李浩，張興義，劉爽，Yury Kravchenko，Kateryna Ivanova，李續(xù)峰，陳強

(1.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，150081，哈爾濱;2.中國科學院研究生院，100049，北京;

3.烏克蘭國立生命與環(huán)境科學大學，03041，基輔，烏克蘭)

東北黑土區(qū)是我國最大的商品糧基地，典型地貌類型為漫川漫崗，坡緩坡長，60%為坡耕地。大部分的黑土區(qū)已有幾十年甚至上百年的耕種歷史［1］，尤其是新中國成立以來，大規(guī)模的過度墾殖和不合理耕作，昔日有“北大倉”之稱的千里沃野已存在不同程度的水土流失，溝蝕嚴重，且逐年向嚴重和劇烈侵蝕發(fā)展，密度增加，強度加強。溝蝕的危害表現(xiàn)為吞噬耕地，毀壞道路橋梁，破壞原本整齊的坡耕地，造成土地支離破碎，影響機械耕作，損害黑土區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，對我國的糧食安全問題構成了嚴重威脅［2］。

利用遙感、地理信息系統(tǒng)技術，結合監(jiān)測手段，使研究侵蝕溝分布及動態(tài)變化已成為現(xiàn)實。目前，國內(nèi)外對溝蝕演變的相關報道，主要集中于采用衛(wèi)片判讀監(jiān)測數(shù)十年跨度中侵蝕溝的演變及GPS 野外測量監(jiān)測侵蝕溝短期變化等方面，研究的空間尺度一般為幾km2到幾百km2，分辨率多在5 m 以上［3－6］;然而，遙感手段在溝蝕演變的應用中也有很多的不足。一方面影像分辨率與研究對象尺度未能完全匹配，受影像分辨率的限制，尺寸低于影像分辨率的實際地物很難在影像中被解譯。前人所作研究采用的遙感影像分辨率多在5 m 以上，而野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑土區(qū)溝蝕中相當比例的淺溝寬度在5 m 以下;因此，在計算侵蝕溝密度時未能將淺溝充分考慮，在一定程度上減小了侵蝕溝密度，降低了對溝蝕潛在危害的估計，也增大了解譯誤差。另一方面，21世紀初以來，高分辨率甚至亞米級衛(wèi)星遙感影像的廣泛應用，相近空間分辨率歷史影像的缺乏也限制了遙感影像在溝蝕演變方面的應用。筆者以1968年9 月分辨率為1∶1.5 萬的黑白航攝影像及2009年6 月分辨率為0.61 m 的Quickbird 模擬假彩色合成影像為主要數(shù)據(jù)源提取溝蝕信息(根據(jù)航攝規(guī)范［7］，這2 種遙感影像具有相似的空間分辨率)，并在遙感及GIS 技術支持下，應用亞米級影像，對41 a來典型黑土區(qū)村級小尺度研究范圍內(nèi)侵蝕溝的動態(tài)變化進行調(diào)查研究，旨在明確村級尺度溝蝕現(xiàn)狀、演變及其驅(qū)動因素，為防治溝蝕和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為村級尺度，總面積24.2 km2，位于黑龍江省海倫市前進鄉(xiāng)光榮村(E 126°50'1.42″，N 47°21'12.61″)，屬寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，一年一熟制，冬季寒冷干燥，夏季溫熱多雨，年均氣溫1.5 ℃，極端最高溫度為37 ℃，極端最低溫度為－39.5 ℃，多年平均降水量530 mm。土壤類型為典型黑土，地形為漫川漫崗，平均坡度2.55°。土地利用類型結構較為單一，70%以上開墾為農(nóng)田，多為緩坡耕地，林草覆蓋率低。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

