東北典型黑土區(qū)40年來(lái)溝蝕空間格局變化及地形分異規(guī)律

王 文 娟，鄧 榮 鑫，張 樹(shù) 文

東北典型黑土區(qū)40年來(lái)溝蝕空間格局變化及地形分異規(guī)律

王 文 娟1，鄧 榮 鑫2，張 樹(shù) 文3

（1.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)系，河南 鄭州 450002;2.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450011;3.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012）

以SPOT5和Corona影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，獲取了東北典型黑土區(qū)1965年和2005年的侵蝕溝分布數(shù)據(jù)，生成了侵蝕溝密度空間分布圖;基于1∶5萬(wàn)地形圖，插值求取DEM，提取了地形因子;最后，在GIS空間分析模塊支持下，分析典型黑土區(qū)40年來(lái)溝蝕空間格局變化及其地形分異規(guī)律。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)40年的開(kāi)發(fā)，研究區(qū)侵蝕溝密度劇增，且各等級(jí)侵蝕溝密度都出現(xiàn)向更高一級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)，呈現(xiàn)出以北西南東向?yàn)檩S心，從溝蝕劇烈增加區(qū)到微度增加區(qū)變化特征;溝蝕在垂直方向上具有層狀分布規(guī)律，在海拔250～275 m高度出現(xiàn)密度最大值，說(shuō)明崗坡地帶是黑土區(qū)溝蝕易發(fā)區(qū);坡度分異表明黑土區(qū)侵蝕溝出現(xiàn)向高坡度發(fā)展趨勢(shì);各坡向上侵蝕溝密度和動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顩r表明，在東北典型黑土區(qū)坡向不是影響侵蝕溝發(fā)育的首要因子。

溝蝕;侵蝕溝密度;空間格局;東北典型黑土區(qū)

土壤侵蝕是導(dǎo)致大范圍土地退化的主要因素，全球80%以上的土地退化是由土壤侵蝕引起［1］。東北黑土區(qū)是我國(guó)主要的商品糧基地，但目前土壤侵蝕不僅造成該區(qū)土層變薄、地力減退、溝壑增多、耕地減少，還加劇了水、旱自然災(zāi)害發(fā)生的頻率，該區(qū)逐漸喪失作為商品糧基地的“黑土”基礎(chǔ)，水土流失問(wèn)題已成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素，對(duì)國(guó)家的糧食安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［2，3］。

溝蝕已成為當(dāng)前黑土區(qū)土壤侵蝕研究的熱點(diǎn)，但與黃土高原相比，黑土區(qū)溝蝕研究起步較晚，研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。近期國(guó)內(nèi)雖有學(xué)者采用差分GPS技術(shù)對(duì)黑土區(qū)的切溝侵蝕進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，但研究的空間尺度通常較小（針對(duì)一條或幾條侵蝕溝），時(shí)間尺度一般為3～5 a［4－8］，對(duì)于較大時(shí)空尺度上溝蝕的空間分布格局及變化規(guī)律等問(wèn)題研究較少。本文以東北典型黑土區(qū)作為研究區(qū)，在遙感和GIS技術(shù)的支持下，采用高分辨率衛(wèi)星遙感影像Corona和SPOT5，對(duì)該區(qū)40年來(lái)溝蝕的空間分布格局變化及地形分異規(guī)律進(jìn)行分析，探討黑土區(qū)的溝蝕分布規(guī)律，為侵蝕溝治理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)位于黑龍江省中部，主要由烏裕爾河和訥謨爾河兩流域所涉及的東北典型黑土區(qū)構(gòu)成，總面積約2.3萬(wàn)km2，北起五大連池市，南止明水，東起北安市，西止富裕，位于小興安嶺西南麓，松嫩平原東北緣，是低山向平原的過(guò)渡地帶，屬東北漫川漫崗典型黑土區(qū)。研究區(qū)大部分土壤為典型黑土，草甸土、沼澤土主要分布在該區(qū)低洼濕地平原區(qū)。研究區(qū)海拔高程為150～600 m，其中東北部地勢(shì)起伏較大，屬丘陵區(qū);西南部為波狀起伏平原。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，寒暑變化明顯，年均氣溫0.2～1.5℃，年降水量550～600 mm（集中在7、8、9月），年均徑流深75 mm左右。區(qū)內(nèi)主要河流有烏裕爾河、訥謨爾河、雙陽(yáng)河、老萊河和潤(rùn)津河等，植被具有森林和草甸草原或草原化草甸相互交錯(cuò)分布的特點(diǎn)，屬于蒙古植物分布區(qū)。

