東北黑土區(qū)不同壟向耕地溝蝕與地形耦合規(guī)律

寧 靜, 楊 子, 姜 濤, 楊 雙, 黨思宇

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030)

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東北黑土區(qū)不同壟向耕地溝蝕與地形耦合規(guī)律

寧 靜, 楊 子, 姜 濤, 楊 雙, 黨思宇

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030)

東北黑土區(qū)在長期高強(qiáng)度開墾連作下，侵蝕溝切割耕地地表現(xiàn)象嚴(yán)重。以黑龍江省賓縣的兩個(gè)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究區(qū)，基于GIS和RS技術(shù)，采用全局空間自相關(guān)、樣方網(wǎng)格等方法，綜合壟向、侵蝕溝、地形數(shù)據(jù)探究區(qū)域尺度下壟向分布及不同壟向耕地溝蝕與地形因子耦合規(guī)律。結(jié)果表明：(1) 不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)溝蝕空間集聚程度不同，主導(dǎo)性壟向耕地內(nèi)的侵蝕程度最高；(2) 壟向在耕地上的分布有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性，不同的壟向空間分布是對(duì)地形條件的反饋體現(xiàn)，合理的壟向空間分布會(huì)起到降低溝蝕密度的作用；(3) 除糖坊鎮(zhèn)斜壟外，不同壟向耕地溝蝕密度隨海拔的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。糖坊鎮(zhèn)不同海拔級(jí)優(yōu)勢(shì)壟向規(guī)律性不強(qiáng)，三寶鄉(xiāng)整體上任意海拔級(jí)斜壟耕作最優(yōu)；(4) 坡度與坡長交互作用顯著。兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)表現(xiàn)為“小坡度”+“小坡長”或“小坡度”+“大坡長”條件橫壟耕作最優(yōu)，“大坡度”+“小坡長”或“大坡度”+“大坡長”條件斜壟耕作最優(yōu)；(5) 黑土區(qū)漫川漫崗地帶斜壟耕作更具水土保持作用。

溝蝕; 耕作壟向; 地形; 耦合規(guī)律; 東北黑土區(qū)

土壤侵蝕是導(dǎo)致土地退化、土壤肥力下降、生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因，直接影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，已成為全球領(lǐng)域普遍關(guān)注的重要環(huán)境問題之一[1]。土壤水力侵蝕是自然侵蝕的結(jié)果，由耕作方式不同引起的耕作侵蝕已成為國內(nèi)外共同關(guān)注的重要內(nèi)容。其中，歐美研究者首先涉足耕作侵蝕研究，進(jìn)行了大量耕作侵蝕試驗(yàn)，構(gòu)建耕作侵蝕模型、評(píng)價(jià)耕作侵蝕強(qiáng)度[2-3]。國內(nèi)的王占禮等人于2002年在我國黃土區(qū)正式開展了耕作侵蝕研究，進(jìn)一步探究了耕作侵蝕對(duì)總土壤侵蝕的貢獻(xiàn)[4]。與此同時(shí)，其他學(xué)者也從不同角度探究了耕作方式對(duì)淺溝產(chǎn)沙及形態(tài)發(fā)育特征和土壤養(yǎng)分的影響，并取得了一定進(jìn)展[5-6]。中國東北黑土區(qū)土壤肥沃，是我國重要的商品糧基地。但經(jīng)過近幾十年的高強(qiáng)度開墾連作，耕地退化、生態(tài)環(huán)境惡化等問題逐漸凸顯[7]。相關(guān)資料顯示，溝蝕是東北黑土區(qū)土壤侵蝕的主導(dǎo)類型，侵蝕溝廣泛分布在坡耕地上，數(shù)量高達(dá)25萬余條，總占地48.3萬hm2[8]，侵蝕速度在世界三大黑土帶范圍均罕見[9]。已有研究側(cè)重揭示溝蝕的自然侵蝕過程與機(jī)理[10-11]，有學(xué)者指出，耕作侵蝕是導(dǎo)致黑土區(qū)坡耕地水土流失最根本的侵蝕方式[2]，但由耕作方式產(chǎn)生溝蝕的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。壟作是東北黑土區(qū)一種非常普遍的耕作方式，耕作行與等高線縱橫方向夾角顯著影響徑流[12-13]，進(jìn)而會(huì)影響侵蝕溝的產(chǎn)生。由于耕地溝蝕過程的復(fù)雜性，在區(qū)域尺度上不同壟向?qū)Ω販衔g的影響機(jī)制尚未清楚[14-15]，不同壟向耕地溝蝕與地形等外部指標(biāo)間的作用關(guān)系也有待進(jìn)一步研究。