常用的TM 及SPOT 影像受分辨率的限制，很難準確地反映侵蝕溝尤其是寬度低于影像分辨率的淺溝的分布及演化過程。筆者采用的跨度41 a 的影像數(shù)據(jù)均為亞米級或米級影像，包括1968 年9 月16 日航攝黑白影像，實際航攝比例尺1∶1.5 萬，絕對航高1 290 m，單幅影像覆蓋地400 m×400 m，航向重疊55%～65%，旁向重疊18%～50%。將14景航攝黑白影像融合生成分辨率為0.6 m 的光榮村1968 年遙感數(shù)據(jù)。2009 年6 月Quickbird 衛(wèi)星影像包括多光譜(空間分辨率1.44 m)和全色波段(空間分辨率0.61 m)，為了突出區(qū)域的侵蝕溝信息，對Quickbird 影像進行波段合成、圖像融合處理，生成空間分辨率為0.61 m 的模擬真彩色合成影像。利用光榮村1∶1萬地形圖對上述影像進行幾何精糾正，誤差控制在2 個像元以內(nèi)，最后統(tǒng)一到西安1980坐標系下。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

1)首先進行遙感影像室內(nèi)初步預判。由于該典型黑土區(qū)以坡耕地為主，土地利用結構較為單一，因此，將土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、柳條通、侵蝕溝、居民地、廢棄地。

2)在預判的基礎上建立先驗知識，發(fā)現(xiàn)存在的問題及疑點，然后于2010 年7 月對光榮村進行實地踏勘，詳細調(diào)查了土地利用狀況，侵蝕溝的溝寬、溝長、溝內(nèi)沉積物及溝內(nèi)外植被生長狀況。

3)對于在1968 年的航攝黑白影像上難以判斷的斑塊，采取咨詢當?shù)厝说姆绞浇鉀Q。

4)量測部分耕地斑塊的壟向坡度、坡長。

5)在建立了侵蝕溝及植被類型的解譯標志后，回到室內(nèi)詳細判讀，對41 a 的侵蝕溝進行線文件及面文件的矢量化，解譯土地利用類型。

6)判讀結束后，進行侵蝕溝及土地利用類型的驗證及補判工作，最終獲得光榮村41 a 侵蝕溝數(shù)據(jù)、土地利用類型分布數(shù)據(jù)及部分耕地斑塊的坡長壟向坡度數(shù)據(jù)。

2.3 研究方法

侵蝕溝密度以單位面積上的侵蝕溝總長度來度量，用以反映地表的破碎程度和土壤侵蝕的劇烈程度［8］。在村級尺度內(nèi)，氣象、植被、地質(zhì)等因素具有一致性，對土壤侵蝕影響最大的自然因素主要為地形地貌，人為因素為耕作措施。采用侵蝕溝密度作為侵蝕動態(tài)分析指標，從坡度、坡長等自然因素，以及土地利用變化、壟向坡度等人為因素來分析41 a 來光榮村的溝蝕演變，并探討自然因素及人為因素對溝蝕變化影響的特點。將其中的壟向坡度定義為在沿著壟向上坡面的垂直高度和水平寬度的比。

3 結果與分析

3.1 溝蝕現(xiàn)狀及其演變

在土壤侵蝕分類中，朱顯謨［9］根據(jù)溝蝕的發(fā)展階段，分為細溝侵蝕、淺溝侵蝕和切溝侵蝕，認為淺溝是細溝發(fā)展為切溝的過渡形態(tài)，能橫向耕作，但不能消除它的痕跡，而切溝侵蝕是溝蝕的最后階段，以不能橫過耕作為其主要特征，溝床的下切至少在1 m 以上，深度也可達20 m 至100 m，橫剖面為V型或長U 型，縱斷面可以和坡面不相一致。筆者所計算的侵蝕溝密度包含切溝、淺溝，采用窗口移動法，利用ArcGIS 9.2 desktop 中的Focal 函數(shù)，對1968 及2009 年的侵蝕溝線狀分布進行處理。首先將研究區(qū)域均分為300×300 個方格，方格中心間距為25 m，計算單位方格區(qū)域內(nèi)侵蝕溝密度后，將值賦予該方格。柵格化后以像素為計算單元，搜索邊長為1 000 m 的正方形內(nèi)的侵蝕溝密度均值，將該值賦予中心像元，并移動窗口，得到1968 和2009 年侵蝕溝密度分布圖(圖1)，由二者的差值獲得41 a 侵蝕溝密度變化圖(圖2)。

