張　巖，馬松增，閆佳杰，閆俊飛，張　毅

(1.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站，河南 鄭州 450008； 2.北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；3.河南省嵩縣水土保持科學研究所，河南 嵩縣 471400)

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河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝分類研究

張巖1，馬松增1，閆佳杰2，閆俊飛3，張毅1

(1.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站，河南 鄭州 450008； 2.北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；3.河南省嵩縣水土保持科學研究所，河南 嵩縣 471400)

侵蝕溝；分類；指標體系；黃土丘陵區(qū)；河南省

以河南省黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)，選取絕對高程為主導因子作為侵蝕溝分類一級分區(qū)的指標，在此基礎(chǔ)上根據(jù)自然社會指標和侵蝕溝特征指標，運用空間分析和數(shù)學統(tǒng)計的方法進行綜合分析，得到研究區(qū)侵蝕溝分類的二級分類體系。采用這種分類方式，區(qū)分河南省黃土丘陵區(qū)具有不同發(fā)育程度、不同特性的侵蝕溝，為當?shù)厍治g溝的治理提供依據(jù)。

侵蝕溝是黃土高原土壤侵蝕的重要源地。在了解侵蝕溝發(fā)育狀況、發(fā)育程度等基礎(chǔ)上進行侵蝕溝分類研究，有助于有針對性地開展黃土高原侵蝕溝治理。關(guān)于黃土高原侵蝕溝的分類，國內(nèi)外學者進行了多種嘗試：早期人們曾根據(jù)坡面侵蝕機理對侵蝕溝進行分類[1-2]，這種方法側(cè)重定性分析，缺乏定量評價標準；之后人們開始嘗試運用數(shù)學方法對分類進行定量支持[3]，但是合理性、準確性有待商榷；目前人們常用多種方法相結(jié)合的方法[4-6]進行侵蝕溝分類，這種方法雖然具有實踐意義，但無法適用于較大范圍。河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝分布范圍較廣、區(qū)域特性明顯、發(fā)育程度不同，無法適用于當前已有的侵蝕溝分類方式。在這樣的背景下，本研究以河南省黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)，嘗試采用定性與定量分析、空間分析和數(shù)學統(tǒng)計等多種方法相結(jié)合的方法對侵蝕溝進行分類，以期為黃土高原地區(qū)水土流失侵蝕溝道綜合治理和空間措施配置提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

河南省黃土丘陵區(qū)是河南省水土流失最嚴重的地區(qū)之一，屬于豫西黃土臺塬低山輕度水蝕區(qū)，位于河南省西北部，西鄰陜西，北瀕黃河，南與伏牛山區(qū)交錯，東同黃淮平原接壤[7]，總面積約2.7萬km2，約占河南省總面積的16.13%。該區(qū)氣候干旱，年降水量小，同時又是中華民族歷史上開發(fā)最早的地區(qū)之一，自然植被破壞、水土流失嚴重[8]；海拔80～2 400 m，地形起伏變化大，土層深厚、疏松、抗蝕抗沖性差，面蝕、溝蝕、崩塌、滑坡等時有并相伴發(fā)生；現(xiàn)階段以溝蝕(切溝侵蝕)最為活躍，溝底下切、溝岸擴張和溝頭溯源侵蝕不斷蠶食和分割坡面，梁峁或塬面被切割得支離破碎，由此產(chǎn)生的土壤流失量約占黃土丘陵區(qū)總侵蝕量的60%以上，不僅嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全，而且給山區(qū)群眾生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境造成極大威脅[9-11]。

2　研究內(nèi)容與方法

針對河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝展開調(diào)查，以地學知識為基礎(chǔ)，綜合運用“3S”技術(shù)，采用空間分析方法和數(shù)學統(tǒng)計相結(jié)合的方法，綜合侵蝕溝發(fā)育的各項影響因子，選擇絕對高程作為侵蝕溝分類一級分區(qū)的主導因子。在一級分區(qū)基礎(chǔ)上，運用層次分析法，進一步選擇對水土流失影響顯著的坡度、植被覆蓋度、土地利用類型、多年平均降水量、土壤類型等作為評價指標，同時結(jié)合能夠體現(xiàn)侵蝕溝不同形態(tài)的各項侵蝕溝自身特征指標，如溝道縱比降、主溝道長度、溝道寬長比、溝道平均寬度、溝道侵蝕面積、侵蝕溝周長等，對侵蝕溝進行二級分類，從而建立完整的二級分類體系，技術(shù)路線見圖1。分析步驟：①分析影響侵蝕溝發(fā)生發(fā)育的多個影響因子，選擇絕對高程作為侵蝕溝分類一級分區(qū)的主導因子；②獲取遙感影像，搜集基礎(chǔ)資料，通過多種方法獲取各項指標；③從自然影響因素出發(fā)，在一級分區(qū)的基礎(chǔ)上，對各個指標進行空間疊加分析；④從侵蝕溝特征指標出發(fā)，運用數(shù)學方法，對選取的各屬性特征指標進行聚類分析；⑤將空間疊加分析和聚類分析的結(jié)果進行綜合分析，進而進行二級分類，形成侵蝕溝分類體系。

