東北典型黑土區侵蝕溝形態及分布特征

姜 蕓，王 軍，張 莉

（1. 東北農業大學公共管理與法學院，哈爾濱 150030；2. 自然資源部第二地理信息制圖院，哈爾濱 150080）

0 引 言

黑土是珍貴的土壤資源，全球四大黑土區在開墾過程中均發生了嚴重的水土流失問題。東北黑土區是中國的糧食主產區和商品糧生產基地。但長期以來掠奪式的開墾方式，對土壤結構造成破壞，加速有機質礦化，水土流失面積不斷擴大，導致黑土資源退化，對國家糧食安全造成威脅，給地區生態安全及經濟發展帶來不利影響[1]。

根據第一次全國水利普查水土保持情況，東北黑土區侵蝕溝共計295 663 條，其中黑龍江省為115 535 條，占黑土區侵蝕溝數的39.08%[2]?？梢?，溝道侵蝕是東北黑土區水土流失的重要原因，其中又以黑龍江省的溝道侵蝕最為劇烈。目前，遙感與GIS 技術已成為溝道侵蝕的常見研究手段。蒲羅曼等[3]以吉林省長春市境內九臺沐石河流域為研究區，利用不同分辨率的遙感影像進行侵蝕溝提取，認為資源三號與高分一號衛星影像適用于提取沖溝和切溝數量、長度、寬度信息。西北黃土高原區侵蝕溝普查則是以2.5 m 分辨率遙感影像、1∶5萬DEM 圖為主要信息源，提取侵蝕溝的長度、面積、類型和縱比降及其地理空間位置等特征信息[4]?，F有研究多以衛星遙感影像為數據源提取侵蝕溝信息，受影像空間分辨率的影響，難以區分溝寬在0.5 m 以下的細溝、淺溝。而細溝、淺溝作為侵蝕溝的初級發育階段，加強其水土保持工作，往往可以起到事倍功半的作用[5-8]。此外，國內外學者研究認為坡度和匯水面積是侵蝕溝產生的主要地形控制因素，Patton 等[9]提出侵蝕溝產生的地形臨界閾值的概念，為侵蝕溝產生的預測提供了物理基礎。侵蝕溝坡度與上游匯水面積呈指數關系，現實坡度一旦超過預測坡度，則認為該坡面存在發生溝道侵蝕的風險。此后，國內外學者通過對侵蝕溝發育的地形條件的研究，提出了不同環境下侵蝕溝發生的地形閾值。李浩、鄭粉莉等[10-11]總結了溝蝕發生地貌臨界理論的發展過程及國內外最新研究成果，指出東北黑土區應用溝蝕發生臨界理論開展了定位研究還較少，淺溝和切溝的相對剪切力指數值近似（0.141 與0.148），臨界常數值有一定差異（0.072 與0.052）。

本研究以黑土典型區嫩江縣為研究區域，利用高分辨率航空遙感影像（空間分辨率為0.2 m）及高精度1∶5萬DEM 數據源提取區域內侵蝕溝的中心線和范圍面，計算溝寬、溝長、縱比降等形態參數值，分析侵蝕溝形態特征，探討不同坡向、坡度與耕地情況對侵蝕溝分布的影響，采用S-A 模型計算侵蝕溝產生的臨界坡度，探討東北黑土區侵蝕溝產生的臨界地形條件，為黑土區侵蝕溝的治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域及數據來源

嫩江縣（48.94°～49.06°N，125.23°～125.37°E）位于黑龍省西北部，嫩江流域上游，區域內地貌以丘陵為主，西鄰嫩江，南連松嫩平原，北部有少量山區地貌，在地勢上由東北向西南體現出低山向平原過渡的特點?？h域耕地面積約8 000 hm2，耕地面積及農作物產量均居前列。嫩江縣土壤以黑土居多，主要分布在小興安嶺山前丘陵漫崗區，屬于典型的東北黑土區。嫩江縣氣候屬寒溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫在0.8～1.4 ℃，冬季嚴寒，最低氣溫為-47.3 ℃，凍土層厚度可達1～3 m，多年平均降水量為480～512 mm，主導風向為北風、南風[12]，研究區示意圖如圖1 所示。

