黄土丘陵沟壑区沟坡系统是小流域水土流失的主要来源地，又是水土保持防治与生态环境重建的基本单元^[1]。沟坡是重力侵蚀作用对象。滑坡、崩塌等灾害的频发，不仅造成严重的生态破坏，更威胁人民正常的生产与生活^[2-5]。

沟道形态及坡面组成均对重力侵蚀产生重要影响^[6-8]。沟道发育阶段，沟头前进和沟底下切会使沟道形态发生剧烈变化并伴随大量崩塌发生，崩塌的发生又进一步加快沟道发育速度^[6]。沟道坡度对重力侵蚀特征具有重要影响。李阳等^[7]研究指出，晋西黄丘区浅层滑坡危害随坡度增加，在40°~50°达到峰值，之后随坡度增加危害显著降低。余璐等^[8]研究指出，延安宝塔区地貌因素中坡度对重力侵蚀量影响最大。坡面组成主要通过构成坡面的黄土属性及其结构对重力侵蚀产生影响。黄土具有孔隙度大，亲水性强、垂直节理发育等特征，随含水量增加，土体黏聚力、抗剪切强度及力学稳定性急剧下降，易发生重力侵蚀灾害^[9-10]。冯乐涛等^[11]研究指出黄土垂直节理发育使坡面易形成陷穴或落水洞，加剧重力侵蚀的发生。

目前，关于沟道形态对重力侵蚀的研究未详细考虑沟道发育各阶段形态变化特征，分类定量研究不足，这阻碍了重力侵蚀的科学防治。黄土丘陵沟壑区多种土壤类型使得坡面土层组合方式多样，不同坡面组成下重力侵蚀特征如何，目前尚不清晰。因此，笔者基于野外现场调查和无人机摄影测量，对典型小流域已发生的重力侵蚀数量进行统计和分析，重点探讨沟道类型和坡面土层组合方式对重力侵蚀的影响，以期明晰重力侵蚀在黄土丘陵沟壑区小流域沟坡系统中存在和发生的主要区域和环境，为黄土高原重力侵蚀精准防治提供理论支撑。

王家沟流域(E 111°09′21″~111°11′12″，N 37°33′10″~37°33′56″)位于山西省吕梁市离石区，流域面积9.12 km²。流域高程995~1 327 m，沟壑密度7.01 km/km²，沟壑纵横，有黄土丘陵沟壑区典型特征。流域内年均气温8.8 ℃，无霜期为160~180 d；年均降水量495.1 mm，主要集中在6—9月；黄土类型依据地质时代分为三趾马红土、离石黄土、马兰黄土及次生黄土；土地利用类型主要有耕地、林地、草地和建设用地；主要植被包括刺槐(Robinia pseudoacacia)、柠条(Caragana korshinskii)、油松(Pinus tabulaeformnis)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、茵陈蒿(Artemisia capillaries)等。

笔者使用的无人机测量数据是于2022年12月20日航测获取的，机型为大疆Phantom 4RTK，相机像素4 864×3 648，基于ASTGTM高程数据进行仿地飞行，确保无人机与目标地物始终保持300 m相对航高。设置航向重叠率为80%，旁向重叠率为75%，飞行速度12 m/s，地面分辨率(ground resolution，GSD)为9.62 cm/pix。结合实测数据，使用重建大师6.0软件对航拍数据进行处理和数字产品输出，获得分辨率为0.15 m的数字正射影像(digital orthophoto map，DOM)、数字高程模型(digital elevation model，DEM)和三维点云模型，坐标系统为CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM111E。经现场验证航测数据综合误差为12.03 cm，相较于沟道形态(沟长、沟宽、沟深等)的米级单位，满足本研究需要。

为最大程度获取沟道信息，利用ArcGIS 10.7软件的水文分析工具对DEM数据进行分析，提取沟长>10 m的沟道，结合三维模型剔除伪沟道。参考前人研究^[12-13]建立沟道类型判别指标(表 1)，绘制各类沟道矢量数据(图 1)。由于水力侵蚀在浅沟发育阶段占绝对优势，笔者在研究重力侵蚀时对其不予考虑。

