东北黑土区农田防护林与沟谷侵蚀关系

王文娟，邓荣鑫，郝丽君

东北黑土区是中国重要的商品粮基地，但严重的土壤侵蚀成为影响黑土区农业生产的重要因素，使“北大仓”面临着再变“北大荒”的危险，而土壤侵蚀中，侵蚀沟的恶性扩张就是导致土地退化的主要原因之一。沟谷侵蚀在土壤侵蚀中占据重要位置，国外研究表明，沟蚀量可占到土壤侵蚀总量的10% ～80%［1］，甚至高达90%以上［2］。当前黑土区侵蚀沟恶性扩张，相关资料表明，东北黑土区约有大型侵蚀沟25万多条［3］，其侵蚀掉的耕地面积约有40万hm2，由此带来的粮食损失高达14亿kg，折合人民币达5亿多元［4］。为了保护黑土资源，确保粮食安全以及区域可持续发展，许多学者在沟蚀方面做了大量研究，研究主要集中从降水、耕作方式和季节差异方面，分析坡耕地侵蚀沟发育机理［5-6］，将传统的测量与3S技术相结合，监测3～5年获取几条或几十条侵蚀沟的沟蚀参数，进行沟蚀产生原因、形态特征和沟蚀量变化等方面的小尺度研究［7-9］，以及利用遥感和GIS从大的空间尺度，进行沟蚀空间分布规律、格局和动态变化等方面的研究［10-12］。这些研究取得了较好的成果，为东北黑土区沟蚀研究提供了良好的理论和实践基础。

东北农田防护林是“三北”防护林体系中的重要组成部分，研究表明，防护林带具有涵养水源、调节径流、改良土壤和减少泥沙等作用，农田防护林在侵蚀防治方面可以起到积极作用［13-15］。当前东北黑土区在防护林带与土壤侵蚀方面的研究，涉及防护林对于风蚀和荒漠化的影响［16］，沟蚀与防护林之间的研究，主要是在2～4 km2的小流域内，获取10条左右的侵蚀沟的发育参数和防护林的分布属性，就小流域内防护林带的分布规律和浅沟侵蚀规律进行分析［17］，或者根据坡耕地沟蚀发育特点与防护林带分布的相关关系，提出防护林带分布的优化方案［18］，而从几千km2的大空间尺度获取纵横分布的林网，进行沟蚀分布和农田防护林之间的关系研究却鲜见报道。笔者以遥感和GIS技术作为支持，采用2008年TM影像和2007年的SPOT5影像为数据源，获取农田防护林和侵蚀沟分布数据，从大的空间尺度分析东北黑土区农田防护林和沟蚀之间的耦合关系，挖掘黑土区农田防护林对沟蚀的防护特点，试图得出一些有益规律，为有针对性地进行沟蚀防治提供科学指导，为维护国家的粮食安全和地区生态、经济和社会的可持续发展服务。

1 研究区概况

研究区选择在东北典型黑土区中的克山县(E 125°07'～126°44'，N 47°42'～48°34')(图1)，该县位于黑龙江省西部地区，属于齐齐哈尔市辖县，该县辖15个乡镇，总面积约为3 322 km2，其东部为克山县，南部有依安、拜泉县，西部和北部为讷河县、五大连池市。该区位于松嫩平原与小兴安岭的过渡地带，东北部、中部地区为丘陵区，西南部地区为平原区，呈现出东北高西南低的地势，该区平均海拔高度236 m，乌裕尔河在该区南部地区穿过，讷谟尔河流经北部地区。该区属温带季风气候，雨热同季，日照终年充足，1月平均气温－22.0℃，7月平均气温21.9℃，全年平均气温1.87℃，有效积温2 400℃，降雨集中在6—8月，年降水量499 mm，无霜期122 d左右，年平均风速4 m/s。县域主要土壤类型为黑土，与局部草甸土、黑钙土相间分布。该县是我国重要的商品粮试点基地之一，素有“大豆之乡”“北国粮仓”的美誉。近年来，人口数量的急剧增加，给当地生态环境带来严重影响，植被破坏严重，水土流失加剧，土地退化问题日益突出，使该区成为东北黑土区中土壤侵蚀最为严重的地区之一。

图1 研究区位置以及防护林和侵蚀沟分布图Fig．1 Location of the studied area，and the distribution of shelterbelts and gully

2 材料与方法

2.1 侵蚀沟数据

沟蚀为水蚀的一种，是流水被约束在某一局地范围内的线状侵蚀方式，根据沟谷规模的大小，可以分为浅沟、切沟、冲沟和坳沟。笔者研究的侵蚀沟是在SPOT5影像上，能清晰反映出来的分布于耕地中的切沟以上的农田侵蚀沟。此种沟谷和坡面之间具有明显的沟缘线，在侵蚀形态、方式和强度，以及土壤性质、土地利用和植被覆盖等方面，与坡面都存在根本差别，极易识别。

