仲 原,王春梅,3,*,龐國偉,3,楊勤科,3,郭紫甜,劉 欣,*,蘇建華

1 陜西省地表與環(huán)境承載力重點實驗室, 西安 710127 2 西北大學城市與環(huán)境學院, 西安 710127 3 旱區(qū)生態(tài)水文與災害防治國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 西安 710048

黃土高原是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一[1],是黃河泥沙的主要來源區(qū)[2—3],其中淺溝侵蝕是土壤侵蝕的重要類型[4—5],其侵蝕量通常占坡面總侵蝕量的26.6%—59.2%[4]。退耕還林(草)工程實施二十多年來黃土高原土壤侵蝕得到有效控制[6—7],但部分地區(qū)淺溝侵蝕問題仍需重視。從區(qū)域尺度闡明目前淺溝空間分布特點和防治重點是進一步優(yōu)化黃土高原水土保持措施布設的重要基礎。

淺溝是指能被普通耕作工具跨過和填充但不能被其完全消除的侵蝕溝[8—9],也被稱作臨時性切溝(ephemeral gully),其寬度和深度介于細溝與切溝之間[10],一般深入犁底層(20 cm),寬約30—50cm[9]。已有研究表明,淺溝的發(fā)生與耕作有關[8—9,11—13]。在黃土高原,淺溝發(fā)生一般伴隨著瓦背狀地形的形成,淺溝槽形部位的橫斷面因再侵蝕和再耕作呈弧形擴展,形成瓦背狀地形[9],耕作過后,淺溝地勢看似與周圍齊平,但是在下一次侵蝕事件中,淺溝還會在瓦背狀的槽底部相同位置再次發(fā)育[8—9,12]。因淺溝發(fā)生的臨時性,一般淺溝調(diào)查多針對瓦背狀地形底部開展[14—15]。已有報道對淺溝分布特征[14,16—18]、淺溝發(fā)育過程[4,15,19—20]、淺溝侵蝕發(fā)生的臨界地形條件[21—26]等問題進行了研究,其中對黃土高原淺溝侵蝕分布特征的研究多集中于流域尺度,區(qū)域尺度的研究仍較為缺乏。同時,對于退耕二十年后淺溝目前分布的土地利用,尤其是仍分布在耕地上的淺溝空間分布認識也亟需加強。

近十幾年來高分辨率遙感影像的發(fā)展為淺溝的區(qū)域尺度調(diào)查提供了新的思路和數(shù)據(jù)基礎[27]。本研究在黃土高原選取137個小流域調(diào)查單元,基于亞米級Google Earth遙感影像并綜合運用GIS方法對淺溝以及各調(diào)查單元土地利用進行人工目視解譯和空間分析,在區(qū)域尺度調(diào)查和分析黃土高原淺溝分布特征及淺溝所在坡面土地利用分布,并明確目前仍處在耕地上的淺溝空間分布格局,以期為黃土高原侵蝕治理和黃河流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在黃土高原開展,黃土高原范圍參考陳永宗1988年劃定的范圍[28](圖1),即從小浪底沿沁河西分水嶺,接汾河東分水嶺,向北連清水河分水嶺,向西經(jīng)托克托過黃河,由內(nèi)蒙古準格爾旗東部轉向西南沿長城至中寧,再沿黃河至蘭州北,經(jīng)烏鞘嶺至日月山東坡,由貴德轉洮河分水嶺,然后向東沿秦嶺北坡直至伊、洛河的北分水嶺于小浪底閉合,總面積約38萬km2,屬于季風氣候區(qū),多年平均氣溫在3.6—14.3℃,年降雨量在700 mm左右,降雨年際變化較大,降雨的區(qū)域分布不均勻。

