東北3個典型區沖溝形態發育特征及其成因

顧廣賀， 范昊明， 王巖松， 鐘云飛， 劉建祥

(1.沈陽農業大學 水利學院， 遼寧 沈陽 110866； 2.水利部 松遼水利委員會， 吉林 長春 130000)

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東北3個典型區沖溝形態發育特征及其成因

顧廣賀1， 范昊明1， 王巖松2， 鐘云飛2， 劉建祥2

(1.沈陽農業大學 水利學院， 遼寧 沈陽 110866； 2.水利部 松遼水利委員會， 吉林 長春 130000)

摘要：[目的] 研究黑土區自然環境地域性分異特征對沖溝形態的影響。[方法] 利用差分GPS測量沖溝，基于GIS平臺計算沖溝形態參數，分析五一、光榮、吉興3個典型沖溝形態特征及成因。[結果] 沖溝長度、面積、體積，寬度、深度、橫斷面面積之間分別成正相關關系。就沖溝長度、面積、體積而言，五一>光榮>吉興，就沖溝深度、寬度、橫斷面面積而言，光榮>五一>吉興；土壤黏粒、礫石含量，持水能力及土層厚度對沖溝形態影響顯著，降雨因素對沖溝形態影響有限。[結論] 地形因子是影響沖溝形態的重要因素。隨著地形因子的增加，沖溝長度、面積、體積增加顯著，當地形因子為36.75時，沖溝橫截面面積最大。

關鍵詞：沖溝形態； 發育； 東北黑土區； 地形因子

溝蝕是土壤侵蝕的重要組成部分，完整的溝蝕序列一般包括細溝、淺溝、切溝和沖溝，絕大部分學者將細溝歸入面蝕類[1]。溝道在發育過程中，形態不斷變化，沖溝的出現標志著溝道發育至中后期，已度過溝道發育活躍期，形態變化相對較小。沖溝形態是多種因素多年綜合作用的結果，橫斷面一般上游為V形，下游為U形，多呈階梯狀，溝壁陡直，以崩落、滑塌為主，下游溝底有暫時性堆積[2]。降雨、土壤、地形等因素的不同造成黑土區沖溝形態具有地域性差異。東北黑土區是中國重要商品糧生產基地，由于人為活動的加劇，黑土區水土流失嚴重，溝蝕現象突出[3]，全國第一次水利普查顯示黑土區共有侵蝕溝295 663條，溝壑密度為0.27 km/km2，侵蝕溝已嚴重破壞黑土資源，嚴重威脅國家糧食安全，影響當地居民生活[4]。目前，對黑土區侵蝕溝的研究相對滯后，已有研究多集中于侵蝕溝的年際變化、發育速率及影響因素，對侵蝕溝形態的研究較少[5-7]。劉增文等研究發現地質地貌基礎及土壤侵蝕強度的不同造成黃土殘塬區溝道具有不同的形態特征[8]。Poesen研究發現土壤類型，特別是具有不同抗蝕性的土層的垂直分布，很大程度上控制著侵蝕溝橫截面的形態[9]。沖溝形態是降雨、土壤、地形等因素綜合作用的結果，是發育規律的外在體現，研究選取光榮、吉興、五一3條小流域為研究區域，3條流域分別位于黑土區東北部、東南部和西北部，土壤、地形、地貌等自然因素具有一定差別，沖溝形態有較好的代表性。通過野外測量沖溝并基于GIS平臺計算沖溝形態參數，分析沖溝形態發育特征及成因，研究成果將進一步揭示侵蝕溝發育規律，為侵蝕溝的預警及防治提供依據。

1研究區概況

光榮小流域位于黑龍江省中部地區，地理位置為126°50′11″E，47°21′7″N，年均降雨量為523.26 mm，氣溫平均為2.6 ℃，漫川漫崗地貌，面積為1.87 km2，土壤類型以黑土為主，第四系覆蓋廣厚，侵入巖在區內分布廣泛，以泥頁巖為主，以褶皺構造為主。吉興流域位于吉林省南部，地理位置為125°29′48″E，42°12′27″N，年均降雨量為468.58 mm，氣溫平均為3.3 ℃，山地丘陵地貌，面積為15 km2，土壤類型以白漿土為主，地塹盆地，斷裂較多，構造復雜，特有的地質活動造成流域坡陡、坡短，地形較為破碎。五一流域位于內蒙古自治區東部，地理位置為122°43′40″E，47°56′45″N，年均降雨量為661.50 mm，氣溫平均為2.6 ℃，低山丘陵地貌，面積為3.15 km2，土壤類型以暗棕壤為主，斷裂構造為主，出露地層主要為上元古界震旦系加疙瘩群，石炭系下統莫爾根河組，二疊系上統林西組，侏羅系中統南平組、塔木蘭溝組及上庫力組。研究區地理位置及沖溝數量見表1。

