河南省黄土丘陵区侵蚀沟分类研究

2016-08-15马松增闫佳杰闫俊飞

中国水土保持 2016年8期

关键词：丘陵区土壤侵蚀黄土

张　岩，马松增，闫佳杰，闫俊飞，张　毅

(1.河南省水土保持监督监测总站，河南郑州 450008； 2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；3.河南省嵩县水土保持科学研究所，河南嵩县 471400)

河南省黄土丘陵区侵蚀沟分类研究

张岩1，马松增1，闫佳杰2，闫俊飞3，张毅1

(1.河南省水土保持监督监测总站，河南郑州 450008； 2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；3.河南省嵩县水土保持科学研究所，河南嵩县 471400)

侵蚀沟；分类；指标体系；黄土丘陵区；河南省

以河南省黄土丘陵区为研究区，选取绝对高程为主导因子作为侵蚀沟分类一级分区的指标，在此基础上根据自然社会指标和侵蚀沟特征指标，运用空间分析和数学统计的方法进行综合分析，得到研究区侵蚀沟分类的二级分类体系。采用这种分类方式，区分河南省黄土丘陵区具有不同发育程度、不同特性的侵蚀沟，为当地侵蚀沟的治理提供依据。

侵蚀沟是黄土高原土壤侵蚀的重要源地。在了解侵蚀沟发育状况、发育程度等基础上进行侵蚀沟分类研究，有助于有针对性地开展黄土高原侵蚀沟治理。关于黄土高原侵蚀沟的分类，国内外学者进行了多种尝试：早期人们曾根据坡面侵蚀机理对侵蚀沟进行分类[1-2]，这种方法侧重定性分析，缺乏定量评价标准；之后人们开始尝试运用数学方法对分类进行定量支持[3]，但是合理性、准确性有待商榷；目前人们常用多种方法相结合的方法[4-6]进行侵蚀沟分类，这种方法虽然具有实践意义，但无法适用于较大范围。河南省黄土丘陵区侵蚀沟分布范围较广、区域特性明显、发育程度不同，无法适用于当前已有的侵蚀沟分类方式。在这样的背景下，本研究以河南省黄土丘陵区为研究区，尝试采用定性与定量分析、空间分析和数学统计等多种方法相结合的方法对侵蚀沟进行分类，以期为黄土高原地区水土流失侵蚀沟道综合治理和空间措施配置提供依据。

1　研究区概况

河南省黄土丘陵区是河南省水土流失最严重的地区之一，属于豫西黄土台塬低山轻度水蚀区，位于河南省西北部，西邻陕西，北濒黄河，南与伏牛山区交错，东同黄淮平原接壤[7]，总面积约2.7万km2，约占河南省总面积的16.13%。该区气候干旱，年降水量小，同时又是中华民族历史上开发最早的地区之一，自然植被破坏、水土流失严重[8]；海拔80～2 400 m，地形起伏变化大，土层深厚、疏松、抗蚀抗冲性差，面蚀、沟蚀、崩塌、滑坡等时有并相伴发生；现阶段以沟蚀(切沟侵蚀)最为活跃，沟底下切、沟岸扩张和沟头溯源侵蚀不断蚕食和分割坡面，梁峁或塬面被切割得支离破碎，由此产生的土壤流失量约占黄土丘陵区总侵蚀量的60%以上，不仅严重影响农业生产和粮食安全，而且给山区群众生产生活和生态环境造成极大威胁[9-11]。