所用侵蚀沟分布数据是以模拟真彩色SPOT5影像为基础数据源，其分辨率为2.5 m，成像日期为2007年8月28日。该数据的获取首先是在室内对侵蚀沟进行预判，主要是根据侵蚀沟影像光谱特征进行预判，针对发现的问题，于2008年进行3 d的野外调查，调查内容主要包括土壤类型、土地利用状况、岩性以及侵蚀沟的发育形态参数、沟内主要沉积物和植被生长状况。其二，结合侵蚀沟发育与分类理论，借助专家经验，建立详细完整的侵蚀沟解译标志。其三，以ArcGIS软件为平台，专家知识参与下，参照研究区1990年地形图、土壤和植被等资料，进行人机交互式判读解译，初步形成侵蚀沟空间分布数据;同时，研究组于2009年进行了3 d的侵蚀沟野外验证与补判工作，最终回到室内重新修正数据，获得整个研究区的2007年侵蚀沟分布数据，其解译精度在95%以上(图1)。

2.2 林带数据

选取标准假彩色合成的TM影像，作为获取农田防护林数据的基础数据源，所用影像成像日期为2008年6月12日，分辨率为30 m。选用该季相的主要原因是在5月或6月中上旬，农田防护林与作物的光谱特征可以较好的区分，避免防护林与作物的混分。农田防护林解译初期，首先依据影像特征和专家经验，建立解译标志，在标准假彩色影像中，农田防护林的特征为线状、红色，且具有较规则的网状结构，据此初步获取研究区的农田防护林的空间分布数据;其二，为进一步了解防护林影像特征，完善解译标志，提高解译精度，进行野外验证工作，根据野外工作建立的完整解译标志，重新修正和完善农田防护林分布数据;其三，研究组于2008年9月中旬，对数据进行实地验证和补判，然后回到室内重新修正数据。结果表明，解译精度在97%以上，最终获取研究区农田防护林分布数据(图1)。

2.3 地形数据

地形数据是对1990年的1∶5万地形图进行数字化，获得地形图上的等高线和高程点，作为基础高程数据，然后采用ArcGIS中的TOPGRID算法，建立30 m×30 m的DEM，在DEM基础上提取坡度数据。

2.4 空间分析方法

在ArcGIS 10.0的支持下，采用10 km×10 km的格网作为样方量计的基本单位，对侵蚀沟和林带进行空间化，首先利用叠加分析功能，计算每一个10 km×10 km的格网单元内的侵蚀沟密度和林带密度，然后将该密度值赋予每一格网中心点，进而利用格网中心点的密度值进行空间插值，最终生成30 m×30 m的侵蚀沟密度和林带密度空间分布数据(图2)。

图2 研究区防护林和侵蚀沟密度图Fig．2 Density of shelterbelt and gully in the studied area

3 结果与分析

3.1 防护林和侵蚀沟现状

基于获取的侵蚀沟和林带分布数据(图1)，研究区当前防护林带总条数为5 279条，总长度约为3 775 km，平均林带密度为1 113.73 m/km2，研究区防护林树种主要是青杨(Populus cathayana)，防护林密集地区以网状为主，部分区域呈现L或U型，个别区域仅有单条林带，主林网的间距多在200～500 m之间，副林网间距在500～1 000 m之间，造林密度西部和南部地区较高，北部和东部地区较低;研究区侵蚀沟总条数为2 311条，总长度约为1 419 km，平均侵蚀沟密度为418.51 m/km2，研究区侵蚀沟在数量和密度上都很严重，侵蚀沟如果不进行有效防治，沟头的溯源侵蚀、沟壁的不断坍塌和沟底的下切运动将导致沟长、沟宽和沟深不断拓展，使得黑土区的水土流失愈发严重。

图2显示，研究区防护林密度沿东北-西南方向逐渐增大，其密度＞1 400 m/km2的最高区域，出现在研究区西部和西南部地区;而侵蚀沟密度分布趋势正好相反，沿东北—西南方向逐渐减小，其最高值区域＞800 m/km2出现在研究区东北部地区。另外，从表1可以发现，研究区防护林密度较大，密度＞600 m/km2的区域占全区总面积的78.35%。其中:密度800～1 000 m/km2的区域所占面积最大，为24.11%;而研究区侵蚀沟密度200～800 m/km2的区域占全区总面积的91.7%，且200～400、400～600和600～800 m/km2区域分布面积比较均匀，分别为34.02%、24.44%和33.24%。经对比可知，研究区沟蚀状况非常严重，急需治理，东北黑土区农田防护林作为“三北”防护林的一部分，经过60多年的经营，已经成为较为稳定和高效的人工生态系统，发挥了重要的生态效应，而侵蚀沟是动态发展的，如不有效防治，其将不断扩展，将会导致土地不断退化，对于粮食生产和生态安全带来巨大危害。

