东北典型黑土区南部侵蚀沟与地形要素之间的空间分布关系

李 飞，张树文，李天奇

(1. 吉林大学地球科学学院，吉林长春130021;2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102)

1 引 言

沟状侵蚀是我国东北黑土区一种比较常见的土壤侵蚀类型。农业生态环境的日趋恶化，又导致水土严重流失，侵蚀沟恶性扩张［1］，形成了一个恶性循环。这就要求必须对东北侵蚀沟进行全面的研究，以打破这个恶性循环，保障国家粮食安全。

目前，对东北黑土区侵蚀沟的研究主要集中在黑土区的北部。在克拜地区的研究表明，人为活动不合理和地形地貌特征的差异是影响侵蚀沟分布格局变化的最重要因素［2］。闫业超等人探讨了克拜东部黑土区侵蚀沟分布的空间格局特征及其影响因素，认为造成该地区侵蚀沟密度东西差异的重要原因之一是地貌发育过程中的“分水岭迁移”现象［3］。还有学者根据在我国黑土区北部的研究指出侵蚀沟发育的临界坡度有逐年上升的趋势［4］，即侵蚀沟随着耕种年限的增加正在向高坡度地区扩张。

而在东北黑土区的南部，由于对其重视的不足，侵蚀沟的研究相对较少，因此选取位于东北黑土区南部的九台地区进行研究，可以更加全面准确的总结分析影响中国东北侵蚀沟发生发展的因素，以便当地政府采取更为合理有效的防治措施，减缓侵蚀沟对耕地的吞噬。

2 数据来源及研究方法

2.1 典型区选择

九台市地处吉林省中部的长春平原，位于东经125°25'～126°30'，北纬43°51'～44°32'之间，属于松辽平原与长白山的过渡地带，是季风区中温带半湿润地区，见图1。四季分明，属于大陆性气候。春季多风、干燥、升温快;夏季湿热、多雨;秋季凉爽、温和、降温快;冬季寒冷、漫长、降雪多。温度最高月均温出现在7 月，为23.3 ℃，最低月均温出现在1 月，为－16.3 ℃，年均气温为5.3 ℃。全年盛行西南风，年平均风速2.8 m·s－1。地势呈东向西北倾斜走势。

选择吉林省九台市作为典型研究区主要是考虑:①该地区位于东北典型黑土区东南部边缘，研究该地区的侵蚀沟发生发展，可以对整个黑土区的研究起到补充作用，更好的揭示影响黑土区侵蚀沟发生发展的因子;②该地区位于长白山与松辽平原的过渡地带，地形起伏相对较大，坡地所占面积大于研究区总面积的90%，侵蚀沟分布广泛，是东北黑土区土壤侵蚀较严重的地区之一。

图1 研究区范围Fig.1 Research area

2.2 数据来源

利用遥感影像来研究当前侵蚀沟的分布状态，为了突出沟蚀信息，选择的影像数据是由研究区2009年SPOT5 (分辨率为2.5 m)全色和多光谱(分辨率为10 m)融合而成的最高空间分辨率为2.5 m 的模拟真彩色影像(2009－04－29)。再用1∶5 万地形图作为参考，对遥感影像进行几何纠正，将误差控制在一个像元以内。

地形数据主要来源于研究区的DEM 数据，其分辨率为90 m。

3 地形要素的获取与侵蚀沟的空间分布分析

以建立的解译标志为基础，结合野外调查，对研究区的侵蚀沟进行了目视解译，得到侵蚀沟在研究区内的分布图，见图2。

主要研究地形各要素对侵蚀沟分布的定性分析，以及在地形要素不同的空间组合下，探讨侵蚀沟的空间分布规律。主要选取了坡度、坡向、坡形3 个因子，对侵蚀沟的分布进行了分析。

