(1.遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110122；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866)

1 引 言

東北黑土區(qū)作為世界上僅有的三塊黑土地之一，是我國重要的商品糧基地。黑土因性狀好、土壤肥沃、有機質(zhì)含量豐富而成為人們爭先開墾的對象，超負(fù)荷的開發(fā)致使黑土以一定的速度逐年流失，土地承載能力下降，生態(tài)環(huán)境日趨惡化。黑土區(qū)嚴(yán)重的土壤侵蝕已引起社會各界人士的廣泛關(guān)注。

坡—溝侵蝕關(guān)系研究源于流域泥沙來源和水土保持治理措施設(shè)計[1]。受研究技術(shù)和方法的限制，以往的研究沒有將坡面侵蝕和溝蝕有效結(jié)合起來描述流域侵蝕產(chǎn)沙，很難弄清流域土壤侵蝕中坡面侵蝕和溝蝕之間的關(guān)系[2]。對于流域徑流泥沙來源，蔣德麒等[3]研究忽略了坡面徑流通過坡面時所產(chǎn)生的泥沙，認(rèn)為流域的徑流泥沙主要來自溝道。焦菊英等[4]研究認(rèn)為坡面來水來沙可使溝坡的侵蝕產(chǎn)沙能力增加70%，而當(dāng)坡面水被隔絕時，坡面徑流和產(chǎn)沙能力可分別減小61%和84%。因此，坡面侵蝕與溝蝕在流域土壤侵蝕中具有不同作用，坡面除自身侵蝕外，還在一定程度上通過坡面匯水至溝道影響溝蝕能力[5]。

坡面侵蝕和溝蝕是東北黑土區(qū)土壤侵蝕中最主要的侵蝕方式，以往學(xué)者在土壤侵蝕方面做了諸多探索。坡面侵蝕方面，USLE模型在大尺度土壤侵蝕方面應(yīng)用最為廣泛，研究中將GIS技術(shù)與USLE模型結(jié)合來估算土壤侵蝕量和侵蝕強度，取得較好成果[6]。溝蝕方面，將 GIS、GPS與傳統(tǒng)侵蝕溝測量技術(shù)相結(jié)合，在研究區(qū)選擇典型侵蝕溝進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測來研究小尺度侵蝕溝形態(tài)特征、產(chǎn)生機理、原因和動態(tài)發(fā)育等，研究也日漸成熟[7]。而遙感和 GIS 結(jié)合在區(qū)域大尺度上進(jìn)行侵蝕溝動態(tài)變化和空間分異規(guī)律的研究在黑土區(qū)也有嘗試[8]。坡面侵蝕和溝蝕是相互作用、惡性循環(huán)的統(tǒng)一整體，將坡面侵蝕和溝蝕孤立已不能滿足當(dāng)前土壤侵蝕學(xué)科發(fā)展的需求，但應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)探索坡面侵蝕和溝蝕耦合關(guān)系的研究十分缺乏。本文以黑龍江省拜泉縣為典型區(qū)域，以USLE模型和Kriging空間插值為基礎(chǔ)，在遙感和GIS技術(shù)支持下獲取研究區(qū)坡面侵蝕量和侵蝕溝分布情況，探索不同侵蝕強度等級、坡度和坡向等方面坡—溝侵蝕關(guān)系，以期為東北黑土區(qū)坡—溝侵蝕綜合治理提供科學(xué)參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

拜泉縣總面積3601.56 km2，境內(nèi)以坡耕地為主，此外還有少量的草原和水域。拜泉縣地形復(fù)雜多樣，地勢東北高、西南低，既有連綿起伏的低山丘陵，又有溝壑縱橫的漫川漫崗和沖積平原。地處小興安嶺余脈與松嫩平原的過渡地帶，歐亞大陸東岸，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量490mm。境內(nèi)四季雨熱同期，日照充足且晝夜溫差較大，年均積溫2454.5℃，年均日照2730h，無霜期122d。主要作物有玉米、大豆、小麥、馬鈴薯、蕓豆和葵花等。選擇東北黑土區(qū)拜泉縣作為典型研究區(qū)主要考慮以下情況：?拜泉縣地貌類型多樣，侵蝕性降雨集中，土壤侵蝕問題嚴(yán)重；?拜泉縣地處中高緯度，冬季凍融循環(huán)作用明顯；?相對于整個東北黑土區(qū)而言，該縣位置偏西北部，開墾時間相對較晚，能夠清楚地反映人類活動對土壤侵蝕的影響。

