半干旱黃土丘陵溝壑區溝道侵蝕特征研究

劉 林，王小平，2，孫瑞卿

（1.山西省水土保持科學研究所，太原030045；2.山西省水土保持生態環境建設重點實驗室，太原030045；3.山西省農業科學院農產品質量安全與檢測研究所，太原030031）

水土流失繼續對半干旱黃土丘陵溝壑區的生態環境和人民生產生活構成嚴重制約和威脅。由于該地區獨特的地貌形態、較強的降雨侵蝕力和高強度的農業和人類活動，使得黃土丘陵溝壑區成為各國學者研究土壤侵蝕的重要領域［1－5］。目前關于黃土高原土壤侵蝕的研究主要集中在室內外坡面試驗研究，例如下墊面性質、氣候因素、人為干擾等因子對土壤流失的影響［6－11］。但這些坡面侵蝕研究成果很難應用于流域侵蝕研究，特別是對于黃土高原丘陵溝壑區，學者們對于該地區土壤侵蝕強度的空間分異規律與原因、土壤侵蝕的治理方向與措施等問題都未取得共識，而這些又是黃土丘陵溝壑區土壤侵蝕治理迫切需要解決的問題。眾所周知，黃土高原水土流失的泥沙主要來自于丘陵溝壑區的溝道系統，溝道產沙量約占黃土高原總侵蝕量的80%。因此，對溝道系統的發育規律及分布特征的研究越來越受到重視［12－15］。位于晉西北的呂梁山區是典型的半干旱黃土丘陵溝壑區，本文將“3S”技術與近十年實地調查研究相結合，從小流域溝道侵蝕研究入手，探討半干旱黃土丘陵溝壑區溝道系統的侵蝕規律和特征。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省西北地區的呂梁市王家溝小流域（37°32′—37°34′N，111°08′—111°11′E），面積為9.1km2，屬于典型的半干旱黃土丘陵溝壑區。流域內年平均氣溫為8.3℃，無霜期160～180d。年均降水量495.1mm，其中6—9月降雨量約占全年降水量的72%。年蒸發量為1 578mm，空氣相對濕度66.8%，屬于中溫帶半干旱氣候。

該流域的土壤是在黃土母質基礎發育而成，分為上下兩層，上層為馬蘭黃土，厚度為20～30m，下層為離石黃土，厚度可達100m。溝坡處有次生黃土覆蓋，在溝坡下部及溝掌有三趾馬紅土出露，厚度30～50m。流域內所見最古老巖層為灰白色的奧陶系灰巖，僅在上游靠近分水嶺的溝底少量出露。流域內土壤具有垂直節理，土質疏松，加之地面坡度大，植被少，在暴雨季節極易發生土壤侵蝕。

1.2 數據來源與處理軟件

數據采用2009年及2011年兩期WorldView衛星影像數據，時相分別為10月和11月，影像數據的分辨率為0.5m，輔助數據包括由山西省水土保持科學研究所繪制的1∶10 000地形圖和1∶5 000土地利用現狀圖。基礎資料數據包括2002—2013年期間山西省水土保持科學研究所對該流域定期調查的實測數據。

主要采用的處理軟件包括：遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGINE 2013；地理信息處理軟件 ArcGIS 10.0；數理統計分析軟件SPSS 18.0。

1.3 研究方法

1.3.1 溝道信息提取與識別 基于 ERDAS IMAGINE平臺，分別對2009年和2011年兩期World View衛星圖像進行紅、綠、藍三色波段合成，生成標準假彩色影像，以1∶10 000地形圖為基準，進行地物配準，實現對衛星影像的幾何糾正，并利用ArcGIS的Spatial Analyst工具對研究區進行掩膜提取。在1∶10 000的比例尺下，結合野外實地調查結果，我們對衛星影像中長度大于10m的溝道進行判讀和識別，從而完成對王家溝流域內溝道信息的提取。

