東北典型黑土區(qū)南部侵蝕溝與地形要素之間的空間分布關(guān)系

李 飛，張樹文，李天奇

(1. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長春130021;2. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130102)

1 引 言

溝狀侵蝕是我國東北黑土區(qū)一種比較常見的土壤侵蝕類型。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的日趨惡化，又導(dǎo)致水土嚴(yán)重流失，侵蝕溝惡性擴(kuò)張［1］，形成了一個惡性循環(huán)。這就要求必須對東北侵蝕溝進(jìn)行全面的研究，以打破這個惡性循環(huán)，保障國家糧食安全。

目前，對東北黑土區(qū)侵蝕溝的研究主要集中在黑土區(qū)的北部。在克拜地區(qū)的研究表明，人為活動不合理和地形地貌特征的差異是影響侵蝕溝分布格局變化的最重要因素［2］。閆業(yè)超等人探討了克拜東部黑土區(qū)侵蝕溝分布的空間格局特征及其影響因素，認(rèn)為造成該地區(qū)侵蝕溝密度東西差異的重要原因之一是地貌發(fā)育過程中的“分水嶺遷移”現(xiàn)象［3］。還有學(xué)者根據(jù)在我國黑土區(qū)北部的研究指出侵蝕溝發(fā)育的臨界坡度有逐年上升的趨勢［4］，即侵蝕溝隨著耕種年限的增加正在向高坡度地區(qū)擴(kuò)張。

而在東北黑土區(qū)的南部，由于對其重視的不足，侵蝕溝的研究相對較少，因此選取位于東北黑土區(qū)南部的九臺地區(qū)進(jìn)行研究，可以更加全面準(zhǔn)確的總結(jié)分析影響中國東北侵蝕溝發(fā)生發(fā)展的因素，以便當(dāng)?shù)卣扇「鼮楹侠碛行У姆乐未胧瑴p緩侵蝕溝對耕地的吞噬。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 典型區(qū)選擇

九臺市地處吉林省中部的長春平原，位于東經(jīng)125°25'～126°30'，北緯43°51'～44°32'之間，屬于松遼平原與長白山的過渡地帶，是季風(fēng)區(qū)中溫帶半濕潤地區(qū)，見圖1。四季分明，屬于大陸性氣候。春季多風(fēng)、干燥、升溫快;夏季濕熱、多雨;秋季涼爽、溫和、降溫快;冬季寒冷、漫長、降雪多。溫度最高月均溫出現(xiàn)在7 月，為23.3 ℃，最低月均溫出現(xiàn)在1 月，為－16.3 ℃，年均氣溫為5.3 ℃。全年盛行西南風(fēng)，年平均風(fēng)速2.8 m·s－1。地勢呈東向西北傾斜走勢。

選擇吉林省九臺市作為典型研究區(qū)主要是考慮:①該地區(qū)位于東北典型黑土區(qū)東南部邊緣，研究該地區(qū)的侵蝕溝發(fā)生發(fā)展，可以對整個黑土區(qū)的研究起到補(bǔ)充作用，更好的揭示影響黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)生發(fā)展的因子;②該地區(qū)位于長白山與松遼平原的過渡地帶，地形起伏相對較大，坡地所占面積大于研究區(qū)總面積的90%，侵蝕溝分布廣泛，是東北黑土區(qū)土壤侵蝕較嚴(yán)重的地區(qū)之一。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Research area

2.2 數(shù)據(jù)來源

利用遙感影像來研究當(dāng)前侵蝕溝的分布狀態(tài)，為了突出溝蝕信息，選擇的影像數(shù)據(jù)是由研究區(qū)2009年SPOT5 (分辨率為2.5 m)全色和多光譜(分辨率為10 m)融合而成的最高空間分辨率為2.5 m 的模擬真彩色影像(2009－04－29)。再用1∶5 萬地形圖作為參考，對遙感影像進(jìn)行幾何糾正，將誤差控制在一個像元以內(nèi)。

地形數(shù)據(jù)主要來源于研究區(qū)的DEM 數(shù)據(jù)，其分辨率為90 m。

3 地形要素的獲取與侵蝕溝的空間分布分析

以建立的解譯標(biāo)志為基礎(chǔ)，結(jié)合野外調(diào)查，對研究區(qū)的侵蝕溝進(jìn)行了目視解譯，得到侵蝕溝在研究區(qū)內(nèi)的分布圖，見圖2。

