埃塞俄比亚南部主要裂谷地区土壤中火山岩养分释放特性的研究

《CATENA》：Characterization of nutrient release from volcanic rocks in soils from the southern Main Ethiopian Rift

小江峡谷研究通过树轮学方法重建70年检查坝拦截泥石流沉积历史，分析植被恢复与泥石流体积趋势，发现植被覆盖与滑坡/尾矿潜在能量负相关，并建立植被覆盖、滑坡能量、尾矿能量与泥石流体积的耦合模型，提出分阶段优化造林与坝体配置方案。

　　

刘立群|周冠宇|李军|侯晨友|王云齐|马超|齐志涵|徐梦珍|王照胤

北京林业大学水土保持学院，中国北京100083

摘要

小江谷位于地震活跃区域，拥有丰富的铜资源。该地区经历了大规模的地震活动和采矿作业，导致山体滑坡频发，沟壑中堆积了大量矿渣。这降低了植被覆盖率，并引发了频繁的泥石流灾害。本研究考察了七个典型的泥石流沟壑，重点分析了70年的造林和拦沙坝建设对泥石流缓解的效果。通过树木年轮学方法，我们重建了拦沙坝对泥石流沉积物的拦截历史。根据坝后沉积物堆积情况，分析了泥石流体积的变化趋势。此外，我们还评估了坝后水位上升对山体滑坡和矿渣沉积潜在能量的影响。结果表明，设有更多拦沙坝的沟壑植被恢复更快、更成功。虽然拦沙坝拦截泥石流体积的能力随时间减弱，但总体而言泥石流体积呈下降趋势，这可能归因于山体滑坡和矿渣能量的持续减少。我们建立了一个模型，综合考虑了山体滑坡和矿渣的潜在能量、植被覆盖率以及泥石流体积。该模型表明，在泥石流沟壑的不同发育阶段，造林和拦沙坝的建设顺序应有所调整。最后，我们根据山体滑坡和矿渣的潜在能量，提出了每个发育阶段造林和拦沙坝建设的建议顺序和范围。

引言

当大量混合不均的沉积物和木质碎片在重力作用下沿斜坡奔流时，就会发生泥石流（Iverson, 1997）。这些事件具有破坏性，会对社会经济造成显著影响（Fuchs et al., 2007; Thiene et al., 2017; Stancanelli and Musumeci, 2018）。

易发生山体滑坡和泥石流的地区对沉积物可用性的变化反应迅速（Evans et al., 2001; Haeberli et al., 2002; Hauser, 2002; Raymond et al., 2003; Frank et al., 2017），这可能会放大泥石流的规模和频率。在某些情况下，山体滑坡不仅会向流域输送沉积物，还会通过冰、雪或沉积物的裹挟直接转化为泥石流（Evans et al., 2001; Hauser, 2002; Yao et al., 2024）。更常见的情况是，山体滑坡不会立即转化为泥石流，而是成为后续泥石流的沉积物来源。Tobler et al.（2014）记录了一次山体滑坡导致的沉积物突然涌入，使泥石流的频率和规模大幅增加（Frank et al., 2015）。

对于灾害管理者来说，预测山体滑坡带来的沉积物涌入后泥石流规模和频率的变化至关重要（Weinmeister, 2007）。然而，关于山体滑坡发生情况以及控制斜坡稳定性的物理因素的可靠数据往往难以获得。这种认知局限，加上自然斜坡的复杂性，通常阻碍了对沉积物侵蚀过程和泥石流规模的全面评估（Chowdhury and Flentje, 2002; Theule et al., 2012; Corominas et al., 2014）。

拦沙坝、滞留池和堤坝等技术结构（Osti and Egashira, 2008; Piton and Recking, 2016）是预防泥石流的基本工具（Hübl and Suda, 2008）。其中，拦沙坝在缓解泥石流灾害方面最为有效（Hübl and Fiebiger, 2005; D'Agostino, 2013; Piton and Recking, 2017）。像阶梯水池这样的创新结构也被用于通过消耗水流能量来控制泥石流，使其能量不足以引发泥石流（Wang et al., 2012）。实践经验表明，应根据沉积物调节原则优化沟壑中技术结构的分布（Cui and Lin, 2013）。

生物工程干预措施，如活体斜坡网格和双排栅栏（Hübl and Fiebiger, 2005），以及造林措施，也被用于预防泥石流（Zhou et al., 2023）。Mizuyama et al.（1988）指出，泥石流的移动距离取决于斜坡坡度、树种和树木间距，强调了树干对泥石流影响的能量耗散作用。