本次研究主要數據來源：嫩江縣2016 年數字航空影像，地面分辨率為0.2 m，用于提取侵蝕溝的中心線和范圍面；嫩江縣1∶5 萬數字高程模型（DEM），用于獲取坡度、坡向柵格數據，計算縱比降和上游匯水面積；全國第二次土地利用調查成果，用于獲取侵蝕溝周邊土地利用情況。

圖1 研究區示意圖 Fig.1 Schematic diagram of study area

1.2 溝道侵蝕分類

侵蝕溝的形態復雜，變化多樣，在不同的發育階段體現出不同的形態特征[13]，因此，溝道分類是研究其發育規律的基礎。目前，國內外對侵蝕溝發育階段的劃分相對統一，對細溝、淺溝、切溝的定義也基本一致，但具體量化指標卻不盡相同。本文參考黃土高原區侵蝕溝的研究成果[14-17]，結合東北黑土區地形、土壤及耕作特點，根據溝谷的發育階段、規模、縱剖面的形態特征和出現的先后序列[18]，將溝谷分為4 種類型：細溝、淺溝、切溝、沖溝。細溝是薄層水流因地表凹凸形成小股水流，對地表土壤產生沖刷發育而成，能通過耕作消除的小侵蝕溝。淺溝是指坡面上能被耕作工具橫跨但不能被完全消除的侵蝕溝，無明顯溝緣，耕作平齊后可能在下一次的土壤侵蝕中原地再次發育。切溝是耕作工具無法橫跨的侵蝕溝，多呈跌水狀，一般切破犁底層，溝槽橫剖面呈寬展“V”或“U”字形。沖溝屬于坡面侵蝕溝與溝谷的過渡形態，溝頭一般發育在較大的坡面上，溝尾切入谷地，進一步發育可形成河溝，隨流量和坡度的增加而增大[19]。因各地區侵蝕溝的發育特點、地質地貌特征和土壤形成過程、耕作特點的差異[20-21]，關于細溝、淺溝、切溝、沖溝劃分的切割寬度、切割深度目前尚未有統一標準，本文將溝寬小于0.5 m 的溝道劃分為細溝，溝寬為0.5～1.0 m 的溝道劃分為淺溝，將溝寬為1.0～5.0 m 的溝道劃分為切溝[22]，溝寬超過5.0 m 的溝道為沖溝。細溝、淺溝和切溝的主要特點如表1 所示。

表1 細溝、淺溝、切溝和沖溝的主要特點 Table 1 Major characteristics of rill, ephemeral gully, gully and modern incised valley

1.3 研究方法

本文以分辨率為0.2 m 的數字航空影像為基礎，利用數字高程模型對影像進行糾正，并進行勻光勻色、鑲嵌、裁切等處理，制作成數字正射影像，通過人工目視解譯，提取侵蝕溝的中心線及范圍面，平均絕對誤差控制在2個像元內。并結合2017 年外業實地調查對侵蝕溝矢量數據進行驗證和修改，侵蝕溝矢量數據數據更新至2017 年，如圖1 所示。

基于ArcGIS 軟件，以1∶5 萬DEM 為數據源，提取侵蝕溝的起點高程和終點高程，以高差與溝道長度的比值作為縱比降[23-24]；利用表面分析工具得到研究區域的坡度、坡向柵格數據，在侵蝕溝類型劃分的基礎上，提取沖溝的溝頭坡度；利用水文分析，以沖溝起點為出水口提取沖溝上游匯水面積[25-27]。

2 結果與分析

2.1 侵蝕溝統計結果

根據普查結果，嫩江縣侵蝕溝的總數量為38 426 條，侵蝕溝總面積為16 277 095 m2，如表2 所示。

2.1.1 溝道類型統計結果

按溝道類型對普查成果進行統計，細溝、淺溝、切溝、沖溝的溝道數量分別為1 247、5 130、28 626 、3 423 條，分別占普查對象總數量的3.25%、13.35%、74.50%、8.91%；細溝、淺溝、切溝、沖溝的溝道面積分別為22 418、264 963、8 310 128、7 679 587 m2，分別占普查對象總數量的 0.14%、1.63%、51.05%、47.18%?？梢?，嫩江縣境內侵蝕溝類型以切溝為主，沖溝雖然數量較少，但其影響面積較大，僅次于切溝侵蝕。

