王文娟,鄧榮鑫,郝麗君
東北黑土區(qū)是中國重要的商品糧基地,但嚴(yán)重的土壤侵蝕成為影響黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素,使“北大倉”面臨著再變“北大荒”的危險,而土壤侵蝕中,侵蝕溝的惡性擴(kuò)張就是導(dǎo)致土地退化的主要原因之一。溝谷侵蝕在土壤侵蝕中占據(jù)重要位置,國外研究表明,溝蝕量可占到土壤侵蝕總量的10% ~80%[1],甚至高達(dá)90%以上[2]。當(dāng)前黑土區(qū)侵蝕溝惡性擴(kuò)張,相關(guān)資料表明,東北黑土區(qū)約有大型侵蝕溝25萬多條[3],其侵蝕掉的耕地面積約有40萬hm2,由此帶來的糧食損失高達(dá)14億kg,折合人民幣達(dá)5億多元[4]。為了保護(hù)黑土資源,確保糧食安全以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,許多學(xué)者在溝蝕方面做了大量研究,研究主要集中從降水、耕作方式和季節(jié)差異方面,分析坡耕地侵蝕溝發(fā)育機理[5-6],將傳統(tǒng)的測量與3S技術(shù)相結(jié)合,監(jiān)測3~5年獲取幾條或幾十條侵蝕溝的溝蝕參數(shù),進(jìn)行溝蝕產(chǎn)生原因、形態(tài)特征和溝蝕量變化等方面的小尺度研究[7-9],以及利用遙感和GIS從大的空間尺度,進(jìn)行溝蝕空間分布規(guī)律、格局和動態(tài)變化等方面的研究[10-12]。這些研究取得了較好的成果,為東北黑土區(qū)溝蝕研究提供了良好的理論和實踐基礎(chǔ)。
東北農(nóng)田防護(hù)林是“三北”防護(hù)林體系中的重要組成部分,研究表明,防護(hù)林帶具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、改良土壤和減少泥沙等作用,農(nóng)田防護(hù)林在侵蝕防治方面可以起到積極作用[13-15]。當(dāng)前東北黑土區(qū)在防護(hù)林帶與土壤侵蝕方面的研究,涉及防護(hù)林對于風(fēng)蝕和荒漠化的影響[16],溝蝕與防護(hù)林之間的研究,主要是在2~4 km2的小流域內(nèi),獲取10條左右的侵蝕溝的發(fā)育參數(shù)和防護(hù)林的分布屬性,就小流域內(nèi)防護(hù)林帶的分布規(guī)律和淺溝侵蝕規(guī)律進(jìn)行分析[17],或者根據(jù)坡耕地溝蝕發(fā)育特點與防護(hù)林帶分布的相關(guān)關(guān)系,提出防護(hù)林帶分布的優(yōu)化方案[18],而從幾千km2的大空間尺度獲取縱橫分布的林網(wǎng),進(jìn)行溝蝕分布和農(nóng)田防護(hù)林之間的關(guān)系研究卻鮮見報道。筆者以遙感和GIS技術(shù)作為支持,采用2008年TM影像和2007年的SPOT5影像為數(shù)據(jù)源,獲取農(nóng)田防護(hù)林和侵蝕溝分布數(shù)據(jù),從大的空間尺度分析東北黑土區(qū)農(nóng)田防護(hù)林和溝蝕之間的耦合關(guān)系,挖掘黑土區(qū)農(nóng)田防護(hù)林對溝蝕的防護(hù)特點,試圖得出一些有益規(guī)律,為有針對性地進(jìn)行溝蝕防治提供科學(xué)指導(dǎo),為維護(hù)國家的糧食安全和地區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。
