典型黑土區(qū)小流域土壤侵蝕的地貌分布特征

楊維鴿，張紅俠

(商洛學院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000)

典型黑土區(qū)小流域土壤侵蝕的地貌分布特征

楊維鴿，張紅俠

(商洛學院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000)

以哈爾濱市賓縣東山溝小流域為研究對象，利用通用土壤流失方程(USLE)模型和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術相結合的方法對研究流域土壤侵蝕進行估算，并分析其在坡度、高程、坡向地貌因子的分布特征。研究結果表明：東山溝小流域土壤侵蝕以輕度侵蝕為主，且流域年均土壤侵蝕速率呈現(xiàn)上游最大，中游次之，下游最小的特征；研究流域輕度侵蝕主要分布在坡度為1.5°～8°的地區(qū)，中度侵蝕主要分布在坡度為8°～15°的地區(qū)，強度侵蝕主要分布在坡度大于15°的地區(qū)；各坡向土壤侵蝕均以輕Ι型侵蝕為主；160～170 m和210～220 m高程上主要是微度侵蝕，170～180、180～190和190～200 m主要是輕Ι型侵蝕；土壤侵蝕綜合指數隨著坡度的增大而增大，隨著高程的增加，先增大后減少，最大值分布在高程為190～200 m的地區(qū)。

土壤侵蝕；地貌；USLE模型；土壤侵蝕綜合指數；典型黑土區(qū)

0 引言

東北黑土區(qū)是我國重要的糧食主產區(qū)和商品糧生產基地，享有“中國糧倉”和我國糧食生產的“穩(wěn)壓器”之美譽，也是我國最具糧食增產潛力的區(qū)域。但長期以來重用輕養(yǎng)的掠奪式開墾，使黑土層減少，黑土退化嚴重。特別是近半個世紀以來的高強度連作，嚴重破壞了土壤結構，加速了有機質的礦化，造成水土流失面積擴大、侵蝕強度增加。在坡度較大或耕作較久的地方，黑土層厚度僅剩20 cm，甚至出現(xiàn)了“破皮黃”[1]。土壤侵蝕是導致黑土資源退化乃至徹底破壞的主要原因[2]，影響土壤侵蝕的自然因素有土壤、降雨、植被、地貌等[3]，坡度、坡長、坡形、坡位、坡向等地貌因子能在不同程度上影響流域侵蝕產沙的強度、方式和過程等，同時土壤侵蝕也影響著地貌的形成過程[4-7]。因此，加強土壤侵蝕的地貌分布特征研究，對于流域水土流失治理與區(qū)域土壤侵蝕評價具有十分重要的意義[8-11]。鑒于此，本研究以東北典型黑土區(qū)——黑龍江省賓縣東山溝小流域為研究區(qū)，選取通用土壤流失方程 (USLE)模型，在地理信息系統(tǒng)(GIS)的支持下確定了研究區(qū)土壤侵蝕的各因子指標，估算了研究區(qū)土壤流失量。在此基礎上，統(tǒng)計分析了研究流域土壤侵蝕在坡度、坡向、高程上的分布特征，旨在為典型黑土區(qū)開展流域水土保持工作提供數據支持和決策依據。

1 材料和方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省南部賓縣東山溝小流域(127°31′04″～127°34′02″ E, 45°43′13″～45°46′37″ N)，面積是6.1 km2，屬松嫩平原東部邊緣的薄層黑土區(qū)(圖1)。該區(qū)地處張廣才嶺支脈，海拔在160～220 m之間。為漫崗丘陵地貌，地勢平緩。耕地坡度多變化于1～7°，坡長達數百米；氣候屬寒溫帶大陸性季風氣候，氣溫年較差大，年均氣溫3.9 ℃，無霜期148 d左右，年均降雨量為548.5 mm，降水年際變化大且分布不均勻，主要集中于6～9月，約占全年降水量的78.7%；區(qū)內土壤以黑土為主，黑土層厚度在10～50 cm，成土母質均為第四紀中更新世黃土狀亞粘土，粘土礦物以蒙脫石為主；土地利用以坡耕地為主，開墾年限40 ～ 100 a不等，耕層深度多在0～ 50 cm，耕地表層容重1.1 g/cm3左右，有機質含量2% ～7%，是一個典型的雨養(yǎng)旱作農業(yè)區(qū)。該區(qū)長期以來玉米連作，橫向打壟和耕翻是主要的土壤管理形式。

