黑龍江省凍融侵蝕分布及其特征

景國臣, 劉丙友, 榮建東, 孫雪文

(黑龍江省水土保持科學研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

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黑龍江省凍融侵蝕分布及其特征

景國臣, 劉丙友, 榮建東, 孫雪文

(黑龍江省水土保持科學研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

[目的] 探究黑龍江省凍融侵蝕分布及其特征，為黑土區農業可持續發展提供科學依據。 [方法] 在對黑龍江省凍融侵蝕考察及影響因素分析的基礎上，借鑒相關凍融侵蝕區分布界定方法以及層次分析法開展研究。 [結果] 黑龍江省凍融侵蝕分布在131°—122°E，53°—48°N范圍內，侵蝕面積為3.29×104km2，占該區土地面積的11.98%。其中，輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕面積分別占總侵蝕面積的21.78%，42.32%，23.78%，12.12%。侵蝕強度由北向南遞減。 [結論] 黑龍江省凍融侵蝕分布范圍比較廣，強度以中輕度為主；凍融侵蝕分布具有明顯的地帶性規律。

凍融侵蝕; 分布特征; 黑龍江省

文獻參數： 景國臣, 劉丙友, 榮建東, 等.黑龍江省凍融侵蝕分布及其特征[J].水土保持通報，2016,36(4)：320-325.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.055

凍融侵蝕作為土壤侵蝕3大主要類型之一，在中國高山、高寒和高海拔區分布廣泛。據第2次全國土壤侵蝕遙感調查資料統計，我國可發生凍融侵蝕的面積超過1.37×106km2，約占全國國土總面積的13.4%。絕大部分的凍融侵蝕主要分布在東北地區、西北高原、青藏高原地區[1]。雖然凍融侵蝕在中國以輕度、中度侵蝕為主，強度侵蝕相對較少，但目前凍融侵蝕對人類的生存與發展的影響，已經表現得越來越明顯[2]。在中國，由于區域氣候特點、地形地貌、土壤組成、植被類型等的差異，不同區域凍融侵蝕表現形式具有不同的特點。有研究[3]表明，凍融侵蝕主要形式有熱融滑塌、融凍泥流和寒凍風化等。據松遼委調查報告，部分東北黑土侵蝕區，土壤凍融侵蝕的速度已不亞于暴雨造成的水土流失。而中國凍融侵蝕尚未列入現代侵蝕研究范疇[4]。黑龍江省地處中國高寒、高緯度地區，凍融作用十分活躍，土壤凍脹破壞和融雪水侵蝕經常發生，黑龍江省水土保持科學研究院近幾年的調查發現，除大興安嶺地區存在凍融侵蝕外，在大小興安嶺前緣的黑土區凍融侵蝕現象也比較突出，主要分布在黑龍江省的中北部地區，而且侵蝕程度還比較嚴重，造成黑土農業區表土剝蝕，地力減退，糧食減產，對黑土農業區社會經濟的發展具有相當大影響。從2001年開始，本研究在對黑龍江省凍融侵蝕調查的基礎上，借鑒張建國等[5]對西藏凍融侵蝕區分布界定方法，確定了黑龍江省凍融侵蝕的分布范圍及強度分級，研究結果為進一步開展凍融侵蝕規律和防治技術研究，保護珍貴的黑土資源，促進黑土區農業可持續發展具有重要的意義。

1　研究區概況

黑龍江是中國位置最北、最東，緯度最高，經度最東的省份。地理坐標121°11′—135°05′E， 43°25′—53°33′N。總土地面積4.73×105km2(含加格達奇和松嶺區)，土地構成山地占24.7%，丘陵占35.8%，平原占37.0%，水面及其他占2.5%[6]。在總土地面積中，耕地占25.35%，林地占51.65%，牧草地占9.15%。該省年平均氣溫在5～-4 ℃之間；無霜期在100～160 d，大部分地區初霜期在9月下旬出現，終霜期在4月下旬至5月上旬結束；年平均降水量多介于400～650 mm[7]。全省土壤類型主要包括黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土、白漿土等[8]。黑龍江省全境屬廣義的東北黑土區，土壤侵蝕面積1.12×105km2，占總土地面積的24.74%，主要侵蝕類型包括水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕和工程侵蝕，總體上以輕度水力侵蝕為主[9]。