采用系統(tǒng)抽樣方法,緯度和經(jīng)度均取0.5°為間隔,選取了137個調(diào)查單元?；?弧秒分辨率SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)數(shù)據(jù)計算調(diào)查單元平均坡度,如大于2°,地形起伏相對較大,調(diào)查單元為面積0.3 km2左右的小流域；否則,地形相對平坦,調(diào)查單元為0.5 km×0.5 km左右的矩形范圍(圖1)。其中63個調(diào)查單元分布在黃土高塬溝壑區(qū),41個分布在黃土丘陵溝壑區(qū),24個分布在河谷平原區(qū),6個分布在土石山區(qū),3個位于其它區(qū)域。同時選取無定河中游典型小流域(圖1,面積0.44 km2)作為野外實測樣區(qū),對45條淺溝進行野外實測,進行淺溝解譯精度驗證。

圖1 研究區(qū)

1.2 基礎數(shù)據(jù)

基礎數(shù)據(jù)名稱、來源、分辨率、獲取時間及主要用途見表1。

表1 基礎數(shù)據(jù)

1.3 淺溝解譯方法與質量控制

淺溝調(diào)查于2020年5月開始,至9月底完成?；跍\溝的定義、發(fā)育過程、影像特征等進行分析及專家論證,制定淺溝解譯標準,由解譯人員分組進行解譯；解譯完成后進行兩層質檢:由解譯小組負責人進行100%復檢,發(fā)現(xiàn)問題后由解譯人員進行全面修改；由侵蝕溝研究領域專家,對通過復檢的解譯數(shù)據(jù)進行20%抽檢,正確率在95%以上為合格,抽檢合格后入庫,如不合格則重復進行第一步質檢。

圖2 淺溝解譯示意

流域邊界獲取方法:基于1弧秒分辨率SRTM數(shù)據(jù),利用ArcGIS水文分析模塊進行大于0.1 km2的小流域邊界粗提取,以此為參考,基于亞米級影像進行人工修訂。

淺溝所在坡面土地利用解譯:基于Google Earth影像,對每條淺溝發(fā)育所在坡面土地利用進行人工目視解譯,按1:10000解譯精度要求進行,并基于野外考察對解譯結果進行了修訂[30]。

1.4 解譯精度驗證

采用GNSS RTK對所選典型小流域內(nèi)的所有淺溝進行實地測量,按平均0.5 m的間距測量淺溝各點的三維坐標,同時在地形突變處適當增加測量點,得到淺溝實測長度?；贕oogle Earth影像解譯淺溝,并與實測數(shù)據(jù)作對比。利用SPSS軟件進行配對樣本T檢驗,判斷實測淺溝長度、解譯淺溝長度是否有顯著性差異。為評估Google Earth影像解譯淺溝的精度,計算單條淺溝長度相對誤差(式1)、淺溝長度相對誤差的平均值(式2)、淺溝密度相對誤差(式3)。

(1)

(2)

(3)

式中,RLi為單條淺溝長度相對誤差,RL為淺溝長度相對誤差的平均值,Rρ為淺溝密度相對誤差,LGEi、LRTKi分別為基于Google Earth影像解譯和基于實測得到的單條淺溝長度(m)。ρGE、ρRTK分別為解譯和實測得到的淺溝密度(km/km2)。

1.5 空間統(tǒng)計與分析方法

調(diào)查單元基本特征統(tǒng)計:計算每個調(diào)查單元的淺溝密度(單位面積溝長度,km/km2)、淺溝溝數(shù)密度(單位面積溝條數(shù),條/km2)[31]、淺溝平均長度(m)。參考土壤侵蝕分類分級標準[32],進行淺溝侵蝕強度分級。

