吉林省侵蚀沟分布与环境要素的关系

许晓鸿， 崔 斌， 张 瑜， 田立生， 崔海锋， 申聪颖

(1.吉林省水土保持科学研究院, 吉林 长春 130033; 2.吉林省水利厅重点项目建设管理办公室, 吉林 长春 130033)

吉林省侵蚀沟分布与环境要素的关系

许晓鸿1， 崔 斌1， 张 瑜2， 田立生1， 崔海锋1， 申聪颖1

(1.吉林省水土保持科学研究院, 吉林 长春 130033; 2.吉林省水利厅重点项目建设管理办公室, 吉林 长春 130033)

[目的] 探求与侵蚀沟空间分布密切的环境因子，揭示其分布特征，为侵蚀沟发育规律研究及治理提供理论依据。[方法] 利用遥感调查和抽样调查相结合的方式，基于GIS分析功能，对吉林省6个区域共23个调查单元(小流域)内侵蚀沟进行了调查与汇总分析，研究沟壑密度、沟壑裂度等与环境要素关系。[结果] (1) 6个区域沟壑密度大小顺序为：敦化(16.30 km/km2)>辽源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九台(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)； (2) 敦化地区沟壑裂度随坡度增加先稳定后急剧降低；前郭地区沟壑裂度随坡度的增加而增加；辽源、梅河、伊通、九台4个地区沟壑裂度均随坡度的增加呈现先增加后减少的趋势，沟壑裂度最大值除辽源发生在6°～9°外，其他3个地区均发生在3°～6°；(3) 沟壑密度随坡度的增加而增加，二者存在较强的线性关系，相关系数达0.755，研究中符合这一规律的样本占总体的83%。 (4) 集水区形状系数对沟壑密度具有一定的规律性影响，但这只体现在九台地区，主要表现为沟壑密度随形状系数的增加而增加；(5) 6个地区沟壑密度与集水面积呈一元二次函数关系，29.39 hm2为沟壑密度发生变化的临界值。[结论] 吉林省内分异特征总体表现为由西向东和由北向南增加的趋势。不同地区沟壑裂度随坡度变化呈现出不同规律，集水区长度、平均宽度与侵蚀沟各特征指标均无显著相关性。

侵蚀沟; 沟壑密度; 沟壑裂度; 坡度; 形状系数

文献参数： 许晓鸿， 崔斌， 张瑜， 等.吉林省侵蚀沟分布与环境要素的关系[J].水土保持通报，2017,37(3)：93-96.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.016； Xu Xiaohong, Cui Bin, Zhang Yu, et al. Relationship between distributions of erosion gully and of environmental factors in Jilin Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：93-96.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.016

东北黑土资源以有机质含量高、土质疏松、适宜耕作而闻名于世，号称“北大仓”，是中国重要的商品粮基地之一，区域面积1.03×106km2[1]。长期以来，由于人类的过度垦殖和不合理耕作，造成该区大规模的水土流失，侵蚀沟不断切割地表，蚕食耕地，冲走沃土，降低了大型机械的耕作效率。据调查统计，黑土区内有侵蚀沟29万多条，侵蚀沟总面积3 648.42 km2，总长度195 512.64 km[2]。进入21世纪之后，黑土区水土流失逐渐引起社会各界的关注，侵蚀沟治理与研究工作取得了一系列研究成果[3-8]。近期，按照水利部安排部署，松辽水利委员会全面启动了东北黑土区侵蚀沟治理专项规划编制工作，东北黑土区侵蚀沟治理迎来了新的时机。为助推黑土区侵蚀沟治理步伐，本研究拟以吉林省为对象，采用分层抽样方法，在吉林省水土保持区划3级分区共选取6个市县内23个调查单元为样本单元，进行侵蚀沟特征与环境要素关系研究，以期为整个东北黑土区内侵蚀沟的分布特征与发展规律研究提供补充。