2.1.2 不同地形區侵蝕溝統計結果

利用嫩江縣DEM 數據，根據海拔將嫩江縣地形劃分為山地區和丘陵區。海拔500 m 以上的地區為山地區，海拔在200 至500 m 之間為丘陵區。分類結果表明，嫩江縣以丘陵區為主，丘陵區面積占比為91.73%，山地區面積占比僅為8.27%。山地區侵蝕溝共445 條（占侵蝕溝總數量的1.16%），丘陵區為37 981 條（占侵蝕溝總數量的98.84%）；山地區侵蝕溝面積52 247 m2（占侵蝕溝總面積的0.32%）；丘陵區為16 224 849 m2（占侵蝕溝總面積的99.68%）?？梢?，嫩江縣侵蝕溝主要分布在丘陵區。主要因為耕地多分布在丘陵區，地表受人類活動影響較大，而山地區主要為林地，僅有少量耕地分布在林緣地區，受人類活動影響相對較小。如圖 2 所示。

表2 溝道類型分類統計結果 Table 2 Statistical results of erosion gully classification

圖2 侵蝕溝區域分布圖 Fig.2 Regional distribution of erosion gully

圖3 侵蝕溝坡度分布圖 Fig.3 Slope distribution of erosion gully

2.1.3 溝道長度統計結果

考慮到東北黑土區的耕作特點，耕地地塊較大，機耕作業較為普遍，認為長度在500 m 以內的侵蝕溝主要由 耕地開墾形成的，在改進耕作方式，采取適當的土地整治措施的同時，加強水土保持管理，可以在耕作過程中恢復；長度在500～1 000 m 間的溝道難以自行恢復，需要采取特定的水土流失治理措施進行恢復，否則可能會在耕作過程中原地反復發生土壤侵蝕；而長度大于1 000 m 的侵蝕溝可能需要采取多種水土保持措施而非單一的水土保持措施進行恢復。因此，按照侵蝕溝長度進行統計（見表3 所示），小于500 m 的侵蝕溝共37 147 條，溝道面積10 089 524 m2；500～1 000 m 的侵蝕溝共996 條，溝道面積3 188 854 m2；大于1 000 m 的侵蝕溝共283 條，溝道面積2 998 717 m2，如表3 所示。嫩江縣以小于500 m 的侵蝕溝為主，溝道條數占普查對象總數量的96.67%，面積占普查對象總面積的61.99%；500～1 000 m 的侵蝕溝次之，溝道條數占普查對象總數量的2.59%，面積占普查對象總面積的19.59%；大于1 000 m 的侵蝕溝最少，溝道條數占普查對象總數量的0.74%，面積占普查對象總面積的18.42%?？梢?，嫩江縣侵蝕溝長度主要在500 m 以內，主要通過改進耕作方式，采取適當的土地整治措施，并加強水土保持管理等途徑開展水土保持工作。

表3 溝道長度統計結果 Table 3 Statistical results of gully length

2.2 侵蝕溝形態特征分析

2.2.1 侵蝕溝的溝寬、溝長、縱比降

本次研究按照溝寬將侵蝕溝劃分為細溝、淺溝、切溝、沖溝4 個類型。為檢驗類型劃分的正確性，利用SPSS17.0 統計軟件對不同類型侵蝕溝的寬度、長度、縱比降進行了方差分析，比較不同類型侵蝕溝的寬度、長度、縱比降是否存在差異，結果見表4。方差齊性的檢驗表明，不同類型侵蝕溝的溝寬、溝長、縱比降的方差存在顯著差異。在此基礎上，進行兩兩比較，采用Tamhane’s T2 和Dunnett T3 檢驗，結果表明，細溝、淺溝、切溝、沖溝4 個類型侵蝕溝的溝寬、溝長、縱比降存在顯著差異[28]。由此可見溝道類型的劃分在統計學上具有合理性。

進一步通過均值和標準差分析[29]溝寬、溝長和縱比降的變化趨勢[30]，結果見表5?？梢钥闯?，不同類型侵蝕溝的溝寬變異程度較小，而溝長和縱比降變異程度較大。但從趨勢上分析，隨著侵蝕溝的發育，溝寬和溝長不斷增加，而縱比降則不斷變緩?？v比降隨侵蝕溝發育變緩，與嫩江縣地形有關，嫩江縣地形高差起伏變化較小，隨著溝道發育，溝寬溝長不斷外擴，因此，縱比降逐漸變緩。這與溝道發育過程中的形態變化特征也基本一致，溝道由細溝發育到沖溝，逐漸趨于穩定，地表物質經過沖刷、搬運、淤積，縱比降逐漸趨緩。

