东北黑土区侵蚀沟普查结果实测验证

丁 超，张晟旻，胡 伟，严 月，祁 志，韩 兴，张兴义†

(1.吉林农业大学资源与环境学院，130118，长春；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，150081，哈尔滨)

东北黑土区是我国水土流失严重区域之一[1]，水土流失2种表现形式面蚀和沟蚀均较为严重，且主要发生于已垦坡耕地上，已成为当前黑土退化的主要的驱动因素[2]。坡面侵蚀表现在仅存的约30 cm的黑土层不断被剥离变薄，年均变薄速率为2～3 mm，对维持作物生产力至关重要的黑土层造成严重伤害，急需遏止[3]。作为土地退化最重要的表现形式沟蚀也十分严重，损毁耕地的同时，还造成土地支离破碎，阻碍农业机械作业，成为现代农业发展的障碍，也需修复。

东北黑土区沟蚀危害得到了国家重视，2010—2012年首次对东北黑土区侵蚀沟进行了专项普查，并将结果于2013年发布公告[4]。普查主要基于遥感解译和野外核查的方法，以2.5 m分辨率遥感影像和1∶5万地形图为主要数据源，采用人机交互辨识，提取侵蚀沟水平面沟道长度、面积、比降、地理位置及所处土地利用类型等信息，汇总后每个县野外核查10条侵蚀沟，最终完成东北黑土区侵蚀沟普查成果并公布[5]。该专项普查为东北黑土区侵蚀沟首次，也是目前唯一的区域国家公布的侵蚀沟数据，成为东北黑土区沟蚀危害的认知和侵蚀沟治理主要依据。

东北黑土区具有独特的地理环境，水土流失尤其沟蚀也明显有别于我国其他区域[6]。东北黑土区开发历史短，水土流失主要发生在坡耕地，地块大，坡缓坡长，汇水区面积大，微地形变化大，地表径流汇集沿水线易形成浅沟和切沟，所发育形成的侵蚀沟具有新成沟、长度短、面积小、比降缓、多为发展沟等显著特点。东北黑土区侵蚀沟专项普查存在着一些制约因素，2.5 m分辨率遥感影像影响小型沟准确判读[7]，从影像上路边沟较难辨识，林地沟由于遮挡不能全部提取；此外，普查侵蚀沟长度范围界定在100～5 000 m，东北黑土区<100 m的侵蚀沟数量分布较多，不应忽视。近几年来，黑土区侵蚀沟专项普查结果准确度，以及沟蚀的真实现状受到关注[8]；此外无论沟蚀危害评估还是侵蚀沟生态治理均需侵蚀沟立体形态特征参数，诸如治理措施的具体布设还需侵蚀沟的深度和体积等信息。本研究选取沟蚀严重的漫川漫岗黑土区中的黑龙江省海伦市南部典型区域，采用实地测量的方法，获取区域沟蚀现状与立体形态特征信息，开展侵蚀沟专项普查结果实测验证，旨在为东北黑土区沟蚀客观认知和科学防控提供依据。

1 调查区概况

在东北黑土区沟蚀严重的漫川漫岗黑土区，于黑龙江省海伦市东南部选取450 km2区域作为调查区，位于E 126°77′～127°04′、N 47°04′～47°28′(图1)；土地利用以耕地为主，70%以上为耕地。属于中温带大陆性季风气候，年平均气温1.5 ℃，年平均降雨量530 mm；土壤均为典型黑土，农耕多采用顺坡/斜坡垄作，种植作物为大豆和玉米，一年一季。

图1 调查区域Fig.1 Survey area

本调查区的主要数据来源：2013年国家公布的基于遥感解译的东北黑土区沟蚀普查结果，作为本底数据用于和实测数据的对比；调查区2018年卫星遥感影像(地面分辨率0.5 m)和DEM数据(分辨率15 m)，结合实测数据绘制调查区的侵蚀沟分布图；实测数据包括调查区侵蚀沟数量、位置、长度、宽度、深度、面积和体积。

