高原的西部及北部边缘,相对于东部和东南部而言,总的降雨量及降雨强度均不及南部及东南部大,坡面径流形成后携带的能量较弱,由于降雨持续时间短,在向下游侵蚀过程中,受到坡面阻力和雨水下渗的双重作用,对地表物质的搬运能力逐渐减弱甚至消失,物质在沟道中逐渐堆积,从而形成了独立于坡面上大下小的勺状沟壑。
6 结论 在黄土高原的沟壑系统中,黄土勺状沟壑分布广泛,类型特殊。本文通过野外调研,并结合遥感影像解译及无人机摄影测量等技术,实现了对黄土高原勺状沟壑的普查,共获取了4077个勺沟位置点。在此基础上,对黄土高原的勺状沟壑的特点、分类、形态演变及发育过程等方面进行了初步的研究,得到以下结论：
（1）黄土勺状沟壑是指外表呈勺状、掌状或分叉状且独立发育于黄土坡面中部或上部的永久性不连续沟谷。与浅沟、切沟、冲沟等连续沟谷相比,勺沟具有以下基本特点：① 形态上呈现出头大尾细的特征,从沟头到沟尾,勺沟沟体逐渐减小。② 与其他沟谷没有明显的汇流关系,沟尾逐渐变细或消失于坡面上。③ 勺沟的形成与发育过程是土壤潜蚀与沟道侵蚀共同作用的结果,侵蚀过程复杂。④ 勺沟的密度、形态等特征在黄土高原呈现出显著的区域差异性。
（2）从发育的坡面部位、发育规模、发育形态以及沟尾的汇流关系等角度对勺状沟壑进行了分类。根据发育的坡面部位可分为高位型、中位型勺状沟壑;根据发育规模,可分为大型、中型、小型勺状沟壑;根据发育形态,勺沟可分为宽型、窄型、浅型、深型、分叉型、分枝型勺状沟壑;根据沟尾类型,勺沟可分为无沟谷连接型、有沟谷连接型和有陷穴型勺状沟壑。
（3）借鉴空代时理论,通过对勺沟序列的发育过程分析发现,沟道宽度、沟道深度、沟道面积和侵蚀体积均随着沟道长度的增加而增加,并呈现出呈较强的指数函数关系,符合一般沟谷的发育模式;延展度和沟谷坡面变率均随着沟长的增加而减小,说明勺沟的形态演变过程中,沟谷长度增加最为迅速,而侧蚀作用引起的沟谷变宽速度较慢;勺沟侵蚀体积与侵蚀面积有较强的幂函数关系,与切沟相同,因此勺沟属于切沟,是较为特殊的一类,是切沟发育过程中的初始阶段。勺状沟壑的形成来源于黄土陷穴、暗穴等黄土潜蚀,发展壮大受到重力侵蚀和水力侵蚀的共同作用,尤其是沟头的溯源侵蚀促进了勺沟的进一步发育。
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