中國東北漫川漫崗典型黑土區溝道侵蝕特征

丁 超, 胡 偉, 嚴 月, 祁 志, 韓 興

(1.吉林農業大學 資源與環境學院， 吉林 長春 130118; 2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所, 黑龍江 哈爾濱 150081)

作為中國重要的糧食產區和畜牧業基地的東北黑土區[1]，由于掠奪式的開發和漫川漫崗地形地貌，發生了嚴重的水土流失，溝道侵蝕嚴重[2]。據第一次全國水利普查，東北黑土區長度大于100 m的侵蝕溝有295 663條，其中分布在坡耕地上的侵蝕溝數量占61%，發展型侵蝕溝數量占89%[3]，表明溝道侵蝕主要發生于耕地中，且仍呈加劇的發展態勢。溝道侵蝕是土地退化最為嚴重的表現形式之一，造成耕地面積減少，耕地破碎，阻礙機械作業，同時還造成河道淤積和洪澇災害[4]。

東北黑土區溝道侵蝕危害得到了國家重視，水利部和財政部于2017年啟動了國家農業綜合開發東北黑土區侵蝕溝專項治理工程。規劃和實施方案的制定均依據東北黑土區侵蝕溝專項普查的結果，而專項普查主要利用遙感解譯的方法，遙感解譯影像的分辨率在2.5 m以上[5]。此外，侵蝕溝專項普查遙感解譯只提取了侵蝕溝的長度、面積和坡面比降及其所在區域的土地利用等信息，缺少溝深等信息，未能對溝道侵蝕量進行估算[6-7]。東北黑土區侵蝕溝專項治理工程實施方案只能依據溝道侵蝕面積進行分級，而實際無論溝道侵蝕危害評估還是侵蝕溝生態治理均需侵蝕溝道侵蝕立體形態特征，諸如治理措施的具體布設還需侵蝕溝的深度和體積等信息。

本文選取溝道侵蝕嚴重的漫川漫崗黑土區中的黑龍江省海倫市南部，采用實地測量的方法，對區域內的所有侵蝕溝進行詳細測量，通過區域內溝道侵蝕現狀和溝道侵蝕特征的調查，旨在為東北黑土區侵蝕溝危害評估和科學防控提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于東北典型漫川漫崗黑土區黑龍江省海倫市南部，北緯47°11′—47°10′，東經126°54′—126°52′。包括海南、共榮和恭六3個鄉鎮，總面積450 km2，地勢起伏較大，溝道侵蝕嚴重；土地利用以耕地為主，70%以上為耕地。規模化開墾起始于20世紀50年代；屬于中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫1.5 ℃，年平均降雨量530 mm；土壤均為典型黑土，農耕多采用順坡/斜坡壟作，主要種植作物為大豆和玉米。

1.2 測定方法

(1) 方案制定。采用2018年5月份更新的谷歌地圖高清衛星影像，劃定實測區域，并初步識別侵蝕溝位置及范圍，繪制調查圖。

(2) 侵蝕溝實測。于2018年秋季對該地區進行實地勘測，從侵蝕溝的一端開始測量，間隔50 m分段用激光測距儀(型號SW-100 A，±0.5 m)測量侵蝕溝橫截面的寬度、深度，遇轉彎處和溝道變化大的部位加測，手持GPS記錄侵蝕溝地理坐標。同步現場記錄侵蝕溝所屬類型及所在坡面的土地利用類型、種植作物、壟向等信息，標記人工修筑的排水溝，將其從侵蝕溝調查結果中剔除。

1.3 數據處理

(1) 在ArcGIS 10.2軟件中加載衛星影像，采用目視解譯法繪制不同土地利用類型的圖斑。打開不同土地利用類型的圖斑的屬性表，分別計算不同土地利用類型的面積。

(2) 在ArcGIS 10.2軟件中新建地圖文檔，加載分辨率15 m的DEM數據。在ArcToolbox工具箱中，執行命令3 D Analyst工具—柵格表面—坡度可得到坡度柵格，對得到的坡度柵格按照《黑土區水土流失綜合防治技術標準》SL 446-2009[8]進行重分類，獲得研究區的坡度并進行分級處理。

