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  農業資源與環境學報  2021, Vol. 38 Issue (6): 1074-1083  DOI: 10.13254/j.jare.2021.0505
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引用本文  

溫艷茹, 余強毅, 楊揚, 等. 黑土小流域溝道分布遙感監測及主控因素研究[J]. 農業資源與環境學報, 2021, 38(6): 1074-1083.
WEN Yanru, YU Qiangyi, YANG Yang, et al. Gully distribution monitoring based remote sensing and key driving factors in the catchment scale of Mollisol region[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2021, 38(6): 1074-1083.

基金項目

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(CAAS-ZDRW202107);地表過程與資源生態國家重點實驗室開放課題(2021-KF-09)

Project supported

Fundamental Research Funds for the Central Non-profit Scientific Research Institutes(CAAS-ZDRW202107); State Key Laboratory ofEarth Surface Processes and Resource Ecology (2021-KF-09)

通信作者

吳文斌??E-mail: wuwenbin@caas.cn

作者簡介

溫艷茹(1991-), 女, 黑龍江齊齊哈爾人, 博士, 助理研究員, 從事黑土耕地質量與土壤侵蝕研究。E-mail: wenyanru@caas.cn

文章歷史

收稿日期: 2021-07-31
錄用日期: 2021-09-29
黑土小流域溝道分布遙感監測及主控因素研究
溫艷茹1,2 , 余強毅1 , 楊揚2 , 張斌1 , 吳文斌1     
1. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部農業遙感重點實驗室, 北京 100081;
2. 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875
摘要: 為了對典型黑土區小流域溝道分布進行遙感監測,并解析影響其發育的主控因素,選擇黑龍江省海倫市光榮村為研究區,通過對遙感影像和地形圖的目視解譯判讀和空間分析,量化匯水區面積、坡長等12個變量,結合對264條切溝與等高線分布關系的地貌學分析、統計分析和野外詳查,解譯地表徑流和機耕道作用等6種情形,對典型黑土區小流域切溝發育主控因素進行探討。結果表明,研究區林地面積大小不能直接控制切溝發育,林地內活躍溝長占活躍切溝總長的46.2%。小流域匯聚坡是切溝發育的典型地形,溝長占總長的68.1%,匯聚坡導致地表集中徑流,溝長占總長的63.0%。匯水區面積和坡長是影響溝長的最主要因素,而小流域坡度是影響溝密度的顯著因素。同時,切溝侵蝕多伴生于農田機耕道路一側,機耕道旁溝長約占其總長的23.3%。研究表明,黑土區切溝侵蝕主要與機耕道促進地表徑流的作用密切相關,侵蝕溝綜合治理必須考慮小流域景觀布局和山水林田湖草綜合治理,應將農田機耕道路周邊大型活躍切溝防控作為黑土區保護的重中之重。
關鍵詞: 東北黑土區    切溝侵蝕    主控因素    匯水區地形    農田機耕道    遙感解譯    
Gully distribution monitoring based remote sensing and key driving factors in the catchment scale of Mollisol region
WEN Yanru1,2 , YU Qiangyi1 , YANG Yang2 , ZHANG Bin1 , WU Wenbin1     
1. Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
2. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract: To understand the key driving factors of the gully distribution and development in typical catchment of Mollisol region, visual interpretation, spatial analysis, detailed geomorphological field survey and statistical analysis were used to quantify the catchment properties(12 variables) and influencing factors(6 variables) of gully erosion in typical catchment of Mollisol region based on the satellite image and topographic map. The results showed that the forest area in catchment scale could not effectively control the gully development, and the active gully length in the forestland accounted for 46.2% of the total active gully length. The convergent slope of sub-catchment was a typical landform for gully development, and the gully length accounted for 68.1% of the total gully length. The gully length caused by concentrated surface runoff in convergent slope accounted for 63.0% of the total gully length. The catchment area and slope length were the most important factors affecting the gully length, while catchment slope was a significant factor to gully density. Meanwhile, gully erosion was highly associated with the field tractor road in this study region, and the gully length related tractor road accounted for about 23.3% of the total gully length. Our study highlights that the gully development is closely related to enhanced surface runoff caused by the field tractor road. Therfore, comprehensive soil and water management considering landscapes and agricultural tractor roads in the catchment scale should be the priority issue in gully prevention in Mollisol region of northeast China.
Keywords: Mollisol region    gully erosion    controlling factor    sub-catchment topography    tractor road    remote sensing interpretation    

