河南省黃土丘陵區侵蝕溝分類研究

張　巖，馬松增，閆佳杰，閆俊飛，張　毅

(1.河南省水土保持監督監測總站，河南 鄭州 450008； 2.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083；3.河南省嵩縣水土保持科學研究所，河南 嵩縣 471400)

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河南省黃土丘陵區侵蝕溝分類研究

張巖1，馬松增1，閆佳杰2，閆俊飛3，張毅1

(1.河南省水土保持監督監測總站，河南 鄭州 450008； 2.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083；3.河南省嵩縣水土保持科學研究所，河南 嵩縣 471400)

侵蝕溝；分類；指標體系；黃土丘陵區；河南省

以河南省黃土丘陵區為研究區，選取絕對高程為主導因子作為侵蝕溝分類一級分區的指標，在此基礎上根據自然社會指標和侵蝕溝特征指標，運用空間分析和數學統計的方法進行綜合分析，得到研究區侵蝕溝分類的二級分類體系。采用這種分類方式，區分河南省黃土丘陵區具有不同發育程度、不同特性的侵蝕溝，為當地侵蝕溝的治理提供依據。

侵蝕溝是黃土高原土壤侵蝕的重要源地。在了解侵蝕溝發育狀況、發育程度等基礎上進行侵蝕溝分類研究，有助于有針對性地開展黃土高原侵蝕溝治理。關于黃土高原侵蝕溝的分類，國內外學者進行了多種嘗試：早期人們曾根據坡面侵蝕機理對侵蝕溝進行分類[1-2]，這種方法側重定性分析，缺乏定量評價標準；之后人們開始嘗試運用數學方法對分類進行定量支持[3]，但是合理性、準確性有待商榷；目前人們常用多種方法相結合的方法[4-6]進行侵蝕溝分類，這種方法雖然具有實踐意義，但無法適用于較大范圍。河南省黃土丘陵區侵蝕溝分布范圍較廣、區域特性明顯、發育程度不同，無法適用于當前已有的侵蝕溝分類方式。在這樣的背景下，本研究以河南省黃土丘陵區為研究區，嘗試采用定性與定量分析、空間分析和數學統計等多種方法相結合的方法對侵蝕溝進行分類，以期為黃土高原地區水土流失侵蝕溝道綜合治理和空間措施配置提供依據。

1　研究區概況

河南省黃土丘陵區是河南省水土流失最嚴重的地區之一，屬于豫西黃土臺塬低山輕度水蝕區，位于河南省西北部，西鄰陜西，北瀕黃河，南與伏牛山區交錯，東同黃淮平原接壤[7]，總面積約2.7萬km2，約占河南省總面積的16.13%。該區氣候干旱，年降水量小，同時又是中華民族歷史上開發最早的地區之一，自然植被破壞、水土流失嚴重[8]；海拔80～2 400 m，地形起伏變化大，土層深厚、疏松、抗蝕抗沖性差，面蝕、溝蝕、崩塌、滑坡等時有并相伴發生；現階段以溝蝕(切溝侵蝕)最為活躍，溝底下切、溝岸擴張和溝頭溯源侵蝕不斷蠶食和分割坡面，梁峁或塬面被切割得支離破碎，由此產生的土壤流失量約占黃土丘陵區總侵蝕量的60%以上，不僅嚴重影響農業生產和糧食安全，而且給山區群眾生產生活和生態環境造成極大威脅[9-11]。

2　研究內容與方法

針對河南省黃土丘陵區侵蝕溝展開調查，以地學知識為基礎，綜合運用“3S”技術，采用空間分析方法和數學統計相結合的方法，綜合侵蝕溝發育的各項影響因子，選擇絕對高程作為侵蝕溝分類一級分區的主導因子。在一級分區基礎上，運用層次分析法，進一步選擇對水土流失影響顯著的坡度、植被覆蓋度、土地利用類型、多年平均降水量、土壤類型等作為評價指標，同時結合能夠體現侵蝕溝不同形態的各項侵蝕溝自身特征指標，如溝道縱比降、主溝道長度、溝道寬長比、溝道平均寬度、溝道侵蝕面積、侵蝕溝周長等，對侵蝕溝進行二級分類，從而建立完整的二級分類體系，技術路線見圖1。分析步驟：①分析影響侵蝕溝發生發育的多個影響因子，選擇絕對高程作為侵蝕溝分類一級分區的主導因子；②獲取遙感影像，搜集基礎資料，通過多種方法獲取各項指標；③從自然影響因素出發，在一級分區的基礎上，對各個指標進行空間疊加分析；④從侵蝕溝特征指標出發，運用數學方法，對選取的各屬性特征指標進行聚類分析；⑤將空間疊加分析和聚類分析的結果進行綜合分析，進而進行二級分類，形成侵蝕溝分類體系。

