吉林省侵蝕溝分布與環(huán)境要素的關(guān)系

許曉鴻， 崔 斌， 張 瑜， 田立生， 崔海鋒， 申聰穎

(1.吉林省水土保持科學(xué)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130033; 2.吉林省水利廳重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)管理辦公室, 吉林 長(zhǎng)春 130033)

吉林省侵蝕溝分布與環(huán)境要素的關(guān)系

許曉鴻1， 崔 斌1， 張 瑜2， 田立生1， 崔海鋒1， 申聰穎1

(1.吉林省水土保持科學(xué)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130033; 2.吉林省水利廳重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)管理辦公室, 吉林 長(zhǎng)春 130033)

[目的] 探求與侵蝕溝空間分布密切的環(huán)境因子，揭示其分布特征，為侵蝕溝發(fā)育規(guī)律研究及治理提供理論依據(jù)。[方法] 利用遙感調(diào)查和抽樣調(diào)查相結(jié)合的方式，基于GIS分析功能，對(duì)吉林省6個(gè)區(qū)域共23個(gè)調(diào)查單元(小流域)內(nèi)侵蝕溝進(jìn)行了調(diào)查與匯總分析，研究溝壑密度、溝壑裂度等與環(huán)境要素關(guān)系。[結(jié)果] (1) 6個(gè)區(qū)域溝壑密度大小順序?yàn)椋憾鼗?16.30 km/km2)>遼源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九臺(tái)(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)； (2) 敦化地區(qū)溝壑裂度隨坡度增加先穩(wěn)定后急劇降低；前郭地區(qū)溝壑裂度隨坡度的增加而增加；遼源、梅河、伊通、九臺(tái)4個(gè)地區(qū)溝壑裂度均隨坡度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，溝壑裂度最大值除遼源發(fā)生在6°～9°外，其他3個(gè)地區(qū)均發(fā)生在3°～6°；(3) 溝壑密度隨坡度的增加而增加，二者存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.755，研究中符合這一規(guī)律的樣本占總體的83%。 (4) 集水區(qū)形狀系數(shù)對(duì)溝壑密度具有一定的規(guī)律性影響，但這只體現(xiàn)在九臺(tái)地區(qū)，主要表現(xiàn)為溝壑密度隨形狀系數(shù)的增加而增加；(5) 6個(gè)地區(qū)溝壑密度與集水面積呈一元二次函數(shù)關(guān)系，29.39 hm2為溝壑密度發(fā)生變化的臨界值。[結(jié)論] 吉林省內(nèi)分異特征總體表現(xiàn)為由西向東和由北向南增加的趨勢(shì)。不同地區(qū)溝壑裂度隨坡度變化呈現(xiàn)出不同規(guī)律，集水區(qū)長(zhǎng)度、平均寬度與侵蝕溝各特征指標(biāo)均無顯著相關(guān)性。

侵蝕溝; 溝壑密度; 溝壑裂度; 坡度; 形狀系數(shù)

文獻(xiàn)參數(shù)： 許曉鴻， 崔斌， 張瑜， 等.吉林省侵蝕溝分布與環(huán)境要素的關(guān)系[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：93-96.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.016； Xu Xiaohong, Cui Bin, Zhang Yu, et al. Relationship between distributions of erosion gully and of environmental factors in Jilin Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：93-96.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.016

