吉林省低山丘陵區(qū)地形因素對(duì)坡耕地侵蝕溝分布的影響

劉 肅， 崔 斌， 張 瑜， 楊獻(xiàn)坤

(吉林省水土保持科學(xué)研究院 130033 吉林 長(zhǎng)春)

侵蝕溝是最受關(guān)注的具有普遍性、緊迫性和復(fù)雜性的世界性環(huán)境問(wèn)題，也是土地退化的主要過(guò)程及最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式[1]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，黑土區(qū)共有長(zhǎng)于100 m的侵蝕溝295 663條[2]，共侵毀耕地5.90×105hm2以上[3]。侵蝕溝的發(fā)育與發(fā)展受多因素共同作用影響，其中地形因素是影響侵蝕溝分布格局的重要因素[4]。主要表現(xiàn)為淺溝長(zhǎng)度與流域坡度呈負(fù)相關(guān)[5]；溝壑裂度與坡度顯著正相關(guān)[6-7]，溝壑密度隨坡度的增加而增大[8]。以往對(duì)侵蝕溝發(fā)育及分布受地形因素影響的研究多采用歷史遙感影像對(duì)比，在遙感影像解譯過(guò)程中實(shí)現(xiàn)侵蝕溝全部識(shí)別、不遺漏不誤判具有一定難度。本研究利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)(real time kinematic, RTK)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)東遼縣遼河源流域內(nèi)25條侵蝕溝進(jìn)行了精細(xì)化測(cè)量，嘗試對(duì)以該區(qū)域地貌特征為代表的吉林省低山丘陵地貌的侵蝕溝與地形因素關(guān)系加以探討，從而發(fā)現(xiàn)地形因素對(duì)侵蝕溝發(fā)育及分布影響，以期為侵蝕溝綜合治理與土地利用規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

東遼縣位于吉林省中南部，東遼河上游，地處長(zhǎng)白山余脈與松遼平原的過(guò)度地帶，屬低山丘陵地貌，南北方向丘陵起伏。海拔高度在270～400 m。溫帶大陸性氣候區(qū)，四季分明，多年平均氣溫5.2 ℃，降水量661.5 mm，蒸發(fā)量1 450 mm，≥10 ℃積溫2 750 ℃，無(wú)霜期為128 d，多年平均風(fēng)速2.9 m/s，最大凍土深度1.80 m。主要土壤有暗棕壤、白漿土、沖積土等。東遼縣共轄有9個(gè)鎮(zhèn)，4個(gè)鄉(xiāng)，234個(gè)行政村，全縣鄉(xiāng)村人口2.85×105人。本次研究區(qū)域位于遼河源鎮(zhèn)，地處東遼縣東南部，北緯42°52′，東經(jīng)125°22′。

2 研究方法

(1) 侵蝕溝形態(tài)特征。包括侵蝕溝長(zhǎng)度、平均寬度、溝緣占地面積、溝底高程等指標(biāo)。于2018年11月利用現(xiàn)場(chǎng)RTK測(cè)量方法，坐標(biāo)系采用CGCS2000，中央經(jīng)線設(shè)置為126°；沿溝緣線及溝底每間隔5 m采集坐標(biāo)點(diǎn)，將點(diǎn)數(shù)據(jù)生成Excel文件，導(dǎo)入ArcGIS10.2軟件，手繪生成侵蝕溝平面圖及縱向中心線，以此獲得溝道長(zhǎng)度、溝緣面積；將TIN生成的坡度分析柵格成果與溝緣線及匯水區(qū)圖層相疊加，分類統(tǒng)計(jì)不同坡度范圍內(nèi)的匯水面積與溝壑面積；

(2) 坡度。以1∶10 000地形圖為底圖，利用ArcGIS10.2軟件手繪等高線，利用3D Analyst 工具生成TIN文件之后采用Spatial Analyst 工具獲取研究區(qū)坡度；

