天山北坡典型小流域侵蝕溝形態(tài)特征及其成因

蔣巖初, 張文太, 盛建東

(新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院/新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052 )

天山北坡典型小流域侵蝕溝形態(tài)特征及其成因

蔣巖初, 張文太, 盛建東

(新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院/新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052 )

[目的] 揭示天山北坡典型小流域侵蝕溝發(fā)育規(guī)律，為侵蝕溝的預警及防治提供科學依據(jù)。[方法] 選取天山北坡典型小流域10條侵蝕溝進行分析，采用野外實地調(diào)查與地理信息技術(shù)相結(jié)合的方法，對研究區(qū)侵蝕溝形態(tài)發(fā)育特征及其成因進行分析。[結(jié)果] (1) 研究區(qū)侵蝕溝特征值之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系：橫截面積與平均溝寬、平均溝深呈極顯著正相關(guān)； 溝壑面積與溝長呈顯著正相關(guān)； 溝壑體積與橫截面積、溝壑面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與平均溝寬、平均溝深呈顯著正相關(guān)關(guān)系； 溝長、平均溝寬、平均溝深相互之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，匯水面積與特征值之間也無明顯的相關(guān)關(guān)系。(2) 研究區(qū)侵蝕溝均是開析型侵蝕溝和弱度割裂型侵蝕溝。(3) 研究區(qū)侵蝕溝密度與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，坡度越大，密度越大； 侵蝕溝密度與溝長無相關(guān)關(guān)系，侵蝕溝密度隨溝長的增加呈先增加后減小的趨勢；研究區(qū)典型侵蝕溝密度在南坡最大，西坡和西南坡的密度相對較小。[結(jié)論] 坡度和坡向是影響小流域尺度侵蝕溝發(fā)育的重要地形因素。

天山北坡; 侵蝕溝; 特征值

文獻參數(shù)： 蔣巖初，張文太，盛建東.天山北坡典型小流域侵蝕溝形態(tài)特征及其成因[J].水土保持通報，2017,37(1)：304-307.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.053； Jang Yanchu, Zhang Wentai, Sheng Jiandong.Morphological characteristics of erosion gully and its driving factors in a typical small watershed in northern slope of Tianshan Mountains[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：304-307.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.053

侵蝕溝是地表徑流在坡度或高程發(fā)生變化而又缺乏植物保護的裂點匯集進而形成的，在水土流失中占有重要地位[1]。侵蝕溝破壞耕地，切割地表，蠶食土地，沖走沃土，淤積河道，切斷交通，造成人畜傷亡，沖走房屋和社會公用設施，侵蝕溝會加劇水土流失過程，吞噬土地資源[2]。國外對侵蝕溝的研究起步較早，建國后，中國對黃土高原、內(nèi)蒙古高原和東北平原區(qū)的侵蝕溝[3-5]進行了研究，但對新疆地區(qū)的侵蝕溝研究較少。研究區(qū)位于天山北坡，周邊擁有新疆自治區(qū)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，由于地勢地貌、氣候及人為活動的影響，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了一定的水土流失現(xiàn)象，侵蝕溝現(xiàn)象比較突出，目前已經(jīng)影響到當?shù)氐耐恋刭Y源，威脅國家糧食安全，影響當?shù)剞r(nóng)牧民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。研究選取天山北坡丘陵地帶的10條侵蝕溝進行分析，其地形地貌具有一定程度的區(qū)別，溝壑形態(tài)具有一定程度的代表性。本文通過野外測量侵蝕溝并結(jié)合地理信息技術(shù)計算沖溝形態(tài)參數(shù)，描述侵蝕溝形態(tài)發(fā)育特征，對侵蝕溝進行分類，并對侵蝕溝發(fā)育進行成因分析。本研究成果將揭示研究區(qū)侵蝕溝發(fā)育規(guī)律，為侵蝕溝的預警及防治提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于天山北坡丘陵地帶，行政區(qū)位置位于瑪納斯縣南部，地理位置為85°46′27″—85°52′19″E，43°55′49″—43°57′18″N。屬中溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而酷熱，晝夜溫差大，年平均降水量173.3 mm，大年份251.1 mm，最大日降水量34.5 mm。年平均氣溫7.2 ℃，7月平均氣溫24.4 ℃，1月平均氣溫-18.4 ℃，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫-37.4 ℃。全年無霜期165～172 d，最長達190 d。該研究地處天山北麓中段、準噶爾盆地南緣，地勢自北向南緩緩傾斜，地塹盆地，斷裂較多，構(gòu)造復雜，特有的地質(zhì)活動造成流域坡陡、坡短，地形較為破碎。土壤和植被類型垂直地帶性分布明顯，形成了高山草甸土、亞高山草甸土、山地灰褐森林土，栗鈣土、黑鈣土、棕鈣土和灰漠土。研究區(qū)土壤侵蝕營力以水力侵蝕為主，凍融侵蝕為輔。研究區(qū)位于高寒區(qū)，高山融雪補水是最主要河流補給形式，地面積雪融化時，地表凍層隨之融化，因有未融化土層的存在，融雪水無法下滲或來不及下滲而與融化了的土層呈泥漿狀沿地面流動，造成水力侵蝕現(xiàn)象[6]。研究區(qū)土地利用狀況以中覆蓋度、低覆蓋度草地為主，耕地較少，這就造成研究區(qū)以放牧業(yè)為主的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)侵蝕溝數(shù)據(jù)來源于遙感影像解譯和2015年6月在天山北坡的野外調(diào)查。為避免遙感解譯帶來的誤差，采取全區(qū)域侵蝕溝實地詳查的方法，手持GPS沿溝緣及溝底均勻采點，地形變化處，加大采點密度。

