南方红壤丘陵区马尾松人工林地浅沟形态特征

杨文利，朱平宗，赵建民，黄国敏，闫靖坤，陈宝生

(1南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌 330099；2 鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，江西 南昌330099；3北京师范大学 地理科学学部，北京 100875)

浅沟(ephemeral gullies)是在自然因素和人类活动共同作用下形成的一种独特微地貌类型[1]。通常认为是坡面上能被耕作工具横跨但不能被其完全消除的侵蚀沟[2]，是在坡面集中水流冲刷和人类耕作的共同作用下，由坡面主细沟发育而来的槽型地。据黄土高原区的研究结果，浅沟侵蚀量占坡面侵蚀量的30%～70%，浅沟侵蚀的发生发展在坡面土壤侵蚀中占有重要地位[3-4]。浅沟形态特征是浅沟侵蚀研究的基础，是侵蚀过程中径流水动力学要素与土壤相互作用的结果。随着浅沟侵蚀的不断发展，浅沟形态进一步改变，进而影响到浅沟的水动力学特征，最终导致沟头前进、沟岸扩张等沟蚀发展。浅沟形态特征研究对揭示浅沟侵蚀过程及侵蚀机理有重要意义[5]。

目前，国内对浅沟侵蚀的研究区域主要集中在黄土高原区和东北黑土区，研究内容主要集中在浅沟形态特征量化[3]、浅沟发生的临界地形条件[6]、浅沟发育及演变过程[7]、浅沟产流产沙规律[8]及其预报[9]等方面，研究方法主要有野外调查法[10]、自然小区监测法[11]、室内模拟试验法[12]、基于“3S”技术的地面参数提取法[13]和RTK-GPS实地测量法[14]等。南方红壤丘陵区由于自然因素和人类的不合理活动，仍然存在着“远看青山在、近看水土流”的林下水土流失现象，特别是人工马尾松林地，由于林下缺乏灌草层，地表大部分裸露，浅沟侵蚀发育普遍[12]，但相关的研究较为鲜见。为了了解南方红壤丘陵区浅沟侵蚀的发育机理，本研究以江西省吉安县马尾松人工林地浅沟侵蚀区为研究对象，通过RTK-GPS野外地形测量，结合ArcGIS10.2软件平台，在建立研究区域高精度数字高程模型(DEM)的基础上，分析了马尾松人工林地浅沟的形态特征，旨在为南方红壤丘陵区马尾松林地浅沟侵蚀过程的进一步研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省吉安县登龙乡大塘村附近的马尾松人工林地，地理坐标为27°00′23.48″-27°00′28.37″N，114°46′28.38″-114°46′39.53″E，属南方红壤丘陵区，海拔70～150 m，面积1.2 hm2，地面坡度介于0°～50°；区内属亚热带季风气候，多年平均气温为18.1 ℃，多年平均降水量1 518.8 mm，且降水量年内分配不均，主要集中在3-8月份，约占全年降水量的71.9%；土壤类型为花岗岩发育而成的红壤，土壤石砾含量较高，由于长期受雨滴击溅和降雨径流的侵蚀，表层土壤粗化严重[15]。植被以人工种植的马尾松(PinusmassonianaLamb)为主，林龄为25年，林高10～15 m，密度约650株/hm2，林冠层覆盖度30%～50%；林下坡面裸露，水分条件好的地方有少量笀萁(Dicranopteriscichotoma)、黄栀子(Gardeniajasminoides)和苔藓植物(Bryophyte)等，林下浅沟发育，土壤侵蚀严重，研究区具有显著的代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 浅沟区域数字高程模型(DEM)的获取 2017年5月，使用南方S86系列高精度双频RTK-GPS测量仪，对研究区进行地形测量。一般以大约2 m的间隔设置地形特征点(图1)进行数据采集，当遇到浅沟时适当加密，测量间距在0～2 m不等。浅沟的测量分别以沟缘、沟坡和沟底3条导线为基线设置采样点。研究区内共采集7 895个特征点的数据。