圖1 研究區(qū)侵蝕溝分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)主要分為兩大部分：?反映地表動態(tài)變化的遙感影像，包括2016年遙感影像(空間分辨率為 2.5m)；?用于估算坡面侵蝕量因子的空間數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)及周邊18個氣象站點近30年的降雨觀測資料、土壤資料及比例尺為1∶50000數(shù)字高程模型(DEM)，通過遙感解譯獲取的2016年土地利用以及水土保持措施等信息。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同侵蝕強度等級上的坡—溝侵蝕關(guān)系

3.1.1 坡—溝侵蝕強度等級確定

按照水利部頒布的《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 446—2009)，依據(jù)坡面土壤侵蝕模數(shù)數(shù)值將坡面土壤侵蝕強度劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕6個等級，得到研究區(qū)坡面土壤侵蝕強度空間分布圖(見圖2)。

對于研究區(qū)溝蝕而言，由于水利部溝蝕分級評價標(biāo)準(zhǔn)定義小于1000m/km2為微度侵蝕，在此標(biāo)準(zhǔn)下黑土區(qū)基本不會發(fā)生溝蝕，但黑土區(qū)獨特的自然環(huán)境和人類活動方式致使黑土區(qū)溝壑縱橫，愈演愈烈的溝蝕不斷切割農(nóng)田，吞噬耕地，溝蝕狀況十分嚴(yán)峻。考慮到黑土區(qū)特殊性，簡單地套用標(biāo)準(zhǔn)不能反映黑土區(qū)溝蝕的嚴(yán)重性，因此閆業(yè)超等[8]研究成果將侵蝕溝密度(密集度)分成：小于100m/km2(小于0.5條/km2)、100～250m/km2(0.5～1.5條/km2)、250～500m/km2(1.5～3.0條/km2)、500～750m/km2(3.0～4.5條/km2)、750～1000m/km2(4.5～6.0條/km2)和大于1000m/km2(大于6.0條/km2)，即微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕6個強度等級，獲取研究區(qū)溝蝕強度空間分布圖(見圖3)。

圖2 坡面土壤侵蝕量空間分布

圖3 侵蝕溝密度、密集度指標(biāo)空間分布

3.1.2 不同強度等級坡—溝侵蝕分布

侵蝕溝密度和密集度體現(xiàn)了區(qū)域溝壑化程度，在一定程度上反映了地面的切割破碎程度。由圖3可以看出，整個研究區(qū)東部土壤侵蝕大于西部，對于溝蝕來說，侵蝕溝密度和密集度從西北向東南方向以波浪擴散的形式呈現(xiàn)逐級增大的趨勢。主要原因是：研究區(qū)以坡耕地為主，人為擾動大，且東部耕地坡度更大，地形條件更為復(fù)雜，在集中降雨條件下易形成集中地表徑流，在一定條件下加劇了侵蝕發(fā)生。為了探究研究區(qū)不同侵蝕強度坡—溝侵蝕關(guān)系，根據(jù)坡面土壤侵蝕強度空間分布圖和溝蝕強度空間分布圖，運用ArcGIS屬性查詢功能獲取研究區(qū)不同侵蝕強度等級坡—溝侵蝕狀況(見表1)。