本文以東北黑土區(qū)賓縣兩個(gè)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究區(qū)，以野外實(shí)地調(diào)查與SPOT高分辨率影像為基礎(chǔ)，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)獲得壟向、侵蝕溝與地形因子，對(duì)賓縣糖坊鎮(zhèn)和三寶鄉(xiāng)溝蝕強(qiáng)度，壟向空間分布及不同壟向耕地溝蝕與地形因子耦合規(guī)律進(jìn)行分析，完善壟向作為影響土壤溝蝕因子的相關(guān)研究，進(jìn)一步揭示區(qū)域尺度侵蝕溝在耕作侵蝕與土壤水蝕交互作用下的分布規(guī)律，為黑土區(qū)制定科學(xué)合理的保護(hù)性耕作措施提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

賓縣位于典型黑土帶東部邊緣，地處松嫩平原與張廣才嶺交匯處，地理坐標(biāo)為東經(jīng)126°55′41″—128°19′17″，北緯45°30′37″—46°01′20″，是黑龍江省五個(gè)國家級(jí)黑土區(qū)水土流失治理重點(diǎn)工程縣之一。自然概況為“五山半水四分半田”，地形多為漫川漫崗和臺(tái)地低丘。地勢(shì)南高北低，南部山地呈條狀沿東南縣境延伸，中部為丘陵地帶，北部鄰接松花江為河谷平原。境內(nèi)劃分五個(gè)氣候區(qū)，年平均氣溫4.4℃，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均無霜期為110～150 d，多年平均有效積溫2 769℃。春季干旱少雨，夏季雨量集中，多年平均降水量為550 mm，多年平均蒸發(fā)量為910 mm[16-17]。境內(nèi)有8條主河流，24條支流及百余條溝溪穿過河谷平原。黑土主要分布于漫崗丘陵區(qū)，占全境28.5%[18]。

主要土地利用類型為耕地，以旋耕起壟連作為主。耕地主要分布在中部低山丘陵區(qū)和北部沿江河谷平原，南部山區(qū)存在大量坡耕地。自然條件和耕作方式的復(fù)合作用致使溝蝕切割耕地地表現(xiàn)象顯著，細(xì)溝、淺溝持續(xù)發(fā)育，切溝、沖溝廣泛分布。本文以賓縣糖坊鎮(zhèn)和三寶鄉(xiāng)為典型小區(qū)，兩處分位于北部河谷平原和南部山地，地形條件差異較大。根據(jù)實(shí)地調(diào)研糖坊鎮(zhèn)以順壟耕作為主，三寶鄉(xiāng)以橫壟耕作為主。選擇兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)目的是試圖從差異中找尋不同壟向耕地溝蝕與地形因子耦合的一般規(guī)律。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1耕地壟向數(shù)據(jù)提取

本文采用2013年SPOT影像(分辨率2.5 m)，結(jié)合高分辨率Google Earth可視化地形起伏勾畫糖坊鎮(zhèn)與三寶鄉(xiāng)行政界線內(nèi)耕地地塊數(shù)據(jù)。壟向判別基于ArcGIS 9.3中raster surface函數(shù)，利用ASTERG DEM 30 m分辨率高程影像內(nèi)插為10 m間隔等高線，綜合文獻(xiàn)[13,19]以等高線與耕地壟行夾角關(guān)系為判別依據(jù)。具體判別方法為：當(dāng)?shù)雀呔€與壟向夾角在0°—10°時(shí)，定義此類壟向?yàn)轫槈?，屬性編碼為SL，如圖1A所示；當(dāng)?shù)雀呔€與壟向夾角在10°—80°時(shí)，定義此類壟向?yàn)樾眽牛瑢傩跃幋a為XL，如圖1B所示；當(dāng)?shù)雀呔€與壟向夾角在80°—90°時(shí)，定義此類壟向?yàn)闄M壟，屬性編碼為HL，如圖1C所示。

圖1　耕地壟向判別示意圖

2.2侵蝕溝數(shù)據(jù)提取

侵蝕溝數(shù)據(jù)同樣依據(jù)2013年SPOT影像、Google Earth影像，參考文獻(xiàn)[20]對(duì)侵蝕溝發(fā)育分類進(jìn)行室內(nèi)判讀。根據(jù)相關(guān)研究，除河溝以外，其余溝谷都具有較強(qiáng)侵蝕能力，均屬侵蝕溝范疇[21]。但通常情況，細(xì)溝和細(xì)溝間侵蝕算作坡面侵蝕，不計(jì)入溝蝕[20]。同時(shí)，受制于影像精度，長度小于2.5 m的淺溝也不在本文討論范圍內(nèi)。根據(jù)道路通達(dá)性挑選兩地侵蝕溝總數(shù)的2%，在2015年4月對(duì)室內(nèi)判讀的侵蝕溝及所在耕地地塊壟向進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，侵蝕溝及壟向數(shù)據(jù)解譯精度分別達(dá)到92%和87%。同時(shí)，對(duì)難以判讀位置進(jìn)行野外辨認(rèn)并建立野外標(biāo)志，最后返回室內(nèi)進(jìn)行修正。

