东北典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及地形分异规律

王 文 娟，邓 荣 鑫，张 树 文

东北典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及地形分异规律

王 文 娟1，邓 荣 鑫2，张 树 文3

（1.河南财经政法大学资源与环境科学系，河南 郑州 450002;2.华北水利水电学院资源与环境学院，河南 郑州 450011;3.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130012）

以SPOT5和Corona影像为基础数据源，获取了东北典型黑土区1965年和2005年的侵蚀沟分布数据，生成了侵蚀沟密度空间分布图;基于1∶5万地形图，插值求取DEM，提取了地形因子;最后，在GIS空间分析模块支持下，分析典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及其地形分异规律。结果表明，经过40年的开发，研究区侵蚀沟密度剧增，且各等级侵蚀沟密度都出现向更高一级发展的趋势，呈现出以北西南东向为轴心，从沟蚀剧烈增加区到微度增加区变化特征;沟蚀在垂直方向上具有层状分布规律，在海拔250～275 m高度出现密度最大值，说明岗坡地带是黑土区沟蚀易发区;坡度分异表明黑土区侵蚀沟出现向高坡度发展趋势;各坡向上侵蚀沟密度和动态发展状况表明，在东北典型黑土区坡向不是影响侵蚀沟发育的首要因子。

沟蚀;侵蚀沟密度;空间格局;东北典型黑土区

土壤侵蚀是导致大范围土地退化的主要因素，全球80%以上的土地退化是由土壤侵蚀引起［1］。东北黑土区是我国主要的商品粮基地，但目前土壤侵蚀不仅造成该区土层变薄、地力减退、沟壑增多、耕地减少，还加剧了水、旱自然灾害发生的频率，该区逐渐丧失作为商品粮基地的“黑土”基础，水土流失问题已成为制约当地社会、经济发展的瓶颈因素，对国家的粮食安全构成了严重威胁［2，3］。

沟蚀已成为当前黑土区土壤侵蚀研究的热点，但与黄土高原相比，黑土区沟蚀研究起步较晚，研究基础相对薄弱。近期国内虽有学者采用差分GPS技术对黑土区的切沟侵蚀进行了监测，但研究的空间尺度通常较小（针对一条或几条侵蚀沟），时间尺度一般为3～5 a［4－8］，对于较大时空尺度上沟蚀的空间分布格局及变化规律等问题研究较少。本文以东北典型黑土区作为研究区，在遥感和GIS技术的支持下，采用高分辨率卫星遥感影像Corona和SPOT5，对该区40年来沟蚀的空间分布格局变化及地形分异规律进行分析，探讨黑土区的沟蚀分布规律，为侵蚀沟治理和农业可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与数据获取

研究区位于黑龙江省中部，主要由乌裕尔河和讷谟尔河两流域所涉及的东北典型黑土区构成，总面积约2.3万km2，北起五大连池市，南止明水，东起北安市，西止富裕，位于小兴安岭西南麓，松嫩平原东北缘，是低山向平原的过渡地带，属东北漫川漫岗典型黑土区。研究区大部分土壤为典型黑土，草甸土、沼泽土主要分布在该区低洼湿地平原区。研究区海拔高程为150～600 m，其中东北部地势起伏较大，属丘陵区;西南部为波状起伏平原。该区属大陆性季风气候，寒暑变化明显，年均气温0.2～1.5℃，年降水量550～600 mm（集中在7、8、9月），年均径流深75 mm左右。区内主要河流有乌裕尔河、讷谟尔河、双阳河、老莱河和润津河等，植被具有森林和草甸草原或草原化草甸相互交错分布的特点，属于蒙古植物分布区。

以12景分辨率为2.5 m的模拟真彩色SPOT5影像为基础数据源获取2005年侵蚀沟数据。首先根据侵蚀沟影像光谱特征在室内进行预判;针对问题，分别于2008年和2009年共进行了20 d侵蚀相关信息的野外调查，结合侵蚀沟发育与分类理论，借助专家经验，建立了侵蚀沟解译标志;以ArcGIS软件为平台，参考专家知识以及研究区1990年地形图和其他资料，进行人机交互判读解译，初步获取了2005年侵蚀沟数据;并于2009年进行了6 d的侵蚀沟野外验证与补判工作，重新修正数据，获得研究区2005年侵蚀沟分布数据，侵蚀沟解译精度高于90%。