空間格局統(tǒng)計方法:利用ArcGIS 10.2對淺溝密度、淺溝平均長度、臨界坡長統(tǒng)計結果進行制圖,得到黃土高原整體淺溝密度、平均長度、臨界坡長的空間分布。使用莫蘭指數(shù)(Moran′s I)、熱點分析(Getis-Ord Gi*)分析淺溝密度的空間分布特征。莫蘭指數(shù)(Moran′s I)用于分析空間分布的相關性,其值介于-1和1之間,Moran′s I > 0表示數(shù)據(jù)的空間整體分布呈現(xiàn)正相關,其值越大代表空間上的相似性越明顯；Moran′s I<0表示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)高低間隔分布的狀態(tài),其絕對值越大代表空間差異性越大；Moran′s I=0,表示數(shù)據(jù)的空間分布呈隨機性[33]；熱點分析中熱點是指以特定指標的高密度簇為特征的區(qū)域,冷點是周圍環(huán)繞著同一指標的低密度簇[34]。通過熱點分析可以呈現(xiàn)出淺溝密度高值的集中區(qū)域。

2 結果與分析

2.1 淺溝解譯精度驗證

對驗證小流域的45條淺溝通過野外實測,得到淺溝總長度為1067.87 m,平均溝長23.73 m,密度為2.43 km/km2。將實測淺溝長度與基于Google Earth影像解譯的結果進行對比(圖3),兩種方法得到的淺溝長度基本分布在1:1線附近,單條淺溝長度相對誤差RLi介于0.07%至11.66%之間,占總數(shù)量約58%的淺溝RLi在5%以下,僅有不到7%的淺溝RLi大于10%；其均值RL為4.99%；淺溝密度相對誤差Rρ為1.23%；在0.05的置信水平上,兩種方法所得到的淺溝長度無顯著性差異(P>0.05)。

試驗地點安排在三合鎮(zhèn)仲家村嚴孝的承包地，經(jīng)度101°56′31.5″，緯度36°24′31.3″，海拔2680 m，土壤養(yǎng)分情況：有機質21.92 g/kg、全氮1.48 g/kg、速效氮134 mg/kg、全磷1.74 g/kg、有效磷14 mg/kg、全鉀25.74 g/kg、速效鉀378 g/kg，pH值7.98。

圖3 基于Google Earth影像解譯淺溝長度與實測值對比

2.2 黃土高原淺溝特征統(tǒng)計

在黃土高原137個調(diào)查單元中,有46個調(diào)查單元出現(xiàn)淺溝,占總調(diào)查單元的33.6%。出現(xiàn)淺溝的調(diào)查單元中,解譯得到淺溝587條,表2統(tǒng)計結果表明,平均淺溝密度為3.41 km/km2,最大為21.92 km/km2,最小為0.07 km/km2；溝數(shù)密度介于2—311條/km2之間,平均為65條/km2；變異系數(shù)均大于100%。黃土高原淺溝的長度、臨界坡長的范圍分別為7.71—237.15 m和0—285.29 m。淺溝長度平均值為63.31 m,中值為51.64 m；臨界坡長平均值為56.20 m,中值為47.59 m；變異系數(shù)均大于60%。

表2 淺溝參數(shù)統(tǒng)計值

圖4顯示了淺溝侵蝕達到中度及以上(淺溝密度>2 km/km2)的調(diào)查單元占45.6%；約87%的調(diào)查單元溝數(shù)密度小于150條/km2；約80%的淺溝長度和臨界坡長介于0—80 m；淺溝長度主要分布在20—60 m之間,約占55%；臨界坡長分布在40—60 m的最多,約占29%。

圖4 淺溝參數(shù)頻率曲線

2.3 淺溝分布的空間格局

從淺溝密度的空間分布上看(圖5),出現(xiàn)淺溝的調(diào)查單元主要位于黃土高原的中北部(陜西延安市、榆林市,山西呂梁市等)和西部(甘肅慶陽市、定西市、白銀市會寧等),由東北向西南呈現(xiàn)條帶狀分布。其中淺溝密度較大的區(qū)域主要有3個,陜西延安市西北部吳起、志丹、榆林市靖邊交界處,延安市甘泉、安塞一帶,其中吳起、志丹及靖邊一帶的淺溝密度高達21.92 km/km2,甘泉附近的淺溝密度為15.82 km/km2,安塞附近的淺溝密度為15.54 km/km2；山西呂梁、陜西榆林市綏德縣一帶黃河兩岸淺溝密度也較大,為4—8 km/km2；甘肅定西市、白銀市會寧一帶以及慶陽市,淺溝密度為5—7 km/km2。淺溝密度莫蘭指數(shù)為0.37,由熱點分析可以看出,淺溝密度的熱點區(qū)主要為延安市西北部,呈現(xiàn)聚集分布(圖6)。