研究區(qū)選擇在東北典型黑土區(qū)中的克山縣(E 125°07'~126°44',N 47°42'~48°34')(圖1),該縣位于黑龍江省西部地區(qū),屬于齊齊哈爾市轄縣,該縣轄15個鄉(xiāng)鎮(zhèn),總面積約為3 322 km2,其東部為克山縣,南部有依安、拜泉縣,西部和北部為訥河縣、五大連池市。該區(qū)位于松嫩平原與小興安嶺的過渡地帶,東北部、中部地區(qū)為丘陵區(qū),西南部地區(qū)為平原區(qū),呈現(xiàn)出東北高西南低的地勢,該區(qū)平均海拔高度236 m,烏裕爾河在該區(qū)南部地區(qū)穿過,訥謨爾河流經(jīng)北部地區(qū)。該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候,雨熱同季,日照終年充足,1月平均氣溫-22.0℃,7月平均氣溫21.9℃,全年平均氣溫1.87℃,有效積溫2 400℃,降雨集中在6—8月,年降水量499 mm,無霜期122 d左右,年平均風(fēng)速4 m/s??h域主要土壤類型為黑土,與局部草甸土、黑鈣土相間分布。該縣是我國重要的商品糧試點基地之一,素有“大豆之鄉(xiāng)”“北國糧倉”的美譽。近年來,人口數(shù)量的急劇增加,給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重影響,植被破壞嚴(yán)重,水土流失加劇,土地退化問題日益突出,使該區(qū)成為東北黑土區(qū)中土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。
圖1 研究區(qū)位置以及防護(hù)林和侵蝕溝分布圖Fig.1 Location of the studied area,and the distribution of shelterbelts and gully
溝蝕為水蝕的一種,是流水被約束在某一局地范圍內(nèi)的線狀侵蝕方式,根據(jù)溝谷規(guī)模的大小,可以分為淺溝、切溝、沖溝和坳溝。筆者研究的侵蝕溝是在SPOT5影像上,能清晰反映出來的分布于耕地中的切溝以上的農(nóng)田侵蝕溝。此種溝谷和坡面之間具有明顯的溝緣線,在侵蝕形態(tài)、方式和強度,以及土壤性質(zhì)、土地利用和植被覆蓋等方面,與坡面都存在根本差別,極易識別。
所用侵蝕溝分布數(shù)據(jù)是以模擬真彩色SPOT5影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,其分辨率為2.5 m,成像日期為2007年8月28日。該數(shù)據(jù)的獲取首先是在室內(nèi)對侵蝕溝進(jìn)行預(yù)判,主要是根據(jù)侵蝕溝影像光譜特征進(jìn)行預(yù)判,針對發(fā)現(xiàn)的問題,于2008年進(jìn)行3 d的野外調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容主要包括土壤類型、土地利用狀況、巖性以及侵蝕溝的發(fā)育形態(tài)參數(shù)、溝內(nèi)主要沉積物和植被生長狀況。其二,結(jié)合侵蝕溝發(fā)育與分類理論,借助專家經(jīng)驗,建立詳細(xì)完整的侵蝕溝解譯標(biāo)志。其三,以ArcGIS軟件為平臺,專家知識參與下,參照研究區(qū)1990年地形圖、土壤和植被等資料,進(jìn)行人機交互式判讀解譯,初步形成侵蝕溝空間分布數(shù)據(jù);同時,研究組于2009年進(jìn)行了3 d的侵蝕溝野外驗證與補判工作,最終回到室內(nèi)重新修正數(shù)據(jù),獲得整個研究區(qū)的2007年侵蝕溝分布數(shù)據(jù),其解譯精度在95%以上(圖1)。
選取標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成的TM影像,作為獲取農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,所用影像成像日期為2008年6月12日,分辨率為30 m。選用該季相的主要原因是在5月或6月中上旬,農(nóng)田防護(hù)林與作物的光譜特征可以較好的區(qū)分,避免防護(hù)林與作物的混分。