2 研究方法

2.1 实验方法

1)在实测前用2018年遥感影像首先确定沟的大致位置，目的是为实测提供路线，文中的数据是2018年的人工现场实测结果，而不是遥感解译结果。比较实测(2018年)和普查(2013年)的侵蚀沟结果，中间存在5年的时差，基于已有的研究成果，黑土区侵蚀沟主要发育形成于大面积垦殖的初期[9]，现短时间内沟道数量几无变化，但长度略有变化。比较差异以数量为主，长度、宽度等为辅，总体影响不大。

2)侵蚀沟的实地测量。于2018年秋季对调查区进行实地勘测，利用手持激光测距仪(型号：SW-100A，±0.5 m，美国)对每条侵蚀沟的从沟头至沟尾间隔50 m进行测量，在转弯处、沟道变化大的部位、沟明显分叉处加测，记录观测点侵蚀沟横截面的宽度、深度，同时利用GPS记录观测点的地理坐标，记录侵蚀沟所在的土地利用类型、沟道发育状况、沟线与耕地垄向夹角等。实地标记人工修筑的排水沟，将其从侵蚀沟调查结果中剔除。

3)按侵蚀沟所在的土地利用类型将研究区侵蚀沟分为4类：耕地沟、路边沟、林地沟和主干沟。出现在耕地中的侵蚀沟被称为耕地沟；在公路、道路两旁出现的侵蚀沟被称为路边沟；出现在树林里的被称为林地沟；分布于坡面间“谷地”的“侵蚀沟道”，类似于黄土高原的“冲沟”，不满足小河道的定义，只在降雨时沟内才有水流定义为“主干沟”。跨越不同土地类型的侵蚀沟，以侵蚀沟最先发展的沟头处在的土地类型为主。

2.2 数据处理

1)将遥感解译的东北黑土区沟蚀普查数据导入ArcGIS 10.2软件中，获得调查区侵蚀沟的矢量数据，通过目视解译法得到：普查得到的侵蚀沟数量、位置、长度、宽度、面积(图2a)。

2)在ArcGIS 10.2软件中加载调查区分辨率0.5 m的卫星遥感影像，结合调查区数字高程模型(分辨率15 m)，制作调查区数字正射影像。将实测记录数据录入到Excel中，按照地理坐标属性值导入ArcGIS 10.2软件中。在ArcGIS 10.2软件中，在 ArcToolbox工具箱中执行命令Spatial Analyst工具-提取分析-按掩膜提取得到调查区实测的每条侵蚀沟的沟长、沟宽、沟深、面积，并标注每条侵蚀沟按耕地、路边、林地、主干沟划分的属性(图2b)。

3)对步骤1)得到的结果和步骤2)得到的结果在ArcGIS 10.2软件中执行命令分析工具-叠加分析，分别得到普查和实测的重复数据、实测中有普查未有的数据(图2c和图2d)。

图2 调查区普查和实测侵蚀沟分布Fig.2 Erosion gully distribution in the survey area by water resource census and field survey

3 结果与分析

3.1 普查结果的验证

3.1.1 侵蚀沟数量的比较 450 km2调查区域内，依据东北黑土区侵蚀沟普查设定了沟长100～5 000 m的范围，普查获得的侵蚀沟574条，实测得到侵蚀沟796条，普查准确率达到了72.1%。依据侵蚀沟所在的土地利用类型将研究区侵蚀沟划分为4类：耕地沟、路边沟、林地沟和主干沟(图3)，其中耕地中侵蚀沟实测421条，普查获得415条，普查跟实测得到的侵蚀沟数量近似；道路旁侵蚀沟实测获得303条，普查获得120条，普查准确率为39.6%；林地侵蚀沟实测获得72条，普查获得39条，普查准确率54.2%；13条主干沟没有被普查统计在内。

图3 调查区普查和实测数量的比较Fig.3 Comparison of the number of water resource census and field survey in survey area

3.1.2 侵蚀沟形态指标的比较 依据东北黑土区侵蚀沟普查设定了沟长100～5 000 m的范围，普查得到调查区侵蚀沟总长度350.7 km，实测总长度424.2 km，侵蚀沟长度准确率达到82.6%；普查得到调查区侵蚀沟面积647.1 hm2，实测面积1 102.8 hm2，侵蚀沟面积准确率达到58.7%(表1)。

