杜書立，李 浩，陳 強，王禹辰，劉利春，竇家剛，張興義

(1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江哈爾濱，150081;2. 黑龍江省引龍河農(nóng)場，黑龍江五大連池，164141)

0 引 言

土壤是人類最寶貴的自然資源和生存基礎(chǔ)，隨著人口增長和對資源開發(fā)強度的增大，土壤侵蝕已經(jīng)成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中不可忽視的問題［1］。土壤侵蝕主要分為水力侵蝕、風力侵蝕和凍融侵蝕3 大類，其中水力侵蝕最為普遍，而且對土壤的侵蝕傷害最為明顯。土壤侵蝕形態(tài)眾多，由水力侵蝕造成的溝狀侵蝕便是其中一種比較常見的侵蝕問題［2－5］。溝狀侵蝕形成的土壤侵蝕表現(xiàn)形式非常直觀，具有控制難和治理難等特點。

東北黑土區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，經(jīng)過近百年的開發(fā)，原來的北大倉某種意義上正在變成了“北大荒”，黑土土層明顯變薄，有機質(zhì)含量下降嚴重，侵蝕溝縱橫交錯，黑土地支離破碎［6－8］。據(jù)統(tǒng)計東北黑土區(qū)現(xiàn)有侵蝕溝數(shù)量達29 萬余條，侵蝕溝蠶食耕地、破壞道路，造成土地零散，給商品糧基地的大型機械化生產(chǎn)作業(yè)帶來了諸多不便［9］。侵蝕溝的存在一定程度上影響了人們的正常生活，而且對糧食生產(chǎn)產(chǎn)生了極大的威脅。有研究表明，黑土區(qū)侵蝕溝是在自然因素和人類活動的相互作用下形成的，其中，自然因素如地形地貌、降雨等，人類活動如林地和草地開墾為農(nóng)田、過度墾殖和不注意農(nóng)田生態(tài)的保護等［10－12］。

以典型黑土區(qū)引龍河農(nóng)場作為研究區(qū)，在國家基礎(chǔ)條件平臺－地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺東北數(shù)據(jù)分中心的支持下，以GIS 軟件平臺為手段，通過對研究區(qū)地形地貌的處理和分析，實地侵蝕溝調(diào)查和矢量化處理，并且對比1985 年與2010 年兩期的土地利用情況，疊加2013 年引龍河農(nóng)場地區(qū)的侵蝕溝野外調(diào)查數(shù)據(jù)，研究和分析了主要自然因素和人為干擾對研究區(qū)土壤侵蝕形成的切溝現(xiàn)狀。

1 研究區(qū)概況

引龍河農(nóng)場位于五大連池市的中部，小興安嶺南緣丘陵地帶，地勢北高南低，地形起伏多變，河流和荒溝縱橫交錯。地理坐標介于東經(jīng)126°20'～126°42'，北緯48°40'～49°02'之間，見圖1。年降雨量在450 mm～550 mm 之間，全年有效積溫2 100 ℃左右，無霜期105 d～118 d。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要種植大豆和玉米，畜牧業(yè)主要飼養(yǎng)黃牛、馬和羊等。引龍河為嫩江東岸二級支流，山溪性河流，發(fā)源于小興安嶺西側(cè)，自東北向西南行，流經(jīng)龍門、襄河和引龍河等農(nóng)場，最后注入訥謨爾河。每年11 月上旬至次年4 月中旬為結(jié)冰期。

引龍河農(nóng)場建于1955 年，土壤類型為典型黑土居多，土地總面積超過40 000 hm2，絕大部分土地為崗坡耕地［13］。在歷經(jīng)了近60 a 的開墾與發(fā)展后，農(nóng)場土壤侵蝕嚴重，侵蝕溝縱橫交錯，對于農(nóng)場生產(chǎn)發(fā)展都起到了一定的制約作用。

圖1 黑龍江省引龍河農(nóng)場地理位置Fig.1 Location of Yinlonghe State Farm，Heilongjiang Province

