侵蝕溝與耕地壟向之關(guān)系探究

李 飛，張樹文，，楊久春，卜 坤，常麗萍，李天奇

（1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130061；2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)春130102；3.河南大學(xué)，河南 開封475200）

侵蝕溝作為一個(gè)最關(guān)鍵和最具破壞性的水蝕導(dǎo)致了大量土壤的沉淀和退化，破壞耕地，切割地表，蠶食土地，沖走沃土，淤積河道，切斷交通，造成人畜傷亡，沖走房屋和社會(huì)公用設(shè)施等問題，越來越引起人們的關(guān)注，近年來更受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍重視［1－4］。Valentin等人系統(tǒng)地闡述了侵蝕溝的影響因素及對(duì)其的控制［2］，李曉燕，閆業(yè)超，王文娟等幾位學(xué)者較為全面地分析了不同海拔、坡度、坡形、坡向、坡長(zhǎng)等地形地貌因子對(duì)侵蝕溝發(fā)生發(fā)展的影響［5－9］。東北黑土區(qū)是我國(guó)最大的商品糧基地，地貌類型為漫川漫崗，60%為坡耕地，大部分的黑土區(qū)已有幾十年甚至上百年的耕種歷史［10］，尤其是新中國(guó)成立以來，大規(guī)模的過度墾殖和不合理耕作，昔日有“北大倉”之稱的千里沃野已存在不同程度的水土流失，溝蝕嚴(yán)重，且逐年向嚴(yán)重和劇烈侵蝕發(fā)展，密度增加，強(qiáng)度加強(qiáng)［11］。目前，對(duì)我國(guó)東北黑土區(qū)溝壑侵蝕的研究主要集中在侵蝕溝與自然影響因素之間關(guān)系的分析以及對(duì)侵蝕溝的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上，而有關(guān)侵蝕溝與人為活動(dòng)造成的耕地壟向之間關(guān)系的研究甚少。本文以九臺(tái)市為研究區(qū)，均勻選取了研究區(qū)內(nèi)的31個(gè)小流域，對(duì)各個(gè)小流域內(nèi)的侵蝕溝進(jìn)行了詳細(xì)勘察，并記錄侵蝕溝兩側(cè)耕地的壟向，以此為基礎(chǔ)，探討了不同海拔、坡度和坡形上侵蝕溝與耕地壟向之間的關(guān)系，以便當(dāng)?shù)鼐用癫扇「鼮楹侠碛行У母N措施，減緩侵蝕溝對(duì)耕地的侵蝕。

1 研究區(qū)概況

九臺(tái)市地處吉林省中部的長(zhǎng)春平原，位于東經(jīng)125°25′—126°30′，北緯43°51′—44°32′，屬于松遼平原與長(zhǎng)白山的過渡地帶，是季風(fēng)區(qū)中溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)，四季分明，屬于大陸性氣候。境內(nèi)地形地勢(shì)呈西南東北狹長(zhǎng)狀，東南高，西北低。境內(nèi)河網(wǎng)密布，低山聳生。一江三河（松花江、飲馬河、霧開河、沐石河）縱貫?zāi)媳保L(zhǎng)白山余脈即大黑山脈橫亙東西。境內(nèi)平原、臺(tái)地和丘陵分別占全市總面積的44%，34%，22%。九臺(tái)市幅員面積2 875km2（2007年），在耕地16.04萬hm2，按農(nóng)業(yè)人口計(jì)算，人均0.27hm2，其中糧豆作物面積14.5萬hm2，人均0.24hm2，市屬林地面積6.49萬hm2，草地面積1.31萬hm2，水域面積2.53萬hm2。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文的數(shù)據(jù)主要有高分辨率的Google earth影像、30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和研究區(qū)等高線數(shù)據(jù)以及野外調(diào)查得來的侵蝕溝數(shù)據(jù)。本次野外調(diào)查共選取31個(gè)小流域，這些小流域在研究區(qū)內(nèi)均勻分布。根據(jù)壟向和等高線夾角（銳角）的大小將其分為順坡起壟（夾角為0～10°），斜坡起壟（10°～80°）和橫坡起壟（80°～90°），從2012年5月份的高分辨率的Google earth影像上，人工解譯出各個(gè)小流域內(nèi)耕地的耕作壟向，并在野外進(jìn)行了驗(yàn)證，正確率在95%以上，根據(jù)調(diào)查記錄對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行修正（由于有些小流域內(nèi)沒有耕地，以及某些小流域內(nèi)的壟向無法從Google earth影像上解譯出來，因此，可利用的只有12個(gè)小流域內(nèi)的數(shù)據(jù)）。在野外對(duì)31個(gè)小流域內(nèi)的侵蝕溝進(jìn)行了詳細(xì)的勘察，共勘測(cè)到253條侵蝕溝，分別記錄了其溝長(zhǎng)、上寬、下寬、最大深度、平均深度、兩側(cè)耕地壟向、發(fā)展?fàn)顟B(tài)等信息。將耕地壟向面狀數(shù)據(jù)與侵蝕溝疊加，生成不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝分布圖（圖1），并計(jì)算出各自的密度（圖2）。