我國黑土區生產全國四分之一的糧食和三分之一的商品糧,對保障糧食安全至關重要。我國黑土區現有切溝近30萬條,且61%出現在耕地,損毀耕地占0.5%~3%[1]。切溝侵蝕使耕層變薄、地力下降,直接威脅黑土可持續發展[2-3],同時,侵蝕土壤在下游堆積會加劇洪澇災害和環境污染,且侵蝕也會導致碳排放增加,不利于國家“碳中和”目標的實現[4-5]。然而,黑土區地形漫川漫崗、夏季降雨集中、冬春凍融交替、起壟耕作、土壤黏重,加之長期高強度利用,導致切溝分布復雜,主控因素多變,其他區域(如黃土高原)溝蝕理論和防治措施無法在此合理應用[6-7]。因此,迫切需要系統開展黑土區切溝分布及其主控因素研究,為明晰黑土溝蝕發育過程和針對性阻控溝蝕提供科學支撐。

切溝侵蝕是在水力、風力、凍融等作用下,地表徑流集中沖刷形成的永久性溝道[8-9],與淺溝相比,切溝不能被常規耕作逾越。水力主導下溝頭沿著坡面匯流通路向坡上溯源前進增加切溝的長度,溝壁崩塌向兩側擴張增加切溝的寬度,溝底水力下切增加切溝的深度,使得切溝從坡上向坡下垂直于等高線分布[10]。切溝分布特征反映了降水侵蝕力和匯水面的影響,隨著新的匯流通路形成,產生二級甚至三級切溝,形成復雜的切溝系統[11]。除了水力外,東北黑土切溝形成還受凍融、特殊的多面向地形以及土壤耕作等因素的影響,切溝形態呈復雜的“S”形態[12]。隨著3S技術的發展,切溝的監測和評價手段也由傳統的卷尺、侵蝕基準針和斷面測定儀等,陸續發展到GPS、高分遙感、攝影測量、機載/地面激光掃描等新技術[8-14]。其中,遙感影像監測,尤其是無人機攝影監測因具有測量快、時空分辨率高和精度高等顯著優勢,廣泛用于監測切溝形態、時空分布以及構建三維數字高程模型。

地形是影響切溝發生發展的重要因素,可通過匯水面積、坡長、坡度等因子影響下墊面形態,從而影響徑流沖刷過程。88%的黑土區為小于5°的長緩坡,坡長可達幾百米甚至上千米,匯流面積較大,在降雨作用下地表易形成集中匯流,沖刷發育成切溝[8-10]。有研究表明切溝密度隨著匯水面積和坡長的增加呈現先增加后減少的趨勢,臨界面積約29 hm2 [15]。而坡度主要影響地表土壤與雨滴的接觸角、地表徑流流速及徑流對土壤的剪切力,侵蝕速率隨坡度的增加先增加后減少。WANG等[16]的研究指出,黑土坡面坡度為3°~5°時,坡面溝壑密度最大。此外,切溝密度也表現出隨坡長增加呈先增加后降低的趨勢,匯水區地形不同,臨界坡長有一定的差異。許曉鴻等[17]在吉林梅河口的研究發現切溝密度在200~299 m最大,而顧廣賀等[18]指出溝密度的臨界坡長為900 m。一方面,黑土區小流域切溝侵蝕發育與地形因子間的定量關系表現出一定的空間變異,隨著地形條件不同,定量結果并不太一致;另一方面,不同匯水條件下地形因子,如匯水面積、坡長、坡度,對切溝發育的相對重要性尚不明確。因此有必要綜合分析流域尺度上切溝侵蝕的主控因素,這對于開展小流域侵蝕溝綜合治理尤其是有針對性地阻控切溝發育十分關鍵。

本研究選取黑龍江省海倫市光榮村小流域264條切溝為研究對象,采用遙感影像和地形圖目視解譯人工判讀,結合野外詳查、地貌學分析和統計分析的方法,量化小流域尺度上的匯水面積、坡長、坡度高差等變量,探討機耕道影響的地表徑流對切溝分布的貢獻,揭示黑土切溝發育的主控因素,為深入理解溝蝕過程、科學監測和有效阻控黑土耕地切溝發育提供關鍵科學支撐。

1 材料與方法 1.1 研究區概況

本研究選取典型黑土區中心區域——黑龍江省海倫市光榮村小流域(47°23′N,126°51′E)(圖 1),面積約為24 km2。研究區屬北溫帶大陸性季風氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。中國科學院海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站1965—2010年氣象數據顯示,年均降水量為543 mm,降雨集中于6—9月。年均氣溫為1.5 ℃,平均最低氣溫(-21.8 ℃)和最高氣溫(21.7 ℃)分別在1月和7月。研究區為黑土區典型漫川漫崗地貌,坡緩坡長(坡度 < 7°,坡長200~ 1 000 m)。土壤類型為典型黑土,土壤質地為黏壤土,其表層(0~20 cm)黏粒含量為35%~45%,有機質含量為42.1 g·kg-1 [19],母質為黃土狀亞黏土,泥頁巖為第四紀河湖相沉積物[20]。

