1970—2021 年典型黑土區(qū)侵蝕溝損毀耕地速度與發(fā)育階段

陳家宙，何陽波，高鈺淏，陳俊熹，黃怡婷，朱貽凡，宋馮豪

（華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070）

0 引言

東北黑土性狀好、肥力高、適宜農(nóng)耕，廣義的黑土地分布在東北三省和內(nèi)蒙東四盟等246個縣（市、旗），總面積109 萬 km2，80%的耕地位于坡度小于3°的地帶[1]。典型黑土則主要分布在中部的松嫩平原，面積為33.3 萬km2，其中坡度大于0.25°的耕地面積7.8 萬km2[2]。典型黑土區(qū)耕地雖然坡度小，但是坡長普遍超過300 m，個別超過3 000 m，田塊面積大，耕層表土在降水集中期極易被沖刷，是水土流失的優(yōu)先防治對象。

典型黑土區(qū)耕地水土流失嚴重，且大部分地區(qū)出現(xiàn)了侵蝕溝，這不僅直接損毀耕地，影響機械耕種，還促進坡面侵蝕，降低溝邊土壤質(zhì)量，是耕地產(chǎn)能降低的重要原因。中國于2010—2012 年間開展了一次黑土區(qū)侵蝕溝全域普查，通過衛(wèi)星影像資料測量長100～5 000 m 的大型侵蝕溝，2013 年水利部[3]公布的結果顯示黑土區(qū)有侵蝕溝29.566 3 萬條，侵蝕溝面積占黑土區(qū)國土面積的1.9%。后來一些研究認為，普查的侵蝕溝數(shù)量數(shù)據(jù)偏小，實際侵蝕溝可能超過60 萬條[4-5]，原因是普查沒有全部識別衛(wèi)星遙感影像中路邊、林邊及林下的侵蝕溝，同時忽略了長度小于100 m 的侵蝕溝。這些小的侵蝕溝數(shù)量多，發(fā)育速度快，潛在危害大，不應被忽視。

在侵蝕溝普查的同時，有研究陸續(xù)報道了黑土不同區(qū)域侵蝕溝的發(fā)育狀況[6-7]。閆業(yè)超等[8]利用1965 年美國Corona 衛(wèi)星影像和 2005 年法國Spot-5 衛(wèi)星影像，研究克拜東部黑土區(qū)侵蝕溝變化，表明40 a 來區(qū)域內(nèi)侵蝕溝從1 682 條增加到2 561 條。同樣1965—2005 年烏裕爾河和訥謨爾河兩流域侵蝕溝密度劇增[9]，侵蝕溝在水平和垂直方向上呈現(xiàn)分異特征[10]，并且溝蝕重心向西北移動，其趨勢與耕地重心的移動方向一致[11]。整個東北黑土區(qū)的人類活動強度與單位面積侵蝕溝數(shù)量、長度、面積顯著相關[12]。此后，一些研究利用分辨率更高的遙感影像結合地面測量和土壤測試，建立了侵蝕溝數(shù)量和尺寸指標間的定量經(jīng)驗關系[13-14]，詳細剖析了典型侵蝕溝的歷史發(fā)育速率[15]和耕地淺溝短期發(fā)展速度[16-17]及影響因子。但黑土區(qū)溝蝕發(fā)育歷史、速度、控制因素和關鍵過程尚存在爭議，侵蝕溝發(fā)展態(tài)勢有何變化仍不清楚。