以12景分辨率為2.5 m的模擬真彩色SPOT5影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源獲取2005年侵蝕溝數(shù)據(jù)。首先根據(jù)侵蝕溝影像光譜特征在室內(nèi)進(jìn)行預(yù)判;針對(duì)問(wèn)題，分別于2008年和2009年共進(jìn)行了20 d侵蝕相關(guān)信息的野外調(diào)查，結(jié)合侵蝕溝發(fā)育與分類理論，借助專家經(jīng)驗(yàn)，建立了侵蝕溝解譯標(biāo)志;以ArcGIS軟件為平臺(tái)，參考專家知識(shí)以及研究區(qū)1990年地形圖和其他資料，進(jìn)行人機(jī)交互判讀解譯，初步獲取了2005年侵蝕溝數(shù)據(jù);并于2009年進(jìn)行了6 d的侵蝕溝野外驗(yàn)證與補(bǔ)判工作，重新修正數(shù)據(jù)，獲得研究區(qū)2005年侵蝕溝分布數(shù)據(jù)，侵蝕溝解譯精度高于90%。

以21景20世紀(jì)60年代的Corona黑白影像（地面最佳解析度為2.75 m）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以SPOT5精糾正影像為參考圖像對(duì)其進(jìn)行精校正，在ArcGIS平臺(tái)上，結(jié)合影像紋理、大小、布局等地物特征，參考2005年侵蝕溝解譯數(shù)據(jù)、50年代地形圖及野外調(diào)查資料，獲取了1965年的侵蝕溝分布數(shù)據(jù)。對(duì)1990年匯編的1∶5萬(wàn)地形圖進(jìn)行數(shù)字化，獲取等高線和高程點(diǎn)，然后采用TOPGRID算法建立5＊5 m的DEM，據(jù)此提取高程、坡度和坡向因子。

2 溝蝕空間格局變化分析

本研究采用侵蝕溝密度（以單位面積上的侵蝕溝總長(zhǎng)度度量）作為侵蝕動(dòng)態(tài)分析的指標(biāo)，它反映地表的破碎程度和土壤侵蝕的劇烈程度［9］。采用格網(wǎng)插值的思想，對(duì)研究區(qū)建立10 km網(wǎng)格，求取各網(wǎng)格內(nèi)溝蝕密度，然后進(jìn)行Kriging空間插值，可得侵蝕溝密度空間分布圖，并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)（圖1）。從圖1可知，1965年研究區(qū)侵蝕溝密度為0～379.17 m/km2，而2005年增至0～1 150.7 m/km2，可見(jiàn)，典型黑土區(qū)經(jīng)過(guò)40年的開(kāi)發(fā)，侵蝕溝密度劇增。1965年該區(qū)侵蝕溝密度低于400 m/km2，且密度低于200 m/km2的區(qū)域占該區(qū)面積的96.3%;而到2005年侵蝕溝密度高于400 m/km2的地區(qū)總面積為7 357.99 km2，約占該區(qū)總面積的31.43%，而密度低于200 m/km2的區(qū)域降到45.66%。從圖1還發(fā)現(xiàn)，1965—2005年，各等級(jí)侵蝕溝密度都出現(xiàn)向更高一級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)侵蝕重點(diǎn)區(qū)也由克東縣周圍區(qū)域發(fā)展至克東、拜泉與克山、嫩江沿線區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)40年來(lái)溝蝕明顯增加，水土流失不容忽視。

為更好的分析侵蝕溝時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，在圖1基礎(chǔ)上生成侵蝕溝密度變化分布圖（圖2）。按侵蝕溝密度變化值＜50 m/km2、50～150 m/km2、150～300 m/km2、300～450 m/km2、450～600 m/km2、＞600 m/km2將研究區(qū)溝蝕密度變化分為微度增加區(qū)、輕度增加區(qū)、中度增加區(qū)、強(qiáng)度增加區(qū)、極強(qiáng)度增加區(qū)和劇烈增加區(qū)（表1，圖2）。