圖1 光榮村1968 與2009 年侵蝕溝密度分布圖Fig.1 Distribution of gully erosion density in Guangrong village in 1968 and 2009

3.1.1 侵蝕溝密度分布 計算結果顯示，1968 與2009 年侵蝕溝平均密度分別為3.33 和4.96 km/km2，遠大于以往在黑土區(qū)前人的研究結果［10］。根據(jù)黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準［8］，在1968年，光榮村已有40%的面積侵蝕溝密度大于4 km/km2，即已處于劇烈程度。侵蝕溝寬度大于5 個像元，即寬度大于3 m 的侵蝕溝密度，1968 和2009 年分別為1.68 和2.27 km/km2，溝蝕強度分別達到極強烈和劇烈程度，二者相差2 倍左右。寬度在3 m以下的淺溝、切溝侵蝕溝密度占研究區(qū)總侵蝕溝密度的50%，表明亞米級高分辨率遙感影像在溝蝕調(diào)查上具有較好的應用潛力。

圖2 光榮村41 a 淺溝切溝變化圖Fig.2 Development of gully in Gurangrong village during 41 years

根據(jù)侵蝕溝密度現(xiàn)狀及其變化程度，將研究區(qū)侵蝕溝密度分為0 ～2、2 ～4、4 ～6、6 ～8、8 ～10 和＞10 km/km26 個等級。從圖1 可以看出:1) 1968和2009 年2 年的高值區(qū)均為連片分布，且分布在坡度較大的區(qū)域;2)1968 和2009 年平均侵蝕溝密度均大于4 km/km2，溝蝕強度處于劇烈程度［11］的面積比例分別為37%和60%;3)41 a 來侵蝕溝密度高值區(qū)面積在擴大，大于10 km/km2的區(qū)域從1 片增加到3 片。

3.1.2 侵蝕溝演變 為更好地了解光榮村41 a 溝蝕的演變以及侵蝕溝密度變化的區(qū)域差異，將1968和2009 年研究區(qū)淺溝切溝的矢量面文件疊加，生成了淺溝切溝變化圖(圖2)，在侵蝕溝密度空間分布圖的基礎上，生成41 a 侵蝕溝密度變化圖(圖3)和侵蝕溝面積與侵蝕溝密度關系圖(圖4)。將侵蝕溝密度變化值分成－3 ～－1、－1 ～0、0 ～1、1 ～2、2 ～3、3 ～4 和4 ～5.5 km/km27 個等級，以分析侵蝕溝密度的變化趨勢。

可知，41 a 間，光榮村侵蝕溝面積從0.86 km2增長到了2.22 km2，所占研究區(qū)域總面積的比例由3.5%增長到9.1%，總侵蝕溝密度值增加了1.6 km/km2;但從整個區(qū)域來看，侵蝕溝密度變化程度很不均衡，有20%區(qū)域溝蝕程度下降，20%區(qū)域侵蝕溝密度增加值超過了3 km/km2。在侵蝕溝密度值增加的區(qū)域中，隨著侵蝕溝密度變化值的增加，相應面積也在減少，且呈現(xiàn)出極強的線性關系，相關性達－0.983。

圖3 光榮村41 a 侵蝕溝密度變化圖Fig.3 Dynamic of gully erosion density in Guangrong village during 41 years

圖4 侵蝕溝面積與侵蝕溝密度關系圖Fig.4 Relationship between gully erosion area and gully erosion density in Guangrong village during 41 years

