《Soil and Tillage Research》：Temporal trajectory and determinants of permanent gully erosion in the grassland: A long-term analysis spanning 1973–2020
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基于1973、1983、2011、2020年遥感数据，本研究系统分析呼伦贝尔草原沟蚀动态及驱动机制，揭示其数量、密度、侵蚀速率显著增加，人地耦合效应主导沟蚀发展，并提出科学防控策略。
肖志才|郭明明|刘欣|陈卓欣|张行毅|徐金忠|张少林|刘洁琳|韩星|谢瑞峰
哈尔滨师范大学地理科学学院，中国黑龙江省哈尔滨市150025
摘要
草地生态系统，特别是在寒冷和高海拔地区，由于其结构简单且对环境敏感，极易受到沟蚀的影响，这是一种严重的草地退化形式。然而，大多数以往的研究都集中在农业系统上，对草地中长期沟蚀的演变过程及其驱动因素了解有限。为了解决这一问题，我们利用1973年、1983年、2011年和2020年的遥感图像，分析了呼伦贝尔草原103平方公里范围内的沟蚀动态及其决定因素。研究结果显示，从1973年到2020年，沟的数量增加了54.13倍，沟密度增加了286.66倍，地面切割程度增加了591.01倍，年均土壤流失厚度为0.023毫米。1973年至2020年间，沟的长度、宽度和体积的平均侵蚀率分别为每年4.64米、0.06米和17.17立方米。沟的合并（MG）比新形成的沟（NFG）和持续发展的沟（CDG）具有更高的线性侵蚀率和面积侵蚀率，而NFG的沟宽增加率最高。沟的长度、面积和体积的侵蚀率在4-5度坡度时达到峰值，阳光充足和半阳光充足的坡面更有利于沟蚀的发展，并且侵蚀率与沟的排水面积呈线性增长关系。沟的累积生长长度（ΔL）、面积（ΔA）和体积（ΔV）与累积气候指标（Pre、R、R10、R95p、RX5day、SDII、Tem）和人类活动强度（放牧强度、建成区面积、道路密度）之间存在幂函数关系。人类活动与地形和气候的耦合效应对沟蚀的影响最大，分别占37.13%和35.75%。总体而言，1973年至2020年间，呼伦贝尔草原的永久性沟蚀仍处于发展的早期阶段。然而，随着人为压力的加剧和气候变化的放大，侵蚀风险逐渐增加。这一趋势需要实施科学的沟蚀控制策略，以减缓土壤流失并建立可持续的人地协同关系。
引言
土壤侵蚀对全球土壤健康构成严重威胁（García-Ruiz等人，2015年），导致广泛的土壤退化，扰乱了地球系统的功能（Pasquale等人，2017年）。沟蚀作为土壤侵蚀的严重表现形式，在不同地区占水蚀造成的总土壤和水资源损失的10%-94%（Poesen等人，2003年）。这一过程耗尽了农业所需的肥沃表土（Wojciech等人，2015年），向大气中释放了约20%的土壤碳储量（Lal和Bruce，1999年），引发了水质恶化的非点源污染（Poesen等人，2003年），并分割了土地和道路网络（Zhang等人，2024年）。这些现象带来了巨大的社会经济和生态负担，促使人们更加关注沟蚀问题（Vanmaercke等人，2021年）。
作为耦合地貌、水文和生态过程的综合系统，沟蚀的形成和演变受多尺度驱动因素的影响。在空间上，沟蚀的发展表现出明显的区域异质性（Liu等人，2024年）；在时间上，则涉及长期的累积效应和多因素复杂性（Castillo和Gómez，2016年）。地形通过坡度和地形形态控制径流动态（Azareh等人，2019年；Poesen等人，2003年）。气候通过降水模式和极端气候事件驱动侵蚀能量输入（Cheng等人，2006年），从而形成季节性和偶发性侵蚀模式（Nicu等人，2022年；Olivier等人，2022年）。