(3) 將實測記錄數據錄入到Excel中，按照地理坐標屬性值導入ArcGIS 10.2軟件中。在ArcGIS 10.2軟件中，在ArcToolbox工具箱中執行命令Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取可得到研究區每條侵蝕溝的溝長、溝寬、溝深、面積。在遙感影像中，采用目視解譯的方法，將研究區侵蝕溝分成不同的類型。處在耕地中的沖溝和切溝統定義為“耕地溝”；位于溝谷溝底不再下切加深、橫剖面是寬淺的“U”字形、縱剖面坡度相當平緩，有大量沉積物覆蓋的坳溝定義為“主干溝”；道路旁的侵蝕溝稱“路邊溝”；林地中的侵蝕溝定義為“林中溝”。

(4) 依照《黑土區水土流失綜合防治技術標準》SL 446-2009對溝蝕強度采用溝蝕密度和面積比進行強度分級。

(5) 利用IBM SPSS Statistics 24軟件進行對侵蝕溝的長度、深度、寬度和面積進行數據統計分析，利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 調查區土地利用和地形

研究區總面積450 km2，該區域以耕地為主，占區域總面積的85%。此外建筑用地、林地、草地分別占區總面積的8%，6%，1%。查閱海倫市縣志和實地走訪，該區域原始植被為堿草和柞樺林為主，農耕主要起始于20世紀初，規模化墾殖起始于20世紀50年代，侵蝕溝道主要發育形成于20世紀60年代。截止目前除道路和村屯居住地外，原始草地和林地開墾殆盡。現有林地主要由道路兩側的防護林、村屯周圍的綠化林和侵蝕溝中水保林組成。僅占總土地面積1%的草地，主要為侵蝕嚴重的棄耕地和難以耕種的邊角地組成。

研究區為典型漫川漫崗地形地貌，主分水嶺(主崗)位于研究區中部，南北走向，東側伴隨相同走向的克音河，高差74 m，次分水嶺(次崗)多呈東西走向。依據《黑土區水土流失綜合防治技術標準SL446-2009》坡度劃分，≤0.25°的平地僅占研究區總面積的14%，主要位于東側臨近克音河區域，多被開墾為水田，屬無侵蝕區。坡度在0.25°～3°范圍內土地最多，比例64%，3°～5°的土地占10%，>5°的土地占12%(見表1)，研究區不同坡度的比例與漫川漫崗黑土區總的分布規律接近[9]。

表1 研究區各級坡度面積比例

2.2 侵蝕溝總體特征

2.2.1 侵蝕溝類型 研究區共測得侵蝕溝1 049條，按侵蝕溝發育所在土地類型，耕地中侵蝕溝最多，其次為路邊侵蝕溝，林地侵蝕溝占10%(見表2)。東北黑土區侵蝕溝專項普查中未將主干溝納入普查，按侵蝕溝和小河道定義，主干溝只有降雨時才有水流，應屬于侵蝕溝范疇，分布于兩相鄰分水嶺次崗間的谷地，是侵蝕溝最先發育形成的，長度、寬度和深度顯著大于分布于兩側坡面的支溝，是坡面侵蝕溝連接河道的主排水通道，在溝道侵蝕面積和侵蝕量中占有較大的比例。調查區共有主干溝12條，顯著大于其他類型侵蝕溝，其平均單條侵蝕溝的面積和體積分別是耕地中單條侵蝕溝平均值的4.5倍和6倍，如不將主干溝納入侵蝕溝統計中，溝道侵蝕面積和體積分別被低估9.1%和28.0%。除損毀土地外，其危害主要是切斷農田道路，不利于機械農田作業。

表2 研究區侵蝕溝類型及其特征

發育形成于耕地中的侵蝕溝數量最多，共有577條，占研究區侵蝕溝總條數的55%。耕地中的侵蝕溝主要位于主干溝兩側的坡耕地上，多為支溝，雖平均長度僅有484 m，但平均寬度達15 m，平均深度2.9 m，溝道面積418.9 hm2，是目前對坡耕地危害最大的侵蝕溝，造成地塊破碎化，阻礙農機作業。