以21景20世纪60年代的Corona黑白影像（地面最佳解析度为2.75 m）为基础数据源，以SPOT5精纠正影像为参考图像对其进行精校正，在ArcGIS平台上，结合影像纹理、大小、布局等地物特征，参考2005年侵蚀沟解译数据、50年代地形图及野外调查资料，获取了1965年的侵蚀沟分布数据。对1990年汇编的1∶5万地形图进行数字化，获取等高线和高程点，然后采用TOPGRID算法建立5＊5 m的DEM，据此提取高程、坡度和坡向因子。

2 沟蚀空间格局变化分析

本研究采用侵蚀沟密度（以单位面积上的侵蚀沟总长度度量）作为侵蚀动态分析的指标，它反映地表的破碎程度和土壤侵蚀的剧烈程度［9］。采用格网插值的思想，对研究区建立10 km网格，求取各网格内沟蚀密度，然后进行Kriging空间插值，可得侵蚀沟密度空间分布图，并对其进行分级（图1）。从图1可知，1965年研究区侵蚀沟密度为0～379.17 m/km2，而2005年增至0～1 150.7 m/km2，可见，典型黑土区经过40年的开发，侵蚀沟密度剧增。1965年该区侵蚀沟密度低于400 m/km2，且密度低于200 m/km2的区域占该区面积的96.3%;而到2005年侵蚀沟密度高于400 m/km2的地区总面积为7 357.99 km2，约占该区总面积的31.43%，而密度低于200 m/km2的区域降到45.66%。从图1还发现，1965—2005年，各等级侵蚀沟密度都出现向更高一级发展的趋势，同时侵蚀重点区也由克东县周围区域发展至克东、拜泉与克山、嫩江沿线区域，说明该区40年来沟蚀明显增加，水土流失不容忽视。

为更好的分析侵蚀沟时空动态特征，在图1基础上生成侵蚀沟密度变化分布图（图2）。按侵蚀沟密度变化值＜50 m/km2、50～150 m/km2、150～300 m/km2、300～450 m/km2、450～600 m/km2、＞600 m/km2将研究区沟蚀密度变化分为微度增加区、轻度增加区、中度增加区、强度增加区、极强度增加区和剧烈增加区（表1，图2）。

表1 侵蚀变化分区统计Table 1 Erosion change in different zone

由图2和表1可以得出，研究区40年来沟蚀发展具有明显的区域特征，以北西南东向为轴线，即以克东、克山和嫩江县内的剧烈增加区为核心，逐渐过渡到微度增加区，其等级特征呈现出向两侧递减的趋势;出现该种状况的主要原因是该轴线方向坡度较大，1965年大部分地区是林地覆盖的低山，而经过40年过度开垦，这些高坡度区域失去植被保护，又无相应的水保措施，导致侵蚀恶化，侵蚀沟急剧增加。另外，研究区40年来侵蚀沟密度出现明显的升高趋势，微度增加区仅占该区面积的22.60%，且主要分布在东北角的五大连池和北安县内，主要是由于这些地区具有良好的林地覆盖，可抑制侵蚀。具有极大发展潜力的轻度和中度增加区的面积高达44.45%，这些区域如不采取有效的侵蚀防治措施，极有可能成为未来沟蚀的剧烈区;而强度增加区以上的区域面积占该区32.95%，且强度增加区、极强度增加区和剧烈增加区3个区域99.8%的地区侵蚀沟密度的增加值都高于1965年的沟蚀最高值（379.17 m/km2），这说明研究区的侵蚀沟出现成倍增加的趋势。

