熊东红团队：通过原位放水试验研究揭示灌木茎秆对切沟沟床水动力特性及产沙的影响机制
（1）研究意义
植被通过地上冠层截持降雨、地表覆被（如茎秆、枯落物）阻缓径流以及地下根系固土促渗等作用，能够发挥增阻减蚀的功能，进而有效控制切沟侵蚀。深入研究植被恢复对切沟侵蚀的影响，对于明确植被影响切沟侵蚀的动力学机理、阐明植被恢复驱动切沟侵蚀泥沙锐减机制具有重要意义。然而，以往研究多集中于植被恢复对切沟侵蚀的综合影响，对沟床植被恢复消减切沟侵蚀动力的水力学机理研究较少，特别是灌木不同组分如何通过改变径流水力特性来影响沟床发育进而影响切沟侵蚀过程仍不明晰。因此，本研究聚焦于灌木茎秆，旨在揭示灌木茎秆对沟床集中流流路特征、水动力特性及产沙特性的影响机理，为完善植被影响切沟侵蚀动力机制以及沟蚀治理实践提供科学依据和数据支撑。
（2）研究方法
本研究在中国科学院山地所元谋干热河谷沟蚀崩塌观测研究站开展，通过构建切沟原位模拟试验平台并开展放水冲刷试验，系统研究了灌木茎秆对沟床径流、产输沙特性的影响。研究选取干热河谷区沟蚀植被恢复典型先锋灌木物种——新银合欢（Leucaena leucocephala）为试验对象，设置了5种不同的灌木茎秆盖度（0%、0.15%、0.30%、0.60%和1.20%）。在试验过程中，放水冲刷流量设定为90 L/min，以模拟暴雨条件下降雨全部转化为集中径流，总放水时长为140 分钟。本研究共设置11个观测断面，以监测径流基本水动力参数，包括径流宽、径流深和径流流速等，并采集径流泥沙样品用于后续分析；同时，借助无人机摄影测量技术获取径流流路信息。最后，通过室内测定与图像分析技术，量化并分析流路特征参数（径流流路数、径流宽、弯曲度和分形维数）、水动力特性（流速、径流剪切力、达西阻力系数）及径流含沙量的时空变化特征；利用结构方程模型，分析灌木茎秆盖度对沟床侵蚀的综合影响机制，系统揭示灌木茎覆盖与流路特征、水动力特性、产沙特征之间的复杂关系。
（3）主要结果
1. 集中流流路特征
灌木茎秆显著促进了集中流分流、增加了径流流宽、弯曲度与复杂程度。在沟床侵蚀过程中，裸露沟床的集中流在试验前20 min内偶有分支，随后保持一条稳定的流路直至试验结束。与裸露沟床相比，有茎秆覆盖的沟床内集中流越易被分散成支流，随着茎秆盖度的增加，径流分支数越多。此外，越靠近沟头，集中流越易分散成支流，其流宽、弯曲度和分形维数也随之增加。与裸露沟床相比，灌木茎秆覆盖沟床的平均流路数、平均径流宽、平均弯曲度和平均分形维数分别增加了29.55%~114.20%、21.34%~93.18%、31.16%~108.02%和2.82%~7.61%。进一步分析表明，随着灌木茎秆盖度的增加，平均流路数、平均径流宽、平均弯曲度呈线性增加趋势，平均分形维数呈指数增加趋势。
2. 水动力特性
灌木茎秆显著改变了沟床集中流的水动力特性。各沟床流速随时间呈降低趋势；各沟床径流剪切应力和达西阻力系数随时间呈增加趋势。在沟床侵蚀过程中，有茎秆覆盖的沟床径流流速始终低于裸露沟床，其达西阻力系数则高于裸露沟床。与裸露沟床相比，有茎秆覆盖的沟床平均流速和平均径流剪切力分别降低了17.47%~25.19%和4.75%~11.42%，阻力系数增大了35.94%~68.71%。进一步分析表明，平均流速和平均径流剪切力随茎秆盖度增加呈幂函数减小趋势，而径流阻力随茎秆盖度增加呈幂函数减小趋势。
3. 产沙特征
茎秆盖度显著降低了径流含沙量。与裸露沟床相比，茎秆覆盖沟床内平均径流含沙量降低了11.82%~26.93%。在沟床侵蚀过程中，各沟床径流含沙量随时间均呈现幂函数降低趋势；裸沟床中径流含沙量沿沟床下游呈指数增长，而灌木茎秆覆盖沟床的径流含沙量沿沟床下游呈幂函数增长。随着茎秆盖度增加，径流含沙量越小，且平均径流含沙量与茎秆盖度呈指数关系。
4. 灌木茎秆对沟床侵蚀产沙影响机制
通过结构方程模型分析表明，灌木茎秆通过促进集中流分流、显著增加径流总流宽和弯曲度以降低流速，最终减缓沟床侵蚀。同时，随着茎秆盖度的增加，这种作用更显著。
（4）总结
本研究从“灌木茎秆对切沟集中流的分流作用”视角，系统阐释了“沟床灌木茎秆影响集中流分支特性，进而影响水动力特性与侵蚀产沙”过程特征，揭示了植被茎秆在沟床侵蚀过程中促进集中流分流、增阻、减蚀的作用机理。此项研究丰富了植被影响切沟侵蚀动力机制的认识，为系统认知干热河谷切沟发生发展规律、优化区域水保措施配置提供科学依据。