已有研究指出，位于田塊邊緣的農田路，多土質，處于凹陷處，加之碾壓形成的車轍，成為暴雨時的匯水通道，逐漸侵蝕形成溝道，是東北黑土區侵蝕溝形成的主要原因之一，道路只能向農田中側移，侵占耕地，路邊溝約占侵蝕溝總數的三分之一，是侵蝕危害的另一重要表現形式。東北黑土區侵蝕溝專項普查采用的遙感影像分辨率較低，路邊溝難以解譯，成為普查侵蝕溝數量被低估的原因之一。剔除人工修筑的排水溝外，調查區測得路邊侵蝕溝共353條，占總條數的34%，驗證了路邊溝約占三分之一的估算結果的正確性。

侵蝕溝屬于“四荒”地，研究區已被高強度墾殖，侵蝕溝成為人工造林的主要區域，對提高森林覆蓋率具有重要作用。然而以遙感解譯為主的侵蝕溝專項普查由于受冠層影響，難以將林地中侵蝕溝提取，是造成專項普查低估侵蝕溝的另一因素。實測林中溝共107條，占總條數的10%，既有穩定侵蝕溝，又有發展侵蝕溝。

除主干溝外，耕地中侵蝕溝不但數量最多，平均單個溝道寬度、深度、面積和體積也最大。耕地溝、路邊溝、林地溝和主干溝分別占溝道總面積的63%，16%，5%和16%，分別占總溝道侵蝕量的24%，12%，36%和28%。

2.2.2 侵蝕溝形態分布特征 利用經典統計學對調查區侵蝕溝的長度、寬度、深度和面積進行統計分析，揭示了其形態總體分布特征(見圖1)。

侵蝕溝長度的頻度分布呈正態分布，平均長度996 m，變幅37～15 016 m。<100，100～200，200～500，500～1 000，1 000～2 000， >2 000 m侵蝕溝數量分別占總侵蝕溝數量的7%，21%，46%，17%，6%，3%，以200～500 m長度的最多，2 000 m以上長度的最少。

侵蝕溝寬度的頻度分布呈偏正態分布，平均寬度13.1 m，變幅0.2～341 m。<1，1～2，2～5，5～10，10～20，20～50，>50 m侵蝕溝數量分別占總侵蝕溝數量的0.2%，0.1%，2%，29%，42%，23%，4%，以10～20 m寬度的最多，1～2 m寬度的最少。

侵蝕溝深度呈偏正態分布，平均深度2.7 m，變幅0.1～37.3 m。<1 m，1～2 m，2～5 m，5～10 m，>10 m侵蝕溝數量分別占總侵蝕溝數量的7%，30%，53%，9%，1%，主要集中在2～5 m深度范圍，10 m以上深度的很少。

侵蝕溝面積呈正態分布，平均面積2.4 hm2，變幅0.1～133.4 hm2。<0.1，0.1～0.2，0.2～0.5，0.5～1.0，1.0～2.0，2.0～5.0 ，>5.0 hm2侵蝕溝數量分別占總侵蝕溝數量的11%，17%，32%，18%，11%，6%，5%。以0.2～0.5 hm2面積范圍的最多，>5.0 hm2面積范圍的最少。

圖1 調查區侵蝕溝形態分布特征

2.2.3 侵蝕溝分類形態特征 利用經典統計學統計分析了調查區耕地、路邊、林地和主干4種類型的侵蝕溝的長度、寬度、深度和面積形態分布特征。

(1) 侵蝕溝長度。對研究區各類型侵蝕溝長度按照<100，100～200，200～500，500～1 000，1 000～2 000，>2 000 m的區間進行分類統計侵蝕溝數量結果見圖2。除主干溝外，其他3種類型侵蝕溝的長度均在200～500 m范圍最多，以長度大于2 000 m的較少，主干溝長度均分布在>2 000 m范圍。

以<100，100～200，200～500，500～1000，1 000～2000，>2 000 m長度區間劃分侵蝕溝類型的區間侵蝕溝數量占其自身類型總數量的比例，耕地溝分別為10%，21%，45%，15%，6%和3%，路邊溝分別為2%，17%，51%，22%，5%和3%。林中溝分別為13%，28%，51%，6%，1%和1%。