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)侵蝕溝數(shù)據(jù)來源于遙感影像的解譯和2013 年5 月期間在引龍河農(nóng)場野外調(diào)查，僅測定耕地中的侵蝕溝，共測得447 條。為避免遙感解譯帶來的誤差，采取全區(qū)域耕地侵蝕溝實地詳查的方法，利用GPS 記錄每一條侵蝕溝的溝頭溝尾坐標，并且測量侵蝕溝的最大溝深、最大溝寬、平均溝深、平均溝寬以及溝長，記錄每條侵蝕溝走向、新舊程度、所在地塊的植被類型、所在地塊的坡度、所在地塊的地理位置等。土地利用數(shù)據(jù)是根據(jù)1986 年和2010 年兩期的TM 遙感影像數(shù)據(jù)解譯獲得，并根據(jù)中國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》以及土地的用途、利用方式、覆蓋特點和生態(tài)類型為依據(jù)進行分類，分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)工礦居民用地和未利用土地等6 個類型，數(shù)據(jù)格式是shp 格式。DEM 數(shù)據(jù)為90 m 分辨率的SRTM DEM 數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

利用ArcGIS 軟件中的空間分析功能，以研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得該區(qū)坡度圖和坡向圖等等，疊加侵蝕溝分布數(shù)據(jù)，對侵蝕溝的空間分部特征進行分析，并探討地形因素對侵蝕溝分布的影響。同時對20 世紀80 年代和2010 年兩期土地利用數(shù)據(jù)進行空間疊加運算，統(tǒng)計分析25 a 間研究區(qū)土地利用變化，及其對侵蝕溝變化的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡度與侵蝕溝分布關(guān)系

利用ArcGIS 軟件平臺，將由Aster DEM 數(shù)據(jù)獲得的坡度圖根據(jù)黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標準進行分級，分為0.00～0.25°、0.25 °～1.50°、1.50°～3.00°、3.00°～4.00°、4.00°～5.00°、 ＞5.00°共6個級別，侵蝕強度分別為微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈［14］。在此基礎(chǔ)上疊加2013 年侵蝕溝野外調(diào)查數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析，見表1。

表1 各坡度范圍侵蝕溝分布分析Tab.1 Slope differentiations of gully density and ruined land area

0.00～0.25°坡度區(qū)域，共有2 條侵蝕溝，毀地面積為695 m2，溝壑密度為0.13 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.04 hm2·km－2，見表1。0.25°～1.50°坡度區(qū)域，共有129 條侵蝕溝，毀地面積為11.2 hm2，溝壑密度為0.19 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.09 hm2·km－2。1.50°～3.00°坡度區(qū)域，侵蝕溝數(shù)量明顯上升，達到295 條，毀地面積達到29.1 hm2，溝壑密度為0.19 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.09 hm2·km－2。3.00°～4.00°坡度區(qū)域，侵蝕溝數(shù)量下降，毀地面積減少，毀地面積為1.9 hm2，溝壑密度為0.08 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.04 hm2·km－2。4.00°～5.00°坡度區(qū)域，僅有3 條侵蝕溝，毀地面積0.3 hm2，溝壑密度為0.02 km·km－2，平均每公頃毀地面積為0.01 hm2·km－2。坡度在5.00°以上均為林地，無新成侵蝕溝。