表1 侵蚀沟形态比较Tab.1 Comparison of erosion gully morphology

其中耕地沟普查总长度为248.7 km，实测总长度为231.0 km，普查准确率达80.7%；路边沟普查总长度为83.1 km，实测总长度为166.7 km，普查准确率为49.9%；林地沟普查总长度为18.9 km，实测总长度为26.5 km，普查准确率为71.3%。耕地沟普查总面积为469.6 hm2，实测总面积为724.6 hm2，普查准确率为64.8%；路边沟普查总面积为123.8 hm2，实测总面积为285.4 hm2，普查准确率为43.4%；林地沟普查总面积为53.7 hm2，实测总面积为92.7 hm2，普查准确率为57.9%。由于侵蚀沟专项普查是基于遥感影像，难以准确判读沟头位置，造成沟长误差，加之路边沟和林地沟未能全部解译出来，是造成侵蚀沟长度和面积误差的主要原因所在。

3.2 实测调查区沟蚀现状

实际调查侵蚀沟经过实测调查共有1 044条，其中耕地中侵蚀沟571条，路边沟353条，林地沟107条，主干沟13条，分别占侵蚀沟总数量的54.7%、33.8%、10.2%和1.2%，侵蚀沟详细性状指标如表2所示，普查中未将主干沟的纳入侵蚀沟。

表2 调查区实测现状Tab.2 Actual situation of the survey area

调查区实测侵蚀沟总面积15.5 km2，侵蚀沟自身毁地占总土地面积的3.52%，其中耕地沟、路边沟、林地沟和主干侵蚀沟面积分别占侵蚀沟总面积的47.6%、18.8%、6.1%和27.5%。侵蚀沟总长度为524.2 km，其中耕地沟、路边沟、林地沟和主干侵蚀沟长度分别占侵蚀沟总长度的44.1%、31.8%、5.1%和19.1%。沟壑密度为1.16 km/km2，远高于东北黑土区普查的沟壑密度0.78 km/km2。

基于遥感+实地验证的东北黑土区侵蚀沟专项普查只能提取侵蚀沟长度、宽度和面积等信息，作为侵蚀沟立体形态指标长度、沟宽、深度以及由此换算得出的体积是衡量沟蚀程度和危害的要素，同时也是侵蚀沟防治必要参数。本研究采取实测目的除对普查结果验证外，是要对沟蚀量进行量化，分析诸参数间的相关性。根据李志洪等[10]的研究结合实际情况选取土壤密度1.4 g/cm3，调查区侵蚀沟沟道总体积为2.5×108m3，侵蚀沟土壤总侵蚀量为1.8×109t，其中耕地沟、路边沟、林地沟和主干沟土壤侵蚀量分别占3.2%、1.6%、1.8%和93.4%，单位面积侵蚀沟土壤侵蚀量为4.1×106t/km2。

3.3 普查误差原因

3.3.1 长度<100 m的侵蚀沟 东北黑土区侵蚀沟专项普查设定的侵蚀沟长度范围为100～5 000 m，故未将长度<100 m的侵蚀沟纳入普查结果中，是普查结果与实际偏差的原因之一。实测得到调查区<100 m的侵蚀沟共有235条(表3)，占侵蚀沟总数量的22.5%。其中<100 m的耕地中、道路边和林地中侵蚀沟数量分别占总侵蚀沟数量的14.4%、4.8%和3.4%。在本文“3.1.1侵蚀沟数量的比较”中，耕地沟实测421条，普查获得415条，而<100 m不在普查沟长范围实测的耕地中侵蚀沟数量为151条，主要是由于耕地中分布着诸多深度<0.5 m的浅沟，且浅沟又多与切沟相连，实测中侵蚀沟为切沟和冲沟(依据侵蚀沟分类，东北黑土区地形特征是坡缓坡长，分布于坡面的属“切沟”，分布于坡面间“谷地”的为“冲沟”。)即国际上定义的永久侵蚀沟[11]，未将浅沟纳入，是以侵蚀沟上端有明显下切位置作为沟头，而普查主要基于遥感影像，难以准断定侵蚀沟沟头位置，易造成侵蚀沟长度误差。