農(nóng)田防護(hù)林解譯初期,首先依據(jù)影像特征和專家經(jīng)驗,建立解譯標(biāo)志,在標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像中,農(nóng)田防護(hù)林的特征為線狀、紅色,且具有較規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),據(jù)此初步獲取研究區(qū)的農(nóng)田防護(hù)林的空間分布數(shù)據(jù);其二,為進(jìn)一步了解防護(hù)林影像特征,完善解譯標(biāo)志,提高解譯精度,進(jìn)行野外驗證工作,根據(jù)野外工作建立的完整解譯標(biāo)志,重新修正和完善農(nóng)田防護(hù)林分布數(shù)據(jù);其三,研究組于2008年9月中旬,對數(shù)據(jù)進(jìn)行實地驗證和補判,然后回到室內(nèi)重新修正數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,解譯精度在97%以上,最終獲取研究區(qū)農(nóng)田防護(hù)林分布數(shù)據(jù)(圖1)。
地形數(shù)據(jù)是對1990年的1∶5萬地形圖進(jìn)行數(shù)字化,獲得地形圖上的等高線和高程點,作為基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù),然后采用ArcGIS中的TOPGRID算法,建立30 m×30 m的DEM,在DEM基礎(chǔ)上提取坡度數(shù)據(jù)。
在ArcGIS 10.0的支持下,采用10 km×10 km的格網(wǎng)作為樣方量計的基本單位,對侵蝕溝和林帶進(jìn)行空間化,首先利用疊加分析功能,計算每一個10 km×10 km的格網(wǎng)單元內(nèi)的侵蝕溝密度和林帶密度,然后將該密度值賦予每一格網(wǎng)中心點,進(jìn)而利用格網(wǎng)中心點的密度值進(jìn)行空間插值,最終生成30 m×30 m的侵蝕溝密度和林帶密度空間分布數(shù)據(jù)(圖2)。
圖2 研究區(qū)防護(hù)林和侵蝕溝密度圖Fig.2 Density of shelterbelt and gully in the studied area
基于獲取的侵蝕溝和林帶分布數(shù)據(jù)(圖1),研究區(qū)當(dāng)前防護(hù)林帶總條數(shù)為5 279條,總長度約為3 775 km,平均林帶密度為1 113.73 m/km2,研究區(qū)防護(hù)林樹種主要是青楊(Populus cathayana),防護(hù)林密集地區(qū)以網(wǎng)狀為主,部分區(qū)域呈現(xiàn)L或U型,個別區(qū)域僅有單條林帶,主林網(wǎng)的間距多在200~500 m之間,副林網(wǎng)間距在500~1 000 m之間,造林密度西部和南部地區(qū)較高,北部和東部地區(qū)較低;研究區(qū)侵蝕溝總條數(shù)為2 311條,總長度約為1 419 km,平均侵蝕溝密度為418.51 m/km2,研究區(qū)侵蝕溝在數(shù)量和密度上都很嚴(yán)重,侵蝕溝如果不進(jìn)行有效防治,溝頭的溯源侵蝕、溝壁的不斷坍塌和溝底的下切運動將導(dǎo)致溝長、溝寬和溝深不斷拓展,使得黑土區(qū)的水土流失愈發(fā)嚴(yán)重。
圖2顯示,研究區(qū)防護(hù)林密度沿東北-西南方向逐漸增大,其密度>1 400 m/km2的最高區(qū)域,出現(xiàn)在研究區(qū)西部和西南部地區(qū);而侵蝕溝密度分布趨勢正好相反,沿東北—西南方向逐漸減小,其最高值區(qū)域>800 m/km2出現(xiàn)在研究區(qū)東北部地區(qū)。另外,從表1可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)防護(hù)林密度較大,密度>600 m/km2的區(qū)域占全區(qū)總面積的78.35%。