(3) 地形特征。包括研究區(qū)坡長(zhǎng)、平均寬度、匯水面積、形狀系數(shù)等指標(biāo)。以等高線為底圖，手繪生成侵蝕溝閉合匯水區(qū)域，分類統(tǒng)計(jì)坡長(zhǎng)、匯水面積指標(biāo)，間接求得平均寬度，形狀系數(shù)等指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域侵蝕現(xiàn)狀分布特征

根據(jù)2018年11月現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該區(qū)域土地利用類型為耕地和林地(如表1所示)。其中坡地中下部以耕地為主，坡度<9°，坡長(zhǎng)占總坡長(zhǎng)的30%～60%；坡上部以次生林為主，坡度以>9°為主，坡長(zhǎng)占總坡長(zhǎng)的40%～70%。所調(diào)查的25條侵蝕溝分布于5個(gè)閉合匯水單元內(nèi)。溝道長(zhǎng)度介于44～361 m之間，匯水區(qū)域縱向坡地長(zhǎng)介于160～590 m之間，橫向?qū)挾冉橛?1～120 m之間。溝壑密度為5.99 km/km2，溝谷占坡地面積比為5.12%。溝道長(zhǎng)度占匯水區(qū)域縱向坡地長(zhǎng)度<30%的侵蝕溝有3條，30%～50%的有15條，50%～80%的有5條，>80%的有2條。侵蝕溝主要分布于坡地中下部的耕地內(nèi)。溝頭活躍且尚未發(fā)展至農(nóng)林交接帶的有17條。溝頭已發(fā)展至林地的有8條，其中有7條溝頭處于穩(wěn)定狀態(tài)，1條處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)。以上調(diào)查結(jié)果表明該區(qū)域溝蝕處于強(qiáng)烈侵蝕狀態(tài)，且耕地內(nèi)侵蝕溝有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，并以溝頭溯源侵蝕為主，當(dāng)溝頭前進(jìn)至林地后，可逐步達(dá)到自然穩(wěn)定。

表1 吉林省低山丘陵區(qū)單元尺度侵蝕溝特征

3.2 侵蝕溝分布與地形因素關(guān)系

3.2.1 溝谷占坡地面積隨坡度變化 將每條侵蝕溝匯水區(qū)域內(nèi)的坡度劃分為0°～3°，3°～6°，6°～9°，9°～12°，12°～15°，15°～18°，18°<共7個(gè)區(qū)間，提取每個(gè)坡度區(qū)間內(nèi)的匯水面積、溝谷占地面積，求得溝谷占坡地面積比。利用SPSS對(duì)7個(gè)坡度區(qū)間內(nèi)的溝谷占坡地面積比進(jìn)行差異性分析表明，當(dāng)坡度<9°時(shí)差異顯著(p<0.05)，當(dāng)坡度≥9°時(shí)差異不顯著。結(jié)果見(jiàn)圖1。溝谷占坡地面積比隨坡度的變化呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)坡度<9°時(shí)溝谷占坡地面積比隨坡度的增加而增加，在坡度為6°～9°范圍內(nèi)達(dá)到最大值，當(dāng)坡度≥9°時(shí)隨坡度的增加而減小。