表1　各小流域沖溝位置及數量

2材料與方法

本研究利用差分GPS實地測量侵蝕溝，儀器精度為水平精度(1±1/106)cm，垂直精度(2±1/106)cm，其配置主要包括基準站、移動站。2013年5月對選取的7條沖溝進行測量，測量時，將基準站安置于固定位置，手持移動站沿溝緣及溝底均勻采點，地形變化處，加大采點密度，每條沖溝平均采集高程點4 387個。基于ArcGIS軟件對測量數據進行展點處理，建立線圖層、面圖層，參照高程點分別勾繪溝底線、溝緣線，利用高程點空間差值獲取侵蝕溝DEM，提取沖溝長度、寬度、面積、體積等參數見表2和表3。

3結論與分析

3.1　東北黑土區沖溝形態發育特征

3.1.1沖溝長度、面積、體積發育特征由表2可以看出，沖溝長度、面積、體積成正相關關系，就沖溝長度、面積、體積而言，五一流域沖溝發育規模較大，吉興流域沖溝發育規模較小，光榮流域沖溝發育規模處于二者之間。就沖溝各項指標均值而言，五一、光榮流域沖溝長度分別為吉興流域沖溝長度的3.94和1.13倍，五一、光榮流域沖溝面積分別為吉興流域沖溝面積的4倍、1.64倍，五一、光榮流域沖溝體積分別為吉興流域沖溝體積的37.83和11.19倍。

表2　各小流域侵蝕溝長度、面積、體積

3.1.2沖溝寬度、深度及橫截面發育特征由表3可以看出，沖溝寬度與深度成正相關關系，沖溝寬度、深度差別較明顯，光榮流域沖溝寬度、深度最大，吉興流域沖溝寬度、深度最小，五一流域沖溝寬度、深度介于二者之間。沖溝寬深比介于3.47～6.58，光榮流域沖溝橫斷面形態特征為寬度較小、深度較大，五一流域沖溝橫斷面形態特征為寬度較大、深度較小。光榮、吉興、五一流域沖溝寬度平均值分別為13.12,3.8,9.06 m，深度平均值分別為2.81,0.8,1.82 m，斷面面積平均值分別為29.34,4.15,15.14 m2，光榮、五一流域沖溝寬度分別為吉興流域沖溝寬度的1.99和2.8倍，沖溝深度分別為吉興流域沖溝深度的1.73和3.53倍，光榮、五一流域斷面面積分別為吉興流域沖溝斷面面積的7.06和1.93倍。

綜合3條流域沖溝寬度、深度、橫斷面面積可以看出，3者成正相關關系，沖溝寬度越大，深度越大，橫斷面面積越大。

表3　各小流域侵蝕溝寬度、深度

3.2　東北黑土區沖溝形態成因分析

3.2.1土壤因素對沖溝形態影響光榮小流域黑土機械組成粒級黏重，顆粒均勻一致，質地部分為粘壤質到黏土類，土壤黏粒含量較多，砂粒(>0.02 mm)、粉粒(0.02~0.002 mm)、黏粒(小于0.02 mm)含量分別為34.46%，25.86%，39.7%，持水能力很強，土層較厚，自然剖面有效土層可達200—300 cm[10]，黑土發育在黏重的黃土狀亞黏土上，下層緊實，透水不良，中厚層黑土在70 cm下的土層每小時透水速度小于20 mm，薄層黑土從表層起透水性是極弱的，易形成上部滯水層，加劇了土壤的分散和崩解，加快侵蝕溝形態發育。黑土獨特的上層滯水性質易產生地表徑流，加劇對溝頭的沖刷，較強的持水能力造成黑土冬季含水量較高，加劇凍融作用對溝岸的破壞，造成溝岸崩塌、解體，溝頭處侵蝕劇烈。