表1 侵蝕變化分區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 1 Erosion change in different zone

由圖2和表1可以得出，研究區(qū)40年來(lái)溝蝕發(fā)展具有明顯的區(qū)域特征，以北西南東向?yàn)檩S線，即以克東、克山和嫩江縣內(nèi)的劇烈增加區(qū)為核心，逐漸過(guò)渡到微度增加區(qū)，其等級(jí)特征呈現(xiàn)出向兩側(cè)遞減的趨勢(shì);出現(xiàn)該種狀況的主要原因是該軸線方向坡度較大，1965年大部分地區(qū)是林地覆蓋的低山，而經(jīng)過(guò)40年過(guò)度開(kāi)墾，這些高坡度區(qū)域失去植被保護(hù)，又無(wú)相應(yīng)的水保措施，導(dǎo)致侵蝕惡化，侵蝕溝急劇增加。另外，研究區(qū)40年來(lái)侵蝕溝密度出現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì)，微度增加區(qū)僅占該區(qū)面積的22.60%，且主要分布在東北角的五大連池和北安縣內(nèi)，主要是由于這些地區(qū)具有良好的林地覆蓋，可抑制侵蝕。具有極大發(fā)展?jié)摿Φ妮p度和中度增加區(qū)的面積高達(dá)44.45%，這些區(qū)域如不采取有效的侵蝕防治措施，極有可能成為未來(lái)溝蝕的劇烈區(qū);而強(qiáng)度增加區(qū)以上的區(qū)域面積占該區(qū)32.95%，且強(qiáng)度增加區(qū)、極強(qiáng)度增加區(qū)和劇烈增加區(qū)3個(gè)區(qū)域99.8%的地區(qū)侵蝕溝密度的增加值都高于1965年的溝蝕最高值（379.17 m/km2），這說(shuō)明研究區(qū)的侵蝕溝出現(xiàn)成倍增加的趨勢(shì)。

3 溝蝕的地形分異規(guī)律

3.1 溝蝕的垂直分異特征

根據(jù)插值獲取的DEM數(shù)據(jù)，按25 m海拔間距將研究區(qū)分成＜200 m，200～225 m，225～250 m，……，325～350 m和＞350 m共8個(gè)海拔段，分析典型黑土區(qū)溝蝕的垂直分異特征（圖3）。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，1965年和2005年侵蝕溝密度的垂直分布曲線大致相同，都是隨著海拔高度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，二者都在海拔250～275 m出現(xiàn)最大值，分別為81.49 m/km2和387.67 m/km2，這說(shuō)明在海拔250～275 m黑土區(qū)溝蝕最易發(fā)生，該高度可以作為溝蝕發(fā)生強(qiáng)弱的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。研究區(qū)溝蝕在垂直方向上具有層狀分布規(guī)律，主要反映在海拔較低的地貌類型（如河谷平原、積水洼地），以現(xiàn)代淤積為主;海拔較高的臺(tái)地丘陵，坡度平緩，匯流面積小，無(wú)明顯侵蝕發(fā)生;而介于二者之間的崗坡地帶，是水土流失發(fā)生與分布的主要層面。進(jìn)一步分析可知，1965年海拔高于275 m的地區(qū)溝蝕狀況小于海拔250 m以下的區(qū)域，而到2005年，在250～275 m兩側(cè)的溝蝕密度基本呈現(xiàn)對(duì)稱狀況，這說(shuō)明到2005年，對(duì)高海拔、不宜耕種的地區(qū)也進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，使得植被遭到破壞，同時(shí)沒(méi)有良好的水保措施，導(dǎo)致溝蝕加劇。