在量化侵蝕溝發(fā)育狀況時，以往研究往往針對的是一個較大區(qū)域整體（如烏裕爾河流域）估算侵蝕溝發(fā)育速度[8-9,18-20]，不區(qū)分區(qū)域內(nèi)山地、林地與耕地，沒有準確估算侵蝕溝對耕地的損毀，難以辨析影響農(nóng)田侵蝕溝發(fā)育的關鍵因子；而一些小流域或者典型侵蝕溝的研究[14-15]，難以體現(xiàn)區(qū)域間自然和人為影響因子的差異。為區(qū)分典型黑土區(qū)不同侵蝕溝的發(fā)育階段，本研究針對侵蝕溝損毀耕地速度，以典型黑土區(qū)3個緯度帶的9個農(nóng)田單元內(nèi)的侵蝕溝為對象，通過人工解譯1970、2011 和2021年3個時間點的衛(wèi)星影像和現(xiàn)場核驗測量，研究50 a 來侵蝕溝發(fā)育速度和損毀耕地的特征，探討侵蝕溝發(fā)育階段的變化，以期為農(nóng)田侵蝕溝發(fā)展趨勢和機理探究提供數(shù)據(jù)支持，也為控制耕地侵蝕溝發(fā)育和保護黑土地提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于典型黑土核心區(qū)，從北往南選擇嫩江市九三農(nóng)場管理區(qū)（49°10′55″N）、海倫市（47°27′5″N）、巴彥縣（46°5′9″N）3個緯度的典型農(nóng)田為研究對象。3個緯度研究區(qū)沿著“新月形”核心黑土帶南北跨度300 km，分別代表了黑龍江省內(nèi)典型黑土區(qū)的北部、中部和南部，平均海拔分別為320、230 和170 m，是典型的漫崗地形，土地利用以耕地為主，種植制度相同（玉米—大豆輪作），處在同一降水梯度帶（年降水量400～681 mm）。每個緯度帶內(nèi)選取地形坡度分別約為1%、2%和3%的3個代表性農(nóng)田小流域單元，以其村莊命名，它們的地形和耕作代表了該地區(qū)坡耕地的情況，為典型農(nóng)田小流域單元。研究區(qū)的9個農(nóng)田小流域根據(jù)衛(wèi)星影像裁剪為規(guī)則的幾何形狀，9個單元總面積378.02 km2，每個平均42.0 km2，基本情況見表1。2008 年起，在黑龍江農(nóng)墾總局30個縣開展了水土保持治理工作，對坡耕地侵蝕溝進行了整治。在收集衛(wèi)星影像的同時，通過每個地區(qū)的水土保持工作匯報分別收集了上述3個緯度區(qū)的嫩江農(nóng)場史、海倫縣志和海倫農(nóng)場志、巴彥縣志等地方歷史記錄資料，根據(jù)各個地區(qū)黑土溝蝕文獻查閱了有關黑土開墾歷史的內(nèi)容，作為侵蝕溝發(fā)育歷史的輔助判別資料。

表1 研究區(qū)域和農(nóng)田小流域單元概況Table 1 Generalization of the study region and farmland watershed unit

1.2 影像數(shù)據(jù)源和侵蝕溝目視解譯

為了反映侵蝕溝的歷史變化，收集了研究區(qū)3個歷史時期的衛(wèi)星影像。對1965—1972 年間的美國Corona衛(wèi)星影像，通過影像質(zhì)量對比篩查，挑選了覆蓋研究區(qū)域并且清晰度較高的1970 年5 月28 日和8 月6 日的影像為本研究最早的數(shù)據(jù)源，分辨率為Stereo high（最佳2.5 m）。然后收集了2011 年和2021 年2個時期的法國Pleiades 衛(wèi)星影像，拍攝日期為4—5 月和9—10 月，分辨率為0.7 m。3 期衛(wèi)星影像通過幾何校正，統(tǒng)一在ArcGIS10.4 中建立圖層，目視解譯和測量。因為研究單元內(nèi)主要為耕地，即使在作物生長期切溝在影像上也能清晰反映出來，雖然部分淺溝也能識別，但本文僅測量切溝，不包括淺溝。目視解譯法盡管效率較低，但操作容易且精度高，而自動提取侵蝕溝誤差很大[21]，目視解譯仍是提取侵蝕溝的常用方法。

為了保證測量準確，對每條侵蝕溝采用目視識別和人機交互的方法測量其長度、寬度和面積，并進行了野外實地踏查和核驗。于2022 年4—5 月在全部9個研究單元開展了實地核查和侵蝕溝地面測量，在每個單元的核心區(qū)（占整個單元面積的1/3～1/2）采用大疆無人機（精靈Phantom 4RTK）飛行拍攝，飛行高度120 m，影像水平精度2.7 cm，作為人機交互識別侵蝕溝的核對依據(jù)，確保每條侵蝕溝解譯和測量正確。同時在地面采用激光測距儀（Bosch GLM250 VF）測量了研究單元內(nèi)部分侵蝕溝的長寬深等數(shù)據(jù)，用于核驗目視解譯衛(wèi)星影像測量結果。

