东北黑土区典型流域融雪期切沟发育特征研究

范昊明，王岩松，樊向国，刘建祥，蒋小娟

(1.沈阳农业大学 水利学院，辽宁 沈阳 110866； 2.松辽水利委员会，吉林 长春 130021)

切沟是自然和人为因素共同塑造的地貌形态，多在成土母质及疏松的基岩中发展，不能为一般耕犁所消除，纵剖面与所在坡面基本一致，横剖面一般为U形或V形的沟谷[1]。切沟侵蚀作为土壤侵蚀的主要形式之一，会破坏耕地，冲走沃土，造成土地资源的极大浪费，导致作物产量降低，同时切沟侵蚀产沙还会淤积河湖，抬高河床，影响航运、水利设施和农田灌溉系统的正常运行，甚至威胁居民生命财产安全[2-3]。有研究报道，以种植大豆为主的黑龙江省鹤北小流域2005—2006年受切沟侵蚀影响的区域大豆减产了34.5%[4]；以种植旱稻田为主的老挝北部受影响更大，2003—2004年受切沟侵蚀影响的区域减产高达37%，相当于减产0.714 t/hm2[5]；我国黄土高原切沟侵蚀面积可占沟间地的70%左右，每年因沟蚀产生的侵蚀量占坡面侵蚀量的35%～70%[6]；在世界范围内切沟侵蚀年产沙量占流域年产沙量的10%～90%[7]。切沟侵蚀危害严重程度由此可见一斑，因此展开相关研究十分必要。以往切沟侵蚀研究多集中在降雨期切沟的侵蚀发展方面，对融雪期切沟侵蚀规律的研究相对较少，而融雪期切沟侵蚀规律与降雨期切沟发育规律具有明显差异性，因此展开东北黑土区融雪期切沟侵蚀规律研究对于该区沟蚀防治意义深远。

1 研究区概况

选取分别位于东北黑土区的黑龙江、吉林和内蒙古的3个典型小流域为研究区，在3个小流域共选取5条典型切沟开展典型黑土区融雪期切沟侵蚀发育特征研究，流域概况如下。

五一流域位于内蒙古自治区东部扎兰屯市，土地总面积3.15 km2，地貌为低山丘陵，土壤类型以暗棕壤为主。年均气温2.4 ℃，年均降水量480.30 mm，年有效积温1 900～2 100 ℃，年日照时数2 650～2 900 h，无霜期120 d左右，冬季严寒少雪，辐射强，日照丰富，夏季短而温热，雨量集中，气温日、年较差较大，春季升温快，秋季温度骤降。种植作物以玉米、大豆、马铃薯为主。

光荣流域位于黑龙江省松嫩平原北部海伦市西南部，土地总面积1.87 km2，地貌为漫川漫岗，土壤类型以黑土为主。降雨多集中在6—8月，年均降水量511.10 mm，年均气温2.6 ℃，年日照时数2 600～2 800 h，无霜期125 d左右，冬季漫长寒冷，夏季短促温润。种植作物以大豆、玉米为主。

吉兴流域位于吉林省南部梅河口市，土地总面积15 km2，地貌为山地丘陵，土壤类型以白浆土为主。年均降水量468.58 mm，6—8月降水量占全年降水量的70%以上，年均气温3.3 ℃，年日照时数2 556 h以上，无霜期137 d左右，四季分明，夏季温暖多雨，春季干燥多风，秋季少雨降温快，冬季寒冷漫长。种植作物以玉米、大豆、水稻为主。

2 数据获取方法

2.1 基础数据获取

5条切沟中，黑龙江省光荣流域的2条侵蚀沟分别为光荣1号沟和光荣2号沟，分别用G1和G2表示；内蒙古自治区扎兰屯市五一流域的2条侵蚀沟分别为五一1号沟和五一2号沟，分别用W1和W2表示；吉林省吉兴流域的1条侵蚀沟为吉兴1号沟，用J1表示。