圖1 研究區(qū)概況

圖2 不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝密度

3 結(jié)果與分析

3.1 不同海拔上壟向?qū)η治g溝分布的影響

根據(jù)表1對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，得出各個(gè)小流域內(nèi)海拔分級(jí)圖，與耕地壟向面狀數(shù)據(jù)疊加，得到不同海拔等級(jí)上的耕地壟向分布圖，并計(jì)算出其面積，然后再將之與侵蝕溝數(shù)據(jù)疊加，求出不同海拔上不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝的長(zhǎng)度與密度（圖3）。

表1 海拔分級(jí)

圖3 不同海拔上不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝密度

總體來看，無論壟向如何，侵蝕溝密度隨著海拔的增加都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，侵蝕溝密度最大處出現(xiàn)于240～260m的范圍內(nèi)。220～240m這一海拔等級(jí)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，小于這一等級(jí)，斜坡起壟的耕地內(nèi)侵蝕溝密度甚小，也是三種耕作壟向當(dāng)中侵蝕溝密度最小的一種，但是當(dāng)大于這一等級(jí)時(shí)，斜坡起壟的耕地內(nèi)侵蝕溝密度急劇增加，最大達(dá)到44.0km／km2，順坡起壟具有相似的趨勢(shì)，而橫坡起壟耕地內(nèi)的侵蝕溝密度變化相對(duì)較小。這可能與降雨時(shí)高海拔處的匯水較少，橫坡起壟能夠阻擋水流向下流動(dòng)，減緩了降水匯流對(duì)土壤的侵蝕，斜坡起壟和順坡起壟的作用則正好相反。到了低海拔處，匯水增多，可能同時(shí)把橫坡壟沖開多處缺口，產(chǎn)生更多的侵蝕溝。另外，海拔高的區(qū)域耕地較少也可能是侵蝕溝密度較大的一個(gè)原因。由此可以看出，海拔超過240m的地區(qū)已經(jīng)不再適合耕種，應(yīng)進(jìn)行退耕還林還草，加強(qiáng)防治措施。因?yàn)橐坏┰趨R水上游形成侵蝕溝，雨水匯集于此，將會(huì)進(jìn)一步侵蝕低海拔處的耕地，加劇土壤侵蝕。而在低海拔處應(yīng)以斜坡起壟的耕作方式為主。

3.2 不同坡度上壟向?qū)η治g溝分布的影響

從DEM數(shù)據(jù)中提取坡度數(shù)據(jù)，根據(jù)表2對(duì)坡度進(jìn)行分級(jí)，得到坡度分級(jí)圖，將其與耕地壟向面狀數(shù)據(jù)疊加，生成不同坡度上的耕地壟向分布圖，并計(jì)算出其面積，然后再將之與侵蝕溝數(shù)據(jù)疊加，求出不同坡度上不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝的長(zhǎng)度與密度（圖4）。

表2 坡度分級(jí)

圖4 不同坡度上不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝密度

不同坡度上斜坡起壟耕作地區(qū)內(nèi)的侵蝕溝密度變化表現(xiàn)出和不同海拔上相似的趨勢(shì)，即隨著坡度的增加，侵蝕溝密度先增大后減小，6°～8°是其轉(zhuǎn)折點(diǎn)。而在順坡起壟和橫坡起壟的耕地中無此趨勢(shì)，其侵蝕溝密度隨著坡度的增加而增大。侵蝕溝密度最大處出現(xiàn)在坡度大于8°的順坡起壟的耕地內(nèi)，為9.8km／km2。在坡度小于6°的耕地內(nèi)，三種耕作方式相比，斜坡起壟的耕地中侵蝕溝的密度都是最小的，在2°～4°處達(dá)到最小，為0.7km／km2。在0～2°范圍內(nèi)，順坡起壟的耕地中的侵蝕溝密度最大，在2°～6°范圍內(nèi)，橫坡起壟的耕地中的侵蝕溝密度最大。這是因?yàn)椋?～2°范圍內(nèi)，橫坡起壟能夠阻擋降雨匯水向下流動(dòng)，防止侵蝕溝的產(chǎn)生，即使匯水能將橫坡壟沖開缺口，由于坡度較緩，也不易于產(chǎn)生侵蝕溝或產(chǎn)生的侵蝕溝較小較短，斜坡起壟則正好相反，匯水聚集在壟溝內(nèi)向下沖蝕，有利于侵蝕溝的產(chǎn)生和發(fā)展，隨著坡度的增加，侵蝕也就越嚴(yán)重；在2°～6°范圍內(nèi)，由于“渠系效應(yīng)”（在短歷時(shí)暴雨的情況下，橫坡壟作的坡耕地中產(chǎn)生的超滲徑流通過以接近水平狀態(tài)的緩慢流動(dòng)，在脆弱處或低洼處匯集并沖開壟體形成集中股流，造成切溝）［12］，橫坡壟的匯流形成的集中股流是順坡壟的幾十到幾百倍，因而橫坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度是三者中最大的。因?yàn)樵谘芯繀^(qū)內(nèi)坡度4°和坡度5°等級(jí)內(nèi)的地區(qū)海拔多數(shù)較高，受海拔的影響，在6°～8°范圍內(nèi)，三者之間侵蝕溝密度最大的是斜坡起壟。坡度大于8°的地區(qū)，不適宜耕種且耕地較少，不做討論。