東北黑土資源以有機(jī)質(zhì)含量高、土質(zhì)疏松、適宜耕作而聞名于世，號(hào)稱“北大倉(cāng)”，是中國(guó)重要的商品糧基地之一，區(qū)域面積1.03×106km2[1]。長(zhǎng)期以來，由于人類的過度墾殖和不合理耕作，造成該區(qū)大規(guī)模的水土流失，侵蝕溝不斷切割地表，蠶食耕地，沖走沃土，降低了大型機(jī)械的耕作效率。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，黑土區(qū)內(nèi)有侵蝕溝29萬多條，侵蝕溝總面積3 648.42 km2，總長(zhǎng)度195 512.64 km[2]。進(jìn)入21世紀(jì)之后，黑土區(qū)水土流失逐漸引起社會(huì)各界的關(guān)注，侵蝕溝治理與研究工作取得了一系列研究成果[3-8]。近期，按照水利部安排部署，松遼水利委員會(huì)全面啟動(dòng)了東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項(xiàng)規(guī)劃編制工作，東北黑土區(qū)侵蝕溝治理迎來了新的時(shí)機(jī)。為助推黑土區(qū)侵蝕溝治理步伐，本研究擬以吉林省為對(duì)象，采用分層抽樣方法，在吉林省水土保持區(qū)劃3級(jí)分區(qū)共選取6個(gè)市縣內(nèi)23個(gè)調(diào)查單元為樣本單元，進(jìn)行侵蝕溝特征與環(huán)境要素關(guān)系研究，以期為整個(gè)東北黑土區(qū)內(nèi)侵蝕溝的分布特征與發(fā)展規(guī)律研究提供補(bǔ)充。

1 研究?jī)?nèi)容與方法

1.1 典型調(diào)查單元選取

本研究選取吉林省內(nèi)6個(gè)典型區(qū)共23個(gè)典型調(diào)查單元，于2014年10月進(jìn)行實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，其中前郭縣1個(gè)，梅河口市12個(gè)，九臺(tái)市5個(gè)，伊通1個(gè)，敦化縣1個(gè)，遼源3個(gè)(東遼1個(gè)，東豐2個(gè))。各調(diào)查單元均為一個(gè)或多個(gè)閉合集水區(qū)域，對(duì)單元內(nèi)切溝進(jìn)行全面調(diào)查，支溝只計(jì)入長(zhǎng)度而不計(jì)入數(shù)量。調(diào)查提取的侵蝕溝長(zhǎng)度介于10～569 m，集水面積介于4.3～45.61 hm2。以1∶1萬地形圖為底圖，應(yīng)用GIS軟件，采取人機(jī)交互方式解譯侵蝕溝形態(tài)要素與地形要素(見表1)，用于分析東北黑土區(qū)侵蝕溝分布特征及發(fā)展規(guī)律。

表1 吉林省典型研究區(qū)基本情況

1.2 主要調(diào)查指標(biāo)及方法

(1) 集水面積。以1∶1萬地形圖為底圖，利用GIS軟件勾繪各單元集水區(qū)域，并計(jì)算集水面積。

(2) 溝壑密度及溝壑長(zhǎng)度。通過實(shí)地測(cè)量，利用高精度差分GPS沿溝頭至溝口在侵蝕溝拐點(diǎn)處定坐標(biāo)點(diǎn)，記錄各侵蝕溝點(diǎn)號(hào)。利用GIS軟件根據(jù)點(diǎn)號(hào)繪制每條侵蝕溝，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能計(jì)算侵蝕溝總長(zhǎng)度等溝長(zhǎng)信息，再除以單元集水面積，得到溝壑密度。

(3) 坡度。以1∶1萬地形圖為底圖，應(yīng)用GIS軟件的3 D分析模塊，以研究區(qū)DEM作為數(shù)據(jù)源，建立數(shù)字坡度模型。按0°～3°,3°～6°,6°～9°,9°～12°,12°～15°,15°～18°,≥18°分為7個(gè)級(jí)別，轉(zhuǎn)換矢量圖斑，與溝壑裂度、集水面積等圖層疊加，求得各坡度的特征值。

(4) 溝壑裂度。在實(shí)地調(diào)查中沿侵蝕溝一定距離測(cè)量斷面尺寸，利用下式計(jì)算溝壑占地面積：

(1)

式中：A——溝壑占地面積(m2)，以溝緣線為計(jì)算邊界； L1，L2，…——各斷面上口寬(m)； L0——測(cè)量斷面間距(m)。利用溝壑占地面積除以單元集水面積得到溝壑裂度。

(5) 集水區(qū)形狀系數(shù)。當(dāng)粗略計(jì)算時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式[9]：

