黄土高原洞穴形成和扩张的混合机制

洞穴作为一种独特的地貌现象，广泛分布于我国黄土高原（图1-2）。洞穴的形成和扩张会造成显著的土壤侵蚀，还能运移流域近一半的径流和泥沙，是黄土高原水土流失不可忽视的地貌过程。在当前的研究中，洞穴发育机制多通过单点观测开展定量分析，洞穴分布特征则多基于广泛的野外调查，然而针对洞穴发育规律的空间变化及其控制因素，尚缺乏系统的定量研究。基于上述原因，本文在黄土高原选择了9个洞穴发育程度和环境条件存在显著差异的区域（图3），开展了无人机航测，结合野外调查验证、土样采集与理化性质分析，定量分析了洞穴发育程度（洞穴密度和平均轮廓面积）的空间变化，及其与多种环境要素的关系，最终提出了黄土高原洞穴的形成与扩张机制：洞穴的形成由地表径流机械冲蚀驱动，扩张由溶蚀驱动，两种过程存在对地表径流的争夺，并导致了洞穴密度与平均轮廓面积的负相关关系。

图片1  山坡上发育的洞穴（拍摄时间：2018年8月14日，拍摄地点：兰州市永登县，拍摄人：耿豪鹏）

图片2  近处拍摄的洞穴照片（拍摄时间：2023年4月16日，拍摄地点：甘肃省定西市临洮县，拍摄人：徐婉莹）

图3  本文在黄土高原选取了9个洞穴发育程度不同（绿色越深表明区域洞穴发育程度越高，洞穴发育程度的空间分布图修改自Peng et al (2018)的文章）的研究地点，分别位于兰州市永登县（YD）、兰州市榆中县（YZ）、定西市临洮县（LT）、中卫市海原县（HY）、吴忠市同心县（TX）、庆阳市环县甜水镇（TST）、庆阳市环县平顶山（PDM），延安市洛川县（LC），临汾市吉县（JC）。

黄土高原的洞穴密度总体上呈现出西高东低的特征，与Peng et al. (2018)得到的调查结果基本一致；而洞穴平均轮廓面积总体呈现出西小东大的特征。黄土洞穴发育特征在不同区域虽然差异显著，但其发育位置在不同区域之间却存在相似之处。洞穴主要分布在沟谷中以及地形湿度指数（TWI）较高的位置（图4），同时倾向于发育在流水汇聚地形和凹形坡上（图5）。上述地形特征均有利于地表径流的汇集，表明洞穴的形成可能是由地表径流引起的。我们同时发现洞穴密度与饱和导水率之间存在负相关关系（图7a）。饱和导水率越高，意味着单位时间内水更容易下渗，地表径流减少，此时洞穴密度更小，表明洞穴形成可能是由地表径流机械冲蚀驱动的。此外，我们发现碳酸盐含量与洞穴密度之间存在显著的正相关关系。碳酸盐作为黄土中重要的胶结物质，其溶解会破坏土壤团聚体，因此，碳酸盐含量可能决定了区域洞穴发育的难易程度，这同时也表明溶蚀在洞穴形成中也发挥了重要作用。

图4  永登县洞穴在无人机正射影像（a）和地形湿度指数（TWI）图层（b）上的具体分布位置，其中洞穴主要分布在沟谷中和TWI较高的位置（其余8个区域洞穴也有相似的空间分布特征）。

图5  洞穴发育的地形特征（由于洛川县和吉县洞穴数量太少，在统计地形特征时删除了这两个研究点，其中：a为坡度、b为上坡汇水面积、c为地形湿度指数、d为平面曲率、e为剖面曲率），洞穴倾向于发育在流水汇聚地形（平面曲率>0）和凹形坡上（剖面曲率>0）。

洞穴密度与平均轮廓面积之间呈现出显著的负相关关系（图6），这表明洞穴的形成与扩张机制可能不同。当饱和导水率较高时，地表水更容易下渗，从而促进黄土湿陷，本文此时洞穴轮廓面积更大（图7c），表明洞穴扩张可能受溶蚀作用驱动。当洞穴形成后，洞穴可以截留地表径流，截留的这部分水通过下渗进一步促进洞穴扩张，同时使得流向下坡的地表径流减少，抑制下坡洞穴的形成。洞穴形成和扩张对地表径流的争夺，导致了洞穴密度与平均轮廓面积的负相关关系（图6）。

图6  区域洞穴密度与平均轮廓面积的散点图

图7  洞穴发育程度（a-b为洞穴密度，c-e为平均轮廓面积）与环境要素（a、c为饱和导水率，b为碳酸盐含量，c为年均降雨量，d为NDVI）的散点图

  本文发现饱和导水率与降雨量之间存在显著的正相关关系，因此，降雨量的增加不仅有利于洞穴的形成，同时还会促进洞穴的扩张。降雨量小于400mm/yr的区域，降雨后有限的地表径流主要通过机械冲蚀促进洞穴形成。降雨量(NDVI)大于400 mm/yr（0.35）的区域，植被通过延长地表径流的下渗时间，可以增加径流下渗，促进溶蚀作用，使得溶蚀扩张过程主导了洞穴的发育。由于不同区域洞穴侵蚀的主导过程不同，黄土高原植被恢复对洞穴侵蚀的影响可能需要分区域具体分析。

文章信息：

Geng, H., Xu, W., Zheng, W., Gao, X., & Pan, B. (2023). A hybrid mechanism for the initiation and expansion of loess caves across the Chinese Loess Plateau. Land Degradation & Development, 34(11), 3329–3339.

https://doi.org/10.1002/ldr.4686

参考文献：

Peng, J., Sun, P., Igwe, O., & Li, X. a. (2018). Loess caves, a special kind of geo-hazard on loess plateau, northwestern China. Engineering Geology, 236, 79-88.

https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.08.012

Verachtert, E., Van Den Eeckhaut, M., Poesen, J., & Deckers, J. (2010). Factors controlling the spatial distribution of soil piping erosion on loess-derived soils：A case study from central Belgium. Geomorphology, 118(3-4), 339-348.

https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2010.02.001