综述：沟头活动：概念、评估以及用于稳定过程建模的综合框架

《Soil and Tillage Research》：Gully head activity: Concepts, assessment, and an integrated framework for stabilization process modelling

景观不稳定性和土壤侵蚀的关键指标沟头活动（GHA）存在时空尺度上的概念碎片化与评估方法割裂问题。本文提出整合地貌阈值与海拔积分（SI）的时空动态框架，量化沟头发育阶段（T）与剩余发展潜力（D），揭示沟头活动从活跃发育到终极稳定的连续演变过程。通过中国东北平原和黄土高原的验证，该框架可区分不同地质地貌与土地利用条件下的沟头发育轨迹，为侵蚀易发区划与精准治理提供动态评估依据。

　　

Jiaxi Wang|Juying Jiao|Junyang Lu|Hanyuan Sheng|Kunheng Li

中国西北农林大学水土保持科学与工程学院（水土保持研究所）水土保持与荒漠化控制国家重点实验室，杨陵712100

摘要

沟头活动（GHA）是景观不稳定性和土壤侵蚀的关键指标，然而现有的概念和评估方法在不同时间尺度上仍然存在碎片化现象，并且缺乏对长期稳定过程的明确表述。本综述综合了沟头形态、地形阈值、沟头退缩速率、侵蚀敏感性以及短期侵蚀子过程的最新研究成果，同时指出了关键的概念和方法论空白。现有的长期（如高程积分分析、基于阈值的稳定性评估）、中期（退缩速率和敏感性评估）和短期（基于过程和证据的现场标准）方法虽然能够捕捉到GHA的互补方面，但未能描述从活跃发展到最终稳定的连续过渡过程。为了解决这一空白，我们提出了一个综合的时空框架，将地形阈值与高程积分（S_SI）相结合，以共同量化沟头的时间发展阶段（T）和剩余发展潜力（D）。在中国东北平原和黄土高原的应用表明，该框架能够揭示沟头活动的阶段依赖性变化，并区分不同地貌和土地利用条件下的发展轨迹。通过将GHA评估从静态分类转变为动态演化解释，该框架为诊断沟头不稳定性、确定易侵蚀地点以及针对沟头发展不同阶段制定管理策略提供了过程导向的基础。此外，它还为探索沟头对环境变化的响应以及支持在气候变化和土地利用条件变化下的针对性侵蚀减缓提供了概念基础。

引言

土壤侵蚀对全球土地退化构成了重大威胁（Borrelli等人，2020年）。作为最严重的形式之一，沟蚀会导致显著的现场和场外影响。现场影响包括直接的土地流失、耕地面积和土壤质量下降、地下水位降低以及基础设施损坏。场外影响则涉及集水区水文变化的潜在影响、从坡地上游到流域出口的径流和沉积物连通性的变化，以及由于沉积物堆积导致的下游水库容量减少（Vanmaercke等人，2021年）。降水尤其是极端降雨事件期间的降水是沟蚀的主要驱动因素（Poesen等人，2003年；Vanmaercke等人，2016年）。此外，鉴于全球气候变化下极端降雨的加剧（Yin等人，2018年；Moustakis等人，2021年），沟蚀的风险预计会增加（Valentin等人，2005年；Li和Fang，2016年；Vanmaercke等人，2016年；Zhang等人，2019a年）。

根据美国土壤科学学会（SSSA）的定义，沟蚀是指“由集中、间歇性的水流在未固结材料中侵蚀形成的狭窄通道，通常发生在强降雨期间或冰/雪融化之后”（https://www.soils.org/publications/soils-glossary/），它是水蚀作用形成的关键地貌类型。在流域尺度上，沟蚀占总沉积物产量的很大比例（Poesen等人，2003年；Vanmaercke等人，2012年）。沟蚀主要由三个过程主导：沟头退缩、侧壁扩展和河床切割（Blong等人，1982年；Sidorchuk，1999年；Kirkby和Bracken，2009年；Vanmaercke等人，2016年；Vanmaercke等人，2021年）。其中，沟头退缩通常是活动最强烈的部分（Zhu等人，2014年）。以往的研究广泛探讨了沟头退缩速率（Vanmaercke等人，2016年）、沟头形成的地形阈值（Torri和Poesen，2014年）以及沟头敏感性（Vanmaercke等人，2021年）。这些方面的研究有助于理解沟头活动。然而，目前仍缺乏将不同研究方面整合起来形成对沟头活动统一理解的综合性综述。