(2)

式中：f——集水區(qū)內(nèi)的流域形狀系數(shù)；F——集水面積(km2)；L——集水區(qū)內(nèi)的流域長(zhǎng)度(km)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝壑密度的地區(qū)分異

6個(gè)市縣區(qū)23個(gè)調(diào)查單元內(nèi)侵蝕溝總數(shù)為277條，總長(zhǎng)度21.71 km，侵蝕耕地達(dá)453 hm2。溝壑密度大小排序?yàn)?敦化(16.30 km/km2)>遼源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九臺(tái)(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)，其省內(nèi)分異特征總體表現(xiàn)為由西向東和由北向南增加的趨勢(shì)。地形和降雨是不同調(diào)查區(qū)域的2大主要分異要素，吉林省東南部高，西北部低，地形由中山低山過渡至風(fēng)沙平原，降雨量由東南向西北逐漸減少，侵蝕類型由水力—風(fēng)水復(fù)合—風(fēng)力過渡，由此形成了前述溝壑密度的區(qū)域分異特征。這說明溝壑密度與區(qū)域自然要素密切相關(guān)。

2.2 溝壑裂度的坡度分異

6個(gè)地區(qū)的溝壑裂度與坡度曲線關(guān)系體現(xiàn)了3種不同特征趨勢(shì)：敦化地區(qū)溝壑裂度隨坡度增加先穩(wěn)定后急劇降低；前郭地區(qū)溝壑裂度隨坡度的增加而增加；遼源、梅河、伊通、九臺(tái)4個(gè)地區(qū)溝壑裂度均隨坡度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，溝壑裂度最大值除遼源發(fā)生在6°～9°外，其他3個(gè)地區(qū)均發(fā)生在3°～6°(圖1)。

結(jié)合實(shí)地調(diào)查和數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示： ① 敦化地區(qū)調(diào)查單元平均坡度較高，為13°，短歷時(shí)強(qiáng)降雨頻率大，坡面易于產(chǎn)流且徑流動(dòng)能大，侵蝕溝長(zhǎng)度大且以中型沖溝為主，溝道斷面沿坡度變化較小，溝壑裂度隨坡度平穩(wěn)變化，在陡坡帶主要為林草地，郁閉度較高，因此溝壑裂度急劇降低； ② 前郭地區(qū)調(diào)查單元坡形坡向單一，緩坡帶坡耕地橫壟耕作基本與等高線平行，同時(shí)該區(qū)降雨量較少，壟臺(tái)起到了很好的攔蓄徑流作用，因此僅有少量淺溝(順犁溝)分布。大型切溝分布在溝壟末端與道路交叉處路邊陡坡，坡長(zhǎng)較短、多為荒地、植被蓋度<0.3，陡坡處侵蝕量占區(qū)域侵蝕總量的92%，這是由于緩坡帶匯集的徑流通過“渠系效應(yīng)”[10]形成集中股流流經(jīng)落差較大坡面造成溝蝕后，溝道受長(zhǎng)期水流切割作用溝底逐漸下切，導(dǎo)致溝岸在水力、重力及凍融等多營(yíng)力侵蝕作用下加劇擴(kuò)張所形成的。③ 遼源、梅河、伊通、九臺(tái)4個(gè)地區(qū)調(diào)查單元區(qū)域?qū)傩员容^一致。坡度大于6°時(shí)以淺溝為主，而切溝主要分布在6°以下的緩坡帶，長(zhǎng)度僅分別占總長(zhǎng)度的32%，28%，35%和30%，但侵蝕量卻分別占侵蝕總量的72%，83%，85%，75%。這說明緩坡帶往往存在大密度侵蝕溝。實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)緩坡帶侵蝕溝溝頭及兩側(cè)溝岸均有來水，侵蝕溝具有較大的寬長(zhǎng)比，并且跌差較大，一般均>1 m。這證實(shí)溯源侵蝕是該區(qū)緩坡帶侵蝕溝的主要發(fā)展形式。

