吉林省侵蝕溝分布與環(huán)境要素的關系

許曉鴻， 崔 斌， 張 瑜， 田立生， 崔海鋒， 申聰穎

(1.吉林省水土保持科學研究院, 吉林 長春 130033; 2.吉林省水利廳重點項目建設管理辦公室, 吉林 長春 130033)

吉林省侵蝕溝分布與環(huán)境要素的關系

許曉鴻1， 崔 斌1， 張 瑜2， 田立生1， 崔海鋒1， 申聰穎1

(1.吉林省水土保持科學研究院, 吉林 長春 130033; 2.吉林省水利廳重點項目建設管理辦公室, 吉林 長春 130033)

[目的] 探求與侵蝕溝空間分布密切的環(huán)境因子，揭示其分布特征，為侵蝕溝發(fā)育規(guī)律研究及治理提供理論依據。[方法] 利用遙感調查和抽樣調查相結合的方式，基于GIS分析功能，對吉林省6個區(qū)域共23個調查單元(小流域)內侵蝕溝進行了調查與匯總分析，研究溝壑密度、溝壑裂度等與環(huán)境要素關系。[結果] (1) 6個區(qū)域溝壑密度大小順序為：敦化(16.30 km/km2)>遼源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九臺(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)； (2) 敦化地區(qū)溝壑裂度隨坡度增加先穩(wěn)定后急劇降低；前郭地區(qū)溝壑裂度隨坡度的增加而增加；遼源、梅河、伊通、九臺4個地區(qū)溝壑裂度均隨坡度的增加呈現先增加后減少的趨勢，溝壑裂度最大值除遼源發(fā)生在6°～9°外，其他3個地區(qū)均發(fā)生在3°～6°；(3) 溝壑密度隨坡度的增加而增加，二者存在較強的線性關系，相關系數達0.755，研究中符合這一規(guī)律的樣本占總體的83%。 (4) 集水區(qū)形狀系數對溝壑密度具有一定的規(guī)律性影響，但這只體現在九臺地區(qū)，主要表現為溝壑密度隨形狀系數的增加而增加；(5) 6個地區(qū)溝壑密度與集水面積呈一元二次函數關系，29.39 hm2為溝壑密度發(fā)生變化的臨界值。[結論] 吉林省內分異特征總體表現為由西向東和由北向南增加的趨勢。不同地區(qū)溝壑裂度隨坡度變化呈現出不同規(guī)律，集水區(qū)長度、平均寬度與侵蝕溝各特征指標均無顯著相關性。

侵蝕溝; 溝壑密度; 溝壑裂度; 坡度; 形狀系數

文獻參數： 許曉鴻， 崔斌， 張瑜， 等.吉林省侵蝕溝分布與環(huán)境要素的關系[J].水土保持通報，2017,37(3)：93-96.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.016； Xu Xiaohong, Cui Bin, Zhang Yu, et al. Relationship between distributions of erosion gully and of environmental factors in Jilin Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：93-96.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.016

東北黑土資源以有機質含量高、土質疏松、適宜耕作而聞名于世，號稱“北大倉”，是中國重要的商品糧基地之一，區(qū)域面積1.03×106km2[1]。長期以來，由于人類的過度墾殖和不合理耕作，造成該區(qū)大規(guī)模的水土流失，侵蝕溝不斷切割地表，蠶食耕地，沖走沃土，降低了大型機械的耕作效率。據調查統(tǒng)計，黑土區(qū)內有侵蝕溝29萬多條，侵蝕溝總面積3 648.42 km2，總長度195 512.64 km[2]。進入21世紀之后，黑土區(qū)水土流失逐漸引起社會各界的關注，侵蝕溝治理與研究工作取得了一系列研究成果[3-8]。近期，按照水利部安排部署，松遼水利委員會全面啟動了東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項規(guī)劃編制工作，東北黑土區(qū)侵蝕溝治理迎來了新的時機。為助推黑土區(qū)侵蝕溝治理步伐，本研究擬以吉林省為對象，采用分層抽樣方法，在吉林省水土保持區(qū)劃3級分區(qū)共選取6個市縣內23個調查單元為樣本單元，進行侵蝕溝特征與環(huán)境要素關系研究，以期為整個東北黑土區(qū)內侵蝕溝的分布特征與發(fā)展規(guī)律研究提供補充。

