吉林省低山丘陵區地形因素對坡耕地侵蝕溝分布的影響

劉 肅， 崔 斌， 張 瑜， 楊獻坤

(吉林省水土保持科學研究院 130033 吉林 長春)

侵蝕溝是最受關注的具有普遍性、緊迫性和復雜性的世界性環境問題，也是土地退化的主要過程及最嚴重的表現形式[1]。據調查統計，黑土區共有長于100 m的侵蝕溝295 663條[2]，共侵毀耕地5.90×105hm2以上[3]。侵蝕溝的發育與發展受多因素共同作用影響，其中地形因素是影響侵蝕溝分布格局的重要因素[4]。主要表現為淺溝長度與流域坡度呈負相關[5]；溝壑裂度與坡度顯著正相關[6-7]，溝壑密度隨坡度的增加而增大[8]。以往對侵蝕溝發育及分布受地形因素影響的研究多采用歷史遙感影像對比，在遙感影像解譯過程中實現侵蝕溝全部識別、不遺漏不誤判具有一定難度。本研究利用實時動態測量技術(real time kinematic, RTK)測量系統對東遼縣遼河源流域內25條侵蝕溝進行了精細化測量，嘗試對以該區域地貌特征為代表的吉林省低山丘陵地貌的侵蝕溝與地形因素關系加以探討，從而發現地形因素對侵蝕溝發育及分布影響，以期為侵蝕溝綜合治理與土地利用規劃提供科學參考。

1 研究區概況

東遼縣位于吉林省中南部，東遼河上游，地處長白山余脈與松遼平原的過度地帶，屬低山丘陵地貌，南北方向丘陵起伏。海拔高度在270～400 m。溫帶大陸性氣候區，四季分明，多年平均氣溫5.2 ℃，降水量661.5 mm，蒸發量1 450 mm，≥10 ℃積溫2 750 ℃，無霜期為128 d，多年平均風速2.9 m/s，最大凍土深度1.80 m。主要土壤有暗棕壤、白漿土、沖積土等。東遼縣共轄有9個鎮，4個鄉，234個行政村，全縣鄉村人口2.85×105人。本次研究區域位于遼河源鎮，地處東遼縣東南部，北緯42°52′，東經125°22′。

2 研究方法

(1) 侵蝕溝形態特征。包括侵蝕溝長度、平均寬度、溝緣占地面積、溝底高程等指標。于2018年11月利用現場RTK測量方法，坐標系采用CGCS2000，中央經線設置為126°；沿溝緣線及溝底每間隔5 m采集坐標點，將點數據生成Excel文件，導入ArcGIS10.2軟件，手繪生成侵蝕溝平面圖及縱向中心線，以此獲得溝道長度、溝緣面積；將TIN生成的坡度分析柵格成果與溝緣線及匯水區圖層相疊加，分類統計不同坡度范圍內的匯水面積與溝壑面積；

(2) 坡度。以1∶10 000地形圖為底圖，利用ArcGIS10.2軟件手繪等高線，利用3D Analyst 工具生成TIN文件之后采用Spatial Analyst 工具獲取研究區坡度；

(3) 地形特征。包括研究區坡長、平均寬度、匯水面積、形狀系數等指標。以等高線為底圖，手繪生成侵蝕溝閉合匯水區域，分類統計坡長、匯水面積指標，間接求得平均寬度，形狀系數等指標。

3 結果與分析

3.1 區域侵蝕現狀分布特征

根據2018年11月現場調查，該區域土地利用類型為耕地和林地(如表1所示)。其中坡地中下部以耕地為主，坡度<9°，坡長占總坡長的30%～60%；坡上部以次生林為主，坡度以>9°為主，坡長占總坡長的40%～70%。所調查的25條侵蝕溝分布于5個閉合匯水單元內。溝道長度介于44～361 m之間，匯水區域縱向坡地長介于160～590 m之間，橫向寬度介于41～120 m之間。溝壑密度為5.99 km/km2，溝谷占坡地面積比為5.12%。溝道長度占匯水區域縱向坡地長度<30%的侵蝕溝有3條，30%～50%的有15條，50%～80%的有5條，>80%的有2條。侵蝕溝主要分布于坡地中下部的耕地內。溝頭活躍且尚未發展至農林交接帶的有17條。溝頭已發展至林地的有8條，其中有7條溝頭處于穩定狀態，1條處于發展狀態。以上調查結果表明該區域溝蝕處于強烈侵蝕狀態，且耕地內侵蝕溝有繼續發展的趨勢，并以溝頭溯源侵蝕為主，當溝頭前進至林地后，可逐步達到自然穩定。

