東北黑土區(qū)侵蝕溝長度規(guī)模-頻率關(guān)系與空間分布規(guī)律

左自泉，張 斌，覃發(fā)超，張甫桓

(1.西華師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院，b.四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測與控制工程實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637009；2.大小涼山干旱河谷土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)野外科學(xué)觀測研究站，四川 喜德 616753)

東北黑土區(qū)地勢平坦開闊，土壤肥沃，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對穩(wěn)定我國糧食安全具有重要作用[1]。但是，由于多年來的自然侵蝕和人類過度的開發(fā)利用，東北黑土區(qū)水土流失問題十分嚴(yán)重，近幾十年來，侵蝕溝數(shù)量增加，溝道擴(kuò)展，不斷地切割農(nóng)田、破壞耕地，對我國土地糧食安全帶來極大隱患[2-6]。2013年第一次全國水利普查水土保持調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，東北黑土區(qū)100～5000 m的侵蝕溝道有近30萬條，活躍侵蝕溝超過26萬條，占88.9%，近60%位于耕地地區(qū)，年均糧食損失近280多萬噸，且有不斷增多趨勢[7]。為此，國家和地方先后提出相關(guān)方案和各種措施來治理和改善東北黑土區(qū)水土流失問題[8-9]。

近年來許多學(xué)者從不同角度對侵蝕溝形成機(jī)制、空間分布特征以及治理措施做了大量研究[10-14]。利用物理示蹤法通過模擬鏵式犁在不同坡位耕作小區(qū)深松整地，證實(shí)了除水蝕、凍融侵蝕外，耕作侵蝕也是黑土區(qū)坡耕地重要侵蝕形式，且耕作方向和坡度對耕作位移影響顯著[15]。利用核密度分析法探究東北區(qū)侵蝕溝區(qū)域空間集聚行為的尺度效應(yīng)，其研究結(jié)果表明東北地區(qū)侵蝕溝空間分布在樣區(qū)尺度上具有非均勻性特征，在不同尺度上侵蝕溝的分布也具有不均勻性[16]，侵蝕溝的地域分異呈集聚分布模式，具有空間不均衡的分布特征，與地貌格局、高程、高差具有相關(guān)性[17]。然而，對于東北侵蝕溝的長度規(guī)模的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征鮮有報道。

規(guī)模-頻率分析在災(zāi)害領(lǐng)域，特別是泥石流[18]、滑坡[19]、崩塌[20]、地震[21]等地質(zhì)災(zāi)害的研究中比較常見，在洪澇[21]和干旱[23]災(zāi)害的研究中也有涉及。本文的主要目標(biāo)在于探索東北黑土區(qū)侵蝕溝長度與頻率之間是否存在與泥石流等災(zāi)害類似的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律以及探討該區(qū)域侵蝕溝空間分布規(guī)律，其結(jié)果不僅有助于更深入認(rèn)識侵蝕溝發(fā)育的特征，而且能夠?yàn)閰^(qū)域溝蝕評價提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國東北部(38°30′—53°33′N，118°53′—135°05′E)，其行政區(qū)包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的東部地區(qū)。研究區(qū)為溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，降雨集中在夏季，年降水量300～1000 mm，年均氣溫-5～11 ℃；近邊緣是大興安嶺、小興安嶺和長白山系的山脈和丘陵，中心部分是遼闊的東北平原(松嫩平原、遼河平原、三江平原)(圖1)；植被覆蓋度較高，平均植被覆蓋度在70%以上，呈現(xiàn)出東高西低的特點(diǎn)；土壤類型復(fù)雜，山地分布有大面積的暗棕壤，遼東丘陵地區(qū)主要為棕壤，平原地區(qū)分布有黑土、黑鈣土等。本區(qū)是中國最重要的糧食產(chǎn)區(qū)，由于特殊的地理環(huán)境條件及人類活動，本區(qū)域侵蝕溝較發(fā)育。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 樣區(qū)選擇

東北黑土區(qū)地域遼闊，對區(qū)域內(nèi)全部侵蝕溝道進(jìn)行解譯極其困難。因此，根據(jù)區(qū)域的地貌分異，采用樣帶/樣區(qū)法。樣帶的布置大體上與山脈平行，與該區(qū)域盛行風(fēng)向一致，且在空間分布上保持均勻。在西北—東南方向上布設(shè)5條樣帶、在東北—西南方向上布設(shè)7條樣帶，兩條樣帶交點(diǎn)即為本研究中的樣區(qū)中心，以交點(diǎn)為中心作邊長為30 km的正方形(正方形邊長為南北或東西向)，共可得34個樣區(qū)(舍去不在中國境內(nèi)的樣區(qū)1個)，涉及東北3省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部(圖1)。