数据采集于2013年5月至2015年5月期间进行，观测每年进行两次(5月和10月)。由于东北黑土区每年5月至10月以降雨为降水的主要形式，10月至翌年5月以降雪为降水的主要形式，因此将5月至10月称为降雨期，10月至翌年5月称为融雪期。研究期间融雪期为2013年10月至2014年5月和2014年10月至2015年5月。切沟观测所使用的仪器为DGPS，其定位精度为1 cm，动态测量水平精度为0.25 m±10-6m、垂直精度为0.50 m±10-6m。观测仪器由基准站和移动站组成，测量时让基准站接收机和移动站接收机保持对4颗以上卫星的同时跟踪，基准站和移动站通过蓝牙形成数据链，基准站通过数据链实时地把观测数据传送给移动站接收机[8]。测量前在基准站附近找3个固定点，记录3点的直角坐标，每次测量前用已知的3点坐标对移动站进行校正。校正后运用移动站对切沟进行测量，测量人员持移动站接收机对切沟地形发生转折和宽度、深度有变化的部位采点，总体采点间距为1 m，对于发生崩塌位置加密测量。

2.2 数据处理与指标提取

根据采集的数据通过GIS软件将测量的沟底和沟沿高程点连成光滑线，提取切沟长度和面积，并结合GIS空间分析功能生成DEM提取切沟体积。在室内处理数据时根据整体变化由局部变化构成的思想，将完整切沟以5 m为间隔划分成若干个梯形断面形式的分段切沟，提取各梯形断面切沟的宽度、深度、面积、体积等指标，运用SPSS探究分段切沟断面指标间的相关关系。使用GIS裁剪功能，以对应5 m间隔的分割图层剪切沟沿线生成横断面，提取横断面上、下侧宽度求均值获得梯形断面切沟宽度；通过分段沟底、沟沿高程点生成DEM，再通过GIS拓扑分析获得分段切沟面积和体积；连接切沟横断面沟沿和沟底测量点与切沟纵向垂直，分别读取沟底和沟沿高程，二者高差的平均值即为切沟深度。

3 结果与分析

3.1 融雪期切沟发育特征

提取各流域研究期10月至翌年5月切沟长度、面积和体积参数，分析融雪期切沟发育特征。由表1可知，切沟发育具有地域分异性和年际差异性。切沟地域分异性主要表现为各流域融雪期切沟发育特征的差异性。切沟发育年际差异性主要表现为同一流域不同年份融雪期切沟发育特征的差异性。切沟发育长度(ΔL)和发育面积(ΔA)呈极显著正相关(p<0.01，r=0.755)，表明融雪期切沟发育以沟头前进为主，沟道中部和尾部发育不明显，这归因于沟头上游较大的集水区更容易汇聚融雪径流，而切沟中部和尾部坡面汇集径流较少，且切沟中部和尾部两侧大多有林带，形成侵蚀阻隔带，因此中部和尾部侵蚀主要以边坡和沟岸的崩塌为主，崩塌物质被运移到沟床或边坡，而融雪期冻融和融雪产生的有限径流主要作用于沟头，并运输靠近沟头位置的侵蚀产物。随着沟头能量的聚集和沟床蚀积物的增加，径流能量开始逐渐减小，在沟道中部产生大量的堆积，堆积物的存在形成暂时的稳定沟坡，限制崩塌作用进一步发展，因此融雪期切沟发育以沟头前进为主，沟体发育较弱[9]。切沟发育长度(ΔL)和发育体积(ΔV)相关性不明显，这一研究结果进一步佐证了胡刚等[10]提出的东北黑土区冻融侵蚀产生沟内堆积的切沟发育模型。