圖1 研究區(qū)溝壑裂度坡度分異

2.3 溝壑密度隨坡度變化規(guī)律

坡度是地貌形態(tài)特征的主要因子。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[11]。對(duì)23個(gè)調(diào)查單元內(nèi)的溝壑密度與坡度進(jìn)行了相關(guān)性分析，剔除4個(gè)異常點(diǎn)(與總體平均值偏差>3 km/km2的數(shù)值)后，得到剩余19個(gè)調(diào)查單元(占總調(diào)查單元的83%)的溝壑密度與坡度相關(guān)關(guān)系曲線(圖2)。

從圖2中可以看出，溝壑密度隨坡度的增加而增加，二者存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.755，并且符合這一規(guī)律的樣本數(shù)占總體樣本的83%，說明坡度是影響溝壑密度大小的重要因子。分析認(rèn)為這主要體現(xiàn)在坡度對(duì)土壤抗蝕性及坡面產(chǎn)匯流過程的影響：侵蝕溝是由集中股流切割地表所形成，土壤抗蝕性與徑流切割力相互作用，決定著侵蝕溝發(fā)育發(fā)展。一方面，通過研究及實(shí)地調(diào)查結(jié)果表明，隨坡度增加，土壤中黏粒含量、土壤團(tuán)聚體的幾何平均直徑與平均重量直徑減小，土壤抗蝕性下降[12-13]；另一方面，坡面產(chǎn)匯流過程決定徑流切割力。由于存在臨界坡度，使坡度對(duì)匯流歷時(shí)、徑流系數(shù)、徑流量均有較復(fù)雜的影響，但在達(dá)到臨界坡度之前，隨坡度增加，存在匯流歷時(shí)縮短、徑流系數(shù)和徑流量增加的趨勢(shì)[14-15]，這也加劇了侵蝕溝的發(fā)育。

圖2 溝壑密度與坡度關(guān)系

2.4 溝壑密度隨集水區(qū)形狀特征因子變化規(guī)律

對(duì)23個(gè)調(diào)查單元集水區(qū)域的長(zhǎng)度、平均寬度、集水面積、形狀系數(shù)等體現(xiàn)流域形狀特征的因子與侵蝕溝各指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果為：集水區(qū)長(zhǎng)度、平均寬度與侵蝕溝各項(xiàng)指標(biāo)無相關(guān)性；形狀系數(shù)對(duì)溝壑密度有一定的影響，但這只體現(xiàn)在九臺(tái)地區(qū)，主要表現(xiàn)為溝壑密度隨形狀系數(shù)的增加而增加(圖3)。以上結(jié)果表明，集水區(qū)長(zhǎng)度、平均寬度以及形狀系數(shù)對(duì)侵蝕溝發(fā)育影響較?。粶羡置芏入S集水面積增加表現(xiàn)為先減小后增加，二者呈一元二次函數(shù)關(guān)系(y=0.009x2-0.529x+10.06)(圖4)，并且通過計(jì)算，得到了29.39 hm2為溝壑密度變化的臨界值。對(duì)于這一結(jié)論，目前鮮有研究和報(bào)道，對(duì)此還需要大量的調(diào)查數(shù)據(jù)以及在不同尺度條件下開展進(jìn)一步研究進(jìn)行論證。

圖3 九臺(tái)地區(qū)溝壑密度與形狀系數(shù)關(guān)系

圖4 溝壑密度與集水面積關(guān)系

3 結(jié)論與討論

(1) 吉林省侵蝕溝分異特征總體表現(xiàn)為由西向東和由北向南增加的趨勢(shì)。6個(gè)調(diào)查單元溝壑密度大小排序?yàn)椋憾鼗?16.30 km/km2)>遼源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九臺(tái)(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)。

