丁 超, 胡 偉, 嚴 月, 祁 志, 韓 興

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院， 吉林 長春 130118; 2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150081)

作為中國重要的糧食產(chǎn)區(qū)和畜牧業(yè)基地的東北黑土區(qū)[1]，由于掠奪式的開發(fā)和漫川漫崗地形地貌，發(fā)生了嚴重的水土流失，溝道侵蝕嚴重[2]。據(jù)第一次全國水利普查，東北黑土區(qū)長度大于100 m的侵蝕溝有295 663條，其中分布在坡耕地上的侵蝕溝數(shù)量占61%，發(fā)展型侵蝕溝數(shù)量占89%[3]，表明溝道侵蝕主要發(fā)生于耕地中，且仍呈加劇的發(fā)展態(tài)勢。溝道侵蝕是土地退化最為嚴重的表現(xiàn)形式之一，造成耕地面積減少，耕地破碎，阻礙機械作業(yè)，同時還造成河道淤積和洪澇災害[4]。

東北黑土區(qū)溝道侵蝕危害得到了國家重視，水利部和財政部于2017年啟動了國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)侵蝕溝專項治理工程。規(guī)劃和實施方案的制定均依據(jù)東北黑土區(qū)侵蝕溝專項普查的結果，而專項普查主要利用遙感解譯的方法，遙感解譯影像的分辨率在2.5 m以上[5]。此外，侵蝕溝專項普查遙感解譯只提取了侵蝕溝的長度、面積和坡面比降及其所在區(qū)域的土地利用等信息，缺少溝深等信息，未能對溝道侵蝕量進行估算[6-7]。東北黑土區(qū)侵蝕溝專項治理工程實施方案只能依據(jù)溝道侵蝕面積進行分級，而實際無論溝道侵蝕危害評估還是侵蝕溝生態(tài)治理均需侵蝕溝道侵蝕立體形態(tài)特征，諸如治理措施的具體布設還需侵蝕溝的深度和體積等信息。

本文選取溝道侵蝕嚴重的漫川漫崗黑土區(qū)中的黑龍江省海倫市南部，采用實地測量的方法，對區(qū)域內(nèi)的所有侵蝕溝進行詳細測量，通過區(qū)域內(nèi)溝道侵蝕現(xiàn)狀和溝道侵蝕特征的調查，旨在為東北黑土區(qū)侵蝕溝危害評估和科學防控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東北典型漫川漫崗黑土區(qū)黑龍江省海倫市南部，北緯47°11′—47°10′，東經(jīng)126°54′—126°52′。包括海南、共榮和恭六3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積450 km2，地勢起伏較大，溝道侵蝕嚴重；土地利用以耕地為主，70%以上為耕地。規(guī)?；_墾起始于20世紀50年代；屬于中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫1.5 ℃，年平均降雨量530 mm；土壤均為典型黑土，農(nóng)耕多采用順坡/斜坡壟作，主要種植作物為大豆和玉米。

1.2 測定方法

(1) 方案制定。采用2018年5月份更新的谷歌地圖高清衛(wèi)星影像，劃定實測區(qū)域，并初步識別侵蝕溝位置及范圍，繪制調查圖。

(2) 侵蝕溝實測。于2018年秋季對該地區(qū)進行實地勘測，從侵蝕溝的一端開始測量，間隔50 m分段用激光測距儀(型號SW-100 A，±0.5 m)測量侵蝕溝橫截面的寬度、深度，遇轉彎處和溝道變化大的部位加測，手持GPS記錄侵蝕溝地理坐標。同步現(xiàn)場記錄侵蝕溝所屬類型及所在坡面的土地利用類型、種植作物、壟向等信息，標記人工修筑的排水溝，將其從侵蝕溝調查結果中剔除。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1) 在ArcGIS 10.2軟件中加載衛(wèi)星影像，采用目視解譯法繪制不同土地利用類型的圖斑。打開不同土地利用類型的圖斑的屬性表，分別計算不同土地利用類型的面積。

(2) 在ArcGIS 10.2軟件中新建地圖文檔，加載分辨率15 m的DEM數(shù)據(jù)。在ArcToolbox工具箱中，執(zhí)行命令3 D Analyst工具—柵格表面—坡度可得到坡度柵格，對得到的坡度柵格按照《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準》SL 446-2009[8]進行重分類，獲得研究區(qū)的坡度并進行分級處理。