表1 不同侵蝕強度等級坡—溝侵蝕面積

根據(jù)不同強度坡—溝侵蝕統(tǒng)計結(jié)果可以得出：對于坡面侵蝕而言，微度侵蝕和輕度侵蝕分別占研究區(qū)總面積的72.27%和23.12%，微度侵蝕和輕度侵蝕是該區(qū)坡面侵蝕的主要侵蝕形式，中度及中度以上侵蝕不足研究區(qū)總面積的5%。而對于溝蝕而言，不管侵蝕溝密度還是侵蝕溝密集度，中度及中度以下面積都較大，分別占研究區(qū)總面積的82.86%和93.08%，強烈及強烈以上侵蝕面積僅為研究區(qū)總面積的17.14%和6.92%，微度、輕度及中度侵蝕是研究區(qū)溝蝕的主要侵蝕形式。對于研究區(qū)整個土壤侵蝕而言，微度侵蝕在研究區(qū)坡面侵蝕和溝蝕中占主要地位，最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p度、中度和強烈侵蝕面積在該區(qū)占有較大的比例，而研究區(qū)極強烈和劇烈侵蝕極其微弱。這種空間分布主要歸因于：?研究區(qū)地處東北黑土區(qū)中部，地貌類型多為海拔較小的漫川漫崗和高平原區(qū)，其在研究區(qū)中占較大的比例，侵蝕沉積交替進(jìn)行，微度侵蝕廣泛分布；?輕度、中度和強烈侵蝕易發(fā)的區(qū)域多為坡度較小的低山丘陵區(qū)，且大多開墾為坡耕地，該區(qū)人為擾動頻繁，土壤侵蝕潛力較大；?極強烈及以上侵蝕多發(fā)生在海拔和坡度較大的山地丘陵區(qū)，由于該區(qū)在研究區(qū)中所占比例較小且多為植被覆蓋較高的林地，因此不易發(fā)生土壤侵蝕。總的來說，研究區(qū)溝蝕狀況較為嚴(yán)重，且處于不斷發(fā)展?fàn)顟B(tài)。溝蝕作為坡面侵蝕的極端狀況，二者緊密聯(lián)系，溝蝕的發(fā)展在一定程度上促進(jìn)了坡面侵蝕的發(fā)生，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右灶A(yù)防治理，必將加速坡面侵蝕強度向更高等級發(fā)展。

3.2 不同地形特征坡—溝侵蝕關(guān)系

3.2.1 不同坡度等級上的坡—溝侵蝕關(guān)系

坡度的起伏變化主要體現(xiàn)在研究區(qū)漫川漫崗、高平原和丘陵地形地貌上，進(jìn)而影響著坡面侵蝕和溝蝕的空間差異性。通過研究區(qū)DEM運用ArcGIS的Slope分析功能提取地形坡度，并將坡度圖劃分為小于1°、1～3°、3～5°、5～7°、7～9°、9～11°、11～13°、13～15°、15～17°和大于17°共10個坡度等級，再將坡度圖與坡面侵蝕空間分布圖和溝蝕空間分布圖疊加，分析不同地形坡度等級上的坡—溝侵蝕狀況(見圖4)。

由圖4可以看出，坡面侵蝕量和溝蝕密度(密集度)指標(biāo)隨坡度的增加變化趨勢明顯，且兩種侵蝕方式與坡度之間的關(guān)系存在顯著的差異。就坡面侵蝕而言，坡面侵蝕量的大小受坡度影響顯著，隨坡度的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，即從123.95t/(km2·a)增加到1568.05t/(km2·a)，然后降為716.55t/(km2·a)，坡面侵蝕量最大值出現(xiàn)在13～15°之間。二者之間近似呈冪函數(shù)關(guān)系(y=-39. 429x2+542.201x-486.570，R2=0.897)，這與王文娟等[9]對黑土區(qū)土壤侵蝕研究成果基本一致。對溝蝕來說，溝蝕密度和密集度隨坡度的增大呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定減小的趨勢，二者分別在9～11°之間達(dá)到最大值859.82m/km2和3.73條/km2。與坡面侵蝕同理，溝蝕密度和密集度分別與坡度之間也近似呈冪函數(shù)關(guān)系(y=-16.940x2+254.470x-76.896，R2=0.965；y=-0.077x2+1.161x-0.576，R2=0.967)。上述分析表明：在坡度小于15°的情況下，坡面侵蝕量隨坡度的增加而增大；而在坡度大于15°時，坡面匯水面積小，降水在坡面停留時間較短，降雨入滲減小，無法形成集中地表徑流，徑流剪切力小，因此坡面侵蝕量隨坡度的增加反而減小。相對于坡面侵蝕，坡度對溝蝕的影響不似坡面侵蝕顯著，主要歸因于溝蝕發(fā)育是各種自然因素(包括坡度、坡長等地形因子，及匯水面積、降雨強度和植被覆蓋等)和人為因素共同作用的結(jié)果。當(dāng)坡度小于11°時，溝蝕密度和密集度指標(biāo)隨坡度的增大而增大，此時坡度是促進(jìn)侵蝕溝發(fā)育的主要因素；而當(dāng)坡度大于11°時，溝蝕密度和密集度指標(biāo)隨坡度的增大而趨于穩(wěn)定，此時坡度已不是制約溝蝕發(fā)育的主要因素，溝蝕的發(fā)育更多的受地形坡長、匯水面積、降雨強度和植被覆蓋度等因素的影響。