(2) 不同地區(qū)溝壑裂度隨坡度變化呈現(xiàn)出不同規(guī)律。其中敦化地區(qū)溝壑裂度隨坡度增加先穩(wěn)定后急劇降低；前郭地區(qū)溝壑裂度隨坡度的增加而增加；遼源、梅河、伊通、九臺(tái)4個(gè)地區(qū)溝壑裂度均隨坡度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，溝壑裂度最大值除遼源發(fā)生在6°～9°外，其他3個(gè)地區(qū)均發(fā)生在3°～6°。

(3) 溝壑密度隨坡度的增加而增加，二者存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.755，研究中符合這一規(guī)律的樣本數(shù)占總體樣本的83%。

(4) 集水區(qū)長(zhǎng)度、平均寬度與侵蝕溝各項(xiàng)指標(biāo)均無相關(guān)性；流域形狀系數(shù)對(duì)溝壑密度具有一定的影響，但這只體現(xiàn)在九臺(tái)地區(qū)，主要表現(xiàn)為溝壑密度隨形狀系數(shù)的增加而增加；集水面積與溝壑密度呈一元二次函數(shù)關(guān)系(y=0.009x2-0.529x+10.06)，29.39 hm2為溝壑密度變化的臨界值，這一結(jié)論有待于進(jìn)一步的研究和論證。

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Relationship Between Distributions of Erosion Gully and Environmental Factors in Jilin Province

XU Xiaohong1, CUI Bin1, ZHANG Yu2, TIAN Lisheng1, CUI Haifeng1, SHEN Congying1

(1.JilinAcademyofSoilandWaterConversationScience,Changchun,Jilin130033,China; 2.DepartmentofWaterResourcesofJilinProvince,Changchun,Jilin130033,China)

[Objective] The distribution characteristics of erosion gully in Jilin Province and the environmental factors that are relevant with the spatial distribution were explored to provide theoretical bases for gully evolution and its harness. [Methods] Using methods of remote sensing and field investigation, gullies in 23 small watersheds distributed in six districts of Jilin Province were analyzed by GIS, mainly referred to the indices of the gully density and gully crack degree. Whereby, their relationships with environmental factors were studied. [Results] (1) The gully density in the six districts had a size rank as: Dunhua(16.30 km/km2)>Liaoyuan(6.51 km/km2)>Meihe(5.55 km/km2) >Yitong(4.67 km/km2)>Jiutai(3.54 km/km2)>Qianguo(2.21 km/km2). (2) Gully crack degree had different regional associations with slope steepness: in Dunhua district, with the increase of slope steepness, the gully crack degree was stable initially and then drastically reduced; In Qianguo District, it kept an increasing tendency. In districts of Liaoyuan, Meihe, Yitong and Jiutai, variation characterized with preceding increase and later decline was more normal. The maximum of gully crack degree was found at slopes of 6°～9° in Liaoyuan district, at slopes of 3°～6° in other three districts. (3) About 81% of the investigated gullies, its density was found closely dependent upon slope steepness, their correlation coefficient was 0.734. (4) In Jiutai District, the gully shape was found associated with the gully density ,the gully density exhibited an increasing tendency with slope steepness increasing. (5) Evolution of gully with respect to the density obey a quadratic function with catchment area as independent variable, in all the six districts, the point of inflection was at 29.39 hm2of catchment area. [Conclusion] The gully densities increased from the west to the east and from the north to the south of Jilin Province. The dependence of gully crack degree upon slope steepness varied in different districts. No significant correlations between gully density and indices as gully length, gully width, and other gully indicators were found.

gully; gully density; gully crack degree; slope steepness; shape factor

2016-10-17

2016-11-13

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“黑土區(qū)退化坡耕地生產(chǎn)力恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究”(20141025); 水利部948項(xiàng)目“流域侵蝕元素遷移分析系統(tǒng)”(201521); 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“東北黑土區(qū)坡耕地侵蝕溝道治理模式研究”(20120409)

許曉鴻(1971—),男(漢族),陜西省漢中市人,碩士,正高級(jí)工程師,主要從事土壤侵蝕及水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)。 E-mail：Jlsbyxxh191@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0093-04

S157.1