1 研究內容與方法

1.1 典型調查單元選取

本研究選取吉林省內6個典型區(qū)共23個典型調查單元，于2014年10月進行實地現場調查，其中前郭縣1個，梅河口市12個，九臺市5個，伊通1個，敦化縣1個，遼源3個(東遼1個，東豐2個)。各調查單元均為一個或多個閉合集水區(qū)域，對單元內切溝進行全面調查，支溝只計入長度而不計入數量。調查提取的侵蝕溝長度介于10～569 m，集水面積介于4.3～45.61 hm2。以1∶1萬地形圖為底圖，應用GIS軟件，采取人機交互方式解譯侵蝕溝形態(tài)要素與地形要素(見表1)，用于分析東北黑土區(qū)侵蝕溝分布特征及發(fā)展規(guī)律。

表1 吉林省典型研究區(qū)基本情況

1.2 主要調查指標及方法

(1) 集水面積。以1∶1萬地形圖為底圖，利用GIS軟件勾繪各單元集水區(qū)域，并計算集水面積。

(2) 溝壑密度及溝壑長度。通過實地測量，利用高精度差分GPS沿溝頭至溝口在侵蝕溝拐點處定坐標點，記錄各侵蝕溝點號。利用GIS軟件根據點號繪制每條侵蝕溝，利用數據統(tǒng)計分析功能計算侵蝕溝總長度等溝長信息，再除以單元集水面積，得到溝壑密度。

(3) 坡度。以1∶1萬地形圖為底圖，應用GIS軟件的3 D分析模塊，以研究區(qū)DEM作為數據源，建立數字坡度模型。按0°～3°,3°～6°,6°～9°,9°～12°,12°～15°,15°～18°,≥18°分為7個級別，轉換矢量圖斑，與溝壑裂度、集水面積等圖層疊加，求得各坡度的特征值。

(4) 溝壑裂度。在實地調查中沿侵蝕溝一定距離測量斷面尺寸，利用下式計算溝壑占地面積：

(1)

式中：A——溝壑占地面積(m2)，以溝緣線為計算邊界； L1，L2，…——各斷面上口寬(m)； L0——測量斷面間距(m)。利用溝壑占地面積除以單元集水面積得到溝壑裂度。

(5) 集水區(qū)形狀系數。當粗略計算時，可采用經驗公式[9]：

(2)

式中：f——集水區(qū)內的流域形狀系數；F——集水面積(km2)；L——集水區(qū)內的流域長度(km)。

2 結果與分析

2.1 溝壑密度的地區(qū)分異

6個市縣區(qū)23個調查單元內侵蝕溝總數為277條，總長度21.71 km，侵蝕耕地達453 hm2。溝壑密度大小排序為:敦化(16.30 km/km2)>遼源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九臺(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)，其省內分異特征總體表現為由西向東和由北向南增加的趨勢。地形和降雨是不同調查區(qū)域的2大主要分異要素，吉林省東南部高，西北部低，地形由中山低山過渡至風沙平原，降雨量由東南向西北逐漸減少，侵蝕類型由水力—風水復合—風力過渡，由此形成了前述溝壑密度的區(qū)域分異特征。這說明溝壑密度與區(qū)域自然要素密切相關。

2.2 溝壑裂度的坡度分異

6個地區(qū)的溝壑裂度與坡度曲線關系體現了3種不同特征趨勢：敦化地區(qū)溝壑裂度隨坡度增加先穩(wěn)定后急劇降低；前郭地區(qū)溝壑裂度隨坡度的增加而增加；遼源、梅河、伊通、九臺4個地區(qū)溝壑裂度均隨坡度的增加呈現先增加后減少的趨勢，溝壑裂度最大值除遼源發(fā)生在6°～9°外，其他3個地區(qū)均發(fā)生在3°～6°(圖1)。

