遼寧省典型區(qū)侵蝕溝隨坡度分布特征研究

姜艷艷，王迪晨，房 含，張大偉，王巖松

(松遼水利委員會(huì) 松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，長(zhǎng)春 130021)

1 概 述

侵蝕溝在全球范圍內(nèi)造成嚴(yán)重的土壤流失[1]。在我國(guó)，無論是黃土高原還是東北黑土區(qū)都有侵蝕溝的分布。據(jù)估計(jì)，在老撾北部每年將近花費(fèi)田間工作時(shí)間的5%去回填侵蝕溝[2]。在我國(guó)東北地區(qū)也存在相同的現(xiàn)象，或是在收割前用機(jī)械開拓橫跨侵蝕溝的便路，或是在收割后將秸稈直接回填于侵蝕溝內(nèi)。隨著對(duì)侵蝕溝危害認(rèn)識(shí)的不斷加深，侵蝕溝問題越來越受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。

隨著對(duì)土壤侵蝕異地影響的關(guān)注，流域尺度的侵蝕溝研究逐漸被關(guān)注。流域被認(rèn)為是具有不同侵蝕潛力的空間過程實(shí)體的集合。在通常的研究中，徑流量數(shù)據(jù)是缺失的，流域被用來代替徑流量。早在1975年，Patton和Schumm在1∶12 000的航拍照片上確定侵蝕溝起點(diǎn)，結(jié)合地形圖建立流域與坡度的關(guān)系。同時(shí)經(jīng)過分析收集科羅拉多州西北部的S-A數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者間的反向趨勢(shì)[3]。如今已有學(xué)者將坡度與集水區(qū)的關(guān)系描述為S=aAb，指數(shù)a和b由當(dāng)?shù)丨h(huán)境決定[4]。Montgomery和Dietrich(1988)通過俄勒岡和加利福尼亞的3個(gè)流域的實(shí)地測(cè)量，研究陡坡上淺層滑動(dòng)和滲流侵蝕所引起的溝蝕，觀察到集水區(qū)與溝頭上部坡度之間存在反比關(guān)系[5]。Wu and Cheng利用全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量陜西省綏德附近小流域溝壑的形態(tài)和位置，建立了黃土高原的臨界關(guān)系S=0.183 9A-0.238 5[6]。在南非Swaziland，運(yùn)用侵蝕響應(yīng)單元的概念對(duì)Mbuluzi流域侵蝕溝進(jìn)行形態(tài)和侵蝕過程進(jìn)行識(shí)別，并應(yīng)用遙感和GIS識(shí)別受溝蝕影響的地區(qū)，并估計(jì)溝蝕造成的土壤損失[7]。

由于過去人們更對(duì)細(xì)溝和細(xì)溝間侵蝕感興趣，溝蝕在大多數(shù)模型在過程中被忽略[8]。溝壑過程具有三維性質(zhì)受廣泛的因素和過程的影響。雖然溝蝕通常由土地利用變化和(或)極端氣候事件觸發(fā)或加速，但其空間差異及歷史因素也不容忽視，并且較難預(yù)測(cè)[9]。隨著科技的發(fā)展，3S技術(shù)在土壤侵蝕領(lǐng)域逐步興起[10]，雖然遙感解譯的精度與GPS和無人機(jī)相比較差，但適合大范圍數(shù)據(jù)的獲取。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)介紹