3.3 不同坡形上壟向?qū)η治g溝分布的影響

在DEM數(shù)據(jù)的支持下可利用窗口分析中的鄰域分析法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同坡面坡形的自動(dòng)獲取。其公式為：

式中：Gij——窗口中心柵格的高程值；∑Gk——窗口中有效柵格的高程值之和；n——窗口中有效柵格的個(gè)數(shù)。當(dāng)L＞0時(shí)，坡形為凸形坡；當(dāng)L＝0時(shí)，坡形為直形；當(dāng)L＜0時(shí)，坡形為凹形坡。將坡形圖與耕地壟向面狀數(shù)據(jù)疊加，得到不同坡形上的耕地壟向分布圖，并計(jì)算出其面積，然后再將之與侵蝕溝數(shù)據(jù)疊加，求出不同坡形上不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝的長(zhǎng)度與密度（圖5）。

如圖5所示，無論在何種坡形上，斜坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度都相對(duì)較小，橫坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度都大于順坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度。總體來看，凹形坡上的侵蝕溝密度最大，直形坡上的侵蝕溝密度最小。這是因?yàn)椋滦螞Q定了溝蝕過程中地表徑流是匯聚還是擴(kuò)散，徑流的聚集增加了下切作用，這很容易導(dǎo)致侵蝕溝的產(chǎn)生［13］。相對(duì)于直形坡和凸形坡，凹形坡較易匯聚徑流形成侵蝕溝。同樣由于“渠系效應(yīng)”的作用，橫坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度大于順坡起壟的耕地內(nèi)侵蝕溝的密度。而斜坡起壟由于和順坡流動(dòng)的降雨匯流形成一個(gè)銳角夾角，既能減緩匯流向下流動(dòng)的速度，又不至于使水流匯集在壟溝內(nèi)而產(chǎn)生“渠系效應(yīng)”，因而在斜坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度最小。

圖5 不同坡形上不同壟向的耕地內(nèi)侵蝕溝密度

4 結(jié) 論

總體來看，斜坡起壟的耕地內(nèi)最不易形成侵蝕溝，橫坡起壟的耕地內(nèi)最易產(chǎn)生侵蝕溝。在海拔小于240m的耕地內(nèi)，斜坡起壟能夠減緩或防止侵蝕溝的產(chǎn)生，橫坡起壟最易于產(chǎn)生侵蝕溝；海拔大于240m的耕地內(nèi)，斜坡起壟最易產(chǎn)生侵蝕溝，橫坡起壟最不易產(chǎn)生侵蝕溝。在0～2°坡度上，順坡起壟的耕地內(nèi)侵蝕溝密度最大，斜坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度最小；在2°～6°坡度上，由于“渠系效應(yīng)”的作用，橫坡起壟的耕地內(nèi)最易產(chǎn)生侵蝕溝，坡度大于6°時(shí)，侵蝕溝最易在順坡起壟的耕地中產(chǎn)生發(fā)展。無論坡形如何，橫坡起壟的耕地內(nèi)的侵蝕溝密度都大于順坡起壟，這說明，斜坡起壟能夠有效減緩甚至防止侵蝕溝的發(fā)生發(fā)展。然而，無論采取何種壟向的耕作方式，隨著海拔、坡度的增加，侵蝕溝產(chǎn)生的幾率都逐漸增加，而侵蝕溝一旦形成，很難治理恢復(fù)，退耕還林還草對(duì)減緩侵蝕溝的發(fā)展收效甚微。因此，應(yīng)當(dāng)減少或停止將陡坡或海拔較高的林地、草地、荒地等開墾為農(nóng)田，防止侵蝕溝的產(chǎn)生。

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