土壤和岩性通过不同的侵蚀性和风化敏感性决定了侵蚀抗性的空间异质性（Dotterweich等人，2013年；Guo等人，2021年；Yibeltal等人，2019年）。人类活动改变了自然驱动因素的路径，显著加速了沟蚀的发展（Li等人，2024a），各种因素之间的相互作用进一步增加了侵蚀率。值得注意的是，人为活动对沟蚀的发展影响日益显著（Rahmati等人，2022年），最近约60%的土壤侵蚀量可直接归因于人类活动（Pham等人，2001年；Yang等人，2003年）。中国东北部的黑土地区经过一个世纪的耕作后产生了666,700条沟，其中89%仍在发展和扩展（Li等人，2025年；Wang等人，2024年）。在全球人口增长和粮食安全需求不断增加的压力下（Cui等人，2018年；Montanarella等人，2016年），预计到21世纪90年代，全球土壤侵蚀率将比20世纪80年代增加14%（Yang等人，2003年），其中人为活动的加剧是主要驱动因素（Falta等人，2025年）。以往的研究主要集中在人为引起的土地利用变化对沟蚀的影响上，特别是在这些代表性地区，包括东北中国的起伏丘陵地带（将林地转为耕地后沟蚀率增加了5.56倍（Zhang等人，2022年）和低山丘陵地带（Wang等人，2024年）、大平原（Han等人，2022年；Thomas等人，2004年）以及乌克兰草原（Golosov等人，2018年）。然而，人为影响不仅限于土地利用变化，还包括特定土地利用方式的强化。例如，牧区的持续放牧压力可能通过正反馈机制加剧沟蚀。四大草原（欧亚草原、北美草原、潘帕斯草原和热带稀树草原）覆盖了全球陆地面积的10.25%，这些地区的沟蚀加速将增加其对全球土壤侵蚀的贡献。目前关于人类活动和气候对草地沟蚀过程影响的研究仍然有限。现有的研究仅关注了放牧强度、草地退化、基线气候条件和单一极端气候事件（Milazzo等人，2023年；Wilkinson等人，2018年）。因此，应更多关注草地生态系统中沟蚀的演变模式。
量化沟蚀生命周期各阶段（形成、扩展、稳定）的发展速率和主要控制因素，可以有效揭示沟蚀的演变规律（Wen等人，2021年）。尽管以往的研究在某些尺度上重建了沟蚀历史（Frankl等人，2012年；Guan等人，2021年；Zhang等人，2024年），但它们通常受到时间回顾窗口的限制，可获得的形态数据仅限于成熟阶段。沟头后退、沟宽增加和侵蚀深度是沟蚀生命周期演变的关键过程（Martínez-Casasnovas，2003年；Zhou等人，2023年）。值得注意的是，每个发展阶段都受主导过程的控制。利用当代沟蚀发展数据追踪沟蚀的形成过程，可以全面理解沟蚀的演变机制（Sidorchuk，1999年）。针对特定阶段的主导过程进行干预，可以打破关键控制因素之间的相互作用，从而减少土壤流失。短期监测数据集（<5年，来自实地调查和无人机观测）能够有效捕捉极端降水事件（Anderson等人，2021年）和工程干预（Addisie等人，2017年）对沟蚀率的短暂影响。然而，它们在解读侵蚀率的持续时间变化方面的能力有限。中期（5-15年）和长期（>15年）的高分辨率卫星遥感数据对于揭示沟蚀的长期演变过程和模式至关重要（Frankl等人，2019年；Li等人，2015年）。因此，多尺度遥感监测框架对于系统性的全生命周期分析至关重要。然而，遥感解释往往无法准确量化沟的深度和体积，限制了侵蚀强度的直接表示。沟体积（V）与二维形态参数（A）之间的幂律关系V=a·A^b（a和b为常数）已被验证为一种可靠的估算方法，适用于包括中国东北部黑土地区（Zhang等人，2022年）、黄土高原（Guan等人，2021年）和埃塞俄比亚高地（Frankl等人，2012年）在内的多个地区。