圖1　侵蝕溝分類技術(shù)路線

3　侵蝕溝分類

3.1評價指標

對研究區(qū)侵蝕溝開展調(diào)查研究，從外部影響因素的自然社會指標和其本身發(fā)育特征的侵蝕溝特征指標兩方面選取評價指標。

3.1.1自然社會指標

影響侵蝕溝發(fā)育的外部因素很多，包括自然因素和社會因素。這些因素對侵蝕溝形成和發(fā)展的各個階段都有影響，對侵蝕溝發(fā)育影響的機理也不相同。主要包括以下幾個方面：①土壤類型。通常用土壤抗蝕性和抗沖性衡量土壤抵抗徑流侵蝕的能力。土壤越黏重，膠結(jié)物越多，抗蝕性越強。該地區(qū)土壤種類較多且分布不均，有褐土、石灰性褐土、潮褐土等，它們對土壤侵蝕的影響程度不同。②植被覆蓋度。植被覆蓋度是衡量地表水土流失狀況的一個最重要指標。該地區(qū)植被分布不均，對侵蝕溝的發(fā)育有一定影響。③坡度。該地區(qū)土壤侵蝕以面蝕和溝蝕為主，土壤侵蝕量的大小受地面坡度大小影響明顯。④土地利用類型。不同類型的土地利用方式對侵蝕溝的發(fā)生發(fā)育影響很大。近年來研究區(qū)土地利用類型發(fā)生了明顯變化，造成部分地區(qū)侵蝕溝發(fā)育。⑤多年平均降水量。暴雨沖刷是造成土壤侵蝕的重要原因，因此選取多年平均降水量作為主要評價指標。

3.1.2侵蝕溝特征指標

為了更好地表征侵蝕溝道的位置、特征、活動狀態(tài)、危害等，選取能夠反映侵蝕溝道特征的指標進行分析。侵蝕溝道提取的指標主要包括反映溝道形態(tài)的溝道縱比降、主溝道長度、侵蝕溝周長、溝道侵蝕面積，以及從水文學中引入的溝道平均寬度、溝道寬長比。

3.2侵蝕溝分類一級分區(qū)

侵蝕溝所處海拔對溝道的發(fā)育、特征表現(xiàn)、治理開發(fā)及利用的影響最大，不同絕對高程區(qū)間侵蝕溝分布特征差異明顯，因此以絕對高程作為溝道劃分一級分類的主導因子，對侵蝕溝進行初步分類，為特征分析奠定基礎(chǔ)。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，以絕對高程區(qū)間將其劃分為：Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m階地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m四個區(qū)域，見圖2。一級分區(qū)結(jié)果表明，研究區(qū)大部分地區(qū)絕對高程大于200 m，其中：Ⅲ區(qū)所占面積最大，超過研究區(qū)總面積一半以上；其次是Ⅳ區(qū)；再次是Ⅰ區(qū)，占到約10%；Ⅱ區(qū)最少，只有約4%。

圖2　研究區(qū)侵蝕溝一級分區(qū)結(jié)果

3.3侵蝕溝二級分類

研究區(qū)侵蝕溝一級分區(qū)是基于該區(qū)域溝道的分布特征進行的大尺度上的初步分類，要達到對侵蝕溝進行合理分類進而指導實踐的目的，還需深入分析侵蝕溝的發(fā)展特征，從多方面綜合考慮侵蝕溝類型的進一步細化。因此，本研究從影響土壤侵蝕的自然社會指標和侵蝕溝特征指標兩方面出發(fā)，外因與內(nèi)因相結(jié)合，充分選取了影響侵蝕溝的各項指標，將GIS空間分析功能與統(tǒng)計學方法相結(jié)合，全面分析了各因素對侵蝕溝的綜合作用，并據(jù)此得出河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝的二級分類體系。