1.3.2 土地利用現狀分類 以山西省水土保持科學研究所繪制的土地利用現狀圖（1∶5 000）為參考，利用ERDAS IMAGINE對衛星影像數據進行人工目視解譯，將研究區的土地覆蓋類型分為旱地、裸地、村莊、采礦用地、果園、灌木林地、農業用地、其他林地、其他草地、道路用地共10種，并通過野外實地調查對解譯結果進行驗證和校準。

1.3.3 植被覆蓋度 本次研究采用像元二分模型［16－18］對項目區內的植被覆蓋度進行計算：

FC＝（NDVI－NDVIsoil）／NDVIveg－NDVIsoil

式中：FC——像元植被覆蓋度；NDVIsoil——無植被覆蓋像元的NDVI值；NDVIveg——完全被植被覆蓋的像元的NDVI值。

1.3.4 土壤侵蝕強度分級 對王家溝流域1∶10 000地形圖進行矢量化，在ArcGIS 10.0平臺上建立數字高程模型（DEM），并提取研究區坡度。參考水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標準，利用ArcGIS空間分析功能對提取的植被信息、土地利用信息、坡度信息進行疊加分析，建立研究區水土流失強度分級制圖。

2 結果與分析

2.1 溝道分類與發育特征

通過對王家溝流域衛星影像的解譯識別，在研究區內共發現符合條件的溝道718條。根據溝道所處的地形環境、形成條件及空間分布格局，可將這些溝道分為切溝、沖溝、干溝和河溝4類，如圖1所示。

圖1 王家溝流域溝道空間分布

經統計，王家溝流域內共有沖溝109條，切溝286條，干溝302條及河溝21條。河溝是整個流域溝道的“骨架”，多位于流域的中下游；干溝是流域內分布最廣泛的溝道類型，多分布于大型河溝兩側陡峭的谷坡處；沖溝空間特征明顯，多見于流域上游，大多為干溝或河溝的支溝；切溝是4類溝道中規模最小的一類溝道，與其他3類溝道相伴而生，溝道發育活躍，是現代侵蝕地貌發育過程的產物。

為了研究4類溝道的發育特征，分別從每類溝道中隨機選擇21條溝道進行溝道特征研究，結果如表1所示，河溝的規模是4類溝道中最大的，其長度、寬度、深度明顯大于其他3類溝道；切溝的溝道縱比降最大，為69.6%；沖溝的平均坡度最大，為42.3°；在可統計面積的3類溝道中，干溝具有最大的平均溝道面積1 628m2。

對4類溝道的地形、地貌因子進行皮爾遜相關性分析（表2）。結果顯示，沖溝、切溝的溝長與溝深分別呈現正相關性，在P＜0.01水平下，相關系數R分別為0.82和0.91，而干溝（P＜0.01，R＝0.074）和河溝（P＜0.01，R＝0.03）則無此相關性。該發現有助于解釋流域內4類溝道縱降比和剖面形狀出現“兩類化”的現象：王家溝流域內，沖溝與切溝的溝道縱降比均大于30%，干溝和河溝則低于21%；沖溝與切溝的剖面形狀多呈V字形，而干溝和河溝則接近于U字形。另外，結合表1和表2可以看出，沖溝、切溝和干溝的平均溝頭坡度與其溝道面積呈現負相關性。切溝的溝頭坡度38.2°，溝道面積926m2，干溝溝頭坡度最小，為15.6°，溝道面積卻比切溝大的多，為1 628m2。這一特征與“坡度大小與溝道面積成正比”的說法［19］有很大出入。實地調查發現，該發育特點主要是由于黃土高原丘陵溝壑區土壤特性造成的。該處土壤母質結構疏松，離石黃土和馬蘭黃土含水率低，粘性差，當暴雨來臨時，切溝與沖溝由于溝頭坡度大，初期會產生大量的地表徑流，對溝道沖刷集中且強烈，致使溝道下切面狹窄，隨著時間發展，兩側谷坡黃土層越來越不穩定，在重力侵蝕作用下大量侵蝕物質會堆積到溝道底部，造成河道淤積，面積減少。這一發現與朱同新等人的研究結果較一致［20］。

