遼寧省典型區侵蝕溝隨坡度分布特征研究

姜艷艷，王迪晨，房 含，張大偉，王巖松

(松遼水利委員會 松遼流域水土保持監測中心站，長春 130021)

1 概 述

侵蝕溝在全球范圍內造成嚴重的土壤流失[1]。在我國，無論是黃土高原還是東北黑土區都有侵蝕溝的分布。據估計，在老撾北部每年將近花費田間工作時間的5%去回填侵蝕溝[2]。在我國東北地區也存在相同的現象，或是在收割前用機械開拓橫跨侵蝕溝的便路，或是在收割后將秸稈直接回填于侵蝕溝內。隨著對侵蝕溝危害認識的不斷加深，侵蝕溝問題越來越受到各國學者的關注。

隨著對土壤侵蝕異地影響的關注，流域尺度的侵蝕溝研究逐漸被關注。流域被認為是具有不同侵蝕潛力的空間過程實體的集合。在通常的研究中，徑流量數據是缺失的，流域被用來代替徑流量。早在1975年，Patton和Schumm在1∶12 000的航拍照片上確定侵蝕溝起點，結合地形圖建立流域與坡度的關系。同時經過分析收集科羅拉多州西北部的S-A數據，發現兩者間的反向趨勢[3]。如今已有學者將坡度與集水區的關系描述為S=aAb，指數a和b由當地環境決定[4]。Montgomery和Dietrich(1988)通過俄勒岡和加利福尼亞的3個流域的實地測量，研究陡坡上淺層滑動和滲流侵蝕所引起的溝蝕，觀察到集水區與溝頭上部坡度之間存在反比關系[5]。Wu and Cheng利用全球定位系統(GPS)測量陜西省綏德附近小流域溝壑的形態和位置，建立了黃土高原的臨界關系S=0.183 9A-0.238 5[6]。在南非Swaziland，運用侵蝕響應單元的概念對Mbuluzi流域侵蝕溝進行形態和侵蝕過程進行識別，并應用遙感和GIS識別受溝蝕影響的地區，并估計溝蝕造成的土壤損失[7]。

由于過去人們更對細溝和細溝間侵蝕感興趣，溝蝕在大多數模型在過程中被忽略[8]。溝壑過程具有三維性質受廣泛的因素和過程的影響。雖然溝蝕通常由土地利用變化和(或)極端氣候事件觸發或加速，但其空間差異及歷史因素也不容忽視，并且較難預測[9]。隨著科技的發展，3S技術在土壤侵蝕領域逐步興起[10]，雖然遙感解譯的精度與GPS和無人機相比較差，但適合大范圍數據的獲取。

2 材料與方法

2.1 研究區介紹

遼寧省位于東北地區南部，陸地總面積14.75×104km2。西南與河北省臨界，西北與內蒙古自治區毗鄰，東北與吉林省接壤。在遼寧省內各典型區篩選5個流域集、共20個小流域為研究區域，分別位于遼寧省的東部的寬甸滿族自治縣、南部的普蘭店市、西部的凌源市、北部的昌圖縣及中部的燈塔市。年平均氣溫為5℃～10℃，分布趨勢是自西南向東北、自平原向山區遞減。全年日照時數2 270～2 990 h，平均無霜期在124～215 d。多年平均降水量為400～1 200 mm，其分布趨勢自東南向西北遞減，最多是寬甸縣，年降水可達1 200 mm以上，西北建平縣不足400 mm；6-8月份降雨量占全年降水量的60%～70%。年平均風速為2～4 m/s，從沿海向內陸、從平原向山地逐漸遞減。5縣(市)分別處于4個二級水土保持分區，寬甸滿族自治縣隸屬于長白山完達山山地丘陵區，南部的普蘭店市與中部的燈塔市隸屬于遼寧環渤海山地丘陵區，西部的凌源市隸屬于燕山及遼西山地丘陵區，昌圖縣隸屬東北漫川漫崗區。中國水土保持區劃結合自然區劃和專題(地貌、土壤、植被)區劃成果，二級分區可反映優勢地貌、水土流失等分布特征，保證區間相對一致性及區間最大差異性。因此，選取該5個區域無論從地理還是水土流失典型性考慮均可以代表遼寧省。

