典型黑土区侵蚀沟空间分布特征及主要影响因子分析——以黑龙江省引龙河农场为例

杜书立，李 浩，陈 强，王禹辰，刘利春，窦家刚，张兴义

(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态重点实验室，黑龙江哈尔滨，150081;2. 黑龙江省引龙河农场，黑龙江五大连池，164141)

0 引 言

土壤是人类最宝贵的自然资源和生存基础，随着人口增长和对资源开发强度的增大，土壤侵蚀已经成为区域可持续发展中不可忽视的问题［1］。土壤侵蚀主要分为水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀3 大类，其中水力侵蚀最为普遍，而且对土壤的侵蚀伤害最为明显。土壤侵蚀形态众多，由水力侵蚀造成的沟状侵蚀便是其中一种比较常见的侵蚀问题［2－5］。沟状侵蚀形成的土壤侵蚀表现形式非常直观，具有控制难和治理难等特点。

东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，经过近百年的开发，原来的北大仓某种意义上正在变成了“北大荒”，黑土土层明显变薄，有机质含量下降严重，侵蚀沟纵横交错，黑土地支离破碎［6－8］。据统计东北黑土区现有侵蚀沟数量达29 万余条，侵蚀沟蚕食耕地、破坏道路，造成土地零散，给商品粮基地的大型机械化生产作业带来了诸多不便［9］。侵蚀沟的存在一定程度上影响了人们的正常生活，而且对粮食生产产生了极大的威胁。有研究表明，黑土区侵蚀沟是在自然因素和人类活动的相互作用下形成的，其中，自然因素如地形地貌、降雨等，人类活动如林地和草地开垦为农田、过度垦殖和不注意农田生态的保护等［10－12］。

以典型黑土区引龙河农场作为研究区，在国家基础条件平台－地球系统科学数据共享平台东北数据分中心的支持下，以GIS 软件平台为手段，通过对研究区地形地貌的处理和分析，实地侵蚀沟调查和矢量化处理，并且对比1985 年与2010 年两期的土地利用情况，叠加2013 年引龙河农场地区的侵蚀沟野外调查数据，研究和分析了主要自然因素和人为干扰对研究区土壤侵蚀形成的切沟现状。

1 研究区概况

引龙河农场位于五大连池市的中部，小兴安岭南缘丘陵地带，地势北高南低，地形起伏多变，河流和荒沟纵横交错。地理坐标介于东经126°20'～126°42'，北纬48°40'～49°02'之间，见图1。年降雨量在450 mm～550 mm 之间，全年有效积温2 100 ℃左右，无霜期105 d～118 d。农业生产主要种植大豆和玉米，畜牧业主要饲养黄牛、马和羊等。引龙河为嫩江东岸二级支流，山溪性河流，发源于小兴安岭西侧，自东北向西南行，流经龙门、襄河和引龙河等农场，最后注入讷谟尔河。每年11 月上旬至次年4 月中旬为结冰期。

引龙河农场建于1955 年，土壤类型为典型黑土居多，土地总面积超过40 000 hm2，绝大部分土地为岗坡耕地［13］。在历经了近60 a 的开垦与发展后，农场土壤侵蚀严重，侵蚀沟纵横交错，对于农场生产发展都起到了一定的制约作用。

图1 黑龙江省引龙河农场地理位置Fig.1 Location of Yinlonghe State Farm，Heilongjiang Province

2 材料与方法

2.1 数据来源

研究区侵蚀沟数据来源于遥感影像的解译和2013 年5 月期间在引龙河农场野外调查，仅测定耕地中的侵蚀沟，共测得447 条。为避免遥感解译带来的误差，采取全区域耕地侵蚀沟实地详查的方法，利用GPS 记录每一条侵蚀沟的沟头沟尾坐标，并且测量侵蚀沟的最大沟深、最大沟宽、平均沟深、平均沟宽以及沟长，记录每条侵蚀沟走向、新旧程度、所在地块的植被类型、所在地块的坡度、所在地块的地理位置等。土地利用数据是根据1986 年和2010 年两期的TM 遥感影像数据解译获得，并根据中国《土地利用现状调查技术规程》以及土地的用途、利用方式、覆盖特点和生态类型为依据进行分类，分为耕地、林地、草地、水域、城镇工矿居民用地和未利用土地等6 个类型，数据格式是shp 格式。DEM 数据为90 m 分辨率的SRTM DEM 数据。

2.2 研究方法

利用ArcGIS 软件中的空间分析功能，以研究区DEM 数据为基础，获得该区坡度图和坡向图等等，叠加侵蚀沟分布数据，对侵蚀沟的空间分部特征进行分析，并探讨地形因素对侵蚀沟分布的影响。同时对20 世纪80 年代和2010 年两期土地利用数据进行空间叠加运算，统计分析25 a 间研究区土地利用变化，及其对侵蚀沟变化的影响。