1.3 人機交互測量侵蝕溝與統(tǒng)計方法

在研究過程中發(fā)現(xiàn)，由于人為治理填埋侵蝕溝，在3個歷史時期，有些侵蝕溝變大了，有些侵蝕溝消失了或者縮小了，有些侵蝕溝則是新出現(xiàn)的，簡單地以2個時期的侵蝕溝長度或者面積進行對比，得到的是表觀的侵蝕溝發(fā)育速度（掩蓋了侵蝕溝實際發(fā)育部分），不是真正的侵蝕溝發(fā)育的速度。因此，本文追蹤每條侵蝕溝，在測量時把不同歷史時期的影像進行疊加，記錄每條侵蝕溝在3個歷史時期的長度、寬度和面積，并勾繪其輪廓，從而對新增和治理消失的侵蝕溝加以區(qū)分，分別計算了表觀發(fā)育速度（即凈速度，包含了因治理而縮小或消失的侵蝕溝）和實際發(fā)育速度（即侵蝕溝自身發(fā)育速度，剔除了因治理而縮小或消失的侵蝕溝），前者反映了研究單元內(nèi)侵蝕溝凈增減速度，后者反映了侵蝕溝本身實際的發(fā)育速度。

1.4 侵蝕溝起始年份估算方法

文獻 [15,23]使用典型侵蝕溝的面積增長速率推算起始發(fā)育時間，但單條溝難以代表區(qū)域侵蝕溝起始時間。如果知道區(qū)域內(nèi)2個年份（T1和T2）的侵蝕溝的發(fā)育規(guī)模（G1和G2），則可用式（1）推算該區(qū)域侵蝕溝的起始發(fā)育年份X：

式（1）中侵蝕溝規(guī)?？梢詾閿?shù)量、長度、面積或體積指標，從而得到不同發(fā)育規(guī)模指標估算的起始年份相互佐證。式（1）假定侵蝕溝勻速發(fā)育并且沒有人為填埋治理，但由于本研究區(qū)已經(jīng)治理的侵蝕溝較多，人為影響下侵蝕溝長度和面積變化復雜，因此只采用新增侵蝕溝數(shù)量估算區(qū)域的侵蝕溝起始發(fā)育年份。

2 結果與分析

2.1 侵蝕溝數(shù)量

研究單元內(nèi)1970、2011 和2021 年3個歷史時期的侵蝕溝數(shù)量分別是502、771 和1,149 條（表2），50 a來凈增加647 條，而且近10 a（2011—2021 年）凈增加數(shù)量（378 條）大于更早的40 a（1970—2011 年）凈增加數(shù)量（269 條）。一些規(guī)模較大的侵蝕溝在此期間得到了治理而消失，凈增加數(shù)量不能反映侵蝕溝真實發(fā)育速度，剔除消失的311 條侵蝕溝之后，50 a 來實際增加了958 條新侵蝕溝，相當于數(shù)量密度增加了2.4 條/km2，年均實際增加速率為0.048 條/km2，且近10 年年均實際增加速率是更早40 a 的4.29 倍，呈加速趨勢。

表2 1970—2021 年3個歷史時期不同區(qū)域侵蝕溝數(shù)量Table 2 The number of gully in different regions during three historical times of 1970-2021條

侵蝕溝的治理速度也在加快。1970—2011 年期間共治理193 條，相當于每年治理4.8 條；而近10 年共治理118 條，相當于每年治理11.8 條，但是治理的速度明顯低于新侵蝕溝數(shù)量增加的速度（49.6 條/a），凈增加數(shù)量為正值。3個緯度區(qū)的侵蝕溝數(shù)量增減差異明顯，南部巴彥縣50 a 來侵蝕溝數(shù)量凈增加和實際增加分別是3 和164 條，中部的海倫是272 和375 條，而北部的嫩江則是372 和419 條，說明北部侵蝕溝數(shù)量加速趨勢更明顯。

2.2 侵蝕溝長度和面積

侵蝕溝長度與數(shù)量凈增減趨勢在3個歷史時期基本一致（圖1），表現(xiàn)為50 a 來南部巴彥縣表觀長度（即考慮了因治理而減少后的凈長度）略微減少而中部海倫和北部嫩江則持續(xù)增加，以最北部的嫩江增加幅度最大；實際長度（剔除了因治理而減少的長度，只統(tǒng)計侵蝕溝增加的長度）在3個緯度區(qū)均大幅度增加。同一緯度區(qū)內(nèi)，大坡度的農(nóng)田單元（即坡度為3%的前馮爐、大成、尖山）的侵蝕溝數(shù)量和長度最大，而且近10 年增加速度也最大；而小坡度（1%和2%）農(nóng)田單元內(nèi)侵蝕溝數(shù)量和長度均較小，50 a 來不同地形農(nóng)田單元的侵蝕溝的發(fā)育差異格局未變而且有擴大的趨勢。