(3) 將實測記錄數(shù)據(jù)錄入到Excel中，按照地理坐標屬性值導入ArcGIS 10.2軟件中。在ArcGIS 10.2軟件中，在ArcToolbox工具箱中執(zhí)行命令Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取可得到研究區(qū)每條侵蝕溝的溝長、溝寬、溝深、面積。在遙感影像中，采用目視解譯的方法，將研究區(qū)侵蝕溝分成不同的類型。處在耕地中的沖溝和切溝統(tǒng)定義為“耕地溝”；位于溝谷溝底不再下切加深、橫剖面是寬淺的“U”字形、縱剖面坡度相當平緩，有大量沉積物覆蓋的坳溝定義為“主干溝”；道路旁的侵蝕溝稱“路邊溝”；林地中的侵蝕溝定義為“林中溝”。

(4) 依照《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準》SL 446-2009對溝蝕強度采用溝蝕密度和面積比進行強度分級。

(5) 利用IBM SPSS Statistics 24軟件進行對侵蝕溝的長度、深度、寬度和面積進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 調查區(qū)土地利用和地形

研究區(qū)總面積450 km2，該區(qū)域以耕地為主，占區(qū)域總面積的85%。此外建筑用地、林地、草地分別占區(qū)總面積的8%，6%，1%。查閱海倫市縣志和實地走訪，該區(qū)域原始植被為堿草和柞樺林為主，農(nóng)耕主要起始于20世紀初，規(guī)?；瘔ㄖ称鹗加?0世紀50年代，侵蝕溝道主要發(fā)育形成于20世紀60年代。截止目前除道路和村屯居住地外，原始草地和林地開墾殆盡?，F(xiàn)有林地主要由道路兩側的防護林、村屯周圍的綠化林和侵蝕溝中水保林組成。僅占總土地面積1%的草地，主要為侵蝕嚴重的棄耕地和難以耕種的邊角地組成。

研究區(qū)為典型漫川漫崗地形地貌，主分水嶺(主崗)位于研究區(qū)中部，南北走向，東側伴隨相同走向的克音河，高差74 m，次分水嶺(次崗)多呈東西走向。依據(jù)《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準SL446-2009》坡度劃分，≤0.25°的平地僅占研究區(qū)總面積的14%，主要位于東側臨近克音河區(qū)域，多被開墾為水田，屬無侵蝕區(qū)。坡度在0.25°～3°范圍內(nèi)土地最多，比例64%，3°～5°的土地占10%，>5°的土地占12%(見表1)，研究區(qū)不同坡度的比例與漫川漫崗黑土區(qū)總的分布規(guī)律接近[9]。

表1 研究區(qū)各級坡度面積比例

2.2 侵蝕溝總體特征

2.2.1 侵蝕溝類型 研究區(qū)共測得侵蝕溝1 049條，按侵蝕溝發(fā)育所在土地類型，耕地中侵蝕溝最多，其次為路邊侵蝕溝，林地侵蝕溝占10%(見表2)。東北黑土區(qū)侵蝕溝專項普查中未將主干溝納入普查，按侵蝕溝和小河道定義，主干溝只有降雨時才有水流，應屬于侵蝕溝范疇，分布于兩相鄰分水嶺次崗間的谷地，是侵蝕溝最先發(fā)育形成的，長度、寬度和深度顯著大于分布于兩側坡面的支溝，是坡面侵蝕溝連接河道的主排水通道，在溝道侵蝕面積和侵蝕量中占有較大的比例。調查區(qū)共有主干溝12條，顯著大于其他類型侵蝕溝，其平均單條侵蝕溝的面積和體積分別是耕地中單條侵蝕溝平均值的4.5倍和6倍，如不將主干溝納入侵蝕溝統(tǒng)計中，溝道侵蝕面積和體積分別被低估9.1%和28.0%。除損毀土地外，其危害主要是切斷農(nóng)田道路，不利于機械農(nóng)田作業(yè)。

表2 研究區(qū)侵蝕溝類型及其特征

發(fā)育形成于耕地中的侵蝕溝數(shù)量最多，共有577條，占研究區(qū)侵蝕溝總條數(shù)的55%。耕地中的侵蝕溝主要位于主干溝兩側的坡耕地上，多為支溝，雖平均長度僅有484 m，但平均寬度達15 m，平均深度2.9 m，溝道面積418.9 hm2，是目前對坡耕地危害最大的侵蝕溝，造成地塊破碎化，阻礙農(nóng)機作業(yè)。