圖1 東山溝小流域地理位置圖

1.2研究方法

1.2.1 模型的選擇及水土流失量的計算 美國通用土壤流失方程(USLE)是1965年W. Wischmeier等[12]在對美國東部地區(qū)30個州10000多個徑流小區(qū)近30年的觀察資料進行系統(tǒng)分析的基礎上提出來的，已被眾多國家所采用。作為目前預測土壤侵蝕最廣泛使用的方法之一，非常適用于中國東北黑土區(qū)長坡長緩坡度地形的土壤侵蝕研究[13-14]。但是，USLE只在預報純水蝕的情況下才較為準確。張憲奎等[15]通過對7 a大量試驗數據的統(tǒng)計分析，確定了適用于黑龍江省水蝕預報模型的各種參數因子，認為其建立的黑龍江省水蝕預報模型的預測準確率在90%以上，因此，利用USLE模型來分析中國東北黑土區(qū)坡耕地的水蝕速率是可行且準確的。

通用土壤流失方程(USLE)模型能反映出影響土壤侵蝕單因子的改變對土壤侵蝕量的影響，其數學表達式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

公式(1)中：A是單位面積年平均土壤流失量[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蝕力因子 [MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可侵蝕性因子[t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]；L是坡長因子(無量綱)；S是坡度因子(無量綱)；C是作物覆蓋與管理因子(無量綱)；P是水土保持措施因子(無量綱)。

R因子：降雨侵蝕力R值反映的是降雨對土壤的潛在侵蝕能力，是土壤侵蝕的各種因素中最主要的原動力因子，主要通過雨滴擊濺、分離土壤顆粒和地表徑流的搬運作用產生土壤侵蝕。張憲奎等[15]基于USLE模型的原理，通過大量野外試驗以及長期徑流小區(qū)的觀測，對黑龍江省(包括賓縣)的水土流失方程進行了充分研究，本文利用張憲奎等發(fā)表的黑龍江省一些氣象站點多年平均降雨侵蝕力計算結果R=113.327作為本次研究降雨侵蝕力值。

K因子：土壤可蝕性K值是指土壤受侵蝕潛在的可能性。土壤因子對土壤侵蝕的影響主要通過抵抗侵蝕動力對其分散、搬運表現(xiàn)出來的。K值與土壤類型、土壤質地、土壤有機質含量等有關。本文中K值取0.26。

S因子：坡度因子是反映坡度對侵蝕的影響。在一定坡度范圍內，土壤侵蝕隨坡度的增加而增加，且增加速率加快。當坡度θ≤5°時，采用McCool等[16]1987年提出的坡度因子公式(S)計算坡度因子。公式如下：

S=10.8sinθ+0.03θ≤5°

(2)

當坡度大于5°時，采用Liu等[17]提出的大坡度土壤侵蝕量計算公式：

S=16.8sinθ-0.05 5°≤θlt;10°

S=21.9sinθ-0.96θ≥10°

(3)

公式(3)中：S為坡度因子，θ為坡度(°)。

L因子：坡長因子采用被廣泛應用的Wischmeier等[12]提出的經驗公式計算：

L= (λ/22.13)m

(4)

公式(4)中：L為坡長因子；λ為坡長(水平投影坡長)；22.13為標準小區(qū)坡長；m為可變坡長指數。m采用劉寶元提出的值，其范圍如下：

(5)

C因子：植被覆蓋和經營管理措施是土壤侵蝕的抑制因子，可削減降雨能量、保水和抗蝕，反映的是所有有關植被覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用。依據對研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀的考察及植被覆蓋度的調查結果，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)全是旱地，植被覆蓋方式幾乎全是玉米，參考我國學者張憲奎[15]和蔡崇法[18]等求取C值所做工作，獲得本文C值為0.2578。

P因子：水土保持因子P是指特定水保措施下的土壤流失量與相應未實施水保措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比。P值范圍在0～1之間，0值代表根本不發(fā)生侵蝕的地區(qū)，1值代表未采取任何水保措施的地區(qū)。根據野外考察結果，研究區(qū)幾乎全部為橫向起壟的坡耕地，且無其他水土保持措施，故P值取0.352[15]。

1.2.2 土壤侵蝕綜合指數計算 選用楊存建等[8]提出的土壤侵蝕綜合指數反映研究區(qū)不同單元內的土壤受侵蝕程度，其計算公式如下：

(6)

公式(6)中：Wij代表第i類第j級的土壤侵蝕強度的分級值；Aij代表第i類第j級的土壤侵蝕強度的面積比重。微度、輕度、中度、強度、極強和劇烈侵蝕強度的分級值分別為0、2、4、6、8、10，分級值越高表示對土壤侵蝕綜合指數的貢獻越大。

