劉寶元,劉 剛,王大安,伍永秋,段興武,李建偉,沈 波,孟令欽,高 燕

(1.北京師范大學(xué),地理科學(xué)學(xué)部,地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,100875,北京;2.云南大學(xué)自然科學(xué)研究院,650091,昆明;3.水利部松遼水利委員會,130021,長春)

土壤水蝕按發(fā)展過程及形態(tài)變化分為細(xì)溝間、細(xì)溝、淺溝和切溝,本研究所指溝蝕或侵蝕溝是指淺溝和切溝。溝蝕調(diào)查目前主要有2種方法：一是野外直接測量[1],測量結(jié)果精確,但大范圍測量需要投入的人工和時間成本高;二是利用遙感影像或地形圖進(jìn)行人工判讀或計算[24],該方法受遙感解譯精度、遙感影像或地形圖空間分辨率以及判讀經(jīng)驗影響,無法識別淺溝,難以判斷規(guī)模不大的切溝。在國務(wù)院批準(zhǔn)通過的《全國水土保持規(guī)劃(2015—2030)》中,明確規(guī)定侵蝕溝綜合治理的重點項目。為了確保綜合治理目標(biāo)的實現(xiàn),需要從2個層次上研究侵蝕溝發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r：一是空間范圍較大的區(qū)域?qū)哟?重點關(guān)注溝壑密度大、發(fā)展快、溝蝕強(qiáng)度大的地區(qū);二是小流域綜合治理層次上,準(zhǔn)確定量測量侵蝕溝狀況。從這一目標(biāo)出發(fā),本研究在全國第1次水利普查土壤侵蝕抽樣調(diào)查方法基礎(chǔ)上,提出區(qū)域溝蝕調(diào)查的抽樣方法,即在某區(qū)域內(nèi)用抽樣方法確定實地調(diào)查的小流域,即野外調(diào)查單元,在調(diào)查單元范圍內(nèi)進(jìn)行全覆蓋溝蝕調(diào)查,區(qū)域內(nèi)所有調(diào)查單元結(jié)果的匯總即為區(qū)域溝蝕狀況,并為小流域侵蝕溝治理初步設(shè)計提供數(shù)據(jù)或調(diào)查方法。利用本方法可區(qū)分淺溝和切溝,獲得侵蝕溝精確數(shù)據(jù),提高溝蝕調(diào)查和評價精度,為溝蝕防治措施的針對性實施提供科學(xué)依據(jù)。

東北地區(qū)包括黑、吉、遼3省和內(nèi)蒙古東部的三市一盟。區(qū)內(nèi)主要土壤類型為黑土、黑鈣土和草甸土等,因其富含有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)黑色而統(tǒng)稱為黑土,故該區(qū)又被稱為廣義的東北黑土區(qū)[5]。其中東北3省是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,2012年玉米和大豆產(chǎn)量分別占全國總產(chǎn)的33.5%和41.4%[6]。但100余年開墾過程中因未采取有效的水土保持措施,導(dǎo)致土壤侵蝕十分嚴(yán)重,表現(xiàn)為黑土厚度減少、肥力下降和愈發(fā)嚴(yán)重的溝蝕[7]。劉寶元等[8]基于徑流小區(qū)觀測資料建立坡耕地細(xì)溝和細(xì)溝間土壤侵蝕模型,并利用137Cs示蹤結(jié)果進(jìn)行了驗證,實現(xiàn)區(qū)內(nèi)坡耕地片蝕的定量預(yù)報,但無法預(yù)報溝蝕。筆者以東北3省為例,選擇典型縣,進(jìn)行溝蝕抽樣調(diào)查方法研究。

1 研究區(qū)概況

筆者在東北地區(qū)選擇4個縣進(jìn)行溝蝕抽樣調(diào)查,分別為遼寧省彰武縣和遼陽縣、黑龍江省嫩江縣、內(nèi)蒙古阿榮旗。4個縣都屬于山地向平原過渡的山前臺地和丘陵區(qū),但地形起伏差異較大。遼陽縣以海拔200～500 m的典型丘陵為主,彰武縣處于高原向平原的過渡區(qū),地形更為平坦,丘陵更為和緩,臺地特征明顯。嫩江縣和阿榮旗分屬于小興安嶺和大興安嶺向嫩江平原的過渡帶,東側(cè)以波狀起伏的漫崗丘陵為主,西側(cè)則以臺地和高差較大丘陵為主,地形起伏明顯增大。

根據(jù)第1次水利普查的統(tǒng)計結(jié)果：彰武縣和嫩江縣耕地面積均超過50%,分別為55.6%和54.5%,林地次之,分別為30.0%和27.0%。遼陽縣和阿榮旗則以林地為主,比例分別為48.4%和67.4%,其次是耕地,分別為28.9%和29.1%,另外遼陽縣園地面積明顯高于其他各縣。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查單元確定