圖1 3個歷史時期3個緯度區(qū)的侵蝕溝的數(shù)量、長度和面積Fig.1 Gully numbers,lengths and areas in three latitude regions in three historical periods

表觀侵蝕溝面積50 a 來總體減少（圖1c）（但嫩江增加），減少主要發(fā)生在1970—2011 年時期，而2011—2021 期間又開始增加。注意到侵蝕溝面積變化趨勢與長度變化趨勢不完全一致，其原因是治理的多是規(guī)模大的侵蝕溝，新增的小規(guī)模侵蝕溝長度較長但面積并不大。表3 所示的不同歷史時期侵蝕溝的平均寬度可以佐證，2021 年的侵蝕溝寬度明顯小于1970 年的寬度，說明寬大的侵蝕溝得到了治理；同時看到，2021 年的侵蝕溝寬度較2011 年要大，說明老溝仍處在溝岸擴張的活躍期。

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表3 1970—2021 年3個歷史時期9個農(nóng)田單元的侵蝕溝的平均寬度Table 3 The average width of gully at nine farmland units in three periods during 1970-2021 m

剔除人為治理面積之后，50 a 來因侵蝕溝發(fā)育而實際損毀耕地的面積一直在增加（圖1c）。近10 年新增損毀耕地的面積（3.04 km2）大于更早的40 a 的損毀面積（1.52 km2），年均損毀耕地的速度為0.10%（占研究單元內(nèi)國土面積百分比），是過去40 a 平均值（0.01%）的10 倍。3個緯度區(qū)，近10 年損毀耕地面積速度基本接近（0.082%～0.107%）。同一緯度區(qū)，巴彥和海倫損毀耕地更快的是大坡度農(nóng)田單元，而北部的嫩江是小坡度農(nóng)田單元，這種差異與開墾歷史和侵蝕溝發(fā)育階段不同有關。巴彥和海倫的侵蝕溝起始發(fā)育早于嫩江，侵蝕溝發(fā)育強度和發(fā)育規(guī)模更大，出現(xiàn)了較多大坡度的坡面溝。而北部的嫩江地區(qū)侵蝕溝發(fā)育時間較短，大部分為小坡度的谷底溝。

2.3 侵蝕溝起始發(fā)育年代

以1970—2011 年間實際增加新侵蝕溝數(shù)量規(guī)模估算了3個緯度區(qū)的侵蝕溝起始發(fā)育年代，同時用文獻提供的數(shù)據(jù)按照式（1）估算了典型黑土其他區(qū)域的侵蝕溝起始年代，一并列入表4。

表4 根據(jù)典型黑土區(qū)侵蝕溝不同指標估算的起始發(fā)育年份Table 4 Initial year of development estimated from different indicators of gully in typical black soil region

可以看到（表4），從南往北，巴彥、海倫、嫩江侵蝕溝起始年代分別是1848、1942 和1957 年。其中巴彥可能因為黑土開墾利用早，侵蝕溝發(fā)育更早，人為影響更大（侵蝕溝治理規(guī)模比其他地方更大，低估了實際發(fā)育速度），估算的年份不合理（因此采用松嫩平原侵蝕溝數(shù)量計算的1921 年），其余兩地的起始年代與表4 中文獻采用數(shù)量、長度、面積估算的結果接近，有一定的參考價值，表明用數(shù)量規(guī)模估算區(qū)域侵蝕溝起始年代是可行的。

2.4 侵蝕溝溝系發(fā)育形態(tài)