表4 方差齊性檢驗 Table 4 Homogeneity test of variance

表5 溝寬、溝長、縱比降均值與標準差 Table 5 Mean and standard deviation of gully width, gully length, longitudinal slope

進一步進行溝寬、溝長和縱比降的相關性分析表明，溝寬和溝長存在顯著正相關，相關性較弱，相關系數為0.304，縱比降與溝寬、溝長存在顯著負相關，相關性較弱，相關系數為-0.200，-0.167，如表6 所示。由此可見，侵蝕溝的形態特征溝長、溝寬、縱比降之間存在一定的相關性，但彼此影響較小。

表6 溝寬、溝長、縱比降相關性分析 Table 6 Correlation analysis of gully width, gully length and longitudinal slope

2.2.2 坡向、坡度與土地利用情況對侵蝕溝分布的作用

通過DEM 分析提取侵蝕溝所在坡面的坡向、坡度，分析不同類型的侵蝕溝受坡向、坡度的影響，如表7 所示。結果表明，侵蝕溝主要分布在東向、南向、西向的坡面上，北向坡面分布相對較少，且不同類型的侵蝕溝在坡向分布上差異不明顯?？傮w上，坡向對各類型侵蝕溝的分布影響較小。

按照0～2°、2～6°、6～15°、15～25°、＞25°進行坡度分級，嫩江縣對應的土地面積占比分別為41.41%、43.89%、12.73%、1.68%、0.29%，即嫩江縣土地坡度以0～6°為主。對侵蝕溝所在坡面的坡度分析結果表明，侵蝕溝在平緩的坡面上也有分布。細溝和淺溝主要分布在2～6°和6～15°的坡面上，而切溝和沖溝則主要分布在0～2°、2～6°的坡面上，如表8 所示?？梢?，坡面坡度對侵蝕溝的分布有一定的影響[31]，侵蝕溝初期發生在傾斜坡面上，在溝道發育的過程中逐漸向四周平緩地區侵蝕延伸，至地表情況小于侵蝕發生的必要條件時達到穩定。

表7 不同坡向侵蝕溝分布情況 Table 7 The distribution of erosion gully on different aspects

表8 不同坡度侵蝕溝分布情況 Table 8 Distribution of erosion gully on different slopes

結合嫩江縣土地利用數據庫（2017 年），分析侵蝕溝周邊土地利用類型[32]。結果表明，有32 676 條侵蝕溝位于耕地范圍內，占侵蝕溝總數量的85.04%。其中，90%以上的細溝和淺溝發生在耕地上，80%以上的切溝、沖溝發生在耕地上。具體見表9?？梢?，嫩江縣侵蝕溝的產生主要是耕地開墾不合理造成[33]。

表9 耕地上侵蝕溝情況 Table 9 Statistical results of erosion gully on cultivated land

2.3 侵蝕溝地形閾值

侵蝕溝地形閾值來源于地貌臨界理論。侵蝕溝的發生發育主要由坡面的水文動力過程控制，而地形地貌特征則是地表徑流過程的主要影響因素，由此提出利用溝頭坡度和溝頭上方匯水面積建立侵蝕溝產生的地形臨界關系。

本文采用S-A 模型計算侵蝕溝產生的臨界坡度。該模型由Begin 和Schumm 在1979 年提出[34]，模型利用流域面積與流量和水力半徑的經驗關系對水力學經典公式進行改進，以流域面積和坡度表征坡面底部的不穩定性。

式中：S 為溝頭地面坡降，以坡度的正切值表示；A 為溝頭上游匯水面積， hm2；a、b 為無量綱值，分別表示相對面積指數和相對剪切力指標。通常認為坡面坡度大于臨界坡度時將發生溝道侵蝕。

侵蝕溝地形閾值S-A 模型的應用有主要兩種，一是利用數據的下限值得到最低限直線，用于定義侵蝕溝發育的下限，進行溝蝕的預測；二是通過數據的回歸擬合得到平均地形閾值，進行主導溝蝕過程的分析。本文利用遙感影像采集的侵蝕溝數據及1∶5 萬DEM 數據獲取沖溝溝頭坡降及上游匯水面積，采用SPSS17.0 對數據進行冪指數函數的擬合及優化，得到嫩江縣沖溝地形閾值S-A公式（如圖4 所示）：S=0.032A-0.119。