表1 研究区2014—2015年融雪期切沟发育特征统计

3.1.1 切沟地域分异性分析

综合2014—2015年融雪期切沟发育特征(表1)可知：2014—2015年融雪期，五一流域切沟长度、面积、体积增加量均值分别为14.23 m、147.62 m2、336.28 m3；光荣流域分别为3.37 m、82.19 m2、133.51 m3；吉兴流域分别为1.94 m、54.60 m2和18.71 m3。上述结果表明，五一流域融雪期切沟发育速率明显高于光荣流域和吉兴流域，其长度发育速率分别为光荣流域和吉兴流域的4.22、7.34倍，面积发育速率分别为光荣流域和吉兴流域的1.80、2.70倍，体积发育速率分别为光荣流域和吉兴流域的2.52、17.97倍。光荣流域土壤侵蚀模数最大，为5 980.29 m3/(km2·a)，五一流域次之，为4 681.94 m3/(km2·a)，吉兴流域最小，只有530.03 m3/(km2·a)。从西北至东南，小流域分布依次为五一流域、光荣流域和吉兴流域，土壤类型分布依次为暗棕壤、黑土和白浆土，据此推断，东北黑土区典型流域切沟发育速率从西北至东南、从暗棕壤到白浆土呈现逐渐减小的趋势。

3.1.2 切沟年际差异性分析

由表1知，五一流域切沟发育年际差异性最为明显，其次是光荣流域，吉兴流域最小。相比2014年融雪期，五一流域W1切沟2015年融雪期长度和面积增加量分别多了10.17 m和95.37 m2，体积增加量少了185.72 m3；光荣流域G1切沟2015年融雪期长度和面积增加量分别多了3.70 m和185.53 m2，体积增加量少了12.71 m3；吉兴流域切沟发育年际分异特征相对不太明显，2015年融雪期切沟长度、面积和体积增加量分别少了0.5 m、84.22 m2和18.58 m3。

3.2 切沟沿程发育特征分析

切沟发育主要包括沟头前进、沟岸扩张和沟底下切三种形式。为了更细致地探究切沟发育特征，选取土壤类型、集水区特征及切沟发育均比较典型的光荣流域，运用断面法以5 m为间距分割切沟，以2014年10月切沟沟头位置为坐标原点、切沟沟长为横坐标，规定从沟头至沟尾为横坐标正方向，沟头前进方向为横坐标负方向，分析2014年10月至2015年5月融雪期分段切沟沿程宽度、深度、面积和体积变化特征，探究融雪期切沟沿程发育特征。野外观测发现，2014年5月G1切沟长170.26 m，G2切沟长190.00 m，分别将其分为34段和38段；2015年5月G1切沟长176.76 m，G2切沟长193.00 m，分别将其分为36段和39段；2015年融雪期G1切沟沟头前进6.50 m，面积发育215.36 m2，体积发育13.21 m3；G2切沟沟头前进3.00 m，面积发育18.90 m2，体积发育127.40 m3。

3.2.1 切沟宽度发育特征

由图1可知，切沟宽度沿程发育特征呈现分异性，沟头至中部发育比较活跃，中部至沟尾发育相对缓慢。在2014年融雪期，G1切沟在距沟头50～60 m处和70～90 m处宽度发育速率出现急剧增加过程。野外调查发现，G1右侧沟坡有约100 m长的防风林带，沟坡在崩塌等重力侵蚀作用下，形成不稳定的台阶和竖沟，导致右侧林地被冲刷和切割，树木随着土壤的蚀离倾倒在沟道中，进一步加剧了沟岸扩张，因此其宽度发育速率较快。G2在2014年融雪期，沟头上部宽度在起点距0～5 m处骤降，接着在5～40 m明显增加，然后又陡降，之后以较为平缓的速率发育至130 m处，在130～190 m处因切沟两侧均布设有防风林带，形成侵蚀阻隔带，故其宽度发育速率较慢。