表1 吉林省低山丘陵區單元尺度侵蝕溝特征

3.2 侵蝕溝分布與地形因素關系

3.2.1 溝谷占坡地面積隨坡度變化 將每條侵蝕溝匯水區域內的坡度劃分為0°～3°，3°～6°，6°～9°，9°～12°，12°～15°，15°～18°，18°<共7個區間，提取每個坡度區間內的匯水面積、溝谷占地面積，求得溝谷占坡地面積比。利用SPSS對7個坡度區間內的溝谷占坡地面積比進行差異性分析表明，當坡度<9°時差異顯著(p<0.05)，當坡度≥9°時差異不顯著。結果見圖1。溝谷占坡地面積比隨坡度的變化呈現先增加后減少的趨勢，當坡度<9°時溝谷占坡地面積比隨坡度的增加而增加，在坡度為6°～9°范圍內達到最大值，當坡度≥9°時隨坡度的增加而減小。

圖1 吉林省低山丘陵區溝谷占坡地面積比例坡度分異特征

結合研究區土地利用及地形情況進行分析，該區域以低山丘陵地貌為主，地表高程在389～430 m之間，土地利用方式以≥9°的次生林為主，坡耕地主要分布于山坡坡腳<9°的緩坡區域。林地內植被覆蓋率較高，且枯落物對林下土壤起到了很好的保護作用，徑流難以形成，溝壑不易發育。坡耕地以橫壟耕作為主，但坡向復雜，在兩種相對的主導坡向交接處，即低洼水線處是侵蝕溝發育的主要區域[9]；低山丘陵地貌橫向壟從坡上至坡下逐漸變長，匯水面積逐漸增加，在降雨作用下，當壟內徑流在相對坡向交接處，即每個壟內最低高程點形成積水并發生溢流后形成“斷壟現象”，由此加劇了坡下壟溝內積水進而形成連續水道并向坡下繼續發展，此時坡地淺溝形成，斷壟位置決定了最初溝頭位置；隨著降雨的持續作用，淺溝逐步發育為切溝、沖溝，并且在最初斷壟位置以上形成跌水，即溝頭形成，但溝頭并非完全沿相對坡向交接處向上發展，主要是由于溝頭處并無匯水或來水較小，溝頭主要受重力侵蝕作用向上發展。當溝頭發育至林地內時，受植被保護作用，溝道內形成枯落物層，植被恢復，溝道穩定。

3.2.2 溝壑密度受匯水區形狀特征影響 將每條侵蝕溝作為一個閉合匯水單元，獲取匯水單元內坡長、匯水面積，求得每個匯水單元內的平均寬度及形狀系數，將以上兩個匯水區形狀指標與溝壑密度進行回歸分析，結果為溝壑密度與匯水區平均寬度的冪函數關系擬合效果最好，相關系數R2=0.68，即溝壑密度隨著匯水區域平均寬度的增加呈冪函數下降(見圖2)。

該區域坡地地形復雜，坡向多變，侵蝕溝主要沿主導的縱向坡向發育，與壟作方向垂直或成一定角度。在溝道兩側同時存在橫向坡向，橫向以大田玉米橫向壟作為主，坡長介于25～86 m之間，由于壟溝內水流匯水面積有限，產生的切應力不足以達到淺溝發生的臨界切應力范圍[9]，因此橫向發育的侵蝕溝在該區域較為少見。而匯水區形狀系數越大，縱向坡長則相對越短，溝道長度也因此較短。

