東北黑土區典型流域融雪期切溝發育特征研究

范昊明，王巖松，樊向國，劉建祥，蔣小娟

(1.沈陽農業大學 水利學院，遼寧 沈陽 110866； 2.松遼水利委員會，吉林 長春 130021)

切溝是自然和人為因素共同塑造的地貌形態，多在成土母質及疏松的基巖中發展，不能為一般耕犁所消除，縱剖面與所在坡面基本一致，橫剖面一般為U形或V形的溝谷[1]。切溝侵蝕作為土壤侵蝕的主要形式之一，會破壞耕地，沖走沃土，造成土地資源的極大浪費，導致作物產量降低，同時切溝侵蝕產沙還會淤積河湖，抬高河床，影響航運、水利設施和農田灌溉系統的正常運行，甚至威脅居民生命財產安全[2-3]。有研究報道，以種植大豆為主的黑龍江省鶴北小流域2005—2006年受切溝侵蝕影響的區域大豆減產了34.5%[4]；以種植旱稻田為主的老撾北部受影響更大，2003—2004年受切溝侵蝕影響的區域減產高達37%，相當于減產0.714 t/hm2[5]；我國黃土高原切溝侵蝕面積可占溝間地的70%左右，每年因溝蝕產生的侵蝕量占坡面侵蝕量的35%～70%[6]；在世界范圍內切溝侵蝕年產沙量占流域年產沙量的10%～90%[7]。切溝侵蝕危害嚴重程度由此可見一斑，因此展開相關研究十分必要。以往切溝侵蝕研究多集中在降雨期切溝的侵蝕發展方面，對融雪期切溝侵蝕規律的研究相對較少，而融雪期切溝侵蝕規律與降雨期切溝發育規律具有明顯差異性，因此展開東北黑土區融雪期切溝侵蝕規律研究對于該區溝蝕防治意義深遠。

1 研究區概況

選取分別位于東北黑土區的黑龍江、吉林和內蒙古的3個典型小流域為研究區，在3個小流域共選取5條典型切溝開展典型黑土區融雪期切溝侵蝕發育特征研究，流域概況如下。

五一流域位于內蒙古自治區東部扎蘭屯市，土地總面積3.15 km2，地貌為低山丘陵，土壤類型以暗棕壤為主。年均氣溫2.4 ℃，年均降水量480.30 mm，年有效積溫1 900～2 100 ℃，年日照時數2 650～2 900 h，無霜期120 d左右，冬季嚴寒少雪，輻射強，日照豐富，夏季短而溫熱，雨量集中，氣溫日、年較差較大，春季升溫快，秋季溫度驟降。種植作物以玉米、大豆、馬鈴薯為主。

光榮流域位于黑龍江省松嫩平原北部海倫市西南部，土地總面積1.87 km2，地貌為漫川漫崗，土壤類型以黑土為主。降雨多集中在6—8月，年均降水量511.10 mm，年均氣溫2.6 ℃，年日照時數2 600～2 800 h，無霜期125 d左右，冬季漫長寒冷，夏季短促溫潤。種植作物以大豆、玉米為主。

吉興流域位于吉林省南部梅河口市，土地總面積15 km2，地貌為山地丘陵，土壤類型以白漿土為主。年均降水量468.58 mm，6—8月降水量占全年降水量的70%以上，年均氣溫3.3 ℃，年日照時數2 556 h以上，無霜期137 d左右，四季分明，夏季溫暖多雨，春季干燥多風，秋季少雨降溫快，冬季寒冷漫長。種植作物以玉米、大豆、水稻為主。

2 數據獲取方法

2.1 基礎數據獲取

5條切溝中，黑龍江省光榮流域的2條侵蝕溝分別為光榮1號溝和光榮2號溝，分別用G1和G2表示；內蒙古自治區扎蘭屯市五一流域的2條侵蝕溝分別為五一1號溝和五一2號溝，分別用W1和W2表示；吉林省吉興流域的1條侵蝕溝為吉興1號溝，用J1表示。