從研究區(qū)侵蝕溝密度的劇烈變化情況可知，41 a來，光榮村加大了土地的開墾力度，破壞了原本整齊的坡耕地，造成土地支離破碎。從土地利用轉換的解譯結果可知，41 a 間，1.41 km2的草地轉成了坡耕地，同時卻有1.16 km2的坡耕地被侵蝕溝吞噬，耕地面積從19.73 km2降低到了19.46 km2，耕地地塊數(shù)也從27 塊增加到68 塊，說明侵蝕溝的發(fā)展造成了坡耕地斑塊的破碎化。41 a 來，侵蝕溝密度高值區(qū)面積在擴大，1968 年，2 塊侵蝕溝密度大于8 km/km2的高值區(qū)在2009 年已連成一體。

3.2 侵蝕溝動態(tài)變化影響因素分析

侵蝕溝是在自然和人為因素共同作用下形成的，另一方面，人為因素也起到了加速或減緩侵蝕溝發(fā)展的作用。為了研究典型黑土區(qū)自然和人為因素對侵蝕溝發(fā)展演化的影響，在自然因素中選取了坡度、坡長因子，在人文因素中選取了壟向坡度、土地利用變換因子，分析各個因子與侵蝕溝演變之間的關系。利用ArcGIS 9.2 desktop 的空間分析模塊，結合實地測量，提取了光榮村的坡度、坡向、坡長及壟向坡度等數(shù)據(jù)。

3.2.1 侵蝕溝密度與坡度關系分析 東北黑土區(qū)的地形特點是漫川漫崗，坡度較緩［8］。在Arcgis9.2 desktop 的支持下，利用1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)建立數(shù)字高程模型。湯國安等［10］研究發(fā)現(xiàn)，對于1∶1萬比例尺的DEM，5 m 是保證地形描述精度的理想分辨率尺度;因此，利用Slope 函數(shù)生成了研究區(qū)分辨率為5 m 的坡度圖(圖5)，平均坡度為2.55°。根據(jù)黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準［11］，將研究區(qū)坡度分成≤0.25°、0.25°～1.5°、1.5°～3°、3°～4°、4°～5°、5°～8°和＞8°等7 個坡度帶，分別計算不同坡度帶上2 個時期的侵蝕溝密度以及41 a 侵蝕溝密度變化值。2 個時期的侵蝕溝密度最大值均出現(xiàn)在坡度值為8°的區(qū)域(圖6)，但在2009 年，在坡度大于8°的區(qū)域侵蝕溝密度減少，反映出20 世紀80 年代以來荒崗荒坡地退耕還林的水土保持效益顯著。侵蝕溝密度增加比例最大的區(qū)域出現(xiàn)在0.25°～1.5°及4°～5°之間，且密度增加絕對值最大區(qū)域出現(xiàn)在4°～5°之間。由光榮村土地利用類型分布現(xiàn)狀可知，上述3 個區(qū)域均是坡耕地。鑒于該區(qū)域坡耕地面積占總面積的4/5 強，參照水利部標準，對2 個時期的坡耕地進行坡度分級，分為≤0.25°、＞0.25°～1.5°、＞1.5°～3°、＞3°～4°、＞4°～5°和＞5°等6個等級(表1)。

圖5 光榮村坡度分布圖Fig.5 Slope distribution in Gurangrong village

圖6 光榮村1968 及2009 年侵蝕溝密度與坡度關系Fig.6 Relationship between gully erosion density and slope steepness in Guangrong village during 41 years

表1 光榮村1968 及2009 年坡度與坡耕地侵蝕溝密度、面積關系Tab.1 Relationship between slope steepness and gully erosion density of cultivated land in Guangrong village during 41 years

由表1 可以看出:41 a 間研究區(qū)的耕地總面積減少了0.3 km2，但在不同坡度分級范圍內(nèi)坡耕地的面積增減是不一致的;在0.25°～1.5°范圍內(nèi)坡耕地面積增加了0.3 km2，增加比例為15%，在0.25°～4°范圍內(nèi)坡耕地的面積幾乎沒有變化，而在坡度大于5°的區(qū)域內(nèi)耕地面積減少了0.3 km2，減少比例為12.5%。不同坡度分級范圍內(nèi)，坡耕地面積的增減反映出20 世紀80 年代以來對河套草甸開荒及荒山荒坡地退耕還林的結果。研究區(qū)任何坡度等級的侵蝕溝密度變化量都大于1 km/km2，說明41 a 間該區(qū)域加大了對所有坡耕地的開墾力度。耕地多分布在0 ～4°范圍內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)侵蝕溝密度變化最大的坡度地帶是0.25°～1.5°(圖6)，反映出41 a 來該區(qū)域尤其加劇了對緩坡土地的開墾，導致侵蝕情況惡化。