表3 实测侵蚀沟<100 m分布表Tab.3 Distribution of erosion gully <100 m in length

实测调查发现，<100 m耕地中的侵蚀沟主要位于主干沟两侧的坡耕地上，多为支沟，是目前对坡耕地危害最大的侵蚀沟类型，造成地块破碎化，阻碍农机作业。道路旁的侵蚀沟主要为田块边缘的农田道路，农机碾压后形成的车辙，暴雨时形成的汇水通道，多为新形成的侵蚀沟，如果忽视，后期道路会向农田中侧移，侵占耕地。林地中的侵蚀沟大部分属于发展侵蚀沟。

3.3.2 路边沟和林地沟 普查得到道路旁的侵蚀沟和林地中的侵蚀沟数量分别为120条和39条，实测获得路边沟和林地沟数量分别为302条和70条，普查准确率分别为39.7%和55.7%。普查所采用的2.5 m影响难以有效地将农田道路和侵蚀沟区分，林木遮挡难以全部识别林下侵蚀沟所致。剔除普查中路边沟和林地沟，余下未能普查出的路边沟总长度和总面积分别为87 m和167.8 hm2，分别占调查区侵蚀沟总长度和总面积的20.5%和15.2%；余下未能普查出的林地沟总长度和总面积分别为10.1 m和45.3 hm2，分别占调查区侵蚀沟总长度和总面积的2.4%和4.1%(表4)。

表4 普查和实测路边沟和林地沟的差别Tab.4 Difference between water resource census and field survey of roadside gully and woodland gully

3.3.3 主干沟 按侵蚀沟和小河道定义，主干沟只有降雨时才有水流，应属于侵蚀沟范畴，分布于两相邻分水岭次岗间的谷地，是侵蚀沟最先发育形成地，长度、宽度和深度显著大于分布于两侧坡面的支沟，是坡面侵蚀沟连接河道的主排水通道，在沟蚀面积和侵蚀量中占有较大的比例。按照定义，实测得到调查区共有主干沟12条(表5)。

表5 调查区主干沟现状Tab.5 Present situation of main gullies in thesurvey area

调查区主干沟虽然只有12条，但是无论是从单位长度、单位面积都显著大于其他类型的侵蚀沟。如不将主干沟纳入侵蚀沟统计中，侵蚀沟长度低估23.6%，沟蚀面积低估38.0%。

2.4 普查与实测对沟蚀评估比较

普查结果不包括主干沟数量，大多属于小、中型侵蚀沟，虽处于发展危害加剧阶段，但易于治理，应及早防治。未被纳入东北黑土区侵蚀沟专项普查的主干沟对区域沟道影响较大(表6)。

表6 不同条件下沟蚀评价差异Tab.6 Different conditions of channel erosion evaluation

在研究面积相同的情况下，实测比普查总数量、总长度和总面积分别提高82%、54%和135%。SL 446—2009《黑土区水土流失综合防治技术标准》[12]对沟蚀强度的分级有沟壑密度和沟谷面积比2个指标，从2个指标来看分别提高1到2个等级。剔除主沟道13条，实测沟道共有1 031条，沟谷面积比2.45%(强烈)，沟壑密度0.94 km/km2(轻度)，侵蚀强度均下降一级。水利普查时未将主干沟算作侵蚀沟，闫业超等[13]的研究结果指出应属于侵蚀沟的一种。本研究发现，是否将主干沟纳入侵蚀沟调查结果，对沟蚀评估影响较大。总体来说，研究区侵蚀沟数量多，沟壑密度大，沟谷面积大，沟蚀强度剧烈，东北黑土区沟蚀现状不容乐观。姜芸等[14]通过对嫩江县的研究和胡刚[15]通过对小兴安岭向松嫩平原过度的漫川漫岗地带的研究和李浩等[16]对海伦市光荣村的研究得出的观点与本文研究观点类似。

4 讨论

4.1 遥感解译侵蚀沟的局限性

4.1.1 分辨率对侵蚀沟形态数量上的影响 普查采用的遥感图是分辨率2.5 m的彩色/灰度图，实测采用的是基于分辨率0.4～0.6 m的真彩色遥感图+实地测量；普查是通过对遥感解译影像和分辨率为30 m的地形图的叠加来确定沟道的位置、形态，实测采用的是野外实测确定，结合室内分辨率为15 m的地形图进行矢量化。例如以调查区1条具体的侵蚀沟为例，在实测和普查不同分辨率DEM的解译下，得到不同长度、面积的2个结果(图4)。

