**章 绪论
**节 背景与意义
一、研究背景
干热河谷是指高温、低湿河谷地带，大多分布于热带或亚热带地区，其气候是由区域地理环境和局部小气候综合作用而成（邓建梅等，2011）。我国干热河谷主要分布于横断山脉地区，其深度切割溶蚀后的特殊地貌造就了干热河谷，尤其是在地形封闭的局部河谷地段。横断山脉地区的金沙江、元江、怒江、南盘江等河流均有干热河谷发育，以金沙江干热河谷的规模*大。金沙江干热河谷在当地被称为“热坝”、“干坝”或“干热坝子”，其热量充足、水资源丰富、耕地集中、人口与城镇密集，是农业相对较发达的区域（张荣祖，1992），但该区域水汽凝结引起热量释放和湿度降低，致使空气温度升高和水分过度损耗，导致河谷坡面森林植被盖度降低、土地荒芜和地表破坏严重。以沟谷侵蚀为主的土壤侵蚀导致金沙江干热河谷生态环境恶化，水土流失极其严重，局地荒漠化现象凸显（张德元，1992）。
金沙江是长江上游和三峡水库的*大沙源（黄川等，2002），三峡水库52.7%入库多年平均悬移质输沙率来自金沙江（邓贤贵和黄川友，1997）。金沙江流域的主要产沙区位于其下游，该区域地形起伏大，其沟谷侵蚀是河流泥沙的主要来源（张信宝和文安邦，2002）。金沙江下游屏山站多年平均含沙量为1.7kg/m3，远高于长江宜昌站0.5kg/m3的水平，而金沙江屏山站的年径流量与输沙量分别为宜昌站的32.4%和48.0%（表1-1），这表明金沙江下游的土壤侵蚀极其严重。元谋干热河谷位于金沙江下游河段，土壤侵蚀（刘刚才等，2011；何毓蓉等，1997）、森林覆盖率变化、耕地面积扩大和工程建设导致其输沙量增加*为明显（周跃等，2006）。该区以沙砾、粉砂、亚黏土和黏土互层为主的土坡广泛发育冲沟，其溯源侵蚀速率较大，可达50cm/a左右，*大可达200cm/a；同时元谋干热河谷沟谷密度较大，一般为3～5km/km2，*大达7.4km/km2，地表形态破碎（钟祥浩，2000）。因此，沟谷侵蚀是导致坡面水土流失治理后，河流减沙不显著的主要原因（张信宝和文安邦，2002）。
侵蚀沟体系一般包括细沟、浅沟、切沟、冲沟（刘元保等，1988）。侵蚀沟在我国黄土高原、东北黑土区、西南干热河谷区等广泛分布。相对于黄土高原区风成黄土和东北黑土区的质地相对均匀性、松散性的特征，干热河谷细沟区的物质条件极为复杂，包括坡积相、洪积相、湖积相等，既有相对松散的物质，也有半成岩的物质。另外，黄土高原的侵蚀沟主要发育在丘陵沟壑区和东北部坡度较缓的漫岗区，而干热河谷区的地貌则为典型的高山峡谷带坝区。因此，干热河谷区的细沟发育具有典型性与复杂性特征。在元谋干热河谷区，细沟通常发育于各种较为平整的坡面之上，尤以道路两侧经过人为开挖的坡面*为显著。细沟发育规模小，在人为扰动下易消失，故细沟常被人们忽视。同时作为农业特色资源丰富区、居民聚集区和生活生产的核心区，密集的沟道分布造成局部地表支离破碎，对区域土地资源与粮食安全造成严重威胁，危及区域的可持续发展。基于前期在元谋干热河谷区的长期工作，笔者对本区细沟的复杂形态具有较为深刻的认识，因此本书以发育于元谋干热河谷的细沟作为研究对象。
二、研究意义
细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要方式之一（和继军等，2014），细沟侵蚀量占坡面侵蚀量的70%，占总侵蚀量的45.3%（朱显谟，1982），细沟形成对坡面侵蚀的危害性已得到普遍认同，细沟侵蚀研究不仅对防治坡面土壤侵蚀、发展农业生产有重要意义，还能够促进土壤侵蚀预报模型的建立发展（李君兰等，2010）。细沟的形成是沟道侵蚀的*初发展阶段，如果不对其进行干预和控制，将会演变为浅沟或冲沟，发生不可逆转的演化，因此预报细沟的发生、位置与演化是资源管理领域的基本挑战（Bennett et al.，2015）。细沟形态，包括平面、横剖面与纵剖面，成为联结过去、现在与未来沟蚀活动的纽带（Gao，2011），提供了评估侵蚀量、侵蚀速率、作用过程与演化阶段的基础（Wijdenes et al.