表 1(Tab. 1)

表 1 流域沟道分类判别指标 Tab. 1 Indicators for classifying gully types in the basin 沟道类型 Gully type 分布位置 Location 横断面形态 Sectional morphology 沟宽 Gully width/m 沟深 Gully depth/m 沟道比降 Gully gradient/% 切沟 Hill-side gullies 多分布于坡面斜面上 Mostly distributed on slopes 一般呈“V”形 Generally “V” shaped 10~30 3~15 30~120 冲沟 Head-water gullies 河沟或干沟的沟缘线 Distributed inephemeral gullies or valley-side gullies edges 一般呈“V”形 Generally “V” shaped 20~60 10~30 20~60 干沟 Valley-side gullies 河间地 Distributed in the middle of the valley 一般呈“U”形 Generally “U” shaped 50~150 20~100 10~30 河沟 Ephemeral gullies 河间地 Distributed in the middle of the valley 一般呈“U”形 Generally “U” shaped 80~300 20~80 3~20

表 1 流域沟道分类判别指标 Tab. 1 Indicators for classifying gully types in the basin

图 1(Fig. 1)

图 1 王家沟小流域位置与沟道分布图 Fig. 1 Location and gully distribution of wangjiagou small basin

结合已有研究^[14-15]，笔者选取沟长(L)、沟宽(W)、沟深(D)、沟道比降(G)、沟道坡度(S)和沟道面积(A)6个因子表征沟道形态特征。沟长、沟宽和沟深是利用DasViewer V 2.0软件进行三维测量获取。利用ArcGIS10.7软件的3D Analysis模块及坡度和表面体积工具对DEM数据进行分析，提取沟道比降、沟道坡度和面积数据。

通过现场调查和参考已有研究^[16-17]建立重力侵蚀类型遥感判别指标，基于正射影像数据和三维模型，通过目视解译法对滑坡、崩塌和泻溜类型进行识别和二维边界标绘。野外复核重力侵蚀类型并现场记录侵蚀堆体中黄土类型以及发生侵蚀的坡面土层组成情况。研究团队使用GNSS RTK实测侵蚀堆体的基准高程，在DasViewer软件中添加堆体矢量边界和基准高程数据进行三维测量，获取体积，通过环刀法测算侵蚀体土壤密度(1.32~1.40 t/m³)，利用式(1)计算重力侵蚀量^[18]。

式中：M为重力侵蚀量，t；V为侵蚀堆体土方体积，m³；γ为侵蚀堆体土壤密度，t/m³。

笔者基于Pearson相关性分析确定沟道形态因子与重力侵蚀之间的关系；利用雷达图表征不同坡面组成对重力侵蚀的影响。使用SPSS 22软件进行数据统计和分析，使用Origin 2022软件制图。

由表 2可知，研究区内发生重力侵蚀212处，重力侵蚀面积5万2 850.7 m²，侵蚀量4万3 938.7 t，表现为滑坡、崩塌和泻溜3种类型。滑坡和泻溜是研究区重力侵蚀主要类型，两者发生量占研究区总发生量的87.7%，侵蚀面积占比为82.2%，侵蚀量比例为81.6%。泻溜的危害性表现为：易发生，数量多、影响范围最广；滑坡的危害性表现为：易发生、单位面积侵蚀量大、造成的土壤流失最多。值得注意的是，崩塌发生率相对较低，但单位面积侵蚀量较高。

表 2(Tab. 2)

表 2 流域重力侵蚀数量特征 Tab. 2 Quantitative characteristics of gravity erosion in the basin 侵蚀类型 Erosion type 数量 Quantities/Sites 土壤侵蚀面积 Erosion area/m2 侵蚀量 Erosion amount/t 单位面积侵蚀量 Erosion per unit area/(t·m-2) 侵蚀面积比例 Percentage of erosion area/% 侵蚀量比例 Percentage of erosion/% 滑坡 Landslide 78 17 905.6 29 690.2 1.7 33.9 67.6 崩塌 Collapse 26 9 404.3 8 087.6 0.9 17.8 18.4 泻溜 Slump 108 25 540.8 6 160.9 0.2 48.3 14.0 合计 Total 212 52 850.7 43 938.7 0.8 100.0 100.0