2.2 數據處理

本研究小流域與侵蝕溝數據基于2015年遼寧省土壤侵蝕普查數據。小流域范圍提取依托1∶50 000 DEM與遼寧省流域面積為50 km2以上845條河流數據，反復設定小流域提取閾值，將其面積與典型小流域面積進行比對，最終設定閾值為10 000。侵蝕溝數據以分辨率為2 m遙感影像和1∶50 000 DEM作為數據源。通過GIS軟件在影像上勾畫侵蝕溝道，建立每條溝道的屬性表。在侵蝕溝道遙感解譯過程中，通過遙感影像預判讀和實地調查復核的方式建立解譯標志及類似侵蝕溝道標志，確保能夠識別的侵蝕溝道全部識別，不遺漏、不誤判，侵蝕溝普查對象為長度在100～5 000 m的溝道，在遙感影像上能清晰辨認出。

本研究通過ArcGIS軟件，將小流域數據與侵蝕溝數據進行疊加，確保小流域范圍內所有侵蝕溝沒有統計遺失，并計算侵蝕溝長度、面積等相關參數。坡度數據以1∶50 000 DEM為數據源，通過ArcGIS軟件Spatial Analyst Tools進行坡度提取與分級，并轉換為矢量圖層，與侵蝕溝圖層進行疊加，獲取侵蝕溝坡度分布特征。

3 結果與分析

3.1 侵蝕溝密度與坡度的關系

在研究中將坡度分成九級，求取每個坡度級別上侵蝕溝密度。在20個小流域中共解譯出485條侵蝕溝。東部流域集在0°～0.25°范圍內沒有侵蝕溝分布，北部流域集當坡度大于15°時沒有侵蝕溝，南部和西部流域集當坡度大于25°時也沒有侵蝕溝分布。北部流域集在坡度大于25°時沒有侵蝕溝分布是因為在該流域集中并沒有坡度大于25°的土地，因此沒有侵蝕溝分布。

北部流域集與中部流域集侵蝕溝密度均先隨坡度上升而減少，當坡度大于1.5°時，侵蝕溝密度隨坡度上升，但兩個分區的侵蝕溝密度在坡度大于3°時分布趨勢產生差異，北部流域集侵蝕溝密度繼續上升，當坡度到達5°時，侵蝕溝密度減少0.02 km/km2，當坡度大于5°時，侵蝕溝密度隨坡度上升而增加，并在15°時達到最大值；當坡度大于3°時，中部流域集侵蝕溝密度減少至0.24 km/km2，而當坡度達到5°時，侵蝕溝密度增加到0.270.24 km/km2，隨后侵蝕溝密度再次隨坡度增加而減少，并在坡度為15°時達到最小值，當坡度大于15°時，侵蝕溝密度隨坡度上升而增加，并在25°～90°時達到最大值。

東部流域集與西部流域集侵蝕溝密度均隨坡度增加先上升后下降，并且侵蝕溝密度最大值均在坡度5°～8°范圍內。東部流域集在0°～0.25°時侵蝕溝密度為零是因為在該坡度范圍內沒有侵蝕溝，西部流域集在25°～90°范圍內侵蝕溝密度為零是因為在西部流域集沒有大于25°的地形，這也體現了東西部地形差異對侵蝕溝分布的影響。

南部流域集侵蝕溝密度隨坡度上升成M型態，當坡度在0°～5°時隨坡度上升而增加，繼而隨坡度增長而下降，當坡度在5°～15°時再次隨坡度上升而增加，當坡度大于15°時，侵蝕溝密度隨坡度的繼續增加而減小，并且在25°～90°范圍內侵蝕溝密度為零，這是由于在該坡度范圍內沒有侵蝕溝分布。