圖 1 研究區地理位置 Figure 1 The geographical location of the study area

研究區域原生植被主要為草地和零散分布的落葉林。19世紀90年代后期坡上開始零散開墾耕地,為更好獲取光照,采取南北向順坡壟,這在一定程度上加速了土壤侵蝕。新中國成立后,快速增長的人口對耕地需求增加,至1955年,研究區絕大部分坡上已被開墾為耕地,到1982年前后所有原始林地被開荒殆盡[21]。研究表明,黑土侵蝕溝主要形成于大規模開墾耕地的20世紀五六十年代,1968—2018年,研究區侵蝕溝密度增加1倍(1.2~2.3 km·km-2),侵蝕溝規模增大且更加復雜[7]。

1.2 數據與處理

本研究基于2018年4月衛星影像(地面分辨率0.3 m)和1982年等高線地形圖(比例尺1∶10 000,等高距1 m)。等高線地形圖數據來自黑龍江省測繪地理信息局,在前期使用時已完成拼接和裁剪[21]。衛星影像數據來源于谷歌Digital Globe公司,已完成正射校正。通過高精度控制點對兩期影像進行幾何糾正和地理配準,在ArcGIS環境中轉換成WGS_ 1984_UTM投影。根據野外實測結果更新檢驗解譯結果。

1.3 研究方法

本研究采用遙感目視解譯、地貌學野外詳查結合統計分析的方法,量化黑土區小流域地形地貌特征、高差、坡度、地表徑流和土地利用等對溝道侵蝕發育的影響。

1.3.1 目視解譯

本研究基于2018年遙感影像,通過目視解譯獲取2018年溝道、機耕道等線狀分布特征。主要沿溝底中心線繪制,復雜溝道系統中單條溝道獨立計數,并單獨測量長度。切溝的辨認標準為遙感影像上有線狀斑駁、顏色表現為略白,伴隨溝底處有沉積區、顏色表現為偏深或黑色、形狀多扇形。研究區土地利用主要以耕地、林地和村級居民點為主,其中耕地約占研究區總面積85% 以上。本研究中土地利用類型主要提取林地,基于2018年遙感影像目視解譯、人工判讀和繪制林地輪廓,在ArcGIS中計算各匯水區的林地面積。

1.3.2 地貌學分析

基于1982年等高線地形圖在ArcGIS中劃分基本匯水區范圍,沿等高線彎曲方向,繪制出各個匯水區之間的分水線。通過遙感影像解譯、地形圖分析、野外詳查,獲取小流域特征、溝道特征和驅動因素,量化流域尺度貢獻溝道發育的主控因素。每個匯水區的變量組包括,①侵蝕溝道形態組: 總溝長、主溝長、溝面積和溝密度;②匯水區特征組: 匯水區面積、周長和最長距離;③高差和坡度組(地貌特征): 匯水區高差、主溝高差、匯水區平均坡度和主溝平均坡度;④土地利用組: 匯水區林地面積,其中切溝特征為y變量,數據收集和處理方法見表 1。

表 1 研究區內匯水區特征指標及其收集方法 Table 1 Sub-catchment properties defined based on digital elevation model and ArcGIS

本研究結合目視解譯和等高線圖地形地貌分析,獲取侵蝕溝道分布、發育過程及其驅動因素的關系,把等高線與侵蝕溝道交匯情況歸類(圖 2)。①等高線向高值方向凸出,地形上體現為凹形坡,集中匯聚水流對應深度5 m以上的侵蝕溝;②等高線向低值方向凸出,地形上體現為凸形坡,一般是高地,水流分散。同時,根據野外詳查經驗,將影響溝道發育因素分為6類: ①管流,主要地下徑流匯聚;②地表徑流主要驅動,明顯匯聚地形下的侵蝕溝,歸為地表徑流;③地表徑流主要驅動,結合機耕道影響,如機耕道位于溝道匯水線附近,本研究認為其有可能對地表徑流驅動的溝道發育有影響,則歸為地表徑流(機耕道);④機耕道明顯引起溝道發育,溝頭連接機耕道,經過野外確認,歸為機耕道;⑤機耕道作為主要原因引起地表徑流,如平行坡情況,溝道發育不受匯聚水流影響,但明顯受到機耕道的影響,或者溝頭連接機耕道,歸為機耕道(地表徑流);⑥不確定因素,如不是以上5種情況,歸為不確定的其他因素。最后,將特征信息加入ArcGIS屬性表中進行下一步分析。