為便于今后溝蝕與面蝕調(diào)查同時開展,直接采用全國第1次水利普查土壤侵蝕普查的分層不等概率系統(tǒng)抽樣方法確定野外調(diào)查單元[9],即野外調(diào)查單元的概念、確定方法與普查一致[2]。它是指野外實際調(diào)查的空間范圍,山丘區(qū)是面積1 km2左右的小流域,平坦區(qū)是1 km×1 km的網(wǎng)格。全國劃分4層網(wǎng)格,在第3層網(wǎng)格(5 km×5 km)選用不同抽樣密度后,抽取對應(yīng)的第4層網(wǎng)格(1 km×1 km),在該網(wǎng)格中心點經(jīng)緯度所在的1∶1萬地形圖的中心區(qū)域,根據(jù)調(diào)查單元定義確定其具體位置和范圍。

2.2 調(diào)查底圖制作

溝蝕調(diào)查單元底圖是上述土壤侵蝕普查調(diào)查單元底圖基礎(chǔ)上,增加溝蝕調(diào)查行走線路的底圖(圖1)[2]。行走線路是根據(jù)調(diào)查單元底圖規(guī)劃出的直線,其目的一是方便野外GPS導(dǎo)航定位和防止遺漏或者重復(fù)調(diào)查侵蝕溝,二是最大限度減少在調(diào)查單元內(nèi)的行走距離,提高調(diào)查效率。規(guī)劃的每條直線須標(biāo)出至少3個途經(jīng)點的編號(圖1(a)),并給出其對應(yīng)的經(jīng)緯度列表(圖1(b))。室內(nèi)規(guī)劃路線方法如下：首先大致平行于等高線,每間隔200 m繪1條直線;然后在每條直線上標(biāo)出3個點,并提供所有點的編號和經(jīng)緯度信息列表。平行于等高線可確保調(diào)查過程中容易行走且能橫穿侵蝕溝不易漏掉。200 m間隔是目力所及范圍,可確保2條線路之間的所有侵蝕溝能被觀察到。

圖1 溝蝕調(diào)查單元底圖(a)調(diào)查線路點經(jīng)緯度列表(b)及溝蝕野外調(diào)查表(c)示例Fig.1 Base map of gully erosion survey unit(a),latitude and longitude list of survey way points(b)and gully erosion survey table(c)

2.3 野外調(diào)查

野外調(diào)查包括拍攝照片,填寫記錄表,勾繪調(diào)查圖。到達(dá)調(diào)查單元后,首先拍攝GPS顯示調(diào)查單元經(jīng)緯度的標(biāo)識照片以及宏觀遠(yuǎn)景照片,填寫調(diào)查表表頭(圖1(c)),然后參考室內(nèi)設(shè)計的行走路線規(guī)劃實際行走路線。嚴(yán)格按照規(guī)劃線路行走,并注意觀察,一旦發(fā)現(xiàn)侵蝕溝,首先沿該條侵蝕溝走到溝頭或者溝尾,從溝頭或者溝尾開始測量,測量結(jié)束后返回行走線路,繼續(xù)按照行走線路觀察,遇新溝開始測量,如此循環(huán),直至本線路結(jié)束,開始另一條線路,重復(fù)同樣過程。

具體測量方法：每條侵蝕溝測量3～5個橫斷面;溝長≤100 m,分別為溝頭、溝尾、溝中間3個斷面;溝長＞100 m,或溝長≤100 m且深度或?qū)挾茸兓髸r,除上述3個點外,增加溝中上部、溝中下部,共計測量5個斷面;如果溝長＞300 m,可適當(dāng)加密測量斷面。侵蝕溝橫斷面的測量內(nèi)容包括記錄GPS點信息,每個橫斷面拍攝1～2張能反映出斷面溝寬、深、土地利用的照片,測量溝寬度和深度,以上信息填寫記錄表并在圖上勾繪侵蝕溝的位置。

測量時需要嚴(yán)格區(qū)分淺溝和切溝(表1)：淺溝發(fā)生于坡面,其斷面按矩形測量1個寬度(上寬)和3個深度(圖2(a))。切溝既可發(fā)生在坡面(坡面溝),又可發(fā)生在谷底(谷底溝),其斷面按梯形測量上寬和下寬,以及3個深度(圖2(b))。需要注意的是：如果淺溝由于耕作填平,只記錄gps點,寬度和深度記為0,并進(jìn)行備注。如果1條坡面溝出現(xiàn)淺溝和切溝交替,無論間距多大,從第1個跌水到最后1條切溝溝尾均視為1條切溝。谷底溝從上游第1個跌水開始至下游結(jié)束出現(xiàn)的溝都視為切溝,若有多條切溝交替出現(xiàn),且相鄰兩條切溝之間的距離小于其中任意1條切溝長度時,則將這兩條切溝視為1條切溝,反之作為2條切溝。切溝若存在分支,支溝＜50 m時,作為主溝的一部分,其編號與主溝一致,如果支溝≥50 m,則按另一條切溝處理。支溝溝尾斷面應(yīng)在與主溝匯合處附近,且二者交叉點應(yīng)定位2次,以便GIS軟件識別,并在備注說明是交叉點。