基于ArcGIS10.2软件平台，在研究区内提取并生成分辨率为0.2 m×0.2 m的浅沟数字高程模型(DEM),如图2所示。

1.2.2 浅沟地形参数的提取 依据获取的研究区数字高程模型DEM(图2)，基于ArcGIS10.2软件平台，提取了51条浅沟，采用软件平台的3D分析功能，分别提取每条浅沟的汇流面积(A)、浅沟长度(Le)、浅沟坡度(Se)和浅沟平均沟宽(W)、浅沟平均沟深(D)，再通过进一步计算得到每条浅沟的平均断面面积(Acs)等参数。浅沟体积(V)通过浅沟平均断面面积(Acs)(每条浅沟设置9个断面)与沟长(Le)的乘积得到。

1.2.3 数据分析 采用Excel和SPSS 21.0统计软件进行数据整理与分析，浅沟各形态参数间的相关性分析采用Pearson法。

2 结果与分析

2.1 马尾松人工林地的浅沟形态特征

研究区马尾松人工林地浅沟形态参数的统计结果见表1，各参数的分布特征见图3。研究区总面积 1.2 hm2，沟壑密度为 650 m/hm2。由表1可知，浅沟汇流面积为2.33～124.86 m2，大部分集中于10～20 m2(图3-a)，均值为21.62 m2；沟长2.61～49.41 m，大部分集中分布在 10～25 m(图3-b)，均值为16.46 m；沟坡坡度为6.28°～48.74°，但以15°～25°分布频率较高(图3-c)，均值为19.72°；平均沟宽为1.00～5.52 m，大多数浅沟的沟宽为2～3 m(图3-d)，均值为2.26 m；平均沟深为0.14～1.20 m，平均沟深0.4～0.6 m的浅沟比例较高(图3-e)，均值为0.52 m；浅沟平均断面面积为0.07～2.03 m2，以断面面积为0.3～0.9 m2的浅沟分布较多(图3-f)，均值为0.58 m2。

经典统计学将变异强度划分为弱变异(CV≤10%)、中等变异(10%

表1 马尾松人工林地浅沟形态参数统计特征值Table 1 Descriptive statistics of morphological parameters of ephemeral gullies of Pinus massoniana plantation

图3 马尾松人工林地浅沟形态参数的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of morphological parameters of ephemeral gullies of Pinus massoniana plantation

黄土高原地区浅沟长度均值为89.7 m，汇流面积均值为645.5 m2，坡度均值为28.5°[14]，宽度介于0.2～0.8 m，深度为0.15～1.2 m，沟间距约为10.8 m[17]；东北黑土区浅沟长度均值为201 m，宽度均值为1.26 m，深度均值为0.16 m，浅沟横断面面积均值为0.18 m2[18]。南方红壤丘陵区马尾松人工林地发育的浅沟，其汇流面积、沟长、沟坡坡度值均小于黄土高原区浅沟对应的形态参数值，但浅沟沟宽较黄土高原区的浅沟大；与东北黑土区相比，马尾松人工林地浅沟沟长偏短，但沟宽、沟深及断面面积均较大。这主要是地形、降雨特性及土壤结构等综合因素影响的结果，红壤丘陵区坡面相对较短(特别与东北黑土漫岗丘陵区相比)，是由于浅沟沟头大多已接近分水岭，进而限制了浅沟的延伸，导致沟长较短；另外，红壤区年均降雨量较大，且多暴雨，使得降雨产生的地表径流量较大，加之马尾松人工林下缺乏灌草覆盖等因素，水流冲刷能力较强，从而导致红壤丘陵区形成浅沟所需要的汇流面积小于黄土高原区和东北黑土区。

2.2 马尾松人工林地浅沟形态参数间的相关性

研究区马尾松人工林地浅沟各形态参数间的相关性分析结果见表2。

表2 马尾松人工林地浅沟形态参数间的相关Table 2 Correlations between morphological parameters of ephemeral gullies under Pinus massoniana plantation

注：**.表示在P<0.01水平(双侧)上显著相关，表4同。

Note:** indicates extremely significant correlation atP<0.01(double sides).The same for Table 4.