3.2.2 侵蝕溝密度與坡長關系分析 東北典型黑土區(qū)地貌特征為漫川漫崗，使得該區(qū)坡度平緩，坡長較長，因此，以往部分研究指出，坡長是該區(qū)侵蝕產(chǎn)生的主要原因［12］。將研究區(qū)坡長分成0 ～99，100 ～199，200 ～299，300 ～399，400 ～499 和＞500 m 等6級，分析坡長因素對侵蝕溝演化的影響。

圖7 為光榮村41 a 間坡長與侵蝕溝密度的關系圖?？梢钥闯?，2 個時期侵蝕溝密度在不同坡長范圍下的分布具有一定的相似性，侵蝕溝密度第1個峰值均出現(xiàn)在坡長300 m 附近，第2 個峰值出現(xiàn)在500 m 處。在0 ～500 m 內(nèi)，隨著坡長的增加，1968 年侵蝕溝密度呈線性增加，超過500 m 后侵蝕強度降低。2009 年也有類似相關性，但坡長超過400 m 后侵蝕溝密度開始降低，這可能是受到耕作措施的影響。侵蝕溝密度最大值及密度最大增加值均出現(xiàn)在300 m 附近，與前人的研究結果［13］相似，也說明了并不是坡長越長侵蝕就越強。

圖7 光榮村41 a 間坡長與侵蝕溝密度的關系Fig.7 Relationship between slope length and gully erosion density in Guangrong village during 41 years

3.2.3 侵蝕溝密度與壟向坡度關系分析 黑土區(qū)的坡耕地具有坡緩且長的特點，合理的耕作措施可有效防治坡耕地水土流失。實踐證明，等高耕作可以顯著減少水土流失。實際操作中，為了防治坡耕地水土流失，人們通常將順坡壟作改為橫坡壟作來降低地表徑流對耕層土壤的沖刷力［14］;但由于微地形的起伏變化，橫坡壟很難做到絕對等高，壟向仍然存在不同程度的坡度［14－15］。野外調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，本研究區(qū)域順坡壟較少，壟向多為介于順坡壟與橫坡壟之間。對比1968 與2009 年影像，41 a 間部分區(qū)域耕地的壟向也發(fā)生了一定的變化;因此，利用2 個時期的坡向、坡度及壟向分布圖層，繪制1968 和2009年坡耕地的壟向坡度分布圖，將壟向坡度進行分級，并以此計算侵蝕溝密度及變化與坡耕地壟向坡度之間的關系，結果見圖8 和表2。

圖8 光榮村41 a 間侵蝕溝密度與坡耕地壟向坡度的關系Fig.8 Relationship between gully erosion density and gradient along the ridge of cultivated land in Guangrong village during 41 years

表2 光榮村41 a 間侵蝕溝密度與坡耕地壟向坡度分布Tab.2 Distribution of gully erosion density and slope steepness along the ridge of cultivated land in Guangrong village during 41 years

由圖8 可知，2 個時期侵蝕溝密度在不同壟向坡度范圍內(nèi)的分布趨勢以及41 a 間的侵蝕溝密度變化具有一定的相似性。由表2 可知，2 個時期超過60%的坡耕地的壟向坡度介于0 ～0.5°之間，在此坡度區(qū)間內(nèi)，侵蝕溝密度隨著壟向坡度的增加而升高，且侵蝕溝密度最大值均出現(xiàn)在壟向坡度0.5°處，在0.5°～1.25°區(qū)間內(nèi)，侵蝕溝密度隨著壟向坡度的增加而降低，這可能與坡長的增加有關。研究區(qū)域1968 年壟向坡度平均值為0.44°，2009 年壟向坡度平均值為0.40°，其中壟向坡度大于0.25°的坡 耕地面積均在減少，而壟向坡度在0 ～0.25°之間的 面積大幅增加，反映了近年來人們?yōu)榱藴p少水土流 失而采取的改變壟向來降低壟向坡度的效果。