沟头活动在不同时空尺度上的概念有所不同。在地质时间尺度上，沟头活动与地貌演化阶段密切相关（Strahler，1952年）。在中期尺度（数年至数十年）上，沟头活动表现为当前的沟头切割退缩和相关的沉积物产生（Poesen等人，2003年；Vanmaercke等人，2016年；Garosi等人，2019年）。在短期尺度（降雨事件到季节周期）上，沟头活动通过特定环境条件下的水力机械控制来体现沟头切割的稳定性。这种观点基于边坡稳定性的岩土工程原理，通常采用耦合的水力机械方法进行框架构建，例如安全系数（FS）分析（Collison，2001年；Allen等人，2017年）。

目前评估沟头活动的方法仍受到不同方面和概念碎片化的限制。地貌演化指数和地形阈值倾向于描述沟头活动的长期阶段，但缺乏与详细沟蚀子过程的机制联系（Strahler，1952年；Montgomery和Dietrich，1994年）。沟头退缩速率或敏感性制图可以量化中期的沟头活动，但常常忽略沟头发展阶段和稳定过程（Sidorchuk等人，2003年；Vanmaercke等人，2016年；Belayneh等人，2023年）。短期方法通过物理建模或基于现场的标准来解决子过程的机制问题，但难以与长期的沟头动态联系起来（Oostwoud Wijdenes等人，2000年；Alonso等人，2002年；Istanbulluoglu，2005年）。这种概念和方法上的碎片化阻碍了对沟头活动的系统描述，妨碍了从沟头形成到稳定的整个稳定过程的理解，最终阻碍了对沟头活动作为动态演化过程的理解。

基于对概念和评估方法的最新综述，我们提出了一个描述沟头稳定过程的框架，并通过两个案例研究展示了其适用性。具体来说，第2节回顾了不同研究方面下沟头活动的概念基础。第3节评估了不同时间尺度上评估沟头活动的方法，包括沟头形态、地形阈值、沟头退缩、侵蚀敏感性和沟蚀子过程。在此基础上，第4节进一步介绍并展示了一个综合的沟头活动过程评估框架。第5节总结了本文。

部分内容摘录

沟头活动的概念

为了全面理解沟头活动，我们使用了Web of Science（WOS）核心数据库（https://webofscience.com/）进行了广泛的文献回顾，涵盖了1985年至2025年的出版物。使用“（Gully head OR gully headcut OR gully development OR gully initiation OR gully head erosion）AND (active gully OR stable gully OR gully head activity OR gully head stability)”这一检索标准，共找到了377篇相关出版物。

沟蚀作为...

长期尺度评估

关于沟头形态和地形的研究为从地貌演化角度评估沟头活动提供了理论基础。因此，评估方法主要源于长期尺度上的地貌演化理论，如高程积分（Strahler，1952年）、地理相似性量化（Ai，1987年）和基于A-S的地形阈值（Torri和Poesen，2014年）。

这些理论方法得到了先进的地貌测量技术和数字地形分析（DTA）技术的补充...

沟头稳定过程的综合建模框架

尽管在沟头研究方面取得了显著进展，但现有的评估方法在不同时间尺度上仍然存在碎片化现象。因此，当前的方法很少能够以综合的方式描述沟头的稳定过程。为了解决这一空白，我们提出了一个时空框架，该框架能够同时量化沟头的空间剩余发展潜力和时间发展阶段，从而实现对沟头稳定过程的明确建模。

结论

本综述综合了沟头活动（GHA）的概念和方法论基础，涵盖了沟头形态、地形阈值、沟头退缩、沟头敏感性和沟蚀子过程。现有方法涵盖了多个时间尺度：长期方法（如高程积分、地形阈值和基于DEM的地形分析）侧重于地貌演化；中期评估依赖于退缩速率和敏感性；而短期...

作者贡献声明

Junyang Lu：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件开发、调查、数据分析。Juying Jiao：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取、概念构思。Jiaxi Wang：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、资金获取、数据分析、数据管理、概念构思。Kunheng Li：软件开发、调查、数据分析。Hanyuan Sheng：验证、调查、数据分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42407461、U2243213）、中国高校科研基金（项目编号：2452024019、2452023071）以及河南省水资源科学技术研究项目（项目编号：GG202416）的支持。作者感谢张艳教授在东北地区宾县流域的野外调查和数据处理方面的协助。