已有研究指出，位于田塊邊緣的農(nóng)田路，多土質，處于凹陷處，加之碾壓形成的車轍，成為暴雨時的匯水通道，逐漸侵蝕形成溝道，是東北黑土區(qū)侵蝕溝形成的主要原因之一，道路只能向農(nóng)田中側移，侵占耕地，路邊溝約占侵蝕溝總數(shù)的三分之一，是侵蝕危害的另一重要表現(xiàn)形式。東北黑土區(qū)侵蝕溝專項普查采用的遙感影像分辨率較低，路邊溝難以解譯，成為普查侵蝕溝數(shù)量被低估的原因之一。剔除人工修筑的排水溝外，調查區(qū)測得路邊侵蝕溝共353條，占總條數(shù)的34%，驗證了路邊溝約占三分之一的估算結果的正確性。

侵蝕溝屬于“四荒”地，研究區(qū)已被高強度墾殖，侵蝕溝成為人工造林的主要區(qū)域，對提高森林覆蓋率具有重要作用。然而以遙感解譯為主的侵蝕溝專項普查由于受冠層影響，難以將林地中侵蝕溝提取，是造成專項普查低估侵蝕溝的另一因素。實測林中溝共107條，占總條數(shù)的10%，既有穩(wěn)定侵蝕溝，又有發(fā)展侵蝕溝。

除主干溝外，耕地中侵蝕溝不但數(shù)量最多，平均單個溝道寬度、深度、面積和體積也最大。耕地溝、路邊溝、林地溝和主干溝分別占溝道總面積的63%，16%，5%和16%，分別占總溝道侵蝕量的24%，12%，36%和28%。

2.2.2 侵蝕溝形態(tài)分布特征 利用經(jīng)典統(tǒng)計學對調查區(qū)侵蝕溝的長度、寬度、深度和面積進行統(tǒng)計分析，揭示了其形態(tài)總體分布特征(見圖1)。

侵蝕溝長度的頻度分布呈正態(tài)分布，平均長度996 m，變幅37～15 016 m。<100，100～200，200～500，500～1 000，1 000～2 000， >2 000 m侵蝕溝數(shù)量分別占總侵蝕溝數(shù)量的7%，21%，46%，17%，6%，3%，以200～500 m長度的最多，2 000 m以上長度的最少。

侵蝕溝寬度的頻度分布呈偏正態(tài)分布，平均寬度13.1 m，變幅0.2～341 m。<1，1～2，2～5，5～10，10～20，20～50，>50 m侵蝕溝數(shù)量分別占總侵蝕溝數(shù)量的0.2%，0.1%，2%，29%，42%，23%，4%，以10～20 m寬度的最多，1～2 m寬度的最少。

侵蝕溝深度呈偏正態(tài)分布，平均深度2.7 m，變幅0.1～37.3 m。<1 m，1～2 m，2～5 m，5～10 m，>10 m侵蝕溝數(shù)量分別占總侵蝕溝數(shù)量的7%，30%，53%，9%，1%，主要集中在2～5 m深度范圍，10 m以上深度的很少。

侵蝕溝面積呈正態(tài)分布，平均面積2.4 hm2，變幅0.1～133.4 hm2。<0.1，0.1～0.2，0.2～0.5，0.5～1.0，1.0～2.0，2.0～5.0 ，>5.0 hm2侵蝕溝數(shù)量分別占總侵蝕溝數(shù)量的11%，17%，32%，18%，11%，6%，5%。以0.2～0.5 hm2面積范圍的最多，>5.0 hm2面積范圍的最少。

圖1 調查區(qū)侵蝕溝形態(tài)分布特征

2.2.3 侵蝕溝分類形態(tài)特征 利用經(jīng)典統(tǒng)計學統(tǒng)計分析了調查區(qū)耕地、路邊、林地和主干4種類型的侵蝕溝的長度、寬度、深度和面積形態(tài)分布特征。

(1) 侵蝕溝長度。對研究區(qū)各類型侵蝕溝長度按照<100，100～200，200～500，500～1 000，1 000～2 000，>2 000 m的區(qū)間進行分類統(tǒng)計侵蝕溝數(shù)量結果見圖2。除主干溝外，其他3種類型侵蝕溝的長度均在200～500 m范圍最多，以長度大于2 000 m的較少，主干溝長度均分布在>2 000 m范圍。

以<100，100～200，200～500，500～1000，1 000～2000，>2 000 m長度區(qū)間劃分侵蝕溝類型的區(qū)間侵蝕溝數(shù)量占其自身類型總數(shù)量的比例，耕地溝分別為10%，21%，45%，15%，6%和3%，路邊溝分別為2%，17%，51%，22%，5%和3%。林中溝分別為13%，28%，51%，6%，1%和1%。