圖1 吉林省低山丘陵區(qū)溝谷占坡地面積比例坡度分異特征

結(jié)合研究區(qū)土地利用及地形情況進(jìn)行分析，該區(qū)域以低山丘陵地貌為主，地表高程在389～430 m之間，土地利用方式以≥9°的次生林為主，坡耕地主要分布于山坡坡腳<9°的緩坡區(qū)域。林地內(nèi)植被覆蓋率較高，且枯落物對(duì)林下土壤起到了很好的保護(hù)作用，徑流難以形成，溝壑不易發(fā)育。坡耕地以橫壟耕作為主，但坡向復(fù)雜，在兩種相對(duì)的主導(dǎo)坡向交接處，即低洼水線處是侵蝕溝發(fā)育的主要區(qū)域[9]；低山丘陵地貌橫向壟從坡上至坡下逐漸變長(zhǎng)，匯水面積逐漸增加，在降雨作用下，當(dāng)壟內(nèi)徑流在相對(duì)坡向交接處，即每個(gè)壟內(nèi)最低高程點(diǎn)形成積水并發(fā)生溢流后形成“斷壟現(xiàn)象”，由此加劇了坡下壟溝內(nèi)積水進(jìn)而形成連續(xù)水道并向坡下繼續(xù)發(fā)展，此時(shí)坡地淺溝形成，斷壟位置決定了最初溝頭位置；隨著降雨的持續(xù)作用，淺溝逐步發(fā)育為切溝、沖溝，并且在最初斷壟位置以上形成跌水，即溝頭形成，但溝頭并非完全沿相對(duì)坡向交接處向上發(fā)展，主要是由于溝頭處并無(wú)匯水或來(lái)水較小，溝頭主要受重力侵蝕作用向上發(fā)展。當(dāng)溝頭發(fā)育至林地內(nèi)時(shí)，受植被保護(hù)作用，溝道內(nèi)形成枯落物層，植被恢復(fù)，溝道穩(wěn)定。

3.2.2 溝壑密度受匯水區(qū)形狀特征影響 將每條侵蝕溝作為一個(gè)閉合匯水單元，獲取匯水單元內(nèi)坡長(zhǎng)、匯水面積，求得每個(gè)匯水單元內(nèi)的平均寬度及形狀系數(shù)，將以上兩個(gè)匯水區(qū)形狀指標(biāo)與溝壑密度進(jìn)行回歸分析，結(jié)果為溝壑密度與匯水區(qū)平均寬度的冪函數(shù)關(guān)系擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)R2=0.68，即溝壑密度隨著匯水區(qū)域平均寬度的增加呈冪函數(shù)下降(見(jiàn)圖2)。

該區(qū)域坡地地形復(fù)雜，坡向多變，侵蝕溝主要沿主導(dǎo)的縱向坡向發(fā)育，與壟作方向垂直或成一定角度。在溝道兩側(cè)同時(shí)存在橫向坡向，橫向以大田玉米橫向壟作為主，坡長(zhǎng)介于25～86 m之間，由于壟溝內(nèi)水流匯水面積有限，產(chǎn)生的切應(yīng)力不足以達(dá)到淺溝發(fā)生的臨界切應(yīng)力范圍[9]，因此橫向發(fā)育的侵蝕溝在該區(qū)域較為少見(jiàn)。而匯水區(qū)形狀系數(shù)越大，縱向坡長(zhǎng)則相對(duì)越短，溝道長(zhǎng)度也因此較短。

圖2 吉林省低山丘陵區(qū)溝壑密度與匯水區(qū)平均寬度關(guān)系

3.2.3 溝壑密度受匯水區(qū)不同坡度面積組成影響 坡度是影響侵蝕溝形成發(fā)育的主要因素[10]，已有的研究結(jié)果表明，溝壑密度與坡度呈線性正相關(guān)[11-12]。本研究在流域尺度及單條侵蝕溝匯水區(qū)域尺度內(nèi)對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明二者線性相關(guān)性未達(dá)到以上水平。

但溝壑密度與各坡度坡地占總匯水面積比例具有一定相關(guān)關(guān)系，主要表現(xiàn)為溝壑密度隨著3°～6°坡地占總匯水面積比例的增加而減少，隨6°～9°坡地占總匯水面積比例的增加而增加(見(jiàn)圖3)，以上結(jié)果說(shuō)明該區(qū)域6°～9°坡地是侵蝕溝分布的集中區(qū)域。