圖3 研究區(qū)侵蝕溝密度垂直分布Fig.3 Vertical distribution curve of gully density

3.2 溝蝕的坡度分異特征

東北黑土區(qū)一般為起伏和緩的川崗地形，大于12°的坡地極少，將研究區(qū)分成＜1.5°、1.5°～3°、3°～5°、5°～8°、8°～15°和＞15°6個(gè)坡度帶，分別計(jì)算不同坡度帶上兩個(gè)時(shí)期的侵蝕溝密度值和1965－2005年侵蝕溝密度變化值（圖4）。從圖4發(fā)現(xiàn)，在1965年和2005年，侵蝕溝密度在不同坡度上都呈現(xiàn)拋物線變化形式，1965年溝蝕密度從＜1.5°坡度的52.17 m/km2升到1.5°～3°的59.26 m/km2，然后降到＞15°的6.2 m/km2;2005年溝蝕密度從＜1.5°的266.72 m/km2升到3°～5°的364.09 m/km2，然后降到＞15°的68.51m/km2。1965年侵蝕溝密度最大值出現(xiàn)在1.5°～3°坡，而到2005年侵蝕溝密度最大值出現(xiàn)在3°～5°坡，40年的開(kāi)發(fā)使得黑土區(qū)侵蝕溝出現(xiàn)向高坡度發(fā)展趨勢(shì)，溝頭溯源侵蝕劇烈。另外發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)時(shí)期＞8°的坡都不是溝蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，說(shuō)明對(duì)于＞8°的坡面，坡度大小已經(jīng)不是侵蝕溝形成的主要因素，主要原因是當(dāng)坡度較大時(shí)，侵蝕溝形成所需的坡長(zhǎng)和匯水面積等因子較小，不利于其發(fā)育。

圖4 研究區(qū)侵蝕溝密度與坡度的關(guān)系Fig.4 Relationship between gully density and slope

從圖4還發(fā)現(xiàn)，3°～5°坡是侵蝕溝密度變化最大值處，到2005年增加了305.25 m/km2，除＞15°坡任何坡度等級(jí)的侵蝕溝密度變化幾乎都大于200 m/km2，原本溝蝕較弱的5°以上坡度帶，2005年溝蝕狀況也較嚴(yán)重;各坡度等級(jí)上侵蝕溝密度40年的變化量遠(yuǎn)高于1965年研究區(qū)的侵蝕溝密度值，這說(shuō)明研究區(qū)高坡度植被遭到破壞，促使溝蝕加劇，進(jìn)一步映射出40年來(lái)陡坡要糧這一人地矛盾加劇。

3.3 溝蝕的坡向分異特征

黃土高原地區(qū)由于坡向不同，汛期暴雨風(fēng)向、降雨侵蝕力、土壤水分、植被生長(zhǎng)條件存在差異，使黃土丘陵溝壑區(qū)溝谷侵蝕演化在不同坡向上存在明顯的不對(duì)稱性［10］。本文將研究區(qū)坡向分成北、東北、東、東南、南、西南、西和西北8個(gè)坡向，分析不同坡向上侵蝕溝的動(dòng)態(tài)變化，探討黑土區(qū)坡向?qū)τ跍瞎妊莼挠绊懀▓D5）。從圖5發(fā)現(xiàn)，1965年和2005年侵蝕溝密度值分別為49.50～59.17 m/km2、270.07～317.64 m/km2，說(shuō)明不同坡向上溝蝕發(fā)育情況差別不大;另外，兩個(gè)時(shí)期東北坡的侵蝕溝密度稍微偏大，主要是由于東北坡的坡度稍高于其他坡向的坡度。而從侵蝕溝密度動(dòng)態(tài)變化看，40年來(lái)侵蝕溝密度變化值（220.56～258.47 m/km2）不太大，且基本上保持了各方向溝蝕密度變化的一致性。從以上分析可以得出，東北典型黑土區(qū)漫川漫崗的地形特點(diǎn)，使得該區(qū)不存在黃土高原區(qū)由坡向差異帶來(lái)的降雨不同以及由太陽(yáng)輻射不同帶來(lái)的植被生長(zhǎng)差異等引起的侵蝕溝發(fā)育演化的不同，坡向在東北典型黑土區(qū)不是影響溝蝕發(fā)育的首要因子。

圖5 研究區(qū)侵蝕溝密度與坡向關(guān)系Fig.5 Relationship between gully density and aspect

4 結(jié)論與討論

（1）典型黑土區(qū)經(jīng)過(guò)40年的開(kāi)發(fā)，侵蝕溝密度劇增，各等級(jí)侵蝕溝密度都出現(xiàn)向更高一級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)侵蝕重點(diǎn)區(qū)范圍明顯擴(kuò)大;40年來(lái)溝蝕發(fā)展呈現(xiàn)以北西南東向?yàn)檩S線，即以克東、克山、嫩江縣內(nèi)的劇烈增加區(qū)為核心，向兩側(cè)遞減、逐漸過(guò)渡到微度增加區(qū)的區(qū)域特征，溝蝕防治迫在眉睫。