數據采集于2013年5月至2015年5月期間進行，觀測每年進行兩次(5月和10月)。由于東北黑土區每年5月至10月以降雨為降水的主要形式，10月至翌年5月以降雪為降水的主要形式，因此將5月至10月稱為降雨期，10月至翌年5月稱為融雪期。研究期間融雪期為2013年10月至2014年5月和2014年10月至2015年5月。切溝觀測所使用的儀器為DGPS，其定位精度為1 cm，動態測量水平精度為0.25 m±10-6m、垂直精度為0.50 m±10-6m。觀測儀器由基準站和移動站組成，測量時讓基準站接收機和移動站接收機保持對4顆以上衛星的同時跟蹤，基準站和移動站通過藍牙形成數據鏈，基準站通過數據鏈實時地把觀測數據傳送給移動站接收機[8]。測量前在基準站附近找3個固定點，記錄3點的直角坐標，每次測量前用已知的3點坐標對移動站進行校正。校正后運用移動站對切溝進行測量，測量人員持移動站接收機對切溝地形發生轉折和寬度、深度有變化的部位采點，總體采點間距為1 m，對于發生崩塌位置加密測量。

2.2 數據處理與指標提取

根據采集的數據通過GIS軟件將測量的溝底和溝沿高程點連成光滑線，提取切溝長度和面積，并結合GIS空間分析功能生成DEM提取切溝體積。在室內處理數據時根據整體變化由局部變化構成的思想，將完整切溝以5 m為間隔劃分成若干個梯形斷面形式的分段切溝，提取各梯形斷面切溝的寬度、深度、面積、體積等指標，運用SPSS探究分段切溝斷面指標間的相關關系。使用GIS裁剪功能，以對應5 m間隔的分割圖層剪切溝沿線生成橫斷面，提取橫斷面上、下側寬度求均值獲得梯形斷面切溝寬度；通過分段溝底、溝沿高程點生成DEM，再通過GIS拓撲分析獲得分段切溝面積和體積；連接切溝橫斷面溝沿和溝底測量點與切溝縱向垂直，分別讀取溝底和溝沿高程，二者高差的平均值即為切溝深度。

3 結果與分析

3.1 融雪期切溝發育特征

提取各流域研究期10月至翌年5月切溝長度、面積和體積參數，分析融雪期切溝發育特征。由表1可知，切溝發育具有地域分異性和年際差異性。切溝地域分異性主要表現為各流域融雪期切溝發育特征的差異性。切溝發育年際差異性主要表現為同一流域不同年份融雪期切溝發育特征的差異性。切溝發育長度(ΔL)和發育面積(ΔA)呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.755)，表明融雪期切溝發育以溝頭前進為主，溝道中部和尾部發育不明顯，這歸因于溝頭上游較大的集水區更容易匯聚融雪徑流，而切溝中部和尾部坡面匯集徑流較少，且切溝中部和尾部兩側大多有林帶，形成侵蝕阻隔帶，因此中部和尾部侵蝕主要以邊坡和溝岸的崩塌為主，崩塌物質被運移到溝床或邊坡，而融雪期凍融和融雪產生的有限徑流主要作用于溝頭，并運輸靠近溝頭位置的侵蝕產物。隨著溝頭能量的聚集和溝床蝕積物的增加，徑流能量開始逐漸減小，在溝道中部產生大量的堆積，堆積物的存在形成暫時的穩定溝坡，限制崩塌作用進一步發展，因此融雪期切溝發育以溝頭前進為主，溝體發育較弱[9]。切溝發育長度(ΔL)和發育體積(ΔV)相關性不明顯，這一研究結果進一步佐證了胡剛等[10]提出的東北黑土區凍融侵蝕產生溝內堆積的切溝發育模型。

表1 研究區2014—2015年融雪期切溝發育特征統計

3.1.1 切溝地域分異性分析

綜合2014—2015年融雪期切溝發育特征(表1)可知：2014—2015年融雪期，五一流域切溝長度、面積、體積增加量均值分別為14.23 m、147.62 m2、336.28 m3；光榮流域分別為3.37 m、82.19 m2、133.51 m3；吉興流域分別為1.94 m、54.60 m2和18.71 m3。上述結果表明，五一流域融雪期切溝發育速率明顯高于光榮流域和吉興流域，其長度發育速率分別為光榮流域和吉興流域的4.22、7.34倍，面積發育速率分別為光榮流域和吉興流域的1.80、2.70倍，體積發育速率分別為光榮流域和吉興流域的2.52、17.97倍。光榮流域土壤侵蝕模數最大，為5 980.29 m3/(km2·a)，五一流域次之，為4 681.94 m3/(km2·a)，吉興流域最小，只有530.03 m3/(km2·a)。從西北至東南，小流域分布依次為五一流域、光榮流域和吉興流域，土壤類型分布依次為暗棕壤、黑土和白漿土，據此推斷，東北黑土區典型流域切溝發育速率從西北至東南、從暗棕壤到白漿土呈現逐漸減小的趨勢。

