侵蚀沟与耕地垄向之关系探究

李 飞，张树文，，杨久春，卜 坤，常丽萍，李天奇

（1.吉林大学 地球科学学院，长春130061；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，长春130102；3.河南大学，河南 开封475200）

侵蚀沟作为一个最关键和最具破坏性的水蚀导致了大量土壤的沉淀和退化，破坏耕地，切割地表，蚕食土地，冲走沃土，淤积河道，切断交通，造成人畜伤亡，冲走房屋和社会公用设施等问题，越来越引起人们的关注，近年来更受到国内外学者的普遍重视［1－4］。Valentin等人系统地阐述了侵蚀沟的影响因素及对其的控制［2］，李晓燕，闫业超，王文娟等几位学者较为全面地分析了不同海拔、坡度、坡形、坡向、坡长等地形地貌因子对侵蚀沟发生发展的影响［5－9］。东北黑土区是我国最大的商品粮基地，地貌类型为漫川漫岗，60%为坡耕地，大部分的黑土区已有几十年甚至上百年的耕种历史［10］，尤其是新中国成立以来，大规模的过度垦殖和不合理耕作，昔日有“北大仓”之称的千里沃野已存在不同程度的水土流失，沟蚀严重，且逐年向严重和剧烈侵蚀发展，密度增加，强度加强［11］。目前，对我国东北黑土区沟壑侵蚀的研究主要集中在侵蚀沟与自然影响因素之间关系的分析以及对侵蚀沟的动态监测上，而有关侵蚀沟与人为活动造成的耕地垄向之间关系的研究甚少。本文以九台市为研究区，均匀选取了研究区内的31个小流域，对各个小流域内的侵蚀沟进行了详细勘察，并记录侵蚀沟两侧耕地的垄向，以此为基础，探讨了不同海拔、坡度和坡形上侵蚀沟与耕地垄向之间的关系，以便当地居民采取更为合理有效的耕种措施，减缓侵蚀沟对耕地的侵蚀。

1 研究区概况

九台市地处吉林省中部的长春平原，位于东经125°25′—126°30′，北纬43°51′—44°32′，属于松辽平原与长白山的过渡地带，是季风区中温带半湿润地区，四季分明，属于大陆性气候。境内地形地势呈西南东北狭长状，东南高，西北低。境内河网密布，低山耸生。一江三河（松花江、饮马河、雾开河、沐石河）纵贯南北，长白山余脉即大黑山脉横亘东西。境内平原、台地和丘陵分别占全市总面积的44%，34%，22%。九台市幅员面积2 875km2（2007年），在耕地16.04万hm2，按农业人口计算，人均0.27hm2，其中粮豆作物面积14.5万hm2，人均0.24hm2，市属林地面积6.49万hm2，草地面积1.31万hm2，水域面积2.53万hm2。

2 数据来源与处理

本文的数据主要有高分辨率的Google earth影像、30m分辨率的DEM数据和研究区等高线数据以及野外调查得来的侵蚀沟数据。本次野外调查共选取31个小流域，这些小流域在研究区内均匀分布。根据垄向和等高线夹角（锐角）的大小将其分为顺坡起垄（夹角为0～10°），斜坡起垄（10°～80°）和横坡起垄（80°～90°），从2012年5月份的高分辨率的Google earth影像上，人工解译出各个小流域内耕地的耕作垄向，并在野外进行了验证，正确率在95%以上，根据调查记录对解译结果进行修正（由于有些小流域内没有耕地，以及某些小流域内的垄向无法从Google earth影像上解译出来，因此，可利用的只有12个小流域内的数据）。在野外对31个小流域内的侵蚀沟进行了详细的勘察，共勘测到253条侵蚀沟，分别记录了其沟长、上宽、下宽、最大深度、平均深度、两侧耕地垄向、发展状态等信息。将耕地垄向面状数据与侵蚀沟叠加，生成不同垄向的耕地内侵蚀沟分布图（图1），并计算出各自的密度（图2）。

图1 研究区概况

图2 不同垄向的耕地内侵蚀沟密度

3 结果与分析

3.1 不同海拔上垄向对侵蚀沟分布的影响

根据表1对DEM数据进行重分类，得出各个小流域内海拔分级图，与耕地垄向面状数据叠加，得到不同海拔等级上的耕地垄向分布图，并计算出其面积，然后再将之与侵蚀沟数据叠加，求出不同海拔上不同垄向的耕地内侵蚀沟的长度与密度（图3）。

表1 海拔分级

图3 不同海拔上不同垄向的耕地内侵蚀沟密度

总体来看，无论垄向如何，侵蚀沟密度随着海拔的增加都呈现出先增大后减小的趋势，侵蚀沟密度最大处出现于240～260m的范围内。220～240m这一海拔等级是一个转折点，小于这一等级，斜坡起垄的耕地内侵蚀沟密度甚小，也是三种耕作垄向当中侵蚀沟密度最小的一种，但是当大于这一等级时，斜坡起垄的耕地内侵蚀沟密度急剧增加，最大达到44.0km／km2，顺坡起垄具有相似的趋势，而横坡起垄耕地内的侵蚀沟密度变化相对较小。这可能与降雨时高海拔处的汇水较少，横坡起垄能够阻挡水流向下流动，减缓了降水汇流对土壤的侵蚀，斜坡起垄和顺坡起垄的作用则正好相反。到了低海拔处，汇水增多，可能同时把横坡垄冲开多处缺口，产生更多的侵蚀沟。另外，海拔高的区域耕地较少也可能是侵蚀沟密度较大的一个原因。由此可以看出，海拔超过240m的地区已经不再适合耕种，应进行退耕还林还草，加强防治措施。因为一旦在汇水上游形成侵蚀沟，雨水汇集于此，将会进一步侵蚀低海拔处的耕地，加剧土壤侵蚀。而在低海拔处应以斜坡起垄的耕作方式为主。