（2）典型黑土區(qū)溝蝕在垂直方向上具有層狀分布規(guī)律，在海拔250～275 m高度處侵蝕溝密度最大，說(shuō)明崗坡地帶是黑土區(qū)溝蝕易發(fā)區(qū);而從坡度分異看，黑土區(qū)侵蝕溝向高坡度發(fā)展的趨勢(shì)明顯，但＞8°的坡面，坡度已不是侵蝕溝形成過(guò)程中的主要因素;研究區(qū)不同坡向上溝蝕發(fā)育情況差別不大，說(shuō)明坡向不是影響東北典型黑土區(qū)溝蝕發(fā)育的首要因子。

（3）本文在遙感和GIS支持下，僅從空間格局和地形分異規(guī)律上探討黑土區(qū)的溝蝕特點(diǎn)，仍需研究如下問(wèn)題：1）溝蝕是重要的侵蝕產(chǎn)沙源，確定東北黑土區(qū)的產(chǎn)沙量是一個(gè)重要問(wèn)題，可以考慮通過(guò)3S手段獲取溝深、溝寬，進(jìn)行大尺度的侵蝕產(chǎn)沙量估算;2）景觀格局和配置影響徑流和侵蝕過(guò)程，因此研究土壤侵蝕與景觀格局之間的關(guān)系，對(duì)于合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化景觀斑塊的空間配置以達(dá)到侵蝕防治具有重要意義;3）今后可進(jìn)一步考慮降雨、土地利用、土壤、植被及地貌因子，討論其對(duì)侵蝕溝形成的綜合作用;4）構(gòu)建合適的溝蝕模型，用于預(yù)測(cè)不同時(shí)空尺度下的侵蝕速率以及侵蝕溝發(fā)展對(duì)水力學(xué)、產(chǎn)沙和景觀變化的影響，是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。

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Spatial Pattern Change and Topographic Differentia of Gully Erosion in the Type Black Soil Area of Northeast China during the Past 40 Years

WANG Wen－juan1，DENG Rong－xin2，ZHANG Shu－wen3
（1.DepartmentofResourcesandEnvironmentalSciences，HenanUniversityofEconomicsandLaw，Zhengzhou450002;2.InstituteofResourcesandEnvironment，NorthChinaInstituteofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011;3.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology，ChineseAcademyofSciences，Changchun130012，China）

Choosing type black soil area of Northeast China which locates in the Wuyuer River and Nemoer River basin as study area，taking SPOT5 and Corona imagery as data source，gully distribution data in 1965 and 2005 were got.Then the gully density was taken as index，and the spatial maps of gully density in 1965 and 2005 were got.At the same time，the 1∶50 000 relief maps were taken as data source，DEM was obtained and the geomorphic factors were extracted.Based on the above data，on the support of GIS spatial analysis function，the characteristics of gully spatial dynamics and change characteristic in 40 years were analyzed.It showed that gully density had obviously increased during the past 40 years.Gully density in each class had the trend to increase to the higher class.The dynamic of gully erosion take North-West to South-East as axial direction and corresponding decrease by the cores to sides.In the vertical direction，gully erosion distribution appeared the layered law，and the maximum of gully density was in the elevation of 250～275 m.It indicated that the hummock-slope was the most possible area to occur gully erosion.According to the slope difference，it showed that gully erosion appeared the trend to come into being on the higher slope.In 1965，the erosion in the area that slope is more than 5°was much lower，but in 2005 it had much serious.The aspect analysis indicated that aspect was not the key factor to cause the gully erosion in black soil area of Northeast China.

gully erosion;gully density;spatial pattern;type black soil area of Northeast China

S 157;P208

A

1672－0504（2012）03－0068－04

2011－09- 27;

2011－12－03

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（40771162）;國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（41101128）;河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（12B170001）;河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目

王文娟（1983－），女，博士，講師，主要研究方向?yàn)檫b感和GIS在水土流失中的應(yīng)用。E－mail：wenjuan110＠163.com