南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松人工林地淺溝形態(tài)特征

楊文利，朱平宗，趙建民，黃國敏，閆靖坤，陳寶生

(1南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2 鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，江西 南昌330099；3北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875)

淺溝(ephemeral gullies)是在自然因素和人類活動共同作用下形成的一種獨特微地貌類型[1]。通常認為是坡面上能被耕作工具橫跨但不能被其完全消除的侵蝕溝[2]，是在坡面集中水流沖刷和人類耕作的共同作用下，由坡面主細溝發(fā)育而來的槽型地。據(jù)黃土高原區(qū)的研究結(jié)果，淺溝侵蝕量占坡面侵蝕量的30%～70%，淺溝侵蝕的發(fā)生發(fā)展在坡面土壤侵蝕中占有重要地位[3-4]。淺溝形態(tài)特征是淺溝侵蝕研究的基礎(chǔ)，是侵蝕過程中徑流水動力學(xué)要素與土壤相互作用的結(jié)果。隨著淺溝侵蝕的不斷發(fā)展，淺溝形態(tài)進一步改變，進而影響到淺溝的水動力學(xué)特征，最終導(dǎo)致溝頭前進、溝岸擴張等溝蝕發(fā)展。淺溝形態(tài)特征研究對揭示淺溝侵蝕過程及侵蝕機理有重要意義[5]。

目前，國內(nèi)對淺溝侵蝕的研究區(qū)域主要集中在黃土高原區(qū)和東北黑土區(qū)，研究內(nèi)容主要集中在淺溝形態(tài)特征量化[3]、淺溝發(fā)生的臨界地形條件[6]、淺溝發(fā)育及演變過程[7]、淺溝產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律[8]及其預(yù)報[9]等方面，研究方法主要有野外調(diào)查法[10]、自然小區(qū)監(jiān)測法[11]、室內(nèi)模擬試驗法[12]、基于“3S”技術(shù)的地面參數(shù)提取法[13]和RTK-GPS實地測量法[14]等。南方紅壤丘陵區(qū)由于自然因素和人類的不合理活動，仍然存在著“遠看青山在、近看水土流”的林下水土流失現(xiàn)象，特別是人工馬尾松林地，由于林下缺乏灌草層，地表大部分裸露，淺溝侵蝕發(fā)育普遍[12]，但相關(guān)的研究較為鮮見。為了了解南方紅壤丘陵區(qū)淺溝侵蝕的發(fā)育機理，本研究以江西省吉安縣馬尾松人工林地淺溝侵蝕區(qū)為研究對象，通過RTK-GPS野外地形測量，結(jié)合ArcGIS10.2軟件平臺，在建立研究區(qū)域高精度數(shù)字高程模型(DEM)的基礎(chǔ)上，分析了馬尾松人工林地淺溝的形態(tài)特征，旨在為南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松林地淺溝侵蝕過程的進一步研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省吉安縣登龍鄉(xiāng)大塘村附近的馬尾松人工林地，地理坐標(biāo)為27°00′23.48″-27°00′28.37″N，114°46′28.38″-114°46′39.53″E，屬南方紅壤丘陵區(qū)，海拔70～150 m，面積1.2 hm2，地面坡度介于0°～50°；區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為18.1 ℃，多年平均降水量1 518.8 mm，且降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在3-8月份，約占全年降水量的71.9%；土壤類型為花崗巖發(fā)育而成的紅壤，土壤石礫含量較高，由于長期受雨滴擊濺和降雨徑流的侵蝕，表層土壤粗化嚴(yán)重[15]。植被以人工種植的馬尾松(PinusmassonianaLamb)為主，林齡為25年，林高10～15 m，密度約650株/hm2，林冠層覆蓋度30%～50%；林下坡面裸露，水分條件好的地方有少量笀萁(Dicranopteriscichotoma)、黃梔子(Gardeniajasminoides)和苔蘚植物(Bryophyte)等，林下淺溝發(fā)育，土壤侵蝕嚴(yán)重，研究區(qū)具有顯著的代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 淺溝區(qū)域數(shù)字高程模型(DEM)的獲取 2017年5月，使用南方S86系列高精度雙頻RTK-GPS測量儀，對研究區(qū)進行地形測量。一般以大約2 m的間隔設(shè)置地形特征點(圖1)進行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)遇到淺溝時適當(dāng)加密，測量間距在0～2 m不等。淺溝的測量分別以溝緣、溝坡和溝底3條導(dǎo)線為基線設(shè)置采樣點。研究區(qū)內(nèi)共采集7 895個特征點的數(shù)據(jù)。