其中:密度800~1 000 m/km2的區(qū)域所占面積最大,為24.11%;而研究區(qū)侵蝕溝密度200~800 m/km2的區(qū)域占全區(qū)總面積的91.7%,且200~400、400~600和600~800 m/km2區(qū)域分布面積比較均勻,分別為34.02%、24.44%和33.24%。經(jīng)對比可知,研究區(qū)溝蝕狀況非常嚴(yán)重,急需治理,東北黑土區(qū)農(nóng)田防護(hù)林作為“三北”防護(hù)林的一部分,經(jīng)過60多年的經(jīng)營,已經(jīng)成為較為穩(wěn)定和高效的人工生態(tài)系統(tǒng),發(fā)揮了重要的生態(tài)效應(yīng),而侵蝕溝是動態(tài)發(fā)展的,如不有效防治,其將不斷擴(kuò)展,將會導(dǎo)致土地不斷退化,對于糧食生產(chǎn)和生態(tài)安全帶來巨大危害。
表1 研究區(qū)防護(hù)林和侵蝕溝密度分級統(tǒng)計表Tab.1 Classification of shelterbelts and gully density
由圖3可知,研究區(qū)防護(hù)林密度隨著坡度的增加,呈現(xiàn)出減少的趨勢,對其線性擬合發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較好的線性關(guān)系(y=-88.306x+1 027.5,R2=0.918 3);而侵蝕溝密度則隨著坡度的增加,呈現(xiàn)出增加的趨勢,對其線性擬合發(fā)現(xiàn)兩者之間也存在線性關(guān)系(y=48.953x+419.14,R2=0.884 7),但是相關(guān)性不如防護(hù)林密度與坡度之間的高。對坡度<8°地區(qū)的侵蝕溝密度和坡度做線性擬合,發(fā)現(xiàn)兩者之間存在高度的相關(guān)性(y=73.478x+366.09,R2=0.980 5)。說明當(dāng)坡度<8°時,隨著坡度增大侵蝕密度增大,而坡度>8°后,侵蝕溝密度變化不大,分別為670.84和672.87 m/km2。說明坡度<8°時,坡度在侵蝕溝的形成發(fā)育上是一個具有重要影響的因子,而坡度>8°時,其對侵蝕溝的發(fā)育影響減弱,而其他影響侵蝕溝發(fā)育的因素,如匯水面積、坡長等因素可能起到更為重要的作用,使得坡度對于溝蝕的影響減弱。而對毗鄰縣拜泉縣的相關(guān)研究也得出坡度8°是臨界坡度。坡度>8°區(qū)域,溝蝕形成影響因素更加復(fù)雜化,需做更加深入的研究[19]。
圖3 不同坡度下防護(hù)林和侵蝕溝密度圖Fig.3 Density of shelterbelt and gully in the different slope
對防護(hù)林和侵蝕溝的研究發(fā)現(xiàn),隨著坡度的增加,防護(hù)林密度和侵蝕溝密度變化總體上呈現(xiàn)相反趨勢,隨著防護(hù)林密度減小,侵蝕溝密度是增加的,說明防護(hù)林具有抑制溝蝕產(chǎn)生的作用。由進(jìn)一步分析可知,在坡度<1°和1~3°2個坡度處,防護(hù)林密度變化不大,分別為914.95和922.07 m/km2,而其對應(yīng)的侵蝕溝密度仍然增大,從440.47 m/km2增大到502.42 m/km2,說明排除防護(hù)林密度影響,坡度在溝蝕形成發(fā)育中具有重要作用;而在坡度>8°的2個不同坡度處,防護(hù)林密度變化不大,分別為540.77和548.97 m/km2,而侵蝕溝密度也無明顯變化,分別為670.84和672.87 m/km2,進(jìn)一步說明坡度在溝蝕的形成上影響微弱。可見,在防護(hù)林營造上,要根據(jù)不同的地形部位特征,因地制宜,適度營造防護(hù)林,能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效應(yīng)的最大化,較好地實現(xiàn)侵蝕防治。