3.1.2 切溝年際差異性分析

由表1知，五一流域切溝發育年際差異性最為明顯，其次是光榮流域，吉興流域最小。相比2014年融雪期，五一流域W1切溝2015年融雪期長度和面積增加量分別多了10.17 m和95.37 m2，體積增加量少了185.72 m3；光榮流域G1切溝2015年融雪期長度和面積增加量分別多了3.70 m和185.53 m2，體積增加量少了12.71 m3；吉興流域切溝發育年際分異特征相對不太明顯，2015年融雪期切溝長度、面積和體積增加量分別少了0.5 m、84.22 m2和18.58 m3。

3.2 切溝沿程發育特征分析

切溝發育主要包括溝頭前進、溝岸擴張和溝底下切三種形式。為了更細致地探究切溝發育特征，選取土壤類型、集水區特征及切溝發育均比較典型的光榮流域，運用斷面法以5 m為間距分割切溝，以2014年10月切溝溝頭位置為坐標原點、切溝溝長為橫坐標，規定從溝頭至溝尾為橫坐標正方向，溝頭前進方向為橫坐標負方向，分析2014年10月至2015年5月融雪期分段切溝沿程寬度、深度、面積和體積變化特征，探究融雪期切溝沿程發育特征。野外觀測發現，2014年5月G1切溝長170.26 m，G2切溝長190.00 m，分別將其分為34段和38段；2015年5月G1切溝長176.76 m，G2切溝長193.00 m，分別將其分為36段和39段；2015年融雪期G1切溝溝頭前進6.50 m，面積發育215.36 m2，體積發育13.21 m3；G2切溝溝頭前進3.00 m，面積發育18.90 m2，體積發育127.40 m3。

3.2.1 切溝寬度發育特征

由圖1可知，切溝寬度沿程發育特征呈現分異性，溝頭至中部發育比較活躍，中部至溝尾發育相對緩慢。在2014年融雪期，G1切溝在距溝頭50～60 m處和70～90 m處寬度發育速率出現急劇增加過程。野外調查發現，G1右側溝坡有約100 m長的防風林帶，溝坡在崩塌等重力侵蝕作用下，形成不穩定的臺階和豎溝，導致右側林地被沖刷和切割，樹木隨著土壤的蝕離傾倒在溝道中，進一步加劇了溝岸擴張，因此其寬度發育速率較快。G2在2014年融雪期，溝頭上部寬度在起點距0～5 m處驟降，接著在5～40 m明顯增加，然后又陡降，之后以較為平緩的速率發育至130 m處，在130～190 m處因切溝兩側均布設有防風林帶，形成侵蝕阻隔帶，故其寬度發育速率較慢。

圖1 2014年融雪期光榮流域切溝沿程寬度變化

3.2.2 切溝深度發育特征

圖2 2014年融雪期光榮流域切溝沿程深度變化

由圖2知，2014年融雪期，侵蝕物質從距離溝頭20 m處至溝道中部多發生堆積，中部至溝尾則以溝底下切為主。G1切溝在距離溝頭5 m位置深度發育為負值，進而逐漸增大為正值后陡降，在距溝頭30～40 m處負值達到最大，然后在正負值間來回波動，即堆積和下切交替發生，但數值均較小，從距溝頭120 m處開始深度發育呈波動式上升，至140 m處達到最大，然后又呈波動式下降，在120～170 m范圍切溝深度發育較明顯。野外觀測發現，G1形狀近似蝌蚪，溝頭至中部寬深均較大，溝尾細長且以下切為主，這可能與溝尾處在坡面下端，林帶積雪融水和坡耕地匯水多聚集在這一位置，形成較大徑流剪切力有關。G2切溝深度變化較G1切溝平緩，由于溝岸崩塌發生堆積，在距溝頭10～30 m處深度變化出現負值，之后呈波動式變化，但深度發育規模較小，其在距溝頭120～180 m范圍內深度發育較溝頭至中部明顯，說明溝尾發育以溝底下切為主。由此可見，切溝溝頭至中部在凍融侵蝕作用下以溝岸崩塌為主，溝尾在融雪徑流沖刷下以溝底下切為主，這是漫崗黑土區融雪期切溝發育的一種主要模式。圖3和圖4對這一結果進行了佐證。

圖3 2014年融雪期光榮流域切溝沿程面積變化

圖4 2014年融雪期光榮流域切溝沿程體積變化

3.2.3 切溝面積發育特征

由圖3知，2014年融雪期，光榮流域切溝面積發育速率在中部至溝頭位置較快，在中部至溝尾較緩慢：G1切溝從溝頭至中部面積發育速率先增加后減少；G2切溝由于溝頭發育，面積發育速率出現小幅度增大，此后直至溝尾處切溝面積發育緩慢。綜合可知，切溝面積發育主要集中在溝頭至中部，中部至溝尾發育不明顯。