2.3研究方法

2.3.1溝蝕密度網(wǎng)格化常用分析溝蝕強(qiáng)度指標(biāo)為溝蝕密度，指單位面積內(nèi)侵蝕溝總長度[21]。公式如下：

(1)

式中：C——侵蝕溝總長度(m)；S——總面積(km2)；D——溝蝕密度值(m/km2)。溝蝕密度能夠在宏觀尺度上統(tǒng)計(jì)區(qū)域侵蝕溝空間分布強(qiáng)度，是地形發(fā)育階段、降水量、地勢(shì)高差、土壤滲透能力和地表抗蝕能力綜合標(biāo)示值[22]。為體現(xiàn)溝蝕強(qiáng)度空間分布并統(tǒng)計(jì)不同溝蝕強(qiáng)度面積，本文均勻建立覆蓋研究區(qū)500 m×500 m樣方網(wǎng)格，計(jì)算各樣方網(wǎng)格內(nèi)溝蝕密度值并重新分級(jí)。

2.3.2Global Moran′sI指數(shù)本文應(yīng)用全局空間自相關(guān)檢驗(yàn)糖坊鎮(zhèn)、三寶鄉(xiāng)壟向分布是否具有空間自相關(guān)性并測(cè)量其空間聚集程度。采用指標(biāo)是Global Moran′sI指數(shù)[23]。計(jì)算公式為：

(2)

式中：n——區(qū)域單元個(gè)數(shù)；xi——現(xiàn)象屬性值在區(qū)域單元i上的觀測(cè)值，i=1，2，3，…，n；wij——空間權(quán)重系數(shù)矩陣，表示各區(qū)域單元空間鄰近關(guān)系。

空間自相關(guān)是區(qū)域化變量基本屬性之一，而空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量可用于檢測(cè)研究區(qū)域內(nèi)變量分布是否具有結(jié)構(gòu)性[23]。Global Moran′sI值介于-1～1，大于0為正相關(guān)，值越大表示分析變量在空間上越聚集；小于0為負(fù)相關(guān)，值越小表示分析變量在空間上越分散；而當(dāng)值等于0時(shí)，表示變量在空間上隨機(jī)分布。顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量用Z，取α=0.05，當(dāng)Z<-1.96或Z>1.96時(shí)，拒絕零假設(shè)，觀測(cè)變量空間自相關(guān)顯著，觀測(cè)屬性在空間上呈離散格局(Z<-1.96)或集聚格局(Z>1.96)；反之，則接受零假設(shè)，觀測(cè)變量在空間上呈隨機(jī)分布[24]，Z值越大表明空間自相關(guān)性越強(qiáng)。

2.3.3地形因子提取 本文所應(yīng)用的坡度、海拔、坡長地形因子數(shù)據(jù)源為ASTERG DEM 30 m分辨率高程影像。坡度利用ArcGIS 9.3 Slop函數(shù)計(jì)算；海拔為DEM原始數(shù)據(jù)；坡長在ArcGIS 9.3水文分析模塊下參考文獻(xiàn)[25]求出。三種地形因子均通過ArcGIS 9.3 Reclassify函數(shù)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)重分類。常規(guī)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用Excel 2003，線性回歸分析應(yīng)用SPSS 16.0。

3　結(jié)果與分析

3.1溝蝕強(qiáng)度空間分布

根據(jù)相關(guān)研究[26]，同時(shí)結(jié)合實(shí)地野外調(diào)查，如果沿用水利部中溝蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將造成侵蝕溝現(xiàn)狀失真，許多在發(fā)育中的淺溝或長度較小的沖溝將無法體現(xiàn)。因此，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，本文將溝蝕密度共分為0～100，100～300，…，700～900，>900 m/km2共6級(jí)，不同網(wǎng)格顏色代表不同溝蝕分級(jí)，見圖2。

圖2　溝蝕強(qiáng)度空間分布

由圖2A可知，糖坊鎮(zhèn)整體侵蝕溝分布較為廣泛，侵蝕面積相對(duì)較多但溝蝕劇烈集中現(xiàn)象不明顯。結(jié)合圖3A來看，糖坊鎮(zhèn)0～100 m/km2溝蝕密度級(jí)網(wǎng)格分布面積為124.98 km2，占總面積的59.04%。100～300 m/km2和300～500 m/km2溝蝕密度級(jí)網(wǎng)格分布次之，500～700 m/km2及以上溝蝕密度級(jí)網(wǎng)格面積相對(duì)較少，分別占總面積的7.62%，3.96%和4.51%。