，1999），是决定坡地径流与土壤流失量非常重要的因素（Govindaraju and Kavvas，1994）。对细沟形态的预测以及土壤保护与水质评价也是非常重要的（Daggupati et al.，2014）。每条细沟的体积可根据其长度、深度与宽度进行计算（Kimaro et al.，2008；Nachtergaele et al.，2001b），形态参数（长度、宽度、深度）之间的关系还可以用于描述沟道的侵蚀过程（王龙生等，2014；沈海鸥等，2014；Di Stefano and Ferro，2011；严冬春等，2011；雷廷武和Nearing，2000）。细沟形态是水力条件与环境因素相互耦合作用的结果，因而在一定程度上反映了水动力与其形成的环境条件（比如土壤性质、土体剖面结构），是评价土壤侵蚀强度的基本依据；另外，细沟从触发到浅沟的演化过程中，其形态也随之变化，因而细沟形态在一定程度上也表征了其演化发展的阶段性。
元谋干热河谷区细沟极其发育，尤其是人类活动强烈干扰区，其形态的精确表达依赖于测量技术的适用性、可靠性和先进性。但细沟规模小和形态不稳定的特征，传统测量技术无法获取其高精度形态参数，无法精确揭示其形态演化规律，因此传统测量技术手段可能存在较为显著的缺陷。基于前期的预研表明，多种适宜技术的综合集成可能提高研究的可靠性与便捷性。本书拟在前人研究与笔者前期野外工作的基础上，依靠全站仪、三维激光扫描仪、自制测针板、近景摄影测量等技术以及GIS相结合，研究细沟形态的*优探测技术，据此可建立细沟形态高精度探测方法，以期寻找细沟发育规律，探寻防治细沟侵蚀的方法，为元谋干热河谷地区土壤侵蚀防治提供数据支撑和依据。
第二节 相关研究进展
一、细沟研究进展
（一）细沟概念
我国土壤侵蚀的研究早在20世纪50年代就在黄土高原展开了，作为该区的*主要侵蚀类型，按照表现方式水蚀可分为片状侵蚀和切沟侵蚀，介于这两种侵蚀现象之间的过渡形式叫作细沟侵蚀（rill erosion）（朱显谟，1955）。细沟侵蚀主要发生在5°～35°的坡面上，更多的是发生在10°～35°的坡面上，其形成和发展是地表径流冲刷力大于地面抗冲力时发生的侵蚀（刘元保等，1988）。坡面细沟侵蚀主要受制于细沟中水流的特征及土壤性质，受雨滴打击的影响很小（Foster et al.，1984）。试验表明，当表土抗剪强度为5kPa时，若平均水流动力达到或超过2.5N/m2，则细沟就会产生。细沟一旦形成，径流的含沙量就会急剧增加（王贵平等，1992）。一般从规模上对细沟进行界定，但在国内外并没有统一的规定。朱显谟（1956）认识到黄土区中细沟的深度和宽度约在15cm以内，10cm左右*多，达到或超过30cm的极少；一场暴雨过程中，自然坡面上发育的细沟，其深宽因分布的部位、土质条件及降雨强度的不同，其规模在尺度上变化很大，但其宽度一般为几厘米到几十厘米，深度大多也不超过20cm（黄土坡面上犁底层的深度）（张科利和张竹梅，2000）。1965年，联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）则界定细沟的深度为5～20cm，在平时耕种犁地时就可以消除。当沟道的集中流下切到耕作层时，其深度在2～15cm，而宽度在3～50cm变化，此时的沟道称为细沟（Turkelboom，1999）。
（二）细沟形态
对细沟形态的描述可以分解为三个方面，即平面、横剖面与纵剖面。
1.平面形态