主要研究地形各要素對侵蝕溝分布的定性分析，以及在地形要素不同的空間組合下，探討侵蝕溝的空間分布規(guī)律。主要選取了坡度、坡向、坡形3 個因子，對侵蝕溝的分布進(jìn)行了分析。

圖2 侵蝕溝分布圖Fig.2 Erosion gully distribution

3.1 侵蝕溝的坡度分異

坡度是地貌形態(tài)特征的主要因素。地表徑流產(chǎn)生的能量受徑流量和流速的影響，而徑流量和流速的大小主要取決于徑流深和地面坡度。因此，坡度直接影響徑流的沖刷能力。

基于ArcGIS9.2 軟件的3D 分析模塊，以研究區(qū)DEM 作為數(shù)據(jù)源，建立了研究區(qū)的數(shù)字坡度模型。

大量的研究資料表明，在小于一定坡度時(黃土高原通常為25°或28°)，侵蝕量隨坡度的增大而增加，而當(dāng)坡度大于這個數(shù)值時，侵蝕量呈減小趨勢［5－7］。研究區(qū)地形具有坡長坡緩的特點(diǎn)，坡度一般小于7°。為了研究坡度與溝蝕裂度的關(guān)系，運(yùn)用ArcGIS 軟件，利用DEM 生成的坡度圖按照0°～1°、1°～2°、2°～3°、3°～4°、4°～5°、5°～6°、6°～7°、＞7°分為8 個級別，轉(zhuǎn)成矢量圖斑，然后將其與侵蝕溝裂度圖疊加，求算不同坡度等級上的侵蝕溝裂度，見圖3。

侵蝕溝裂度隨坡度的增加總體上呈先增大后減小的趨勢。侵蝕溝裂度的最大值出現(xiàn)在4°～5°的坡度范圍內(nèi)，為1 617.54 m2·km－2。當(dāng)坡度小于5°的情況下，侵蝕溝的裂度隨坡度的增加而增加，坡度大于5°時，侵蝕溝裂度隨坡度增加而減小。其原因是，5°以下的土地利用方式主要是耕地，5°以上的土地主要用作林地，人類的耕作，改變了土壤的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及性質(zhì)，因而侵蝕溝較為發(fā)育。對于大于5°的坡面，坡度大小已經(jīng)不是制約侵蝕溝形成的主要因素，侵蝕溝的形成更多地受坡形、坡向、匯水面積、地形起伏度等其他因子的影響［3］。

東北地區(qū)侵蝕溝的臨界坡度明顯小于黃土高原上的臨界坡度，這主要因為兩地區(qū)的耕種歷史存在差異，黃土高原已有兩千多年的耕種歷史，而東北黑土區(qū)大范圍的土地耕種主要集中在最近一百年的時間里，且其耕地主要分布在5°以下較為平緩的坡上，因而東北黑土區(qū)侵蝕溝的臨界坡度比黃土高原小。另外，閆業(yè)超、張樹文等學(xué)者對黑龍江克拜黑土區(qū)50 多a 來侵蝕溝的時空變化進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明坡度越大的地區(qū)侵蝕溝增加幅度越大，坡度大于4.5°的地區(qū)，1945 年侵蝕溝密度呈減少趨勢，而2000 年呈明顯增加趨勢［4］。這反映了東北地區(qū)人類活動對侵蝕溝發(fā)生發(fā)展的影響，人口增加，人類不斷將較陡的荒地開墾為耕地，破壞了原來的土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，致使侵蝕溝的臨界坡度有上升的趨勢。

圖3 侵蝕溝坡度分異圖Fig.3 Slope differentiations of erosion gully

3.2 侵蝕溝的坡向分異

坡向作為一個比較重要的地形因子，它決定地表徑流流向，影響地面太陽光能量的再分配，是影響地理景觀的主要因素之一。坡向?qū)η治g的影響主要是水熱條件和降雨量的差異造成植被生長狀況和土地利用的不同，導(dǎo)致土壤侵蝕強(qiáng)度的不同［8］。

基于ArcGIS 9.2 軟件的3D 分析模塊，以研究區(qū)DEM 為數(shù)據(jù)源，建立了研究區(qū)的數(shù)字坡向模型。依據(jù)表1，將研究區(qū)坡向分成北(N)、東北(NE)、東(E)、東南(SE)、南(S)、西南(SW)、西(W)、西北(NW)8 個坡向，轉(zhuǎn)成矢量圖斑，然后將其與侵蝕溝裂度圖疊加，求算不同坡向上的侵蝕溝裂度，見圖4。