圖 2 侵蝕溝道發育方向與等高線的曲面情況 Figure 2 Classification of gully sections and main gully using the contour line
1.3.3 野外詳查

結合2017年6月、8月的典型侵蝕溝道野外調查結果,于2018年4月10—18日對研究區264條侵蝕溝道、機耕道、林地等進行實地確認和野外詳查(圖 3)。因調查時積雪已融化,春播尚未開始,無農作物和積雪覆蓋影響,因此詳查以地形圖解析的小流域單元展開,主要內容包括溝道是否存在、位置、實際數量、長度、活躍類型等。具體流程: ①攜帶彩色打印的衛星影像、侵蝕溝道分布圖、谷歌底圖、地形圖等逐條走訪,完成“侵蝕溝道調查數據表”;②攜帶手持GPS從溝頭向溝尾測量整條溝長,并在溝頭、溝尾處定點測量,完善數據表;③區分活躍期和非活躍期侵蝕溝道,依據溝頭、溝壁和溝底植被覆蓋程度,溝頭是否有裂隙和崩塌,溝頭上方是否有匯水痕跡,及溝底是否有短期流水(積雪融水,降水)痕跡,滿足四條中的兩條,即可判斷為活躍溝道[22];④重點調查林地內侵蝕溝道是否存在、活躍程度和長度等。

圖 3 黑土典型切溝侵蝕 Figure 3 Typical gullies in the Mollisol region
1.3.4 數據統計分析

采用Excel 2010進行數據處理,用SPSS 25.0進行Pearson相關性分析、多元線性回歸分析和方差分解分析。用Origin 2020b繪制侵蝕溝道與匯水區特征相關性矩陣圖、等高線與切溝驅動因素的相關性熱圖。利用R studio和Inkscape繪制切溝與匯水區特征方差分析圖。

2 結果與分析 2.1 匯水區特征對切溝分布的影響

研究區域總面積23.73 km2,2018年林地面積217.1 hm2,占研究區面積的9.1%。區域共有切溝264條,切溝總長度為52.1 km,其中活躍切溝的長度為41.8 km,占總長度的80.2%。林地中活躍溝長約19.3 km,占活躍切溝總長度的46.2%。研究區分為19個匯水區,具體侵蝕溝道形態和匯水區特征見表 2。不同匯水區特征差異較大,平均面積為1.25 km2,變化范圍為0.06~4.33 km2;平均最大坡長為1.43 km,平均坡度為3.6°,平均高差為44.0 m。匯水區內的切溝平均總長度2.74 km,平均主溝長0.96 km,平均溝面積3.06 hm2,平均溝密度2.69 km·km-2,變化范圍為0.99~ 6.68 km·km-2。

表 2 研究區19個匯水區及切溝特征 Table 2 Properties of the sub-catchment and the total gullies in the study area

對19個匯水區的切溝特征與匯水區地形、高差、坡度等進行相關性分析(圖 4),結果表明,切溝總溝長、主溝長、溝面積與匯水區面積、周長、最長距離均呈顯著正相關,即匯水面積、周長和坡長越大,切溝長度和面積越大。切溝特征與匯水區高差無顯著相關性??倻祥L、主溝長、溝面積與匯水區坡度、林地面積占比均呈顯著負相關。匯水區坡度在1.3°~7.9°之間變化,坡度越小,切溝長度和面積越大,緩坡促進匯水,使得切溝規模較大。此外,溝密度與主溝高差、坡度呈顯著正相關,切溝主溝高差在9.4~44.9 m之間變化,主溝平均坡度在0.7°~11.2°之間變化,主溝高差和坡度越大,切溝越密集。

圖 4 切溝侵蝕特征與匯水區特征的相關性矩陣 Figure 4 Correlation matrix between the gully networks and sub-catchment properties
2.2 匯水區地形特征對切溝特征的影響

通過多元線性回歸分析方法,獲取匯水區內的切溝總溝長、主溝長、溝面積、溝密度與匯水區相關顯著變量之間的回歸方程(表 3),探究影響切溝特征的主要原因。結果表明,總溝長、主溝長、溝面積與匯水區特征密切相關(R2分別為0.928、0.965和0.929,P < 0.001),溝密度主要與匯水區高差、坡度相關(R2為0.443,P < 0.05)。其中,匯水區最長距離對總溝長、主溝長和溝面積具有顯著的正向影響。最長距離為分水嶺最遠點和匯水區的出水口點的距離,即最大坡長,平均值為1.43 km,變化范圍為0.30~3.19 km。