將5個流域集的侵蝕溝數據與地形數據進行整合，結果表明侵蝕溝密度隨坡度增長呈單峰曲線，侵蝕溝密度先隨坡度上升而增加，當坡度大于8°時，侵蝕溝密度隨坡度增加而減少。

雖然侵蝕溝密度與流域內各坡度所占面積比例不相關，但是通過對比各流域集及5個流域集侵蝕溝密度隨坡度的分布趨勢可以發現地形對侵蝕溝密度分布的影響。中部流域集及北部流域集在坡度0°～0.25°內侵蝕溝密度較高，而其余3個流域集及5個流域集的侵蝕溝密度則在該坡度范圍內較低，主要由于北部流域集及中部流域集的坡度面積占比要小于侵蝕溝長度占比。中部流域集在坡度25°～90°的范圍內侵蝕溝密度要明顯高于該流域集其余坡度分級內的密度，在該坡度范圍內坡度占比(0.16%)及侵蝕溝長度占比(0.39%)雖然最小，但兩者所占比例相差2.44倍，明顯大于其余坡度上坡度面積與侵蝕溝長度所占比例的差距，因此侵蝕溝分布與地形依然相互影響。通過對5個流域集侵蝕溝密度隨坡度的分布曲線擬合分布方程，根據甄選最佳分布方程形式為一元三次方程，擬合結果為y=-0.000 4x3-0.011 4x2+0.141 7x+0.042 3(R2=0.940 8，y為侵蝕溝密度，x為坡度分級級別)。

3.2 侵蝕溝切割土地比例與坡度的關系

在本研究中,用切割土地比例來表述單位面積內的侵蝕溝面積。東部流域集、西部流域集及南部流域集的切割土地隨坡度變化的分布趨勢與密度相同。東部流域及與西部即侵蝕切割土地比例均隨坡度增加先上升后下降，并且最大值均在坡度5°～8°范圍內。南部流域集侵蝕溝切割土地比例隨坡度變化呈M型，當坡度在0°～4°時隨坡度上升而增加，繼而隨坡度增長而下降；當坡度在4°～8°時，再次隨坡度上升而增加；當坡度大于8°時，侵蝕溝密度隨坡度的繼續增加而減小；并且在25°～90°范圍內侵蝕溝密度為零。

中部流域集與北部流域集侵蝕溝切割土地比例先隨坡度增加而減少，當坡度達到1.5°后開始隨坡度上升而增加，其中北部流域集切割土地比例隨坡度變化持續增加并達到最大值，而中部流域集在坡度為5°～15°范圍時，切割土地比例隨坡度增長而減小；當坡度大于15°時，切割土地比例再次增加。

將5個流域集的侵蝕溝數據與地形數據進行整合，結果表明侵蝕溝切割土地比例隨坡度增長呈單峰曲線，與密度分布曲線變化趨勢一致，侵蝕切割土地比例先隨坡度上升而增加，當坡度大于5°時，侵蝕溝切割土地比例隨坡度繼續增加而減少。

通過對5個流域集侵蝕溝切割土地比例隨坡度的分布曲線擬合分布方程，結果為y=0.000 3x3-0.075 3x2+0.708 3x-0.407 6(R2=0.864 9，y為侵蝕溝密度，x為坡度分級級別)。

3.3 侵蝕溝長寬比與坡度的關系

長寬比用來表示侵蝕溝在某一坡度上的形態特征，長寬比較大則表示侵蝕溝呈細長形態，反之則表示侵蝕溝呈短粗形態。各流域集侵蝕溝長寬比均隨坡度上升反復變化，5個流域集長寬比隨坡度上升成3種分布。