基于ArcGIS10.2軟件平臺，在研究區(qū)內(nèi)提取并生成分辨率為0.2 m×0.2 m的淺溝數(shù)字高程模型(DEM),如圖2所示。

1.2.2 淺溝地形參數(shù)的提取 依據(jù)獲取的研究區(qū)數(shù)字高程模型DEM(圖2)，基于ArcGIS10.2軟件平臺，提取了51條淺溝，采用軟件平臺的3D分析功能，分別提取每條淺溝的匯流面積(A)、淺溝長度(Le)、淺溝坡度(Se)和淺溝平均溝寬(W)、淺溝平均溝深(D)，再通過進一步計算得到每條淺溝的平均斷面面積(Acs)等參數(shù)。淺溝體積(V)通過淺溝平均斷面面積(Acs)(每條淺溝設(shè)置9個斷面)與溝長(Le)的乘積得到。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 采用Excel和SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)整理與分析，淺溝各形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)性分析采用Pearson法。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松人工林地的淺溝形態(tài)特征

研究區(qū)馬尾松人工林地淺溝形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見表1，各參數(shù)的分布特征見圖3。研究區(qū)總面積 1.2 hm2，溝壑密度為 650 m/hm2。由表1可知，淺溝匯流面積為2.33～124.86 m2，大部分集中于10～20 m2(圖3-a)，均值為21.62 m2；溝長2.61～49.41 m，大部分集中分布在 10～25 m(圖3-b)，均值為16.46 m；溝坡坡度為6.28°～48.74°，但以15°～25°分布頻率較高(圖3-c)，均值為19.72°；平均溝寬為1.00～5.52 m，大多數(shù)淺溝的溝寬為2～3 m(圖3-d)，均值為2.26 m；平均溝深為0.14～1.20 m，平均溝深0.4～0.6 m的淺溝比例較高(圖3-e)，均值為0.52 m；淺溝平均斷面面積為0.07～2.03 m2，以斷面面積為0.3～0.9 m2的淺溝分布較多(圖3-f)，均值為0.58 m2。

經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)將變異強度劃分為弱變異(CV≤10%)、中等變異(10%

表1 馬尾松人工林地淺溝形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計特征值Table 1 Descriptive statistics of morphological parameters of ephemeral gullies of Pinus massoniana plantation

圖3 馬尾松人工林地淺溝形態(tài)參數(shù)的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of morphological parameters of ephemeral gullies of Pinus massoniana plantation

黃土高原地區(qū)淺溝長度均值為89.7 m，匯流面積均值為645.5 m2，坡度均值為28.5°[14]，寬度介于0.2～0.8 m，深度為0.15～1.2 m，溝間距約為10.8 m[17]；東北黑土區(qū)淺溝長度均值為201 m，寬度均值為1.26 m，深度均值為0.16 m，淺溝橫斷面面積均值為0.18 m2[18]。南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松人工林地發(fā)育的淺溝，其匯流面積、溝長、溝坡坡度值均小于黃土高原區(qū)淺溝對應(yīng)的形態(tài)參數(shù)值，但淺溝溝寬較黃土高原區(qū)的淺溝大；與東北黑土區(qū)相比，馬尾松人工林地淺溝溝長偏短，但溝寬、溝深及斷面面積均較大。這主要是地形、降雨特性及土壤結(jié)構(gòu)等綜合因素影響的結(jié)果，紅壤丘陵區(qū)坡面相對較短(特別與東北黑土漫崗丘陵區(qū)相比)，是由于淺溝溝頭大多已接近分水嶺，進而限制了淺溝的延伸，導(dǎo)致溝長較短；另外，紅壤區(qū)年均降雨量較大，且多暴雨，使得降雨產(chǎn)生的地表徑流量較大，加之馬尾松人工林下缺乏灌草覆蓋等因素，水流沖刷能力較強，從而導(dǎo)致紅壤丘陵區(qū)形成淺溝所需要的匯流面積小于黃土高原區(qū)和東北黑土區(qū)。

2.2 馬尾松人工林地淺溝形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)性

研究區(qū)馬尾松人工林地淺溝各形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果見表2。

表2 馬尾松人工林地淺溝形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)Table 2 Correlations between morphological parameters of ephemeral gullies under Pinus massoniana plantation

注：**.表示在P<0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，表4同。

Note:** indicates extremely significant correlation atP<0.01(double sides).The same for Table 4.