表1 研究区防护林和侵蚀沟密度分级统计表Tab．1 Classification of shelterbelts and gully density

3.2 不同坡度上防护林和侵蚀沟关系

由图3可知，研究区防护林密度随着坡度的增加，呈现出减少的趋势，对其线性拟合发现两者之间存在较好的线性关系(y=－88.306x+1 027.5，R2=0.918 3);而侵蚀沟密度则随着坡度的增加，呈现出增加的趋势，对其线性拟合发现两者之间也存在线性关系(y=48.953x+419.14，R2=0.884 7)，但是相关性不如防护林密度与坡度之间的高。对坡度＜8°地区的侵蚀沟密度和坡度做线性拟合，发现两者之间存在高度的相关性(y=73.478x+366.09，R2=0.980 5)。说明当坡度＜8°时，随着坡度增大侵蚀密度增大，而坡度＞8°后，侵蚀沟密度变化不大，分别为670.84和672.87 m/km2。说明坡度＜8°时，坡度在侵蚀沟的形成发育上是一个具有重要影响的因子，而坡度＞8°时，其对侵蚀沟的发育影响减弱，而其他影响侵蚀沟发育的因素，如汇水面积、坡长等因素可能起到更为重要的作用，使得坡度对于沟蚀的影响减弱。而对毗邻县拜泉县的相关研究也得出坡度8°是临界坡度。坡度＞8°区域，沟蚀形成影响因素更加复杂化，需做更加深入的研究［19］。

图3 不同坡度下防护林和侵蚀沟密度图Fig．3 Density of shelterbelt and gully in the different slope

对防护林和侵蚀沟的研究发现，随着坡度的增加，防护林密度和侵蚀沟密度变化总体上呈现相反趋势，随着防护林密度减小，侵蚀沟密度是增加的，说明防护林具有抑制沟蚀产生的作用。由进一步分析可知，在坡度＜1°和1～3°2个坡度处，防护林密度变化不大，分别为914.95和922.07 m/km2，而其对应的侵蚀沟密度仍然增大，从440.47 m/km2增大到502.42 m/km2，说明排除防护林密度影响，坡度在沟蚀形成发育中具有重要作用;而在坡度＞8°的2个不同坡度处，防护林密度变化不大，分别为540.77和548.97 m/km2，而侵蚀沟密度也无明显变化，分别为670.84和672.87 m/km2，进一步说明坡度在沟蚀的形成上影响微弱。可见，在防护林营造上，要根据不同的地形部位特征，因地制宜，适度营造防护林，能实现经济效益和生态效应的最大化，较好地实现侵蚀防治。

3.3 侵蚀沟密度与距防护林远近关系

农田防护林作为农业生态系统的重要组成部分，在防御自然灾害、防风固沙、保水固土和涵养水源等方面发挥功能，而距林网的距离是研究这些生态功能的重要方法［18，20-21］。黑龙江省防护林营造初期，以500 m×500 m规格的防护林网为主，此种规格的林网偏大，使得其防护效应未能得到充分发挥，从1978以后，逐渐开始实行“小网窄带”农防林优化模式，以此改善防护林的防护效应［22］。研究区内主林带的间距主要分布于200～500 m之间，随着距林带距离的增加，侵蚀沟密度呈现出逐渐增大的趋势(图 4)，从 419 m/km2增大到 504.80 m/km2，说明距林带距离远近影响林带对于沟蚀的防护效果。

图4 距防护林不同距离下侵蚀沟密度Fig．4 Change of gully density with its distance to shelterbelts

由图4可知，在不同的距离下，林带对于沟蚀的防护效果是不同的:在＜120 m的林带防护距离内，侵蚀沟密度增加微弱，从419 m/km2增大到428.14 m/km2;在120～240 m之间的防护距离内，侵蚀沟密度增长较大，从441.66 m/km2增大到464.98 m/km2;而240 m以外的防护距离内，侵蚀沟密度增加最大，达到504.80 m/km2。据此可以得出，防护林对于沟蚀的防护距离，在距林带120 m之内的防护距离内，其对沟蚀防护效应基本一样，而大于此距离，防护效应开始逐渐减弱，在120～240 m之内的防护距离内，防护效应是随着距离增加，呈现线性递减的趋势(y=7.828 9x+433.97，R2=0.998 9)，而 240 m 以外的距离，防护林对于沟蚀的防护作用已经非常微弱了。研究表明，林带根系能够较好的改善土壤酶活性，但是随着林带距离的增加，土壤活性酶逐渐减少，防护林降低风速、截流水分的作用减弱，防止侵蚀的作用也随之减弱［23-25］。