2　研究内容与方法

针对河南省黄土丘陵区侵蚀沟展开调查，以地学知识为基础，综合运用“3S”技术，采用空间分析方法和数学统计相结合的方法，综合侵蚀沟发育的各项影响因子，选择绝对高程作为侵蚀沟分类一级分区的主导因子。在一级分区基础上，运用层次分析法，进一步选择对水土流失影响显著的坡度、植被覆盖度、土地利用类型、多年平均降水量、土壤类型等作为评价指标，同时结合能够体现侵蚀沟不同形态的各项侵蚀沟自身特征指标，如沟道纵比降、主沟道长度、沟道宽长比、沟道平均宽度、沟道侵蚀面积、侵蚀沟周长等，对侵蚀沟进行二级分类，从而建立完整的二级分类体系，技术路线见图1。分析步骤：①分析影响侵蚀沟发生发育的多个影响因子，选择绝对高程作为侵蚀沟分类一级分区的主导因子；②获取遥感影像，搜集基础资料，通过多种方法获取各项指标；③从自然影响因素出发，在一级分区的基础上，对各个指标进行空间叠加分析；④从侵蚀沟特征指标出发，运用数学方法，对选取的各属性特征指标进行聚类分析；⑤将空间叠加分析和聚类分析的结果进行综合分析，进而进行二级分类，形成侵蚀沟分类体系。

图1　侵蚀沟分类技术路线

3　侵蚀沟分类

3.1评价指标

对研究区侵蚀沟开展调查研究，从外部影响因素的自然社会指标和其本身发育特征的侵蚀沟特征指标两方面选取评价指标。

3.1.1自然社会指标

影响侵蚀沟发育的外部因素很多，包括自然因素和社会因素。这些因素对侵蚀沟形成和发展的各个阶段都有影响，对侵蚀沟发育影响的机理也不相同。主要包括以下几个方面：①土壤类型。通常用土壤抗蚀性和抗冲性衡量土壤抵抗径流侵蚀的能力。土壤越黏重，胶结物越多，抗蚀性越强。该地区土壤种类较多且分布不均，有褐土、石灰性褐土、潮褐土等，它们对土壤侵蚀的影响程度不同。②植被覆盖度。植被覆盖度是衡量地表水土流失状况的一个最重要指标。该地区植被分布不均，对侵蚀沟的发育有一定影响。③坡度。该地区土壤侵蚀以面蚀和沟蚀为主，土壤侵蚀量的大小受地面坡度大小影响明显。④土地利用类型。不同类型的土地利用方式对侵蚀沟的发生发育影响很大。近年来研究区土地利用类型发生了明显变化，造成部分地区侵蚀沟发育。⑤多年平均降水量。暴雨冲刷是造成土壤侵蚀的重要原因，因此选取多年平均降水量作为主要评价指标。

3.1.2侵蚀沟特征指标

为了更好地表征侵蚀沟道的位置、特征、活动状态、危害等，选取能够反映侵蚀沟道特征的指标进行分析。侵蚀沟道提取的指标主要包括反映沟道形态的沟道纵比降、主沟道长度、侵蚀沟周长、沟道侵蚀面积，以及从水文学中引入的沟道平均宽度、沟道宽长比。

3.2侵蚀沟分类一级分区

侵蚀沟所处海拔对沟道的发育、特征表现、治理开发及利用的影响最大，不同绝对高程区间侵蚀沟分布特征差异明显，因此以绝对高程作为沟道划分一级分类的主导因子，对侵蚀沟进行初步分类，为特征分析奠定基础。根据研究区的实际情况，以绝对高程区间将其划分为：Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m阶地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m四个区域，见图2。一级分区结果表明，研究区大部分地区绝对高程大于200 m，其中：Ⅲ区所占面积最大，超过研究区总面积一半以上；其次是Ⅳ区；再次是Ⅰ区，占到约10%；Ⅱ区最少，只有约4%。

图2　研究区侵蚀沟一级分区结果

3.3侵蚀沟二级分类

研究区侵蚀沟一级分区是基于该区域沟道的分布特征进行的大尺度上的初步分类，要达到对侵蚀沟进行合理分类进而指导实践的目的，还需深入分析侵蚀沟的发展特征，从多方面综合考虑侵蚀沟类型的进一步细化。因此，本研究从影响土壤侵蚀的自然社会指标和侵蚀沟特征指标两方面出发，外因与内因相结合，充分选取了影响侵蚀沟的各项指标，将GIS空间分析功能与统计学方法相结合，全面分析了各因素对侵蚀沟的综合作用，并据此得出河南省黄土丘陵区侵蚀沟的二级分类体系。