表1 王家溝溝道地形、地貌特征

表2 四類溝道地形因子的皮爾遜相關系數

2.2 溝道侵蝕現狀分析

圖2是王家溝流域土壤侵蝕強度分布圖，利用ArcGIS軟件進行土壤侵蝕面積統計，結果顯示王家溝流域內土壤侵蝕面積（輕度以上土壤侵蝕面積）4.89km2，占流域總面積53.74%。其中輕度土壤侵蝕面積為2.35km2，占侵蝕面積48.06%；中度侵蝕面積為1.44km2，占侵蝕面積29.45%；強度侵蝕面積為0.87km2，占侵蝕面積17.79%；極強度侵蝕面積為0.23km2，占侵蝕面積4.7%。流域平均土壤侵蝕模數為3 043t／（km2·a）。

圖2 王家溝流域土壤侵蝕強度分布

通過圖1和圖2可以直觀發現流域內各類溝道分布與土壤侵蝕強度之間存在緊密聯系。對二者進行空間疊加統計（表3）。可以看出在王家溝流域內溝道侵蝕是土壤侵蝕的主要形式，溝道侵蝕面積占總侵蝕面積的56.19%，干溝侵蝕面積比例最大，為17.28%；溝道侵蝕主要以中度侵蝕和強度侵蝕為主，二者侵蝕面積分別占流域內同類侵蝕強度面積的40.61%和64.37%。

4類溝道的土壤侵蝕強度也存在明顯差異，河溝以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，土壤流失較少；干溝則主要集中在輕度侵蝕和中度侵蝕；而溝道面積相對較小的沖溝和切溝則土壤流失非常嚴重，中度以上的侵蝕面積占其溝道總侵蝕面積比例分別為96.95%，83.23%。

實地調查可知，河溝已經屬于溝道發育的“老年”階段，整個溝底寬平，由黃土、紅土混合鈣結核及礫石組成，老的水流沖積物形成的溝道凸岸已成為階地或被改造為農地，溝道穩定，植被覆蓋度較高，干溝屬于溝道發育的“成熟”階段，溝底寬窄，由上游沖刷下來的侵蝕物質組成，兩側坡麓部分也堆積了很多重力活動（滑坡、瀉溜、崩塌等）的堆積物，當上游徑流沖刷這些堆積物時，就會產生大量的泥沙，但由于多數的干溝坡度較低，植被覆蓋較好，可以起到減流固沙的作用，使徑流中攜帶的泥沙沉積，大大降低土壤流失量。切溝和沖溝基本屬于現代侵蝕溝，是溝道發育的“青年”階段，這兩類溝道往往分布在坡度高、植被覆蓋差的梁峁坡上，或在干溝、河溝的溝坡上，V字形斷面使溝道兩側邊坡不斷被流水消蝕，積壓在溝底的堆積物在雨季會被洪水攜帶走，造成強烈的土壤侵蝕。據王福堂［21－22］統計發現：像切溝、沖溝這樣的“V”型溝是王家溝流域內土壤侵蝕強度最大的地類，其面積僅占流域面積的4.34%，產沙量卻占到流域產沙量的近20%。

表3 王家溝流域土壤侵蝕溝道類型的面積比重

2.3 溝道侵蝕的坡度分異特征

圖3是王家溝流域的DEM圖，利用GIS進行坡度提取（圖4）并將其與溝道分布圖、土壤侵蝕強度圖分別進行空間疊加分析，求得王家溝流域內不同坡度的溝道分布情況和土壤侵蝕面積。

從圖5中可以看出，在王家溝流域內坡度與溝道分布和土壤侵蝕強度之間存在緊密聯系。在坡度低于30°的區域內主要的溝道類型為干溝和沖溝，土壤侵蝕強度以輕度侵蝕和中度侵蝕為主；另外，強度土壤侵蝕面積的比例在各坡度內的分布與同坡度沖溝、切溝數量分布非常相似，都呈現先增后減的變化趨勢，并在坡度為40°～50°處達到最大值；而對于極強度的土壤侵蝕從圖中可以看到坡度越大，其所占比例越大。

