王念忠，沈波

(1.水利部松遼流域水土保持監(jiān)測中心站;2.水利部松遼水利委員會水土保持處：130021，長春)

東北黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)展?fàn)顩r及其對糧食安全的影響

王念忠1，沈波2

(1.水利部松遼流域水土保持監(jiān)測中心站;2.水利部松遼水利委員會水土保持處：130021，長春)

通過對東北黑土區(qū)典型流域1965和2005年各種類型侵蝕溝的數(shù)量、長度、密度、面積(主要為吞食耕地面積)和分布情況以及40年來侵蝕溝的時空變化特征等進(jìn)行分析，研究東北黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)展?fàn)顩r對糧食安全的影響。結(jié)果表明：1)從1965至2005年的40年，研究區(qū)侵蝕溝總面積增加85.27 km2，條數(shù)增加13 168條，總長度增加6 183.70 km，溝壑密度由1965年的0.034 km/km2變化為2005年的0.193 km/km2，侵蝕溝條數(shù)、面積和密度呈快速增加趨勢;2)40年間，耕地上的侵蝕溝面積增加81.83 km2，條數(shù)增加12 825條，長度增加5 981.23 km，溝壑密度增加0.271 km/km2，林地與其他用地上的侵蝕溝面積增加3.44 km2，條數(shù)增加343條，長度增加202.47 km，溝壑密度增加0.02 km/km2;3)典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)生在耕地上的比例極大，其中面積所占比例達(dá)96%，條數(shù)所占比例達(dá)97.4%，說明40年來侵蝕溝的發(fā)展主要在耕地上。研究結(jié)果對區(qū)域的糧食生產(chǎn)和國家的糧食安全具有重要意義。

侵蝕溝;遙感;監(jiān)測;糧食安全

黑土是大自然給予人類的得天獨厚的寶藏，是一種性狀好、肥力高、非常適合植物生長的土壤。東北黑土區(qū)主要分布在我國東北地區(qū)的松遼流域，面積103萬km2。黑土有機質(zhì)含量豐富，土地生產(chǎn)力高，東北黑土區(qū)是我國重要的商品糧基地之一，自古以來就有“谷物倉庫”之稱［1］。

由于特殊的氣候條件和地理環(huán)境，東北黑土區(qū)的水土流失形式多樣，不但有水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，還有凍融侵蝕和重力侵蝕。近代以來，由于人類不合理地開發(fā)利用黑土資源，加之東北地區(qū)獨特的自然條件，使得東北黑土區(qū)的水土流失已經(jīng)影響到了東北商品糧基地和區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

東北黑土區(qū)的地形特點為坡緩、坡長，一般坡度在15°以下，坡長一般500～2 000m，最長達(dá)4 000m。黑土土壤疏松，抗蝕能力弱［2］。由于降雨集中和長期以來人口增加導(dǎo)致的過度墾殖、超載放牧、亂砍亂伐等不合理的開發(fā)利用，使該區(qū)的水土流失日趨嚴(yán)重。根據(jù)在黑龍江省的克山、拜泉等縣的調(diào)查，黑土層每年平均剝蝕厚度達(dá)0.3～1.0 cm。而形成1 cm土壤在自然狀況下需要400年時間［3］。開墾60～70年的坡耕地黑土層已由原來的平均80～100 cm降到20～30 cm。據(jù)克山水土保持實驗站試驗觀測分析，3°坡耕地，每年流失氮磷180～240 kg/hm2，鉀360～480 kg/hm2，相當(dāng)于7 500～15 000 kg農(nóng)家肥的肥力。土壤肥力逐年下降，嚴(yán)重地影響了糧食產(chǎn)量。據(jù)調(diào)查分析，每年因水土流失影響而少收糧食375～600 kg/hm2。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所的模擬試驗顯示，人為去掉30 cm表土后，種植的大豆(Glycinemax)和玉米(Zeamays)基本絕產(chǎn)［4］。