由于坡向的不同，土壤水分、汛期暴雨風(fēng)向、植被生長條件及降雨侵蝕力均存在差異，使土壤侵蝕方式和強(qiáng)度在不同坡向上存在明顯的不對稱性。由圖可見，陽坡溝蝕裂度明顯大于陰坡，南坡的侵蝕溝裂度大于北坡，東南坡的侵蝕溝裂度大于東北坡。造成如此分布的原因主要有以下幾個方面:①該地區(qū)地形走向為西南—東北走向，不同坡向上的平均坡度存在著差異，南坡西坡以及西南坡坡度相對較大;②太陽輻射強(qiáng)度的不同，陽坡接受的太陽輻射總量比陰坡大，土壤晝夜溫差也相對較大，凍融作用也就比陰坡強(qiáng)［9－10］，加上陽坡春季積雪融化較快，水流相對集中，造成陽坡侵蝕比陰坡嚴(yán)重，侵蝕溝裂度較大;③該地全年盛行西南風(fēng)，南坡、西南坡、西坡是迎風(fēng)坡，受到的風(fēng)蝕要比其他坡嚴(yán)重，造成侵蝕溝較為發(fā)育，另外，閆業(yè)超等人的研究指出，風(fēng)向還影響雨滴和坡面的夾角，從而影響對土壤的侵蝕;④很多侵蝕溝已經(jīng)切穿耕地，是基巖裸露，受太陽輻射、風(fēng)向和降水的影響，陽坡基巖的風(fēng)化速度和風(fēng)化率要比陰坡大，侵蝕溝得以進(jìn)一步的發(fā)展。

表1 坡向分級表Tab.1 Slope classification

3.3 侵蝕溝的坡形分異

圖4 侵蝕溝坡向分異圖Fig.4 Aspect differentiations of erosion gully

坡形直接影響地面徑流的分配和流速及其對地面物質(zhì)的侵蝕強(qiáng)度和侵蝕方式，是影響侵蝕溝發(fā)育的重要因子。如果一面坡的坡形是穩(wěn)定的、連續(xù)的，在DEM 數(shù)據(jù)的支持下可利用窗口分析中的鄰域分析法實(shí)現(xiàn)對不同坡面坡向的自動獲取。其公式為:

式中:Gij—窗口中心柵格的高程值;∑Gk—窗口中有效柵格的高程值之和;n—窗口中有效柵格的個數(shù)。

當(dāng)L ＞0 時，為凸形坡;當(dāng)L =0 時，為直形坡;當(dāng)L ＜0 時，為凹形坡［11］。在DEM 數(shù)據(jù)的支持下，用ArcGIS 軟件分別提取L ＞0、L=0、L ＜0 的區(qū)域，建立各自的數(shù)據(jù)圖層，并與侵蝕溝裂度圖疊加，得到不同坡形上侵蝕溝的裂度，如圖5。

圖5 侵蝕溝坡形分異圖Fig.5 Slope shape differentiations of erosion gully

在凹形坡上，侵蝕溝的裂度最大，為790 m2·km－2;在直形坡上，侵蝕溝的裂度最小，為324 m2·km－2。對于不同坡形土壤侵蝕特性的研究，國內(nèi)外研究并不很多，東北地區(qū)基本上屬于空白。于曉杰、魏勇明通過試驗，對不同坡形坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的影響研究得出，凹形坡的水流含沙量最大，凹形坡的侵蝕也最大，凸形坡的其次，直線形坡的最小［12］。因此，在凹形坡上侵蝕溝發(fā)生的幾率要大與其它坡形，其次是凸形坡，直形坡發(fā)生侵蝕溝的幾率最小。凹形坡的上部為直形或凸形坡，向下坡度變緩，有明顯的轉(zhuǎn)折處，其兩側(cè)為山脊，徑流向坡底匯集，形成集水洼地，坡面集水面積大，溝狀水流沿坡面向下匯集，在底部匯合后沖蝕最強(qiáng)烈，因而溝壑烈度最大。直形坡坡面較為平坦，徑流難以集中，多為坡面侵蝕，溝蝕較少。

3.4 不同地形要素組合下侵蝕溝空間分布的差異

自然界各地的地貌形態(tài)千差萬別，但無論如何不同，都是通過構(gòu)成地貌的基本要素，即坡度、坡形、坡向等空間組合結(jié)構(gòu)影響土壤侵蝕。因此，僅就坡度、坡向、坡形3 個因子，作如下的定量分析。