由圖2B可知，三寶鄉(xiāng)侵蝕溝主要分布在北部耕作區(qū)，溝蝕強(qiáng)度劇烈集中現(xiàn)象明顯，高溝蝕強(qiáng)度面積顯著高于糖坊鎮(zhèn)。結(jié)合圖3B，三寶鄉(xiāng)0～100 m/km2溝蝕密度級(jí)網(wǎng)格分布最多面積為225.02 km2，占總面積的71.29%。>900 m/km2溝蝕密度次之,為50.17 km2，占總面積的15.89%。其余四個(gè)溝蝕密度級(jí)網(wǎng)格面積較為均衡，所占比例分別為3.38%，3.99%，2.92%和2.53%。

3.2三種壟向耕地溝蝕分布

研究區(qū)主要耕作壟向?yàn)轫槈?、橫壟和斜壟。圖4A體現(xiàn)了兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同壟向的耕地地塊數(shù)和占耕地總面積的百分比。由圖4A可知，糖坊鎮(zhèn)順壟地塊數(shù)為755塊，占耕地面積比重最大，為31.2%，順壟耕種占主導(dǎo)地位。三寶鄉(xiāng)橫壟地塊數(shù)為878塊，占耕地面積比重最大，為25.71%，橫壟耕種占主導(dǎo)地位。

將壟向、侵蝕溝數(shù)據(jù)疊加得到不同壟向耕地溝蝕密度值，以此表示不同耕作壟向侵蝕強(qiáng)度。由圖4B可知，糖坊鎮(zhèn)順壟溝蝕密度最高，為1 268.09 m/km2，呈現(xiàn)順壟>橫壟>斜壟次序。三橫壟溝蝕密度最高，為1 073.92 m/km2，呈現(xiàn)橫壟>斜壟>順壟次序。整體而言，糖坊鎮(zhèn)順壟侵蝕現(xiàn)象突出，三寶鄉(xiāng)橫壟侵蝕現(xiàn)象突出，兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)均表現(xiàn)為占主導(dǎo)性壟向的侵蝕程度最嚴(yán)重。

圖3　溝蝕密度分級(jí)所占面積比重

圖4　兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同壟向地塊及溝蝕密度分布

3.3耕作壟向分布空間自相關(guān)性

探討耕作壟向空間自相關(guān)性可以直觀了解耕作區(qū)壟向分布是規(guī)律性還是隨機(jī)性。將兩地500 m×500 m柵格格網(wǎng)分別與三種壟向地塊數(shù)據(jù)疊加，統(tǒng)計(jì)每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)壟向地塊面積百分比，然后利用ArcGIS 9.3 Spatial autocorrelation analysis 模塊進(jìn)行壟向地塊數(shù)據(jù)全局空間自相關(guān)分析，得到表1中Moran′sI指數(shù)和Zscore得分。

由表1可知，糖坊鎮(zhèn)斜壟Moran′sI達(dá)到0.11，Zscore得分值為7.36，空間自相關(guān)性最強(qiáng)。橫壟Moran′sI同樣達(dá)到0.11，Zscore得分值為6.94。順壟Moran′sI為0.09，Zscore得分值為4.14。壟向空間自相關(guān)性表現(xiàn)為斜壟>橫壟>順壟，結(jié)合圖4B，三種壟向耕地溝蝕密度大小為順壟>橫壟>斜壟，說明糖坊鎮(zhèn)壟向的空間分布對(duì)抵御侵蝕溝產(chǎn)生起到了正面作用。

表1　研究區(qū)耕地壟向地塊全局自相關(guān)結(jié)果

注：**表示在0.01顯著性水平下有差異。

三寶鄉(xiāng)橫壟Moran′sI達(dá)到0.1，Zscore得分值為7.06，空間自相關(guān)性最強(qiáng)。說明三寶鄉(xiāng)在某一地形條件下主要以橫壟耕作抵抗地形劣勢(shì)，但結(jié)合圖4B三寶鄉(xiāng)橫壟溝蝕密度最大，橫壟不能夠很好抵御侵蝕溝的產(chǎn)生。順壟Moran′sI達(dá)到0.09，Zscore得分值為4.58，斜壟Moran′sI達(dá)到0.09，Zscore得分值為4.14。壟向空間自相關(guān)性表現(xiàn)為橫壟>順壟>斜壟，而溝蝕密度表現(xiàn)為橫壟>斜壟>順壟，說明三寶鄉(xiāng)這種壟向空間分布較不理想。

兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)無論何種壟向的空間自相關(guān)均達(dá)到極顯著(Sig.<0.01)水平。已有研究表明[2]，地形是在特定土壤與耕作條件下影響耕作侵蝕的唯一因素，因此可以說，不同壟向在空間上的集聚是農(nóng)民根據(jù)耕作經(jīng)驗(yàn)對(duì)地形條件的反饋。根據(jù)實(shí)地調(diào)研，三寶鄉(xiāng)有50.66%農(nóng)民橫壟耕作，與早期大規(guī)?！绊樃臋M”有直接關(guān)系[9]。壟向作為一種耕作條件，既是抵御地形劣勢(shì)的反饋結(jié)果，又是特定地形條件助力產(chǎn)生溝蝕的原因，其與地形的復(fù)雜關(guān)系需要深入研究。