图1 2014年融雪期光荣流域切沟沿程宽度变化

3.2.2 切沟深度发育特征

图2 2014年融雪期光荣流域切沟沿程深度变化

由图2知，2014年融雪期，侵蚀物质从距离沟头20 m处至沟道中部多发生堆积，中部至沟尾则以沟底下切为主。G1切沟在距离沟头5 m位置深度发育为负值，进而逐渐增大为正值后陡降，在距沟头30～40 m处负值达到最大，然后在正负值间来回波动，即堆积和下切交替发生，但数值均较小，从距沟头120 m处开始深度发育呈波动式上升，至140 m处达到最大，然后又呈波动式下降，在120～170 m范围切沟深度发育较明显。野外观测发现，G1形状近似蝌蚪，沟头至中部宽深均较大，沟尾细长且以下切为主，这可能与沟尾处在坡面下端，林带积雪融水和坡耕地汇水多聚集在这一位置，形成较大径流剪切力有关。G2切沟深度变化较G1切沟平缓，由于沟岸崩塌发生堆积，在距沟头10～30 m处深度变化出现负值，之后呈波动式变化，但深度发育规模较小，其在距沟头120～180 m范围内深度发育较沟头至中部明显，说明沟尾发育以沟底下切为主。由此可见，切沟沟头至中部在冻融侵蚀作用下以沟岸崩塌为主，沟尾在融雪径流冲刷下以沟底下切为主，这是漫岗黑土区融雪期切沟发育的一种主要模式。图3和图4对这一结果进行了佐证。

图3 2014年融雪期光荣流域切沟沿程面积变化

图4 2014年融雪期光荣流域切沟沿程体积变化

3.2.3 切沟面积发育特征

由图3知，2014年融雪期，光荣流域切沟面积发育速率在中部至沟头位置较快，在中部至沟尾较缓慢：G1切沟从沟头至中部面积发育速率先增加后减少；G2切沟由于沟头发育，面积发育速率出现小幅度增大，此后直至沟尾处切沟面积发育缓慢。综合可知，切沟面积发育主要集中在沟头至中部，中部至沟尾发育不明显。

3.2.4 切沟体积发育特征

由图4知，切沟体积发育沿程波动较大。基于沟道侵蚀物质沉积，G1切沟在距沟头0～10、20～50和70～85 m处体积发育为负值，在沟头以及距沟头10～20、50～70和85～170 m处体积发育为正值，沟头发育速率尤快。G2切沟在距沟头10～30 m处体积发育为负值，距沟头55～170 m处体积发育为正值，但是相比沟头位置发育速率慢。由于G2处于阳坡，积雪融化速率较G1快，且G2沟头上游道路处于压实状态，汇水面积大，入渗缓慢，因此G2沟头发育速率较G1快。受融雪径流运输能力限制，距离沟头越远，径流剪切力越小，无法将沉积物运移出沟道，因此切沟体积发育出现负值。沟尾在林地融雪径流冲刷下沟底下切，故体积发育速率为正值，但又因为融雪期底层土壤处于冻结状态，径流剪切能力有限，故其体积发育相对较缓。

3.3 切沟沿程发育特征相关性分析

由表2知，G1切沟沿程深度发育速率与面积发育速率呈极显著负相关(p<0.01，r=-0.500)，与体积发育速率呈显著正相关(p<0.05，r=0.408)，沿程宽度发育速率和面积发育速率呈极显著正相关(p<0.01，r=0.572)。融雪期G1切沟发育以沟底下切为主，且侵蚀物质多在沟口堆积，切沟面积减小，但由于下切侵蚀较为严重，切沟深度不断增大。此时，切沟横断面呈V形，在沟头前进、沟岸扩张和沟底下切3种形式中，沟底下切对切沟沿程发育影响最大。

表2 G1切沟发育特征相关性分析

注：**和*分别代表Spearman相关系数的显著水平为p<0.01和p<0.05，下同。

由表3可知，G2切沟沿程宽度发育速率和面积发育速率呈极显著正相关(p<0.01，r=0.412)，与体积发育速率也呈极显著正相关(p<0.01，r=0.673)。与G1相比，G2发育方式较为复杂，沟岸扩张和沟底下切侵蚀交替进行，沟岸崩塌和下切侵蚀物质随径流输出沟道，沟道堆积相对较小，切沟面积和体积不断增大。现阶段切沟横断面呈U形，切沟发育以沟岸扩张和沟底下切为主。