3.2.4 切溝體積發育特征

由圖4知，切溝體積發育沿程波動較大。基于溝道侵蝕物質沉積，G1切溝在距溝頭0～10、20～50和70～85 m處體積發育為負值，在溝頭以及距溝頭10～20、50～70和85～170 m處體積發育為正值，溝頭發育速率尤快。G2切溝在距溝頭10～30 m處體積發育為負值，距溝頭55～170 m處體積發育為正值，但是相比溝頭位置發育速率慢。由于G2處于陽坡，積雪融化速率較G1快，且G2溝頭上游道路處于壓實狀態，匯水面積大，入滲緩慢，因此G2溝頭發育速率較G1快。受融雪徑流運輸能力限制，距離溝頭越遠，徑流剪切力越小，無法將沉積物運移出溝道，因此切溝體積發育出現負值。溝尾在林地融雪徑流沖刷下溝底下切，故體積發育速率為正值，但又因為融雪期底層土壤處于凍結狀態，徑流剪切能力有限，故其體積發育相對較緩。

3.3 切溝沿程發育特征相關性分析

由表2知，G1切溝沿程深度發育速率與面積發育速率呈極顯著負相關(p<0.01，r=-0.500)，與體積發育速率呈顯著正相關(p<0.05，r=0.408)，沿程寬度發育速率和面積發育速率呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.572)。融雪期G1切溝發育以溝底下切為主，且侵蝕物質多在溝口堆積，切溝面積減小，但由于下切侵蝕較為嚴重，切溝深度不斷增大。此時，切溝橫斷面呈V形，在溝頭前進、溝岸擴張和溝底下切3種形式中，溝底下切對切溝沿程發育影響最大。

表2 G1切溝發育特征相關性分析

注：**和*分別代表Spearman相關系數的顯著水平為p<0.01和p<0.05，下同。

由表3可知，G2切溝沿程寬度發育速率和面積發育速率呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.412)，與體積發育速率也呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.673)。與G1相比，G2發育方式較為復雜，溝岸擴張和溝底下切侵蝕交替進行，溝岸崩塌和下切侵蝕物質隨徑流輸出溝道，溝道堆積相對較小，切溝面積和體積不斷增大。現階段切溝橫斷面呈U形，切溝發育以溝岸擴張和溝底下切為主。

表3 G2切溝發育特征相關性分析

4 結 論

運用DGPS差分定位系統對東北黑土區典型流域切溝進行動態監測，結合GIS技術的空間分析功能，探討典型流域融雪期切溝發育特征，主要結論如下。

(1)切溝融雪期發育以溝頭前進為主，各流域切溝發育具有地域分異性和年際差異性。切溝長度發育和面積發育呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.755)，長度發育和體積發育相關性不明顯。

(2)五一流域融雪期切溝發育速率明顯大于光榮流域和吉興流域，其長度、面積和體積發育速率分別為光榮流域和吉興流域的4.22和7.34倍、1.80和2.70倍、2.52和17.97倍；東北黑土區切溝發育速率呈現從西北至東南逐漸減小的趨勢。

(3)五一流域融雪期切溝發育年際差異性最明顯，光榮流域次之，吉興流域最小。相比2014年融雪期，五一流域W1切溝和光榮流域G1切溝2015年長度和面積增加量分別多了10.17、3.70 m和95.37、185.53 m2，體積增加量分別少了185.72、12.71 m3，吉興流域2015年融雪期長度、面積和體積增加量分別少了0.5 m、84.22 m2和18.58 m3。

(4)光榮流域G1切溝沿程寬度發育速率和面積發育速率呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.572)，沿程深度發育速率與面積發育速率呈極顯著負相關(p<0.01，r=-0.500)、與體積發育速率呈顯著正相關(p<0.05，r=0.408)，G1切溝發育以溝底下切為主，且侵蝕物質多在溝道堆積，切溝橫斷面呈V形；G2切溝沿程寬度發育速率和面積發育速率呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.412)，與體積發育速率也呈極顯著正相關(p<0.01，r=0.673)，G2切溝發育以溝岸擴張和溝底下切為主，溝岸崩塌和下切侵蝕物質隨徑流輸出溝道，溝道堆積相對較小，切溝面積和體積不斷增大，切溝橫斷面呈U形。

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