為了分析圖5中不同坡度內土壤侵蝕強度與各類型溝道分布的相互關系，對其進行相關性分析，可以看出，當坡度小于20°時，輕度土壤侵蝕和中度土壤侵蝕面積比例與干溝和河溝的分布數量呈極顯著正相關關系。當坡度處于20°～50°之間時，中度土壤侵蝕面積比與干溝分布存在正相關性，但二者的顯著性隨著坡度增加逐漸降低；當坡度大于40°時，強度土壤侵蝕和極強度土壤侵蝕面積比與沖溝和切溝分布數量存在顯著正相關性，并且與干溝數呈負相關關系。其中在40°～50°的區域，沖溝和切溝分布最多，與強度和極強度土壤侵蝕面積比的相關系數R均超過了0.9，這表明該處土壤流失源主要來自于沖溝和切溝。而當坡度大于70°時，由于坡度太陡，各類初級溝道會受重力作用發生坍塌、崩塌、滑坡等，已經不宜于溝道的成型發育，土壤侵蝕也由溝道侵蝕向重力侵蝕轉移。另外值得關注的是，10°以下區域河溝數量與輕度侵蝕面積比的相關系數（R＝0.639）遠小于10°～20°內兩者的相關系數（R＝0.976）。這主要是由于10°以下區域主要集中在9條主干河溝內（見圖3），這幾條溝道溝底較寬且穩定，受人為活動（修路、建廠、開墾等）影響強烈，土地開發程度較大，另外，近幾年外出務工人員較多，很多農地、耕地荒廢，致使該區域內植被覆蓋度下降，溝內大面積土壤侵蝕強度正由輕度侵蝕向中度侵蝕轉變。

圖3 王家溝流域DEM圖

圖5 王家溝流域不同坡度溝道與土壤侵蝕面積分布

3 結 論

（1）王家溝流域內的溝道可以分為4類：切溝、沖溝、干溝、河溝。其中干溝分布數量最多；河溝規模最大；沖溝的平均坡度最大；切溝則是4類溝道中最為活躍、發育時間最短的溝道，具有最大的溝底比降。通過對4類溝道地形因子進行相關性分析，發現沖溝、切溝、干溝這三類溝頭平均坡度與溝道面積呈負相關性，即溝頭坡度越大，溝道面積越小；沖溝、切溝的溝長與溝深分別呈正相關性，而干溝和河溝分別受谷坡長度和泥沙淤積等因素影響，溝長與溝深沒有明顯相關性。

（2）溝道侵蝕是王家溝流域內土壤侵蝕的主要形式，溝道侵蝕面積占總侵蝕面積的56.19%。4類溝道中河溝是土壤侵蝕強度最低的溝道，以微度和輕度侵蝕為主。沖溝和切溝則是土壤侵蝕最為嚴重的溝道，其“V”字形斷面會造成大量土壤流失，兩者中度以上的土壤侵蝕面積占其溝道總侵蝕面積的比例分別為96.95%，83.23%。

（3）王家溝流域不同坡度范圍內土壤侵蝕強度與溝道的類型和空間分布存在緊密聯系。當坡度小于10°時，輕度和中度土壤侵蝕面積與河溝、干溝的分布數量呈極顯著的正相關性；當坡度大于40°時，強度和極強度土壤侵蝕面積與沖溝和切溝分布數量存在正相關性，并在40°～50°區間內相關系數達到最大。

（4）當坡度大于70°后流域內土壤侵蝕方式由溝道侵蝕轉向重力侵蝕。流域內10°以下區域部分主干河溝的土壤侵蝕強度正由輕度向中度轉變，主要原因是近些年土地開發程度加劇，大量務農人員外出，致使農、耕地大量荒廢，植被覆蓋度下降，從而易造成水土流失。

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