遼寧省位于東北地區(qū)南部，陸地總面積14.75×104km2。西南與河北省臨界，西北與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，東北與吉林省接壤。在遼寧省內(nèi)各典型區(qū)篩選5個(gè)流域集、共20個(gè)小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，分別位于遼寧省的東部的寬甸滿族自治縣、南部的普蘭店市、西部的凌源市、北部的昌圖縣及中部的燈塔市。年平均氣溫為5℃～10℃，分布趨勢(shì)是自西南向東北、自平原向山區(qū)遞減。全年日照時(shí)數(shù)2 270～2 990 h，平均無霜期在124～215 d。多年平均降水量為400～1 200 mm，其分布趨勢(shì)自東南向西北遞減，最多是寬甸縣，年降水可達(dá)1 200 mm以上，西北建平縣不足400 mm；6-8月份降雨量占全年降水量的60%～70%。年平均風(fēng)速為2～4 m/s，從沿海向內(nèi)陸、從平原向山地逐漸遞減。5縣(市)分別處于4個(gè)二級(jí)水土保持分區(qū)，寬甸滿族自治縣隸屬于長(zhǎng)白山完達(dá)山山地丘陵區(qū)，南部的普蘭店市與中部的燈塔市隸屬于遼寧環(huán)渤海山地丘陵區(qū)，西部的凌源市隸屬于燕山及遼西山地丘陵區(qū)，昌圖縣隸屬東北漫川漫崗區(qū)。中國(guó)水土保持區(qū)劃結(jié)合自然區(qū)劃和專題(地貌、土壤、植被)區(qū)劃成果，二級(jí)分區(qū)可反映優(yōu)勢(shì)地貌、水土流失等分布特征，保證區(qū)間相對(duì)一致性及區(qū)間最大差異性。因此，選取該5個(gè)區(qū)域無論從地理還是水土流失典型性考慮均可以代表遼寧省。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本研究小流域與侵蝕溝數(shù)據(jù)基于2015年遼寧省土壤侵蝕普查數(shù)據(jù)。小流域范圍提取依托1∶50 000 DEM與遼寧省流域面積為50 km2以上845條河流數(shù)據(jù)，反復(fù)設(shè)定小流域提取閾值，將其面積與典型小流域面積進(jìn)行比對(duì)，最終設(shè)定閾值為10 000。侵蝕溝數(shù)據(jù)以分辨率為2 m遙感影像和1∶50 000 DEM作為數(shù)據(jù)源。通過GIS軟件在影像上勾畫侵蝕溝道，建立每條溝道的屬性表。在侵蝕溝道遙感解譯過程中，通過遙感影像預(yù)判讀和實(shí)地調(diào)查復(fù)核的方式建立解譯標(biāo)志及類似侵蝕溝道標(biāo)志，確保能夠識(shí)別的侵蝕溝道全部識(shí)別，不遺漏、不誤判，侵蝕溝普查對(duì)象為長(zhǎng)度在100～5 000 m的溝道，在遙感影像上能清晰辨認(rèn)出。

本研究通過ArcGIS軟件，將小流域數(shù)據(jù)與侵蝕溝數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，確保小流域范圍內(nèi)所有侵蝕溝沒有統(tǒng)計(jì)遺失，并計(jì)算侵蝕溝長(zhǎng)度、面積等相關(guān)參數(shù)。坡度數(shù)據(jù)以1∶50 000 DEM為數(shù)據(jù)源，通過ArcGIS軟件Spatial Analyst Tools進(jìn)行坡度提取與分級(jí)，并轉(zhuǎn)換為矢量圖層，與侵蝕溝圖層進(jìn)行疊加，獲取侵蝕溝坡度分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕溝密度與坡度的關(guān)系

在研究中將坡度分成九級(jí)，求取每個(gè)坡度級(jí)別上侵蝕溝密度。在20個(gè)小流域中共解譯出485條侵蝕溝。東部流域集在0°～0.25°范圍內(nèi)沒有侵蝕溝分布，北部流域集當(dāng)坡度大于15°時(shí)沒有侵蝕溝，南部和西部流域集當(dāng)坡度大于25°時(shí)也沒有侵蝕溝分布。北部流域集在坡度大于25°時(shí)沒有侵蝕溝分布是因?yàn)樵谠摿饔蚣胁]有坡度大于25°的土地，因此沒有侵蝕溝分布。