圖4 沖溝的地形閾值關系圖 Fig.4 Topographical threshold conditions for modern incised valley

擬合方程的R2為0.082，表明數據擬合的精度較低，但與國內外學者的相關研究的擬合精度基本一致。Morgan 等[35]對非洲的相關研究，最高的R2值為0.347 7，而最低的R2值為0.071 8?？紤]到本文用于模型擬合的數據量較大，且本文主要利用S-A 模型進行主導溝蝕過程分析，即利用a、b 的取值分析溝蝕產生的主要因素，因此，認為本文獲取的公式可用。

S-A 模型中，a 值主要反映臨界坡度的大小程度，而b 值則主要反映主導的徑流過程。本文中a 值較小，表明嫩江縣沖溝發生的臨界坡度較小，該現象與東北黑土區地形地貌特點一致，嫩江縣主要為較平緩的丘陵漫崗，坡長較長，匯水面積較大，較小的坡度就能對坡面形成沖刷，出現沖溝的發生發育。國外有學者研究認為b 值在0.2～0.3 之間代表溝蝕是由坡面徑流沖刷造成的，b 值小于0.2 則表明溝蝕是由地下過程和滑坡等造成[36]。本文中b 值較小，表示嫩江縣沖溝的產生受到了地下過程的影響。這一現象可能與嫩江縣的氣候特點有關。嫩江縣地處小興安嶺西麓，多年平均氣溫在0.8～-1.4℃，冬季嚴寒漫長，最低氣溫為-47.3～-43.7 ℃，地表冬季多被積雪覆蓋，到春季氣溫回升，凍土層逐漸融化，土壤疏松，地表土壤在凍融過程中受到破壞，加上雪水融化的徑流過程造成沖溝的發生發育，即嫩江縣沖溝的形成可能與凍融過程有關。

3 結 論

1）根據普查結果，嫩江縣侵蝕溝的總數量為38 426條，侵蝕溝總面積為16 277 095 m2。其中，細溝、淺溝、切溝、沖溝的溝道數量分別占總數量的3.25%、13.35%、74.50%、8.91%，溝道面積分別占總面積的0.14%、1.63%、51.05%、47.18%，表明嫩江縣境內侵蝕溝類型以切溝為主，沖溝雖然數量較少，但其影響面積較大，僅次于切溝侵蝕。同時，根據地形分析，嫩江縣侵蝕溝主要分布在丘陵區；丘陵區小于500 m 的侵蝕溝共37 147 條，占總數量的96.67%。

2）通過侵蝕溝形態特征的分析，不同類型的侵蝕溝的溝寬、溝長和縱比降存在顯著性差異，表明侵蝕溝類型的劃分在統計學上具有合理性。同時，溝寬、溝長、縱比降存在一定程度的相關性，其中，溝寬與溝長為正相關關系，縱比降與溝寬、溝長為負相關關系。

3）對侵蝕溝所在坡面的坡向分析則表明，各類型侵蝕溝主要分布在東向、南向、西向的坡面上，北向坡面分布相對較少，且不同類型的侵蝕溝在坡向分布上差異不明顯?？傮w上，坡向對各類型侵蝕溝的分布影響較小。坡面坡度對侵蝕溝的分布有一定影響，細溝和淺溝主要分布在2～6°和6～15°的坡面上，而切溝和沖溝則主要分布在0～2°、2～6°的坡面上。對侵蝕溝周邊土地利用類型的分析表明，90%以上的細溝和淺溝發生在耕地上，80%以上的切溝、沖溝發生在耕地上，可見，嫩江縣侵蝕溝的產生主要是耕地開墾不合理造成的。

4）嫩江縣沖溝地形閾值模型擬合精度較低，但可用于主導溝蝕過程的分析，模型擬合表明嫩江縣沖溝發生的臨界坡度較小，較小的坡度就能對坡面形成沖刷，出現沖溝的發生發育，而模型中主導徑流過程的參數數值較小，表明嫩江縣沖溝的產生可能受到地下過程的影響。

綜上所述，利用高分辨率航空影像進行縣域范圍內的侵蝕溝普查和形態特征、地理分布特征研究具有明顯優勢，可以為縣域內水土流失的治理提供理論依據。