作为我国商品粮最大生产基地的东北黑土区,是我国水土流失严重区域之一,水土流失威胁该区域农业可持续发展及国家粮食安全。在土地退化最严重表现形式的切沟侵蚀方面,东北黑土区仅次于我国黄土高原,已引起国家关注。然而东北黑土区切沟侵蚀研究起步晚,主要集中在基于遥感解译的切沟分布及危害评价,切沟侵蚀形成发育特征及外营力驱动机制研究薄弱,尚难以对切沟防治提供有效的科学支撑。在国家重点研发计划“东北黑土区侵蚀沟生态修复关键技术研发与集成示范”项目支持下,本论文选取漫川漫岗黑土区处于活跃发展阶段的典型切沟为研究对象,利用无人机摄影为核心的天地一体化空间测量和原位系统观测等方法,研究了切沟形态特征,界定了切沟发展活跃部位并对投影面积和体积进行了量化,深入解析了降雨、融雪、冻融、重力等不同侵蚀营力对东北黑土区切沟这一发展过程的驱动作用。取得的主要研究结果如下:(1)构建了适用于东北黑土区切沟立体形态天地一体化精准快速测量技术。基于天地一体化测量技术,通过对无人机搭载相机像素、飞行高度、拍摄角度、图像重叠度、地面控制点数量与布设位置等系统对比试验,得出无人机镜头2000万像素、飞行高度10m、影像重叠率70%、地面控制点5个以上条件下,X、Y、Z三个方向的观测误差分别为0.3cm、2.3cm和1.6cm,数据满足1:1000地形图制图要求及切沟立体形态监测定量化精准分析研究需要。综合考虑效率、精度、操作及数据处理难易程度及成本等多方面原因,应用“悟2”无人机结合地面控制点,监测综合效果最优,具有高效率、高精度、无接触的优点。(2)降雨是东北黑土区切沟发育的最主要驱动力,对切沟发育影响最大。东北黑土区侵蚀性降雨绝大多数发生在6-8月期间,2019年降雨期间,沟头溯源侵蚀2.6 m,平均沟深增加0.21 m,两侧沟岸扩张平均宽度为1.61m,切沟投影面积增加46.8m2,体积增加56.4m3。切沟形态变化主要集中于近沟头端,长度约为切沟发展段总长度的1/3。雨季切沟汇水区土壤侵蚀模数1063 t·km-2a-1,超过东北黑土区土壤容许流失量5倍,切沟侵蚀强度属剧烈侵蚀,近80%的径流泥沙来自于切沟侵蚀,表明切沟是研究区产沙的最主要来源。(3)融雪侵蚀是东北黑土区切沟发育不可忽视的因素,但对坡面侵蚀影响不明显。受冬季风力的影响,试验切沟汇水区内积雪分布存在空间异质性。2017年春季融雪历时6天,融雪期间切沟投影面积增加56.7 m2,占原切沟投影面积4.85%;沟头溯源侵蚀2.3 m,占原切沟长度2.98%。融冻初期径流量占融雪径流总量的92.2%,切沟汇水区土壤侵蚀模数为278 t·km-2 a-1,且98%以上的泥沙来自切沟侵蚀,表明融雪侵蚀主要作用于切沟。径流和输沙主要产生于融雪初期,径流流速与气温、泥沙含量与地温均显著相关,但径流流速与泥沙含量未表现出显著相关性。(4)重力和冻融对切沟侵蚀具有耦合作用,取决于各因素之间的相互作用和转换关系。东北黑土区切沟沟岸失稳主要表现形式包括受冻融作用形成的沟岸裂缝:2018年4月与2017年10月对比,裂缝总长度增加2.5倍,平均宽度8.0 cm,对比增加60%,平均深度26.3 cm,对比增加58.9%;受重力作用的沟岸融滑:2019年4月融雪结束后观测沟坡两侧共有7处融滑,总面积为254.9 m2,融滑平均落差29 cm,融滑土体所在临空面最小坡度为52°,平均坡度64°,临空面平均植被盖度为17%;受地表径流作用的沟坡融泄:多发生于坡度大于60°且植被盖度小于50%的坡面,2019年观测到典型融泄区域长度11.2 m,宽4.2 m,厚度约0.3 m,体积约为14.11m3,约为18.35 t;受冻融、径流和重力耦合叠加作用的沟壁融塌,发生融塌的坡壁坡度多接近或达到90°,甚至有部分沟壁呈内凹形态,冻融作用形成裂缝是前提,径流软化土体是基础,重力是发生沟壁融塌的直接驱动因素。重力和冻融对切沟发展的耦合作用受沟坡坡度影响显著,沟岸坡度决定着侵蚀的特点及强度;融雪引起的土壤含水量变化是小型重力、冻融耦合作用侵蚀重要的触发因素,植草发育对沟岸融泄有较好的抑制作用,但对于沟岸裂缝和沟岸融化影响较小。(5)黑土区侵蚀营力导致的表土剥离一旦达到或超过30cm深度,土壤侵蚀将加速。土壤物理及力学性状试验结果表明:随土层深度增加,土壤黏粒含量增大,容重增加,导致土壤透水性变差,有利于滞水层的形成,加剧壤中流对切沟发育的驱动作用。同时随着土层深度增加土壤抵抗侵蚀的能力显著降低。(6)植被及其根系的分布能够提高土壤的抗蚀性。相比于裸地,草地与剪草地从产沙开始到结束,都能有效的提高土壤的抗冲抗蚀性能。相较于大冲刷流量,低冲刷流量的产沙量随着时间的进程更早的趋向于平稳状态。植被覆盖能够使产沙量更早的达到的稳定状态且维持较低的水平上。林草措施具有减缓切沟发育的水土保持作用。上述结果表明,漫川漫岗黑土区沟道侵蚀严重,属剧烈侵蚀强度,且切沟侵蚀土壤流失量高于坡面侵蚀,即切沟侵蚀显著加剧水土流失;切沟发展主要表现在沟头溯源延伸和沟岸扩张两个方面,沟头溯源挺近,增加切沟的长度和投影面积,主要受降雨和融雪所形成的地表汇流冲刷所致,沟岸扩张,增加切沟宽度和投影面积,主要受冻融形成的沟岸裂缝、融雪和降雨形成的地表径流浸润、重力等共同驱动,具有耦合、叠加、互作的特点。基于切沟发展特征及外营力驱动机制,鉴于切沟发育最剧烈的时段为每年的6-8月及集中融雪期(3月中下旬),以及切沟发育变化主要为溯源侵蚀和长度约为切沟发展段总长度1/3的近沟头端的扩张,该区切沟的防治措施配置重点应放在沟头和沟岸稳固上,沟头防控应以导流和消力兼顾,沟岸防控应首先削坡降低比降,减少裂缝的形成和重力作用影响,栽植林草固坡,为更加有效的控制切沟发育,在其汇水区域应实施水土保持措施。