2　研究方法

2.1考察區域

為確定黑龍江省凍融侵蝕的分布范圍、表現形式、特征及危害，2001—2004年，黑龍江省水土保持科學研究院組織科技人員在對全省普遍調查的基礎上，又3次對北起漠河縣(N53°)，南至青崗縣(N46°)范圍內的漠河縣、塔河縣、呼瑪縣、黑河市、遜克縣、孫吳縣、五大連池市、北安市、克山縣、克東縣、伊春市、鐵力市、嘉蔭縣、明水縣、青岡縣15個縣(市)進行了重點考察，考察縣范圍占該省總土地面積的33.64%。

2.2數據來源與處理

黑龍江省各氣象站點的年平均氣溫、緯度、經度及海拔高度數據來源于黑龍江省氣象局。土地利用現狀圖和森林植被分布數據來自黑龍江省第3次遙感調查，采用陸地衛星2000年TM假彩色(R4G3B2)合成數字影像，每個象元分辨率為30 m，黑龍江省大部分TM影像時相為2000年4—6月份。DEM數據和第一次全國水利普查數據保持一致，為1∶5萬地形資料；分辨率為20 m的中巴資源衛星遙感影像數據。利用SPSS 15.0軟件對黑龍江省各氣象站點數據進行處理，建立黑龍江省年平均氣溫(T)與緯度(X1)、經度(X2)及海拔(H)的回歸方程。采用層次分析法確定凍融侵蝕分級評價因子的權重。DEM、土地利用現狀圖以及回歸方程、凍融侵蝕強度指數等數據運用GIS軟件處理分析。

2.3凍融侵蝕范圍的確定

2.3.1理論依據及方法凍融侵蝕是多年凍土在凍融交替作用下發生的土壤侵蝕現象,發生在多年凍土區的坡面、溝壁、河床、渠坡等處[10]。這一概念確定了凍融侵蝕主要發生在多年凍土區。黑龍江省多年凍土區的自然地理南界變化在北緯49°左右，是以年均溫度0 ℃等值線為軸線擺動于0 ℃和±1 ℃等值線之間的一條線[11]。人們發現在多年凍土區外圍100～300 m的范圍內,外力作用仍以凍融(冰緣)作用為主，地貌類型也以凍融侵蝕地貌(冰緣)為主[5]。基于上述分析,黑龍江省凍融侵蝕主要發生在多年凍土區及其南緣的季節凍土區。從凍融侵蝕的基本概念出發，借鑒張建國等[5]對西藏凍融侵蝕區分布界定方法，利用黑龍江省82個縣(市)氣象站的資料，運用SPSS 15.0軟件建立黑龍江省年平均氣溫與緯度、經度及海拔的回歸方程(1)。根據黑龍江省水土保持科學研究院實地考察認為，黑龍江省凍融侵蝕范圍的下界應比多年凍土區的下界海拔低200 m左右，因此取年均溫度0 ℃海拔高度減去200 m作為黑龍江省凍融侵蝕范圍下界。由公式(1)推出黑龍江省凍融侵蝕范圍下界海拔的計算公式(2)。

T=54.408-0.864X1-0.079X2-0.006H

(1)

式中：T——年平均氣溫(℃)，X1——緯度(°)，X2——經度(°)，H——凍融侵蝕下界海拔(m)

(2)

2.3.2凍融侵蝕現狀圖的獲取按照上述公式，通過GIS獲取黑龍江省凍融侵蝕范圍，但該計算的區域只能說是凍融侵蝕范圍，究其原因為在此海拔以上的區域分布有相當數量的森林植被，黑龍江省水土保持科學研究院經過多次考察發現，這些森林植被區域基本不發生凍融侵蝕，為此需在凍融侵蝕范圍中剔除該部分才是凍融侵蝕分布現狀。根據前面的分析，為了獲取凍融侵蝕現狀圖，首先利用公式(2)計算凍融侵蝕范圍海拔下限，確定凍融侵蝕范圍圖；然后從凍融侵蝕范圍圖中剔除森林植被區域，得到凍融侵蝕現狀圖。具體技術路線如圖1所示。

圖1　黑龍江省凍融侵蝕現狀圖制作技術路線

運用張建國等[5]對西藏凍融侵蝕區分布界定方法，將DEM圖像在ArcGIS中投影變換成GEO-GRAPHIC形式；再利用數據生成函數(data generation)中的MAPX函數，由MAPY函數生成像元值為相應像元經緯度坐標值的柵格圖像X，Y；然后在Modeler模塊中利用公式(2)將DEM，X，Y三幅圖像綜合，計算出黑龍江省凍融侵蝕范圍下限海拔分布圖T。把黑龍江省DEM與得到的黑龍江省凍融侵蝕范圍海拔下限圖(T)做減法運算，得到黑龍江省凍融侵蝕范圍圖Tc，將凍融侵蝕范圍圖Tc的投影變換成跟其他圖層一樣的投影坐標形式，并轉換成矢量圖層。最后把凍融侵蝕范圍圖與黑龍江省土地利用現狀圖，在ArcGIS中疊加，剔出森林植被區，最終得到凍融侵蝕現狀圖。