為了快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地調(diào)查出典型黑土區(qū)侵蝕溝數(shù)量以及侵蝕溝吞食耕地面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析侵蝕溝發(fā)展變化的趨勢和原因，筆者選擇了典型黑土區(qū)中具有代表性的烏裕爾河、訥謨爾河流域作為侵蝕溝的詳細(xì)研究區(qū)，應(yīng)用遙感、監(jiān)測、實地調(diào)查等多種新技術(shù)，對侵蝕溝40年來發(fā)展的情況進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果評估整個典型黑土區(qū)侵蝕溝的發(fā)展?fàn)顩r，在此基礎(chǔ)上，估算侵蝕溝發(fā)育對東北黑土區(qū)糧食生產(chǎn)的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括烏裕爾河和諾漠爾河2個流域，研究區(qū)總面積3.88萬km2，其中烏裕爾河流域面積2.49萬km2，訥謨爾河流域面積1.39萬km2。位于小興安嶺西南麓、松嫩平原東北緣，是低山向平原的過渡地帶，呈東北高西南低狀態(tài)。海拔為150～500m，其中東北部海拔為200～500m，地勢起伏較大，屬丘陵區(qū)，西南部海拔為150～200m，地勢平坦，屬平原區(qū)。行政區(qū)北起五大連池市，南至杜蒙縣，東起北安市，西至泰來縣，屬東北漫川漫崗典型黑土區(qū)，黑土、黑鈣土是主要耕作土壤，本區(qū)是黑龍江省糧食主產(chǎn)區(qū)之一。

研究區(qū)坡度組成為：0～1.5°土地面積2.69萬km2，占研究區(qū)總土地面積的69.13%;1.5°～3.0°面積8 540.75 km2，占總面積 21.94%;3.0°～5.0°土地面積2 755.56 km2，占總面積7.08%;5.0°～8.0°土地面積618.16 km2，占總面積1.59%;8.0°～15.0°土地面積 99.70 km2，占總面積 0.26%;15.0°以上土地面積4.95 km2，占總面積0.01%。

研究區(qū)處于森林與草甸草原的交錯地帶，植被具有森林和草甸草原或草原化草甸相互交錯分布的特點，在植物區(qū)系上屬于蒙古植物分布區(qū)。區(qū)內(nèi)主要河流有烏裕爾河、訥謨爾河、雙陽河、老萊河和潤津河等。

研究區(qū)地處中高緯度、歐亞大陸東部，屬寒溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，寒暑變化明顯。四季氣候特點是：春季干旱多風(fēng)，夏季短促炎熱，降水集中，秋季低溫霜凍較早，降溫急劇，冬季漫長嚴(yán)寒。

研究區(qū)總面積3，89萬km2，土地利用結(jié)構(gòu)為：耕地 2.29萬 km2，林地 4 857.30 km2，荒草地3 788.92 km2，居民地 1 333.33 km2，水域 1 347.38 km2，未利用地 4 675.82 km2，分別占總面積的58.90%、12.48%、9.73%、3.42%、3.46% 和12.01%。

2 研究方法

2.1 侵蝕溝參數(shù)

1)侵蝕溝情況。1965和2005年各種類型侵蝕溝的數(shù)量、長度、密度、面積(主要為吞食耕地面積)和分布情況及40年來侵蝕溝的時空變化特征等。

2)土地利用情況。包括農(nóng)業(yè)用地(分為坡耕地與其他農(nóng)業(yè)用地)、林地(分為疏幼林地與其他林地)、草地、居民地、水域和未利用地等。

3)水土流失情況。包括不同單元微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕的面積與分布。

4)地形地貌情況。包括研究區(qū)坡度在0°～1.5°、1.5°～ 3.0°、3.0°～ 5.0°、5.0°～ 8.0°和大于8.0°范圍的面積和分布以及研究區(qū)的地貌特征。

5)其他情況。包括糧食產(chǎn)量、社會經(jīng)濟(jì)情況、侵蝕溝治理措施等。

2.2 監(jiān)測方法

目前，國內(nèi)侵蝕溝的分類分級體系還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。筆者主要考慮2.5m遙感影像的特點和便于監(jiān)測工作開展的原則，對溝長大于10m，溝寬大于2m，在目標(biāo)影像上可解譯的侵蝕溝進(jìn)行分類。

侵蝕溝分為發(fā)展溝和穩(wěn)定溝2類。其中發(fā)展溝又分為小型、中型、大型和特大型發(fā)展溝。

1)發(fā)展溝。小型發(fā)展溝通常在影像中顯示為模糊細(xì)條線，溝寬2～5m且溝長10～1 000m。此類侵蝕溝的溝寬只能用實地調(diào)查結(jié)合分析的方法估算平均溝寬，解譯階段不做溝寬和面積的調(diào)查。