測量每一條侵蝕溝的溝頭、溝1/4處、溝1/2處、溝3/4處、溝尾數(shù)據(jù)，并且記錄每條侵蝕溝坡向、坡度、所在地塊的植被類型、所在地塊的坡度、所在地塊的地理位置等，利用實測的侵蝕溝GPS數(shù)據(jù)并結(jié)合Google earth和ArcGIS 10.2軟件得到侵蝕溝的溝長和匯水面積數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

侵蝕溝的橫截面面積、溝壑面積、溝壑體積可以進一步反映侵蝕溝的特征值，其計算公式如下：

S1=D×H

(1)

S2=L×D

(2)

V=L×D×H

(3)

式中:S1，S2和V——橫截面面積(m2)、溝壑面積(m2)和溝壑體積(m3)；D——溝道平均寬度(m)；H——溝道平均深度(m)；L——侵蝕溝長度(km)。

地表的破碎程度及土壤侵蝕劇烈程度用侵蝕溝密度表示[7]：

(4)

式中:p——侵蝕溝密度(km/km2)；L——侵蝕溝長度(km)；S——匯水面積(km2)。下同。

溝道的開析狀況是指侵蝕溝的開張程度K來表示[8]，反映侵蝕溝的宏觀地形開闊特征，一般來說溝道開析度越大，溝壑越開闊。K<0.35為深切型，0.35≤K≤0.65為半開析型，K>0.65為開析型。公式如下：

(5)

式中：K——開張程度；D——溝道平均寬度(m)；H——溝道平均深度(m)。下同。

溝道的割裂狀況用地面割裂度G來反映[8]，在一定的地域范圍內(nèi)，地面割裂度越大，溝壑面積越大，溝谷面積越小，地形越破碎，水土流失面積就越大。G<17.94%為弱度割裂型，17.94%≤G≤49.94%為中度割裂型，G>49.94%為強度割裂型。公式如下：

(6)

式中:G——地面割裂度(%)。

主要采用的處理軟件包括：遙感圖像處理軟件ENVI和Google earth，地理信息處理軟件ArcGIS 10.2，數(shù)理統(tǒng)計分析軟件SPSS 19，Excel 2010。