3 沟蚀的地形分异规律

3.1 沟蚀的垂直分异特征

根据插值获取的DEM数据，按25 m海拔间距将研究区分成＜200 m，200～225 m，225～250 m，……，325～350 m和＞350 m共8个海拔段，分析典型黑土区沟蚀的垂直分异特征（图3）。从图3可以发现，1965年和2005年侵蚀沟密度的垂直分布曲线大致相同，都是随着海拔高度的增加呈先增大后减小的趋势，二者都在海拔250～275 m出现最大值，分别为81.49 m/km2和387.67 m/km2，这说明在海拔250～275 m黑土区沟蚀最易发生，该高度可以作为沟蚀发生强弱的转折点。研究区沟蚀在垂直方向上具有层状分布规律，主要反映在海拔较低的地貌类型（如河谷平原、积水洼地），以现代淤积为主;海拔较高的台地丘陵，坡度平缓，汇流面积小，无明显侵蚀发生;而介于二者之间的岗坡地带，是水土流失发生与分布的主要层面。进一步分析可知，1965年海拔高于275 m的地区沟蚀状况小于海拔250 m以下的区域，而到2005年，在250～275 m两侧的沟蚀密度基本呈现对称状况，这说明到2005年，对高海拔、不宜耕种的地区也进行了开发，使得植被遭到破坏，同时没有良好的水保措施，导致沟蚀加剧。

图3 研究区侵蚀沟密度垂直分布Fig.3 Vertical distribution curve of gully density

3.2 沟蚀的坡度分异特征

东北黑土区一般为起伏和缓的川岗地形，大于12°的坡地极少，将研究区分成＜1.5°、1.5°～3°、3°～5°、5°～8°、8°～15°和＞15°6个坡度带，分别计算不同坡度带上两个时期的侵蚀沟密度值和1965－2005年侵蚀沟密度变化值（图4）。从图4发现，在1965年和2005年，侵蚀沟密度在不同坡度上都呈现抛物线变化形式，1965年沟蚀密度从＜1.5°坡度的52.17 m/km2升到1.5°～3°的59.26 m/km2，然后降到＞15°的6.2 m/km2;2005年沟蚀密度从＜1.5°的266.72 m/km2升到3°～5°的364.09 m/km2，然后降到＞15°的68.51m/km2。1965年侵蚀沟密度最大值出现在1.5°～3°坡，而到2005年侵蚀沟密度最大值出现在3°～5°坡，40年的开发使得黑土区侵蚀沟出现向高坡度发展趋势，沟头溯源侵蚀剧烈。另外发现，两个时期＞8°的坡都不是沟蚀最严重的区域，说明对于＞8°的坡面，坡度大小已经不是侵蚀沟形成的主要因素，主要原因是当坡度较大时，侵蚀沟形成所需的坡长和汇水面积等因子较小，不利于其发育。

图4 研究区侵蚀沟密度与坡度的关系Fig.4 Relationship between gully density and slope

从图4还发现，3°～5°坡是侵蚀沟密度变化最大值处，到2005年增加了305.25 m/km2，除＞15°坡任何坡度等级的侵蚀沟密度变化几乎都大于200 m/km2，原本沟蚀较弱的5°以上坡度带，2005年沟蚀状况也较严重;各坡度等级上侵蚀沟密度40年的变化量远高于1965年研究区的侵蚀沟密度值，这说明研究区高坡度植被遭到破坏，促使沟蚀加剧，进一步映射出40年来陡坡要粮这一人地矛盾加剧。

3.3 沟蚀的坡向分异特征

黄土高原地区由于坡向不同，汛期暴雨风向、降雨侵蚀力、土壤水分、植被生长条件存在差异，使黄土丘陵沟壑区沟谷侵蚀演化在不同坡向上存在明显的不对称性［10］。本文将研究区坡向分成北、东北、东、东南、南、西南、西和西北8个坡向，分析不同坡向上侵蚀沟的动态变化，探讨黑土区坡向对于沟谷演化的影响（图5）。从图5发现，1965年和2005年侵蚀沟密度值分别为49.50～59.17 m/km2、270.07～317.64 m/km2，说明不同坡向上沟蚀发育情况差别不大;另外，两个时期东北坡的侵蚀沟密度稍微偏大，主要是由于东北坡的坡度稍高于其他坡向的坡度。而从侵蚀沟密度动态变化看，40年来侵蚀沟密度变化值（220.56～258.47 m/km2）不太大，且基本上保持了各方向沟蚀密度变化的一致性。从以上分析可以得出，东北典型黑土区漫川漫岗的地形特点，使得该区不存在黄土高原区由坡向差异带来的降雨不同以及由太阳辐射不同带来的植被生长差异等引起的侵蚀沟发育演化的不同，坡向在东北典型黑土区不是影响沟蚀发育的首要因子。