圖2 調查區侵蝕溝長度分類特征

(2) 侵蝕溝寬度。對研究區各類型侵蝕溝寬度按照<1，1～2，2～5，5～10，10～20，20～50，>50 m的區間進行分類統計侵蝕溝數量結果見圖3。所有類型侵蝕溝的寬度多在2 m以上，以10～50 m范圍內侵蝕溝數量最多。

以<1，1～2，2～5，5～10，10～20，20～50， >50 m寬度區間劃分侵蝕溝類型的區間侵蝕溝數量占其自身類型總數量的比例，耕地溝分別占0.01%，0.03%，2%，29%，41%，22%和6%，路邊溝分別占0.01%，0.01%，3%，37%，43%，16%和1%，林中溝分別占0.01%，0.01%，1%，14%，36%，41%和8%；主干溝分別占0.01%，0.01%，0.01%，0.01%，25%，67%和8%。

圖3 調查區侵蝕溝寬度分類特征

(3) 侵蝕溝深度。對研究區各類型侵蝕溝深度按照<1，1～2，2～5，5～10，>10 m的區間進行分類統計侵蝕溝數量結果見圖4。不同類型的侵蝕溝的深度在2～5 m范圍內最多，大于10 m的范圍內的侵蝕溝條數最少。

圖4 調查區侵蝕溝深度分類特征

以<1，1～2，2～5，5～10，>10 m深度區間劃分侵蝕溝類型的區間侵蝕溝數量占其自身類型總數量的比例，耕地溝分別占8%，27%，54%，10%和1%;路邊溝分別占8%，34%，55%，3%和0%；林中溝分別占5%，26%，48%，19%和2%；主干溝分別占6%，33%，56%，0.02%和0.01%。

(4) 侵蝕溝面積。對研究區各類型侵蝕溝面積按照<0.1，0.1～0.2，0.2～0.5，0.5～1.0，1.0～2.0，2.0～5.0，>5.0 hm2區間分類侵蝕溝數量比例統計結果見圖5。不同類型的侵蝕溝的面積均在0.2～0.5 hm2范圍內數量最多。

以<0.1，0.1～0.2，0.2～0.5，0.5～1.0，1.0～2.0，2.0～5.0，>5.0 hm2區間劃分各侵蝕溝區間數量占其自身類型總數量的比例，耕地溝分別占19%，25%，31%，16%，0.02%，3%和5%;路邊溝分別占12%，27%，37%，20%，0.01%，1%和3%；林中溝分別占17%，34%，27%，17%，0.01%，1%和5%；主干溝分別占0.01%，0.01%，8%，0.03%，0.02%，0.01%和92%。

圖5 調查區侵蝕溝面積分類特征

3 討 論

3.1 東北黑土區溝道侵蝕評估

通過對450 km2典型區域的實測，共有侵蝕溝1 049條，其中耕地、路邊、林地和主干溝各有557,353,107,12條，侵蝕溝平均長度996 m，平均寬度13.1 m，平均深度2.7 m，平均面積2.4 hm2，大多屬于小、中型侵蝕溝，雖處于發展危害加劇階段，但易于治理，應及早防治。未被納入東北黑土區侵蝕溝專項普查的主干溝對區域溝道影響較大(見表3)。

主干溝是坡面和支溝匯流抵達河道的中間水通道，是侵蝕溝最先發育并最終趨于穩定或半穩定的溝道。在東北黑土區，只有較大降雨時才有股流，絕大多數時間只有干枯，不屬于河流范疇。水利普查時未將坳溝(主干溝)算作溝道侵蝕，閆業超等的研究結果指出坳溝應屬于溝道侵蝕的一種[10]。本研究發現，是否將主干溝納入侵蝕溝調查結果，對溝道侵蝕評估影響較大。研究區實測侵蝕溝一共有1 049條，主干溝僅有12條，從數量上看影響甚小。但對侵蝕溝其他性狀乃至溝道侵蝕強度評價影響較大。如將主干溝剔除，侵蝕溝總長度、密度、總溝道面積分別低估了20.9%，20.8%和34.9%。《黑土區水土流失綜合防治技術標準》SL 446-2009對溝道侵蝕強度的分級有溝壑密度和溝谷面積比兩個指標，剔除主干溝，依溝壑密度計，溝道侵蝕強度從中度變成輕度；以溝谷面積比計，溝蝕強度從劇烈變成極強烈。