吉興小流域白漿土的成土母質主要是第四紀河湖黏土沉積物，母質和土壤質地都比較黏重，0—20 cm土層容重變化范圍較大，為0.5~1.6 g/cm3，機械組成以0.05~0.01 mm粗粉砂和<0.001 mm黏粒含量最多，表層0—10 cm透水速度較快，土層較薄，白漿土雨季易產生季節性還原條件，土壤表層的鐵錳被還原成可溶性強的低價鐵、錳，與黏粒隨水向下遷移，形成20～40 cm緊實、板結的白漿層，當溝道下切到一定深度后，白漿層削弱了溝道下切與擴張的能力，造成沖溝寬度、深度較小，限制沖溝形態發育，由于白漿層的存在，沖溝前半段擴張能力受到限制，寬、深發育速率較慢，發育規模較小，后半段沖溝已沖破白漿層，發育規模相對較大。

五一小流域暗棕壤表層容重在0.72~0.81 g/cm3，飽和含水率介于83.38%~99.85%，表層含水量較高，向下劇烈降低，相差可達數倍，凍期長，凍層深造成土壤滯水現象比較嚴重，降低土壤抗蝕性，加劇沖溝形態發育。暗棕壤質地大多為壤質，從表層向下石礫含量逐漸增加，半風化石礫很多，土壤中混有礫石在一定程度上破壞了土壤顆粒之間的黏結力，降低土壤整體抗蝕性，凍融作用后溝岸處礫石脫落，造成土壤結構破壞，加劇溝岸的崩塌。

通過以上分析可以發現，土壤組成、土層厚度、土壤持水能力等因素都在一定程度上影響沖溝形態，土壤中黏粒、礫石含量通過影響徑流流向、土壤抗蝕性，進而影響沖溝形態，土壤持水能力影響凍融作用強度，土層厚度在一定程度上限制沖溝發育深度。

3.2.2地形因素對沖溝形態發育影響地形是影響地表水文和土壤侵蝕的主要環境因素，坡度、坡長是反映區域地形特征的主要因素[11]。地形因素既可以決定集水區面積、沖溝發育空間，又可以影響降雨、融雪徑流量、流速等條件，對沖溝形態具有重要影響。通過實地調查發現，光榮流域坡長、坡緩的地形特點為侵蝕溝上方創造大面積集水區，加大降雨、融雪匯流量，加劇徑流對溝道的沖刷。吉興流域屬于地塹盆地，斷裂較多，流域坡陡、坡短，地形較為破碎，限制沖溝發育空間。五一流域構造以斷裂構造為主，溝頭上方集水區面積較大，雨季可以形成季節性洪水，加劇侵蝕溝的發育，同時坡度、坡長較大為沖溝提供了發育空間。研究區沖溝所在坡面地形特征見表4。

表4　沖溝坡面地形特征

研究選取坡度、坡長乘積作為地形因子，分析其對沖溝形態的影響,由圖1—4可以看出,地形因子與沖溝長度、面積、體積的發育關系密切，隨著地形因子的增加，3者增加顯著，相關系數分別為0.87，0.88，0.91，這說明地形因子可以作為一個重要因素來衡量沖溝形態。由圖4可以看出，隨著地形因子的增加，沖溝橫截面面積先增加后減小，地形因子達到36.75時，橫截面面積最大。

圖1　沖溝長度與地形因子關系

圖2　沖溝面積與地形因子關系

圖3　沖溝體積與地形因子關系

3.2.3降雨侵蝕力對侵蝕溝形態發育影響東北黑土區獨特的氣候條件決定降雨、凍融及融雪作用是侵蝕溝發育的主要動力因素，其中降雨、融雪對侵蝕溝發育影響具有一定相似性，多是通過降雨徑流的沖刷造成侵蝕溝的發展，但由于季節性的差異，溝道內土壤性質差別較大，特別是春季解凍期土壤未解凍層的存在加劇融雪徑流的沖刷作用，凍融作用可以改變土壤抗蝕性，造成溝岸崩塌，影響侵蝕溝發育。光榮、吉興、五一流域分別位于黑土區的東北部、東南部、西北部，地理位置決定外營力的種類及強度，3個流域中，吉興流域多年降雨量較多，光榮、五一流域多年平均降雨量相對較少，光榮、五一流域凍融作用更為強烈，吉興流域凍融作用相對較弱。

