区域沟蚀野外调查方法——以东北地区为例

刘宝元,刘 刚,王大安,伍永秋,段兴武,李建伟,沈 波,孟令钦,高 燕

(1.北京师范大学,地理科学学部,地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京;2.云南大学自然科学研究院,650091,昆明;3.水利部松辽水利委员会,130021,长春)

土壤水蚀按发展过程及形态变化分为细沟间、细沟、浅沟和切沟,本研究所指沟蚀或侵蚀沟是指浅沟和切沟。沟蚀调查目前主要有2种方法：一是野外直接测量[1],测量结果精确,但大范围测量需要投入的人工和时间成本高;二是利用遥感影像或地形图进行人工判读或计算[24],该方法受遥感解译精度、遥感影像或地形图空间分辨率以及判读经验影响,无法识别浅沟,难以判断规模不大的切沟。在国务院批准通过的《全国水土保持规划(2015—2030)》中,明确规定侵蚀沟综合治理的重点项目。为了确保综合治理目标的实现,需要从2个层次上研究侵蚀沟发生发展状况：一是空间范围较大的区域层次,重点关注沟壑密度大、发展快、沟蚀强度大的地区;二是小流域综合治理层次上,准确定量测量侵蚀沟状况。从这一目标出发,本研究在全国第1次水利普查土壤侵蚀抽样调查方法基础上,提出区域沟蚀调查的抽样方法,即在某区域内用抽样方法确定实地调查的小流域,即野外调查单元,在调查单元范围内进行全覆盖沟蚀调查,区域内所有调查单元结果的汇总即为区域沟蚀状况,并为小流域侵蚀沟治理初步设计提供数据或调查方法。利用本方法可区分浅沟和切沟,获得侵蚀沟精确数据,提高沟蚀调查和评价精度,为沟蚀防治措施的针对性实施提供科学依据。

东北地区包括黑、吉、辽3省和内蒙古东部的三市一盟。区内主要土壤类型为黑土、黑钙土和草甸土等,因其富含有机质呈现黑色而统称为黑土,故该区又被称为广义的东北黑土区[5]。其中东北3省是我国重要的粮食生产基地,2012年玉米和大豆产量分别占全国总产的33.5%和41.4%[6]。但100余年开垦过程中因未采取有效的水土保持措施,导致土壤侵蚀十分严重,表现为黑土厚度减少、肥力下降和愈发严重的沟蚀[7]。刘宝元等[8]基于径流小区观测资料建立坡耕地细沟和细沟间土壤侵蚀模型,并利用137Cs示踪结果进行了验证,实现区内坡耕地片蚀的定量预报,但无法预报沟蚀。笔者以东北3省为例,选择典型县,进行沟蚀抽样调查方法研究。

1 研究区概况

笔者在东北地区选择4个县进行沟蚀抽样调查,分别为辽宁省彰武县和辽阳县、黑龙江省嫩江县、内蒙古阿荣旗。4个县都属于山地向平原过渡的山前台地和丘陵区,但地形起伏差异较大。辽阳县以海拔200～500 m的典型丘陵为主,彰武县处于高原向平原的过渡区,地形更为平坦,丘陵更为和缓,台地特征明显。嫩江县和阿荣旗分属于小兴安岭和大兴安岭向嫩江平原的过渡带,东侧以波状起伏的漫岗丘陵为主,西侧则以台地和高差较大丘陵为主,地形起伏明显增大。

根据第1次水利普查的统计结果：彰武县和嫩江县耕地面积均超过50%,分别为55.6%和54.5%,林地次之,分别为30.0%和27.0%。辽阳县和阿荣旗则以林地为主,比例分别为48.4%和67.4%,其次是耕地,分别为28.9%和29.1%,另外辽阳县园地面积明显高于其他各县。

2 研究方法

2.1 野外调查单元确定

为便于今后沟蚀与面蚀调查同时开展,直接采用全国第1次水利普查土壤侵蚀普查的分层不等概率系统抽样方法确定野外调查单元[9],即野外调查单元的概念、确定方法与普查一致[2]。它是指野外实际调查的空间范围,山丘区是面积1 km2左右的小流域,平坦区是1 km×1 km的网格。全国划分4层网格,在第3层网格(5 km×5 km)选用不同抽样密度后,抽取对应的第4层网格(1 km×1 km),在该网格中心点经纬度所在的1∶1万地形图的中心区域,根据调查单元定义确定其具体位置和范围。

2.2 调查底图制作

沟蚀调查单元底图是上述土壤侵蚀普查调查单元底图基础上,增加沟蚀调查行走线路的底图(图1)[2]。行走线路是根据调查单元底图规划出的直线,其目的一是方便野外GPS导航定位和防止遗漏或者重复调查侵蚀沟,二是最大限度减少在调查单元内的行走距离,提高调查效率。规划的每条直线须标出至少3个途经点的编号(图1(a)),并给出其对应的经纬度列表(图1(b))。室内规划路线方法如下：首先大致平行于等高线,每间隔200 m绘1条直线;然后在每条直线上标出3个点,并提供所有点的编号和经纬度信息列表。平行于等高线可确保调查过程中容易行走且能横穿侵蚀沟不易漏掉。200 m间隔是目力所及范围,可确保2条线路之间的所有侵蚀沟能被观察到。