3.4三種壟向耕地溝蝕與地形因子耦合關(guān)系

3.4.1海拔因子糖坊鎮(zhèn)耕地平均海拔146 m，三寶鄉(xiāng)耕地平均海拔210 m，兩地海拔差異較大。為更好刻畫三種壟向耕地溝蝕密度隨海拔分異情況，將海拔分為9級(jí)，分別為0～110，110～130，…，230～250，>250 m。依次把壟向、海拔級(jí)、侵蝕溝數(shù)據(jù)空間疊加得到不同壟向不同海拔級(jí)的溝蝕密度。

表2　海拔分級(jí)

由圖5A可知，糖坊鎮(zhèn)在1級(jí)海拔上溝蝕密度順壟>斜壟>橫壟。1—2級(jí)海拔，橫壟、順壟溝蝕密度增長較大，斜壟溝蝕密度稍有回落，2級(jí)海拔表現(xiàn)為順壟>橫壟>斜壟。2—3級(jí)海拔，三種壟向溝蝕密度均隨海拔增加至峰值，3級(jí)海拔表現(xiàn)為橫壟>順壟>斜壟。3—5級(jí)海拔，橫、順壟溝蝕密度下降速度快于斜壟，5級(jí)海拔表現(xiàn)為斜壟>橫壟>順壟。5—6級(jí)海拔，橫、順壟溝蝕密度小范圍上升，斜壟溝蝕密度大幅降低，至6級(jí)海拔表現(xiàn)為橫壟>順壟>斜壟。6—9級(jí)海拔，橫壟、順壟溝蝕密度波動(dòng)下降至最低，斜壟溝蝕密度持續(xù)增加，9級(jí)海拔表現(xiàn)為斜壟大于橫壟和順壟。能夠說明，糖坊鎮(zhèn)>210 m海拔上以斜壟耕作為主，但不能很好抵御侵蝕溝產(chǎn)生。

綜合來看，糖坊鎮(zhèn)0～150 m小海拔范圍及190～210 m海拔斜壟耕作能夠降低溝蝕密度，150～190 m海拔順壟耕作最優(yōu)，>210 m海拔橫壟耕作最優(yōu)。130～150 m海拔為三種壟向侵蝕敏感區(qū)間，應(yīng)注意重點(diǎn)防治。

圖5　三種壟向溝蝕密度高程分異

由圖5B可以看出，三寶鄉(xiāng)不同壟向溝蝕密度均隨海拔先增加后減小，這種規(guī)律和閆業(yè)超等研究相似[11,19]。1級(jí)海拔耕地?zé)o侵蝕現(xiàn)象，2級(jí)海拔斜壟溝蝕密度為0，橫壟溝蝕密度大于順壟溝蝕密度。2—3級(jí)坡長，橫壟、順壟溝蝕密度有所下降，斜壟溝蝕密度開始上升，至3級(jí)海拔表現(xiàn)為橫壟>斜壟>順壟。3—5級(jí)海拔，三種壟向耕地溝蝕密度均隨海拔增加至峰值，至5級(jí)海拔，表現(xiàn)為順壟>橫壟>斜壟。5—9級(jí)海拔，三種壟向耕地溝蝕密度均隨海拔升高而下降，至9級(jí)海拔表現(xiàn)為橫壟>順壟>斜壟。

綜合來看，除糖坊鎮(zhèn)斜壟外，各壟向溝蝕密度整體上隨海拔高度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，不同高程受人類活動(dòng)影響不同，環(huán)境脆弱程度也不同[19]。三寶鄉(xiāng)順壟溝蝕密度總體最低，與順壟地塊較少有關(guān)。由于三寶鄉(xiāng)“順改橫”特定原因，順壟耕作不是三寶鄉(xiāng)優(yōu)勢(shì)耕作壟向，斜壟耕作總體上為任意海拔級(jí)最優(yōu)選擇。170～190 m是溝蝕敏感區(qū)，應(yīng)注意防治。

3.4.2坡度因子將坡度數(shù)據(jù)重分類為5級(jí)，坡度分級(jí)見表3。依次把壟向、坡度級(jí)、侵蝕溝數(shù)據(jù)空間疊加得到不同壟向不同坡度級(jí)的溝蝕密度。由圖6看出，兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)溝蝕密度隨坡度變化情況不完全相似，但占主導(dǎo)地位壟向的溝蝕密度隨著坡度的增加都呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。