2.4凍融侵蝕強度分級

從土壤侵蝕強度分級方法來說，凍融侵蝕強度分級應以凍融侵蝕模數作為評價的依據。但是凍融侵蝕一般都分布在氣候環境比較惡劣的地區，對凍融侵蝕的定量研究還存在一定困難[12]。根據黑龍江省水土保持科學研究院對凍融侵蝕的考察，從影響凍融侵蝕發生發展的因素出發，對凍融侵蝕強度進行分級評價。

2.4.1分級評價因子的選擇凍融侵蝕是一個復雜的過程，其影響因子很多。孫中峰等[13]認為，溫度、土壤、地形和坡向是影響凍融侵蝕的主要因素。顧亞清等[14]認為，氣候、土壤、地形、水文地質是影響北引渠道凍融侵蝕的主要因素。董瑞琨等[15]提出氣候、地形地貌、地質構造、水文地質條件是影響青藏高原凍融侵蝕的主要因素。研究凍融侵蝕，需要在諸多影響因子中選出最主要的、又便于獲取的因素作為分級評價因子。本研究主要選取降水、霜期、坡度、坡向、土壤作為分級評價的主要影響因素。

(1) 降水因素。降水是土壤水分的主要來源，已有的研究均表明降水對凍融侵蝕影響很大。景國臣等[16]研究認為，在凍融作用下土壤水分向表層遷移，增加了表層土壤中水分的含量，進而破壞土壤結構，降低土壤的抗蝕抗沖性能，加劇土壤凍融侵蝕的發生。春季解凍期，由于凍融作用頻繁，降水對土壤凍融侵蝕的作用更為顯著。劉佳等[17]研究認為，在春季解凍期，由于黑土坡面土壤解凍不完全、滲透能力差，此時降雨的侵蝕力較強，導致這一時期坡面土壤侵蝕嚴重。因此，降水是影響凍融侵蝕的主要因子之一。

(2) 霜期因素。霜期決定土壤凍結時間的長短和凍融作用頻次的多少。根據黑龍江省氣象局提供的全省82個氣象站點霜期資料，黑龍江省霜期變化范圍在224～275 d，土壤受凍融作用時間長，凍融交替作用明顯。土壤在頻繁凍融作用下，其物理性狀和力學性質發生很大改變。王風等[18]研究表明，當土壤含水量過高或過低時，隨著凍融循環次數的增加，黑土各級團聚體含量、團聚體總量和平均重量直徑降低。劉佳等[19]研究認為，隨著凍融循環次數的增大，黑土容重和孔隙度分別呈現緩慢減小及增大的趨勢，且變幅越來越小，最后達到基本穩定的狀態。本文也將霜期作為凍融侵蝕分級評價因子。

(3) 土壤因素。土壤一方面是凍結和融化過程中的熱量傳導體，同時又是凍融作用的侵蝕物質，二者都與土壤性質有關。據邱國慶等[20]的研究，凍土和融土的導熱系數、導溫系數和容積熱容量均隨干容重增大而增大，隨土壤粒度增大而增大。土壤的團聚體組成、有機質含量等性質對土壤抗蝕抗沖性能影響較大，不同土壤類型其物理化學性質存在很大的差異。王洋等[21]研究認為，凍融作用改變土壤團聚體的大小和穩定性，凍結時土壤孔隙中冰晶的膨脹打破了顆粒之間的連接，破壞土壤團聚體；凍融作用改變土壤結構和含水量分布，促進土壤微生物活性和有機質礦化，進而造成土壤中養分的流失。因此，將土壤類型也作為凍融侵蝕分級評價因子。

(4) 地形因素。地形對凍融侵蝕的影響主要是地面起伏度大小和坡向。黑龍江省地貌類型以丘陵和山地為主，占總土地面積的60.5%，山地坡度陡峭，丘陵坡緩坡長，為凍融侵蝕產物移動和輸送創造了地形條件。坡向影響主要是陽坡受太陽輻射強度大，輻射時間長，特別是春季晝夜溫差大，凍融循環作用劇烈，凍融侵蝕嚴重，而陰坡則相反，與陽坡相比陰坡受太陽輻射強度弱，春季晝夜溫差變化小，凍融循環作用不強烈。本文將地形中的坡度和坡向作為凍融侵蝕強度評價的因子。

