砒砂岩区小流域坡沟系统地形及侵蚀分异规律

谢梦瑶, 任宗萍, 张晓明, 李占斌, 马晓妮, 李骁政

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点试验室，西安 710048;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

作为我国主要的侵蚀类型，水力侵蚀具有分布广、面积大的特点，是我国水土资源流失的主要成因之一。黄河流域晋陕蒙接壤处分布着1.67万km的砒砂岩，该类岩层结构强度低，极易受到侵蚀外营力作用，受区域雨热同期及岩层遇水成泥特性影响，6—9月水土流失现象频发，是黄河粗泥沙的主要来源区，与此同时，受降水量、土壤等非生物因子制约，该区生态环境脆弱，综合治理难度高，是黄河流域高质量发展亟需补强的主要短板之一。为防治该区水土流失，区域采取系列工程、植被、耕作等水土保持措施，其中以退耕还林还草、梯田、淤地坝建设为主要先锋措施，在区域系统综合治理下，该区整体水土流失状况得到改善，已有研究表明，区域植被向好、水土流失面积减少、河流输沙量锐减、流域蓄水保土能力提升。在此背景下，该区治理进程正处于从面转点、合理布局的关键转折点，因此细化研究该区生态薄弱区的侵蚀现状对后续因地制宜、有的放矢地科学管控具有重要意义。

坡沟系统作为黄土高原地区小流域治理的最小整体单元，其地形、生物学、侵蚀因子具有较明显的垂向分异性。目前，坡沟系统的水土流失规律研究多结合植被格局、泥沙来源、侵蚀产沙开展，极大地丰富了坡沟系统水土流失机理及调控方式的认知，但上述研究大多集中于小区、模拟流域尺度。以完整的流域坡沟系统为不同子系统视角分析地形、侵蚀分布差异性的研究较少，且由于该区退耕还林还草等系列政策的实施，区域生态稳步提升，区域侵蚀近况亟待更新。近年来，随着无人机测绘及处理技术的发展，为精细化分析流域坡沟系统地形、侵蚀分布提供了数据基础。因此，本文选取位于准格尔旗的3个典型砒砂岩区小流域调查单元，旨在探明相同气候条件下，典型小流域坡沟系统地形差异性、水力侵蚀分布及其关联性，提升对砒砂岩区小流域地形、侵蚀特征的再认识，促进砒砂岩区后续治理方向的明晰化。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选用了位于内蒙古自治区准格尔旗的二老虎支沟(39°47′—39°49′N，110°35′—110°37′E)、什卜尔泰支沟(39°47′—39°48′N，110°35′—110°37′E)、特拉沟支沟小流域(39°34′—39°35′N，110°57′—110°58′E)作为典型砒砂岩区小流域调查单元(图1)。小流域面积分别为42.9，5.7，2.1 hm，综合流域基岩出露及覆盖类型，将上述小流域作为覆土区、裸露区、覆沙区的代表性小流域。流域隶属于温带大陆性气候带，雨热同期，根据准格尔旗气象站观测数据，研究区多年平均气温、平均降水量、平均风速分别为7.7 ℃、400.7 mm、1.9 m/s。受限于当地土肥气热条件，区域植被类型多以抗旱物种为主，常见草本为针茅(Linn.)、羊草((Trin.) Tzvel.)，常见灌木为沙棘(Linn.)、柠条(Kom.)，常见乔木为油松(Carr.)、山杏((L.) Lam.)。

图1 小流域位置示意

1.2 数据来源与处理

气象数据：准格尔旗2013-2017年日降水数据来源于当地气象局；地形数据：基于Phantom 4 Pro获取研究区数字图像，结合Agisoft PhotoScan对数字图像进行摄影测量处理，生成流域正射影像及高精度DEM(分辨率1 m)；土地利用数据：根据小流域正射影像，通过目视解译小流域的沟沿线及土地利用分布(图2)；NDVI数据：使用ENVI处理Landsat 8数据获取2017年数据(分辨率30 m)；土壤属性数据：颗分采用Mastersizer 2000测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定。

图2 小流域数字影像

1.3 研究方法

1.3.1 小流域高分辨率地形因子提取与分析 研究使用ArcGis 10.2对小流域数字高程进行地形特征参数(坡度、地表粗糙度、地表切割深度、坡向)提取，结合沟沿线这一特殊的地貌结构线划分流域坡、沟系统，基于统计学理论对小流域地形属性的分布规律、统计特征开展相应分析。

1.3.2 CSLE 采用中国土壤流失方程(CSLE)计算小流域水力侵蚀模数，计算公式为：

=······

(1)

式中：为土壤水蚀模数[t/(hm·a)]；为降雨侵蚀力因子[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；为土壤可蚀性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；和分别为坡长和坡度因子(无量纲)；为植被覆盖与生物措施因子(无量纲)；为工程措施因子(无量纲)；为耕作措施因子(无量纲)。

(1)降雨侵蚀力因子()

采用章文波等公式计算准格尔旗的半月降雨侵蚀力()，计算公式为：

(2)