中型發(fā)展溝主要分布在耕地中，溝寬2～5m且溝長＞1 000。潛在危險性大，是造成水土流失的重要類型溝之一。

大型發(fā)展溝的溝寬5～10m且溝長＞1 500m，是造成水土流失的主要溝類型。

特大型發(fā)展溝的溝寬10～30m且溝長＞2000m，此類型溝在本研究區(qū)數(shù)量較少，但仍然是遙感調(diào)查的重點。

2)穩(wěn)定溝。穩(wěn)定溝是指溝谷不再下切加深，橫剖面呈寬淺的U字形，縱剖面坡度相對平緩，溝底及溝壁均有大量植被生長，植被蓋度大于30%的侵蝕溝。

2.3 遙感調(diào)查

1)影像精糾正。利用校正過的1∶5萬的地形圖，通過Erdas軟件對影像進(jìn)行精糾正，以減少影像由于地形起伏、地球曲率等因素引起變形誤差，從而提高侵蝕溝位置、長度和面積等參數(shù)解譯的精度。

2)解譯標(biāo)志建立。對精糾正后的影像進(jìn)行預(yù)判，提出問題和疑點，到野外實地測量與調(diào)查，解決疑問的同時，根據(jù)侵蝕溝分類，采取現(xiàn)場GPS測量、GIS溝繪與拍照方式建立不同類型侵蝕溝遙感解譯標(biāo)志。

3)影像解譯。對照遙感解譯標(biāo)志，利用ArcGIS軟件，采用人機交互目視解譯的方法，對影像中侵蝕溝數(shù)量、長度、溝壑密度及侵吞耕地面積等信息進(jìn)行提取，并通過面積除以長度的方法計算出各條侵蝕溝的平均溝寬。

2.4 實地測量

根據(jù)侵蝕溝實際情況，按侵蝕溝的分類選擇具有代表性的侵蝕溝進(jìn)行實地測量。

1)侵蝕溝面積測量：利用高精度差分GPS沿溝緣線行走一個閉合圈，直接量出侵蝕溝的實際面積。

2)溝寬、溝深測量：選擇侵蝕溝長度為1/5、2/5、3/5和4/5處的橫斷面，分別量測上口寬度、溝底寬度和溝深，求其均值得出上口平均寬度、溝底平均寬度和平均溝深。此外也可參照對應(yīng)的遙感影像利用測距儀直接測量。

3)溝長測量：利用高精度差分GPS沿溝底中線分別測量主溝和支溝的溝頭至溝尾的距離，最后采用求和的辦法得出侵蝕溝的溝長。

2.5 詢問調(diào)查

主要采用對熟悉當(dāng)?shù)厍闆r的年長者進(jìn)行當(dāng)面詢問和填表調(diào)查的方法來進(jìn)行。

3 結(jié)果及分析

3.1 侵蝕溝發(fā)展現(xiàn)狀及變化趨勢

通過對研究區(qū)Spot5影像(烏裕爾河下游平原區(qū)部分區(qū)域為Alos影像)、Corona影像的詳細(xì)解譯和分析，統(tǒng)計得出：1965年研究區(qū)侵蝕溝總面積16.76 km2，總條數(shù)2 565條，總長度 1 318.11 km，平均寬度12.71m，溝壑密度0.03 km/km2;2005年研究區(qū)侵蝕溝總面積102.04 km2，總條數(shù)14 502條，總長度7 501.81 km，平均寬度13.60m，溝壑密度0.193 km/km2。

從1965至2005年的40年間，侵蝕溝總面積從16.77 km2增加到102.04 km2，增加了85.27 km2，即6.08倍;條數(shù)從1 318條增加到14 486條，增加了13 168條，即10.99倍;總長度從1 318.11 km增加到7 501.81 km，增加了6 183.70 km，即5.69倍;溝壑密度由1965年的0.034 km/km2變化為2005年的0.193 km/km2，增加了5.68倍，侵蝕溝條數(shù)、面積和密度均呈快速增加趨勢。