圖4　沖溝橫截面面積與地形因子關系

降雨是引起土壤侵蝕的主要氣候因素，降雨侵蝕力是降雨量、降雨歷時、降雨強度、降雨動能等降雨侵蝕特征的綜合反映，研究選取3個流域近60 a的日值降雨數據計算降雨侵蝕力，各流域降雨侵蝕力與沖溝形態參數見表4。從中可以看出，吉興流域降雨侵蝕力最大，但沖溝各項形態參數均為最小，光榮流域降雨侵蝕力最小，但沖溝寬度、深度、橫截面面積最大，五一流域降雨侵蝕力為中間水平，但沖溝長度、面積、體積及寬深比是最大的。由此可見，沖溝形態是多因素長時間綜合作用的結果，降雨因素對于沖溝形態的影響有限，土壤、地形地貌對其形態影響顯著。

表4　降雨侵蝕力與沖溝形態參數

4結 論

(1) 自然環境地域性分異造成沖溝形態具有一定差別，就沖溝長度、面積、體積而言，五一>光榮>吉興；就沖溝寬度、深度、橫截面面積而言，光榮>五一>吉興，沖溝長度、面積、體積成正相關關系，沖溝深度、寬度、橫截面面積成正相關關系。

(2) 土壤組成、土層厚度、土壤持水能力等因素都在一定程度上影響沖溝形態，土壤中黏粒、礫石含量影響徑流流向及土壤抗蝕性，進而影響沖溝形態，土壤持水能力影響凍融作用強度，土層厚度在一定程度上限制沖溝發育深度。

(3) 地形因子與沖溝長度、面積、體積的發育關系密切，隨著地形因子的增加，三者增加顯著，相關系數分別為0.87，0.88，0.91，隨著地形因子的增加，沖溝橫截面面積先增加后減小，地形因子達到36.75時，橫截面面積最大。

(4) 降雨、凍融及融雪是黑土區沖溝發育的主要動力因素，沖溝形態是多因素長時間綜合作用的結果，降雨因素對于沖溝形態的影響有限，土壤、地形因素對其形態影響具有決定性作用。

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Morphologies Characteristics and Driving Factors of Gullies in Black Soil Region of Northeast China

GU Guanghe1, FAN Haoming1, WANG Yansong2, ZHONG Yunfei2, LIU Jianxiang2

(1.CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China;

2.SongliaoWaterResourcesCommission,MinistryofWaterResources,Changchun,Jilin130000,China)

Abstract：[Objective] To study the effects of different environment factors in black soil region on gullies morphologies. [Methods] The gully morphologies were measured by differential GPS and their morphological parameters were calculated by GIS, then the reasons of different gully morphologies were analyzed. [Results] The length， area and volume of gullies were positive correlation， and the width， the depth and sectional area of gullies were positive correlation too. The gully length， gully area and gully volume in Wuyi watershed were the biggest, the second were in Gaungrong watershed， and the third were in Jixing watershed. In terms of gully width， gully depth and gully sectional area， that of Gaungrong watershed were the biggest， and then were that in Wuyi watershed and Jixing watershed. The content of soil clay and gravel, soil water-holding capacity，and soil thickness had important influences on gullies morphologies， rainfall factors had less important effects. [Conclusion] Terrain factors are the important factors influencing the gully morphologies. With the growth of terrain factor， the length， area and volume of gullies increased significantly， the sectional area of gully was the biggest when the terrain factor was 36.75.

Keywords:gully morphologies; developing; black soil region; terrain factors

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0030-04

中圖分類號：S157.1

通信作者：范昊明(1972—),男(漢族),吉林省白山市人,博士教授,從事流域侵蝕產沙與水土保持規劃研究。E-mail:fanhaoming@163.com。

收稿日期：2014-08-25修回日期：2014-10-09

資助項目：國家自然基金項目“東北黑土低山丘陵區融雪侵蝕機理與過程研究”(41371272)

第一作者：顧廣賀(1989—),男(滿族),遼寧省鳳城市人,碩士研究生,研究方向為土壤侵蝕機理。E-mail:guguanghe666@163.com。