圖2 吉林省低山丘陵區溝壑密度與匯水區平均寬度關系

3.2.3 溝壑密度受匯水區不同坡度面積組成影響 坡度是影響侵蝕溝形成發育的主要因素[10]，已有的研究結果表明，溝壑密度與坡度呈線性正相關[11-12]。本研究在流域尺度及單條侵蝕溝匯水區域尺度內對二者關系進行了研究，結果表明二者線性相關性未達到以上水平。

但溝壑密度與各坡度坡地占總匯水面積比例具有一定相關關系，主要表現為溝壑密度隨著3°～6°坡地占總匯水面積比例的增加而減少，隨6°～9°坡地占總匯水面積比例的增加而增加(見圖3)，以上結果說明該區域6°～9°坡地是侵蝕溝分布的集中區域。

圖3 吉林省低山丘陵區不同坡度的坡地面積占總匯水面積比例對溝壑密度影響

3.3 侵蝕溝特征與地形要素關系研究

將溝長、平均溝寬、平均溝深、總侵蝕量、溝谷占坡地面積等侵蝕溝特征指標與平均坡度、匯水面積、流域形狀系數等地形特征指標進行了耦合規律研究。結果如圖4所示，侵蝕溝平均寬度與匯水區平均寬度及形狀系數均存在線性正相關關系，相關系數分別達0.57和0.84，相關系數隨匯水區不對稱系數的減小而增加。這說明匯水區平均寬度對侵蝕溝橫向發育具有明顯影響，即具有較大寬長比的集水區內容易發育寬度相對較大的侵蝕溝，這與吉林省內侵蝕溝具有長度小寬度大的特征[13]相吻合。主要是由于侵蝕溝下切侵蝕造成溝岸陡立，重力作用在邊坡物質的運動中占據了主導地位，強烈的崩塌和滑塌促使溝坡后退[14]，在這一過程中，侵蝕溝兩側耕地橫向壟作所產生的渠系效應[15]對加速溝坡后退也起到了積極作用，表現為加劇了溯源侵蝕與凍融侵蝕作用[16]。

圖4 吉林省低山丘陵區侵蝕溝平均寬度與匯水區平均寬度及形狀系數的關系

4 結論與討論

(1) 研究區坡地土地利用現狀以坡下部耕地和坡上部次生林為主，分別占坡地總長度的30%～60%和40%～70%，侵蝕溝主要分布于坡耕地中，溝壑密度為5.99 km/km2，溝谷占坡地面積比為5.12%，溝道處于強烈侵蝕狀態，發展方式以溝頭溯源侵蝕為主。結合現場調查表明，當溝頭發展至坡地上部次生林地時，溝頭可達到自然穩定狀態。這是由于坡上部次生林郁閉度高，林下枯落物生物量大，森林的降雨再分配與林下枯落物層的保護作用[17-18]是防止水土流失與控制溝頭發展的重要因素。

(2) 在坡度<9°時差異顯著(p<0.05)，坡度≥9°時不顯著；溝谷占坡地面積比隨坡度的變化呈現先增加后減少的趨勢，當坡度<9°時溝谷占坡地面積比隨坡度的增加而增加，在坡度為6°～9°范圍內達到最大值，當坡度≥9°時溝谷占坡地面積比隨坡度的增加而減小，6°～9°是研究區侵蝕溝分布最為集中的區域。這與李飛等[7]以九臺為研究區得出的結論相近，但坡度區間不同。研究區以低山丘陵地貌為主，坡耕地主要分布于9°以下坡地，在坡耕地內由于缺乏植被的保護作用，坡度的增加加劇了侵蝕溝道的發展。

(3) 溝壑密度與匯水面積、坡度均無明顯函數相關性，這與蔣巖初等[11]和許曉鴻等[12]得出的溝壑密度與坡度呈正相關的結論不同。本研究發現溝壑密度與匯水區平均寬度呈冪函數關系(y=706.38x-1.108，R2=0.68)，表現為溝壑密度隨著匯水區域平均寬度的增加呈冪函數下降，并且侵蝕溝匯水區平均寬度越大，溝道橫向平均寬度越大，二者呈線性正相關關系。