草地在全球生态系统稳定性调节中发挥着极其重要的作用。然而，随着对畜牧业需求的增加，人类活动显著加剧了对草地生态系统的干扰，导致草地的大规模退化，甚至出现了沟蚀（Wilkinson等人，2018年；图1）。例如，中国呼伦贝尔草原超过56%的草地已经退化，我们发现沟蚀的影响尤为严重，沟密度为0.27公里/平方公里，地面切割程度为0.094公里/平方公里（Guo等人，2024年）。该地区以阶梯状地形、过渡性地貌和形态多样性为特征，其沟蚀发展模式与其它地区不同。在中国畜牧业产品需求不断增加（Ortega等人，2009年）和严重的土地利用冲突（人均草地面积0.33公顷，仅为全球平均水平的一半）的情况下，人为干扰的加剧可能会加速沟蚀的演变。因此，对这里沟蚀发展的历史研究对于量化人类活动和其他驱动因素的影响至关重要。这些发现将为制定可持续的土地管理策略提供依据，以减轻草地侵蚀的强度和风险。
鉴于上述问题，选择了呼伦贝尔草原的一个103平方公里流域，通过多时相遥感图像（1973年、1983年、2011年、2020年，空间分辨率为0.6-1.2米）来分析沟蚀的历史演变过程及其影响因素。本研究的新颖之处在于它全面量化了近五十年来草地生态系统中的沟蚀演变，并阐明了自然和人为因素及其耦合效应的贡献。本研究旨在：（1）调查1973-1983年、1983-2011年、2011-2020年期间的沟数量和形态变化；（2）阐明沟长度、沟宽以及沟面积和体积侵蚀率的时间动态；（3）量化地形、气候和人类活动因素对沟蚀发展的影响和贡献。
研究区域
研究区域（103平方公里，北纬48.30°-48.45°，东经119.35°-119.45°）位于中国内蒙古自治区呼伦贝尔草原的中部（图1a）。地形起伏平缓，西高东低（660-820米）。气候属于中温带大陆性草原类型，冬季寒冷漫长，夏季温和，降雨和热量分布同步。年均降水量为250-350毫米（其中70%发生在7月至8月），约10%为降雪。
土地利用变化
图2显示了1973年、1983年、2011年和2020年不同土地利用类型的空间分布，包括草地、建成区、沟蚀、道路和湿地。图2(e)以及表S4、表S5和表S6进一步说明了这三个时期内的土地利用变化。这些变化相对简单，主要是草地转化为其他土地利用类型。1973年，草地占研究区域的96.89%。到1983年，草地覆盖率
草地生态系统中的沟蚀形成与发展
研究区域的沟蚀数量从1973年的3条增加到2020年的162条，表明侵蚀强度随时间增加。这表明在20世纪70年代之前可能几乎没有沟蚀。1973-1983年间，沟蚀变化仅由新形成的沟（NFG）引起；1983-2011年间，沟蚀变化由新形成的沟（NFG）和消失的沟（人工填充）共同作用所致。2011-2020年间，除了NFG外，还出现了沟的合并（MG）。值得注意的是，NFG的数量在这三个时期分别以每年2.72条、4.32条和6.22条的速度增加。
结论
本研究描述了呼伦贝尔草原沟蚀的历史演变过程，并量化了其驱动因素的贡献。1973-2020年间，沟蚀加剧，沟的数量、形态、密度和地面切割程度均有所增加。沟蚀造成的累积土壤流失厚度达到1.55毫米。2011-2020年间，沟的长度、面积和体积的平均侵蚀率高于1973-1983年和1983-2011年期间。沟的合并（MG）
作者贡献声明
肖志才：撰写——初稿、验证、软件、方法论、调查、数据管理。郭明明：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。徐金忠：资源、方法论、调查。张行毅：监督、资源、方法论、调查、概念化。陈卓欣：软件、资源、方法论、调查、数据管理。刘欣：软件、方法论、调查、形式化
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42477381）和中国科学院东北地理与农业生态研究所青年科学家团队项目（2023QNXZ03）的支持。