結合實地調查和數據分析結果顯示： ① 敦化地區(qū)調查單元平均坡度較高，為13°，短歷時強降雨頻率大，坡面易于產流且徑流動能大，侵蝕溝長度大且以中型沖溝為主，溝道斷面沿坡度變化較小，溝壑裂度隨坡度平穩(wěn)變化，在陡坡帶主要為林草地，郁閉度較高，因此溝壑裂度急劇降低； ② 前郭地區(qū)調查單元坡形坡向單一，緩坡帶坡耕地橫壟耕作基本與等高線平行，同時該區(qū)降雨量較少，壟臺起到了很好的攔蓄徑流作用，因此僅有少量淺溝(順犁溝)分布。大型切溝分布在溝壟末端與道路交叉處路邊陡坡，坡長較短、多為荒地、植被蓋度<0.3，陡坡處侵蝕量占區(qū)域侵蝕總量的92%，這是由于緩坡帶匯集的徑流通過“渠系效應”[10]形成集中股流流經落差較大坡面造成溝蝕后，溝道受長期水流切割作用溝底逐漸下切，導致溝岸在水力、重力及凍融等多營力侵蝕作用下加劇擴張所形成的。③ 遼源、梅河、伊通、九臺4個地區(qū)調查單元區(qū)域屬性比較一致。坡度大于6°時以淺溝為主，而切溝主要分布在6°以下的緩坡帶，長度僅分別占總長度的32%，28%，35%和30%，但侵蝕量卻分別占侵蝕總量的72%，83%，85%，75%。這說明緩坡帶往往存在大密度侵蝕溝。實地調查中發(fā)現緩坡帶侵蝕溝溝頭及兩側溝岸均有來水，侵蝕溝具有較大的寬長比，并且跌差較大，一般均>1 m。這證實溯源侵蝕是該區(qū)緩坡帶侵蝕溝的主要發(fā)展形式。

圖1 研究區(qū)溝壑裂度坡度分異

2.3 溝壑密度隨坡度變化規(guī)律

坡度是地貌形態(tài)特征的主要因子。地表徑流產生的能量受徑流量和流速的影響，而徑流量和流速的大小主要取決于徑流深和地面坡度。因此，坡度直接影響徑流的沖刷能力[11]。對23個調查單元內的溝壑密度與坡度進行了相關性分析，剔除4個異常點(與總體平均值偏差>3 km/km2的數值)后，得到剩余19個調查單元(占總調查單元的83%)的溝壑密度與坡度相關關系曲線(圖2)。

從圖2中可以看出，溝壑密度隨坡度的增加而增加，二者存在較強的線性關系，相關系數達0.755，并且符合這一規(guī)律的樣本數占總體樣本的83%，說明坡度是影響溝壑密度大小的重要因子。分析認為這主要體現在坡度對土壤抗蝕性及坡面產匯流過程的影響：侵蝕溝是由集中股流切割地表所形成，土壤抗蝕性與徑流切割力相互作用，決定著侵蝕溝發(fā)育發(fā)展。一方面，通過研究及實地調查結果表明，隨坡度增加，土壤中黏粒含量、土壤團聚體的幾何平均直徑與平均重量直徑減小，土壤抗蝕性下降[12-13]；另一方面，坡面產匯流過程決定徑流切割力。由于存在臨界坡度，使坡度對匯流歷時、徑流系數、徑流量均有較復雜的影響，但在達到臨界坡度之前，隨坡度增加，存在匯流歷時縮短、徑流系數和徑流量增加的趨勢[14-15]，這也加劇了侵蝕溝的發(fā)育。

圖2 溝壑密度與坡度關系

2.4 溝壑密度隨集水區(qū)形狀特征因子變化規(guī)律

對23個調查單元集水區(qū)域的長度、平均寬度、集水面積、形狀系數等體現流域形狀特征的因子與侵蝕溝各指標進行了相關分析。結果為：集水區(qū)長度、平均寬度與侵蝕溝各項指標無相關性；形狀系數對溝壑密度有一定的影響，但這只體現在九臺地區(qū)，主要表現為溝壑密度隨形狀系數的增加而增加(圖3)。以上結果表明，集水區(qū)長度、平均寬度以及形狀系數對侵蝕溝發(fā)育影響較小；溝壑密度隨集水面積增加表現為先減小后增加，二者呈一元二次函數關系(y=0.009x2-0.529x+10.06)(圖4)，并且通過計算，得到了29.39 hm2為溝壑密度變化的臨界值。對于這一結論，目前鮮有研究和報道，對此還需要大量的調查數據以及在不同尺度條件下開展進一步研究進行論證。