1.2.3 數據處理 東山溝小流域土壤侵蝕速率分布圖的生成：采用研究區(qū)1∶10000 DEM數字高程圖，在ArcGIS中利用空間分析功能提取出坡度。根據公式(2)～公式(5)，在空間分析模塊中運用柵格計算器分別計算L因子和S因子，并對其進行疊加運算，獲得研究區(qū)土壤侵蝕LS因子圖。根據公式(1)，利用ArcGIS空間分析模塊中的柵格計算器對土壤侵蝕R、K、LS、C、P各因子進行疊加相乘運算，得出各柵格的土壤侵蝕模數(單位：t)。根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190─2007)[19]，對研究區(qū)土壤侵蝕的二級類型在ArcGIS中進行重分類，分為微度、輕度(輕Ⅰ型、輕Ⅱ型與輕Ⅲ型)、中度、強烈、極強烈、劇烈6類，同時生成研究區(qū)土壤侵蝕強度等級圖。研究區(qū)屬于典型黑土區(qū)，土壤容許流失量為200 t/(km2·a)，相當于微度的侵蝕模數，因而微度侵蝕地塊可以認為是無水土流失。

研究流域地貌因子等級專題圖的生成：首先，在ArcGIS中利用空間分析模塊，從DEM中提取研究區(qū)坡度、高程、坡向。其次，對坡度、高程、坡向進行重分類：將坡度重分類為6個等級，1級(lt;1.5°)、2級(1.5°～3°)、3級(3°～5°)、4級(5°～8°)、5級(8°～15°)、6級(gt;15°)，得到坡度等級專題圖；將坡向重分類為5個等級，1級平地(無坡向)、2級陽坡(157.0°～202.5°南和202.5°～247.5°西南)、3級半陽坡(112.5°～157.5°東南和247.5°～292.5°西)、4級半陰坡(67.5°～112.5°東和292.5°～337.5°西北)、5級陰坡(0°～22.5°、337.5°～360.0°北和227.5°～67.5°東北)，得到坡向等級專題圖；將高程重分類為6個等級，1級(160～170 m)、2級(170～180 m)、3級(180～190 m)、4級(190～200)、5級(200～210 m)、6級(210～215 m)，得到高程等級專題圖。

土壤侵蝕速率分布圖和地貌因子等級專題圖的疊加：將坡度、坡向、高程等級專題圖分別與土壤侵蝕強度圖疊加，統(tǒng)計不同坡度帶、不同坡向、不同高程上不同土壤侵蝕強度的分布面積和比率。

2 結果與分析

2.1流域土壤侵蝕強度特征分析

研究流域土壤侵蝕強度有微度、輕度、中度、強度和極強度，尚未出現(xiàn)劇烈侵蝕(表1)。流域不同侵蝕強度的土壤侵蝕面積所占比例大小依次是：輕度Ι gt;微度gt;輕度Ⅱ gt;輕度Ⅲ gt;中度gt;強度(表1)。輕度侵蝕是流域主要的侵蝕強度類型，其侵蝕面積占流域侵蝕總面積的62.37%，其中，輕Ι型侵蝕面積占流域侵蝕總面積的百分比達45.91%，此外，微度侵蝕占侵蝕總面積的36.40%，中度和強度侵蝕面積分別占流域侵蝕總面積的1.18%、0.67%(表1)。流域不同侵蝕強度的土壤侵蝕總量所占比例大小依次是：輕度Ι gt;輕度Ⅱ gt;輕度Ⅲ gt;中度 gt;微度gt;強烈gt;極強烈，輕度侵蝕總量占整個流域侵蝕總量的88.15%，其中，輕Ι型侵蝕總量占整個流域侵蝕總量的43.57%(表1)?？傊?，從侵蝕面積和侵蝕總量來看，輕度侵蝕是研究流域主要的土壤侵蝕強度，且以輕I型侵蝕為主。因此，東山溝小流域預防和加強水土流失治理的重點區(qū)域是土壤發(fā)生輕度侵蝕的地區(qū)，特別是輕Ι型侵蝕的地區(qū)。