圖1　侵蝕溝分類技術路線

3　侵蝕溝分類

3.1評價指標

對研究區侵蝕溝開展調查研究，從外部影響因素的自然社會指標和其本身發育特征的侵蝕溝特征指標兩方面選取評價指標。

3.1.1自然社會指標

影響侵蝕溝發育的外部因素很多，包括自然因素和社會因素。這些因素對侵蝕溝形成和發展的各個階段都有影響，對侵蝕溝發育影響的機理也不相同。主要包括以下幾個方面：①土壤類型。通常用土壤抗蝕性和抗沖性衡量土壤抵抗徑流侵蝕的能力。土壤越黏重，膠結物越多，抗蝕性越強。該地區土壤種類較多且分布不均，有褐土、石灰性褐土、潮褐土等，它們對土壤侵蝕的影響程度不同。②植被覆蓋度。植被覆蓋度是衡量地表水土流失狀況的一個最重要指標。該地區植被分布不均，對侵蝕溝的發育有一定影響。③坡度。該地區土壤侵蝕以面蝕和溝蝕為主，土壤侵蝕量的大小受地面坡度大小影響明顯。④土地利用類型。不同類型的土地利用方式對侵蝕溝的發生發育影響很大。近年來研究區土地利用類型發生了明顯變化，造成部分地區侵蝕溝發育。⑤多年平均降水量。暴雨沖刷是造成土壤侵蝕的重要原因，因此選取多年平均降水量作為主要評價指標。

3.1.2侵蝕溝特征指標

為了更好地表征侵蝕溝道的位置、特征、活動狀態、危害等，選取能夠反映侵蝕溝道特征的指標進行分析。侵蝕溝道提取的指標主要包括反映溝道形態的溝道縱比降、主溝道長度、侵蝕溝周長、溝道侵蝕面積，以及從水文學中引入的溝道平均寬度、溝道寬長比。

3.2侵蝕溝分類一級分區

侵蝕溝所處海拔對溝道的發育、特征表現、治理開發及利用的影響最大，不同絕對高程區間侵蝕溝分布特征差異明顯，因此以絕對高程作為溝道劃分一級分類的主導因子，對侵蝕溝進行初步分類，為特征分析奠定基礎。根據研究區的實際情況，以絕對高程區間將其劃分為：Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m階地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m四個區域，見圖2。一級分區結果表明，研究區大部分地區絕對高程大于200 m，其中：Ⅲ區所占面積最大，超過研究區總面積一半以上；其次是Ⅳ區；再次是Ⅰ區，占到約10%；Ⅱ區最少，只有約4%。

圖2　研究區侵蝕溝一級分區結果

3.3侵蝕溝二級分類

研究區侵蝕溝一級分區是基于該區域溝道的分布特征進行的大尺度上的初步分類，要達到對侵蝕溝進行合理分類進而指導實踐的目的，還需深入分析侵蝕溝的發展特征，從多方面綜合考慮侵蝕溝類型的進一步細化。因此，本研究從影響土壤侵蝕的自然社會指標和侵蝕溝特征指標兩方面出發，外因與內因相結合，充分選取了影響侵蝕溝的各項指標，將GIS空間分析功能與統計學方法相結合，全面分析了各因素對侵蝕溝的綜合作用，并據此得出河南省黃土丘陵區侵蝕溝的二級分類體系。

3.3.1自然社會指標分析

選取多個自然因素指標作為侵蝕溝分類的依據。考慮各指標的綜合影響，采用空間疊加的方法分析各項指標對土壤侵蝕的影響程度，運用層次分析法構建結構模型和判斷矩陣來確定各項指標在空間疊加分析中的權重，結果見表1。利用ArcGIS工具對各項指標因子根據權重進行空間疊加，得到研究區土壤侵蝕綜合得分值及其分布情況，在一定程度上反映了土壤發生侵蝕可能性的大小和各種程度侵蝕溝的基本分布情況，從而為確定侵蝕溝的發生發展、制定相應的治理措施和規劃提供依據。