1 研究内容与方法

1.1 典型调查单元选取

本研究选取吉林省内6个典型区共23个典型调查单元，于2014年10月进行实地现场调查，其中前郭县1个，梅河口市12个，九台市5个，伊通1个，敦化县1个，辽源3个(东辽1个，东丰2个)。各调查单元均为一个或多个闭合集水区域，对单元内切沟进行全面调查，支沟只计入长度而不计入数量。调查提取的侵蚀沟长度介于10～569 m，集水面积介于4.3～45.61 hm2。以1∶1万地形图为底图，应用GIS软件，采取人机交互方式解译侵蚀沟形态要素与地形要素(见表1)，用于分析东北黑土区侵蚀沟分布特征及发展规律。

表1 吉林省典型研究区基本情况

1.2 主要调查指标及方法

(1) 集水面积。以1∶1万地形图为底图，利用GIS软件勾绘各单元集水区域，并计算集水面积。

(2) 沟壑密度及沟壑长度。通过实地测量，利用高精度差分GPS沿沟头至沟口在侵蚀沟拐点处定坐标点，记录各侵蚀沟点号。利用GIS软件根据点号绘制每条侵蚀沟，利用数据统计分析功能计算侵蚀沟总长度等沟长信息，再除以单元集水面积，得到沟壑密度。

(3) 坡度。以1∶1万地形图为底图，应用GIS软件的3 D分析模块，以研究区DEM作为数据源，建立数字坡度模型。按0°～3°,3°～6°,6°～9°,9°～12°,12°～15°,15°～18°,≥18°分为7个级别，转换矢量图斑，与沟壑裂度、集水面积等图层叠加，求得各坡度的特征值。

(4) 沟壑裂度。在实地调查中沿侵蚀沟一定距离测量断面尺寸，利用下式计算沟壑占地面积：

(1)

式中：A——沟壑占地面积(m2)，以沟缘线为计算边界； L1，L2，…——各断面上口宽(m)； L0——测量断面间距(m)。利用沟壑占地面积除以单元集水面积得到沟壑裂度。

(5) 集水区形状系数。当粗略计算时，可采用经验公式[9]：

(2)

式中：f——集水区内的流域形状系数；F——集水面积(km2)；L——集水区内的流域长度(km)。

2 结果与分析

2.1 沟壑密度的地区分异

6个市县区23个调查单元内侵蚀沟总数为277条，总长度21.71 km，侵蚀耕地达453 hm2。沟壑密度大小排序为:敦化(16.30 km/km2)>辽源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九台(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)，其省内分异特征总体表现为由西向东和由北向南增加的趋势。地形和降雨是不同调查区域的2大主要分异要素，吉林省东南部高，西北部低，地形由中山低山过渡至风沙平原，降雨量由东南向西北逐渐减少，侵蚀类型由水力—风水复合—风力过渡，由此形成了前述沟壑密度的区域分异特征。这说明沟壑密度与区域自然要素密切相关。

2.2 沟壑裂度的坡度分异

6个地区的沟壑裂度与坡度曲线关系体现了3种不同特征趋势：敦化地区沟壑裂度随坡度增加先稳定后急剧降低；前郭地区沟壑裂度随坡度的增加而增加；辽源、梅河、伊通、九台4个地区沟壑裂度均随坡度的增加呈现先增加后减少的趋势，沟壑裂度最大值除辽源发生在6°～9°外，其他3个地区均发生在3°～6°(图1)。