表3 G2切沟发育特征相关性分析

4 结 论

运用DGPS差分定位系统对东北黑土区典型流域切沟进行动态监测，结合GIS技术的空间分析功能，探讨典型流域融雪期切沟发育特征，主要结论如下。

(1)切沟融雪期发育以沟头前进为主，各流域切沟发育具有地域分异性和年际差异性。切沟长度发育和面积发育呈极显著正相关(p<0.01，r=0.755)，长度发育和体积发育相关性不明显。

(2)五一流域融雪期切沟发育速率明显大于光荣流域和吉兴流域，其长度、面积和体积发育速率分别为光荣流域和吉兴流域的4.22和7.34倍、1.80和2.70倍、2.52和17.97倍；东北黑土区切沟发育速率呈现从西北至东南逐渐减小的趋势。

(3)五一流域融雪期切沟发育年际差异性最明显，光荣流域次之，吉兴流域最小。相比2014年融雪期，五一流域W1切沟和光荣流域G1切沟2015年长度和面积增加量分别多了10.17、3.70 m和95.37、185.53 m2，体积增加量分别少了185.72、12.71 m3，吉兴流域2015年融雪期长度、面积和体积增加量分别少了0.5 m、84.22 m2和18.58 m3。

(4)光荣流域G1切沟沿程宽度发育速率和面积发育速率呈极显著正相关(p<0.01，r=0.572)，沿程深度发育速率与面积发育速率呈极显著负相关(p<0.01，r=-0.500)、与体积发育速率呈显著正相关(p<0.05，r=0.408)，G1切沟发育以沟底下切为主，且侵蚀物质多在沟道堆积，切沟横断面呈V形；G2切沟沿程宽度发育速率和面积发育速率呈极显著正相关(p<0.01，r=0.412)，与体积发育速率也呈极显著正相关(p<0.01，r=0.673)，G2切沟发育以沟岸扩张和沟底下切为主，沟岸崩塌和下切侵蚀物质随径流输出沟道，沟道堆积相对较小，切沟面积和体积不断增大，切沟横断面呈U形。

[参考文献]

[1] 伍永秋,刘宝元.切沟、切沟侵蚀与预报[J].应用基础与工程科学学报,2000,8(2):134-142.

[2] IONITA I,FULLEN M A,ZGLOBICKI W,et al.Gully erosion as a natural and human-induced hazard[J].Natural Hazards,2015,79(1):1-5.

[3] POESEN J,NACHTERGALE J,VERSTRAETEN G,et al.Gully erosion and environmental change: importance and research needs[J].Catena,2003,50(2-4):91-133.

[4] LIU H,ZHANG T,LIU B,et al.Effects of gully erosion and gully filling on soil depth and crop production in the black soil region,northeast China[J].Environmental Earth Sciences,2013,68(6):1723-1732.

[5] VALENTIN C,POESEN J,LI Y.Gully erosion: impacts, factors and control[J].Catena,2005,63(2-3):132-153.

[6] 孙根行,王湜,赵串串,等.青海省黄土丘陵沟壑区沟蚀影响因子的贡献率[J].生态环境学报,2009,18(4):1402-1406.

[7] LI Y,POESEN J,YANG J C,et al.Evaluating gully erosion using137Cs and210Pb/137Cs ratio in a reservoir catchment[J].Soil & Tillage Research,2003,69(1-2):107-115.

[8] 顾广贺,范昊明,王岩松,等.东北3个典型区冲沟形态发育特征及其成因[J].水土保持通报,2015,11(3):30-38.

[9] HU Gang,LIU Baoyuan,YU Zhangtao,et al.Short-term gully head retreat rates over rolling-hill areas in Black Soil of Northeast China[J].Catena,2007,71(2):321-329.

[10] 胡刚,伍永秋,刘宝元,等.东北漫岗黑土区切沟侵蚀发育特征[J].地理学报,2007,61(11):1165-1173.