3.2.2 不同坡向等級坡—溝侵蝕關(guān)系

坡向是土壤侵蝕研究中不可忽略的地形因子，坡向?qū)ν寥狼治g空間差異性的影響與陰、陽坡熱量、土壤水分、降雨侵蝕力和植被覆蓋狀況有關(guān)，二者在不同坡向上呈現(xiàn)顯著的不對稱性[10]。以研究區(qū)DEM為數(shù)據(jù)源，運用ArcGIS的Aspect分析功能將研究區(qū)坡向圖劃分為平坡(F)、北坡(N)、東北坡(NE)、東坡(E)、東南坡(SE)、南坡(S)、西南坡(SW)、西坡(S)和西北坡(NW)9個坡向，并將其坡度圖與坡面侵蝕空間分布圖和溝蝕空間分布圖疊加，分析探討研究區(qū)不同地形坡向坡—溝侵蝕狀況(見圖5)。

圖5 不同地形坡向上坡—溝侵蝕關(guān)系

由圖5可以看出，研究區(qū)不同坡向坡面侵蝕量和溝蝕密度(密集度)差異不明顯，平坡上基本不產(chǎn)生土壤侵蝕。對典型黑土區(qū)坡面侵蝕來說，以東南坡、南坡、西南坡為主的陽坡坡面侵蝕量為1151.06t/(km2·a)，以東北坡、北坡和西北坡為主的陰坡坡面侵蝕量為1056.12t/(km2·a)，說明陽坡坡面侵蝕量略高于陰坡，此研究結(jié)果與韓富偉等[11]研究的不同坡向下土壤侵蝕結(jié)果基本吻合。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要有：?陽坡較陰坡日照時間長，接受太陽輻射量大，土壤晝夜溫差大，凍融循環(huán)作用明顯，致使表層土壤質(zhì)地疏松，土壤抗蝕性降低；?典型黑土區(qū)陽坡春季融雪較快，產(chǎn)生徑流快而集中，徑流剪切力增強；?受夏季風(fēng)氣候影響，黑土區(qū)侵蝕性降雨大而集中，且陽坡為迎風(fēng)坡，雨滴與坡面的夾角大，增大了雨滴打擊坡面的角度，對坡面的擊濺作用強。對溝蝕而言，坡向?qū)衔g發(fā)育狀況影響差異不大，各坡向溝蝕密度和密集度范圍分別為238.19～320.13m/km2和0.78～1.23條/km2，平均值分別為253.59m/km2和0.93條/km2，各坡向溝蝕密度和密集度基本保持一致。黑土區(qū)漫川漫崗、低山丘陵的地貌類型決定了該區(qū)地形起伏變化較小，加之溝蝕發(fā)育具有一定的不確定性，因此黑土區(qū)溝蝕不具有顯著的方向性。以上分析表明，坡向不是影響黑土區(qū)坡面侵蝕和溝蝕的首要因子。

3.3 坡面侵蝕量與溝蝕密度、密集度指標(biāo)間的關(guān)系

坡面侵蝕和溝蝕在空間和時間序列上相互作用，形成惡性循環(huán)。為探索坡面侵蝕和溝蝕之間的關(guān)系，在參考《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 446—2009)的基礎(chǔ)上，按照小于200t/(km2·a)、200～600t/(km2·a)、600～900t/(km2·a)、900～1200t/(km2·a)、1200～1500t/(km2·a)、1500～1800t/(km2·a)、1800～2100t/(km2·a)、2100～2400t/(km2·a)、2400～2700t/(km2·a)、2700～3000t/(km2·a)、3000～3300t/(km2·a)、3300～3600t/(km2·a)、3600～3900t/(km2·a)、3900～4200t/(km2·a)、4200～4500t/(km2·a)、4500～4800t/(km2·a)和>4800t/(km2·a)的數(shù)值范圍將土壤侵蝕量細(xì)分為17個等級，并將其與溝蝕密度圖和密集度圖疊加，獲取研究區(qū)不同坡面侵蝕等級溝蝕密度和密集度分布情況(見圖6)。