由表2可知，浅沟汇流面积与浅沟长度、平均沟宽、平均沟深和平均断面面积均呈极显著正相关关系(P<0.01)，而与浅沟坡度呈极显著负相关关系(P<0.01)，其中浅沟汇流面积与浅沟长度、平均沟宽的相关性最好，表明浅沟上方汇流面积越大，发育的浅沟越长、越宽；反之，浅沟上方汇流面积越小，发育的浅沟则越短、越小。浅沟坡度与沟长和平均沟宽间呈极显著的负相关关系(P<0.01)，表明浅沟坡度越大，发育的浅沟则越短、越窄；反之，浅沟坡度越小，则浅沟越长、越宽。

2.2.1 汇流面积与沟长的关系 浅沟主要是由降雨产生的地表径流侵蚀表层土壤所造成，浅沟汇流面积大小决定了地表径流的流量、流速、水流剪切力等的大小，进而影响浅沟的形态参数。东北漫岗黑土区的研究表明，浅沟长度与汇流面积显著相关，依据浅沟长度可以很好地预测浅沟的汇流面积[19]。对本研究区51条浅沟的汇流面积(A)与沟长(Le)进行回归分析发现，A与Le的关系可表示为Le=2.724 6A0.617(R2=0.87)，如图4所示。

图4 马尾松人工林地浅沟汇流面积与沟长的相关关系Fig.4 Relationship between gully length(Le) anddrainage area(A) of ephemeral gullies of Pinus massoniana plantation

2.2.3 汇流面积与沟坡坡度的关系 Begin等[23]在对美国科罗拉多州沟蚀区侵蚀沟坡度(Se)与汇流面积(A)关系进行研究的基础上，得到了沟蚀发生的临界关系式为Se=a·Ab(其中a是沟蚀发生的临界值，b是汇流面积指数)，当Se>a·Ab时，可能发生浅沟侵蚀。

将研究区内51条浅沟坡度的正切值(tanSe)与汇流面积(A)的关系绘制在双对数坐标图上，结果见图6，对这些点的下限点做一条直线，即为临界线，由此可得到南方红壤丘陵区马尾松人工林地浅沟发生时二者的临界关系式为：tanSe=0.49A-0.06。

图5 马尾松人工林地浅沟长度与体积的相关关系
Fig.5 Relationship between gully volume (V) andephemeral gully length(Le) ofPinusmassonianaplantation

图6 马尾松人工林地浅沟坡度与汇流面积的临界关系
Fig.6 Relationship between slope gradient(Se) and drainage area(A) of ephemeral gullies ofPinusmassonianaplantation

在临界线右上方的区域即为可能发生浅沟侵蚀的区域，临界线左下方的区域即为不易发生浅沟侵蚀的区域。

世界不同侵蚀区域的研究者，通过用功率型方程S=aAb来表示由水力侵蚀产生沟道的阈值线，其中系数a和b取决于环境特征[23-24]，而不同区域的环境特征(降雨特性、土壤结构、土地利用类型、植被覆盖等)存在一定的差异，进而影响沟道的发育。表3为不同研究区浅沟侵蚀发生时临界地形公式(S=aAb)参数汇流面积指数b的取值。

表3 不同研究区浅沟发生的临界地形公式(S=aAb)中参数b的取值Table 3 Values of b in critical formula (S=aAb) in different study areas

表3(续) Continued table 3

从表3可以看出，世界不同国家(侵蚀研究区)在耕地、牧场、草原等土地利用方式下，沟蚀发生的汇流面积指数b介于0.1～0.6，根据Morgan[40]及Vandekerckhove等[41]的研究结果：b>0.2，沟蚀过程一般主要受地表径流的控制；b<0.2，表明存在地下侵蚀和块体运动(比如沟岸坍塌等)参与沟蚀发育过程。南方红壤丘陵区马尾松人工林地浅沟侵蚀发生时的b值为 0.06，明显小于0.2，说明本区域的浅沟发育并非主要依赖于汇流面积，即地表径流的控制，而主要受壤中流控制。谢颂华等[42]研究表明,红壤在不同地表处理条件下，壤中流可占到总产流量的 68.4%～90% 。