3 结果与分析

3.1 坡度与侵蚀沟分布关系

利用ArcGIS 软件平台，将由Aster DEM 数据获得的坡度图根据黑土区水土流失综合防治技术标准进行分级，分为0.00～0.25°、0.25 °～1.50°、1.50°～3.00°、3.00°～4.00°、4.00°～5.00°、 ＞5.00°共6个级别，侵蚀强度分别为微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈［14］。在此基础上叠加2013 年侵蚀沟野外调查数据，并进行统计分析，见表1。

表1 各坡度范围侵蚀沟分布分析Tab.1 Slope differentiations of gully density and ruined land area

0.00～0.25°坡度区域，共有2 条侵蚀沟，毁地面积为695 m2，沟壑密度为0.13 km·km－2，平均每公顷毁地面积为0.04 hm2·km－2，见表1。0.25°～1.50°坡度区域，共有129 条侵蚀沟，毁地面积为11.2 hm2，沟壑密度为0.19 km·km－2，平均每公顷毁地面积为0.09 hm2·km－2。1.50°～3.00°坡度区域，侵蚀沟数量明显上升，达到295 条，毁地面积达到29.1 hm2，沟壑密度为0.19 km·km－2，平均每公顷毁地面积为0.09 hm2·km－2。3.00°～4.00°坡度区域，侵蚀沟数量下降，毁地面积减少，毁地面积为1.9 hm2，沟壑密度为0.08 km·km－2，平均每公顷毁地面积为0.04 hm2·km－2。4.00°～5.00°坡度区域，仅有3 条侵蚀沟，毁地面积0.3 hm2，沟壑密度为0.02 km·km－2，平均每公顷毁地面积为0.01 hm2·km－2。坡度在5.00°以上均为林地，无新成侵蚀沟。

侵蚀沟的分布具有一定的规律。随着坡度的上升，侵蚀沟数量、沟壑密度和单位面积内毁地面积均不断增加，说明沟蚀强度也在不断增加，当沟壑密度和单位面积内毁地面积分别在到达0.19 km·km－2和0.09 hm2·km－2后，侵蚀沟数量开始减少，沟壑密度和单位面积内毁地面积随之下降，坡度超过5°的地块，为林地，未发现侵蚀沟，见图2。在0.25°～1.50°和1.50°～3.00°两个坡度内，侵蚀沟数量最多，分别为129 条和295 条，沟壑密度和单位面积内的毁地面积也为最大，2010 年引龙河农场的土地利用统计结果显示，这两个坡度范围土地面积分别为13 121.6 hm2和31 041.1 hm2，分别占引龙河总面积的24.8%和58.7%。这两个坡度范围内的土地多开垦为农田，耕地面积分别为6 869.7 hm2和22 122.2 hm2，垦殖率分别达到52.4%和71.3%，分别占引龙河农场总耕地面积的22.8%和73.4%。而在0.00～0.25°、3.00°～4.00°和4.00°～5.00°区域内，耕地面积分别为63.8 hm2、941.9 hm2和136.9 hm2，坡度在5.00°以上的区域，全部为林地，尚未开垦。耕地主要集中在0.25°～3.00°这个区间内，所占耕地总面积比例已经达到95%以上，这也说明人类活动在不断加剧着土壤侵蚀。相反，在耕地比较少的几个区域内，林地面积和草地面积均占有非常明显的优势，0.00～0.25°、3.00°～4.00°、4.00°～5.00°坡度范围内的林地面积所占比例和草地面积所占比例分别为11.1%和38.6%、30.2%和52.1%、35.0%和60.0%，而在坡度大于5.00°的区域内，仅有林地，没有耕地和草地存在。这也说明在人类活动贫乏的林地和草地中，土壤侵蚀不易发生，人类农耕活动对土壤侵蚀有着明显的加剧作用。图3 为引龙河农场侵蚀沟坡度分布图。

图2 各坡度范围沟壑密度及侵蚀沟每平方千米毁地面积Fig.2 Slope differentiations of gully density and ruined land area

3.2 坡向与侵蚀沟分布的关系

利用ArcGIS 软件平台，以SRTM DEM 数据为基础，获得研究区的数字坡向模型，之后将其分为8 个方向，分别为北(N)、东北 (NE)、东 (E)、东南 (SE)、南 (S)、西南(SW)、西 (W)、西北 (NW)，各方向的方位角范围为:337.5°～22.5°，22.5°～67.5°，67.5°～112.5°，112.5°～157.5°，157.5°～202.5°，202.5°～247.5°，247.5°～292.5°，292.5°～337.5°。之后将其与侵蚀沟数据做叠加分析，求算不同坡向上侵蚀沟的毁地面积情况，见图4。