表 3 多元線性回歸方程 Table 3 Multiple linear regression equation

通過對匯水區特征進行方差分解分析,獲取各變量組對切溝特征的貢獻率(圖 5)。匯水區特征變量組分別解釋了總溝長、主溝長和溝面積的88.2%、95.0%和88.3%,模擬效果較好。其中,匯水區特征組(面積、周長和最長距離)對總溝長和主溝長的貢獻率分別為32.9%和42.0%,即匯水面積、坡長對切溝長度的影響顯著。土地利用(林地面積占比)對總溝長、主溝長和溝面積的貢獻率較小,分別為0.2%、2.0% 和0.6%。

匯水區特征組包括匯水區面積、周長、最大距離;匯水區高差與坡度組包括主溝高差、匯水區平均坡度、主溝平均坡度;土地利用組為林地面積占比 The sub-catchment properties include sub-catchment area, perimeter and maximum length; The height and slope include height difference of main gullies, average slope gradient of sub-catchment, average slope gradient of main gullies; The land use represents the proportion of forest area 圖 5 匯水區變量組對總溝長(a)、主溝長(b)、溝面積(c)的貢獻率 Figure 5 Contribution rates of variable category of sub-catchment on total length of gullies(a), length of main gully(b)and gully area(c)
2.3 地表徑流、機耕道對切溝分布的影響

結合切溝分布與等高線交匯劃分的3類情況(匯聚的凹形坡、平行坡和分散的凸形坡)與地表徑流的6種情況,獲得切溝侵蝕驅動因素熱圖(圖 6),再結合研究區機耕道和切溝的空間分布圖(圖 7),結果表明,發育在匯聚凹形坡的切溝長度占總長度的68.1%(深度 < 5 m的坡谷30.7%,深度>5 m的谷地37.4%),平行坡占30.3%,分散地形占1.6%。地表徑流驅動是導致研究區內切溝發育的最主要因素(長度占總長的63.0%)。除地表徑流外,機耕道為目前亟需關注的驅動因素,黑土切溝多伴生于農田道路一側。研究區與機耕道有關的切溝長度占總長度的23.3%,其中位于農田道路旁切溝有11.8%,可能受機耕道影響的切溝有11.5%。在凹形坡谷(深度 < 5 m),地表徑流是最顯著的影響因素(20.4%),機耕道只占5.0%;在凹形谷地(深度>5 m),除地表徑流(27.5%)外,機耕道占9.8%。此外,在平行坡面上,地表徑流的影響占15.1%,機耕道的影響占7.4%。

數字為切溝長度和占研究區切溝總長度的比例 The number refer to gully length and the percentage of total gully length in the study area 圖 6 等高線的曲面情況與切溝侵蝕驅動因素熱圖 Figure 6 Heatmap of orientation, curvature types and driving factors in total gully length
圖 7 2018年研究區切溝與道路的空間分布圖 Figure 7 Gully and tractor road distribution in the study area in 2018
3 討論

目前東北黑土區切溝侵蝕唯一權威數據為全國第一次水利普查的侵蝕溝專項調查公告(2013年),基于2.5 m分辨率遙感影像和野外核查的結果顯示,東北黑土區有大于100 m的侵蝕溝29萬余條。有研究指出實際數量比公告數量高1倍,即實際侵蝕溝數量約60萬條[2]。究其原因,一是遙感解譯難以將林下或林邊溝道提取出來;二是2.5 m分辨率的遙感影像難以將伴隨道路的切溝全部解譯[2]。本研究目視解譯結合野外詳查結果表明,林下活躍切溝占切溝總長的46.2%,機耕道旁切溝占總溝長的10%左右。

研究區林地面積占總面積9.1%,林地中活躍切溝長度占活躍切溝總長的46.2%,同時,林地面積與溝長度、溝密度和溝面積呈顯著負相關,但貢獻率小于2%。與研究區切溝長期發育特征相比,1968— 2018年切溝密度增加了1倍,林地面積增加7%[7]。然而,光榮村農田道路變化是切溝密度提高的最主要原因。大量研究表明,退耕還林還草通過增加入滲、減少地表徑流、增加土壤抗蝕能力等作用防治土壤侵蝕,且在一定程度上穩定了活躍切溝[23]。然而,增加造林還草面積并不能從根本上解決切溝侵蝕問題。一方面,研究區林地主要分布在沿海倫河的坡度陡降區域,該區域在20世紀60年代和90年代修建農業梯田,退耕還林還草。已有研究表明海倫市光榮村可見廢置的農業梯田或林地下有活躍切溝發育[12]。農業梯田廢置后疏于定期檢查與維護,導致梯田面有傾斜坡度或梯田梗缺失,進而改變匯水線或增大匯水面積,這是林地下活躍切溝發育的主要原因。另一方面,小流域地形起伏,加之切溝形態復雜,造林時很少依據流域景觀格局進行科學設計,使植樹初期地表覆蓋率低,不能很好地截留水源。黑土侵蝕溝綜合治理仍然缺乏針對切溝的長期定位研究數據。

