東北漫崗黑土區防護林帶分布對淺溝侵蝕的影響

蘇子龍，崔 明，范昊明

（1.沈陽農業大學 水利學院，沈陽110866；2.中國林業科學研究院 荒漠化研究所，北京100091）

淺溝侵蝕是坡耕地常見的侵蝕方式之一［1］，一般是指由集中水流引起的溝道，通常在同一個地方重復出現，而且每年會被耕作消除［2］。東北漫崗黑土區是我國重要的商品糧生產基地，但是目前當地的土壤侵蝕的情況不容忽視，淺溝侵蝕在黑土區坡耕地上十分普遍［3］，不僅影響耕作，還導致土地生產力下降。許多學者已對該區的淺溝侵蝕展開研究，如范昊明等［4］通過對漫崗黑土區土壤侵蝕垂直分帶性的研究指出淺溝、切溝主要出現在坡耕地的中下部；胡剛等［5］通過對漫崗黑土區鶴北流域兩個典型小流域淺溝發育的研究，認為該區淺溝處于快速發展時期，且該區坡長坡緩的地形特點決定了淺溝發育的臨界匯水面積大于黃土高原、臨界坡度小于黃土高原；崔明等［6］通過對雨季淺溝發育機理的分析，認為不合理的耕作方式和微地形起伏造成的水流匯集是該地區淺溝侵蝕的主要原因，集水線處壟溝內泥沙淤積致使水道連通是誘發淺溝侵蝕的直接原因。

防護林體系是東北漫崗黑土區的一個重要子系統，對坡面和小流域的產流、匯流以及產沙、輸沙過程具有重要的影響。以往的研究主要從防護林帶的涵養水源、調節徑流、減少泥沙等方面闡述其水土保持作用［7－8］，很少有學者從分布角度來探討防護林帶對土壤侵蝕的影響。研究防護林帶分布與淺溝發育的相關關系，對漫崗黑土區的淺溝防治及防護林帶布設改進具有重要的意義。本文基于RS和GIS技術，分析漫崗黑土區防護林帶的布局情況，并從該角度出發，揭示其與淺溝發育的相關關系，以期能為該地區防護林建設規劃和水土流失防治提供科學依據。

1 研究區概況

研究區域為黑龍江省嫩江縣農墾九三分局鶴山農場六隊附近的2號小流域（東經125°16′，北緯48°58′），流域面積為3.69km2，地處小興安嶺西南麓丘陵漫崗地帶，坡長較長，地形起伏較小，被當地人稱為“漫川漫崗”，屬于典型黑土區。該區平均年降雨量在550mm左右，降雨集中在夏季。坡耕地為小流域內主要的土地利用方式，主要種植大豆和小麥。另外，流域內分布有面積較少的防護林帶和人工林地，樹種為落葉松和楊樹。

2 研究方法

2.1 數據的選擇和處理

本研究采用2007年9月5日17時44分54秒拍攝的研究區Quickbird遙感影像，此時，研究區的雨季已接近結束，淺溝發育已非常微弱。利用ENVI 4.4將分辨率為0.61m的全色影像和分辨率為2.44 m的多光譜影像數據進行主成分變換融合，采用立方卷積插值法重采樣，然后進行正射校正和銳化增強處理，最后按照研究區范圍進行剪切，得到分辨率為0.61m的研究區真彩色影像，用于提取淺溝和防護林。在ArcGIS 9.2中將1∶10 000地形圖生成空間分辨率為5m的DEM，用來提取地形參數。所有空間數據均采用橫軸莫卡托（Transverse Mercator）投影和WGS—1984坐標系。

2.2 防護林帶、淺溝及其地形參數的提取

本文采用野外實地調查與室內計算機提取防護林帶、淺溝及其地形參數相結合的方法進行研究，同時參考以往的相關資料。

2.2.1 防護林帶的提取及其分布規律的確定 根據以往相關資料和實地調查結果，確定研究區內防護林帶的解譯標志并從遙感影像上提取防護林帶。研究區內主要為平行林帶，并未形成網狀格局，因此，選取防護林帶坡面位置、帶間距、走向和間斷等作為確定防護林帶分布的參數。其中，防護林帶坡面位置由防護林帶所在坡面的平均分水距確定。