2.4.2評價因子賦值標準的確定根據以上分析，選擇降水、霜期、土壤、坡度、坡向作為評價黑龍江省凍融侵蝕主要因子，對黑龍江省凍融侵蝕強度及分布進行分析。參考張建國等[12]對西藏凍融侵蝕分級評價方法，根據各因子值在黑龍江省的具體分布情況，確定各因子的分級賦值標準(表1)。

表1　評價因子分級賦值標準

2.4.3評價因子權重的計算本研究采用層次分析法(AHP)確定研究區凍融侵蝕分級各個評價因子的權重。

首先將年降水量、霜期、坡度、坡向、土壤5個因子進行兩兩比較構建比較矩陣，然后通過方根法計算權重，經一致性判斷CR=0.040<0.1，矩陣的一致程度在允許范圍內，此時可用矩陣的特征向量作為權向量，矩陣通過一致性檢驗(表2)。

表2　評價因子權重計算結果

2.4.4凍融侵蝕強度分級圖的獲取鑒于進行區域性研究，地圖比例尺選取小比例尺的1∶10萬。借助GIS或其它矢量化工具將研究區的圖形資料，主要包括黑龍江省的霜期圖、年降水量圖、坡度圖、坡向圖和土壤圖進行糾正配準處理，統一坐標系統，包括地理坐標系統和投影坐標系統。該項目中，統一采用克拉索夫斯基橢球體(Krassowskij)和正軸等面積割圓錐投影(Albers投影)。同時將黑龍江省行政界圖和黑龍江省土地利用現狀圖通過GIS的Project進行投影變換。首先，在GIS下將黑龍江省5項評價因子的等值線圖統一到同一坐標系統下分別矢量化，并根據各評價因子(表1)圖分級賦值。其次，利用GIS的空間分析模塊將以上5項等值線圖轉換為柵格數據。在ArcGIS軟件中，將5項因子的柵格數據同時加載到視圖中，利用空間分析的“Map Calculator”進行疊加分析。分析時，根據公式(3)凍融侵蝕強度指數F的公式計算，執行“Calculate”既可輸出強度指數F的柵格數據圖。

(3)

式中：F——凍融侵蝕強度指數;Wi——第i個評價指標的權重;Ii——第i個評價指標的等級賦值。

為便于對凍融侵蝕強度進行評價，通過空間分析的重分類(Reclassify)將強度指數按自然間隔方法進行分級，同時利用GIS相關工具下的“Convert to shape”將分級后的柵格數據重新轉換成為矢量格式的shape文件，形成黑龍江省凍融侵蝕強度分級圖。

3　結果與分析

3.1黑龍江省凍融侵蝕范圍

按照上述研究方法，通過GIS獲取黑龍江省凍融侵蝕分布在131°—122°E， 53°—48°N范圍內，即年均氣溫1 ℃等值線左右以北，比多年凍土南界低1個緯度左右，在此范圍以南的山區只有零星分布，面積很小。該凍融侵蝕范圍包括了分布在黑龍江省的多年凍土區、島狀凍土區和部分季節凍土區。

3.2黑龍江省凍融侵蝕強度分級評價

借助GIS或其他矢量化工具將評價凍融侵蝕的5項因子等值線圖進行疊加分析，根據凍融侵蝕強度指數F的公式計算形成強度指數F的柵格數據圖。結果表明，黑龍江省凍融侵蝕強度指數在0.999～3.710之間，綜合評價指數越高，凍融侵蝕越強烈。為便于查看侵蝕強度指數圖數據分布規律，通過空間分析的重分類將強度指數按自然間隔方法分成5級，即0.999～1.645之間為無侵蝕，1.645～2.068之間為輕度侵蝕，2.068～2.429之間為中度侵蝕，2.429～2.809之間為強烈侵蝕，2.809～3.710之間為極強烈侵蝕。利用GIS相關工具下的“Convert to shape”將分級后的柵格數據重新轉換成為矢量格式的shape文件，形成黑龍江省凍融侵蝕強度分級圖。分析可知，黑龍江省凍融侵蝕以中輕度為主，而且中輕度侵蝕主要分布在黑龍江省中部的黑土區，強烈和極強烈侵蝕主要分布在北部山區，表現為由南向北凍融侵蝕強度越來越重。