侵蝕溝的分布具有一定的規(guī)律。隨著坡度的上升，侵蝕溝數(shù)量、溝壑密度和單位面積內(nèi)毀地面積均不斷增加，說明溝蝕強度也在不斷增加，當溝壑密度和單位面積內(nèi)毀地面積分別在到達0.19 km·km－2和0.09 hm2·km－2后，侵蝕溝數(shù)量開始減少，溝壑密度和單位面積內(nèi)毀地面積隨之下降，坡度超過5°的地塊，為林地，未發(fā)現(xiàn)侵蝕溝，見圖2。在0.25°～1.50°和1.50°～3.00°兩個坡度內(nèi)，侵蝕溝數(shù)量最多，分別為129 條和295 條，溝壑密度和單位面積內(nèi)的毀地面積也為最大，2010 年引龍河農(nóng)場的土地利用統(tǒng)計結(jié)果顯示，這兩個坡度范圍土地面積分別為13 121.6 hm2和31 041.1 hm2，分別占引龍河總面積的24.8%和58.7%。這兩個坡度范圍內(nèi)的土地多開墾為農(nóng)田，耕地面積分別為6 869.7 hm2和22 122.2 hm2，墾殖率分別達到52.4%和71.3%，分別占引龍河農(nóng)場總耕地面積的22.8%和73.4%。而在0.00～0.25°、3.00°～4.00°和4.00°～5.00°區(qū)域內(nèi)，耕地面積分別為63.8 hm2、941.9 hm2和136.9 hm2，坡度在5.00°以上的區(qū)域，全部為林地，尚未開墾。耕地主要集中在0.25°～3.00°這個區(qū)間內(nèi)，所占耕地總面積比例已經(jīng)達到95%以上，這也說明人類活動在不斷加劇著土壤侵蝕。相反，在耕地比較少的幾個區(qū)域內(nèi)，林地面積和草地面積均占有非常明顯的優(yōu)勢，0.00～0.25°、3.00°～4.00°、4.00°～5.00°坡度范圍內(nèi)的林地面積所占比例和草地面積所占比例分別為11.1%和38.6%、30.2%和52.1%、35.0%和60.0%，而在坡度大于5.00°的區(qū)域內(nèi)，僅有林地，沒有耕地和草地存在。這也說明在人類活動貧乏的林地和草地中，土壤侵蝕不易發(fā)生，人類農(nóng)耕活動對土壤侵蝕有著明顯的加劇作用。圖3 為引龍河農(nóng)場侵蝕溝坡度分布圖。

圖2 各坡度范圍溝壑密度及侵蝕溝每平方千米毀地面積Fig.2 Slope differentiations of gully density and ruined land area

3.2 坡向與侵蝕溝分布的關(guān)系

利用ArcGIS 軟件平臺，以SRTM DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得研究區(qū)的數(shù)字坡向模型，之后將其分為8 個方向，分別為北(N)、東北 (NE)、東 (E)、東南 (SE)、南 (S)、西南(SW)、西 (W)、西北 (NW)，各方向的方位角范圍為:337.5°～22.5°，22.5°～67.5°，67.5°～112.5°，112.5°～157.5°，157.5°～202.5°，202.5°～247.5°，247.5°～292.5°，292.5°～337.5°。之后將其與侵蝕溝數(shù)據(jù)做疊加分析，求算不同坡向上侵蝕溝的毀地面積情況，見圖4。

通過研究發(fā)現(xiàn)，陰坡面積為9 728.1 hm2，陽坡面積為43 190.5 hm2，陽坡面積遠遠超過陰坡面積。陰坡共有侵蝕溝200 條，陽坡有侵蝕溝247 條，兩者侵蝕溝數(shù)量相差不大，但是單位面積內(nèi)侵蝕溝數(shù)量，陰坡遠遠超過陽坡。對比溝壑密度和單位面積內(nèi)的毀地面積，陰坡溝壑密度為0.48 km·km－2，陽坡溝壑密度為0.12 km·km－2;陰坡單位面積內(nèi)的毀地面積達到0.2 hm2·km－2，陽坡為0.06 hm2·km－2。陰坡所有侵蝕溝的毀地面積達16.5 hm2，陽坡所有侵蝕溝的毀地面積達26.0 hm2。陽坡耕地面積為27 083.9 hm2，占全部耕地總面積的90%以上。陰坡有新成溝92 條，陽坡有127 條。由此可見，陰坡單位面積內(nèi)的各項數(shù)據(jù)均超過陽坡，表明陰坡土壤侵蝕強度更加嚴重，主要受以下幾個因素影響:①坡度分布，引龍河地區(qū)地勢北高南低，經(jīng)過統(tǒng)計分析，陰坡平均坡度大，陽坡平均坡度比較平緩，起伏不大;②引龍河農(nóng)場冬季盛行西北風，加以陰坡接受陽光直接照射的時間相比陽坡短很多，經(jīng)過一個漫長的冬天，陰坡淤積了很大的雪量，在春季化雪侵蝕大于陽坡;③陰坡較陽坡光照時間短，土壤較陽坡濕潤，夏季集中降雨期易飽和，耕地被地表徑流沖刷，形成溝蝕。