表3 調查區主干溝在溝道侵蝕評價中的差異

總體來說研究區侵蝕溝條數多，密度大，溝谷面積比大，溝蝕強度劇烈。李浩等[11]的研究發現該地侵蝕溝道面積正不斷增加，研究區總體侵蝕狀況劇烈。胡天然等[12]通過3期烏裕爾河流域遙感影像得出烏裕爾河流域侵蝕溝數量增加4.03倍，現有侵蝕溝數量12 381條；姜蕓等[13]以嫩江縣為研究區域，利用航空遙感影像探究嫩江縣侵蝕溝分布，嫩江全縣共有侵蝕溝數量38 426條。可以看出，東北黑土區溝道侵蝕不容樂觀。

3.2 溝道侵蝕治理分析

2017年國家啟動了東北黑土區侵蝕溝治理專項工程，依據溝道面積進行分類和投資預算，占地面積≤0.3 hm2定義為小型侵蝕溝，占地面積≥1.4 hm2定義為大型侵蝕溝，介于兩者之間的發展型侵蝕溝定義為中型侵蝕溝[14]。根據《東北黑土區侵蝕溝治理專項規劃(2016—2030年》，小型溝、中型溝和大型溝的平均治理投資分別為2.24×105，4.20×105，8.00×105元。以此計算，調查區域小、中、大侵蝕溝條數分別為438，441，170條，需治理費用分別為9.80×107，1.85×108，1.36×108元，共計4.19×108元。中小型侵蝕溝占總侵蝕溝數量的84.00%，治理經費占總需治理經費的67.5%(見表4)。按區域總面積450 km2計算，單位面積侵蝕溝治理費用為9.30×105元/km2，可見東北黑土區溝道侵蝕治理成本是非常高的。

表4 調查區發展類型侵蝕溝治理分類及成本

劉曉冰等[15]人對東北黑土區侵蝕溝治理措施和模式在詳細調查的基礎上，進行了系統歸納總結[16]。東北黑土區針對耕地中的中小型侵蝕溝，最佳途徑采用侵蝕溝復墾技術，利用秸稈填埋，上層覆土，消除耕地中的侵蝕溝，修復溝毀耕地，恢復作物種植。調查區中利用秸稈填埋復墾工程技術，可修復溝毀耕地47 hm2。而且針對壤中流發育，淺層地下水水位高的特點，科學性強，成績顯著[17]。對于大中型溝需采用“溝頭跌水+溝底谷坊+削坡造林”的生態修復治理模式，該模式各項措施相互補充，形成了工程養植物，植物保工程的立體防護結構[18]。對于大型侵蝕溝溝頭溯源侵蝕與溝壁坍塌嚴重，采用崩塌擴張溝壁石籠穩坡攔護技術和過水下切溝底植物谷坊防沖攔沙技術[19]。

4 結 論

(1) 漫川漫崗黑土區溝道侵蝕嚴重，主要發生在耕地中。調查區溝壑密度達1.2 km/km2，溝道面積已占區域總面積的2.89%。耕地中侵蝕溝數量占研究區侵蝕溝總數的55%，損毀耕地418.9 hm2，占耕地總面積的1.1%。

(2) 侵蝕溝專項普查中未包含的主干溝在區域溝道侵蝕占據重要份額。主干溝僅有12條，從數量上看影響甚小。但是主干溝總長113.1 km，面積達64.3 hm2，對侵蝕溝其他性狀乃至溝道侵蝕強度評價影響較大。

(3) 調查區侵蝕溝以中小型為主，易于治理。研究區共有侵蝕溝1 049條，治理任務重，需治理資金4.20×108元，單位面積溝道治理需投資9.30×105元/km2。