3 結(jié)論與分析

3.1 侵蝕溝特征值分析

由公式(1)—(3)和表1—2可知：橫截面面積與平均溝寬、平均溝深呈極顯著正相關(guān)，G06橫截面面積是G10的15.38倍，其G06平均溝寬、平均溝深分別是G10的4.20，3.71倍；溝壑面積與溝長呈顯著正相關(guān)，G08溝壑面積是G10的5.07倍，其G08溝長是G10的2.84倍；溝壑體積與橫截面積、溝壑面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與平均溝寬、平均溝深呈顯著正相關(guān)關(guān)系，G06溝壑體積是G10的15.45倍，其G06橫截面積、溝壑面積、平均溝寬、平均溝深分別為15.38，4.20，4.20，3.71倍；溝長、平均溝寬、平均溝深相互之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，匯水面積與特征值之間也無明顯的相關(guān)關(guān)系。

表1 侵蝕溝溝道特征值

表2 侵蝕溝溝道特征值皮爾遜相關(guān)系數(shù)

注:*表示相關(guān)關(guān)系顯著(p<0.05);**表示相關(guān)關(guān)系極顯著(p<0.01)。

3.2 侵蝕溝分類

采用Strahler 提出的地貌幾何定量數(shù)學模型分級方法和基于溝道開析度、割裂度侵蝕溝道分類方法對研究區(qū)侵蝕溝分類研究[9]。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由公式(5)-(6)和表3可知，從開析度來講，其開析度指數(shù)介于1.04～2.89，均大于0.65，故都屬于開析型侵蝕溝，這說明研究區(qū)侵蝕溝相對開闊，溝道的立地條件較好，開發(fā)利用潛力大；從割裂狀況來講，割裂度指數(shù)介于0.30%～2.80%，均小于17.94%，故都屬于弱度割裂型，這說明研究區(qū)侵蝕溝的溝壑面積相對較小，溝谷面積較小，水土流失面積相對較小。

表3 侵蝕溝分類指數(shù)及分類結(jié)果

3.3 侵蝕溝密度與坡度關(guān)系

坡度是影響坡耕地土壤侵蝕的重要地形因子。從圖1可以看出，蝕溝坡度位于1°～19°，密度介于2.08～16.95 km/km2，侵蝕溝密度與坡度關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系，坡度越大，越有利于侵蝕溝的生成和發(fā)育，侵蝕溝密度越大。侵蝕溝在G01上坡度最小，為1°，密度值同時為2.08 km/km2，最低，密度值為最高侵蝕溝在G08上坡度最大，為19°，密度值為最高，值為16.95 km/km2。隨著坡度的增加，流速增加，沖刷力增強，增強徑流沖刷力，同時，土壤穩(wěn)定性降低，更利于侵蝕溝發(fā)育[10]。

圖1 侵蝕溝密度與坡度相關(guān)關(guān)系

3.4 侵蝕溝密度與溝長關(guān)系

研究區(qū)位于丘陵地帶，坡長相對較短。從圖2可以看出，溝長介于100.01～359.88 m，密度介于2.08～16.95 km/km2，溝長與侵蝕溝密度并無明顯的相關(guān)關(guān)系，溝長隨著密度的增加，溝長先增大，后減小。在G08點，溝最長，其密度為10.55 km/km2，G01處，溝最短，密度2.08 km/km2，侵蝕溝密度最大值及密度最大增加值均出現(xiàn)在300 m附近。這說明在一定范圍的溝長范圍內(nèi)，溝長越長，侵蝕溝發(fā)育空間增大，徑流加速距離增加，越有利于侵蝕溝的發(fā)育，但超過一定范圍后，受水流、坡度等因素的影響，侵蝕溝密度開始降低從而導致徑流及其所攜帶泥沙運移狀態(tài)有所改變，徑流動能降低造成侵蝕溝發(fā)育劇烈程度減弱[11]。