2.2 侵蝕溝解譯

基于Google Earth高分辨率遙感影像，根據(jù)影像色調(diào)、紋理、輪廓、形態(tài)、方向、地形、植被狀況等建立解譯標(biāo)志，在ArcGIS 10.5中進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯侵蝕溝。從主溝或者支溝溝頭中心至溝口中心沿溝底中線畫線，曲線的長度即為主溝或者支溝的長度，遵從先主溝再支溝，由溝頭向溝口方向的原則進(jìn)行矢量化處理。遙感影像與侵蝕溝道矢量文件的空間參考坐標(biāo)系均采用GCS_1984_Alberts。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

2.3.1 侵蝕溝分類

當(dāng)前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的侵蝕溝的分級標(biāo)準(zhǔn)，為了方便調(diào)查和研究，本研究參考黑龍江省水土保持研究所制定的DB23/T 2412—2019分級方法對樣區(qū)的侵蝕溝進(jìn)行分級，將長度小于200 m的定義為小型溝，200～500 m的為中型溝，大于500 m的為大型溝。

2.3.2 古登堡-里查德關(guān)系

在地震研究中發(fā)現(xiàn)，震級m和大于震級m出現(xiàn)的地震頻數(shù)N之間存在冪律規(guī)律：lgN=a-bm即古登堡-里查德關(guān)系式，a，b為系數(shù)。地震表現(xiàn)出來的冪函數(shù)規(guī)律以及在自然界出現(xiàn)的“1/f”噪聲規(guī)律是自組織臨界現(xiàn)象的產(chǎn)物[21]。與之類似，在對東北34個區(qū)域侵蝕溝的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，規(guī)模較小的侵蝕溝數(shù)量多，而規(guī)模較大的侵蝕溝數(shù)量少，本文在對東北侵蝕溝的長度規(guī)模-頻率關(guān)系作出分析，判斷是否符合該冪律規(guī)律。

2.3.3 土地利用類型分類

利用2020年土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心對土地利用類型的分類標(biāo)準(zhǔn)(https://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=335)，按一級類將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地，排除水域和居民用地，共4種用地類型。

2.3.4 坡度、坡向分類

利用樣區(qū)DEM數(shù)據(jù)計(jì)算該區(qū)域的坡度，以5°為一個區(qū)間將坡度重分類為14個級別，轉(zhuǎn)成矢量圖斑，與解譯的侵蝕溝數(shù)據(jù)疊加分析得出不同坡度侵蝕溝的空間分布狀況。

按照不同方位對樣區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，坡向分為：北坡(337.5°～22.5°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)、東南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)、西北坡(292.5°～337.5°)。

2.3.5 侵蝕溝密度計(jì)算

侵蝕溝密度指單位面積內(nèi)的溝道長度[24]，侵蝕溝密度越大，說明該區(qū)域土壤侵蝕越嚴(yán)重，將侵蝕溝密度作為本次溝蝕評價指標(biāo)。土壤侵蝕溝密度計(jì)算公式為：D=L/S，式中，D指侵蝕溝密度(m·km-2)，L指區(qū)域侵蝕溝總長度(m)，S指區(qū)域總面積(km2)。分別計(jì)算不同土地利用類型、坡度、坡向的侵蝕溝密度。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕溝規(guī)模現(xiàn)狀

通過遙感影像對34個樣區(qū)共30 600 km2的溝道解譯發(fā)現(xiàn)，侵蝕溝在東北黑土區(qū)廣泛分布。本次共解譯出53 184條侵蝕溝(表1)，溝道總長度為21 607.11 km，平均溝道長度為0.41 km。樣區(qū)10侵蝕溝數(shù)量最多，達(dá)到6720條，占侵蝕溝總數(shù)的12.72%，樣區(qū)34侵蝕溝數(shù)量最少，為7條，占比為0.0001%。樣區(qū)10的小型侵蝕溝數(shù)量最多，達(dá)到4940條，說明該區(qū)以小型溝為主，地表破碎侵蝕嚴(yán)重。樣區(qū)1的大型溝數(shù)量最多，為350條，說明該地區(qū)被侵蝕時間較長，侵蝕嚴(yán)重?？傮w來看，中、小型溝總數(shù)為49 926條，占總侵蝕溝數(shù)的93.87%；大型侵蝕溝3258條，占6.13%。不同長度侵蝕溝數(shù)量不同，長度越長數(shù)量越少。

3.2 侵蝕溝長度規(guī)模與頻率關(guān)系

通過對30個樣區(qū)的散點(diǎn)圖和擬合方程分析，東北黑土區(qū)侵蝕溝長度規(guī)模和頻率呈冪函數(shù)分布(表1)。有24個樣區(qū)的擬合優(yōu)度R2≥0.80，占70.59%，僅有2個樣區(qū)的擬合優(yōu)度R2<0.50，占5.88%。