2.2流域土壤侵蝕空間分布規(guī)律

東山溝小流域土壤侵蝕速率的空間分布呈條帶狀和斑塊狀(圖2)。從整個流域看，土壤侵蝕速率分布具有明顯規(guī)律，表現(xiàn)出流域西部大于東部，南部高于北部，且呈由南向北遞減的趨勢，即上游地區(qū)年平均土壤侵蝕速率最大，中游地區(qū)土壤侵蝕速率居中，下游地區(qū)土壤侵蝕速率最小(圖2)。從不同地類看，崗頂(坡頂部)和川平地(坡下部)以微度侵蝕為主，坡地(坡中部)以輕度和中度侵蝕為主(圖2)。從不同坡位看，坡面出現(xiàn)不同侵蝕強度相互交替分布的特征(圖2)。

表1 基于USLE估算的流域土壤侵蝕強度

圖2 東山溝小流域土壤侵蝕速率分布圖

2.3不同坡度帶土壤侵蝕特征分析

坡度lt;1.5°的地區(qū)土壤侵蝕強度主要是微度侵蝕，其侵蝕面積占該坡度等級面積的85.83%；坡度為1.5°～3°和3°～5°地區(qū)均以輕Ⅰ型侵蝕為主，其侵蝕面積分別占其坡度等級面積的96.22%和96.65%；坡度為5°～8°地區(qū)以輕Ⅱ型侵蝕為主，其侵蝕面積占該坡度等級面積的83.90%；坡度為8°～15°地區(qū)以中度和強度侵蝕為主，二者分別占該坡度等級面積的60.02%和21.06%；坡度gt;15°地區(qū)以輕Ⅲ型和強度侵蝕為主，二者侵蝕面積分別占其坡度等級面積的30.32%和63.71%(表2)。總之，東山溝小流域微度侵蝕主要分布在坡度lt;1.5°的地區(qū)，輕度侵蝕主要分布在坡度為1.5°～8°的地區(qū)，中度侵蝕主要分布在坡度為8°～15°的地區(qū)，強度侵蝕主要分布在坡度gt;15°的地區(qū)，土壤侵蝕面積最大的地區(qū)分布在坡度為3°～5°的地區(qū)。此外，對東山溝小流域土壤侵蝕的坡度特征分析可知：除微度侵蝕外，其他各種強度土壤侵蝕的面積占總侵蝕面積的比例隨坡度增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且峰值向坡度大的方向移動，說明不同強度侵蝕的臨界坡度不同，侵蝕強度越大臨界坡度值越大。因為坡度對水力侵蝕作用的影響有一個侵蝕臨界坡度存在，超過這一臨界坡度，土壤侵蝕面積減少。此結論與胡世雄等[20]、王秀英等[21]的研究結果一致。

研究流域土壤侵蝕綜合指數隨著坡度的增大而增大，最大值出現(xiàn)在坡度gt;15°的地區(qū)，其土壤侵蝕綜合指數為4.49；坡度為8°～15°地區(qū)土壤侵蝕綜合指數值次之，其值為2.43；坡度為0°～1.5°地區(qū)土壤侵蝕綜合指數值最小，為0.28 (表3) 。

2.4不同坡向土壤侵蝕分布特征

平地土壤侵蝕有微度侵蝕和輕Ι型侵蝕，且以輕Ι型侵蝕為主，輕Ι型侵蝕面積占平地面積的99.85%；陽坡、半陽坡、半陰坡和陰坡土壤侵蝕均以輕Ι型侵蝕為主，各坡向輕Ι型侵蝕面積分別占各坡向面積的59.86%、62.06%、58.13%和61.97%(表4)。可見，研究流域不同坡向上的土壤侵蝕差異不顯著。此外，對東山溝小流域土壤侵蝕坡向分布特征分析可知：除微度和強度侵蝕外，其他各種強度侵蝕的面積占總侵蝕面積的比例呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且呈單峰現(xiàn)象，輕度I型侵蝕峰值位于半陽坡，輕Ⅱ型侵蝕峰值位于半陰坡，輕度Ⅲ型和中度侵蝕峰值位于陽坡，強度侵蝕峰值位于陰坡(表4)。除平地外，各坡向土壤侵蝕綜合指數值差異不顯著(表5)，研究流域緩坡主要為南北走向，不同坡向的水熱條件充沛，坡向對土壤侵蝕強度分布的影響不大。