2.2.2 淺溝及其地形參數的提取 結合實地調查情況和以往的研究資料，將遙感影像放大至可識別的單個像元，目視勾繪淺溝，確定淺溝的長度、數量和位置。在ArcGIS軟件中運用查詢功能選擇坡面坡度最大處作為淺溝形成的初始位置，以此量算淺溝的臨界坡度［9］，同時確定淺溝的臨界坡長、并運用水文模塊提取上坡臨界匯水區。

圖1 2號小流域淺溝和防護林帶分布圖

3 結果與分析

3.1 防護林帶分布規律

研究區內共有防護林帶9條，樹種較為單一，只有落葉松。防護林帶總面積為14.93hm2，占林地總面積的76.86%，流域總面積的4.05%，均分布在坡耕地上，從坡頂至谷底均有分布。其中陽坡上有3條、陰坡上有1條、半陽坡有4條、谷底有1條。另外，在保證防治風害的同時，研究區內防護林帶還兼顧了充分利用土地資源和方便耕種的要求，主副林帶基本與所處各坡面坡長方向垂直。主林帶最小間距為284.6m，最大間距為472.0m，平均間距為354.1 m；副林帶間距相差不大，平均間距為268.0m。此外，作為線狀廊道，間斷是防護林帶重要的度量指標。有些間斷是為農用機具進出農田預留的空隙，而有些是由于管理不善或人為破壞造成的。間斷通常以單位長度廊道上的間斷數目來量度［10］，稱為間斷指數。經統計，研究區內平均每條林帶有3個間斷，平均間斷指數達到了2.50個／km，有4條防護林帶的間斷個數在3個以上，表明該區大部分防護林帶破損情況已非常嚴重，亟需修補和維護。防護林帶各分布屬性數據如表1所示。

表1 2號小流域防護林帶分布屬性

3.2 淺溝的侵蝕特征

根據遙感影像的解譯結果，2號小流域共有淺溝13條，侵蝕溝密度達到了0.74km／km2（表2）。根據水利部黑土區溝蝕強度分級標準，研究區僅淺溝侵蝕就已接近中度侵蝕強度，還未算上細溝和切溝等引起的侵蝕，由此可見，當地的土壤侵蝕狀況已非常嚴重。淺溝侵蝕規律主要表現在發生位置、分布形式及其各項特征值的變化上［11］，本文將從分布特征和發育特征兩方面分析研究區的淺溝侵蝕規律。

3.2.1 淺溝的分布特征 淺溝分布受坡型控制明顯，多分布在低洼水線附近，分布形式受坡型影響呈現出輻散狀和平行狀。淺溝間距反映了淺溝分布隨坡面形態的不同而產生的變化［11］，研究區的淺溝間距變化于70～660m，平均間距為290m左右，遠大于黃土高原區的淺溝間距；并且研究區淺溝分布較為分散，與黃土高原區不同，其分布間距沒有明顯的集中范圍。另外，研究區內淺溝的臨界坡長變化于70～670m，最小為72.4m，最大為665.9m，平均臨界坡長為313.5m，大部分集中在200～400m，遠大于黃土高原區的臨界坡長，這是由漫崗黑土區坡長坡緩的地形特點決定的。

3.2.2 淺溝的發育特征 臨界坡度和臨界匯水面積是表征淺溝發育的主要特征值［11］。據統計，研究區內臨界坡度變化為2.6°～5.1°，最小為2.64°，最大為5.06°，大部分集中在3.2°～4.2°，平均為3.59°，遠小于黃土高原區的15°～20°的臨界坡度值。由于臨界坡度較小，淺溝的生成和發育就需要較大的匯水面積。研究區內臨界匯水面積0.5～15hm2，平均為4.88hm2，主要集中在4～7hm2的范圍內，遠大于黃土高原區的0.04～0.08hm2［11］。需要注意的是，這里所統計的臨界匯水面積由于受到研究區內防護林帶的影響，比實際形成淺溝所需要的臨界匯水面積要大。