農(nóng)田防護(hù)林作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在防御自然災(zāi)害、防風(fēng)固沙、保水固土和涵養(yǎng)水源等方面發(fā)揮功能,而距林網(wǎng)的距離是研究這些生態(tài)功能的重要方法[18,20-21]。黑龍江省防護(hù)林營造初期,以500 m×500 m規(guī)格的防護(hù)林網(wǎng)為主,此種規(guī)格的林網(wǎng)偏大,使得其防護(hù)效應(yīng)未能得到充分發(fā)揮,從1978以后,逐漸開始實行“小網(wǎng)窄帶”農(nóng)防林優(yōu)化模式,以此改善防護(hù)林的防護(hù)效應(yīng)[22]。研究區(qū)內(nèi)主林帶的間距主要分布于200~500 m之間,隨著距林帶距離的增加,侵蝕溝密度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(圖 4),從 419 m/km2增大到 504.80 m/km2,說明距林帶距離遠(yuǎn)近影響林帶對于溝蝕的防護(hù)效果。
圖4 距防護(hù)林不同距離下侵蝕溝密度Fig.4 Change of gully density with its distance to shelterbelts
由圖4可知,在不同的距離下,林帶對于溝蝕的防護(hù)效果是不同的:在<120 m的林帶防護(hù)距離內(nèi),侵蝕溝密度增加微弱,從419 m/km2增大到428.14 m/km2;在120~240 m之間的防護(hù)距離內(nèi),侵蝕溝密度增長較大,從441.66 m/km2增大到464.98 m/km2;而240 m以外的防護(hù)距離內(nèi),侵蝕溝密度增加最大,達(dá)到504.80 m/km2。據(jù)此可以得出,防護(hù)林對于溝蝕的防護(hù)距離,在距林帶120 m之內(nèi)的防護(hù)距離內(nèi),其對溝蝕防護(hù)效應(yīng)基本一樣,而大于此距離,防護(hù)效應(yīng)開始逐漸減弱,在120~240 m之內(nèi)的防護(hù)距離內(nèi),防護(hù)效應(yīng)是隨著距離增加,呈現(xiàn)線性遞減的趨勢(y=7.828 9x+433.97,R2=0.998 9),而 240 m 以外的距離,防護(hù)林對于溝蝕的防護(hù)作用已經(jīng)非常微弱了。研究表明,林帶根系能夠較好的改善土壤酶活性,但是隨著林帶距離的增加,土壤活性酶逐漸減少,防護(hù)林降低風(fēng)速、截流水分的作用減弱,防止侵蝕的作用也隨之減弱[23-25]。
合理配置東北黑土區(qū)防護(hù)林網(wǎng)間距,對于溝蝕防治具有重要意義。距離過大,不能起到良好的侵蝕防治效果,而距離過小,又浪費人力物力,同時防護(hù)林協(xié)地效應(yīng)影響作物的生長。當(dāng)前研究區(qū)南部和東部地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林主林帶的間距主要分布于200~300 m之間,而西部、中部和北部地區(qū)防護(hù)林破碎化較嚴(yán)重,主林帶的間距在400~600 m之間的較多,研究區(qū)的林帶間距過大,影響防護(hù)效應(yīng)的發(fā)揮。徐海等[26]引入臨界坡長的概念,作為防護(hù)林間距配置的標(biāo)準(zhǔn),而在毗鄰的嫩江縣的研究中得出,黑土區(qū)防護(hù)林帶距離多>200 m,而此間距遠(yuǎn)大于溝蝕的最小臨界坡長,導(dǎo)致其不能較好的起到防治溝蝕的作用[18],該結(jié)論與筆者的研究結(jié)果一致。研究區(qū)僅就溝蝕防治而言,2條林帶之間的距離在120 m左右,就能起到很好效果,因此,加大防護(hù)林種植密度、縮小防護(hù)林帶間距是防治溝蝕發(fā)生的有效方法。
3.4 防護(hù)林密度與侵蝕溝密度關(guān)系