表1 各樣區(qū)侵蝕溝數(shù)量與長度-規(guī)模頻率方程

由圖2可得，根據(jù)樣區(qū)解譯的侵蝕溝分析，其整體長度規(guī)模與頻數(shù)的關(guān)系式為：lnN(>P)=10.64-2.19P，R2=0.97，式中，P=lnx，x為長度分布，N為侵蝕溝頻數(shù)，這與古登堡-里查德關(guān)系形式類似，也滿足自組織臨界狀態(tài)下的冪律規(guī)則。由此說明，東北侵蝕溝規(guī)模長度與累計(jì)頻率關(guān)系呈現(xiàn)良好的冪律關(guān)系。

3.3 不同土地利用類型下侵蝕溝規(guī)模分布差異

林地侵蝕溝密度最大(1031.87 m·km-2)，其次是耕地(561.54 m·km-2)和草地(484.73 m·km-2)，未利用地(371.69 m·km-2)最小，樣區(qū)平均密度741.50 m·km-2。

3.4 侵蝕溝規(guī)模與地形因素的關(guān)系

黑土區(qū)侵蝕溝形成的主要原因是地表徑流對表土的長期沖刷，它與該區(qū)域坡向和坡度關(guān)系密切。坡度是影響侵蝕溝發(fā)育的重要因素之一，樣區(qū)整體坡度范圍為0°～67.57°，平均坡度5.38°。由圖3可知，在15°～20°侵蝕溝分布密度最大，整體上侵蝕溝密度隨坡度的增加呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢。

坡向決定地表徑流流向，影響地表對太陽能的吸收和植被的生長狀況，進(jìn)而影響土壤的侵蝕強(qiáng)度[24]。由疊加分析知，東北坡侵蝕溝密度最大，為962.08 m·km-2，其次是東坡和東南坡，分別為879.02 m·km-2和860.52 m·km-2，北坡侵蝕溝密度最低，為579.39 m·km-2，整體上東坡大于西坡，南坡大于北坡(圖4)。

4 討 論

4.1 侵蝕溝空間分布的影響因素分析

水蝕、風(fēng)蝕、凍融侵蝕和耕作侵蝕均是東北黑土區(qū)重要的侵蝕方式，不合理的耕作，尤其是機(jī)械深耕，侵蝕危害最大[15]。對50年來東北黑土區(qū)土地利用變化對溝蝕影響研究中發(fā)現(xiàn)，耕地侵蝕溝壑面積最大，草地、林地的開墾和建設(shè)用地的增加加速水土流失和侵蝕溝的形成，人類不合理地利用土地資源使得侵蝕溝數(shù)量不斷增加，密度加大，長度增長[25-26]，這與本研究相契合。毀林開荒，植被破壞，過度開墾和不合理的耕作以及過度放牧導(dǎo)致該區(qū)域生物環(huán)境和土壤性質(zhì)發(fā)生改變，土壤功能退化導(dǎo)致保土保肥能力下降，加劇了侵蝕溝的發(fā)育和擴(kuò)張。未利用土地雖然受人類活動影響較少，但是由于缺乏地表植被以及降雨侵蝕、凍融侵蝕和積雪融化侵蝕等，導(dǎo)致該區(qū)域侵蝕溝不斷發(fā)生和發(fā)展。

區(qū)域尺度上，地形尤其是地形起伏度和坡度是影響侵蝕溝分布的首要環(huán)境條件[27]。侵蝕溝密度隨著坡度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，山區(qū)侵蝕溝長度整體比平原地區(qū)侵蝕溝長度更短[14,25]。坡向也是影響侵蝕溝形成和發(fā)育的重要因素，坡向不同，地表徑流和降雨侵蝕力也不同，土壤侵蝕強(qiáng)度也有明顯的不對稱[28]。東北黑土區(qū)陽坡受太陽輻射的影響，使得該區(qū)域冬季冰雪融化速度明顯大于陰坡，積雪融水匯集，帶走表土并下切侵蝕，且該地處于與溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，南坡和東坡位于迎風(fēng)坡，降水豐沛且夏季降雨集中，雨水大量匯集，沖刷地表，造成土壤大量流失形成侵蝕溝。不同坡向上密度的差異與黃土區(qū)小流域的空間分布以及九臺市典型黑土區(qū)研究結(jié)果相似[29-30]。這些因素共同影響研究區(qū)域侵蝕溝的密度和數(shù)量變化。

4.2 數(shù)據(jù)精確性

基于Google Earth高分辨率遙感影像，通過解譯標(biāo)志進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯，可以獲得較高精度的侵蝕溝數(shù)據(jù)[31]。然而，由于某些區(qū)域遙感影像精度有限，部分溝道難以識別，這給侵蝕溝的識別與解譯造成了干擾。在解譯提取后又進(jìn)行了數(shù)次檢查，不排除有個別的溝道遺漏，但這些情況極少，而且通過集中討論可提高解譯的準(zhǔn)確性，因而對總體結(jié)果影響不大。進(jìn)一步通過實(shí)地調(diào)查提高解譯溝道數(shù)據(jù)的精度、擴(kuò)大樣區(qū)的數(shù)量、挖掘空間數(shù)據(jù)的精度，是未來需要努力的工作重點(diǎn)。