3.3 防護林帶分布對淺溝侵蝕的影響

3.3.1 防護林帶個數對淺溝侵蝕的影響 位于淺溝匯水區內的防護林帶具有切割匯水區的作用，本文對小流域內各淺溝匯水區內的防護林帶個數進行統計，并通過進行Pearson相關性檢驗分別分析匯水區內林帶個數與臨界匯水面積、臨界坡長和臨界匯水區平均寬度的相關關系。得出林帶個數與臨界匯水面積和臨界坡長呈顯著正相關，相關系數分別為0.610和0.746，可見林帶個數與臨界坡長相關系數大于臨界匯水面積，而林帶個數與臨界匯水區平均寬度相關性不顯著，相關系數僅為0.287。這主要是由于研究區內防護林帶均為橫坡林帶，對淺溝匯水區的影響主要體現在對匯水區坡長的切割上，而對匯水區寬度的影響有限。當坡面坡長一定時，增加林帶的個數、減小林帶間距可以增大淺溝的臨界坡長和臨界匯水面積。

3.3.2 防護林帶間距對淺溝侵蝕的影響 研究區內淺溝發生的最小臨界坡長為不受林帶影響的淺溝EG3的臨界坡長72.4m，而研究區內最小的防護林帶間距為267.7m，遠大于研究區內的最小臨界坡長。這說明防護林帶間距過大，即使不考慮上方來水，僅在2條林帶之間的坡面上也有可能產生淺溝。因此，防護林帶間距對研究區內坡耕地上淺溝發育影響有限，縮小防護林帶間距是防治淺溝發生的有效方法。

由于研究區內淺溝的臨界坡長（L臨界）和在其臨界匯水區內的防護林帶個數（n）呈顯著正相關，故作回歸分析，得到回歸方程（P≤0.05）：

表2 2號小流域淺溝侵蝕特征值

而坡面平均長度（L）為：

式中：D，d——防護林帶間距和防護林帶寬度。在滿足防護林帶間距（D）小于最小淺溝臨界坡長（Lmin）的情況下，取極限情況L臨界＝L，聯立（1）、（2）兩式，可得到：

式（3），（4）所得到的n和D 為研究區內防治淺溝發生的坡面防護林帶個數和帶間距的值。但是由于研究區內樣本較少，所擬合的方程（1）精度有限；另外，防護林帶個數增加、間距減少勢必會對坡耕地的經濟效益和耕作的難易產生影響，因此，如何在它們之間取得平衡，還需要更深入的探討。

3.3.3 防護林帶的走向對淺溝侵蝕的影響 防護林帶的走向主要是通過影響坡耕地耕作方式進而影響淺溝侵蝕。研究區內大部分農田為壟作，為方便耕作、減少農機具調頭次數，同時避開防護林帶的干擾，耕地壟向基本與防護林帶走向一致，這使得壟溝筆直穿過坡面上的低洼水線，形成局部順坡壟。在降雨或融雪時，兩側挾沙水流沿壟溝向低洼水線集中，水流所帶泥沙在此處淤積，從而抬高壟溝，使該處水道連通，在此匯集的積水順低洼水線形成坡面股流，當其沖刷力大到足以沖毀壟臺時，淺溝便開始發育［6］。