從監(jiān)測結(jié)果綜合分析，40年間研究區(qū)不同地類侵蝕溝發(fā)展變化情況為：耕地上的侵蝕溝面積從16.41 km2增加到81.83 km2，增加了5.98倍，條數(shù)從2 509條增加到14 132條，增加了5.63倍，長度從1 289.91 km增加到7 271.14 km，增加了5.64倍，溝壑密度從0.094增加到0.597 km/km2，增加了6.35倍;林地與其他用地上的侵蝕溝面積增加了3.44 km2，即10.83倍，條數(shù)從28條增加到371條，增加了13.25倍，長度從28.2 km增加到230.67 km，增加了8.18倍，溝壑密度增加了0.02 km/km2。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)生在耕地上的比例極大，其中面積所占比例達(dá)96%，條數(shù)所占比例達(dá)97.4%，說明40年來侵蝕溝的發(fā)展主要發(fā)生在耕地上。耕地侵蝕溝面積占耕地水土流失面積的比例由0.175%上升到1.047%，可見，侵蝕溝吞食耕地面積呈快速發(fā)展趨勢。

通過對研究區(qū)各縣市耕地中的溝壑密度進(jìn)行計算后發(fā)現(xiàn)，嫩江、克山、克東、拜泉4個市縣侵蝕溝發(fā)展速度較快，溝壑密度變化明顯，尤其是嫩江縣的溝壑密度變化最為明顯，這些市縣應(yīng)當(dāng)是侵蝕溝防治的重點區(qū)域。

3.2 侵蝕溝發(fā)展造成的危害

1)通過對研究區(qū)2個時期侵蝕溝狀況的監(jiān)測結(jié)果可知，研究區(qū)耕地中侵蝕溝面積由1965年的16.42 km2增加到2005年的98.25 km2，40年間侵蝕溝吞食耕地面積達(dá)81.80 km2。由于研究區(qū)在典型黑土區(qū)具有代表性，研究區(qū)耕地面積為2.29萬km2，典型黑土區(qū)耕地面積為8.27萬km2，如果按耕地面積比例推算典型黑土區(qū)，40年來典型黑土區(qū)侵蝕溝吞食耕地的面積為295.4 km2。

2)研究區(qū)主產(chǎn)玉米和大豆，根據(jù)黑龍江省2006年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其玉米單產(chǎn)為7 815 kg/hm2，大豆單產(chǎn)為2 865 kg/hm2，按種植玉米與大豆各半計算，研究區(qū)糧食單產(chǎn)為5 400 kg/hm2。2005年研究區(qū)侵蝕溝吞食耕地每年折合糧食損失4.37萬t，按耕地比例計算典型黑土區(qū)每年折合糧食損失15.77萬t，按當(dāng)前我國居民人均糧食消費量389 kg算，可供40.54萬人消費。

我國糧食自給率在95%以上，而隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展，人口增加和人民生活水平的提高，糧食消費需求呈剛性增長，未來糧食消費壓力不斷加大，糧食供需將長期處于緊平衡狀態(tài)，保障糧食安全面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著侵蝕溝吞食耕地面積的不斷增長，按當(dāng)前發(fā)展速度，100年后，每年因侵蝕溝吞食耕地造成的糧食損失可占本區(qū)域商品糧供給的21%左右，考慮本區(qū)域社會發(fā)展和人口增長對糧食需求的增加，侵蝕溝的發(fā)展可造成今后典型黑土區(qū)商品糧供給量的大幅減少，這將對保障國家糧食安全產(chǎn)生巨大的影響。

3)侵蝕溝是黑土區(qū)水土流失的一種主要類型，也是對黑土資源造成嚴(yán)重破壞的一種重要形式［5］，直接影響農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，影響國家“三農(nóng)”政策的推進(jìn)，阻礙經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。按玉米1.50元/kg、大豆3.6元/kg的價格計算，研究區(qū)糧食價格可折合為2.55元/kg。2005年，研究區(qū)侵蝕溝吞食耕地每年折合人民幣損失1.11億元，按耕地比例計算典型黑土區(qū)每年損失折合人民幣4.02億元，相當(dāng)于該區(qū)13萬農(nóng)民的純收入。此外，侵蝕溝的發(fā)展使耕地支離破碎，造成大型農(nóng)機具無法靠近;使河道源頭不斷延長，河道來水量不斷增加，對下游水庫安全也會產(chǎn)生影響;威脅道路和居民住地安全，影響人們的正常生產(chǎn)，使人們的出行和生產(chǎn)成本大大提高;侵蝕溝的發(fā)展對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展還會造成其他的間接影響。