合理配置东北黑土区防护林网间距，对于沟蚀防治具有重要意义。距离过大，不能起到良好的侵蚀防治效果，而距离过小，又浪费人力物力，同时防护林协地效应影响作物的生长。当前研究区南部和东部地区农田防护林主林带的间距主要分布于200～300 m之间，而西部、中部和北部地区防护林破碎化较严重，主林带的间距在400～600 m之间的较多，研究区的林带间距过大，影响防护效应的发挥。徐海等［26］引入临界坡长的概念，作为防护林间距配置的标准，而在毗邻的嫩江县的研究中得出，黑土区防护林带距离多＞200 m，而此间距远大于沟蚀的最小临界坡长，导致其不能较好的起到防治沟蚀的作用［18］，该结论与笔者的研究结果一致。研究区仅就沟蚀防治而言，2条林带之间的距离在120 m左右，就能起到很好效果，因此，加大防护林种植密度、缩小防护林带间距是防治沟蚀发生的有效方法。

3.4 防护林密度与侵蚀沟密度关系

将研究区防护林密度分为＜100 m/km2，100～300 m/km2，…，1 300 ～1 500 m/km2，＞1 500 m/km2共9个等级，将其与侵蚀沟密度图叠加来分析防护林和侵蚀沟之间的关系。从图5可知，总体上来说，随着防护林密度的增大，侵蚀沟密度是减少的，从702.26 m/km2减少到263.69 m/km2，防护林密度和侵蚀沟密度之间呈现线性关系(y=－60.496x+807.56，R2=0.920 3)，说明防护林对于沟蚀的防护作用是明显的，尤其是防护林密度在500～1 300 m/km2之间，防护林对沟蚀的防护效果非常明显，呈现高度的线性相关(y=－113.75x+777.31，R2=0.996 1)。在 ＞1 300 m/km2时，侵蚀沟密度从315.56 m/km2减少到263.69 m/km2，说明防护林密度在＞1 300 m/km2时，对沟蚀的防护效果变化不很明显，较大的防护林密度并不一定起到最好的防护效果。研究表明，造林密度过大，因树木之间的竞争与它感效应，树木生长受到限制，而导致退化，进而影响树木的防护效应［27］。

图5 侵蚀沟密度随防护林密度变化曲线Fig．5 Change curve of gully density with shelterbelt density

在防护林的经营管理上要实现合理配置，才能使得防护效应达到最优，同时又不浪费资源。对于研究区而言，种植密度在第7等级，即1 100～1 300 m/km2时，侵蚀沟密度已经减少到很小，可以达到防护效果;因此，该密度可以作为防护林防治沟蚀的参考种植密度。另外，防护林密度在500～700 m/km2处，侵蚀沟密度出现增大的趋势，经分析发现，主要与土地利用有关，这一区域是坡度较大的低山丘陵区，毁林开荒、陡坡耕种现象严重，这种不合理的土地利用方式，导致该区侵蚀沟剧增，侵蚀沟长度和支沟数量明显高于别的区域，说明合理利用土地资源，对于沟蚀防治至关重要。此外，合理配置防护林，营造乔、灌、草相结合的多树种、多层次的异龄混交林，组成多层次立体结构，可以较好的实现防护林的水土保持效益［28］。

4 结论

笔者利用GIS技术和遥感手段，对东北黑土区农田防护林与沟谷侵蚀关系进行分析。研究表明:与人工生态系统防护林的数量、密度和长度等指标现状对比可知，研究区沟蚀状况非常严重，急需治理;防护林密度随着坡度的增加，呈现出减少的趋势，侵蚀沟密度则呈现出增加的趋势，两者变化呈现相反趋势，防护林具有抑制沟蚀产生的作用;坡度＜8°时，其对沟蚀形成具有主要作用，而＞8°时，侵蚀沟形成受其他因素影响较大;防护林对沟蚀的防护效应在＜120 m的防护距离内基本一样，在120～240 m之间的防护距离，随着距离增加，防护效应减弱，而＞240 m以外的防护距离内，防护效应明显减弱，以120 m作为防护林网种植间距，对于沟蚀防治具有重要意义;防护林的种植密度需要在合适的范围内，才能起到良好的抑制沟蚀的效果，密度在1 100～1 300 m/km2之间，防护林对沟蚀的防护效果非常明显;此外，合理利用土地资源和进行防护林配置，对于沟蚀防治非常重要。

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