北部流域集與中部流域集侵蝕溝密度均先隨坡度上升而減少，當(dāng)坡度大于1.5°時(shí)，侵蝕溝密度隨坡度上升，但兩個(gè)分區(qū)的侵蝕溝密度在坡度大于3°時(shí)分布趨勢(shì)產(chǎn)生差異，北部流域集侵蝕溝密度繼續(xù)上升，當(dāng)坡度到達(dá)5°時(shí)，侵蝕溝密度減少0.02 km/km2，當(dāng)坡度大于5°時(shí)，侵蝕溝密度隨坡度上升而增加，并在15°時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)坡度大于3°時(shí)，中部流域集侵蝕溝密度減少至0.24 km/km2，而當(dāng)坡度達(dá)到5°時(shí)，侵蝕溝密度增加到0.270.24 km/km2，隨后侵蝕溝密度再次隨坡度增加而減少，并在坡度為15°時(shí)達(dá)到最小值，當(dāng)坡度大于15°時(shí)，侵蝕溝密度隨坡度上升而增加，并在25°～90°時(shí)達(dá)到最大值。

東部流域集與西部流域集侵蝕溝密度均隨坡度增加先上升后下降，并且侵蝕溝密度最大值均在坡度5°～8°范圍內(nèi)。東部流域集在0°～0.25°時(shí)侵蝕溝密度為零是因?yàn)樵谠撈露确秶鷥?nèi)沒有侵蝕溝，西部流域集在25°～90°范圍內(nèi)侵蝕溝密度為零是因?yàn)樵谖鞑苛饔蚣瘺]有大于25°的地形，這也體現(xiàn)了東西部地形差異對(duì)侵蝕溝分布的影響。

南部流域集侵蝕溝密度隨坡度上升成M型態(tài)，當(dāng)坡度在0°～5°時(shí)隨坡度上升而增加，繼而隨坡度增長(zhǎng)而下降，當(dāng)坡度在5°～15°時(shí)再次隨坡度上升而增加，當(dāng)坡度大于15°時(shí)，侵蝕溝密度隨坡度的繼續(xù)增加而減小，并且在25°～90°范圍內(nèi)侵蝕溝密度為零，這是由于在該坡度范圍內(nèi)沒有侵蝕溝分布。

將5個(gè)流域集的侵蝕溝數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，結(jié)果表明侵蝕溝密度隨坡度增長(zhǎng)呈單峰曲線，侵蝕溝密度先隨坡度上升而增加，當(dāng)坡度大于8°時(shí)，侵蝕溝密度隨坡度增加而減少。

雖然侵蝕溝密度與流域內(nèi)各坡度所占面積比例不相關(guān)，但是通過對(duì)比各流域集及5個(gè)流域集侵蝕溝密度隨坡度的分布趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)地形對(duì)侵蝕溝密度分布的影響。中部流域集及北部流域集在坡度0°～0.25°內(nèi)侵蝕溝密度較高，而其余3個(gè)流域集及5個(gè)流域集的侵蝕溝密度則在該坡度范圍內(nèi)較低，主要由于北部流域集及中部流域集的坡度面積占比要小于侵蝕溝長(zhǎng)度占比。中部流域集在坡度25°～90°的范圍內(nèi)侵蝕溝密度要明顯高于該流域集其余坡度分級(jí)內(nèi)的密度，在該坡度范圍內(nèi)坡度占比(0.16%)及侵蝕溝長(zhǎng)度占比(0.39%)雖然最小，但兩者所占比例相差2.44倍，明顯大于其余坡度上坡度面積與侵蝕溝長(zhǎng)度所占比例的差距，因此侵蝕溝分布與地形依然相互影響。通過對(duì)5個(gè)流域集侵蝕溝密度隨坡度的分布曲線擬合分布方程，根據(jù)甄選最佳分布方程形式為一元三次方程，擬合結(jié)果為y=-0.000 4x3-0.011 4x2+0.141 7x+0.042 3(R2=0.940 8，y為侵蝕溝密度，x為坡度分級(jí)級(jí)別)。