红色为实测侵蚀沟范围；蓝色为普查侵蚀沟范围。The red box selection area is the field survey; the blue box selection area is the water resources census. 图4 调查区普查与实测对比Fig.4 Comparison between water resources census and the field survey in survey area

随着DEM精度的提高，地形更趋于真实情况，地形坡度变化整体偏大，地形起伏变化程度增加，地表形态趋于真实值。低精度的DEM地表平滑作用越明显，显示的信息更少，更少的信息意味着低分辨率的DEM无法准确表达调查区的真实情况。因为分辨率的影响，普查并没有解译<100 m的侵蚀沟，虽然<100 m的侵蚀沟在长度和面积上占比小，但<100 m的侵蚀沟大多处在耕地中。如果忽视，耕地中的侵蚀面积将被低估，不仅影响农机的耕作，还会缩减耕地面积。虽然处在危害加剧的阶段，但是现阶段便于治理，应该加以重视，及早防治。

4.1.2 不同类型侵蚀沟造成的差别 调查区实测共得侵蚀沟数量1 044条，普查得到的调查区侵蚀沟数量为574条。除了因为分辨率的原因造成二者之间的差别之外，还有不同类型侵蚀沟造成数量上的差别(图5)。

A.被树林遮挡的侵蚀沟; B.主干沟; C.道路旁的侵蚀沟。A.Erosion gullies blocked by the forest. B.Depression of ditch. C.Erosion gullies next to the road. 图5 不同类型侵蚀沟造成调查结果差别Fig.5 Different types of erosion gully resulted in different investigation results

由于被树林的遮挡，从卫星影像上无法分辨出的侵蚀沟；水利普查时未将主干沟算作沟蚀；由于道路旁的人工修筑的排水沟跟实际道路旁侵蚀沟的差别。采用遥感解译加实测，林地侵蚀沟增加68条、主干沟增加12条、道路旁侵蚀沟增加233条。

4.2 遥感解译与实测结合的探讨

反映侵蚀沟形态的指标：包括长度、宽度、深度、占地面积。对调查区侵蚀沟沟道沟长、沟宽、沟深、面积和沟道体积相关分析发现，长- 面积、长- 体积、宽- 面积、宽- 体积和面积- 体积拟合程度相对较好，R2分别为0.749、0.575、0.501、0.570和0.936，R2>0.5表明数据拟合的程度较好，其中以面积- 体积拟合程度最好，公式为：y=3.532 2x-0.866 8。

表7 相关性系数表Tab.7 Table of correlation coefficients

5 结论

1)调查区普查侵蚀沟574条，实测共得到侵蚀沟1 044条，二者相差470条，侵蚀沟被低估约1倍。其中包括未统计主干沟虽然只有13条，但是主干沟面积达到418.6 hm2，对调查区沟蚀强度评价影响较大。

2)调查区以沟壑密度计，普查得到沟壑密度为0.78 km/km2，沟蚀强度属轻度，实测得到沟壑密度达1.16 km/km2，沟蚀强度属中度；以沟谷面积比计，普查得到沟谷面积比1.44%，沟蚀强度属强烈，实测得到沟谷面积比3.38%，沟蚀强度属剧烈，调查区沟蚀强度被低估了1个等级。

3)通过对普查结果的实测验证，不同类型的侵蚀沟数量存在显著性差异。主要在于DEM的分辨率和和部分沟道信息从卫星影像上较难获取，DEM分辨率的高低决定调查区所获得信息的多少，此外卫星影像上部分沟道信息被遮挡。

4)通过对侵蚀沟形态指标进行相关性分析，发现面积- 体积拟合程度最好，R2=0.936。

5)调查区潜在待治理的侵蚀沟多为小型沟，大多处在耕地中，易于治理；本研究为后期调查区小型沟的治理、浅沟的处理、主干沟是否治理提供了科学依据。