3.2 不同坡度上垄向对侵蚀沟分布的影响

从DEM数据中提取坡度数据，根据表2对坡度进行分级，得到坡度分级图，将其与耕地垄向面状数据叠加，生成不同坡度上的耕地垄向分布图，并计算出其面积，然后再将之与侵蚀沟数据叠加，求出不同坡度上不同垄向的耕地内侵蚀沟的长度与密度（图4）。

表2 坡度分级

图4 不同坡度上不同垄向的耕地内侵蚀沟密度

不同坡度上斜坡起垄耕作地区内的侵蚀沟密度变化表现出和不同海拔上相似的趋势，即随着坡度的增加，侵蚀沟密度先增大后减小，6°～8°是其转折点。而在顺坡起垄和横坡起垄的耕地中无此趋势，其侵蚀沟密度随着坡度的增加而增大。侵蚀沟密度最大处出现在坡度大于8°的顺坡起垄的耕地内，为9.8km／km2。在坡度小于6°的耕地内，三种耕作方式相比，斜坡起垄的耕地中侵蚀沟的密度都是最小的，在2°～4°处达到最小，为0.7km／km2。在0～2°范围内，顺坡起垄的耕地中的侵蚀沟密度最大，在2°～6°范围内，横坡起垄的耕地中的侵蚀沟密度最大。这是因为，在0～2°范围内，横坡起垄能够阻挡降雨汇水向下流动，防止侵蚀沟的产生，即使汇水能将横坡垄冲开缺口，由于坡度较缓，也不易于产生侵蚀沟或产生的侵蚀沟较小较短，斜坡起垄则正好相反，汇水聚集在垄沟内向下冲蚀，有利于侵蚀沟的产生和发展，随着坡度的增加，侵蚀也就越严重；在2°～6°范围内，由于“渠系效应”（在短历时暴雨的情况下，横坡垄作的坡耕地中产生的超渗径流通过以接近水平状态的缓慢流动，在脆弱处或低洼处汇集并冲开垄体形成集中股流，造成切沟）［12］，横坡垄的汇流形成的集中股流是顺坡垄的几十到几百倍，因而横坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度是三者中最大的。因为在研究区内坡度4°和坡度5°等级内的地区海拔多数较高，受海拔的影响，在6°～8°范围内，三者之间侵蚀沟密度最大的是斜坡起垄。坡度大于8°的地区，不适宜耕种且耕地较少，不做讨论。

3.3 不同坡形上垄向对侵蚀沟分布的影响

在DEM数据的支持下可利用窗口分析中的邻域分析法实现对不同坡面坡形的自动获取。其公式为：

式中：Gij——窗口中心栅格的高程值；∑Gk——窗口中有效栅格的高程值之和；n——窗口中有效栅格的个数。当L＞0时，坡形为凸形坡；当L＝0时，坡形为直形；当L＜0时，坡形为凹形坡。将坡形图与耕地垄向面状数据叠加，得到不同坡形上的耕地垄向分布图，并计算出其面积，然后再将之与侵蚀沟数据叠加，求出不同坡形上不同垄向的耕地内侵蚀沟的长度与密度（图5）。

如图5所示，无论在何种坡形上，斜坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度都相对较小，横坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度都大于顺坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度。总体来看，凹形坡上的侵蚀沟密度最大，直形坡上的侵蚀沟密度最小。这是因为，坡形决定了沟蚀过程中地表径流是汇聚还是扩散，径流的聚集增加了下切作用，这很容易导致侵蚀沟的产生［13］。相对于直形坡和凸形坡，凹形坡较易汇聚径流形成侵蚀沟。同样由于“渠系效应”的作用，横坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度大于顺坡起垄的耕地内侵蚀沟的密度。而斜坡起垄由于和顺坡流动的降雨汇流形成一个锐角夹角，既能减缓汇流向下流动的速度，又不至于使水流汇集在垄沟内而产生“渠系效应”，因而在斜坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度最小。

图5 不同坡形上不同垄向的耕地内侵蚀沟密度

4 结 论

总体来看，斜坡起垄的耕地内最不易形成侵蚀沟，横坡起垄的耕地内最易产生侵蚀沟。在海拔小于240m的耕地内，斜坡起垄能够减缓或防止侵蚀沟的产生，横坡起垄最易于产生侵蚀沟；海拔大于240m的耕地内，斜坡起垄最易产生侵蚀沟，横坡起垄最不易产生侵蚀沟。在0～2°坡度上，顺坡起垄的耕地内侵蚀沟密度最大，斜坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度最小；在2°～6°坡度上，由于“渠系效应”的作用，横坡起垄的耕地内最易产生侵蚀沟，坡度大于6°时，侵蚀沟最易在顺坡起垄的耕地中产生发展。无论坡形如何，横坡起垄的耕地内的侵蚀沟密度都大于顺坡起垄，这说明，斜坡起垄能够有效减缓甚至防止侵蚀沟的发生发展。然而，无论采取何种垄向的耕作方式，随着海拔、坡度的增加，侵蚀沟产生的几率都逐渐增加，而侵蚀沟一旦形成，很难治理恢复，退耕还林还草对减缓侵蚀沟的发展收效甚微。因此，应当减少或停止将陡坡或海拔较高的林地、草地、荒地等开垦为农田，防止侵蚀沟的产生。

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