式中：为第年第个半月的侵蚀力[(MJ·mm)/(hm·h)]；为模型参数，反映区域降雨特征；为再优化参数；为第个半月时段内的天数；为第年第个半月时段内第天的侵蚀性日雨量(侵蚀性日降雨量标准为日降雨量≥12 mm，否则以0计算)。

(3)

(4)

多年平均半月降雨侵蚀力占年降雨侵蚀力的比例为：

(5)

式中：为第个半月的多年平均半月降雨侵蚀力占年降雨侵蚀力的比例。

(2)土壤可蚀性因子()

结合实测土壤理化性质，采用Williams模型计算土壤可蚀性()：

(6)

式中：为土壤可蚀性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；=1-/100；为砂粒含量(%)；为粉粒含量(%)；为黏粒含量(%)；为有机碳含量(%)；0.131 7为值由美国制转国际制系数。

(3)坡长和坡度因子(、)

坡长和坡度因子基于LS_Tool提取，计算方法为：

(7)

式中：为第段坡长因子；和-1分别为汇流起点到第和第-1个栅格的累计坡长(m)；坡长指数，=0.2(≤1°)、=0.3(1°<≤3°)、=0.4(3°<≤5°)、=0.5(>5°)。

(8)

式中：为坡度因子；为坡度(°)。

(4)植被覆盖与生物措施因子()

园地、林地、草地因子采用计算公式为：

(9)

式中：为植被覆盖与生物措施因子；SLR为第个半月的土壤流失比率；为第个半月的多年平均半月降雨侵蚀力占年降雨侵蚀力的比例。

灌木林地SLR计算公式为：

(10)

果园、有林地、其他林地SLR计算公式为：

SLR=044468×exp(-3.20096×)-

0.04099×exp(FVC-FVC×)+0025

(11)

草地SLR计算公式为：

(12)

式中：SLR为第个半月的土壤流失比率；FVC为植被覆盖度；为乔木林林下盖度。

(5)区域内主要水土保持工程为鱼鳞坑，故对应的水土保持工程措施因子()取值为0.249。

(6)小流域无耕地，因此耕作措施因子()取值为1。

2 结果与分析

2.1 砒砂岩区典型小流域地形差异性分析

选取的典型小流域的坡度、地表粗糙度、地表切割深度、坡向特征见图3。从小流域、坡面、沟道3种范围对上述地形因子进行多视角分析，结果显示，坡度、地表粗糙度、地表切割深度在3种范围内排序相一致，小流域上来看各统计值大小依次为特拉沟支沟(覆沙)、什卜尔泰支沟(裸露)、二老虎支沟(覆土)，受流域坡面、沟道面积比影响，当统计范围变换至坡面、沟道时，地形因子统计值的大小排序在什卜尔泰支沟、二老虎支沟发生变化(表1)。与此同时，综合对比各地形因子在3种范围内的均值和标准差分布，沟道上述统计值均大于坡面，说明该区坡面地形较平缓，沟道地形破碎且较坡面地形差异较大。以坡度为例，小流域范围内，均值为21.8°～27.3°；坡面范围内，均值为6.0°～13.2°；沟道范围内，均值上升至34.5°～41.6°。根据小流域坡度分级占比(图4)，二老虎支沟、什卜尔泰支沟在小流域及坡面范围内以0～5°为主要坡度区间，沟道范围内则以35°～40°为主要坡度区间；特拉沟支沟在坡面范围内的主要坡度区间为5°～10°，小流域及沟道范围内>45°的坡度占比大于其他分级下的占比，上述结果主要受区域侵蚀沟发育过程影响，在一定程度上辅证了覆沙小流域的溯源侵蚀较其他覆盖(覆土、裸露)小流域剧烈。根据小流域坡向占比(表2)，二老虎支沟、什卜尔泰支沟以阳坡(东南坡、南坡、西南坡、西坡)为主，占比为55.6%～70.6%；特拉沟支沟以阴坡(北坡、东北坡、东坡、西北坡)为主，占比为54.2%～55.4%。

表1 小流域地形因子统计值

表2 小流域坡向分级占比 单位：%

图3 小流域高分辨率地形因子数据库

图4 小流域坡度分级占比

2.2 砒砂岩区典型小流域水力侵蚀评价

水蚀因子图层经叠置分析得到砒砂岩区典型流域水力侵蚀空间分布(图5)，典型小流域的水力侵蚀模数在小流域、坡面、沟道3种范围内的统计结果(表3)显示，区域水力侵蚀模数统计值在小流域、沟道范围内排序一致，呈什卜尔泰支沟(裸露)>特拉沟支沟(覆沙)>二老虎支沟(覆土)；坡面范围内水力侵蚀模数统计值排序发生变化，大小依次为特拉沟支沟、二老虎支沟、什卜尔泰支沟。总体上，区域典型小流域的水力侵蚀模数高值位于沟道，坡面水力侵蚀模数差异较小，小流域范围内，均值为24.5～58.5 t/(hm·a)；坡面范围内，均值为1.5～3.9 t/(hm·a)；沟道范围内，均值上升至49.3～97.5 t/(hm·a)。由小流域水力侵蚀分级占比(表4)可以得出，小流域及坡面范围内，微度侵蚀为小流域的主要侵蚀分级，占比分别超过54.7%，87.2%，沟道范围内，流域各侵蚀分级的比重发生变化，微度侵蚀以上的占比增加，达67.2%。上述研究结果显示，典型流域的水力侵蚀空间分布与地形因子在格局上存在差异，这是由于区域水力侵蚀除了受地形因子影响，亦与岩层上方覆被状况相关。