本研究的匯水區平均面積為1.25 km2,平均最大坡長為1.43 km,平均坡度為3.6°,屬于典型黑土漫川漫崗坡耕地地貌。切溝長度主要受到匯水面積和坡長的影響,其中坡長影響更大,而切溝密度主要受到主溝高差和坡度的影響(圖 8)。一般來說,匯水區面積和坡度越長,區內切溝的總長度越大。以往研究表明流域/匯水區面積是影響切溝規模和發育規律的重要因素[8]。地形地貌特征是地表徑流過程的主要影響因素,切溝發生發育主要由坡面的水文動力過程控制[9-12]。本研究發現,對于3 hm2左右的匯水區,匯流面積和長緩坡仍然是未來侵蝕溝治理需要考慮的主要因素。因此,小流域綜合治理侵蝕溝必須考慮攔截長坡,減少長坡導致的地表徑流匯聚,特別是配套排水系統的設計和建設。

圖 8 黑土區小流域溝道形成和發育示意圖 Figure 8 Gully initiation and development in the catchment scale of Mollisol region

研究區內在匯聚凹形坡下受地表徑流主要影響的溝長度占總長的63.0%,受農田機耕道影響的切溝長度占23.3%。丁超等[24]對東北典型黑土區1 049條切溝進行遙感解譯和實地詳查,結果顯示耕地切溝占55%,路邊切溝占34%,林地切溝占10%。研究區的農田機耕道多位于地塊邊緣,多為土路。農用拖拉機等碾壓后形成車轍,成為暴雨后的水流通道。同時,農田道路地表被機械壓實,研究表明重力機械的壓實土壤容重可達1.4 Mg·m-3,孔隙度大幅降低[25-26]。加之黑土黏重,黏粒含量可達40%,導致入滲速率低至2.5′10-5 m·s-1,直接阻礙春季融雪徑流和夏季降雨徑流入滲[17, 27-28]。農田道路硬化后匯集地表徑流,加速溝頭形成并溯源上行,溝道向下深切,溝壁崩塌增寬。

本研究以東北黑土區海倫市光榮村內264條切溝為研究對象,基于高分辨率遙感影像和數字高程模型,結合實地詳查,分析切溝分布、長度、密度等與地形特征、機耕道等的關系。黑土區切溝長度約100~ 1 500 m,寬度約10~20 m,深度約5~15 m,受云霧、種植作物以及樹木的影響,基于高分辨率遙感影像繪制切溝存在一定的誤差。此外,本研究基于遙感目視解譯結合地貌學方法,將切溝分布與等高線的關系劃分為3類: 匯聚的凹形坡(切溝深度>5 m和 < 5 m)、平行坡和分散的凸形坡。同時,結合地形和土地利用類型,人工判讀影響切溝發育的6類因素,包括匯聚地形下地表徑流匯集以及機耕道等?;谇叭搜芯拷Y果,為保證結果的準確性,切溝的判讀和繪制需要熟悉研究區域和野外切溝調查經驗豐富的人員進行,同時,必須結合野外詳細的逐條切溝測量,進而確認切溝位置和長度等特征[7, 12, 29]。

本研究結合以往研究成果,提出以下建議:

(1)將農田道路周邊大型活躍切溝防控作為黑土保護的重中之重。黑土地區坡耕地土壤侵蝕和大型活躍切溝必須協同治理,才能更好地發揮作用。切溝預防的關鍵措施在于建設農田道路配套排水管道,為此,需要加快制定黑土區侵蝕溝治理技術標準,特別是黑土坡耕地農田道路合理布局和強制性配套排水系統的建設規范。

(2)增加林木種植密度、控制坡面壩埂截水面積可增強水分就地入滲,減少因地表局部匯流而形成切溝。造林保持水土應該考慮山水林田湖草綜合因素,結合小流域設計進行綜合治理,合理布局林草地、耕地和機耕道。同時,建議增修垂直于梯田埂的截留土壩,以攔截徑流,增加入滲;對于已經還林的農業梯田,應該給予更多關注,重點是要定期檢查和維護。