结合实地调查和数据分析结果显示： ① 敦化地区调查单元平均坡度较高，为13°，短历时强降雨频率大，坡面易于产流且径流动能大，侵蚀沟长度大且以中型冲沟为主，沟道断面沿坡度变化较小，沟壑裂度随坡度平稳变化，在陡坡带主要为林草地，郁闭度较高，因此沟壑裂度急剧降低； ② 前郭地区调查单元坡形坡向单一，缓坡带坡耕地横垄耕作基本与等高线平行，同时该区降雨量较少，垄台起到了很好的拦蓄径流作用，因此仅有少量浅沟(顺犁沟)分布。大型切沟分布在沟垄末端与道路交叉处路边陡坡，坡长较短、多为荒地、植被盖度<0.3，陡坡处侵蚀量占区域侵蚀总量的92%，这是由于缓坡带汇集的径流通过“渠系效应”[10]形成集中股流流经落差较大坡面造成沟蚀后，沟道受长期水流切割作用沟底逐渐下切，导致沟岸在水力、重力及冻融等多营力侵蚀作用下加剧扩张所形成的。③ 辽源、梅河、伊通、九台4个地区调查单元区域属性比较一致。坡度大于6°时以浅沟为主，而切沟主要分布在6°以下的缓坡带，长度仅分别占总长度的32%，28%，35%和30%，但侵蚀量却分别占侵蚀总量的72%，83%，85%，75%。这说明缓坡带往往存在大密度侵蚀沟。实地调查中发现缓坡带侵蚀沟沟头及两侧沟岸均有来水，侵蚀沟具有较大的宽长比，并且跌差较大，一般均>1 m。这证实溯源侵蚀是该区缓坡带侵蚀沟的主要发展形式。

图1 研究区沟壑裂度坡度分异

2.3 沟壑密度随坡度变化规律

坡度是地貌形态特征的主要因子。地表径流产生的能量受径流量和流速的影响，而径流量和流速的大小主要取决于径流深和地面坡度。因此，坡度直接影响径流的冲刷能力[11]。对23个调查单元内的沟壑密度与坡度进行了相关性分析，剔除4个异常点(与总体平均值偏差>3 km/km2的数值)后，得到剩余19个调查单元(占总调查单元的83%)的沟壑密度与坡度相关关系曲线(图2)。

从图2中可以看出，沟壑密度随坡度的增加而增加，二者存在较强的线性关系，相关系数达0.755，并且符合这一规律的样本数占总体样本的83%，说明坡度是影响沟壑密度大小的重要因子。分析认为这主要体现在坡度对土壤抗蚀性及坡面产汇流过程的影响：侵蚀沟是由集中股流切割地表所形成，土壤抗蚀性与径流切割力相互作用，决定着侵蚀沟发育发展。一方面，通过研究及实地调查结果表明，随坡度增加，土壤中黏粒含量、土壤团聚体的几何平均直径与平均重量直径减小，土壤抗蚀性下降[12-13]；另一方面，坡面产汇流过程决定径流切割力。由于存在临界坡度，使坡度对汇流历时、径流系数、径流量均有较复杂的影响，但在达到临界坡度之前，随坡度增加，存在汇流历时缩短、径流系数和径流量增加的趋势[14-15]，这也加剧了侵蚀沟的发育。

图2 沟壑密度与坡度关系

2.4 沟壑密度随集水区形状特征因子变化规律

对23个调查单元集水区域的长度、平均宽度、集水面积、形状系数等体现流域形状特征的因子与侵蚀沟各指标进行了相关分析。结果为：集水区长度、平均宽度与侵蚀沟各项指标无相关性；形状系数对沟壑密度有一定的影响，但这只体现在九台地区，主要表现为沟壑密度随形状系数的增加而增加(图3)。以上结果表明，集水区长度、平均宽度以及形状系数对侵蚀沟发育影响较小；沟壑密度随集水面积增加表现为先减小后增加，二者呈一元二次函数关系(y=0.009x2-0.529x+10.06)(图4)，并且通过计算，得到了29.39 hm2为沟壑密度变化的临界值。对于这一结论，目前鲜有研究和报道，对此还需要大量的调查数据以及在不同尺度条件下开展进一步研究进行论证。

图3 九台地区沟壑密度与形状系数关系

图4 沟壑密度与集水面积关系

3 结论与讨论

(1) 吉林省侵蚀沟分异特征总体表现为由西向东和由北向南增加的趋势。6个调查单元沟壑密度大小排序为：敦化(16.30 km/km2)>辽源(6.51 km/km2)>梅河(5.55 km/km2)>伊通(4.67 km/km2)>九台(3.54 km/km2)>前郭(2.21 km/km2)。