通过研究发现，阴坡面积为9 728.1 hm2，阳坡面积为43 190.5 hm2，阳坡面积远远超过阴坡面积。阴坡共有侵蚀沟200 条，阳坡有侵蚀沟247 条，两者侵蚀沟数量相差不大，但是单位面积内侵蚀沟数量，阴坡远远超过阳坡。对比沟壑密度和单位面积内的毁地面积，阴坡沟壑密度为0.48 km·km－2，阳坡沟壑密度为0.12 km·km－2;阴坡单位面积内的毁地面积达到0.2 hm2·km－2，阳坡为0.06 hm2·km－2。阴坡所有侵蚀沟的毁地面积达16.5 hm2，阳坡所有侵蚀沟的毁地面积达26.0 hm2。阳坡耕地面积为27 083.9 hm2，占全部耕地总面积的90%以上。阴坡有新成沟92 条，阳坡有127 条。由此可见，阴坡单位面积内的各项数据均超过阳坡，表明阴坡土壤侵蚀强度更加严重，主要受以下几个因素影响:①坡度分布，引龙河地区地势北高南低，经过统计分析，阴坡平均坡度大，阳坡平均坡度比较平缓，起伏不大;②引龙河农场冬季盛行西北风，加以阴坡接受阳光直接照射的时间相比阳坡短很多，经过一个漫长的冬天，阴坡淤积了很大的雪量，在春季化雪侵蚀大于阳坡;③阴坡较阳坡光照时间短，土壤较阳坡湿润，夏季集中降雨期易饱和，耕地被地表径流冲刷，形成沟蚀。

图3 引龙河农场土壤侵蚀沟分布Fig.3 Gully distribution on slope map of Yinlonghe Farm

图4 侵蚀沟坡向分布分析Fig.4 Aspect differentiations of gully density and ruined land area

3.3 土地利用变化对侵蚀沟变化的影响

对土地利用变化进行空间分析，可以直观的看出研究区的土地利用变化情况，耕地增加非常明显，草地和林地面积的急剧缩小，见表2。

表2 1985 年－2010 年土地利用类型转换矩阵Tab.2 Landuse Conversion Matrix from 1985 to 2010

草地和林地除去转成耕地外，两者的相互转化也是一种非常显著的变化，叠加侵蚀沟野外调研数据发现，0.00～0.25°和0.25°～1.50°区域，土地利用类型主要是草地和林地，耕地所占比例非常小，侵蚀沟的分布非常少。相反在1.50°～3.00°和3.00°～4.00°两个区间内，耕地都是主要的土地利用类型，侵蚀沟的数量在这个坡度范围内达到顶峰，所造成的土壤侵蚀也是最为严重。侵蚀沟的分布在受到坡度影响的同时，对人类活动也具有非常高的敏感性。

土地利用对侵蚀沟形成主要表现在:

①侵蚀沟主要分布在耕地中，耕地总面积为30 134.52 hm2，侵蚀沟总长度为91.01 km，总毁地面积达到39.4 hm2，沟壑密度为0.30 km·km－2，单位面积内的毁地面积达0.13 hm2·km－2，土壤侵蚀非常严重;

②新成沟在草地转成耕地和林地转成耕地中的数量相近，均接近20 条;

③由草地转为耕地的土地利用类型中，新成沟所造成的毁地面积为2.0 hm2，单位面积内的毁地面积达到0.04 hm2·km－2;由林地转成耕地的土地利用类型中，新成沟造成的毁地面积为0.7 hm2，单位面积内的毁地面积达到0.02 hm2·km－2。草地到耕地发生土壤侵蚀的面积远远大于林地到耕地的面积，说明草地到耕地变化中发生土壤侵蚀的情况更加剧烈。

4 结 论

①研究区土壤侵蚀受坡度、坡向和原始植被类型等因素影响，具有明显的分布规律。侵蚀沟的数量、密度和毁地面积随着坡度的上升而增多，到达峰值后随着坡度的上升开始下降，直至消失。阴坡侵蚀沟侵蚀程度明显大于阳坡，主要原因有阴坡坡度较大，且冬季在西北风盛行的情况下阴坡淤积大量积雪，在春季时化雪侵蚀大于阳坡，同时由于阴坡接受太阳辐射少，土壤较阳坡湿润，夏季集中降雨期易饱和，耕地被地表径流冲刷，更易形成侵蚀沟。

②草地和林地开垦为农田是侵蚀沟形成的主要驱动因素。通过分析近25 a 来引龙河农场地区发生的土地利用变化，耕地面积明显增加，草地和林地面积减少;坡耕地中侵蚀沟数量达447 条，损毁耕地面积高达39.4 hm2，占耕地的0.13%，还造成耕地破碎，降低机械耕作效率。草地开垦为耕地之后较林地更易发生土壤侵蚀，说明草地开垦后的农田土壤侵蚀更加严重。

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