图1 沟蚀调查单元底图(a)调查线路点经纬度列表(b)及沟蚀野外调查表(c)示例Fig.1 Base map of gully erosion survey unit(a),latitude and longitude list of survey way points(b)and gully erosion survey table(c)

2.3 野外调查

野外调查包括拍摄照片,填写记录表,勾绘调查图。到达调查单元后,首先拍摄GPS显示调查单元经纬度的标识照片以及宏观远景照片,填写调查表表头(图1(c)),然后参考室内设计的行走路线规划实际行走路线。严格按照规划线路行走,并注意观察,一旦发现侵蚀沟,首先沿该条侵蚀沟走到沟头或者沟尾,从沟头或者沟尾开始测量,测量结束后返回行走线路,继续按照行走线路观察,遇新沟开始测量,如此循环,直至本线路结束,开始另一条线路,重复同样过程。

具体测量方法：每条侵蚀沟测量3～5个横断面;沟长≤100 m,分别为沟头、沟尾、沟中间3个断面;沟长＞100 m,或沟长≤100 m且深度或宽度变化大时,除上述3个点外,增加沟中上部、沟中下部,共计测量5个断面;如果沟长＞300 m,可适当加密测量断面。侵蚀沟横断面的测量内容包括记录GPS点信息,每个横断面拍摄1～2张能反映出断面沟宽、深、土地利用的照片,测量沟宽度和深度,以上信息填写记录表并在图上勾绘侵蚀沟的位置。

测量时需要严格区分浅沟和切沟(表1)：浅沟发生于坡面,其断面按矩形测量1个宽度(上宽)和3个深度(图2(a))。切沟既可发生在坡面(坡面沟),又可发生在谷底(谷底沟),其断面按梯形测量上宽和下宽,以及3个深度(图2(b))。需要注意的是：如果浅沟由于耕作填平,只记录gps点,宽度和深度记为0,并进行备注。如果1条坡面沟出现浅沟和切沟交替,无论间距多大,从第1个跌水到最后1条切沟沟尾均视为1条切沟。谷底沟从上游第1个跌水开始至下游结束出现的沟都视为切沟,若有多条切沟交替出现,且相邻两条切沟之间的距离小于其中任意1条切沟长度时,则将这两条切沟视为1条切沟,反之作为2条切沟。切沟若存在分支,支沟＜50 m时,作为主沟的一部分,其编号与主沟一致,如果支沟≥50 m,则按另一条切沟处理。支沟沟尾断面应在与主沟汇合处附近,且二者交叉点应定位2次,以便GIS软件识别,并在备注说明是交叉点。

表1 浅沟和切沟特征区别Tab.1 Different properties between ephemeral gully and gully

图2 浅沟(a)和切沟(b)测量示意图Fig.2 Schematic diagram of ephemeral gully(a)and gully(b)measurement

2.4 调查数据处理与计算

调查数据处理包括录入调查表,导出GPS数据和拍摄的照片。采用GIS软件,将测量的GPS点坐标导入调查底图,通过等高线特征判断各点是否位于沟谷,是否有重复测量和漏测发生。

浅沟和切沟体积计算公式为：

式中：Vi为2个断面之间的体积,m3;Ai为断面的横截面积,m2;Li为2个断面之间的距离,m;V为某条沟的体积,m3。

浅沟断面横截面积

式中：Aeg为浅沟断面面积,m2;h1、h2和 h3分别为测量的3个深度,m;W为浅沟宽度,m。

切沟断面横截面积

式中：Ag为切沟断面面积,m2;h1、h2和h3分别为测量出的切沟的3个深度,m;W1和W2分别为切沟的上宽和下宽,m。

浅沟和切沟面积：

式中：S为一条沟的总面积,m2;Si为某2断面之间的侵蚀沟面积,m2;Wi为浅沟某断面宽度或者切沟某断面的上宽,m。

沟蚀强度评价采用我国水利部行业标准(SL 446—2009)(表2),包括2个指标,分别为沟谷面积比和沟壑密度。此外,还计算了单位面积土地上沟体积的沟蚀体积密度,以及单位面积土地上沟条数的沟数密度。各指标均利用开发的沟蚀强度软件批量计算。

表2 沟蚀强度分级指标(SL 446—2009)Tab.2 Classfication index of gully erosion intensity(SL 446-2009)