圖2 調查區(qū)侵蝕溝長度分類特征

(2) 侵蝕溝寬度。對研究區(qū)各類型侵蝕溝寬度按照<1，1～2，2～5，5～10，10～20，20～50，>50 m的區(qū)間進行分類統(tǒng)計侵蝕溝數(shù)量結果見圖3。所有類型侵蝕溝的寬度多在2 m以上，以10～50 m范圍內(nèi)侵蝕溝數(shù)量最多。

以<1，1～2，2～5，5～10，10～20，20～50， >50 m寬度區(qū)間劃分侵蝕溝類型的區(qū)間侵蝕溝數(shù)量占其自身類型總數(shù)量的比例，耕地溝分別占0.01%，0.03%，2%，29%，41%，22%和6%，路邊溝分別占0.01%，0.01%，3%，37%，43%，16%和1%，林中溝分別占0.01%，0.01%，1%，14%，36%，41%和8%；主干溝分別占0.01%，0.01%，0.01%，0.01%，25%，67%和8%。

圖3 調查區(qū)侵蝕溝寬度分類特征

(3) 侵蝕溝深度。對研究區(qū)各類型侵蝕溝深度按照<1，1～2，2～5，5～10，>10 m的區(qū)間進行分類統(tǒng)計侵蝕溝數(shù)量結果見圖4。不同類型的侵蝕溝的深度在2～5 m范圍內(nèi)最多，大于10 m的范圍內(nèi)的侵蝕溝條數(shù)最少。

圖4 調查區(qū)侵蝕溝深度分類特征

以<1，1～2，2～5，5～10，>10 m深度區(qū)間劃分侵蝕溝類型的區(qū)間侵蝕溝數(shù)量占其自身類型總數(shù)量的比例，耕地溝分別占8%，27%，54%，10%和1%;路邊溝分別占8%，34%，55%，3%和0%；林中溝分別占5%，26%，48%，19%和2%；主干溝分別占6%，33%，56%，0.02%和0.01%。

(4) 侵蝕溝面積。對研究區(qū)各類型侵蝕溝面積按照<0.1，0.1～0.2，0.2～0.5，0.5～1.0，1.0～2.0，2.0～5.0，>5.0 hm2區(qū)間分類侵蝕溝數(shù)量比例統(tǒng)計結果見圖5。不同類型的侵蝕溝的面積均在0.2～0.5 hm2范圍內(nèi)數(shù)量最多。

以<0.1，0.1～0.2，0.2～0.5，0.5～1.0，1.0～2.0，2.0～5.0，>5.0 hm2區(qū)間劃分各侵蝕溝區(qū)間數(shù)量占其自身類型總數(shù)量的比例，耕地溝分別占19%，25%，31%，16%，0.02%，3%和5%;路邊溝分別占12%，27%，37%，20%，0.01%，1%和3%；林中溝分別占17%，34%，27%，17%，0.01%，1%和5%；主干溝分別占0.01%，0.01%，8%，0.03%，0.02%，0.01%和92%。

圖5 調查區(qū)侵蝕溝面積分類特征

3 討 論

3.1 東北黑土區(qū)溝道侵蝕評估

通過對450 km2典型區(qū)域的實測，共有侵蝕溝1 049條，其中耕地、路邊、林地和主干溝各有557,353,107,12條，侵蝕溝平均長度996 m，平均寬度13.1 m，平均深度2.7 m，平均面積2.4 hm2，大多屬于小、中型侵蝕溝，雖處于發(fā)展危害加劇階段，但易于治理，應及早防治。未被納入東北黑土區(qū)侵蝕溝專項普查的主干溝對區(qū)域溝道影響較大(見表3)。

主干溝是坡面和支溝匯流抵達河道的中間水通道，是侵蝕溝最先發(fā)育并最終趨于穩(wěn)定或半穩(wěn)定的溝道。在東北黑土區(qū)，只有較大降雨時才有股流，絕大多數(shù)時間只有干枯，不屬于河流范疇。水利普查時未將坳溝(主干溝)算作溝道侵蝕，閆業(yè)超等的研究結果指出坳溝應屬于溝道侵蝕的一種[10]。本研究發(fā)現(xiàn)，是否將主干溝納入侵蝕溝調查結果，對溝道侵蝕評估影響較大。研究區(qū)實測侵蝕溝一共有1 049條，主干溝僅有12條，從數(shù)量上看影響甚小。但對侵蝕溝其他性狀乃至溝道侵蝕強度評價影響較大。如將主干溝剔除，侵蝕溝總長度、密度、總溝道面積分別低估了20.9%，20.8%和34.9%?！逗谕羺^(qū)水土流失綜合防治技術標準》SL 446-2009對溝道侵蝕強度的分級有溝壑密度和溝谷面積比兩個指標，剔除主干溝，依溝壑密度計，溝道侵蝕強度從中度變成輕度；以溝谷面積比計，溝蝕強度從劇烈變成極強烈。