圖5 淺溝密度空間分布

圖6 淺溝密度熱點分析

淺溝平均長度較大的區(qū)域在延安市富縣、甘泉縣、安塞區(qū)一帶,淺溝平均長度可達85—105 m；銅川市宜君縣、白銀市會寧一帶也較長,淺溝平均長度在80—85 m之間,其余地區(qū)淺溝一般在80 m以內(nèi),其中無定河及晉陜黃河兩岸主要在40—60 m,寧夏東南部和甘肅蘭州一帶主要在20—40 m(圖7)。淺溝臨界坡長反映了淺溝溝頭距分水嶺沿流水線的距離,在延安西北部、晉陜黃河兩岸呈聚焦性低值,主要在20—60 m,定西到天水沿渭河一帶出現(xiàn)淺溝的調(diào)查單元臨界坡長較長,一般在100 m以上,寧夏固原、陜西銅川及延安南部一帶臨界坡長一般也在100 m以上(圖8)。

圖7 淺溝平均長度空間分布

圖8 淺溝臨界坡長平均值空間分布

各治理分區(qū)淺溝參數(shù)有較大差異(表3)。河谷平原區(qū)未發(fā)現(xiàn)淺溝,黃土高塬溝壑區(qū)24個調(diào)查單元出現(xiàn)淺溝,約占該區(qū)總調(diào)查單元的38%,平均淺溝密度為2.07 km/km2,屬于淺溝侵蝕中度(2—3 km/km2)范疇。黃土丘陵溝壑區(qū)20個調(diào)查單元出現(xiàn)淺溝,約占該區(qū)總調(diào)查單元的49%,平均淺溝密度為5.32 km/km2,屬于淺溝侵蝕極強烈(5—7 km/km2)范疇。黃土丘陵溝壑區(qū)平均淺溝密度最大,其次是黃土高塬溝壑區(qū)；同時黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝長度平均值最大,為65.74 m,其次是黃土高塬溝壑區(qū),為60.11 m；土石山區(qū)(此區(qū)僅發(fā)現(xiàn)一條淺溝)臨界坡長最大,為69.86 m,其次是黃土高塬溝壑區(qū),為67.24 m。黃土丘陵溝壑區(qū)臨界坡長平均值最小,為46.58 m,這在一定程度上反映了該區(qū)發(fā)生淺溝侵蝕所需坡長較短。

表3 不同治理分區(qū)的淺溝參數(shù)

黃土高塬溝壑區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝密度較大,對其出現(xiàn)淺溝的調(diào)查單元進一步統(tǒng)計得到(圖9):黃土高塬溝壑區(qū)淺溝密度小于2 km/km2約占70%,未發(fā)現(xiàn)淺溝侵蝕劇烈(>7 km/km2)的單元。黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝侵蝕達到強烈及以上(>3 km/km2)的約占55%,淺溝侵蝕極強烈(5—7 km/km2)的調(diào)查單元最多,約占30%。黃土高塬溝壑區(qū)溝數(shù)密度小于20條/km2的約占63%,黃土丘陵溝壑區(qū)溝數(shù)密度主要集中在50—150條/km2,約占55%。

圖9 不同治理分區(qū)淺溝參數(shù)頻率曲線

黃土高塬溝壑區(qū)約70%的淺溝長度介于0—80 m,淺溝長度為20—40 m的最多,約占37%；黃土丘陵溝壑區(qū)約80%的淺溝長度介于0—80 m,淺溝長度為40—60 m的最多,約占28%。黃土丘陵溝壑區(qū)長度大于140 m的淺溝均多于黃土高塬溝壑區(qū)。黃土高塬溝壑區(qū)約70%的淺溝臨界坡長介于0—80 m,臨界坡長為40—60 m的最多,約占27%；黃土丘陵溝壑區(qū)90%以上的淺溝臨界坡長介于0—80 m,臨界坡長為40—60 m的最多,約占32%,此區(qū)未發(fā)現(xiàn)臨界坡長為140 m以上的淺溝。