在易发生严重重力侵蚀（如山体滑坡）的地区，将生物工程干预措施与技术结构相结合对于缓解泥石流至关重要（Cui and Lin, 2013; Zhou et al., 2023）。George et al.（1996）提倡将植被与岩土工程相结合以增强斜坡稳定性。在法国和西班牙等地区，实验中将木制拦沙坝与其他技术结构结合使用于高度侵蚀的流域。这种组合加上植被措施，提高了斜坡和沟壑中的沉积物拦截效果（Erktan and Rey, 2013; Rey and Burylo, 2014; Lyu et al., 2022a, Lyu et al., 2022b）。生物和岩土措施在调节峰值流量、能量耗散、沉积物滞留和引导泥石流排水方面取得了显著成果。然而，为了优化这些措施的协同布局和评估方法，还需要进一步深入研究，因为目前缺乏针对生物和岩土措施缓解功能的精细评估模型（Lyu et al., 2022a, Lyu et al., 2022b）。

实现生态和岩土措施在泥石流缓解中的最佳配置是一个复杂的跨学科挑战。这需要深入理解生态和岩土工程原理，以及对相关山区特定地质和环境条件的全面了解。本研究聚焦于一个干旱炎热山谷中的七个沟壑，该地区以频繁的山体滑坡、矿渣分布、拦沙坝建设和造林措施以及泥石流活动为特征。研究目标包括：（1）分析拦沙坝和造林对泥石流的缓解机制；（2）评估拦沙坝后沉积物堆积对山体滑坡和矿渣潜在能量的稳定作用；（3）提出适合易发生泥石流沟壑的拦沙坝和造林优化配置模型。

研究区域

小江谷是长江的一条支流，全长138.2公里，流域面积为3043平方公里（图1a）。它位于小江深部断层带，该区域地质复杂，构造活动频繁，岩石层断裂。裸露的土壤主要由风化强烈的玄武岩形成的红壤组成（He et al., 2019）。年平均气温为20.2摄氏度，年降水量为691.3毫米（He et al., 2019）。

方法

假设泥石流体积受到拦沙坝、植被覆盖率以及山体滑坡和矿渣潜在能量的影响。1990年之前的植被覆盖率数据来自当地林业和草原管理部门，而1990年之后的数据基于Landsat遥感和实地调查。为了根据遥感数据计算植被覆盖率，我们使用了归一化植被指数（NDVI），这是量化植被覆盖率的常用方法之一

造林和拦沙坝对植被恢复的影响

1990年至2021年间，小江谷的拦沙坝建设和造林工作促进了植被逐渐恢复，自2005年以来植被覆盖率显著增加（图5）。然而，在1970年之前，采矿和森林砍伐导致一些泥石流沟壑的植被覆盖率下降（图6）。设有更多拦沙坝的沟壑植被恢复更快、更成功，例如沈沟和大桥河沟壑的植被覆盖率值

拦沙坝和造林配置原则

山体滑坡和矿渣产生的沉积物能量在泥石流形成过程中起着关键作用。拦沙坝后的沉积物通过对其底部施加压力，继续稳定山体滑坡和矿渣（图3），从而减少了泥石流的沉积物来源，实现了减少泥石流体积的目标。然而，拦沙坝在泥石流事件后的局部冲刷可能会削弱山体滑坡和矿渣的稳定性（Comiti et al., 2013; Piton and

结论

根据植被覆盖率以及与山体滑坡和矿渣相关的能量，可以将泥石流发展分为三个区域。A区域的植被覆盖率下降，山体滑坡和矿渣能量上升，导致沟壑中的泥石流加剧。B区域的植被覆盖率增加，同时山体滑坡和矿渣能量上升，表明沟壑中的泥石流从加剧趋势转变为缓解趋势。C区域的植被

作者贡献声明

刘立群：撰写初稿、监督、方法论设计、调查、资金筹集、数据管理、概念构思。周冠宇：方法论设计、调查、数据管理。李军：资金筹集。侯晨友：方法论设计、调查。王云齐：数据管理。马超：调查。齐志涵：方法论设计。徐梦珍：撰写与编辑。王照胤：概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了第十四个国家重点研发计划（2024YFC3012704; 2023YFF1305201）和国家自然科学基金（32271962）的支持。同时，我们也感谢北京市教育委员会通过“生态修复工程”创新跨学科计划提供的财政支持。