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黄土地貌-水文-生态耦合作用与互馈效应

4、生态与可持续发展 > 专题4：流域治理与水文-生态-侵蚀效应

黄土地貌-水文-生态的耦合作用与互馈效应
金 钊1, 2
（1. 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061；
2. 中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心，西安 710061）
摘要：在黄土地区，黄土地貌受水文的影响十分强烈。在两者的相互作用关系中，如果没有植被的调控作用，黄土地貌演化与水文的关系是刚性或半刚性的，主要由力学作用发挥影响，两者之间没有进化和适应的功能；如果在黄土地貌-水文的力学作用中加入植被（生态）要素，则具备了进化的功能，三者之间形成互馈和耦合演化的关系，即地貌调控水文的分布，水文控制植被的分布，而植被反过来调控水文过程和地貌的发育。作者在前期研究工作中也得到了大量的研究实例论证。例如我们以董志塬西峰城区火巷沟为例，定量研究了1964年以来火巷沟沟头前进、后退和沟岸扩张的动态特征及其与城市发展的关系，发现城市扩张加强了塬面的汇水能力和径流冲刷作用，使得沟道溯源侵蚀和沟岸扩张十分强烈；1964-1970年，受溯源侵蚀的影响，火巷沟沟头平均每年前进3 m；1970-2017年，因溯源侵蚀威胁到西峰城区的安全和扩展，当地政府对火巷沟沟头人工回填了538 m。在这个研究实例中，火巷沟的发育演化主要受力学作用控制，城市扩张加强了水力冲刷和沟道溯源侵蚀，虽然进行了人工回填，但这个沟道系统仍然是刚性或半刚性的，没有足够的弹性和恢复力。因此，对于董志塬威胁到城镇、村庄、学校、道路的抢救性沟道，短期内采用工程力学方法（沟头回填）快速固定沟头、减缓地貌发育是可行的，也是非常好的固沟保塬方法，但对塬区其它类型沟道而言，需要采用有足够弹性和恢复力的方法措施。我们进一步通过董志塬南小河沟人工植树造林（杨家沟）和植被自然恢复（董庄沟）对比小流域的多年研究发现，沟道系统中介入植被措施，尤其是植树造林，经过长时间的发育演化，地貌-水文-植被之间将形成互馈效应，即地貌通过影响水分分布，控制了森林植被在沟道的空间分布特征，而森林植被最后影响到了沟道的侵蚀发育，包括沟头前进、沟岸扩张、沟道和坡面侵蚀强度等，使得植树造林小流域最终形成一个自稳定系统。这个系统具有足够大的弹性和恢复力，是不断进化和演化的。除非对这个系统进行毁灭性的人为破坏或出现冰期-间冰期的气候变化，否则这个系统将维持自稳定状态。因此，对保护董志塬的长治久安而言（不至于几千年后消失），建议在非抢救性沟道内进行大规模的人工植树造林，推广南小河沟模式，减缓流域系统物质的横向迁移速率，从而减少水土流失和地貌发育。
关键词：地貌-水文-生态； 自稳定系统；可持续发展；沟道演化；黄土塬区