图5 研究区侵蚀沟密度与坡向关系Fig.5 Relationship between gully density and aspect

4 结论与讨论

（1）典型黑土区经过40年的开发，侵蚀沟密度剧增，各等级侵蚀沟密度都出现向更高一级发展的趋势，同时侵蚀重点区范围明显扩大;40年来沟蚀发展呈现以北西南东向为轴线，即以克东、克山、嫩江县内的剧烈增加区为核心，向两侧递减、逐渐过渡到微度增加区的区域特征，沟蚀防治迫在眉睫。

（2）典型黑土区沟蚀在垂直方向上具有层状分布规律，在海拔250～275 m高度处侵蚀沟密度最大，说明岗坡地带是黑土区沟蚀易发区;而从坡度分异看，黑土区侵蚀沟向高坡度发展的趋势明显，但＞8°的坡面，坡度已不是侵蚀沟形成过程中的主要因素;研究区不同坡向上沟蚀发育情况差别不大，说明坡向不是影响东北典型黑土区沟蚀发育的首要因子。

（3）本文在遥感和GIS支持下，仅从空间格局和地形分异规律上探讨黑土区的沟蚀特点，仍需研究如下问题：1）沟蚀是重要的侵蚀产沙源，确定东北黑土区的产沙量是一个重要问题，可以考虑通过3S手段获取沟深、沟宽，进行大尺度的侵蚀产沙量估算;2）景观格局和配置影响径流和侵蚀过程，因此研究土壤侵蚀与景观格局之间的关系，对于合理调整土地利用结构、优化景观斑块的空间配置以达到侵蚀防治具有重要意义;3）今后可进一步考虑降雨、土地利用、土壤、植被及地貌因子，讨论其对侵蚀沟形成的综合作用;4）构建合适的沟蚀模型，用于预测不同时空尺度下的侵蚀速率以及侵蚀沟发展对水力学、产沙和景观变化的影响，是未来研究的一个重要方向。

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Spatial Pattern Change and Topographic Differentia of Gully Erosion in the Type Black Soil Area of Northeast China during the Past 40 Years

WANG Wen－juan1，DENG Rong－xin2，ZHANG Shu－wen3
（1.DepartmentofResourcesandEnvironmentalSciences，HenanUniversityofEconomicsandLaw，Zhengzhou450002;2.InstituteofResourcesandEnvironment，NorthChinaInstituteofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011;3.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology，ChineseAcademyofSciences，Changchun130012，China）

Choosing type black soil area of Northeast China which locates in the Wuyuer River and Nemoer River basin as study area，taking SPOT5 and Corona imagery as data source，gully distribution data in 1965 and 2005 were got.Then the gully density was taken as index，and the spatial maps of gully density in 1965 and 2005 were got.At the same time，the 1∶50 000 relief maps were taken as data source，DEM was obtained and the geomorphic factors were extracted.Based on the above data，on the support of GIS spatial analysis function，the characteristics of gully spatial dynamics and change characteristic in 40 years were analyzed.It showed that gully density had obviously increased during the past 40 years.Gully density in each class had the trend to increase to the higher class.The dynamic of gully erosion take North-West to South-East as axial direction and corresponding decrease by the cores to sides.In the vertical direction，gully erosion distribution appeared the layered law，and the maximum of gully density was in the elevation of 250～275 m.It indicated that the hummock-slope was the most possible area to occur gully erosion.According to the slope difference，it showed that gully erosion appeared the trend to come into being on the higher slope.In 1965，the erosion in the area that slope is more than 5°was much lower，but in 2005 it had much serious.The aspect analysis indicated that aspect was not the key factor to cause the gully erosion in black soil area of Northeast China.

gully erosion;gully density;spatial pattern;type black soil area of Northeast China

S 157;P208

A

1672－0504（2012）03－0068－04

2011－09- 27;

2011－12－03

国家自然科学基金面上项目（40771162）;国家自然科学基金青年项目（41101128）;河南省教育厅科学技术研究指导计划项目（12B170001）;河南财经政法大学博士科研启动基金项目

王文娟（1983－），女，博士，讲师，主要研究方向为遥感和GIS在水土流失中的应用。E－mail：wenjuan110＠163.com