典型黑土區(qū)侵蝕溝空間分布特征及主要影響因子分析——以黑龍江省引龍河農(nóng)場(chǎng)為例

杜書(shū)立，李 浩，陳 強(qiáng)，王禹辰，劉利春，竇家剛，張興義

(1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱，150081;2. 黑龍江省引龍河農(nóng)場(chǎng)，黑龍江五大連池，164141)

0 引 言

土壤是人類(lèi)最寶貴的自然資源和生存基礎(chǔ)，隨著人口增長(zhǎng)和對(duì)資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的增大，土壤侵蝕已經(jīng)成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中不可忽視的問(wèn)題［1］。土壤侵蝕主要分為水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕3 大類(lèi)，其中水力侵蝕最為普遍，而且對(duì)土壤的侵蝕傷害最為明顯。土壤侵蝕形態(tài)眾多，由水力侵蝕造成的溝狀侵蝕便是其中一種比較常見(jiàn)的侵蝕問(wèn)題［2－5］。溝狀侵蝕形成的土壤侵蝕表現(xiàn)形式非常直觀，具有控制難和治理難等特點(diǎn)。

東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，經(jīng)過(guò)近百年的開(kāi)發(fā)，原來(lái)的北大倉(cāng)某種意義上正在變成了“北大荒”，黑土土層明顯變薄，有機(jī)質(zhì)含量下降嚴(yán)重，侵蝕溝縱橫交錯(cuò)，黑土地支離破碎［6－8］。據(jù)統(tǒng)計(jì)東北黑土區(qū)現(xiàn)有侵蝕溝數(shù)量達(dá)29 萬(wàn)余條，侵蝕溝蠶食耕地、破壞道路，造成土地零散，給商品糧基地的大型機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)了諸多不便［9］。侵蝕溝的存在一定程度上影響了人們的正常生活，而且對(duì)糧食生產(chǎn)產(chǎn)生了極大的威脅。有研究表明，黑土區(qū)侵蝕溝是在自然因素和人類(lèi)活動(dòng)的相互作用下形成的，其中，自然因素如地形地貌、降雨等，人類(lèi)活動(dòng)如林地和草地開(kāi)墾為農(nóng)田、過(guò)度墾殖和不注意農(nóng)田生態(tài)的保護(hù)等［10－12］。

以典型黑土區(qū)引龍河農(nóng)場(chǎng)作為研究區(qū)，在國(guó)家基礎(chǔ)條件平臺(tái)－地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)東北數(shù)據(jù)分中心的支持下，以GIS 軟件平臺(tái)為手段，通過(guò)對(duì)研究區(qū)地形地貌的處理和分析，實(shí)地侵蝕溝調(diào)查和矢量化處理，并且對(duì)比1985 年與2010 年兩期的土地利用情況，疊加2013 年引龍河農(nóng)場(chǎng)地區(qū)的侵蝕溝野外調(diào)查數(shù)據(jù)，研究和分析了主要自然因素和人為干擾對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕形成的切溝現(xiàn)狀。

1 研究區(qū)概況

引龍河農(nóng)場(chǎng)位于五大連池市的中部，小興安嶺南緣丘陵地帶，地勢(shì)北高南低，地形起伏多變，河流和荒溝縱橫交錯(cuò)。地理坐標(biāo)介于東經(jīng)126°20'～126°42'，北緯48°40'～49°02'之間，見(jiàn)圖1。年降雨量在450 mm～550 mm 之間，全年有效積溫2 100 ℃左右，無(wú)霜期105 d～118 d。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要種植大豆和玉米，畜牧業(yè)主要飼養(yǎng)黃牛、馬和羊等。引龍河為嫩江東岸二級(jí)支流，山溪性河流，發(fā)源于小興安嶺西側(cè)，自東北向西南行，流經(jīng)龍門(mén)、襄河和引龍河等農(nóng)場(chǎng)，最后注入訥謨爾河。每年11 月上旬至次年4 月中旬為結(jié)冰期。

引龍河農(nóng)場(chǎng)建于1955 年，土壤類(lèi)型為典型黑土居多，土地總面積超過(guò)40 000 hm2，絕大部分土地為崗坡耕地［13］。在歷經(jīng)了近60 a 的開(kāi)墾與發(fā)展后，農(nóng)場(chǎng)土壤侵蝕嚴(yán)重，侵蝕溝縱橫交錯(cuò)，對(duì)于農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)發(fā)展都起到了一定的制約作用。