將研究區(qū)防護(hù)林密度分為<100 m/km2,100~300 m/km2,…,1 300 ~1 500 m/km2,>1 500 m/km2共9個等級,將其與侵蝕溝密度圖疊加來分析防護(hù)林和侵蝕溝之間的關(guān)系。從圖5可知,總體上來說,隨著防護(hù)林密度的增大,侵蝕溝密度是減少的,從702.26 m/km2減少到263.69 m/km2,防護(hù)林密度和侵蝕溝密度之間呈現(xiàn)線性關(guān)系(y=-60.496x+807.56,R2=0.920 3),說明防護(hù)林對于溝蝕的防護(hù)作用是明顯的,尤其是防護(hù)林密度在500~1 300 m/km2之間,防護(hù)林對溝蝕的防護(hù)效果非常明顯,呈現(xiàn)高度的線性相關(guān)(y=-113.75x+777.31,R2=0.996 1)。在 >1 300 m/km2時,侵蝕溝密度從315.56 m/km2減少到263.69 m/km2,說明防護(hù)林密度在>1 300 m/km2時,對溝蝕的防護(hù)效果變化不很明顯,較大的防護(hù)林密度并不一定起到最好的防護(hù)效果。研究表明,造林密度過大,因樹木之間的競爭與它感效應(yīng),樹木生長受到限制,而導(dǎo)致退化,進(jìn)而影響樹木的防護(hù)效應(yīng)[27]。
圖5 侵蝕溝密度隨防護(hù)林密度變化曲線Fig.5 Change curve of gully density with shelterbelt density
在防護(hù)林的經(jīng)營管理上要實現(xiàn)合理配置,才能使得防護(hù)效應(yīng)達(dá)到最優(yōu),同時又不浪費資源。對于研究區(qū)而言,種植密度在第7等級,即1 100~1 300 m/km2時,侵蝕溝密度已經(jīng)減少到很小,可以達(dá)到防護(hù)效果;因此,該密度可以作為防護(hù)林防治溝蝕的參考種植密度。另外,防護(hù)林密度在500~700 m/km2處,侵蝕溝密度出現(xiàn)增大的趨勢,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),主要與土地利用有關(guān),這一區(qū)域是坡度較大的低山丘陵區(qū),毀林開荒、陡坡耕種現(xiàn)象嚴(yán)重,這種不合理的土地利用方式,導(dǎo)致該區(qū)侵蝕溝劇增,侵蝕溝長度和支溝數(shù)量明顯高于別的區(qū)域,說明合理利用土地資源,對于溝蝕防治至關(guān)重要。此外,合理配置防護(hù)林,營造喬、灌、草相結(jié)合的多樹種、多層次的異齡混交林,組成多層次立體結(jié)構(gòu),可以較好的實現(xiàn)防護(hù)林的水土保持效益[28]。
筆者利用GIS技術(shù)和遙感手段,對東北黑土區(qū)農(nóng)田防護(hù)林與溝谷侵蝕關(guān)系進(jìn)行分析。研究表明:與人工生態(tài)系統(tǒng)防護(hù)林的數(shù)量、密度和長度等指標(biāo)現(xiàn)狀對比可知,研究區(qū)溝蝕狀況非常嚴(yán)重,急需治理;防護(hù)林密度隨著坡度的增加,呈現(xiàn)出減少的趨勢,侵蝕溝密度則呈現(xiàn)出增加的趨勢,兩者變化呈現(xiàn)相反趨勢,防護(hù)林具有抑制溝蝕產(chǎn)生的作用;坡度<8°時,其對溝蝕形成具有主要作用,而>8°時,侵蝕溝形成受其他因素影響較大;防護(hù)林對溝蝕的防護(hù)效應(yīng)在<120 m的防護(hù)距離內(nèi)基本一樣,在120~240 m之間的防護(hù)距離,隨著距離增加,防護(hù)效應(yīng)減弱,而>240 m以外的防護(hù)距離內(nèi),防護(hù)效應(yīng)明顯減弱,以120 m作為防護(hù)林網(wǎng)種植間距,對于溝蝕防治具有重要意義;防護(hù)林的種植密度需要在合適的范圍內(nèi),才能起到良好的抑制溝蝕的效果,密度在1 100~1 300 m/km2之間,防護(hù)林對溝蝕的防護(hù)效果非常明顯;此外,合理利用土地資源和進(jìn)行防護(hù)林配置,對于溝蝕防治非常重要。
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