單條侵蝕溝的發(fā)育一般按細溝、淺溝、切溝的順序逐漸變大，形態(tài)特征和損毀耕地的方式也發(fā)生變化，而區(qū)域內(nèi)的多條侵蝕溝構成的溝系形態(tài)變化更能反映區(qū)域侵蝕溝發(fā)育特征。3個緯度區(qū)侵蝕溝起始發(fā)育時期和所處階段不同，其發(fā)育和損毀耕地的特點有差異。選取各區(qū)域發(fā)育完整的侵蝕溝溝系來代表該區(qū)域的侵蝕溝發(fā)育特征，圖2 是代表性侵蝕溝系在3個歷史時期的平面輪廓，表現(xiàn)出以下特征：1）3個緯度區(qū)侵蝕溝的形態(tài)差異大。南部的巴彥侵蝕溝發(fā)育最早，而北部的嫩江發(fā)育最晚，從北往南侵蝕溝變大，溝系更復雜（支溝增多），3個地區(qū)的侵蝕溝處在不同的發(fā)育階段。2）50 a 來3個緯度區(qū)都沒有發(fā)育新的谷底溝，而坡面溝數(shù)量和長度發(fā)育速度非?？?。嫩江在1970—2011 年期間，谷底溝明顯溯源延長，而近10 年則發(fā)育了更多的新的坡面溝（圖2a）；海倫和巴彥的谷底溝不再溯源侵蝕（沒有延長），其中海倫發(fā)育了較多的新的坡面溝（圖2b），表明侵蝕溝發(fā)育熱點區(qū)已經(jīng)從谷底上升到海拔更高的漫崗。3）次生溝發(fā)育。1970 年之前發(fā)育的大規(guī)模谷底溝多得到了治理（主要方式為填埋），溝道消失或者縮?。▓D2b 和圖2c），但是近10 年，海倫和巴彥經(jīng)過治理的侵蝕溝在原來的位置再次發(fā)育侵蝕溝（稱為次生溝）。次生溝的發(fā)育表明，已有的侵蝕溝治理措施并沒有從根本上阻控侵蝕溝發(fā)育，侵蝕溝發(fā)育的條件依然存在。

圖2 典型侵蝕溝系在3個歷史時期的形態(tài)特征（溝緣輪廓）Fig.2 Morphology (edge outline) of the typical gully system in three historical times

3 討論

3.1 侵蝕溝損毀耕地的速度與方式

以侵蝕溝面積占研究單元內(nèi)的國土面積百分比為侵蝕溝損毀耕地指標，2010—2021 年典型黑土區(qū)損毀耕地的速度為年均0.1%，是1970—2010 年平均值的10 倍。閆業(yè)超等[8]利用衛(wèi)星遙感得到黑龍江省典型黑土的克拜東部地區(qū)1965—2005 年期間侵蝕溝面積增加13.93 km2，損毀國土面積年均0.019%（根據(jù)其論文數(shù)據(jù)重新計算），該值落在本研究結果區(qū)間0.01%～0.10%內(nèi)；張延玲等[19]用相同的方法得到黑龍江省烏裕爾河和訥謨爾河流域1965—2005 年期間新增侵蝕溝面積85.28 km2，年均損毀國土面積0.006%（根據(jù)其論文數(shù)據(jù)重新計算），低于本研究區(qū)間的下限。雖然研究區(qū)域和時段不同侵蝕溝損毀耕地速度不同，但是速度估算方法差異是造成結果差異的主要原因，文獻的結果偏小可能是因為沒有考慮侵蝕溝因治理而消失或面積縮小，得到的是侵蝕溝表觀發(fā)育速度而不是侵蝕溝實際發(fā)育速度。黑土區(qū)侵蝕溝治理從20 世紀70 年代開始[4]，2005 年前后國家啟動了黑土區(qū)水土流失綜合治理試點工程，這是本研究1970—2011 年期間侵蝕溝面積下降的原因。因此，直接以前后2個時間點侵蝕溝面積差值來計算侵蝕溝損毀速率，會低估侵蝕溝實際發(fā)育速度。此外，本研究單元主要為農(nóng)田，選用經(jīng)過篩選的衛(wèi)星影像，解譯了長度大于5 m 的全部可以識別的侵蝕溝（本次實際測量的最短的侵蝕溝長度為23 m），這比以往文獻中針對整個區(qū)域不區(qū)分林地和山地的大面積測量更加精細，通過區(qū)分消失的和新增的侵蝕溝，能夠準確反映侵蝕溝發(fā)育的時空動態(tài)特征。