由圖6A看出，糖坊鎮(zhèn)在1級(jí)坡度上溝蝕密度順壟>橫壟>斜壟。1—2級(jí)坡度，順、斜壟溝蝕密度隨坡度上升，橫壟溝蝕密度稍有減小，2級(jí)坡度表現(xiàn)為順壟>斜壟>橫壟。2—3級(jí)坡度，橫順壟溝蝕密度隨坡度上升，斜壟溝蝕密度有所回落，順壟溝蝕密度達(dá)到峰值，為1 345.30 m/km2，3級(jí)坡度表現(xiàn)為順壟>橫壟>斜壟。3級(jí)坡度后，順壟溝蝕密度隨坡度下降，橫壟溝蝕密度隨坡度持續(xù)上升，斜壟溝蝕密度波動(dòng)下降，一直表現(xiàn)為橫壟>順壟>斜壟。8°以后，橫壟溝蝕密度依然增加，比同坡度順壟溝蝕密度大。

綜合來看，在<6°時(shí)坡度是順壟溝蝕的主要因素。2°～6°坡度范圍橫壟耕種能夠更好抑制溝蝕，低坡度內(nèi)由于流水方向與橫壟壟向垂直，徑流受到地壟阻力，侵蝕溝短期內(nèi)不會(huì)急速延伸，8°以后不再適宜橫壟耕種。斜壟溝蝕密度在不同坡度級(jí)上表現(xiàn)平穩(wěn)，整體小于橫、順壟溝蝕密度。斜壟耕作能夠減小壟向角，使徑流沿著更平緩坡度流動(dòng)，侵蝕量更小[13]。

表3　坡度分級(jí)

圖6　三種壟向溝蝕密度坡度分異

由圖6B可知，三寶鄉(xiāng)在第1坡度級(jí)上，溝蝕密度橫壟>斜壟>順壟。1—2級(jí)坡度，橫、順壟溝蝕密度隨坡度上升，斜壟溝蝕密度有所下降，2級(jí)坡度表現(xiàn)為橫壟>順壟>斜壟。2—4級(jí)坡度，橫壟、斜壟溝蝕密度隨坡度上升明顯，至第4級(jí)坡度，表現(xiàn)為橫壟>斜壟>順壟，橫、斜壟溝蝕密度達(dá)到峰值。4—5級(jí)坡度，橫、斜壟溝蝕密度自峰值回落，順壟溝蝕密度呈上升趨勢(shì)，第5坡度級(jí)上為橫壟>斜壟>順壟。

綜合來看，三寶鄉(xiāng)順壟溝蝕密度最低，這與早期“順改橫”密不可分[9]，順壟侵蝕早期本身就引發(fā)大規(guī)模侵蝕溝產(chǎn)生，所以三寶鄉(xiāng)應(yīng)斜壟耕作，8°～10°坡度侵蝕溝重點(diǎn)防治。橫壟溝蝕密度在各坡度級(jí)下均為最大，在實(shí)際耕作中，橫壟耕作并不完全是等高耕作，每條橫壟溝中高低不平，易造成渠系效應(yīng)，很難達(dá)到水土保持目的[14]。

3.4.3坡長因子將坡長數(shù)據(jù)分級(jí)，與壟向、侵蝕溝數(shù)據(jù)疊加，得到不同壟向不同坡長級(jí)的溝蝕密度。糖坊鎮(zhèn)耕地平均坡長402.41 m，三寶鄉(xiāng)耕地平均坡長452.80 m。同分為7級(jí)，分別為0～100，100～200，…，>600 m(表4)。一般來說，坡長越長匯水下流動(dòng)力越大，剝蝕坡面時(shí)間越長，因而徑流切割坡面作用越明顯[7]。

表4　坡長分級(jí)

對(duì)于糖坊鎮(zhèn)，坡長對(duì)溝蝕密度作用顯著，三種壟向溝蝕密度均隨坡長增加而升高。由圖7可知，1級(jí)坡長，溝蝕密度表現(xiàn)為斜壟>順壟>橫壟。1—2級(jí)坡長，橫、順壟溝蝕密度略有上升，至2級(jí)坡長表現(xiàn)為順壟>斜壟>橫壟。2—4級(jí)坡長，橫壟溝蝕密度隨坡長增加而上升，順壟溝蝕密度穩(wěn)定增加，斜壟溝蝕密度較平穩(wěn)，至4級(jí)坡長，溝蝕密度表現(xiàn)為橫壟>順壟>斜壟。4—6級(jí)坡長，順壟溝蝕密度持續(xù)隨坡長增加而上升，橫、斜壟溝蝕密度隨坡長增加有所減小，至6級(jí)坡長，表現(xiàn)為順壟>橫壟>斜壟。6—7級(jí)坡長，三種壟向溝蝕密度均急劇升高。徑流沖刷力大小主要取決于徑流速度和徑流量，兩者又受坡度和坡長影響[7]。

研究發(fā)現(xiàn)，糖坊鎮(zhèn)坡長與坡度存在顯著正線性關(guān)系(R2=0.872 9)，從另一方面助力坡長，增強(qiáng)徑流匯流動(dòng)力，造成溝蝕密度增加。坡長和坡度線性關(guān)系表達(dá)式為：

y=0.0015x+5.5176

(Sig.=0.00,R2=0.8729)