表3 調查區(qū)主干溝在溝道侵蝕評價中的差異

總體來說研究區(qū)侵蝕溝條數(shù)多，密度大，溝谷面積比大，溝蝕強度劇烈。李浩等[11]的研究發(fā)現(xiàn)該地侵蝕溝道面積正不斷增加，研究區(qū)總體侵蝕狀況劇烈。胡天然等[12]通過3期烏裕爾河流域遙感影像得出烏裕爾河流域侵蝕溝數(shù)量增加4.03倍，現(xiàn)有侵蝕溝數(shù)量12 381條；姜蕓等[13]以嫩江縣為研究區(qū)域，利用航空遙感影像探究嫩江縣侵蝕溝分布，嫩江全縣共有侵蝕溝數(shù)量38 426條?？梢钥闯?，東北黑土區(qū)溝道侵蝕不容樂觀。

3.2 溝道侵蝕治理分析

2017年國家啟動了東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項工程，依據(jù)溝道面積進行分類和投資預算，占地面積≤0.3 hm2定義為小型侵蝕溝，占地面積≥1.4 hm2定義為大型侵蝕溝，介于兩者之間的發(fā)展型侵蝕溝定義為中型侵蝕溝[14]。根據(jù)《東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項規(guī)劃(2016—2030年》，小型溝、中型溝和大型溝的平均治理投資分別為2.24×105，4.20×105，8.00×105元。以此計算，調查區(qū)域小、中、大侵蝕溝條數(shù)分別為438，441，170條，需治理費用分別為9.80×107，1.85×108，1.36×108元，共計4.19×108元。中小型侵蝕溝占總侵蝕溝數(shù)量的84.00%，治理經(jīng)費占總需治理經(jīng)費的67.5%(見表4)。按區(qū)域總面積450 km2計算，單位面積侵蝕溝治理費用為9.30×105元/km2，可見東北黑土區(qū)溝道侵蝕治理成本是非常高的。

表4 調查區(qū)發(fā)展類型侵蝕溝治理分類及成本

劉曉冰等[15]人對東北黑土區(qū)侵蝕溝治理措施和模式在詳細調查的基礎上，進行了系統(tǒng)歸納總結[16]。東北黑土區(qū)針對耕地中的中小型侵蝕溝，最佳途徑采用侵蝕溝復墾技術，利用秸稈填埋，上層覆土，消除耕地中的侵蝕溝，修復溝毀耕地，恢復作物種植。調查區(qū)中利用秸稈填埋復墾工程技術，可修復溝毀耕地47 hm2。而且針對壤中流發(fā)育，淺層地下水水位高的特點，科學性強，成績顯著[17]。對于大中型溝需采用“溝頭跌水+溝底谷坊+削坡造林”的生態(tài)修復治理模式，該模式各項措施相互補充，形成了工程養(yǎng)植物，植物保工程的立體防護結構[18]。對于大型侵蝕溝溝頭溯源侵蝕與溝壁坍塌嚴重，采用崩塌擴張溝壁石籠穩(wěn)坡攔護技術和過水下切溝底植物谷坊防沖攔沙技術[19]。

4 結 論

(1) 漫川漫崗黑土區(qū)溝道侵蝕嚴重，主要發(fā)生在耕地中。調查區(qū)溝壑密度達1.2 km/km2，溝道面積已占區(qū)域總面積的2.89%。耕地中侵蝕溝數(shù)量占研究區(qū)侵蝕溝總數(shù)的55%，損毀耕地418.9 hm2，占耕地總面積的1.1%。

(2) 侵蝕溝專項普查中未包含的主干溝在區(qū)域溝道侵蝕占據(jù)重要份額。主干溝僅有12條，從數(shù)量上看影響甚小。但是主干溝總長113.1 km，面積達64.3 hm2，對侵蝕溝其他性狀乃至溝道侵蝕強度評價影響較大。

(3) 調查區(qū)侵蝕溝以中小型為主，易于治理。研究區(qū)共有侵蝕溝1 049條，治理任務重，需治理資金4.20×108元，單位面積溝道治理需投資9.30×105元/km2。