侵蝕溝發(fā)育和損毀耕地表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。在3個緯度帶區(qū)域尺度上，從北往南單個侵蝕溝系規(guī)模更大（圖2），南部區(qū)域的侵蝕溝發(fā)育更早，因治理而消失的侵蝕溝面積也更大；但新發(fā)育侵蝕溝數(shù)量卻是北部大于南部，表明北部侵蝕溝加速發(fā)育的趨勢危險更大，這與王文娟等[11]報道的黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育重心向西北方向移動的結果一致。這種區(qū)域差異的原因，既與不同緯度區(qū)域侵蝕溝發(fā)育的條件有關（如氣候、地形、人為），也與侵蝕溝所處發(fā)育階段和存量面積有關。在同一緯度帶區(qū)域，坡度3%的單元內(nèi)侵蝕溝數(shù)量顯著大于坡度1%和2%的單元，而后二者相差較?。▓D1），這種坡度差異造成的侵蝕溝發(fā)育的差異格局在50 a 依然維持不變。

黑土區(qū)侵蝕溝處在快速發(fā)育期，并且表現(xiàn)出多樣化的損毀耕地的態(tài)勢。既有侵蝕溝因治理而消失，也有已經(jīng)治理的侵蝕溝再次發(fā)育次生溝；既有老侵蝕溝繼續(xù)發(fā)育，也有新侵蝕溝涌現(xiàn)。任憲平等[25]也報道黑龍江克山幾個農(nóng)田小流域在2004 和2008 年治理5 a 之后就再次出現(xiàn)了侵蝕溝，等同于本文的次生侵蝕溝。次生溝發(fā)育速度快是南部巴彥和中部海倫侵蝕溝發(fā)育的特征，而北部嫩江新侵蝕溝發(fā)育速度快。新侵蝕溝均為坡面溝而沒有谷底溝，但北部的嫩江谷底溝仍在溯源侵蝕，而南部巴彥和中部海倫已經(jīng)完成了谷底溝溯源侵蝕階段。侵蝕溝多樣化發(fā)育是當前典型黑土區(qū)侵蝕溝損毀耕地的重要特征。

3.2 典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育歷史

當前侵蝕溝多樣化的發(fā)展態(tài)勢實際上是不同區(qū)域起始發(fā)育年代不同的反映。黑土區(qū)侵蝕溝主要起始發(fā)育年代一直有爭議，究竟是清末放墾時期、民國時期、偽滿時期還是新中國大規(guī)模開墾以后，目前沒有定論，有人認為當前侵蝕溝絕大多數(shù)發(fā)育形成于 20 世紀五六十年代[4,15]，有人認為更早一些[8]。閆業(yè)超等[26]利用黑龍江省中部黑土區(qū)的1945 年航測地形圖繪制的侵蝕溝分布圖表明，拜泉縣和明水縣（與海倫同一緯度帶）在1945 年就已經(jīng)有大面積高密度的侵蝕溝分布。水利部1950 年松嫩平原調(diào)查有侵蝕溝5.272 1 萬條[24]。這些結果表明，雖然1950s 中期是黑土區(qū)大規(guī)模開墾的起始時間，但典型黑土區(qū)侵蝕溝起始發(fā)育時間早于這一時期。

WEN等[15]通過對海倫光榮村1968 年和2018 年的4 條侵蝕溝的詳細考證，根據(jù)溝口沉積物層次特性判斷沉積年份，綜合得出其起始發(fā)育時間是20 世紀五六十年代。本文注意到作者選擇的這4 條溝在該研究區(qū)規(guī)模較小，其他一些更大的侵蝕溝發(fā)育年代更早，因此可以推斷海倫侵蝕溝起始發(fā)育時間早于20 世紀五六十年代。

3個緯度帶區(qū)的侵蝕溝當前所處的發(fā)育階段和溝系形態(tài)不同（圖2），反映其起始發(fā)育年代也不一樣，北部嫩江要晚于中部的海倫和南部的巴彥（表4）。自1861 年清政府弛禁放懇后，最早的墾荒從南部開始。巴彥縣在1862 年招墾，1954 年就開始使用拖拉機（巴彥縣志）；而海倫縣晚一些，1898 年開禁，1955 年建農(nóng)場大規(guī)模開墾（海倫農(nóng)場志，海倫縣志）；嫩江則更晚，1931 年日本開拓團開墾，1955 年建立農(nóng)場大規(guī)模開墾（嫩江農(nóng)場史）?？梢姴煌瑓^(qū)域開墾時間前后相差70 a，如果以巴彥作為松嫩平原侵蝕溝最早發(fā)育地區(qū)之一，則從表4 結果可以基本確定巴彥、海倫和嫩江起始發(fā)育時間分別是1920s 早期、1940s 早期和1950s 晚期，這與其開墾時間先后順序一致。