由上述可知，坡度在4°～5°范圍內(nèi)，侵蝕溝裂度出現(xiàn)了最大值，就這一坡度，分析不同坡向、坡形組合對侵蝕溝裂度的影響。從研究區(qū)的坡度圖中提取出4°～5°范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，與坡形圖、坡向圖3 層數(shù)據(jù)疊加在一起，在分別提取不同坡形、坡向組合的侵蝕溝裂度信息，見圖6。

圖6 4°～5°的坡度時不同地形組合下的侵蝕溝裂度圖Fig.6 Gully density under different terrain combination on 4 °～5 ° slope (m2·km －2)

在同一坡度時，不同坡向上的侵蝕溝裂度有很大差異，不同坡形上的侵蝕溝裂度也大不相同。同一坡度、坡形時，不同坡向之間的侵蝕溝裂度差異很大，同一坡度、坡向時，不同坡形上的侵蝕溝裂度也相差很多。在凹形西坡上，侵蝕溝的裂度最大，為1 480 m2·km－2。從總體上看，凹形坡與陽坡組合的地區(qū)侵蝕溝裂度最大，與前文研究相符合，這和研究區(qū)的山勢走向有關(guān)。研究區(qū)山勢近南北走向，東側(cè)為山地，西側(cè)是松遼平原，而且研究區(qū)全年盛行西南風(fēng)，陽坡為迎風(fēng)坡，風(fēng)蝕作用較強(qiáng)，另外，受太陽輻射、凍融作用以及降雨匯流的綜合影響致使凹形陽坡遭受的侵蝕最為嚴(yán)重［7］。

在北坡和西北坡上，凸形坡的侵蝕溝裂度要大于凹形坡，分別為1 132 m2·km－2和952 m2·km－2，這表明雖然總體上來凹形坡比凸形坡更容易產(chǎn)生侵蝕溝，見圖6。但是，在研究區(qū)范圍內(nèi)的陰坡上，凸形坡易被侵蝕，而在陽坡上，凹形坡較易被侵蝕。其原因是，受坡面復(fù)雜度的影響，北坡和西北坡上，凸形坡受到的太陽輻射較凹形坡多，凸形坡上的積雪融化也相對較快，凍融作用較強(qiáng)，凍脹力、凍結(jié)深度都很大，產(chǎn)生較多的裂紋，導(dǎo)致在北坡和西北坡上，凸形坡上的侵蝕溝裂度比凹形坡上的裂度要大。

在西南坡上，直形坡的裂度大于了凹形坡和凸形坡，其具體原因尚未明晰，但應(yīng)與直形坡的樣本面積太小有著聯(lián)系。在不同坡形、坡向組合的各類型坡中，直形西南坡的面積最小，僅3.82 km2，而西南坡又是研究區(qū)易于發(fā)生侵蝕的坡向，所以，當(dāng)直形西南坡上有很小的侵蝕量的時候，其裂度也能達(dá)到一個較高的值。

4 結(jié) 論

在遙感和GIS 的支持下，以高分辨率影像SPOT 5 作為數(shù)據(jù)源，獲取了吉林省九臺市的侵蝕溝數(shù)量、侵蝕溝裂度、侵蝕溝面積等數(shù)據(jù)，從研究區(qū)坡度、坡向、坡形、坡面復(fù)雜度等方面進(jìn)行了侵蝕溝的分異規(guī)律分析，得到如下結(jié)論:①研究區(qū)土壤侵蝕受坡度、坡向、坡形、土壤類型等因素的影響，具有明顯的地形分異規(guī)律。表現(xiàn)為:侵蝕溝裂度隨坡度增加先增大后減小，坡度在5°以上時，侵蝕溝的發(fā)育受到坡長、匯水面積、土地利用方式等因素綜合作用的影響，坡度已不是侵蝕溝發(fā)育的主要因素;在不同坡向上，土壤侵蝕表現(xiàn)為陽坡高于陰坡，迎風(fēng)坡高于背風(fēng)坡的特點(diǎn);在凹形坡上，最易于侵蝕溝的發(fā)生;土壤類型不同時，侵蝕溝的裂度也有所不同。②不同地形要素的組合時，侵蝕溝的裂度有很大差異。研究區(qū)內(nèi)，4°～5°的坡度時，在陰坡上，凸形坡易被侵蝕，而在陽坡上，凹形坡較易被侵蝕。所以在治理研究區(qū)內(nèi)的侵蝕溝時，應(yīng)重點(diǎn)治理凹形陽坡與凸形陰坡。

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