(3)把黑土區切溝發生高風險區域作為黑土地保護工程重點區域。根據地形和地質條件確定切溝發生高風險區域,優先納入黑土地保護工程實施范圍。在黑土區切溝發生高風險區域加大農田道路排水系統配套建設和高標準侵蝕溝整治試驗示范力度,為大面積推廣侵蝕溝治理技術打好基礎。

4 結論

(1)黑土區海倫市小流域匯聚地形下,水力主導切溝溝頭沿著坡面匯流向坡上溯源增加切溝長度,地表徑流直接影響的切溝長度占總長的63.0%。匯水區面積和坡長是影響切溝長度的最主要因素,其中坡長影響最大,而主溝坡度和高差是影響溝密度的顯著因素。

(2)黑土區林地下活躍切溝不容忽視,2018年研究區林地面積217.1 hm2,占研究區總面積的9.1%,林地活躍溝長達19.3 km,占活躍切溝總長的46.2%。對于坡度較陡的匯水區,林木多分布在切溝兩側,密度不足,壟作導流,使得林地內也會出現地表徑流匯集,形成切溝侵蝕的退化地貌。

(3)目前,機耕道是黑土切溝不可忽視的影響因素。黑土切溝多伴生于農田道路一側,研究區農田道路旁切溝長度占其總長的23.3%。農田道路的地表硬化后匯集地表徑流,加速溝頭形成并溯源上行,溝道向下深切,溝壁崩塌增寬。切溝侵蝕導致耕地破碎,農田道路切斷或被迫移位,不僅損毀耕地,而且阻礙現代農業的發展。侵蝕溝綜合治理必須考慮小流域景觀布局和山水林田湖草綜合治理,合理布設農田道路。