3.3 典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育階段

侵蝕溝發(fā)育階段與起始發(fā)育年代有關。南部巴彥1970 年侵蝕溝平均寬度已經(jīng)超過20 m（表3），并且發(fā)育了規(guī)模巨大的侵蝕溝系（圖2），距1862 年開始招墾已經(jīng)過去了108 a；而北部的嫩江此時（1970 年）因為距開墾時間（1931 年）只有40 a，區(qū)域內(nèi)侵蝕溝基本為線型的谷底溝（沒有發(fā)育支溝），直到2021 年（距離開墾90 a）典型的侵蝕溝系規(guī)模還趕不上1970 年的巴彥的規(guī)模。中部的海倫侵蝕溝規(guī)模居中，發(fā)育階段居中。當前3個緯度區(qū)侵蝕溝發(fā)育階段與其開墾時間先后順序一致，但開墾時間并不是影響侵蝕溝發(fā)育階段的唯一因子，地形和人為作用對侵蝕溝發(fā)育階段有重要影響。

地形對侵蝕溝發(fā)育階段也有影響，典型黑土區(qū)的緩坡漫崗地形決定了谷底溝早于坡面溝發(fā)育，從而可以分區(qū)為谷底溝發(fā)育和溝系形成2個階段。漫崗區(qū)整體地形坡度小，自然條件下并不容易發(fā)育侵蝕溝，但在2個或多個漫崗坡（山坡）圍成的谷底區(qū)域，雖然坡度（S,m/m）也小但匯水面積（A,hm2）極大，根據(jù)侵蝕溝起始發(fā)育的地形閾值理論，即滿足AbS≥k可以發(fā)育溝頭[27](b和k為回歸系數(shù)，無量綱)，可以確定谷底最先發(fā)育侵蝕溝[27-28]。谷底溝出現(xiàn)之后，由初期的單條孤溝逐漸發(fā)育支溝而形成溝系。溝系的形成有2 種可能的方式，其一是幾條單獨的谷底溝延長而連接和匯合，其二是谷底溝出現(xiàn)后促進了其支溝發(fā)育。支溝即為谷底溝兩側漫崗的坡面溝，谷底溝出現(xiàn)促使坡面溝發(fā)育的機理可能是，谷底溝兩側坡面的徑流匯水從溝緣進入溝內(nèi)，雖然坡面A沒有變大，但S變大了（即谷底溝邊岸陡坡比原地面坡度大很多），就有可能達到了溝頭起始發(fā)育的地形閾值k從而在側面徑流匯入的部位發(fā)育支溝溝頭，一旦溝頭出現(xiàn)，溝頭溯源形成坡面侵蝕溝。當然，不排除有些條件下坡面溝可以獨立發(fā)育，例如高強度耕作促進坡耕地淺溝發(fā)育，一些淺溝會進一步發(fā)育為坡面溝，然后匯入谷底溝形成溝系。基于坡面溝和谷底溝的這種關系，黑土區(qū)侵蝕溝可以區(qū)分為2個關鍵發(fā)育階段，第一階段為谷底溝發(fā)育，即起始發(fā)育階段，谷底溝率先發(fā)育和發(fā)展為坡面溝出現(xiàn)創(chuàng)造了局部地形條件；第二階段為溝系形成，即谷底溝兩側發(fā)育坡面溝，與谷底溝一起形成溝系。