圖6 侵蝕溝密度、密集度指標(biāo)隨坡面侵蝕量變化

由圖6可以看出，溝蝕密度和密集度指標(biāo)隨著坡面侵蝕量增大而增加，二者呈現(xiàn)顯著的冪函數(shù)關(guān)系(y=-1.799x2+55.155x+177.860，R2=0.9841；y=-0.008x2+0.238x+0.613，R2=0.9849)。坡面侵蝕量為2400t/(km2·a)是中度侵蝕和強烈侵蝕分界線，當(dāng)坡面侵蝕量小于2400t/(km2·a)時，溝蝕密度和密集度之間呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系(y=41.468x+195.310，R2=0.9738；y=0.177x+0.696，R2=0.9714)，隨坡面侵蝕量增加，溝蝕密度和密集度線性增長；當(dāng)坡面侵蝕量大于2400t/(km2·a)時，溝蝕密度和密集度隨坡面侵蝕量增加呈穩(wěn)定增長趨勢。以上分析表明：在中度及中度以下侵蝕區(qū)，侵蝕溝發(fā)育與坡面侵蝕量極度相關(guān)，進(jìn)行坡面治理可有效防止侵蝕溝形成發(fā)育；而在強烈及強烈以上侵蝕區(qū)，侵蝕溝發(fā)育與坡面侵蝕量關(guān)系不顯著，在該區(qū)進(jìn)行坡面治理的同時，還必須輔以合理的溝蝕治理措施才能有效地預(yù)防侵蝕溝的形成和發(fā)育。

4 結(jié) 論

本文在GIS和遙感技術(shù)的支持下獲取典型黑土區(qū)坡面侵蝕量和侵蝕溝空間分布，并探討了坡—溝侵分布關(guān)系，得出以下結(jié)論：

a.典型黑土區(qū)東部土壤侵蝕大于西部，微度侵蝕在坡面侵蝕和溝蝕中占主要地位，最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p度、中度和強烈侵蝕面積占有較大的比例，而研究區(qū)極強烈和劇烈侵蝕極其微弱。侵蝕溝密度和密集度從西北向東南方向以波浪擴散的形式呈現(xiàn)逐級增大的趨勢，溝蝕狀況較為嚴(yán)重，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右苑乐?，必將加速坡面侵蝕強度向更高等級發(fā)展。

b.坡面侵蝕量和侵蝕溝密度和密集度指標(biāo)隨坡度的增大變化趨勢明顯，且兩種侵蝕方式與坡度之間的關(guān)系存在顯著的差異。就坡面侵蝕而言，在坡度小于15°的情況下，坡面侵蝕量隨坡度的增大而增加，而在坡度大于15°時，坡面侵蝕量隨坡度的增大反而減小。坡度對溝蝕的影響不似坡面侵蝕顯著，當(dāng)坡度小于11°時，溝蝕密度和密集度隨坡度的增大而增大，而當(dāng)坡度大于11°時，溝蝕密度和密集度隨坡度的增大而趨于穩(wěn)定。

c.典型黑土區(qū)不同坡向坡面侵蝕量和侵蝕溝密度(密集度)差異不明顯，平坡基本不產(chǎn)生土壤侵蝕。對坡面侵蝕來說，以東南坡、南坡、西南坡為主的陽坡坡面侵蝕量為151.06t/(km2·a),略高于以東北坡、北坡和西北坡為主的陰坡坡面侵蝕量,即1056.12t/(km2·a)。對溝蝕而言，坡向?qū)衔g發(fā)育狀況影響差異不大，各坡向溝蝕密度和密集度范圍分別為238.19～320.13m/km2和0.78～1.23條/km2，平均值分別為253.59m/km2和0.93條/km2，黑土區(qū)溝蝕不具有顯著的方向性。

d.坡面侵蝕量2400t/(km2·a)是中度侵蝕和強烈侵蝕分界線，在中度及中度以下侵蝕區(qū)，侵蝕溝發(fā)育與坡面侵蝕量極度相關(guān)，進(jìn)行坡面治理可有效防止侵蝕溝形成發(fā)育；而在強烈及強烈以上侵蝕區(qū)，侵蝕溝發(fā)育與坡面侵蝕量關(guān)系不顯著，在該區(qū)進(jìn)行坡面治理的同時，還必須輔以合理的溝蝕治理措施才能有效地預(yù)防侵蝕溝的形成和發(fā)育。