表1 淺溝和切溝特征區(qū)別Tab.1 Different properties between ephemeral gully and gully

圖2 淺溝(a)和切溝(b)測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of ephemeral gully(a)and gully(b)measurement

2.4 調(diào)查數(shù)據(jù)處理與計算

調(diào)查數(shù)據(jù)處理包括錄入調(diào)查表,導(dǎo)出GPS數(shù)據(jù)和拍攝的照片。采用GIS軟件,將測量的GPS點坐標(biāo)導(dǎo)入調(diào)查底圖,通過等高線特征判斷各點是否位于溝谷,是否有重復(fù)測量和漏測發(fā)生。

淺溝和切溝體積計算公式為：

式中：Vi為2個斷面之間的體積,m3;Ai為斷面的橫截面積,m2;Li為2個斷面之間的距離,m;V為某條溝的體積,m3。

淺溝斷面橫截面積

式中：Aeg為淺溝斷面面積,m2;h1、h2和 h3分別為測量的3個深度,m;W為淺溝寬度,m。

切溝斷面橫截面積

式中：Ag為切溝斷面面積,m2;h1、h2和h3分別為測量出的切溝的3個深度,m;W1和W2分別為切溝的上寬和下寬,m。

淺溝和切溝面積：

式中：S為一條溝的總面積,m2;Si為某2斷面之間的侵蝕溝面積,m2;Wi為淺溝某斷面寬度或者切溝某斷面的上寬,m。

溝蝕強(qiáng)度評價采用我國水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SL 446—2009)(表2),包括2個指標(biāo),分別為溝谷面積比和溝壑密度。此外,還計算了單位面積土地上溝體積的溝蝕體積密度,以及單位面積土地上溝條數(shù)的溝數(shù)密度。各指標(biāo)均利用開發(fā)的溝蝕強(qiáng)度軟件批量計算。

表2 溝蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)(SL 446—2009)Tab.2 Classfication index of gully erosion intensity(SL 446-2009)

3 結(jié)果分析

3.1 區(qū)域溝蝕現(xiàn)狀及其與地貌的關(guān)系

4個縣112個調(diào)查單元共有淺溝654條,切溝525條,合計侵蝕溝1 179條,各指標(biāo)值如表3所示。4個縣溝蝕特征有明顯差異,一是阿榮旗溝蝕明顯較其他縣嚴(yán)重,無論是溝壑密度還是侵蝕溝條數(shù),都明顯高于其他各縣,按溝壑密度指標(biāo),已屬劇烈溝蝕。二是從淺溝和切溝組成看,嫩江縣和阿榮旗淺溝與切溝侵蝕相當(dāng),單位面積淺溝與切溝條數(shù)之比分別為2.4和2.0,淺溝和切溝溝壑密度之比分別為1.0和0.7。遼陽縣和彰武縣淺溝和切溝條數(shù)雖然接近,但切溝侵蝕更為強(qiáng)烈,2縣單位面積淺溝與切溝條數(shù)之比分別為0.9和0.8,溝壑密度之比分別為0.2和0.5。三是從溝蝕與地形關(guān)系看,位于漫崗丘陵區(qū)的嫩江縣和阿榮旗,淺溝發(fā)生頻率和強(qiáng)度明顯高于其他地區(qū),其中阿榮旗位于山前臺地,地形起伏更大,切溝明顯較嫩江縣嚴(yán)重且規(guī)模大,其單位面積溝蝕體積為嫩江縣的5.7倍。位于遼東丘陵區(qū)的遼陽縣以切溝侵蝕為主,其溝壑密度僅為阿榮旗的0.49倍,但溝蝕體積是其1.43倍。彰武縣以高臺地特征為主,地形相對平緩,總體溝蝕弱,但單個切溝規(guī)模大。其切溝溝壑密度只有0.4 km/km2,但體積密度達(dá)到1萬1 449.5 m3/km2,僅次于遼陽縣。綜上所述,溝蝕發(fā)生與地貌的關(guān)系可歸為3類：一是典型丘陵區(qū)如遼陽縣,以切溝侵蝕為主,且規(guī)模都很大;二是漫崗丘陵區(qū)如嫩江縣和阿榮旗,以淺溝侵蝕為主,但如果屬于高臺地區(qū),切溝侵蝕比例明顯增高,且規(guī)模也較大;三是臺地緩丘區(qū),如彰武縣,溝蝕總體較弱,切溝一旦發(fā)生則規(guī)模很大。