人類活動也影響侵蝕溝發(fā)育階段，人與自然共同作用下侵蝕溝發(fā)育呈現(xiàn)多樣化的特點。溝系形成之后，侵蝕溝將不斷加深變寬，一方面谷底溝峰值徑流增加，另一方面重力在坡面溝發(fā)育中的作用越來越大，導致溝壁崩塌和溝頭溯源，可能使黑土區(qū)成為類似溝壑密布的黃土高原，但黑土區(qū)因為墾殖和侵蝕溝發(fā)育時間短，當前并沒有成為第二個黃土高原。在人為正反兩方面影響下，一邊治理而阻止侵蝕溝發(fā)育，一邊高強度耕種加快坡面溝發(fā)育并導致耕地中淺溝涌現(xiàn)，這些淺溝可能發(fā)育為坡面溝。同時，沒有治理的老溝也繼續(xù)發(fā)育，已經(jīng)治理的侵蝕溝再次發(fā)育次生溝，這些次生溝發(fā)育速度比原生溝發(fā)育速度更快。這是典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育的第三階段，即多樣化發(fā)育階段，是人與自然共同作用下侵蝕溝特殊的發(fā)育階段，其表現(xiàn)特征是老溝繼續(xù)發(fā)育、次生溝發(fā)育、耕地淺溝涌現(xiàn)、新坡面溝出現(xiàn)。

至此，可以初步勾繪典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育的歷史與階段（圖3）。在區(qū)域自然條件和開墾歷時長短共同影響下，南部巴彥侵蝕溝起始發(fā)育于1920s，經(jīng)過了第一階段（谷底溝發(fā)育）和第二階段（溝系形成），2005年前后進入第三階段（多樣化發(fā)育）。北部的嫩江侵蝕溝起始于1950s 末期，完成了第一階段，直至2021 年尚沒有完成第二階段，但在人為耕種影響下淺溝大量涌現(xiàn)并進一步發(fā)育為新坡面溝，溝系正在加快形成。中部的海倫侵蝕溝發(fā)育階段則處在二者之間但更接近南部的巴彥，也處在第三階段。當前侵蝕溝發(fā)育處在一個關鍵的轉折期或十字路口，人為治理延緩侵蝕溝發(fā)育以及人為加速侵蝕溝發(fā)育正在開展一場拉鋸戰(zhàn)，二者較量的結果，決定典型黑土區(qū)侵蝕溝未來的發(fā)育走勢。

圖3 嫩江和巴彥典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育的歷史階段與對應的溝系平面特征示意圖Fig.3 The historical stages and the corresponding sketches of the gully systems in typical black soil regions of Nenjiang and Bayan

4 結論

在典型黑土區(qū)3個緯度帶的9個農(nóng)田小流域單元，采用3個歷史時期的衛(wèi)星影像通過人機交互解譯和測量了侵蝕溝的形態(tài)變化，定量分析了侵蝕溝發(fā)育和損毀耕地的速度，初步勾繪了典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育歷史與階段的輪廓，得到以下主要結論：

1）50 a 來研究區(qū)侵蝕溝數(shù)量實際增加了958 條新溝，呈加速發(fā)育趨勢。侵蝕溝損毀耕地面積呈現(xiàn)1970—2011年降低而2011—2021 年再增加的V 型走勢，但剔除人為治理而減少的侵蝕溝面積之后，侵蝕溝自身發(fā)育而損毀耕地面積一直在擴大，其中近10 年侵蝕溝實際年均損毀了研究區(qū)內(nèi)國土面積0.10%，是更早的40 a（1970—2010 年）間的10 倍。

2）3個緯度區(qū)的侵蝕溝所處發(fā)育階段不同導致侵蝕溝數(shù)量、長度和面積增長特征有差異。侵蝕溝數(shù)量和長度發(fā)育速度快于面積增長速度，北部的嫩江表現(xiàn)得更明顯，表明侵蝕溝仍然處于發(fā)育早期。同一緯度區(qū)內(nèi)坡度大的農(nóng)田單元侵蝕溝發(fā)育速度大于坡度小的農(nóng)田單元，這種差異格局50 a 沒有發(fā)生改變。

3）從南往北，巴彥、海倫和嫩江侵蝕溝起始發(fā)育時間分別是1920s 早期、1940s 早期和1950s 晚期，與開墾時間先后順序一致。北部的嫩江侵蝕溝已經(jīng)完成了第一階段（谷底溝發(fā)育），當前處在第二階段（溝系形成），南部的巴彥和中部的海倫則已經(jīng)完成了第一和第二階段，當前處在第三階段（多樣化發(fā)育）。侵蝕溝多樣化發(fā)育表現(xiàn)為淺溝大量涌現(xiàn)和新坡面溝出現(xiàn)，老的侵蝕溝繼續(xù)發(fā)育，已經(jīng)治理的侵蝕溝再次發(fā)育為次生溝。