3.2 侵蝕溝切割土地比例與坡度的關(guān)系

在本研究中,用切割土地比例來表述單位面積內(nèi)的侵蝕溝面積。東部流域集、西部流域集及南部流域集的切割土地隨坡度變化的分布趨勢(shì)與密度相同。東部流域及與西部即侵蝕切割土地比例均隨坡度增加先上升后下降，并且最大值均在坡度5°～8°范圍內(nèi)。南部流域集侵蝕溝切割土地比例隨坡度變化呈M型，當(dāng)坡度在0°～4°時(shí)隨坡度上升而增加，繼而隨坡度增長(zhǎng)而下降；當(dāng)坡度在4°～8°時(shí)，再次隨坡度上升而增加；當(dāng)坡度大于8°時(shí)，侵蝕溝密度隨坡度的繼續(xù)增加而減小；并且在25°～90°范圍內(nèi)侵蝕溝密度為零。

中部流域集與北部流域集侵蝕溝切割土地比例先隨坡度增加而減少，當(dāng)坡度達(dá)到1.5°后開始隨坡度上升而增加，其中北部流域集切割土地比例隨坡度變化持續(xù)增加并達(dá)到最大值，而中部流域集在坡度為5°～15°范圍時(shí)，切割土地比例隨坡度增長(zhǎng)而減??；當(dāng)坡度大于15°時(shí)，切割土地比例再次增加。

將5個(gè)流域集的侵蝕溝數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，結(jié)果表明侵蝕溝切割土地比例隨坡度增長(zhǎng)呈單峰曲線，與密度分布曲線變化趨勢(shì)一致，侵蝕切割土地比例先隨坡度上升而增加，當(dāng)坡度大于5°時(shí)，侵蝕溝切割土地比例隨坡度繼續(xù)增加而減少。

通過對(duì)5個(gè)流域集侵蝕溝切割土地比例隨坡度的分布曲線擬合分布方程，結(jié)果為y=0.000 3x3-0.075 3x2+0.708 3x-0.407 6(R2=0.864 9，y為侵蝕溝密度，x為坡度分級(jí)級(jí)別)。

3.3 侵蝕溝長(zhǎng)寬比與坡度的關(guān)系

長(zhǎng)寬比用來表示侵蝕溝在某一坡度上的形態(tài)特征，長(zhǎng)寬比較大則表示侵蝕溝呈細(xì)長(zhǎng)形態(tài)，反之則表示侵蝕溝呈短粗形態(tài)。各流域集侵蝕溝長(zhǎng)寬比均隨坡度上升反復(fù)變化，5個(gè)流域集長(zhǎng)寬比隨坡度上升成3種分布。

北部流域集在0°～1.5°范圍內(nèi)侵蝕溝由細(xì)長(zhǎng)變短粗，然后再朝細(xì)長(zhǎng)形態(tài)發(fā)展，當(dāng)坡度到達(dá)3°時(shí)，侵蝕溝逐漸變短粗直至坡度達(dá)到5°，在8°北部流域及侵蝕溝長(zhǎng)寬比達(dá)到最大值，在該處侵蝕溝呈最細(xì)最長(zhǎng)形態(tài)后變得短粗。東部、中部及南部流域集存在兩個(gè)坡度閾值，在該處侵蝕溝由細(xì)長(zhǎng)態(tài)向短粗態(tài)發(fā)展，其余4個(gè)流域集在侵蝕溝分布最小坡度處呈最短粗形態(tài)，隨坡度上升侵蝕溝逐漸由短粗態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)態(tài)，達(dá)到第一個(gè)坡度閾值，但西部流域集只存在一個(gè)閾值，東部、中部與南部流域集存在兩個(gè)坡度閾值。南部流域及第一個(gè)坡度閾值為1.5°，其余3個(gè)流域第一個(gè)坡度閾值為3°。4個(gè)流域集在坡度為5°時(shí)侵蝕溝由短粗態(tài)再次朝細(xì)長(zhǎng)太發(fā)展。東部、中部及南部流域集在第二個(gè)坡度閾值時(shí)達(dá)到侵蝕溝最細(xì)長(zhǎng)態(tài)，南部流域集在15°達(dá)到第二個(gè)坡度閾值，中部與東部流域集在25°達(dá)到第二個(gè)坡度閾值，而西部流域集在坡度為25°達(dá)到侵蝕溝最細(xì)長(zhǎng)態(tài)后不再發(fā)生變化，因?yàn)槲鞑苛饔蚣瘺]有坡度大于25°的地形。5個(gè)流域集侵蝕溝長(zhǎng)寬比分布趨勢(shì)與南部流域集相同。在坡度3°～8°范圍內(nèi)侵蝕溝密度和切割土地比利較大，而長(zhǎng)寬比則較小，說明在該坡度范圍內(nèi)侵蝕溝數(shù)量眾多，溝蝕嚴(yán)重，并呈細(xì)長(zhǎng)態(tài)。