(3)

順壟溝蝕密度在坡度和坡長正向主導(dǎo)下，持續(xù)穩(wěn)定增長，橫壟溝蝕密度持波動(dòng)增長態(tài)勢(shì)。1—6級(jí)坡長斜壟溝蝕密度平穩(wěn)，同樣由于斜壟能夠減小壟向角，降低坡長對(duì)徑流的影響，使水流沿平緩坡度移動(dòng)以減小徑流攜帶的動(dòng)能。

綜合來看，在糖坊鎮(zhèn)0～200 m坡長，橫壟耕作在三種壟向中溝蝕密度最低。200～600 m坡長，斜壟受坡長干擾程度最小，受坡長坡度作用不顯著。>600 m坡長為耕作臨界點(diǎn)，三種壟向均不宜耕作。

坡長對(duì)三寶鄉(xiāng)橫壟侵蝕作用顯著。由圖8可知，1級(jí)坡長，溝蝕密度表現(xiàn)為斜壟>橫壟>順壟。1—2級(jí)坡長，橫壟溝蝕密度急劇增加，順壟和斜壟溝蝕密度略有上升，至2級(jí)坡長表現(xiàn)為橫壟>斜壟>順壟。2—3級(jí)坡長，橫壟溝蝕密度增幅減小，順壟、斜壟溝蝕密度均有所下降，至3級(jí)坡長表現(xiàn)為橫壟>斜壟>順壟，橫壟溝蝕密度達(dá)到峰值。3—6級(jí)坡長，橫壟溝蝕密度隨坡長增加持續(xù)降低，順壟和斜壟溝蝕密度波動(dòng)變化，至6級(jí)坡長表現(xiàn)為斜壟>橫壟>順壟。6—7級(jí)坡長，三種壟向耕地溝蝕密度均下降到最低值，至7級(jí)坡長表現(xiàn)為順壟>斜壟>橫壟。

圖7　糖坊鎮(zhèn)三種壟向溝蝕密度坡長分異

三寶鄉(xiāng)坡度和坡長關(guān)系呈顯著負(fù)線性相關(guān)(R2=0.768 2)。表達(dá)式為：

y=-0.0019x+9.6826

(Sig.=0.01,R2=0.7682)

(4)

三種壟向溝蝕密度都在1—2級(jí)坡長上升，這主要因?yàn)?—2級(jí)長平均坡度從9.10°上升到9.56°，坡度增大了坡長內(nèi)徑流累積量。2級(jí)坡長后，平均坡度有所減小，由9.56°下降到7.92°。無論何種耕作壟向，坡度變緩后徑流沖刷能力也會(huì)隨之下降，降低了溝蝕密度。

總結(jié)來看，三寶鄉(xiāng)0～600 m坡長適宜斜壟耕種。>600 m坡長耕地雖然坡長較大，但整體坡度較低，橫壟耕作可以較好抵御侵蝕溝產(chǎn)生。200～300 m坡長，橫壟侵蝕應(yīng)重點(diǎn)防治。結(jié)合糖坊鎮(zhèn)三種壟向耕地溝蝕密度隨坡長分異規(guī)律及坡長坡度關(guān)系來看，“小坡長”+“小坡度”或“大坡長”+“小坡度”條件橫壟耕作為最優(yōu)選擇，“小坡長”+“大坡度”或“大坡長+大坡度”條件斜壟耕作為最優(yōu)選擇。

圖8　三寶鄉(xiāng)三種壟向溝蝕密度坡長分異

4　結(jié)論與討論

(1) 本次研究的兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形條件差異較大，耕作壟向分布不同，溝蝕空間集聚的程度也不相同。同時(shí)，占主導(dǎo)地位耕作壟向內(nèi)的耕地侵蝕程度最重，不同壟向耕地的溝蝕密度有明顯差異，說明耕作壟向的選擇對(duì)耕地溝蝕的產(chǎn)生有一定影響。

(2) 研究區(qū)耕作壟向在空間上分布呈顯著自相關(guān)關(guān)系(Sig.<0.01)，因?yàn)閰^(qū)域尺度下地形是空間上影響耕作侵蝕的唯一要素，因此能夠說明不同耕作壟向在空間上的分布是農(nóng)民根據(jù)耕作經(jīng)驗(yàn)以水土保持效益為目的對(duì)地形條件的反饋體現(xiàn)，耕作壟向的合理配置能夠起到降低溝蝕密度的作用。

(3) 對(duì)于海拔因子，除糖坊鎮(zhèn)斜壟外，不同壟向耕地溝蝕密度隨海拔先增大后減小。糖坊鎮(zhèn)不同海拔區(qū)間優(yōu)勢(shì)耕作壟向規(guī)律性不強(qiáng)，130～150 m海拔為三種壟向侵蝕敏感區(qū)間。三寶鄉(xiāng)斜壟耕作總體上為任何海拔級(jí)上最優(yōu)選擇。170～190 m海拔為三寶鄉(xiāng)溝蝕敏感區(qū)。