表 2 流域重力侵蚀数量特征 Tab. 2 Quantitative characteristics of gravity erosion in the basin

图 2为在不区分沟道类型的前提下，研究区重力侵蚀特征值与沟道形态因子的相关性分析。本研究对不同类型沟道进行混合采样^[14]，采用标准化处理^[19]提取沟道形态因子特征值。结果表明，沟道坡度与单位面积滑坡量、崩塌数量及崩塌面积有显著正相关性(P＜0.05)，与泻溜侵蚀特征值无显著相关性，可能与泻溜相对易发生、且在各类沟道中普遍存在有关^[20]。总的来说，沟道形态因子中重力侵蚀对沟道坡度的响应度最高。

图 2(Fig. 2)

Ln: 滑坡数量；La: 滑坡面积；Lm: 滑坡侵蚀量；Lu: 单位面积滑坡量；Cn: 崩塌数量；Ca: 崩塌面积；Cm: 崩塌侵蚀量；Cu: 单位面积崩塌量；Sn: 泻溜数量；Sa: 泻溜面积；Sm: 泻溜侵蚀量；Su: 单位面积泻溜量。*表示在P＜0.05水平显著相关。 L: Gully length. W: Gully width. D: Gully depth. G: Gully gradient. S: Gully slope. A: Gully area. Ln: Number of landslides. La: Area of landslides. Lm: Amount of landslides. Lu: Landslide erosion per unit area.Cn: Number of collapses. Ca: Area of collapses. Cm: Amount of collapses. Cu: Collapse erosion per unit area. Sn: Number of slumps, Sa: Area of'slumps, Sm: Amount of slumps, Su: Slump erosion per unit area. * indicates significant correlation at the P < 0.05 level. 图 2 沟道形态因子与重力侵蚀特征相关性图 Fig. 2 Correlation graph between gully morphology factors and gravity erosion features

依据形态特征对研究区沟道进行分类，分析不同沟道类型下重力侵蚀特征。由表 3可知，不同类型沟道下滑坡、崩塌和泻溜均有发生，除切沟外，其他类型沟道与研究区重力侵蚀特征规律基本一致。重力侵蚀危害表现为冲沟＞干沟＞切沟＞河沟，冲沟和干沟的重力侵蚀量及面积分别占研究区总量的88.5%和81.4%。研究区内超过57.8%的滑坡发生在冲沟中，侵蚀量占滑坡总量的66.3%；46.3%的泻溜发生在干沟，侵蚀量占泻溜总量的55.6%。从上文的分析可知，滑坡和泻溜是研究区重力侵蚀的主要类型和危害，而冲沟和干沟是二者存在和发生的主要区域。结果表明，沟道分类后，有利于识别出重力侵蚀活动的关键区域。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同类型沟道中重力侵蚀特征 Tab. 3 Gravity erosion characteristics in different types of gullies 沟道类型 Gully type 重力侵蚀类型 Erosion type 数量/处 Quantities/Sites 侵蚀面积 Erosion area/m2 侵蚀量 Erosion amount/t 单位面积侵蚀量 Erosion per unit area/(t·m-2) 同类型侵蚀面积比例 Proportion of erosion area of the same type/% 同类型侵蚀量比例 Proportion of erosion of the same type/% 切沟 Hill-side gullies 滑坡 Landslide 6 1 539.9 1 989.2 1.3 8.6 6.7 崩塌 Collapse 8 2 736.7 1 609.4 0.6 29.1 19.9 泻溜 Slump 11 2 579.6 443.6 0.2 10.1 7.2 合计 Total 25 6 856.2 4 042.3 0.6 13.0 9.2 冲沟 Head-water gullies 滑坡 Landslide 45 10 313.6 19 684.6 1.9 57.6 66.3 崩塌 Collapse 11 4 128.5 4 480.5 1.1 43.9 55.4 泻溜 Slump 38 9 015.9 1 817.5 0.2 35.3 29.5 合计 Total 94 23 458 25 982.6 1.1 44.4 59.1 干沟 Valley-side gullies 滑坡 Landslide 24 5 425.4 7 541.3 1.4 30.3 25.4 崩塌 Collapse 6 2 369.9 1 949.1 0.8 25.2 24.1 泻溜 Slump 50 11 774.3 3 425.5 0.3 46.1 55.6 合计 Total 80 19 569.6 12 915.9 0.7 37.0 29.4 河沟 Ephemeral gullies 滑坡 Landslide 3 626.7 475.0 0.8 3.5 1.6 崩塌 Collapse 1 169.3 48.5 0.3 1.8 0.6 泻溜 Slump 9 2 171.0 474.4 0.2 8.5 7.7 合计 Total 13 2 966.9 998.0 0.3 5.6 2.3