2.4 淺溝所在坡面土地利用分析

通過統(tǒng)計每條淺溝所在坡面土地利用可以看出,目前黃土高原38.3%的淺溝分布在耕地,35.3%分布在草地,22.8%分布在林地(圖10)。其中耕地上淺溝平均密度最大,為5.46 km/km2；其次是草地,為5.32 km/km2；林地為4.99 km/km2。

圖10 淺溝所在坡面土地利用

在黃土高原所有調(diào)查單元耕地上共發(fā)現(xiàn)淺溝225條,圖11為耕地上淺溝密度的分布,其中密度較大的區(qū)域為北洛河中上游延安市中部以及西北部,其中延安市中部耕地淺溝密度達到20 km/km2以上,延安市西北部耕地淺溝密度約為7 km/km2；定西、白銀市會寧交界處耕地淺溝密度也較大,達14 km/km2；無定河下游黃河兩岸榆林市綏德、呂梁市一帶也是重要的耕地淺溝分布區(qū)域,密度為10 km/km2左右。以上三個區(qū)域為目前黃土高原耕地淺溝需重點關注的區(qū)域。

圖11 耕地淺溝密度

3 討論

本研究基于遙感、GIS方法,以小流域為抽樣調(diào)查單元,結合野外實測方法,回答了黃土高原區(qū)域尺度淺溝統(tǒng)計特征和空間格局特征,指出淺溝目前所在坡面的土地利用,并重點分析了仍處在耕地上的淺溝空間分布格局,對于進一步淺溝的治理決策有重要意義。

近年來高分辨率Google Earth影像在溝道侵蝕調(diào)查中應用越來越多,為大尺度侵蝕溝制圖提供了重要數(shù)據(jù)支撐。本研究結果也說明基于Google Earth影像的淺溝調(diào)查結果與野外高精度實測結果無顯著性差異,前者對于淺溝調(diào)查應用是適用的。在一些研究中,如在Karydas 和Panagos[27]對希臘全國尺度淺溝調(diào)查中應用了這一數(shù)據(jù)源。但這一數(shù)據(jù)源目前常用于對淺溝位置的調(diào)查,本研究中淺溝也特指了瓦背狀地形底部這一地貌特征,而對于淺溝發(fā)育動態(tài)的調(diào)查研究工作中滿足需求的影像分辨率水平和大尺度調(diào)查方法尚需進一步探索。

本研究對黃土高原淺溝的調(diào)查結果與已有研究在某些小流域上的研究結論基本一致。20世紀80年代,劉元保[35]基于野外調(diào)查得到志丹杏河廟坬淺溝密度19.80 km/km2、志丹杏河米老家莊20.00 km/km2、安塞茶坊13.98 km/km2,其密度較大的可能原因為志丹、安塞地處黃土丘陵溝壑區(qū),退耕之前的耕地分布也較廣[36—37],加上降水、植被等條件共同作用導致淺溝密度較大[38]。張巖等[15]基于QuickBird影像得到吳起縣合溝小流域淺溝密度為36.21 km/km2,而本文調(diào)查出吳起附近淺溝密度最大值為21.92 km/km2,可能的原因為合溝小流域為當?shù)販\溝典型分布的小流域,而本研究采用系統(tǒng)抽樣調(diào)查,但這一區(qū)域整體淺溝密度較大的結論是一致的。