2.5不同高程帶土壤侵蝕分布特征

160～170 m和210～220 m高程上土壤侵蝕強度主要是微度侵蝕，其侵蝕面積分別占各高程帶面積的70.50%和76.66%；170～180、180～190、190～200 m高程帶上土壤侵蝕強度以輕Ι型侵蝕為主，其侵蝕面積分別占各高程帶面積的61.64%、54.15%和41.01%；200～210 m高程帶上主要為微度和輕Ι型侵蝕，二者面積分別占該高程帶面積的37.76%和35.28%(表6)；土壤侵蝕面積最大的地區(qū)分布在高程為180～200 m的地區(qū)(表6)。此外，對東山溝小流域土壤侵蝕高程分布特征分析可知：除微度侵蝕外，其他各種強度侵蝕的面積占總侵蝕面積的比例呈現(xiàn)隨坡度增加先增加后減小的趨勢，且峰值向高程值大的方向移動，輕度I型侵蝕峰值位于170～180 m高程帶，輕度Ⅱ型侵蝕峰值位于190～200 m高程帶，輕度Ⅲ型侵蝕峰值位于200～210 m高程帶，強度侵蝕峰值位于200～210 m高程帶。

表2 不同坡度帶土壤侵蝕分布情況

表3 不同坡度帶土壤侵蝕強度指數

表4 不同坡向土壤侵蝕分布情況

表5 不同坡向土壤侵蝕強度指數

不同高程帶上土壤侵蝕綜合指數呈現(xiàn)出隨著高程的增加先增大后減少的趨勢。土壤侵蝕綜合指數最大值為1.45，分布在高程為190～200 m的地區(qū)；其次是1.44和1.35，分別分布在高程為180～190 m和200～210 m的地區(qū)；最小值是0.49，分布在高程為210～220 m的地區(qū)(表7)。

表6 不同高程帶土壤侵蝕分布情況

3 結論

東山溝小流域主要的土壤侵蝕強度是輕度侵蝕，輕度侵蝕中以輕I型侵蝕為主。從整個流域看，上游地區(qū)年平均水土流失量最大，中游次之，下游最輕。從地類看，崗頂和川平地以微度侵蝕為主，坡地以輕度和中度侵蝕為主。從坡位看，坡面出現(xiàn)不同侵蝕強度相互交替的空間分布狀況。

東山溝小流域微度侵蝕主要分布在坡度lt;1.5°的地區(qū)，輕度和強度侵蝕主要分布在坡度為1.5°～15°的地區(qū)，中度侵蝕主要分布在坡度大于15°的地區(qū)。不同坡向上土壤侵蝕均以輕Ι型侵蝕為主。160～170 m和210～220 m高程上主要是微度侵蝕，170～180 m、180～190 m和190～200 m主要是輕Ι型侵蝕。

表7 不同高程帶土壤侵蝕強度指數

土壤侵蝕綜合指數隨著坡度的增大而增大，最大值出現(xiàn)在gt;15°的坡度上。隨著高程的增加，土壤侵蝕綜合指數先增大后減少，最大值出現(xiàn)在高程190～200 m上。除平地外，土壤侵蝕綜合指數在各坡向上的差異不明顯。

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(責任編輯：許晶晶)

LandformDistributionFeaturesofSoilErosioninASmallWatershedofTypicalBlackSoilRegion

YANG Wei-ge, ZHANG Hong-xia

(College of Urban and Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

Dongshangou small watershed, located at Bin county, Harbin city, Heilongjiang province, was selected as the studied region. The universal soil loss equation (USLE) model was used to estimate the soil erosion in this watershed, and the geographical information system (GIS) technology was used to analyze the landform distribution features (slope degree, slope direction, elevation) of soil erosion. The research results showed that the soil erosion intensity in Dongshangou small watershed was mainly mild. The annual average soil erosion rate was the biggest in the upper reaches, moderate in the middle reaches, and the smallest in the lower reaches. In this watershed, the mild soil erosion was mainly distributed in the region with the slope degree of 1.5°～8.0°, the moderate soil erosion was mainly distributed in the region with the slope degree of 8°～15°, and the strong soil erosion was mainly distributed in the region with the slope degree of more than 15°. The soil erosion in various slope directions was mainly light-Ι-type erosion. The soil erosion at the elevation of 160～170 m and 210～220 m was mainly slight erosion, and the soil erosion at the elevation of 170～200 m was mainly light-Ι-type erosion. In addition, the soil erosion comprehensive index increased with the increase in slope degree. The soil erosion comprehensive index first increased and then decreased with the increase in elevation, and reached its maximum value at the elevation of 190～200 m.

Soil erosion; Landform; USLE model; Soil erosion comprehensive index; Typical black soil region

S151

A

1001-8581(2017)12-0032-06

2017-08-27

楊維鴿(1983─)，女，陜西咸陽人，講師，博士，主要從事土壤侵蝕環(huán)境效應評價方面的研究。