细沟的平面形态可以反映沟网的复杂程度（吴淑芳等，2015；张攀等，2014；雷会珠和武春龙，2001），展示大尺度下细沟的延展方向和丛集性。沟长是平面形态参数中*常用的一个（Shen et al.，2015）。沟长被用于描述沟蚀过程，也成为流域尺度上细沟侵蚀量的主要参数（Bruno et al.，2008）。在某区域内的细沟、临时性冲沟与永久性冲沟的长度总是集中在一定范围内变化（Hobbs et al.，2013；Zhang et al.，2007；Burkard and Kostaschuk，1997，1995），并遵循某种统计分布（Cheng et al.，2007）；然而不同区域的沟长往往差异很大（Adediji et al.，2013）。沟长是表征沟道侵蚀的重要指标，能有效地用于建立与沟道侵蚀量间的关系（Di Stefano et al.，2013）。沟长可通过航片或卫片解译得到，因而常成为估算侵蚀量的*佳参数（Hobbs et al.，2013；Frankl et al.，2013；El Maaoui et al.，2012；Bouchnak et al.，2009；Capra et al.，2009；Cheng et al.，2007；Capra et al.，2005；Nachtergaele et al.，2001a；Nachtergaele and Poesen，1999），也是认识与评估侵蚀程度的重要指标（Cheng et al.，2007；Nachtergaele et al.，2001a；Casal？？ et al.，1999）。已有研究表明细沟的侵蚀体积与沟长二者之间往往具有幂律关系（Di Stefano et al.，2013），这种关系不仅与沟道类型有关，还与两种侵蚀形式（细沟与临时性冲沟）的不同尺度因素有关（Capra et al.，2009）。细沟的沟长也可以用于描述沟网平面形态的复杂程度以及分支情况，支沟发育量的多少决定着细沟总长度的变化，从而影响细沟侵蚀量的大小（霍云云等，2011；张晴雯等，2002）。细沟密度是细沟的总长度与汇流面积的比值，是衡量流域内沟道多少的重要指标（Shen et al.，2015；Bewket and Sterk，2003）。细沟侵蚀由于受局部微地形影响大（李妍敏等，2013），在沿程变化上具有较大的不确定性，局部的地形、土质和植被覆盖情况等都会造成细沟侵蚀形态的改变，从而导致整个沟网形态的变化（张永东，2013）。
2.横剖面形态
横剖面精确数据不仅对于计算侵蚀量与侵蚀速率是非常重要的（Frankl et al.，2013；Capra et al.，2009；Cheng et al.，2007；Casalí et al.，2006；Sidorchuk，2005；Nachtergaele and Poesen，1999；Vandaele et al.，1997；Wijdenes and Bryan，1991；Harvey，1974；Seginer，1966），而且也有助于揭示侵蚀过程（Di Stefano et al.，2013；Zucca et al.，2006；Rowntree，1991）。细沟的横剖面有矩形或梯形（Zhang et al.，2007；Yang et al.，2006），但其*常见的形态仍然是U形与V形（Zhang et al.，2014）。横剖面的形态可以借鉴冲沟相关指标，利用规模参数与比例参数进行刻画。规模参数包括：①宽度，如顶宽（Frankl et al.，2013；Gabet and Bookter，2008）、1/4宽度（Gabet and Bookter，2008）、平均宽度（Heede，1970）和底宽（Frankl et al.，2013；Heede，1970）；②深度，如*大深度（Frankl et al.，2013；Zucca et al.，2006；Valcárcel et al.，2003；Ludwig et al.，1995；Govers，1987）和平均深度（Heede，1970）；③面积（Frankl et al.，2013）。比例参数包括宽深比（Gabet and Bookter，2008；Zucca et al.，2006；He
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