在各治理分區(qū)中,黃土丘陵溝壑區(qū)的淺溝長度平均值最長,本文得到黃土丘陵溝壑區(qū)的淺溝長度平均值為65.74 m,與姜永清等[17]利用航空影像分析黃土丘陵溝壑區(qū)瓦背狀淺溝分布特征得到淺溝平均長度為64.7 m的結果較接近。黃土丘陵溝壑區(qū)以峁狀、梁狀丘陵為主,地形起伏大,植被蓋度低,耕作方式落后,為淺溝的發(fā)育提供了條件,導致該區(qū)的淺溝長度較大。

本研究表明黃土高原淺溝臨界坡長多介于40—60 m,與劉元保等[5]基于野外調(diào)查得到的黃土高原淺溝侵蝕凸形坡上臨界坡長為58.70 m、直線坡為44.30 m、凹形坡為32.24 m,張科利等[11]基于野外調(diào)查得到的黃土高原淺溝侵蝕臨界坡長平均為40 m左右均較接近。在不同治理分區(qū)中,黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝密度最大且臨界坡長平均值最小,為46.58 m,此結果在一定程度上反映了該區(qū)發(fā)生淺溝侵蝕所需坡長較短,淺溝發(fā)育所需匯水條件較其它治理區(qū)低,這與其地形較陡、土壤性質易蝕、植被覆蓋條件較差有關。

淺溝是長期耕作-侵蝕的結果[8—9,11—13],理論上發(fā)育于耕地坡面。黃土高原自上世紀末開始的大規(guī)模退耕還林(草)工程,對淺溝的治理起到了重要作用,目前有60%以上的淺溝已不在耕地坡面上,但仍有38.3%的淺溝仍在耕地坡面上,這部分淺溝在暴雨條件下仍可能發(fā)生侵蝕-耕作填充-再侵蝕的過程,極易繼續(xù)發(fā)展從而造成較大侵蝕量,并有可能進一步成為切溝[8],造成更嚴重的土壤侵蝕,因此目前仍分布在耕地上的淺溝具有進一步發(fā)展的潛力,對于耕地上淺溝密度較大的區(qū)域需重點關注。

在進一步研究中,亟需對黃土高原區(qū)域尺度淺溝分布的差異性原因進行更為深入的分析,對淺溝主要分布區(qū)及耕地上淺溝密度較大的區(qū)域降雨、地形、土壤、土地利用、水土保持措施等影響因素的進一步研究亟待開展。同時綜合分析多空間尺度淺溝相關研究,從機理、模擬、格局多角度綜合開展黃土高原淺溝研究也將促進淺溝科學治理。

4 結論

本文以亞米級遙感影像為數(shù)據(jù)基礎,綜合運用遙感和GIS技術,基于137個調(diào)查單元對退耕背景下黃土高原的淺溝分布及其特征以及防治重點問題進行研究。主要結論如下:

(1)亞米級Google Earth影像可以用于淺溝(本文特指瓦背狀地形底部)解譯,解譯結果與GNSS RTK野外實測結果無顯著性差異。

(2)黃土高原33.6%的調(diào)查單元存在淺溝,出現(xiàn)淺溝的調(diào)查單元中,平均淺溝密度為3.41 km/km2,最大為21.92 km/km2,平均溝數(shù)密度為65條/km2。淺溝長度多介于20—60 m,臨界坡長多介于40—60 m。淺溝密度較大的區(qū)域為延安市西北部吳起、志丹、榆林市靖邊一帶以及延安市甘泉、安塞,榆林市綏德縣、呂梁市一帶,定西市、白銀市會寧一帶以及慶陽市。不同治理分區(qū)中,黃土丘陵溝壑區(qū)平均淺溝密度最大,其次是黃土高塬溝壑區(qū)。

(3)目前黃土高原38.3%的淺溝分布在耕地,35.3%分布在草地,22.8%分布在林地。其中耕地上淺溝平均密度最大,其次是草地、林地。耕地淺溝密度較大的區(qū)域有北洛河中上游延安市中部與西北部,定西市、白銀市會寧交界處,無定河下游黃河兩岸榆林市綏德、呂梁市一帶。