(4) 對(duì)于坡度因子，占主導(dǎo)地位壟向耕地內(nèi)的溝蝕密度先隨坡度增加后減小，敏感區(qū)間分別是6°～8°及8°～10°。由于坡度、坡長因子分別是影響坡面徑流速度和流量的主控因素，所以坡長因子與坡度因子的交互作用顯著影響溝蝕密度。糖坊鎮(zhèn)坡長與坡度正相關(guān)(R2=0.872 9)，順壟、橫壟溝蝕密度在坡長坡度正相關(guān)作用下不斷增加，斜壟溝蝕密度低于順壟和橫壟。耕地溝蝕密度>600 m坡長為耕作臨界點(diǎn)。三寶鄉(xiāng)坡長與坡度負(fù)相關(guān)(R2=0.768 2)，橫壟溝蝕密度在坡長坡度負(fù)相關(guān)作用下不斷減小，順、斜壟溝蝕密度變化不大。200～300 m坡長上，橫壟侵蝕應(yīng)重點(diǎn)防治。綜合坡度、坡長的交互作用，兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)表現(xiàn)為“小坡長”+“小坡度”或“大坡長”+“小坡度”條件橫壟耕作為最優(yōu)選擇，“小坡長”+“大坡度”或“大坡長+大坡度”條件斜壟耕作為最優(yōu)選擇。

根據(jù)本文研究，壟向既是抵御地形劣勢(shì)的顯性選擇也是助力侵蝕溝發(fā)生的隱性條件，不同壟向的選擇會(huì)對(duì)溝蝕有一定影響，斜壟耕作更具水土保持作用。單純“順改橫”并不能有效抵御侵蝕，等高橫壟耕作需要更精細(xì)措施，但在黑土區(qū)復(fù)雜地形條件下難于實(shí)現(xiàn)。此外，區(qū)域尺度下不同壟向耕地溝蝕與地形因子耦合規(guī)律需要因地分析，同時(shí)應(yīng)注意不同地形因子的相互作用。對(duì)于溝蝕產(chǎn)生的地形敏感范圍，應(yīng)采取有效治溝防溝措施。耕作壟向與地形因子的復(fù)合作用是東北黑土區(qū)耕地產(chǎn)生侵蝕溝誘因，未來對(duì)于各耕作壟向分別干預(yù)或助力侵蝕溝產(chǎn)生的機(jī)理性原因與過程仍需更深層次探討。

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The Coupling Laws Between Gully Erosion of Cultivated Lands with Different Ridge Directions and Terrain in Northeast Black Soil Region of China

NING Jing, YANG Zi, JIANG Tao, YANG Shuang, DANG Siyu

(CollegeofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

With the long-term over-cultivating and continuous cropping in the northeast black soil region of China, it has been a severe problem that the erosion gullies cut up the cultivated land surface. We took two towns in Bin County of Heilongjiang Province as the typical areas. The spatial distribution and the coupling laws between gully erosion of cultivated lands with different ridge directions and terrain in regional scale were studied based on the GIS and RS technology, integrated ridge direction, erosion gully, DEM data, global spatial autocorrelation, sample of grid and so on. The results showed that: first, the spatial agglomeration of gully erosion was not the same in different towns, erosion degree of the dominant ridge direction in cultivated land was the most serious; second, the distribution of ridge direction in cultivated land showed an obvious spatial autocorrelation, the different spatial distribution of ridge direction was the feedback toward the terrain conditions, and the reasonable spatial distribution of ridge direction played a role in reducing gully density; third, gully density of different ridge directions in cultivated lands increased first and then decreased with the elevation rising in addition to askew ridge of Tangfang Town. The regularity of optimal ridge direction in different elevation levels was not obvious in Tangfang Town, askew ridge tillage in any elevation level was optimal in Sanbao Town; fourth, the interaction between slope length and slope gradient was significant, showing that the horizontal ridge tillage was optimal under the condition of ‘small slope gradient’+‘small slope length’ or ‘big slope gradient’+‘small slope length’, and the askew ridge tillage was optimal under the condition of ‘small slope gradient’+‘big slope length’ or ‘big slope gradient’+‘big slope length’ in both towns; fifth, askew ridge tillage has significant effect on water and soil conservation in rolling hill regions of black soil area.

gully erosion; tillage ridge direction; terrain; coupling laws; northeast black soil region of China

2015-11-05

2015-11-26

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(12531035);黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目(ht2012-10)

寧靜(1978—),女,黑龍江哈爾濱人,博士,副教授,研究方向?yàn)橥恋厣鷳B(tài)環(huán)境問題及3S技術(shù)應(yīng)用。E-mail:njing_today@163.com

S157

A

1005-3409(2016)03-0029-08