3.2 溝蝕與土地利用的關(guān)系

按不同土地利用類型統(tǒng)計溝蝕數(shù)量比例(表4)可以看出,無論是淺溝還是切溝均主要發(fā)生在耕地,淺溝在耕地的比例更高。嫩江縣和阿榮旗淺溝全部發(fā)生在耕地,切溝發(fā)生在耕地的比例也高達(dá)99.1%和97.3%。遼陽縣以切溝侵蝕為主,主要發(fā)生在林地和耕地中,二者比例接近,分別為 48.8%和40.1%,其次為園地和草地,分別為4.1%和7.0%。彰武縣切溝在耕地的比例為63.8%,在林地的比例為36.2%。此外,道路促進(jìn)切溝的發(fā)生：發(fā)生在耕地的切溝,有道路影響的占13.1%;發(fā)生在林地的切溝,有道路影響的占10.8%。

表3 調(diào)查縣淺溝和切溝統(tǒng)計表Tab.3 Ephemeral gully(EG)and gully(G)surveyed in four counties

表4 不同土地利用淺溝和切溝數(shù)量比例Tab.4 Numeral percentages of ephemeral gully(EG)and gully(G)for different land uses %

圖3 4縣耕地淺溝(a)和切溝(b)各強(qiáng)度級對應(yīng)的耕地坡度和調(diào)查單元耕地面積比例Fig.3 Slopes of farmland and area percentages for the ephemeral gullies(a)and gullies(b)of different grades in four counties

為了說明耕地坡度與溝蝕的關(guān)系,采用溝壑密度指標(biāo),判斷各縣(旗)淺溝和切溝強(qiáng)度,及其與耕地面積占調(diào)查單元面積比例和坡度的關(guān)系。總體來看(圖3)：淺溝發(fā)生強(qiáng)度與調(diào)查單元耕地面積比例更為密切,隨耕地面積增大,淺溝強(qiáng)度增加,坡度也略有增加(圖3(a))。切溝與耕地坡度關(guān)系更為密切,隨著坡度增加,切溝侵蝕強(qiáng)度明顯增強(qiáng)(圖3(b))。

4 結(jié)論與討論

針對目前區(qū)域溝蝕調(diào)查方法有待完善的情況,筆者提出分層不等概空間抽樣的區(qū)域溝蝕調(diào)查方法,在東北地區(qū)選擇地貌類型不同的4個典型縣,開展溝蝕野外調(diào)查,計算溝蝕相關(guān)指標(biāo),評價溝蝕強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：該方法能夠很好的得到區(qū)域溝蝕特征;丘陵區(qū)以切溝侵蝕為主,且規(guī)模很大,漫崗丘陵區(qū)以淺溝侵蝕為主,如果屬于高臺地區(qū),切溝侵蝕比例明顯增高,且規(guī)模也較大;臺地緩丘區(qū)溝蝕總體較弱,單個規(guī)模很大。溝蝕主要發(fā)生在旱地,尤以淺溝更為明顯,隨著旱地比例增加,淺溝數(shù)量明顯增多。切溝發(fā)生則與坡度關(guān)系密切,坡度增加使切溝增多。

針對東北地區(qū)溝蝕特點進(jìn)一步討論以下幾個問題：1)如何理解溝蝕?2010—2012年第1次全國水利普查的侵蝕溝道調(diào)查中,對東北黑土區(qū)侵蝕溝的規(guī)定如下：溝道長度100～5 000 m,匯水面積＜50 km2的溝蝕溝道。采用方法是以2.5 m分辨率遙感影像和1∶5萬DEM為主要信息源,利用GIS軟件,采用人機(jī)交互方式,解譯提取溝道長度、面積、溝道縱比及地理位置。該方法無法得到長度低于100 m的侵蝕溝,且識別的侵蝕溝很多是長期地貌過程所形成。解譯結(jié)果會低估溝壑密度和溝條數(shù),高估溝谷面積比。以位于漫崗區(qū)的嫩江縣為例,采用3S方法得到的溝壑密度和溝條數(shù)分別低于0.2 km/km2和0.2條/km,采用本抽樣調(diào)查方法得到的僅切溝溝壑密度和溝條數(shù)就達(dá)到0.74 km/km2和3.6條/km2,因此采用3S方法得到的結(jié)果有必要根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果進(jìn)行修正。2)抽樣密度與區(qū)域評價。以調(diào)查單元為基礎(chǔ)的區(qū)域溝蝕調(diào)查方法受抽樣密度影響,在縣級尺度上采用何種抽樣密度更為合適,需要進(jìn)一步深入研究。