图2 侵蚀沟分布图Fig.2 Erosion gully distribution

3.1 侵蚀沟的坡度分异

坡度是地貌形态特征的主要因素。地表径流产生的能量受径流量和流速的影响，而径流量和流速的大小主要取决于径流深和地面坡度。因此，坡度直接影响径流的冲刷能力。

基于ArcGIS9.2 软件的3D 分析模块，以研究区DEM 作为数据源，建立了研究区的数字坡度模型。

大量的研究资料表明，在小于一定坡度时(黄土高原通常为25°或28°)，侵蚀量随坡度的增大而增加，而当坡度大于这个数值时，侵蚀量呈减小趋势［5－7］。研究区地形具有坡长坡缓的特点，坡度一般小于7°。为了研究坡度与沟蚀裂度的关系，运用ArcGIS 软件，利用DEM 生成的坡度图按照0°～1°、1°～2°、2°～3°、3°～4°、4°～5°、5°～6°、6°～7°、＞7°分为8 个级别，转成矢量图斑，然后将其与侵蚀沟裂度图叠加，求算不同坡度等级上的侵蚀沟裂度，见图3。

侵蚀沟裂度随坡度的增加总体上呈先增大后减小的趋势。侵蚀沟裂度的最大值出现在4°～5°的坡度范围内，为1 617.54 m2·km－2。当坡度小于5°的情况下，侵蚀沟的裂度随坡度的增加而增加，坡度大于5°时，侵蚀沟裂度随坡度增加而减小。其原因是，5°以下的土地利用方式主要是耕地，5°以上的土地主要用作林地，人类的耕作，改变了土壤的结构、构造及性质，因而侵蚀沟较为发育。对于大于5°的坡面，坡度大小已经不是制约侵蚀沟形成的主要因素，侵蚀沟的形成更多地受坡形、坡向、汇水面积、地形起伏度等其他因子的影响［3］。

东北地区侵蚀沟的临界坡度明显小于黄土高原上的临界坡度，这主要因为两地区的耕种历史存在差异，黄土高原已有两千多年的耕种历史，而东北黑土区大范围的土地耕种主要集中在最近一百年的时间里，且其耕地主要分布在5°以下较为平缓的坡上，因而东北黑土区侵蚀沟的临界坡度比黄土高原小。另外，闫业超、张树文等学者对黑龙江克拜黑土区50 多a 来侵蚀沟的时空变化进行了研究，其结果表明坡度越大的地区侵蚀沟增加幅度越大，坡度大于4.5°的地区，1945 年侵蚀沟密度呈减少趋势，而2000 年呈明显增加趋势［4］。这反映了东北地区人类活动对侵蚀沟发生发展的影响，人口增加，人类不断将较陡的荒地开垦为耕地，破坏了原来的土壤结构和性质，致使侵蚀沟的临界坡度有上升的趋势。

图3 侵蚀沟坡度分异图Fig.3 Slope differentiations of erosion gully

3.2 侵蚀沟的坡向分异

坡向作为一个比较重要的地形因子，它决定地表径流流向，影响地面太阳光能量的再分配，是影响地理景观的主要因素之一。坡向对侵蚀的影响主要是水热条件和降雨量的差异造成植被生长状况和土地利用的不同，导致土壤侵蚀强度的不同［8］。

基于ArcGIS 9.2 软件的3D 分析模块，以研究区DEM 为数据源，建立了研究区的数字坡向模型。依据表1，将研究区坡向分成北(N)、东北(NE)、东(E)、东南(SE)、南(S)、西南(SW)、西(W)、西北(NW)8 个坡向，转成矢量图斑，然后将其与侵蚀沟裂度图叠加，求算不同坡向上的侵蚀沟裂度，见图4。

由于坡向的不同，土壤水分、汛期暴雨风向、植被生长条件及降雨侵蚀力均存在差异，使土壤侵蚀方式和强度在不同坡向上存在明显的不对称性。由图可见，阳坡沟蚀裂度明显大于阴坡，南坡的侵蚀沟裂度大于北坡，东南坡的侵蚀沟裂度大于东北坡。造成如此分布的原因主要有以下几个方面:①该地区地形走向为西南—东北走向，不同坡向上的平均坡度存在着差异，南坡西坡以及西南坡坡度相对较大;②太阳辐射强度的不同，阳坡接受的太阳辐射总量比阴坡大，土壤昼夜温差也相对较大，冻融作用也就比阴坡强［9－10］，加上阳坡春季积雪融化较快，水流相对集中，造成阳坡侵蚀比阴坡严重，侵蚀沟裂度较大;③该地全年盛行西南风，南坡、西南坡、西坡是迎风坡，受到的风蚀要比其他坡严重，造成侵蚀沟较为发育，另外，闫业超等人的研究指出，风向还影响雨滴和坡面的夹角，从而影响对土壤的侵蚀;④很多侵蚀沟已经切穿耕地，是基岩裸露，受太阳辐射、风向和降水的影响，阳坡基岩的风化速度和风化率要比阴坡大，侵蚀沟得以进一步的发展。