表 3 不同类型沟道中重力侵蚀特征 Tab. 3 Gravity erosion characteristics in different types of gullies

可知，在不区分沟道类型条件下，形态因子中沟道坡度对重力侵蚀特征产生影响，表现为沟道坡度与单位面积滑坡量、崩塌数量及崩塌面积存在正相关性。由图 3可知，除切沟0~45°、冲沟15°~45°区域，在其他区域和沟道没有表现出上述相关性。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同类型沟道下坡度对重力侵蚀影响 Fig. 3 Effect of slope on gravity erosion in different types of gullies

由图 3可知，重力侵蚀对沟道坡度的响应依然存在，并在不同类型沟道中呈现一定规律性。切沟、干沟的重力侵蚀危害峰值集中在坡度30°~60°区域内，发生率分别约是其他区域的2.57和1.19倍。在干沟和河沟内，重力侵蚀主要发生在0~30°区域，当＞30°时，重力侵蚀危害随坡度增加而减小。另外，沟道坡度对重力侵蚀类型产生影响，并在不同类型沟道中存在差异。以重力侵蚀最严重的冲沟和干沟为例，在冲沟中，滑坡和泻溜危害相对较重，在30°~60°区域内滑坡占滑坡总数的71%，远高于其他坡度区域；泻溜主要集中在0~45°地区，数量占比高达79%。干沟中泻溜危害相对较大，在0~30°区域内泻溜数量占总数的70%。另外，当坡度＞30°时，干沟内没有发现崩塌。

通过现场调查侵蚀坡面土层组成和侵蚀堆体中黄土类型的情况，结合相关研究^[21-23]发现，研究区的坡面组成主要表现为5种组合类型(图 4)。a类坡面：马兰黄土层、离石黄土层和三趾马红土层垂直分布，各层厚度相近，与基岩层的夹角α＞45°(图 4a)，主要发现在冲沟和切沟内。b类坡面：马兰黄土层、离石黄土层和三趾马红土层垂直分布，马兰黄土层厚度显著大于其他土层，夹角α＞30°(图 4b)，常见于冲沟和干沟。c类坡面：马兰黄土层和离石黄土层垂直分布，没有其他土层，离石黄土层的厚度显著大于马兰黄土层，夹角α＜20°(图 4c)，多出现在切沟、冲沟和干沟。d类坡面：表层马兰黄土、中层离石黄土、底层的三趾马红土在坡角处大量出露，夹角α＞30°(图 4d)。该类坡面在流域中最常见，在冲沟和干沟内分布相对较多。e类坡面：次生黄土，马兰黄土、离石黄土和三趾马红土依层垂直分布，三趾马红土层易出露，夹角α＜45°(图 4e)，多见于在河沟和干沟。

图 4(Fig. 4)

图 4 各类型坡面组成示意图 Fig. 4 Schematic diagram of different types of slope composition

由图 5可知，坡面组成对重力侵蚀危害有影响。b类坡面上的重力侵蚀造成的土壤流失占研究区重力侵蚀总量的比例最大，为33.3%，e类坡面最少(比例11.0%)。d类坡面上重力侵蚀面积最大，占研究区重力侵蚀总面积的31.2%，a类坡面最小(比例12.5%)。由前文分析可知，重力侵蚀危害与重力侵蚀类型有关，由此可推断，坡面组成会影响重力侵蚀发生的类型。图 5表明，b类坡面更易发生滑坡，占滑坡总数的34.6%；崩塌在c类坡面占比最高，为42.3%；38.0%的泻溜发生在d类坡面。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同类型坡面的重力侵蚀特征 Fig. 5 Gravity erosion characteristics on different types of slope