4 結(jié)論與建議

1)作為全國最大商品糧基地，東北黑土區(qū)的典型區(qū)域耕地保護(hù)更是全國耕地保護(hù)的重點。侵蝕溝的發(fā)展已經(jīng)對東北黑土區(qū)的基本農(nóng)田、糧食安全以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。當(dāng)前國家對基本農(nóng)田采取了強制保護(hù)措施，要求“18億畝“生命線”不能突破”［6］，建設(shè)用地占用耕地國家已經(jīng)嚴(yán)格控制，但侵蝕溝吞食耕地的問題還沒有引起足夠的重視。一般建設(shè)用地占用的耕地并非是優(yōu)質(zhì)的耕地，而侵蝕溝吞食的耕地大多數(shù)是最肥沃的耕地，是不可恢復(fù)的耕地。從研究結(jié)果來看，東北黑土區(qū)水土流失，特別是溝蝕是坡耕地的最大威脅，東北黑土區(qū)的水土流失已經(jīng)嚴(yán)重影響到東北黑土區(qū)商品糧基地的可持續(xù)發(fā)展;因此，開展東北黑土區(qū)的全面治理，特別是溝道專項治理迫在眉睫。

2)由于本次監(jiān)測和調(diào)查范圍有限，僅對典型黑土區(qū)侵蝕溝分布及吞食耕地情況和不同時期的發(fā)展變化趨勢進(jìn)行了研究，雖然典型黑土區(qū)有一定的代表性，可以推算出典型黑土區(qū)的水土流失情況，但還無法準(zhǔn)確說明整個東北黑土區(qū)的情況。同時，由于侵蝕溝的快速發(fā)展時期是從1982年農(nóng)村家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制實施后才開始的，1982年的侵蝕溝監(jiān)測數(shù)據(jù)對于侵蝕溝的發(fā)展研究尤為重要;因此，應(yīng)該按1965、1982和2010年3個時段更深入開展東北黑土區(qū)侵蝕溝的動態(tài)監(jiān)測研究。

3)水土流失防治實踐中發(fā)現(xiàn)，典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)展迅速，危害嚴(yán)重，已經(jīng)逐漸引起有關(guān)部門的重視。但是，東北黑土區(qū)目前尚沒有侵蝕溝防治專項規(guī)劃，各地對侵蝕溝的防治只是點狀的、零散的，無法抓住重點，不能充分發(fā)揮水土保持措施的綜合效益。今后應(yīng)該對黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵因子進(jìn)行重點研究，通過科學(xué)試驗找到各因子之間的關(guān)系，建立東北黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)生及分布模型，對東北黑土區(qū)溝蝕發(fā)生及分布格局進(jìn)行推演，為侵蝕溝防治措施的科學(xué)布局提供依據(jù)和指導(dǎo)。

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Development of gully erosion in Northeast China and its effects on the national food security

Wang Nianzhong1，Shen Bo2
(1.Soil and Water Conservationmonitoring Center，Songliao Water Resources Commission，Ministry of Water Resources;2.Division of Soil and Water Conservation，Songliao Water Resources Commission，Ministry of Water Resources：130021，Changchun，China)

By analyzing the gullies development in number，length，density，area(mainly referring to the lost cultivated land)and their distribution in river basins of typical black land zone from 1965 to 2005，we studied the effect of gully erosion on food security，Northeast China.Results show that：1)From 1965 to 2005，gully area，gully number and total length of gully increased by 85.27 km2，13 168，and 6 183.70 km，respectively.Gully density increased from 0.034 km/km2to 0.193 km/km2during the 40 years.The gully number，area and density increased rapidly.2)Different land use led to different gully development rate.For cultivated land，gully area，gully number，length of gully and gully density increased by 81.83 km2，12 825，5 981.23 km and 0.271 km/km2respectively;for woodland and other land use，they increased by 3.44 km2，343，202.47 km and 0.02 km/km2respectively.3)A great proportion of gully occurred in the cultivated land in typical black land zone，with area for 96%and number for 97.4%.Gullymainly occurred on cultivated land in typical black soil zone，Northeast China，which would have adverse effects on the national food security.

gully;remote sensing;monitoring;food security

2011-03-22

2011-06-10

松遼流域水土保持科研項目“典型黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)展及吞食耕地動態(tài)監(jiān)測”(1261005186)

王念忠 (1969—)，男，高級工程師，碩士。主要研究方向：水土保持規(guī)劃、動態(tài)監(jiān)測、土壤侵蝕。E-mail：wnz@slwr.gov.cn

(責(zé)任編輯：宋如華)