3.3.4 防護林帶間斷對淺溝侵蝕的影響 如圖1所示，研究區內有7條淺溝的集水線穿過間斷，其中有1條淺溝直接通過間斷穿過林帶。這主要是由于低洼水線附近的防護林帶形成局部的順坡林帶，當坡面漫流遇到林帶后，除少部分入滲外，大部分沿林帶流向坡面低洼處，若集水線正好通過間斷或在間斷附近，水流就會在間斷處匯集形成股流穿過間斷，沿集水線流下坡面，形成淺溝。值得注意的是，即使沒有間斷，若在集水線附近形成的股流沖刷力足夠大，淺溝也會穿過林帶繼續發育，例如淺溝EG9和EG11。但淺溝在防護林帶處發生了間斷，并在其上方形成淤積，下方形成跌坎，這說明防護林帶具有減緩徑流沖刷力的作用。

4 結論

（1）淺溝匯水區內防護林帶個數與淺溝的臨界坡長和臨界匯水面積呈顯著正相關，而與臨界匯水區平均寬度相關關系不顯著，說明由于受到防護林帶影響，淺溝的發育需要更大的匯水面積，這主要是通過增大臨界坡長實現的。另外研究區內的防護林帶間距偏大，遠大于不受防護林帶影響下淺溝發育的最小臨界坡長，即在降雨或融雪時，不考慮上坡來水的情況下，僅兩條林帶之間的坡面長度就足以形成淺溝。因此，通過增加坡面上防護林帶個數、縮短防護林帶間距可以防治淺溝的發育，并提出了可以防治淺溝發生的坡面防護林帶個數和帶間距計算方法：n＝（L－143.37）／130.06和D＝［（130.06－d）L＋143.37d］／（L－273.43），且D≤Lmin，但由于樣本較少，該式精度有限，可以通過廣泛調查來提高該式的精度。另外，坡面防護林帶數和帶間距的確定還需要平衡防護林帶的水保效益與坡耕地經濟效益以及耕作的難易，這方面需要更加深入的研究。

（2）研究區內防護林帶均為橫坡林帶，其走向決定了坡耕地的壟向，間接導致水流匯集和低洼水線處壟溝內泥沙淤積連通水道而誘發淺溝。另外，研究區內防護林帶破損嚴重，而防護林帶間斷利于坡面漫流形成股流，對淺溝的發育有促進作用，因此，應加強對防護林帶的維護和修補。

［1］ 張永光，伍永秋，劉洪鵠，等.東北漫崗黑土區地形因子對淺溝侵蝕的影響分析［J］.水土保持學報，2007，21（1）：35－38，49.

［2］ Foster G R.Modeling ephemeral gully erosion for conservation planning［J］.International Journal of Sediment Research，2005，20（3）：57－175.

［3］ 張永光，伍永秋，汪言在，等.典型黑土區小流域淺溝侵蝕季節差異分析［J］.地理研究，2008，27（1）：145－154.

［4］ 范昊明，蔡強國，崔明.東北黑土漫崗區土壤侵蝕垂直分帶性研究［J］.農業工程學報，2005，21（6）：8－11.

［5］ 胡剛，伍永秋，劉寶元，等.東北漫崗黑土區淺溝侵蝕發育特征［J］.地理科學，2009，29（4）：545－549.

［6］ 崔明，蔡強國，張永光，等.漫崗黑土區坡耕地中雨季淺溝發育機制［J］.農業工程學報，2007，23（8）：59－65.

［7］ 劉新宇，趙嶺，王立剛，等.黑龍江省西部丘陵漫崗區徑流效益分析［J］.防護林科技，2000（3）：29－31，41.

［8］ 胡振宇，馬欽彥，王金錫，等.川中丘陵區防護林改良土壤作用研究［J］.安徽農業科學，2009，37（30）：15009－15013.

［9］ 胡剛，伍永秋，劉寶元，等.東北漫川漫崗黑土區淺溝和切溝發生的地貌臨界模型探討［J］.地理科學，2006，26（4）：449－454.

［10］ 肖篤寧，李秀珍，高峻，等.景觀生態學［M］.北京：科學出版社，2003：40－41.

［11］ 張科利，唐克麗，王斌科.黃土高原坡面淺溝侵蝕特征值的研究［J］.水土保持學報，1991，5（2）：8－13.