圖1 黑龍江省引龍河農(nóng)場(chǎng)地理位置Fig.1 Location of Yinlonghe State Farm，Heilongjiang Province

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)侵蝕溝數(shù)據(jù)來(lái)源于遙感影像的解譯和2013 年5 月期間在引龍河農(nóng)場(chǎng)野外調(diào)查，僅測(cè)定耕地中的侵蝕溝，共測(cè)得447 條。為避免遙感解譯帶來(lái)的誤差，采取全區(qū)域耕地侵蝕溝實(shí)地詳查的方法，利用GPS 記錄每一條侵蝕溝的溝頭溝尾坐標(biāo)，并且測(cè)量侵蝕溝的最大溝深、最大溝寬、平均溝深、平均溝寬以及溝長(zhǎng)，記錄每條侵蝕溝走向、新舊程度、所在地塊的植被類(lèi)型、所在地塊的坡度、所在地塊的地理位置等。土地利用數(shù)據(jù)是根據(jù)1986 年和2010 年兩期的TM 遙感影像數(shù)據(jù)解譯獲得，并根據(jù)中國(guó)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》以及土地的用途、利用方式、覆蓋特點(diǎn)和生態(tài)類(lèi)型為依據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)工礦居民用地和未利用土地等6 個(gè)類(lèi)型，數(shù)據(jù)格式是shp 格式。DEM 數(shù)據(jù)為90 m 分辨率的SRTM DEM 數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

利用ArcGIS 軟件中的空間分析功能，以研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得該區(qū)坡度圖和坡向圖等等，疊加侵蝕溝分布數(shù)據(jù)，對(duì)侵蝕溝的空間分部特征進(jìn)行分析，并探討地形因素對(duì)侵蝕溝分布的影響。同時(shí)對(duì)20 世紀(jì)80 年代和2010 年兩期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)分析25 a 間研究區(qū)土地利用變化，及其對(duì)侵蝕溝變化的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡度與侵蝕溝分布關(guān)系

利用ArcGIS 軟件平臺(tái)，將由Aster DEM 數(shù)據(jù)獲得的坡度圖根據(jù)黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，分為0.00～0.25°、0.25 °～1.50°、1.50°～3.00°、3.00°～4.00°、4.00°～5.00°、 ＞5.00°共6個(gè)級(jí)別，侵蝕強(qiáng)度分別為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈［14］。在此基礎(chǔ)上疊加2013 年侵蝕溝野外調(diào)查數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表1。

表1 各坡度范圍侵蝕溝分布分析Tab.1 Slope differentiations of gully density and ruined land area

0.00～0.25°坡度區(qū)域，共有2 條侵蝕溝，毀地面積為695 m2，溝壑密度為0.13 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.04 hm2·km－2，見(jiàn)表1。0.25°～1.50°坡度區(qū)域，共有129 條侵蝕溝，毀地面積為11.2 hm2，溝壑密度為0.19 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.09 hm2·km－2。1.50°～3.00°坡度區(qū)域，侵蝕溝數(shù)量明顯上升，達(dá)到295 條，毀地面積達(dá)到29.1 hm2，溝壑密度為0.19 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.09 hm2·km－2。3.00°～4.00°坡度區(qū)域，侵蝕溝數(shù)量下降，毀地面積減少，毀地面積為1.9 hm2，溝壑密度為0.08 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.04 hm2·km－2。4.00°～5.00°坡度區(qū)域，僅有3 條侵蝕溝，毀地面積0.3 hm2，溝壑密度為0.02 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.01 hm2·km－2。坡度在5.00°以上均為林地，無(wú)新成侵蝕溝。