圖3 引龍河農(nóng)場土壤侵蝕溝分布Fig.3 Gully distribution on slope map of Yinlonghe Farm

圖4 侵蝕溝坡向分布分析Fig.4 Aspect differentiations of gully density and ruined land area

3.3 土地利用變化對侵蝕溝變化的影響

對土地利用變化進行空間分析，可以直觀的看出研究區(qū)的土地利用變化情況，耕地增加非常明顯，草地和林地面積的急劇縮小，見表2。

表2 1985 年－2010 年土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣Tab.2 Landuse Conversion Matrix from 1985 to 2010

草地和林地除去轉(zhuǎn)成耕地外，兩者的相互轉(zhuǎn)化也是一種非常顯著的變化，疊加侵蝕溝野外調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，0.00～0.25°和0.25°～1.50°區(qū)域，土地利用類型主要是草地和林地，耕地所占比例非常小，侵蝕溝的分布非常少。相反在1.50°～3.00°和3.00°～4.00°兩個區(qū)間內(nèi)，耕地都是主要的土地利用類型，侵蝕溝的數(shù)量在這個坡度范圍內(nèi)達到頂峰，所造成的土壤侵蝕也是最為嚴重。侵蝕溝的分布在受到坡度影響的同時，對人類活動也具有非常高的敏感性。

土地利用對侵蝕溝形成主要表現(xiàn)在:

①侵蝕溝主要分布在耕地中，耕地總面積為30 134.52 hm2，侵蝕溝總長度為91.01 km，總毀地面積達到39.4 hm2，溝壑密度為0.30 km·km－2，單位面積內(nèi)的毀地面積達0.13 hm2·km－2，土壤侵蝕非常嚴重;

②新成溝在草地轉(zhuǎn)成耕地和林地轉(zhuǎn)成耕地中的數(shù)量相近，均接近20 條;

③由草地轉(zhuǎn)為耕地的土地利用類型中，新成溝所造成的毀地面積為2.0 hm2，單位面積內(nèi)的毀地面積達到0.04 hm2·km－2;由林地轉(zhuǎn)成耕地的土地利用類型中，新成溝造成的毀地面積為0.7 hm2，單位面積內(nèi)的毀地面積達到0.02 hm2·km－2。草地到耕地發(fā)生土壤侵蝕的面積遠遠大于林地到耕地的面積，說明草地到耕地變化中發(fā)生土壤侵蝕的情況更加劇烈。

4 結(jié) 論

①研究區(qū)土壤侵蝕受坡度、坡向和原始植被類型等因素影響，具有明顯的分布規(guī)律。侵蝕溝的數(shù)量、密度和毀地面積隨著坡度的上升而增多，到達峰值后隨著坡度的上升開始下降，直至消失。陰坡侵蝕溝侵蝕程度明顯大于陽坡，主要原因有陰坡坡度較大，且冬季在西北風盛行的情況下陰坡淤積大量積雪，在春季時化雪侵蝕大于陽坡，同時由于陰坡接受太陽輻射少，土壤較陽坡濕潤，夏季集中降雨期易飽和，耕地被地表徑流沖刷，更易形成侵蝕溝。

②草地和林地開墾為農(nóng)田是侵蝕溝形成的主要驅(qū)動因素。通過分析近25 a 來引龍河農(nóng)場地區(qū)發(fā)生的土地利用變化，耕地面積明顯增加，草地和林地面積減少;坡耕地中侵蝕溝數(shù)量達447 條，損毀耕地面積高達39.4 hm2，占耕地的0.13%，還造成耕地破碎，降低機械耕作效率。草地開墾為耕地之后較林地更易發(fā)生土壤侵蝕，說明草地開墾后的農(nóng)田土壤侵蝕更加嚴重。

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