表1 坡向分级表Tab.1 Slope classification

3.3 侵蚀沟的坡形分异

图4 侵蚀沟坡向分异图Fig.4 Aspect differentiations of erosion gully

坡形直接影响地面径流的分配和流速及其对地面物质的侵蚀强度和侵蚀方式，是影响侵蚀沟发育的重要因子。如果一面坡的坡形是稳定的、连续的，在DEM 数据的支持下可利用窗口分析中的邻域分析法实现对不同坡面坡向的自动获取。其公式为:

式中:Gij—窗口中心栅格的高程值;∑Gk—窗口中有效栅格的高程值之和;n—窗口中有效栅格的个数。

当L ＞0 时，为凸形坡;当L =0 时，为直形坡;当L ＜0 时，为凹形坡［11］。在DEM 数据的支持下，用ArcGIS 软件分别提取L ＞0、L=0、L ＜0 的区域，建立各自的数据图层，并与侵蚀沟裂度图叠加，得到不同坡形上侵蚀沟的裂度，如图5。

图5 侵蚀沟坡形分异图Fig.5 Slope shape differentiations of erosion gully

在凹形坡上，侵蚀沟的裂度最大，为790 m2·km－2;在直形坡上，侵蚀沟的裂度最小，为324 m2·km－2。对于不同坡形土壤侵蚀特性的研究，国内外研究并不很多，东北地区基本上属于空白。于晓杰、魏勇明通过试验，对不同坡形坡面侵蚀产沙过程的影响研究得出，凹形坡的水流含沙量最大，凹形坡的侵蚀也最大，凸形坡的其次，直线形坡的最小［12］。因此，在凹形坡上侵蚀沟发生的几率要大与其它坡形，其次是凸形坡，直形坡发生侵蚀沟的几率最小。凹形坡的上部为直形或凸形坡，向下坡度变缓，有明显的转折处，其两侧为山脊，径流向坡底汇集，形成集水洼地，坡面集水面积大，沟状水流沿坡面向下汇集，在底部汇合后冲蚀最强烈，因而沟壑烈度最大。直形坡坡面较为平坦，径流难以集中，多为坡面侵蚀，沟蚀较少。

3.4 不同地形要素组合下侵蚀沟空间分布的差异

自然界各地的地貌形态千差万别，但无论如何不同，都是通过构成地貌的基本要素，即坡度、坡形、坡向等空间组合结构影响土壤侵蚀。因此，仅就坡度、坡向、坡形3 个因子，作如下的定量分析。

由上述可知，坡度在4°～5°范围内，侵蚀沟裂度出现了最大值，就这一坡度，分析不同坡向、坡形组合对侵蚀沟裂度的影响。从研究区的坡度图中提取出4°～5°范围内的数据，与坡形图、坡向图3 层数据叠加在一起，在分别提取不同坡形、坡向组合的侵蚀沟裂度信息，见图6。

图6 4°～5°的坡度时不同地形组合下的侵蚀沟裂度图Fig.6 Gully density under different terrain combination on 4 °～5 ° slope (m2·km －2)

在同一坡度时，不同坡向上的侵蚀沟裂度有很大差异，不同坡形上的侵蚀沟裂度也大不相同。同一坡度、坡形时，不同坡向之间的侵蚀沟裂度差异很大，同一坡度、坡向时，不同坡形上的侵蚀沟裂度也相差很多。在凹形西坡上，侵蚀沟的裂度最大，为1 480 m2·km－2。从总体上看，凹形坡与阳坡组合的地区侵蚀沟裂度最大，与前文研究相符合，这和研究区的山势走向有关。研究区山势近南北走向，东侧为山地，西侧是松辽平原，而且研究区全年盛行西南风，阳坡为迎风坡，风蚀作用较强，另外，受太阳辐射、冻融作用以及降雨汇流的综合影响致使凹形阳坡遭受的侵蚀最为严重［7］。