侵蝕溝的分布具有一定的規(guī)律。隨著坡度的上升，侵蝕溝數(shù)量、溝壑密度和單位面積內(nèi)毀地面積均不斷增加，說(shuō)明溝蝕強(qiáng)度也在不斷增加，當(dāng)溝壑密度和單位面積內(nèi)毀地面積分別在到達(dá)0.19 km·km－2和0.09 hm2·km－2后，侵蝕溝數(shù)量開(kāi)始減少，溝壑密度和單位面積內(nèi)毀地面積隨之下降，坡度超過(guò)5°的地塊，為林地，未發(fā)現(xiàn)侵蝕溝，見(jiàn)圖2。在0.25°～1.50°和1.50°～3.00°兩個(gè)坡度內(nèi)，侵蝕溝數(shù)量最多，分別為129 條和295 條，溝壑密度和單位面積內(nèi)的毀地面積也為最大，2010 年引龍河農(nóng)場(chǎng)的土地利用統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，這兩個(gè)坡度范圍土地面積分別為13 121.6 hm2和31 041.1 hm2，分別占引龍河總面積的24.8%和58.7%。這兩個(gè)坡度范圍內(nèi)的土地多開(kāi)墾為農(nóng)田，耕地面積分別為6 869.7 hm2和22 122.2 hm2，墾殖率分別達(dá)到52.4%和71.3%，分別占引龍河農(nóng)場(chǎng)總耕地面積的22.8%和73.4%。而在0.00～0.25°、3.00°～4.00°和4.00°～5.00°區(qū)域內(nèi)，耕地面積分別為63.8 hm2、941.9 hm2和136.9 hm2，坡度在5.00°以上的區(qū)域，全部為林地，尚未開(kāi)墾。耕地主要集中在0.25°～3.00°這個(gè)區(qū)間內(nèi)，所占耕地總面積比例已經(jīng)達(dá)到95%以上，這也說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)在不斷加劇著土壤侵蝕。相反，在耕地比較少的幾個(gè)區(qū)域內(nèi)，林地面積和草地面積均占有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，0.00～0.25°、3.00°～4.00°、4.00°～5.00°坡度范圍內(nèi)的林地面積所占比例和草地面積所占比例分別為11.1%和38.6%、30.2%和52.1%、35.0%和60.0%，而在坡度大于5.00°的區(qū)域內(nèi)，僅有林地，沒(méi)有耕地和草地存在。這也說(shuō)明在人類(lèi)活動(dòng)貧乏的林地和草地中，土壤侵蝕不易發(fā)生，人類(lèi)農(nóng)耕活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕有著明顯的加劇作用。圖3 為引龍河農(nóng)場(chǎng)侵蝕溝坡度分布圖。

圖2 各坡度范圍溝壑密度及侵蝕溝每平方千米毀地面積Fig.2 Slope differentiations of gully density and ruined land area

3.2 坡向與侵蝕溝分布的關(guān)系

利用ArcGIS 軟件平臺(tái)，以SRTM DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得研究區(qū)的數(shù)字坡向模型，之后將其分為8 個(gè)方向，分別為北(N)、東北 (NE)、東 (E)、東南 (SE)、南 (S)、西南(SW)、西 (W)、西北 (NW)，各方向的方位角范圍為:337.5°～22.5°，22.5°～67.5°，67.5°～112.5°，112.5°～157.5°，157.5°～202.5°，202.5°～247.5°，247.5°～292.5°，292.5°～337.5°。之后將其與侵蝕溝數(shù)據(jù)做疊加分析，求算不同坡向上侵蝕溝的毀地面積情況，見(jiàn)圖4。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，陰坡面積為9 728.1 hm2，陽(yáng)坡面積為43 190.5 hm2，陽(yáng)坡面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陰坡面積。陰坡共有侵蝕溝200 條，陽(yáng)坡有侵蝕溝247 條，兩者侵蝕溝數(shù)量相差不大，但是單位面積內(nèi)侵蝕溝數(shù)量，陰坡遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陽(yáng)坡。對(duì)比溝壑密度和單位面積內(nèi)的毀地面積，陰坡溝壑密度為0.48 km·km－2，陽(yáng)坡溝壑密度為0.12 km·km－2;陰坡單位面積內(nèi)的毀地面積達(dá)到0.2 hm2·km－2，陽(yáng)坡為0.06 hm2·km－2。陰坡所有侵蝕溝的毀地面積達(dá)16.5 hm2，陽(yáng)坡所有侵蝕溝的毀地面積達(dá)26.0 hm2。陽(yáng)坡耕地面積為27 083.9 hm2，占全部耕地總面積的90%以上。陰坡有新成溝92 條，陽(yáng)坡有127 條。由此可見(jiàn)，陰坡單位面積內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均超過(guò)陽(yáng)坡，表明陰坡土壤侵蝕強(qiáng)度更加嚴(yán)重，主要受以下幾個(gè)因素影響:①坡度分布，引龍河地區(qū)地勢(shì)北高南低，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，陰坡平均坡度大，陽(yáng)坡平均坡度比較平緩，起伏不大;②引龍河農(nóng)場(chǎng)冬季盛行西北風(fēng)，加以陰坡接受陽(yáng)光直接照射的時(shí)間相比陽(yáng)坡短很多，經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的冬天，陰坡淤積了很大的雪量，在春季化雪侵蝕大于陽(yáng)坡;③陰坡較陽(yáng)坡光照時(shí)間短，土壤較陽(yáng)坡濕潤(rùn)，夏季集中降雨期易飽和，耕地被地表徑流沖刷，形成溝蝕。