3 结果分析

3.1 区域沟蚀现状及其与地貌的关系

4个县112个调查单元共有浅沟654条,切沟525条,合计侵蚀沟1 179条,各指标值如表3所示。4个县沟蚀特征有明显差异,一是阿荣旗沟蚀明显较其他县严重,无论是沟壑密度还是侵蚀沟条数,都明显高于其他各县,按沟壑密度指标,已属剧烈沟蚀。二是从浅沟和切沟组成看,嫩江县和阿荣旗浅沟与切沟侵蚀相当,单位面积浅沟与切沟条数之比分别为2.4和2.0,浅沟和切沟沟壑密度之比分别为1.0和0.7。辽阳县和彰武县浅沟和切沟条数虽然接近,但切沟侵蚀更为强烈,2县单位面积浅沟与切沟条数之比分别为0.9和0.8,沟壑密度之比分别为0.2和0.5。三是从沟蚀与地形关系看,位于漫岗丘陵区的嫩江县和阿荣旗,浅沟发生频率和强度明显高于其他地区,其中阿荣旗位于山前台地,地形起伏更大,切沟明显较嫩江县严重且规模大,其单位面积沟蚀体积为嫩江县的5.7倍。位于辽东丘陵区的辽阳县以切沟侵蚀为主,其沟壑密度仅为阿荣旗的0.49倍,但沟蚀体积是其1.43倍。彰武县以高台地特征为主,地形相对平缓,总体沟蚀弱,但单个切沟规模大。其切沟沟壑密度只有0.4 km/km2,但体积密度达到1万1 449.5 m3/km2,仅次于辽阳县。综上所述,沟蚀发生与地貌的关系可归为3类：一是典型丘陵区如辽阳县,以切沟侵蚀为主,且规模都很大;二是漫岗丘陵区如嫩江县和阿荣旗,以浅沟侵蚀为主,但如果属于高台地区,切沟侵蚀比例明显增高,且规模也较大;三是台地缓丘区,如彰武县,沟蚀总体较弱,切沟一旦发生则规模很大。

3.2 沟蚀与土地利用的关系

按不同土地利用类型统计沟蚀数量比例(表4)可以看出,无论是浅沟还是切沟均主要发生在耕地,浅沟在耕地的比例更高。嫩江县和阿荣旗浅沟全部发生在耕地,切沟发生在耕地的比例也高达99.1%和97.3%。辽阳县以切沟侵蚀为主,主要发生在林地和耕地中,二者比例接近,分别为 48.8%和40.1%,其次为园地和草地,分别为4.1%和7.0%。彰武县切沟在耕地的比例为63.8%,在林地的比例为36.2%。此外,道路促进切沟的发生：发生在耕地的切沟,有道路影响的占13.1%;发生在林地的切沟,有道路影响的占10.8%。

表3 调查县浅沟和切沟统计表Tab.3 Ephemeral gully(EG)and gully(G)surveyed in four counties

表4 不同土地利用浅沟和切沟数量比例Tab.4 Numeral percentages of ephemeral gully(EG)and gully(G)for different land uses %

图3 4县耕地浅沟(a)和切沟(b)各强度级对应的耕地坡度和调查单元耕地面积比例Fig.3 Slopes of farmland and area percentages for the ephemeral gullies(a)and gullies(b)of different grades in four counties

为了说明耕地坡度与沟蚀的关系,采用沟壑密度指标,判断各县(旗)浅沟和切沟强度,及其与耕地面积占调查单元面积比例和坡度的关系。总体来看(图3)：浅沟发生强度与调查单元耕地面积比例更为密切,随耕地面积增大,浅沟强度增加,坡度也略有增加(图3(a))。切沟与耕地坡度关系更为密切,随着坡度增加,切沟侵蚀强度明显增强(图3(b))。

4 结论与讨论

针对目前区域沟蚀调查方法有待完善的情况,笔者提出分层不等概空间抽样的区域沟蚀调查方法,在东北地区选择地貌类型不同的4个典型县,开展沟蚀野外调查,计算沟蚀相关指标,评价沟蚀强度。研究结果表明：该方法能够很好的得到区域沟蚀特征;丘陵区以切沟侵蚀为主,且规模很大,漫岗丘陵区以浅沟侵蚀为主,如果属于高台地区,切沟侵蚀比例明显增高,且规模也较大;台地缓丘区沟蚀总体较弱,单个规模很大。沟蚀主要发生在旱地,尤以浅沟更为明显,随着旱地比例增加,浅沟数量明显增多。切沟发生则与坡度关系密切,坡度增加使切沟增多。

针对东北地区沟蚀特点进一步讨论以下几个问题：1)如何理解沟蚀?2010—2012年第1次全国水利普查的侵蚀沟道调查中,对东北黑土区侵蚀沟的规定如下：沟道长度100～5 000 m,汇水面积＜50 km2的沟蚀沟道。采用方法是以2.5 m分辨率遥感影像和1∶5万DEM为主要信息源,利用GIS软件,采用人机交互方式,解译提取沟道长度、面积、沟道纵比及地理位置。该方法无法得到长度低于100 m的侵蚀沟,且识别的侵蚀沟很多是长期地貌过程所形成。解译结果会低估沟壑密度和沟条数,高估沟谷面积比。以位于漫岗区的嫩江县为例,采用3S方法得到的沟壑密度和沟条数分别低于0.2 km/km2和0.2条/km,采用本抽样调查方法得到的仅切沟沟壑密度和沟条数就达到0.74 km/km2和3.6条/km2,因此采用3S方法得到的结果有必要根据实际调查结果进行修正。2)抽样密度与区域评价。以调查单元为基础的区域沟蚀调查方法受抽样密度影响,在县级尺度上采用何种抽样密度更为合适,需要进一步深入研究。