參考文獻
[1]
水利部, 中國科學院, 中國工程院. 中國水土流失防治與生態安全: 東北黑土區卷[M]. 北京: 科學出版社, 2010: 254-269.
Ministry of Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Engineering. Soil erosion prevention and ecological security in China: The black soil region in northeast China[M]. Beijing: Science Press, 2010: 254-269.
[2]
張興義, 劉曉冰. 東北黑土區溝道侵蝕現狀及其防治對策[J]. 農業工程學報, 2021, 37(3): 320-326.
ZHANG X Y, LIU X B. Current scenario of gully erosion and its control strategy in Mollisols areas of northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2021, 37(3): 320-326.
[3]
鄭粉莉, 張加瓊, 劉剛, 等. 東北黑土區坡耕地土壤侵蝕特征與多營力復合侵蝕的研究重點[J]. 水土保持通報, 2019, 39(4): 314-319.
ZHENG F L, ZHANG J Q, LIU G, et al. Characteristics of soil erosion on sloping farmlands and key fields for studying compound soil erosion caused by multi-forces in Mollisol region of northeast China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2019, 39(4): 314-319.
[4]
MORGAN R P C. Soil erosion and conservation[M]. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005.
[5]
RUIZ-COLMENERO M, Bienes R, Eldridge D J, et al. Vegetation cover reduces erosion and enhances soil organic carbon in a vineyard in the central Spain[J]. Catena, 2013, 104: 153-160. DOI:10.1016/j.catena.2012.11.007
[6]
張科利, 劉宏遠. 東北黑土區凍融侵蝕研究進展與展望[J]. 中國水土保持科學, 2018, 16(1): 17-24.
ZHANG K L, LIU H Y. Research progresses and prospects on freeze-thaw erosion in the black soil region of northeast China[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2018, 16(1): 17-24.
[7]
WEN Y, KASIELKE T, LI H, et al. A case study on history and rates of gully erosion in northeast China[J]. Land Degradation and Development, 2021, 32: 4254-4266. DOI:10.1002/ldr.4031
[8]
POESEN J, NACHTERGAELE J, VERSTRAETEN G, et al. Gully erosion and environmental change: Importance and research needs[J]. Catena, 2003, 50(2/3/4): 91-133.
[9]
CASTILLO C, GOMEZ J. A century of gully erosion research: Urgency, complexity and study approaches[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 160: 300-319. DOI:10.1016/j.earscirev.2016.07.009
[10]
張光輝. 切溝侵蝕研究進展與展望[J]. 水土保持學報, 2020, 34(5): 1-13.
ZHANG G H. Advances and prospects for gully erosion researches[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(5): 1-13.
[11]
WU Y, ZHENG Q, ZHANG Y, et al. Development of gullies and sediment production in the black soil region of northeastern China[J]. Geomorphology, 2008, 101(4): 683-691. DOI:10.1016/j.geomorph.2008.03.008
[12]
WEN Y, KASIELKE T, LI H, et al. May agricultural terraces induce gully erosion? A case study from the black soil region of northeast China[J]. Science of the Total Environment, 2021, 750: 141715. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.141715
[13]
XU Y F, LI S H, YOU H K, et al. Retrieval of canopy gap fraction from terrestrial laser scanning data based on the Monte Carlo method[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2021, 99: 1-5.
[14]
YOU H K, LI S H, Xu Y F, et al. Tree extraction from airborne laser scanning data in urban areas[J]. Remote Sensing, 2021, 13(17): 3428. DOI:10.3390/rs13173428
[15]
許曉鴻, 崔斌, 張瑜, 等. 吉林省侵蝕溝分布與環境要素的關系[J]. 水土保持通報, 2017, 37(3): 93-96.
XU X H, CUI B, ZHANG Y, et al. Relationship between distributions of erosion gully and environmental factors in Jilin Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017, 37(3): 93-96.
[16]
WANG D, FAN H, FAN X. Distributions of recent gullies on hillslopes with different slopes and aspects in the black soil region of northeast China[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2017, 189(10): 508.
[17]
許曉鴻, 隋媛媛, 張瑜, 等. 東北丘陵區溝蝕發展現狀及影響因素分析[J]. 土壤學報, 2014, 51(4): 699-708.
XU X H, SUI Y Y, ZHANG Y, et al. Development of gully erosion and its influences factors in hilly regions China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(4): 699-708.
[18]
顧廣賀, 王巖松, 鐘云飛, 等. 東北漫川漫崗區侵蝕溝發育特征研究[J]. 水土保持通報, 2015, 35(2): 47-51.
GU G H, WANG Y S, ZHONG Y F, et al. Development characteristics of gullies in rolling hilly regions in northeast of China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(2): 47-51.
[19]
SUI Y Y, JIAO X G, CHEN W T, et al. Labile organic matter content and distribution as affected by six-year soil amendments to eroded Chinese Mollisols[J]. Chinese Geographical Science, 2013, 23(6): 692-699. DOI:10.1007/s11769-013-0639-0
[20]
SUN J, LIU T. Desertification in the northeastern China[J]. Quaternary Sciences, 2001, 21(1): 72-78.
[21]
LI H, CRUSE R M, LIU X, et al. Effects of topography and land use change on gully development in typical Mollisol region of northeast China[J]. Chinese Geographical Science, 2016, 26(6): 779-788. DOI:10.1007/s11769-016-0837-7
[22]
POESEN J. Challenges in gully erosion research[J]. Landform Analysis, 2011, 17: 5-9.
[23]
YAN Y, ZHANG X, LIU J, et al. The effectiveness of selected vegetation communities in regulating runoff and soil loss of regraded gully banks in the Mollisol region of northeast China[J]. Land Degradation & Development, 2021, 32: 2116-2129.
[24]
丁超, 胡偉, 嚴月, 等. 中國東北漫川漫崗典型黑土區溝道侵蝕特征[J]. 水土保持通報, 2020, 40(5): 72-78.
DING C, HU W, YAN Y, et al. Gully characteristics based on observations in typical rollinghill Mollisol region of northeast China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020, 40(5): 72-78.
[25]
CHEN X, LIANG A, JIA S, et al. Impact of tillage on physical characteristics in a Mollisol of northeast China[J]. Plant, Soil and Environment, 2014, 60: 309-313. DOI:10.17221/245/2014-PSE
[26]
JIANG H, HAN X, ZOU W, et al. Seasonal and long-term changes in soil physical properties and organic carbon fractions as affected by manure application rates in the Mollisol region of northeast China[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2018, 268: 133-143.
[27]
QIAO Y, MIAO S, LI N, et al. Crop species affect soil organic carbon turnover in soil profile and among aggregate sizes in a Mollisol as estimated from natural 13C abundance[J]. Plant and Soil, 2015, 392: 163-172. DOI:10.1007/s11104-015-2414-8
[28]
王計磊, 李子忠. 東北黑土區水力侵蝕研究進展[J]. 農業資源與環境學報, 2018, 35(5): 389-397.
WANG J L, LI Z Z. Research progress on water erosion in the black soil region of northeast China[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2018, 35(5): 389-397.
[29]
WANG R H, ZHANG S W, PU L M, et al. Gully erosion mapping and monitoring at multiple scales based on multi-source remote sensing data of the Sancha River catchment, northeast China[J]. ISPRS International Journal of Geo-Information, 2016, 5(11): 200. DOI:10.3390/ijgi5110200