圖3 吉林省低山丘陵區(qū)不同坡度的坡地面積占總匯水面積比例對(duì)溝壑密度影響

3.3 侵蝕溝特征與地形要素關(guān)系研究

將溝長(zhǎng)、平均溝寬、平均溝深、總侵蝕量、溝谷占坡地面積等侵蝕溝特征指標(biāo)與平均坡度、匯水面積、流域形狀系數(shù)等地形特征指標(biāo)進(jìn)行了耦合規(guī)律研究。結(jié)果如圖4所示，侵蝕溝平均寬度與匯水區(qū)平均寬度及形狀系數(shù)均存在線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.57和0.84，相關(guān)系數(shù)隨匯水區(qū)不對(duì)稱系數(shù)的減小而增加。這說(shuō)明匯水區(qū)平均寬度對(duì)侵蝕溝橫向發(fā)育具有明顯影響，即具有較大寬長(zhǎng)比的集水區(qū)內(nèi)容易發(fā)育寬度相對(duì)較大的侵蝕溝，這與吉林省內(nèi)侵蝕溝具有長(zhǎng)度小寬度大的特征[13]相吻合。主要是由于侵蝕溝下切侵蝕造成溝岸陡立，重力作用在邊坡物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，強(qiáng)烈的崩塌和滑塌促使溝坡后退[14]，在這一過(guò)程中，侵蝕溝兩側(cè)耕地橫向壟作所產(chǎn)生的渠系效應(yīng)[15]對(duì)加速溝坡后退也起到了積極作用，表現(xiàn)為加劇了溯源侵蝕與凍融侵蝕作用[16]。

圖4 吉林省低山丘陵區(qū)侵蝕溝平均寬度與匯水區(qū)平均寬度及形狀系數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

(1) 研究區(qū)坡地土地利用現(xiàn)狀以坡下部耕地和坡上部次生林為主，分別占坡地總長(zhǎng)度的30%～60%和40%～70%，侵蝕溝主要分布于坡耕地中，溝壑密度為5.99 km/km2，溝谷占坡地面積比為5.12%，溝道處于強(qiáng)烈侵蝕狀態(tài)，發(fā)展方式以溝頭溯源侵蝕為主。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，當(dāng)溝頭發(fā)展至坡地上部次生林地時(shí)，溝頭可達(dá)到自然穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于坡上部次生林郁閉度高，林下枯落物生物量大，森林的降雨再分配與林下枯落物層的保護(hù)作用[17-18]是防止水土流失與控制溝頭發(fā)展的重要因素。

(2) 在坡度<9°時(shí)差異顯著(p<0.05)，坡度≥9°時(shí)不顯著；溝谷占坡地面積比隨坡度的變化呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)坡度<9°時(shí)溝谷占坡地面積比隨坡度的增加而增加，在坡度為6°～9°范圍內(nèi)達(dá)到最大值，當(dāng)坡度≥9°時(shí)溝谷占坡地面積比隨坡度的增加而減小，6°～9°是研究區(qū)侵蝕溝分布最為集中的區(qū)域。這與李飛等[7]以九臺(tái)為研究區(qū)得出的結(jié)論相近，但坡度區(qū)間不同。研究區(qū)以低山丘陵地貌為主，坡耕地主要分布于9°以下坡地，在坡耕地內(nèi)由于缺乏植被的保護(hù)作用，坡度的增加加劇了侵蝕溝道的發(fā)展。

(3) 溝壑密度與匯水面積、坡度均無(wú)明顯函數(shù)相關(guān)性，這與蔣巖初等[11]和許曉鴻等[12]得出的溝壑密度與坡度呈正相關(guān)的結(jié)論不同。本研究發(fā)現(xiàn)溝壑密度與匯水區(qū)平均寬度呈冪函數(shù)關(guān)系(y=706.38x-1.108，R2=0.68)，表現(xiàn)為溝壑密度隨著匯水區(qū)域平均寬度的增加呈冪函數(shù)下降，并且侵蝕溝匯水區(qū)平均寬度越大，溝道橫向平均寬度越大，二者呈線性正相關(guān)關(guān)系。