黄土丘陵区退耕还林对切沟发育和侵蚀过程的影响机制

Gully erosion is a major process of soil erosion and the main contribution to watershed sediment on the gully Loess Plateau. The complex mechanism of gully erosion and lack of techniques resulted in the shortage of research on gully erosion. After conversion of cropland to forest and grassland, sediment yield on the gully Loess Plateau decreases significantly but the gully erosion dynamics is still unclear.The purpose of this project is to examine the potential of a method using high resolution remote sensing on gully monitoring, develop a experiential model for predicting gully erosion and assess the effect of conversion of cropland to forest on gully erosion. Caijiachuang watershed on the broken tableland gully Loess Plateau in western Shanxi province (38km^2) and Wuqi Forest Park on the hilly and gully Loess Plateau in northern Shaanxi province（99km^2）will be selected as the study areas. Quickbird Image, ground-based LiDAR, field survey, experiential modeling and statistical analysis will be used in this project taking the advantages of both high resolution image and ground-based LiDAR as well as the survey of sediment retrieved by check dams in the study areas. The results of this project will include gully headcut retreat process in 9 to 13 years period, experiential model for gully erosion prediction at the small catchment scale, assessment of conversion of cropland to forest on gully erosion as well as a gully monitoring methods with high-resolution images. Findings of this project can be used in the fields such as soil erosion prediction and survey, gully prevention and control, and assessment of eco-system restoration benefits.

黄土丘陵区发育活跃期的切沟侵蚀是主要侵蚀方式之一，对流域侵蚀产沙有重要贡献。由于切沟发育机理复杂和监测手段的局限，切沟侵蚀研究进展缓慢，成为侵蚀预报和普查中亟待解决的问题。退耕还林以来黄土区侵蚀产沙显著减少，但对切沟发育过程的影响还未见报道。本项目旨在使用新兴技术，探讨切沟发育和侵蚀的高分辨率遥感监测方法，建立小流域尺度沟蚀预报经验模型，分析退耕还林对切沟发育和小流域土壤侵蚀动态的影响。选取晋西蔡家川流域（38 km^2）和陕北吴起退耕还林森林公园（99 km^2），采用卫星影像解译、三维激光测量、经验模型等研究方法，充分挖掘高分辨率遥感监测与三维激光地形测量的优势，与淤地坝泥沙淤积监测相结合，监测9-13年时间尺度上切沟发育过程，建立小流域切沟侵蚀预报经验模型，进而分析退耕还林对切沟发育和侵蚀的影响。研究结果将在土壤侵蚀普查、黄土高原水土保持和沟道治理以及生态恢复效益评价等方面具有应用价

黄土丘陵区发育活跃期的切沟侵蚀是主要侵蚀方式之一，退耕还林以来黄土区侵蚀产沙显著减少，但对切沟发育过程的影响研究不足。在国家自然科学基金面上项目的资助下，于2013年-2016年期间，以陕北吴起、绥德和晋西吉县为研究区，采用卫星影像解译、三维激光测量、经验模型等研究方法，开展了切沟发育和侵蚀过程的遥感监测方法、沟蚀速率经验模型、退耕还林对黄土丘陵区切沟发育和侵蚀速率影响等研究内容。项目积累了大量沟蚀及其影响因子监测的基础数据，取得了典型丘陵区的沟蚀发育速率等关键数据，并取得了以下研究成果：1）探索了高分率卫星影像和三维激光测量相结合的中长期切沟发育和侵蚀过程监测方法，验证了高分遥感（0.5m分辨率）在切沟监测中的适用性，测量切沟面积、周长的平均相对误差都在5%左右；2）退耕还林以来，黄土高原88%的区域植被得到恢复，其中，中温带和坡度在15-25度范围内的植被恢复效果最好，植被覆盖现状存在空间差异，与所在地理位置的水热条件分布基本一致，但在陡坡和极陡坡的干旱阳坡，仍然存在植被恢复的困难立地; 3）绥德切沟发育速率大于吴起，沟缘线切沟沟头前进速率分别是0.29 m/a和 0.26 m/a，吴起切沟的发育部位侧重于沟头溯源侵蚀前进，而绥德则侧重于沟头两侧沟壁的扩张；但吴起切沟体积变化（12.31%）大于绥德（8.70%）； 4）黄土丘陵区退耕还林以来，沟间地水平条带面积比例是影响切沟发育的最主要因子，相关系数达到-0.801。无工程措施的情况下，当植被覆盖度＞ 0.6 时，其抑制切沟发育的效果明显；5）利用上坡汇水面积（Ai，m^2）、沟头局部坡度（S，m/m）和集水区植被覆盖低于60%的面积比例（Φ_0.6）三个因子，建立了切沟面积增长率（Ra，m^2/a）模型：Ra=0.1540((Φ_0.6 Ai)^0.24 S)^3.2588 (R^2 = 0.62)；并建立了切沟体积(V)-面积(Ag)关系模型：V=0.2762Ag^1.3971 (R^2 = 0.91)，可用于切沟侵蚀预报。项目完成了预期目标，发表学术论文9篇，其中SCI/EI收录5篇，丰富和发展了沟蚀理论，在国际会议上受到国际同行的关注和好评，为黄土高原沟蚀预报和治理提供了实用工具，具有实践意义和推广应用价值。