(2) 不同地区沟壑裂度随坡度变化呈现出不同规律。其中敦化地区沟壑裂度随坡度增加先稳定后急剧降低；前郭地区沟壑裂度随坡度的增加而增加；辽源、梅河、伊通、九台4个地区沟壑裂度均随坡度的增加呈现先增加后减少的趋势，沟壑裂度最大值除辽源发生在6°～9°外，其他3个地区均发生在3°～6°。

(3) 沟壑密度随坡度的增加而增加，二者存在较强的线性关系，相关系数达0.755，研究中符合这一规律的样本数占总体样本的83%。

(4) 集水区长度、平均宽度与侵蚀沟各项指标均无相关性；流域形状系数对沟壑密度具有一定的影响，但这只体现在九台地区，主要表现为沟壑密度随形状系数的增加而增加；集水面积与沟壑密度呈一元二次函数关系(y=0.009x2-0.529x+10.06)，29.39 hm2为沟壑密度变化的临界值，这一结论有待于进一步的研究和论证。

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Relationship Between Distributions of Erosion Gully and Environmental Factors in Jilin Province

XU Xiaohong1, CUI Bin1, ZHANG Yu2, TIAN Lisheng1, CUI Haifeng1, SHEN Congying1

(1.JilinAcademyofSoilandWaterConversationScience,Changchun,Jilin130033,China; 2.DepartmentofWaterResourcesofJilinProvince,Changchun,Jilin130033,China)

[Objective] The distribution characteristics of erosion gully in Jilin Province and the environmental factors that are relevant with the spatial distribution were explored to provide theoretical bases for gully evolution and its harness. [Methods] Using methods of remote sensing and field investigation, gullies in 23 small watersheds distributed in six districts of Jilin Province were analyzed by GIS, mainly referred to the indices of the gully density and gully crack degree. Whereby, their relationships with environmental factors were studied. [Results] (1) The gully density in the six districts had a size rank as: Dunhua(16.30 km/km2)>Liaoyuan(6.51 km/km2)>Meihe(5.55 km/km2) >Yitong(4.67 km/km2)>Jiutai(3.54 km/km2)>Qianguo(2.21 km/km2). (2) Gully crack degree had different regional associations with slope steepness: in Dunhua district, with the increase of slope steepness, the gully crack degree was stable initially and then drastically reduced; In Qianguo District, it kept an increasing tendency. In districts of Liaoyuan, Meihe, Yitong and Jiutai, variation characterized with preceding increase and later decline was more normal. The maximum of gully crack degree was found at slopes of 6°～9° in Liaoyuan district, at slopes of 3°～6° in other three districts. (3) About 81% of the investigated gullies, its density was found closely dependent upon slope steepness, their correlation coefficient was 0.734. (4) In Jiutai District, the gully shape was found associated with the gully density ,the gully density exhibited an increasing tendency with slope steepness increasing. (5) Evolution of gully with respect to the density obey a quadratic function with catchment area as independent variable, in all the six districts, the point of inflection was at 29.39 hm2of catchment area. [Conclusion] The gully densities increased from the west to the east and from the north to the south of Jilin Province. The dependence of gully crack degree upon slope steepness varied in different districts. No significant correlations between gully density and indices as gully length, gully width, and other gully indicators were found.

gully; gully density; gully crack degree; slope steepness; shape factor

2016-10-17

2016-11-13

水利部公益性行业科研专项经费项目“黑土区退化坡耕地生产力恢复关键技术研究”(20141025); 水利部948项目“流域侵蚀元素迁移分析系统”(201521); 吉林省科技发展计划项目“东北黑土区坡耕地侵蚀沟道治理模式研究”(20120409)

许晓鸿(1971—),男(汉族),陕西省汉中市人,硕士,正高级工程师,主要从事土壤侵蚀及水土保持与生态环境建设。 E-mail：Jlsbyxxh191@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0093-04

S157.1