在北坡和西北坡上，凸形坡的侵蚀沟裂度要大于凹形坡，分别为1 132 m2·km－2和952 m2·km－2，这表明虽然总体上来凹形坡比凸形坡更容易产生侵蚀沟，见图6。但是，在研究区范围内的阴坡上，凸形坡易被侵蚀，而在阳坡上，凹形坡较易被侵蚀。其原因是，受坡面复杂度的影响，北坡和西北坡上，凸形坡受到的太阳辐射较凹形坡多，凸形坡上的积雪融化也相对较快，冻融作用较强，冻胀力、冻结深度都很大，产生较多的裂纹，导致在北坡和西北坡上，凸形坡上的侵蚀沟裂度比凹形坡上的裂度要大。

在西南坡上，直形坡的裂度大于了凹形坡和凸形坡，其具体原因尚未明晰，但应与直形坡的样本面积太小有着联系。在不同坡形、坡向组合的各类型坡中，直形西南坡的面积最小，仅3.82 km2，而西南坡又是研究区易于发生侵蚀的坡向，所以，当直形西南坡上有很小的侵蚀量的时候，其裂度也能达到一个较高的值。

4 结 论

在遥感和GIS 的支持下，以高分辨率影像SPOT 5 作为数据源，获取了吉林省九台市的侵蚀沟数量、侵蚀沟裂度、侵蚀沟面积等数据，从研究区坡度、坡向、坡形、坡面复杂度等方面进行了侵蚀沟的分异规律分析，得到如下结论:①研究区土壤侵蚀受坡度、坡向、坡形、土壤类型等因素的影响，具有明显的地形分异规律。表现为:侵蚀沟裂度随坡度增加先增大后减小，坡度在5°以上时，侵蚀沟的发育受到坡长、汇水面积、土地利用方式等因素综合作用的影响，坡度已不是侵蚀沟发育的主要因素;在不同坡向上，土壤侵蚀表现为阳坡高于阴坡，迎风坡高于背风坡的特点;在凹形坡上，最易于侵蚀沟的发生;土壤类型不同时，侵蚀沟的裂度也有所不同。②不同地形要素的组合时，侵蚀沟的裂度有很大差异。研究区内，4°～5°的坡度时，在阴坡上，凸形坡易被侵蚀，而在阳坡上，凹形坡较易被侵蚀。所以在治理研究区内的侵蚀沟时，应重点治理凹形阳坡与凸形阴坡。

［1］沈 波，范建荣，潘庆宾，等. 东北黑土区水土流失综合防治试点工程项目概况［J］. 中国水土保持，2003 (11):7－8.

［2］闫业超，张树文，岳书平. 基于Corona 和Spot 影像的近40 年黑土典型区侵蚀沟动态变化［J］. 资源科学，2006，28 (6):154－159.

［3］闫业超，张树文，岳书平. 克拜东部黑土区侵蚀沟遥感分类与空间格局分析［J］. 地理科学，2007，27 (2):193－199.

［4］闫业超，张树文，李晓燕，等. 黑龙江克拜黑土区50 多年来侵蚀沟时空变化［J］. 地理学报，2005，60 (6):1015－1020.

［5］胡 刚，伍永秋，刘宝元，等. 东北漫川漫岗黑土区浅沟和切沟发生的地貌临界模型探讨［J］. 地理科学，2006，26 (4):449－454.

［6］王文娟. 遥感和GIS 支持下的东北黑土区侵蚀沟发生分布模型研究［D］. 中国科学院东北与业与地理生态研究所，2010.

［7］李晓燕，王宗明，张树文，等. 东北典型丘陵漫岗区沟谷侵蚀动态及空间分析［J］. 地理科学，2007，27 (4):531－536.

［8］唐克丽. 中国水土保持［M］. 北京:科学出版社，2004.

［9］范吴明，蔡强国. 冻融侵蚀研究进展［J］. 中国水土保持科学，2003，1 (4):50－55.

［10］刘绪军，景国臣，齐恒玉. 克拜黑土区沟壑冻融侵蚀主要形态特征初探［J］. 水土保持科技情报，1999 (1):28－30.

［11］周启鸣，刘学军. 数字地形分析［M］. 北京:科学出版社，2006.

［12］于晓杰，魏勇明. 不同坡形坡面侵蚀产沙过程的影响研究［J］. 水土保持研究，2010，17 (1):97－100.