3.3.1自然社會指標分析

選取多個自然因素指標作為侵蝕溝分類的依據(jù)。考慮各指標的綜合影響，采用空間疊加的方法分析各項指標對土壤侵蝕的影響程度，運用層次分析法構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型和判斷矩陣來確定各項指標在空間疊加分析中的權(quán)重，結(jié)果見表1。利用ArcGIS工具對各項指標因子根據(jù)權(quán)重進行空間疊加，得到研究區(qū)土壤侵蝕綜合得分值及其分布情況，在一定程度上反映了土壤發(fā)生侵蝕可能性的大小和各種程度侵蝕溝的基本分布情況，從而為確定侵蝕溝的發(fā)生發(fā)展、制定相應的治理措施和規(guī)劃提供依據(jù)。

表1　侵蝕溝二級分類自然社會指標權(quán)重值

3.3.2侵蝕溝特征指標分析

研究區(qū)侵蝕溝數(shù)量眾多，選取了多個侵蝕溝屬性指標。為將這些指標綜合快速且有效地進行分類，選用K-means聚類分析法。K-means聚類分析法是將大量的數(shù)據(jù)劃分成群組，即把對象分成多個類，在同一個類中的數(shù)據(jù)對象之間具有較高的相似度，而不同類中的數(shù)據(jù)對象差別較大。該方法算法快速、簡單，對大數(shù)據(jù)集有較高的效率并且具有可伸縮性，時間復雜度近于線性，適合挖掘大規(guī)模數(shù)據(jù)集。

在以絕對高程為一級分區(qū)的基礎(chǔ)上，對不同高程區(qū)間的侵蝕溝特征指標進行K-means聚類分析。針對不同分區(qū)，分別選取該區(qū)域侵蝕溝道的六大指標進行聚類，即溝道平均寬度、主溝道長度、溝道寬長比、溝道侵蝕面積、侵蝕溝周長、溝道縱比降。聚類結(jié)果根據(jù)由小到大、由窄到寬不同發(fā)育狀況的侵蝕溝形態(tài)進行分類排列，進而為侵蝕溝二級分類的確定提供依據(jù)。

3.3.3綜合分析

從自然社會特征指標和侵蝕溝特征指標兩方面對侵蝕溝分類進行綜合分析。將空間疊加分析結(jié)果進行重分類，按照數(shù)據(jù)分布規(guī)律和自然間斷點分級法劃分，對應輕度、中度、嚴重(中度以上侵蝕)不同程度的土壤侵蝕，從而得出基于侵蝕溝一級分區(qū)的二級分類體系，結(jié)果見表2。據(jù)此分類體系提供的分類方法，通過侵蝕溝的絕對高程和空間分布情況，可以快速判定侵蝕溝的侵蝕強度、發(fā)展趨勢、溝道狀況等綜合特征。

表2　侵蝕溝二級分類體系

4　結(jié)　論

本研究選取絕對高程作為劃分侵蝕溝分類一級分區(qū)依據(jù)，將河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝分布區(qū)域分成四大區(qū)域，即Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m階地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m。在此基礎(chǔ)上，從自然社會指標和侵蝕溝特征指標兩方面，運用空間分析和數(shù)學統(tǒng)計方法進行綜合分析，得到研究區(qū)侵蝕溝二級分類體系。

在研究過程中，綜合考慮多種因素，運用多種方法，定性定量相結(jié)合，研究過程合理全面，分類方法與結(jié)果緊密圍繞研究區(qū)的實際情況，有針對性，為當?shù)夭煌愋汀⒉煌l(fā)育程度侵蝕溝治理提供了可靠依據(jù)。該分類方法在判定研究區(qū)的侵蝕溝類型方面得到了實踐應用，為侵蝕溝因地制宜、因害設防、因溝而治提供了科學依據(jù)，也為國內(nèi)相同或相似類型區(qū)的侵蝕溝分類體系研究提供了參考。

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(責任編輯李楊楊)

河南省水利科技攻關(guān)項目(GG201302)

S157

A

1000-0941(2016)08-0056-04

張巖(1982—)，男，河南南陽市人，工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測和相關(guān)研究工作；通信作者馬松增(1984—)，女，河南鞏義市人，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測工作。

2016-02-01