表1　侵蝕溝二級分類自然社會指標權重值

3.3.2侵蝕溝特征指標分析

研究區侵蝕溝數量眾多，選取了多個侵蝕溝屬性指標。為將這些指標綜合快速且有效地進行分類，選用K-means聚類分析法。K-means聚類分析法是將大量的數據劃分成群組，即把對象分成多個類，在同一個類中的數據對象之間具有較高的相似度，而不同類中的數據對象差別較大。該方法算法快速、簡單，對大數據集有較高的效率并且具有可伸縮性，時間復雜度近于線性，適合挖掘大規模數據集。

在以絕對高程為一級分區的基礎上，對不同高程區間的侵蝕溝特征指標進行K-means聚類分析。針對不同分區，分別選取該區域侵蝕溝道的六大指標進行聚類，即溝道平均寬度、主溝道長度、溝道寬長比、溝道侵蝕面積、侵蝕溝周長、溝道縱比降。聚類結果根據由小到大、由窄到寬不同發育狀況的侵蝕溝形態進行分類排列，進而為侵蝕溝二級分類的確定提供依據。

3.3.3綜合分析

從自然社會特征指標和侵蝕溝特征指標兩方面對侵蝕溝分類進行綜合分析。將空間疊加分析結果進行重分類，按照數據分布規律和自然間斷點分級法劃分，對應輕度、中度、嚴重(中度以上侵蝕)不同程度的土壤侵蝕，從而得出基于侵蝕溝一級分區的二級分類體系，結果見表2。據此分類體系提供的分類方法，通過侵蝕溝的絕對高程和空間分布情況，可以快速判定侵蝕溝的侵蝕強度、發展趨勢、溝道狀況等綜合特征。

表2　侵蝕溝二級分類體系

4　結　論

本研究選取絕對高程作為劃分侵蝕溝分類一級分區依據，將河南省黃土丘陵區侵蝕溝分布區域分成四大區域，即Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m階地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m。在此基礎上，從自然社會指標和侵蝕溝特征指標兩方面，運用空間分析和數學統計方法進行綜合分析，得到研究區侵蝕溝二級分類體系。

在研究過程中，綜合考慮多種因素，運用多種方法，定性定量相結合，研究過程合理全面，分類方法與結果緊密圍繞研究區的實際情況，有針對性，為當地不同類型、不同發育程度侵蝕溝治理提供了可靠依據。該分類方法在判定研究區的侵蝕溝類型方面得到了實踐應用，為侵蝕溝因地制宜、因害設防、因溝而治提供了科學依據，也為國內相同或相似類型區的侵蝕溝分類體系研究提供了參考。

[1] 朱顯謨.黃土區土壤侵蝕的分類[J].土壤學報,1956,4(2):99-115.

[2] 劉秉正,吳發啟.土壤侵蝕[M].西安:陜西人民出版社,1996:126-133.

[3] 石長金,溫是,何成全.侵蝕溝系統分類與綜合開發治理模型研究[J].農業系統科學與綜合研究,1995,11(3):193-197.

[4] 張琳.東北黑土區漫川漫崗區侵蝕溝評價指標體系[D].長春:東北師范大學,2013:5.

[5] 張文杰,程維明,李寶林,等.黃土高原丘陵溝壑區切溝侵蝕與地形關系分析——以紙坊溝流域為例[J].地球信息科學學報,2014,16(1):87-94.

[6] 褚英敏,方海燕,袁再健.GIS空間分析技術在土壤侵蝕評價中的應用[J].水土保持研究,2007,14(3):239-242.

[7] 李學仁.論豫西黃土丘陵區的綜合治理與開發[J].地域研究與開發,1990,9(1):28-32.

[8] 張慧勤,袁愛榮.豫西黃土丘陵區森林植被恢復技術研究[J].河南林業科技,2011,31(2):13-14.

[9] 鄭粉莉,武敏,張玉斌,等.黃土陡坡裸露坡耕地淺溝發育過程研究[J].地理科學,2006,26(4):438-442.

[10] 朱連奇.豫西黃土丘陵山區土壤侵蝕及其對農業可持續發展的影響[J].水土保持學報,2001,15(5):41-45.

[11] 劉玉蘭.黃土高原地區水土保持耕作措施區劃探討[D].楊凌:西北農林科技大學,2009:13-27.

(責任編輯李楊楊)

河南省水利科技攻關項目(GG201302)

S157

A

1000-0941(2016)08-0056-04

張巖(1982—)，男，河南南陽市人，工程師，碩士，主要從事水土保持監測和相關研究工作；通信作者馬松增(1984—)，女，河南鞏義市人，碩士，主要從事水土保持監測工作。

2016-02-01