4 討 論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，坡度對(duì)侵蝕溝分布的共通性在部分流域集侵蝕溝的密度、切割土地比例及長(zhǎng)寬比隨坡度變化的分布趨勢(shì)是相同的，這意味著在不同流域集間的分布也存在差異，體現(xiàn)了空間差異性。5個(gè)流域集選自于兩個(gè)水土保持一級(jí)分區(qū)(東北黑土區(qū)，北方土石山區(qū))下的4個(gè)二級(jí)分區(qū)，在水土保持區(qū)劃原則上，均反映了區(qū)內(nèi)水土流失特征、地勢(shì)地質(zhì)等特征的區(qū)內(nèi)相對(duì)一致性和區(qū)間最大差異性，二級(jí)分區(qū)在一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上更能反映區(qū)域特征。而影響侵蝕溝的因素眾多，不當(dāng)?shù)母骱凸喔认到y(tǒng)、過度放牧、森林砍伐、道路建設(shè)和城市化等原因都可不同程度地造成侵蝕溝的產(chǎn)生，即使侵蝕溝全部在耕地中，溝壑區(qū)的日雨量和土壤濕度也會(huì)成為影響侵蝕溝的重要因素，南部流域集臨近中國(guó)渤海，東部流域集臨近鴨綠江及黃海，雨量與其它3個(gè)流域集相比較大，降雨的差異性改變了降雨侵蝕力和土壤可蝕性。并且土地利用的差異對(duì)侵蝕溝的影響預(yù)計(jì)要比氣候差異更大，而東部流域集林地較多，西部流域集靠近中國(guó)內(nèi)蒙古，存在一定程度的畜牧業(yè)，地形坡度的不同對(duì)徑流的影響存在差異，繼而影響到溝蝕形成的坡度閾值。南部流域集地處東被漫川漫崗區(qū)，坡長(zhǎng)坡緩，其余4個(gè)流域集均處在山地丘陵區(qū)，但中部流域集位于遼河平原邊緣，地貌的不同也對(duì)不同流域集的侵蝕溝分布造成差異性影響。地形與氣象條件的差異也會(huì)影響植被的生長(zhǎng)發(fā)育，不同的植被也會(huì)對(duì)侵蝕溝的發(fā)展起到不同的延緩作用。

單獨(dú)看每個(gè)小流域的侵蝕溝分布似乎都有屬于自己的規(guī)律，但當(dāng)把臨近的小流域組成流域集，甚至將流域集數(shù)據(jù)合并到一起，得出的規(guī)律更加明顯，并且與遼寧環(huán)渤海山地區(qū)普查的結(jié)果更加相似，因此認(rèn)為本研究結(jié)果能代表遼寧省侵蝕溝的分布特征。

5 結(jié) 論

本文在遼寧省范圍內(nèi)選取5個(gè)流域集對(duì)侵蝕溝密度、切割土地比例、長(zhǎng)寬比隨坡度變化的分布特征進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論

1) 不同流域集侵蝕溝密度、切割土地比例、長(zhǎng)寬比分布存在差異，因此侵蝕溝分布存在空間差異。

2) 遼寧省侵蝕溝在坡度3°～8°范圍內(nèi)侵蝕溝數(shù)量較多，侵蝕面積較大，并且呈細(xì)長(zhǎng)態(tài)。

3) 侵蝕溝密度、切割土地比例隨坡度的分布方程為：y=-0.000 4x3-0.011 4x2+0.141 7x+0.042 3；y=0.000 3x3-0.075 3x2+0.708 3x-0.407 6。