北部流域集在0°～1.5°范圍內侵蝕溝由細長變短粗，然后再朝細長形態發展，當坡度到達3°時，侵蝕溝逐漸變短粗直至坡度達到5°，在8°北部流域及侵蝕溝長寬比達到最大值，在該處侵蝕溝呈最細最長形態后變得短粗。東部、中部及南部流域集存在兩個坡度閾值，在該處侵蝕溝由細長態向短粗態發展，其余4個流域集在侵蝕溝分布最小坡度處呈最短粗形態，隨坡度上升侵蝕溝逐漸由短粗態轉變為細長態，達到第一個坡度閾值，但西部流域集只存在一個閾值，東部、中部與南部流域集存在兩個坡度閾值。南部流域及第一個坡度閾值為1.5°，其余3個流域第一個坡度閾值為3°。4個流域集在坡度為5°時侵蝕溝由短粗態再次朝細長太發展。東部、中部及南部流域集在第二個坡度閾值時達到侵蝕溝最細長態，南部流域集在15°達到第二個坡度閾值，中部與東部流域集在25°達到第二個坡度閾值，而西部流域集在坡度為25°達到侵蝕溝最細長態后不再發生變化，因為西部流域集沒有坡度大于25°的地形。5個流域集侵蝕溝長寬比分布趨勢與南部流域集相同。在坡度3°～8°范圍內侵蝕溝密度和切割土地比利較大，而長寬比則較小，說明在該坡度范圍內侵蝕溝數量眾多，溝蝕嚴重，并呈細長態。

4 討 論

通過研究可以發現，坡度對侵蝕溝分布的共通性在部分流域集侵蝕溝的密度、切割土地比例及長寬比隨坡度變化的分布趨勢是相同的，這意味著在不同流域集間的分布也存在差異，體現了空間差異性。5個流域集選自于兩個水土保持一級分區(東北黑土區，北方土石山區)下的4個二級分區，在水土保持區劃原則上，均反映了區內水土流失特征、地勢地質等特征的區內相對一致性和區間最大差異性，二級分區在一級分區的基礎上更能反映區域特征。而影響侵蝕溝的因素眾多，不當的耕作和灌溉系統、過度放牧、森林砍伐、道路建設和城市化等原因都可不同程度地造成侵蝕溝的產生，即使侵蝕溝全部在耕地中，溝壑區的日雨量和土壤濕度也會成為影響侵蝕溝的重要因素，南部流域集臨近中國渤海，東部流域集臨近鴨綠江及黃海，雨量與其它3個流域集相比較大，降雨的差異性改變了降雨侵蝕力和土壤可蝕性。并且土地利用的差異對侵蝕溝的影響預計要比氣候差異更大，而東部流域集林地較多，西部流域集靠近中國內蒙古，存在一定程度的畜牧業，地形坡度的不同對徑流的影響存在差異，繼而影響到溝蝕形成的坡度閾值。南部流域集地處東被漫川漫崗區，坡長坡緩，其余4個流域集均處在山地丘陵區，但中部流域集位于遼河平原邊緣，地貌的不同也對不同流域集的侵蝕溝分布造成差異性影響。地形與氣象條件的差異也會影響植被的生長發育，不同的植被也會對侵蝕溝的發展起到不同的延緩作用。

單獨看每個小流域的侵蝕溝分布似乎都有屬于自己的規律，但當把臨近的小流域組成流域集，甚至將流域集數據合并到一起，得出的規律更加明顯，并且與遼寧環渤海山地區普查的結果更加相似，因此認為本研究結果能代表遼寧省侵蝕溝的分布特征。

5 結 論

本文在遼寧省范圍內選取5個流域集對侵蝕溝密度、切割土地比例、長寬比隨坡度變化的分布特征進行研究，得出以下結論

1) 不同流域集侵蝕溝密度、切割土地比例、長寬比分布存在差異，因此侵蝕溝分布存在空間差異。

2) 遼寧省侵蝕溝在坡度3°～8°范圍內侵蝕溝數量較多，侵蝕面積較大，并且呈細長態。

3) 侵蝕溝密度、切割土地比例隨坡度的分布方程為：y=-0.000 4x3-0.011 4x2+0.141 7x+0.042 3；y=0.000 3x3-0.075 3x2+0.708 3x-0.407 6。