圖2 侵蝕溝密度與溝長相關(guān)關(guān)系

3.5 侵蝕溝密度與坡向關(guān)系

本研究結(jié)合野外調(diào)查的不同坡向和在坡向基礎上的密度變化，分析研究區(qū)侵蝕溝密度與坡向的關(guān)系。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)侵蝕溝主要分布在南坡、西坡和西南坡。從圖3可以看出，侵蝕溝在南坡，發(fā)育程度最高，西坡次之，西南坡最弱。從總的坡向分析來看，有3條溝分布在南坡，平均密度達到了10.83 km/km2，有二條溝分布在西坡，平均密度達到了6.32 km/km2，有5條溝分布在西南坡，平均密度達到了7.07 km/km2。造成如此分布的原因主要是：研究區(qū)處于大陸腹地，為溫帶大陸性干旱性氣候，主要的補給形式是春季積雪。陽坡接受的太陽輻射總量大，土壤晝夜溫差比陰坡大，凍融作用比陰坡強。此外，陽坡春季積雪融化較快，水流相對集中，造成南坡侵蝕度最強，侵蝕溝密度也最大[12]。

圖3 不同坡向侵蝕溝密度

4 結(jié) 論

研究區(qū)侵蝕溝溝道特征值之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系：橫截面面積與平均溝寬、平均溝深呈極顯著正相關(guān)；溝壑面積與溝長呈顯著正相關(guān)；溝壑體積與橫截面積、溝壑面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與平均溝寬、平均溝深呈顯著正相關(guān)關(guān)系；溝長、平均溝寬、平均溝深相互之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，匯水面積與特征值之間也無明顯的相關(guān)關(guān)系。

研究區(qū)侵蝕溝均是開析型侵蝕溝和弱度割裂型侵蝕溝。侵蝕溝相對開闊，水土流失面積相對較小，故應采取以治理防護為主、開發(fā)利用為輔的治理模式，采取植物措施，涵養(yǎng)水土，增加降雨就地入滲，達到防治水土流失、阻止次生侵蝕溝頭發(fā)育的目的[13]。

研究區(qū)侵蝕溝密度與坡度關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系。坡度越大，密度越大；侵蝕溝密度與溝長無相關(guān)關(guān)系，侵蝕溝密度隨著溝長的增加呈先增加后減小的趨勢；研究區(qū)侵蝕溝密度在南坡最大，西坡和西南坡的密度相對較小。

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Morphological Characteristics of Erosion Gully and Its Driving Factors in a Typical Small Watershed in Northern Slope of Tianshan Mountains

JIANG Yanchu, ZHANG Wentai, SHENG Jiandong

(XinjiangKeyLaboratoryofSoilandPlantEcologicalProcess,CollegeofGrasslandandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

[Objective] The objective of this study is to reveal the development of erosion gully in a typical small watershed in the northern slope of Tianshan Mountains, in order to provide a scientific basis for early warning and control of gully erosion. [Methods] This paper selected 10 erosion gullies in the northern slope of Tianshan Mountains, field survey and GIS technology was used to investigate the characteristics and morphological formation of erosion gully. [Results] (1) There was a significantly positive correlation between the cross section area and the average width and the depth of the gully. Gully area was positively related to the length of gully. Significant positive correlations existed between gully volume and cross-sectional area, and between gully volume and gully area. No significant correlations were found among gully length, average width of gully and the mean depth. Similarly, no obvious correlation existed between catchment area and characteristic value. (2) Erosion gullies in the study area were all open-type and weak erosion type. (3) Gully density was positively correlated with the slope, as greater the gully density tended to occur at the steeper slope. However, there was no correlation existed between gully density and gully length. Gully density was the largest in the southern slope, while in the west and southwest slope, the gully density was relatively small. [Conclusion] The slope and aspect are important geomorphological factors influencing gully development at small watershed scale.

northern slope of Tianshan Mountains; erosion gully; characteristic value

2015-11-19

2015-12-28

自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程項目“新疆天山北坡典型小流域侵蝕溝發(fā)育過程與機制”(2014731010)

蔣巖初(1992—),男(漢族),河南省淮陽縣人,碩士研究生,研究方向為農(nóng)業(yè)信息化及遙感研究。E-mail:313147252@qq.com。

張文太(1984—),男(漢族),山東省冠縣人,博士,副教授,從事水土保持生態(tài)修復研究。E-mail:zwt@xjau.edu.cn。

A

1000-288X(2017)01-0304-04

S157.1