由表2可知，淺溝匯流面積與淺溝長度、平均溝寬、平均溝深和平均斷面面積均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與淺溝坡度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其中淺溝匯流面積與淺溝長度、平均溝寬的相關(guān)性最好，表明淺溝上方匯流面積越大，發(fā)育的淺溝越長、越寬；反之，淺溝上方匯流面積越小，發(fā)育的淺溝則越短、越小。淺溝坡度與溝長和平均溝寬間呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，表明淺溝坡度越大，發(fā)育的淺溝則越短、越窄；反之，淺溝坡度越小，則淺溝越長、越寬。

2.2.1 匯流面積與溝長的關(guān)系 淺溝主要是由降雨產(chǎn)生的地表徑流侵蝕表層土壤所造成，淺溝匯流面積大小決定了地表徑流的流量、流速、水流剪切力等的大小，進而影響淺溝的形態(tài)參數(shù)。東北漫崗黑土區(qū)的研究表明，淺溝長度與匯流面積顯著相關(guān)，依據(jù)淺溝長度可以很好地預(yù)測淺溝的匯流面積[19]。對本研究區(qū)51條淺溝的匯流面積(A)與溝長(Le)進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，A與Le的關(guān)系可表示為Le=2.724 6A0.617(R2=0.87)，如圖4所示。

圖4 馬尾松人工林地淺溝匯流面積與溝長的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationship between gully length(Le) anddrainage area(A) of ephemeral gullies of Pinus massoniana plantation

2.2.3 匯流面積與溝坡坡度的關(guān)系 Begin等[23]在對美國科羅拉多州溝蝕區(qū)侵蝕溝坡度(Se)與匯流面積(A)關(guān)系進行研究的基礎(chǔ)上，得到了溝蝕發(fā)生的臨界關(guān)系式為Se=a·Ab(其中a是溝蝕發(fā)生的臨界值，b是匯流面積指數(shù))，當(dāng)Se>a·Ab時，可能發(fā)生淺溝侵蝕。

將研究區(qū)內(nèi)51條淺溝坡度的正切值(tanSe)與匯流面積(A)的關(guān)系繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上，結(jié)果見圖6，對這些點的下限點做一條直線，即為臨界線，由此可得到南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松人工林地淺溝發(fā)生時二者的臨界關(guān)系式為：tanSe=0.49A-0.06。

圖5 馬尾松人工林地淺溝長度與體積的相關(guān)關(guān)系
Fig.5 Relationship between gully volume (V) andephemeral gully length(Le) ofPinusmassonianaplantation

圖6 馬尾松人工林地淺溝坡度與匯流面積的臨界關(guān)系
Fig.6 Relationship between slope gradient(Se) and drainage area(A) of ephemeral gullies ofPinusmassonianaplantation

在臨界線右上方的區(qū)域即為可能發(fā)生淺溝侵蝕的區(qū)域，臨界線左下方的區(qū)域即為不易發(fā)生淺溝侵蝕的區(qū)域。

世界不同侵蝕區(qū)域的研究者，通過用功率型方程S=aAb來表示由水力侵蝕產(chǎn)生溝道的閾值線，其中系數(shù)a和b取決于環(huán)境特征[23-24]，而不同區(qū)域的環(huán)境特征(降雨特性、土壤結(jié)構(gòu)、土地利用類型、植被覆蓋等)存在一定的差異，進而影響溝道的發(fā)育。表3為不同研究區(qū)淺溝侵蝕發(fā)生時臨界地形公式(S=aAb)參數(shù)匯流面積指數(shù)b的取值。

表3 不同研究區(qū)淺溝發(fā)生的臨界地形公式(S=aAb)中參數(shù)b的取值Table 3 Values of b in critical formula (S=aAb) in different study areas

表3(續(xù)) Continued table 3

從表3可以看出，世界不同國家(侵蝕研究區(qū))在耕地、牧場、草原等土地利用方式下，溝蝕發(fā)生的匯流面積指數(shù)b介于0.1～0.6，根據(jù)Morgan[40]及Vandekerckhove等[41]的研究結(jié)果：b>0.2，溝蝕過程一般主要受地表徑流的控制；b<0.2，表明存在地下侵蝕和塊體運動(比如溝岸坍塌等)參與溝蝕發(fā)育過程。南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松人工林地淺溝侵蝕發(fā)生時的b值為 0.06，明顯小于0.2，說明本區(qū)域的淺溝發(fā)育并非主要依賴于匯流面積，即地表徑流的控制，而主要受壤中流控制。謝頌華等[42]研究表明,紅壤在不同地表處理條件下，壤中流可占到總產(chǎn)流量的 68.4%～90% 。