3.3.1自然社会指标分析

选取多个自然因素指标作为侵蚀沟分类的依据。考虑各指标的综合影响，采用空间叠加的方法分析各项指标对土壤侵蚀的影响程度，运用层次分析法构建结构模型和判断矩阵来确定各项指标在空间叠加分析中的权重，结果见表1。利用ArcGIS工具对各项指标因子根据权重进行空间叠加，得到研究区土壤侵蚀综合得分值及其分布情况，在一定程度上反映了土壤发生侵蚀可能性的大小和各种程度侵蚀沟的基本分布情况，从而为确定侵蚀沟的发生发展、制定相应的治理措施和规划提供依据。

表1　侵蚀沟二级分类自然社会指标权重值

3.3.2侵蚀沟特征指标分析

研究区侵蚀沟数量众多，选取了多个侵蚀沟属性指标。为将这些指标综合快速且有效地进行分类，选用K-means聚类分析法。K-means聚类分析法是将大量的数据划分成群组，即把对象分成多个类，在同一个类中的数据对象之间具有较高的相似度，而不同类中的数据对象差别较大。该方法算法快速、简单，对大数据集有较高的效率并且具有可伸缩性，时间复杂度近于线性，适合挖掘大规模数据集。

在以绝对高程为一级分区的基础上，对不同高程区间的侵蚀沟特征指标进行K-means聚类分析。针对不同分区，分别选取该区域侵蚀沟道的六大指标进行聚类，即沟道平均宽度、主沟道长度、沟道宽长比、沟道侵蚀面积、侵蚀沟周长、沟道纵比降。聚类结果根据由小到大、由窄到宽不同发育状况的侵蚀沟形态进行分类排列，进而为侵蚀沟二级分类的确定提供依据。

3.3.3综合分析

从自然社会特征指标和侵蚀沟特征指标两方面对侵蚀沟分类进行综合分析。将空间叠加分析结果进行重分类，按照数据分布规律和自然间断点分级法划分，对应轻度、中度、严重(中度以上侵蚀)不同程度的土壤侵蚀，从而得出基于侵蚀沟一级分区的二级分类体系，结果见表2。据此分类体系提供的分类方法，通过侵蚀沟的绝对高程和空间分布情况，可以快速判定侵蚀沟的侵蚀强度、发展趋势、沟道状况等综合特征。

表2　侵蚀沟二级分类体系

4　结　论

本研究选取绝对高程作为划分侵蚀沟分类一级分区依据，将河南省黄土丘陵区侵蚀沟分布区域分成四大区域，即Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m阶地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m。在此基础上，从自然社会指标和侵蚀沟特征指标两方面，运用空间分析和数学统计方法进行综合分析，得到研究区侵蚀沟二级分类体系。

在研究过程中，综合考虑多种因素，运用多种方法，定性定量相结合，研究过程合理全面，分类方法与结果紧密围绕研究区的实际情况，有针对性，为当地不同类型、不同发育程度侵蚀沟治理提供了可靠依据。该分类方法在判定研究区的侵蚀沟类型方面得到了实践应用，为侵蚀沟因地制宜、因害设防、因沟而治提供了科学依据，也为国内相同或相似类型区的侵蚀沟分类体系研究提供了参考。

[1] 朱显谟.黄土区土壤侵蚀的分类[J].土壤学报,1956,4(2):99-115.

[2] 刘秉正,吴发启.土壤侵蚀[M].西安:陕西人民出版社,1996:126-133.

[3] 石长金,温是,何成全.侵蚀沟系统分类与综合开发治理模型研究[J].农业系统科学与综合研究,1995,11(3):193-197.

[4] 张琳.东北黑土区漫川漫岗区侵蚀沟评价指标体系[D].长春:东北师范大学,2013:5.

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[6] 褚英敏,方海燕,袁再健.GIS空间分析技术在土壤侵蚀评价中的应用[J].水土保持研究,2007,14(3):239-242.

[7] 李学仁.论豫西黄土丘陵区的综合治理与开发[J].地域研究与开发,1990,9(1):28-32.

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(责任编辑李杨杨)