3.3黑龍江省凍融侵蝕分布

為進一步分析凍融侵蝕在各市(區)的分布，利用空間數據疊加命令集的“Union”，將侵蝕強度指數圖與黑龍江省市縣級行政界、黑龍江省土地利用現狀圖疊加，在ArcView軟件支持下，將凍融侵蝕現狀圖與行政區劃圖進行疊加分析，可得到凍融侵蝕在各市(區)的分布情況(表3)。

3.3.1凍融侵蝕分布范圍比較廣，強度以中輕度為主黑龍江省凍融侵蝕面積3.29×104km2，占該區土地面積的11.98%。其中輕度侵蝕占21.78%，中度侵蝕占42.32%，強烈侵蝕占23.78%，極強烈侵蝕占12.12%。主要分布在黑龍江省中北部地區。

3.3.2凍融侵蝕具有明顯的地帶性規律從凍融侵蝕分布的集中程度看，北部由于森林集中連片，凍融侵蝕分布顯得分散，而南部的黑土區由于墾殖指數高，耕地集中連片，凍融侵蝕也具有連片分布的特點。從表3看出，大興安嶺、伊春、黑河凍融侵蝕面積占總侵蝕面積的82.60%，其中強烈和極強烈侵蝕面積占區域侵蝕面積的42.13%；大小興安嶺以南凍融侵蝕面積占總侵蝕面積的17.40%，其中輕、中度侵蝕面積占區域侵蝕面積的93.68%。

表3　黑龍江省凍融侵蝕面積

4　討論與結論

(1) 黑龍江省凍融侵蝕主要分布在131°—122°E，53°—48°N范圍內，面積為3.29×104km2，占該區土地面積的11.98%，占黑龍江省土壤侵蝕總面積1.12×105km2的29.42%。

(2) 從凍融侵蝕的區域分布來看，大小興安嶺地區凍融侵蝕分布零星面積大，占凍融侵蝕總面積的82.60%，凍融侵蝕是該區域的主要土壤侵蝕類型；大小興安嶺以南的黑土區分布集中連片，但面積小，只占凍融侵總蝕面積的17.40%，凍融侵蝕是該區域土壤侵蝕的類型之一。

(3) 從凍融侵蝕形式及危害看，北部的大小興安嶺山區凍融侵蝕主要表現為寒凍石流、凍脹丘、冰湖徑流[22]等侵蝕形式，其危害主要是凍融侵蝕形成大面積的石流，破壞植被，埋壓表層腐殖質，加速山區石漠化，特別是大小興安嶺是松嫩平原的屏障，植被的破壞對黑龍江省的生態環境影響巨大。大小興安嶺南部的黑土區凍融侵蝕主要表現為融雪侵蝕、侵蝕溝岸凍裂融塌侵蝕、融凍泥流侵蝕等形式[22]，其危害主要是剝蝕黑土，侵吞耕地，破壞黑土資源，降低土地生產力，危及農業生產的可持續發展。

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Distribution and Characteristics of Freeze-thaw Erosion in Heilongjiang Province

JING Guochen, LIU Bingyou, RONG Jiandong, SUN Xuewen

(SoilandWaterConservationResearchInstituteofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150070,China)

[Objective] The distribution and charcteristics of freeze-thaw erosion in Heilongjiang Province were explored to provide basis for sustainable development of agriculture in black soil area. [Methods] On the basis of investigation and analysis of influence factors of the freezing and thawing erosion of Heilongjiang Province, the distribution of freeze-thaw erosion was determined by method of analytic hierarchy process(AHP) and by referring other relevant research. [Results] The scope of freeze-thaw erosion is in 131°—122°E, 53°—48°N in Heilongjiang Province. The erosion area is 3.29×104km2， covering 11.98% of the total area of the province. Among them, areas of mild erosion, moderate erosion, strong erosion and extremely strong erosion accounted for 21.78%, 42.32%, 23.788% and 12.12%, respectively. Erosion intensity decrease from north to south. [Conclusion] Freeze-thaw erosion distribute widely and had regional erosive intensity in Heilongjiang Province. The intensities of erosion are mainly moderate and mild.

freeze-thaw erosion; distribution characteristics; Heilongjiang Province

2015-04-02

2015-09-14

黑龍江省財政項目“黑龍江省凍融侵蝕機理研究”(3200632008-01)

景國臣(1964—),男(漢族),黑龍江省望奎縣人,本科,教授級高級工程師,主要從事土壤侵蝕與荒漠化方面的研究。E-mail:jgc031@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0320-06

S157.1