2.3 馬尾松人工林地坡面地形因子對淺溝形態(tài)的影響

坡面坡度、坡長等是坡面淺溝數(shù)量和淺溝形態(tài)特征的主要影響因素，其對淺溝的形成起到了決定性作用。已有研究表明，坡面坡度與淺溝坡度以及坡面長度與淺溝長度、匯流面積等淺溝形態(tài)參數(shù)間存在顯著相關(guān)關(guān)系[13,43]。為了明確本研究區(qū)坡面坡度地形因子對淺溝侵蝕的影響，依據(jù)ArcGIS平臺對區(qū)域DEM的水文分析功能，將研究區(qū)劃分為7個獨立的坡面單元，并獲取每個坡面單元的坡長和坡度，而為了消除每個坡面單元內(nèi)淺溝各形態(tài)特征間存在的差異性，分別取每個坡面單元內(nèi)所有淺溝形態(tài)參數(shù)的均值作為坡面單元內(nèi)淺溝的形態(tài)參數(shù)值來進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。表4結(jié)果表明，在研究區(qū)的馬尾松人工林地，坡長與坡面內(nèi)淺溝的匯流面積、淺溝長度、平均溝寬和平均溝深均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，即隨著坡面長度的增加，坡面上產(chǎn)生的淺溝的匯流面積越大，淺溝長度越長，溝寬和溝深也越大；而坡長與淺溝坡度表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系，即坡面長度越大，發(fā)育在坡面上的淺溝坡度越小，這與野外觀察結(jié)果一致，研究區(qū)內(nèi)一般坡面越長，發(fā)育的淺溝溝底坡度越緩。坡面坡度與淺溝匯流面積和淺溝長度呈負相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著，而坡面坡度與淺溝坡度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。采用坡面坡度(Ss)與淺溝溝坡的平均坡度(Se)進行回歸分析，得到二者的相關(guān)關(guān)系式為：Ss=0.675Se+8.21(R2=0.89)。 坡面坡度(Ss)與淺溝溝坡的平均坡度(Se)的關(guān)系式表明，坡面坡度越大，坡面內(nèi)發(fā)育的淺溝的平均坡度也越大，可以通過坡面坡度很好地預(yù)測坡面內(nèi)發(fā)育的淺溝坡度。

表4 馬尾松人工林地坡面坡長、坡度與淺溝形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between parameters of ephemeral gullies and length and gradient of slope under Pinus massoniana plantation

3 結(jié) 論

1)在南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松人工林地內(nèi)，淺溝匯流面積為2.33～124.86 m2，均值21.62 m2；淺溝長度為2.61～49.41 m，均值16.46 m；淺溝坡度為6.28°～48.74°，均值19.72°；平均溝寬為1.00～5.52 m，均值2.26 m；平均溝深為0.14～1.20 m，均值0.52 m；淺溝斷面面積為0.07～2.03 m2，均值0.58 m2。與黃土高原區(qū)和黑土區(qū)坡耕地相比，紅壤丘陵區(qū)林下淺溝一般長度較短，少數(shù)長度超出了平均值的大淺溝應(yīng)該是水土流失治理的重點。

2)南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松人工林地淺溝大部分形態(tài)參數(shù)間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系。其中淺溝長度與淺溝匯流面積之間為冪函數(shù)關(guān)系，可以通過淺溝長度預(yù)測該區(qū)域的淺溝體積及侵蝕量。

3)由淺溝坡度Se與其匯流面積A建立了研究區(qū)淺溝侵蝕發(fā)生的臨界地形條件，據(jù)此可判斷淺溝侵蝕發(fā)生的部位。

4)坡面地形因子(坡面坡度、坡長)顯著影響淺溝形態(tài)參數(shù)。

綜上可知，紅壤丘陵區(qū)馬尾松人工林地淺溝形態(tài)有其自身的一些獨有特征，尤其是本文研究的花崗巖風(fēng)化母質(zhì)發(fā)育的紅壤，由于長期遭受水蝕作用，使表層土壤粗化嚴(yán)重，表層土壤(俗稱紅土層)剝蝕后，下層土壤的抗侵蝕性降低，進而使溝蝕不斷發(fā)育，以致出現(xiàn)嚴(yán)重的崩崗侵蝕?；诒狙芯繀^(qū)建立的淺溝臨界地形關(guān)系式，是否適用于紅壤丘陵區(qū)馬尾松天然林地，有待進一步研究。