2.3 马尾松人工林地坡面地形因子对浅沟形态的影响

坡面坡度、坡长等是坡面浅沟数量和浅沟形态特征的主要影响因素，其对浅沟的形成起到了决定性作用。已有研究表明，坡面坡度与浅沟坡度以及坡面长度与浅沟长度、汇流面积等浅沟形态参数间存在显著相关关系[13,43]。为了明确本研究区坡面坡度地形因子对浅沟侵蚀的影响，依据ArcGIS平台对区域DEM的水文分析功能，将研究区划分为7个独立的坡面单元，并获取每个坡面单元的坡长和坡度，而为了消除每个坡面单元内浅沟各形态特征间存在的差异性，分别取每个坡面单元内所有浅沟形态参数的均值作为坡面单元内浅沟的形态参数值来进行相关性分析，结果如表4所示。表4结果表明，在研究区的马尾松人工林地，坡长与坡面内浅沟的汇流面积、浅沟长度、平均沟宽和平均沟深均表现为正相关关系，即随着坡面长度的增加，坡面上产生的浅沟的汇流面积越大，浅沟长度越长，沟宽和沟深也越大；而坡长与浅沟坡度表现为负相关关系，即坡面长度越大，发育在坡面上的浅沟坡度越小，这与野外观察结果一致，研究区内一般坡面越长，发育的浅沟沟底坡度越缓。坡面坡度与浅沟汇流面积和浅沟长度呈负相关关系，但相关性不显著，而坡面坡度与浅沟坡度呈极显著正相关(P<0.01)。采用坡面坡度(Ss)与浅沟沟坡的平均坡度(Se)进行回归分析，得到二者的相关关系式为：Ss=0.675Se+8.21(R2=0.89)。 坡面坡度(Ss)与浅沟沟坡的平均坡度(Se)的关系式表明，坡面坡度越大，坡面内发育的浅沟的平均坡度也越大，可以通过坡面坡度很好地预测坡面内发育的浅沟坡度。

表4 马尾松人工林地坡面坡长、坡度与浅沟形态参数间的相关系数Table 4 Correlation coefficients between parameters of ephemeral gullies and length and gradient of slope under Pinus massoniana plantation

3 结 论

1)在南方红壤丘陵区马尾松人工林地内，浅沟汇流面积为2.33～124.86 m2，均值21.62 m2；浅沟长度为2.61～49.41 m，均值16.46 m；浅沟坡度为6.28°～48.74°，均值19.72°；平均沟宽为1.00～5.52 m，均值2.26 m；平均沟深为0.14～1.20 m，均值0.52 m；浅沟断面面积为0.07～2.03 m2，均值0.58 m2。与黄土高原区和黑土区坡耕地相比，红壤丘陵区林下浅沟一般长度较短，少数长度超出了平均值的大浅沟应该是水土流失治理的重点。

2)南方红壤丘陵区马尾松人工林地浅沟大部分形态参数间存在极显著的相关关系。其中浅沟长度与浅沟汇流面积之间为幂函数关系，可以通过浅沟长度预测该区域的浅沟体积及侵蚀量。

3)由浅沟坡度Se与其汇流面积A建立了研究区浅沟侵蚀发生的临界地形条件，据此可判断浅沟侵蚀发生的部位。

4)坡面地形因子(坡面坡度、坡长)显著影响浅沟形态参数。

综上可知，红壤丘陵区马尾松人工林地浅沟形态有其自身的一些独有特征，尤其是本文研究的花岗岩风化母质发育的红壤，由于长期遭受水蚀作用，使表层土壤粗化严重，表层土壤(俗称红土层)剥蚀后，下层土壤的抗侵蚀性降低，进而使沟蚀不断发育，以致出现严重的崩岗侵蚀。基于本研究区建立的浅沟临界地形关系式，是否适用于红壤丘陵区马尾松天然林地，有待进一步研究。