由图 4和图 5可知，离石黄土层厚度相对较大的坡面(c类和d类)，崩塌发生率约是其他坡面的1.89倍；三趾马红土易出露的坡面(d类和e类)发生泻溜的概率约是其他类型坡面的2.38倍。由此推断，土壤类型及其空间分布特征是影响不同类型重力侵蚀发生的重要条件。

笔者在不区分沟道类型条件下，对研究区沟道形态因子与重力侵蚀特征进行相关性分析发现，沟道坡度与单位面积滑坡量、崩塌数量及崩塌面积存在显著正相关性。整体来说，重力侵蚀对沟道坡度的响应程度最高，这与众多学者的研究结果较一致^{[8, 24-25]}。当笔者根据沟道形态进一步分类后，沟道坡度对重力侵蚀的影响表现出显著差异性，上述结论具有一定局限性。因此，在未详尽考虑沟道阶段发育特征以及分类前提下，直接讨论沟道形态因子对重力侵蚀的影响，可能无法保证有关结论的准确性。

依据形态特征进行沟道分类，可以更好识别重力侵蚀存在和发生的主要环境。冲沟和干沟作为重力侵蚀活动的主要区域，分别代表沟道发育的2个阶段。陈永宗^[12]研究指出，现代侵蚀沟中，切沟上没有次级沟道发育，而冲沟上常有切沟、浅沟分布，沟头发育较快且结构不稳定，更易发生重力侵蚀^[26]。干沟和河沟是古代侵蚀沟在现代条件下的侵蚀延续和发展^[12]。干沟在流域中分布最广，是人类生产活动的主要场所，除受降雨、地震等自然因素影响外，人为活动也是引发干沟重力侵蚀的重要原因。笔者依据这2类沟道重力侵蚀特征，建议冲沟应以治理工作为主，重点对象是易发生滑坡区域；干沟应以预防工作为主，重点对象是易发生泻溜区域。

坡面组成特征影响重力侵蚀发生类型，这一发现对我们进一步研究重力侵蚀发生和存在环境具有积极意义。洪勃等^[27]研究指出，吕梁山马兰黄土是典型的水敏性地质体，在高含水率条件下，土体抗剪切力下降明显，易发生湿陷。黄强兵等^[28]在吕梁山崩塌灾害野外调查发现，相对厚度较大的离石黄土层，在自然作用或人类影响下，可发生多种类型崩塌。这也印证土壤空间分布是重力侵蚀发生的重要条件。笔者仅根据现场调查的重力侵蚀类型、侵蚀堆体土壤成分以及侵蚀坡面组成情况进行统计分析。由于缺乏足够样本，没有进一步定量分析土壤类型以及空间分布与各类重力侵蚀发生条件之间的相关性。此外，笔者采用研究区2022年12月实时监测成果，分析重力侵蚀数量特征时未考虑降雨冲刷对侵蚀体面积的影响。因此，在后续研究中需要综合考虑时间序列、降雨、样本数量等因素对重力侵蚀的影响。

1) 沟道类型影响重力侵蚀危害程度。沟道分类有助于识别重力侵蚀存在的关键区域，冲沟和干沟是重力侵蚀主要作用对象，两者的重力侵蚀量及面积分别占研究区总量的88.5%和81.4%。

2) 不同类型沟道下重力侵蚀受沟道坡度影响差异显著。切沟和冲沟的重力侵蚀主要存在于坡度30°~60°区域，发生率约是其他区域的2.57倍和1.19倍；坡度0~30°区域是干沟和河沟重力侵蚀危害最严重地区。

3) 不同坡面组成下重力侵蚀危害性和发生类型存在明显差异，与土壤类型及其分布特征存在直接关系。