圖3 引龍河農(nóng)場(chǎng)土壤侵蝕溝分布Fig.3 Gully distribution on slope map of Yinlonghe Farm

圖4 侵蝕溝坡向分布分析Fig.4 Aspect differentiations of gully density and ruined land area

3.3 土地利用變化對(duì)侵蝕溝變化的影響

對(duì)土地利用變化進(jìn)行空間分析，可以直觀的看出研究區(qū)的土地利用變化情況，耕地增加非常明顯，草地和林地面積的急劇縮小，見(jiàn)表2。

表2 1985 年－2010 年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換矩陣Tab.2 Landuse Conversion Matrix from 1985 to 2010

草地和林地除去轉(zhuǎn)成耕地外，兩者的相互轉(zhuǎn)化也是一種非常顯著的變化，疊加侵蝕溝野外調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，0.00～0.25°和0.25°～1.50°區(qū)域，土地利用類(lèi)型主要是草地和林地，耕地所占比例非常小，侵蝕溝的分布非常少。相反在1.50°～3.00°和3.00°～4.00°兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，耕地都是主要的土地利用類(lèi)型，侵蝕溝的數(shù)量在這個(gè)坡度范圍內(nèi)達(dá)到頂峰，所造成的土壤侵蝕也是最為嚴(yán)重。侵蝕溝的分布在受到坡度影響的同時(shí)，對(duì)人類(lèi)活動(dòng)也具有非常高的敏感性。

土地利用對(duì)侵蝕溝形成主要表現(xiàn)在:

①侵蝕溝主要分布在耕地中，耕地總面積為30 134.52 hm2，侵蝕溝總長(zhǎng)度為91.01 km，總毀地面積達(dá)到39.4 hm2，溝壑密度為0.30 km·km－2，單位面積內(nèi)的毀地面積達(dá)0.13 hm2·km－2，土壤侵蝕非常嚴(yán)重;

②新成溝在草地轉(zhuǎn)成耕地和林地轉(zhuǎn)成耕地中的數(shù)量相近，均接近20 條;

③由草地轉(zhuǎn)為耕地的土地利用類(lèi)型中，新成溝所造成的毀地面積為2.0 hm2，單位面積內(nèi)的毀地面積達(dá)到0.04 hm2·km－2;由林地轉(zhuǎn)成耕地的土地利用類(lèi)型中，新成溝造成的毀地面積為0.7 hm2，單位面積內(nèi)的毀地面積達(dá)到0.02 hm2·km－2。草地到耕地發(fā)生土壤侵蝕的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于林地到耕地的面積，說(shuō)明草地到耕地變化中發(fā)生土壤侵蝕的情況更加劇烈。

4 結(jié) 論

①研究區(qū)土壤侵蝕受坡度、坡向和原始植被類(lèi)型等因素影響，具有明顯的分布規(guī)律。侵蝕溝的數(shù)量、密度和毀地面積隨著坡度的上升而增多，到達(dá)峰值后隨著坡度的上升開(kāi)始下降，直至消失。陰坡侵蝕溝侵蝕程度明顯大于陽(yáng)坡，主要原因有陰坡坡度較大，且冬季在西北風(fēng)盛行的情況下陰坡淤積大量積雪，在春季時(shí)化雪侵蝕大于陽(yáng)坡，同時(shí)由于陰坡接受太陽(yáng)輻射少，土壤較陽(yáng)坡濕潤(rùn)，夏季集中降雨期易飽和，耕地被地表徑流沖刷，更易形成侵蝕溝。

②草地和林地開(kāi)墾為農(nóng)田是侵蝕溝形成的主要驅(qū)動(dòng)因素。通過(guò)分析近25 a 來(lái)引龍河農(nóng)場(chǎng)地區(qū)發(fā)生的土地利用變化，耕地面積明顯增加，草地和林地面積減少;坡耕地中侵蝕溝數(shù)量達(dá)447 條，損毀耕地面積高達(dá)39.4 hm2，占耕地的0.13%，還造成耕地破碎，降低機(jī)械耕作效率。草地開(kāi)墾為耕地之后較林地更易發(fā)生土壤侵蝕，說(shuō)明草地開(kāi)墾后的農(nóng)田土壤侵蝕更加嚴(yán)重。

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