圖3 九臺地區(qū)溝壑密度與形狀系數關系

圖4 溝壑密度與集水面積關系

3 結論與討論

(1) 吉林省侵蝕溝分異特征總體表現為由西向東和由北向南增加的趨勢。6個調查單元溝壑密度大小排序為：敦化(16.30 km/km2)>遼源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九臺(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)。

(2) 不同地區(qū)溝壑裂度隨坡度變化呈現出不同規(guī)律。其中敦化地區(qū)溝壑裂度隨坡度增加先穩(wěn)定后急劇降低；前郭地區(qū)溝壑裂度隨坡度的增加而增加；遼源、梅河、伊通、九臺4個地區(qū)溝壑裂度均隨坡度的增加呈現先增加后減少的趨勢，溝壑裂度最大值除遼源發(fā)生在6°～9°外，其他3個地區(qū)均發(fā)生在3°～6°。

(3) 溝壑密度隨坡度的增加而增加，二者存在較強的線性關系，相關系數達0.755，研究中符合這一規(guī)律的樣本數占總體樣本的83%。

(4) 集水區(qū)長度、平均寬度與侵蝕溝各項指標均無相關性；流域形狀系數對溝壑密度具有一定的影響，但這只體現在九臺地區(qū)，主要表現為溝壑密度隨形狀系數的增加而增加；集水面積與溝壑密度呈一元二次函數關系(y=0.009x2-0.529x+10.06)，29.39 hm2為溝壑密度變化的臨界值，這一結論有待于進一步的研究和論證。

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Relationship Between Distributions of Erosion Gully and Environmental Factors in Jilin Province

XU Xiaohong1, CUI Bin1, ZHANG Yu2, TIAN Lisheng1, CUI Haifeng1, SHEN Congying1

(1.JilinAcademyofSoilandWaterConversationScience,Changchun,Jilin130033,China; 2.DepartmentofWaterResourcesofJilinProvince,Changchun,Jilin130033,China)

[Objective] The distribution characteristics of erosion gully in Jilin Province and the environmental factors that are relevant with the spatial distribution were explored to provide theoretical bases for gully evolution and its harness. [Methods] Using methods of remote sensing and field investigation, gullies in 23 small watersheds distributed in six districts of Jilin Province were analyzed by GIS, mainly referred to the indices of the gully density and gully crack degree. Whereby, their relationships with environmental factors were studied. [Results] (1) The gully density in the six districts had a size rank as: Dunhua(16.30 km/km2)>Liaoyuan(6.51 km/km2)>Meihe(5.55 km/km2) >Yitong(4.67 km/km2)>Jiutai(3.54 km/km2)>Qianguo(2.21 km/km2). (2) Gully crack degree had different regional associations with slope steepness: in Dunhua district, with the increase of slope steepness, the gully crack degree was stable initially and then drastically reduced; In Qianguo District, it kept an increasing tendency. In districts of Liaoyuan, Meihe, Yitong and Jiutai, variation characterized with preceding increase and later decline was more normal. The maximum of gully crack degree was found at slopes of 6°～9° in Liaoyuan district, at slopes of 3°～6° in other three districts. (3) About 81% of the investigated gullies, its density was found closely dependent upon slope steepness, their correlation coefficient was 0.734. (4) In Jiutai District, the gully shape was found associated with the gully density ,the gully density exhibited an increasing tendency with slope steepness increasing. (5) Evolution of gully with respect to the density obey a quadratic function with catchment area as independent variable, in all the six districts, the point of inflection was at 29.39 hm2of catchment area. [Conclusion] The gully densities increased from the west to the east and from the north to the south of Jilin Province. The dependence of gully crack degree upon slope steepness varied in different districts. No significant correlations between gully density and indices as gully length, gully width, and other gully indicators were found.

gully; gully density; gully crack degree; slope steepness; shape factor

2016-10-17

2016-11-13

水利部公益性行業(yè)科研專項經費項目“黑土區(qū)退化坡耕地生產力恢復關鍵技術研究”(20141025); 水利部948項目“流域侵蝕元素遷移分析系統(tǒng)”(201521); 吉林省科技發(fā)展計劃項目“東北黑土區(qū)坡耕地侵蝕溝道治理模式研究”(20120409)

許曉鴻(1971—),男(漢族),陜西省漢中市人,碩士,正高級工程師,主要從事土壤侵蝕及水土保持與生態(tài)環(huán)境建設。 E-mail：Jlsbyxxh191@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0093-04

S157.1