3.2.4 光榮村41 a 土地利用變化 1968—2009年，隨著人口的增加及對研究區(qū)開發(fā)力度的增大，光 榮村的土地利用結構發(fā)生了一定的變化。利用光榮 村土地利用類型轉移矩陣(表3)，對侵蝕溝密度變 化的原因做出解釋。

表3 光榮村41 a 間土地利用類型面積轉移矩陣Tab.3 Land use area transformation matrix in Guangrong village during 41 years km2

由表3 可知，41 a 間光榮村草地面積從1.77 km2下降到0.05 km2，其中1.41 km2，即80%的草地被開墾成耕地，且廢棄地的消失說明該區(qū)域近年來加大了對土地的開墾。光榮村從19 世紀末開始墾殖，到1968 年林地只剩0.11 km2。為了恢復當?shù)氐闹脖?，?0 世紀80 年代實施退耕還林措施以來，林地面積增加到了0.97 km2，其中0.69 km2來自于耕地。41 a 間侵蝕溝面積從0.86 km2增加到2.22 km2，其中有1.16 km2來自于耕地，0.10 km2來自于草地。

41 a 來，光榮村加大了土地的利用強度，草地被大量開墾，從而導致侵蝕溝面積的快速發(fā)展。另一方面，林地面積的大大增加得益于退耕還林政策。

4 結論與討論

1)應用亞米級遙感影像解譯的侵蝕溝密度遠高于以往研究結果。2009 年光榮村侵蝕溝密度達到了4.96 km/km2，是以往相關文獻中數(shù)值的2 倍左右。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域?qū)挾仍? m 左右的淺溝占溝蝕的1/2 以上。在以往侵蝕溝研究中，溝寬低于遙感影像分辨率的部分在本文中被解譯，是侵蝕溝密度顯著提高的原因，說明黑土區(qū)溝蝕強度需要被謹慎對待，而未被評估的淺溝可反映潛在溝蝕危害。

2)典型黑土區(qū)溝蝕仍呈加劇的態(tài)勢。41 a 來，光榮村侵蝕溝密度從3.33 km/km2增加到了4.96 km/km2，但侵蝕溝密度變化并不均勻。與1968 年相比，2009 年高值區(qū)擴展、集中連片，同時也有20%的區(qū)域侵蝕溝密度下降。侵蝕溝密度的增加造成了耕地斑塊的破碎化，在耕地總面積幾乎不變的情況下，耕地塊數(shù)增加了2 倍。

3)坡度是影響侵蝕溝演變的重要自然因素。隨著坡度的增加，侵蝕溝密度增加值的最大值出現(xiàn)在坡度0.25°處，說明近年來光榮村加大了對草地及坡耕地的開墾力度，加速了緩坡地的水土流失。在坡長方面，侵蝕溝密度最大值及密度增加值的最大值均出現(xiàn)在300 m 處。

4) 農(nóng)耕是加速溝蝕的重要人為因素。41 a 間，坡耕地不同壟向坡度的侵蝕溝密度變化比較一致，光榮村坡耕地的平均壟向坡度在降低。土地利用類型發(fā)生了一定的變化，主要表現(xiàn)為大部分草地向耕地轉化，坡度較大區(qū)域的坡耕地被退耕還林，新增加的侵蝕溝面積中，大部分來源于耕地及草地。

本文的不足之處在于僅考慮了侵蝕溝的長度及面積，沒有加入侵蝕溝的深度及體積數(shù)據(jù)。在接下來的工作中，需要將研究重點放在如何通過遙感與GIS 手段獲得這2 種數(shù)據(jù)，這對于估測侵蝕溝侵蝕量具有重要的意義。

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