表3 小流域水力侵蚀模数统计值 单位：t/(hm2·a)

表4 小流域水力侵蚀分级占比 单位：%

图5 小流域水力侵蚀模数分布

2.3 砒砂岩区典型小流域水力侵蚀及其与地形因子关联分析

以坡度、地表粗糙度、地表切割深度为自变量，侵蚀模数为因变量进行两变量相关分析(表5)，分析结果显示，上述3类地形指标与水力侵蚀模数呈显著正相关关系(<0.001)，水力侵蚀模数与各地形因子相关性为>>，与此同时，小流域尺度上各因子的相关性排序一致，大小依次为什卜尔泰支沟(裸露)、二老虎支沟(覆土)、特拉沟支沟(覆沙)，说明相比于其他覆盖(覆土、裸露)，覆沙小流域的地形除了受水力侵蚀这一重要的地形重塑作用影响，仍存在其余较显著因素共同作用。

表5 小流域水力侵蚀模数及其与地形因子的相关性分析

提取了不同侵蚀分级背景下的坡度、地表粗糙度、地表切割深度均值及坡向占比(图6)，结果显示，不同侵蚀分级下，3个典型小流域坡度、地表粗糙度、地表切割深度均值的分布较一致，总体随侵蚀分级增长而增加；各侵蚀分级在坡向的分布结果显示，当砒砂岩区典型小流域侵蚀达强度侵蚀以上，阳坡成为主要分布坡向，占比达56.8%～75.8%，其中特拉沟支沟小流域在剧烈及极强度分级下东南坡占比达该类型侵蚀像元的52.3%，41.2%，结合2.1和2.2节的分析结果表明，沟道及其阳坡是本次研究流域发生水土流失的关键点位。

图6 不同土壤侵蚀分级背景下的地形特征

3 讨 论

本研究表明，不同覆盖下的砒砂岩区典型小流域地形指标存在差异，覆沙小流域地表较其他覆盖(覆土、裸露)小流域破碎且坡度较陡。有关覆沙坡面的对照试验表明，相似降水条件下，覆沙坡面较对照组产沙量增加，且侵蚀沟多以沟壁扩张与溯源侵蚀形式扩张，上述结论在一定程度上与本研究得到的特拉沟支沟(覆沙)的地形指标统计值较其他覆盖小流域(覆土、裸露)偏大这一结论相互验证。此外，本研究选取的3个典型小流域，坡面尺度上，以林草为主要土地利用类型，因此坡面尺度的侵蚀模数与地形因子大小相一致，但沟道尺度上，受基岩出露影响，侵蚀模数量级排序发生变化，什卜尔泰支沟(裸露)的侵蚀模数约为二老虎支沟(覆土)的2倍，因此，砒砂岩区综合治理重点亟需向裸露砒砂岩及沟道治理调整。本文中关于典型小流域水力侵蚀与地形因子的关联分析显示，坡度、地表粗糙度、地表切割深度大的地方，易发生较严重的侵蚀，且因阳坡植被生境(土壤水分限制为主因)弱于阴坡，该坡向的地貌单元侵蚀剧烈程度较大。相较于仅从流域尺度研究流域侵蚀，本文补充完善了坡面、沟道尺度的侵蚀对照结果，并在此基础上量化了地形因子与侵蚀的互相关关系，以期为后续治理提供更精准的科学建议。事实上，侵蚀是一个比本文研究更复杂的系统，受砒砂岩吸水易崩解特性影响，该区诸如崩塌、泻溜等重力侵蚀现象较多，后续进一步研究中，可补充沟道裸露基岩处失稳临界的相关机理性试验深化黄土高原重点薄弱区的侵蚀研究，促进该区科学治理。

4 结 论

(1)小流域范围内，各地形因子统计值呈特拉沟支沟(覆沙)>什卜尔泰支沟(裸露)>二老虎支沟(覆土)；小流域、沟道范围内，水力侵蚀模数统计值呈什卜尔泰支沟(裸露)>特拉沟支沟(覆沙)>二老虎支沟(覆土)。

(2)坡面、沟道范围内的地形因子和坡面范围内的水力侵蚀模数统计值变化为特拉沟支沟(覆沙)>二老虎支沟(覆土)>什卜尔泰支沟(裸露)，上述地形因子统计值变化受流域坡面、沟道面积比影响，水力侵蚀模数统计值变化受流域坡面、沟道地形、覆被差异影响。

(3)各流域沟道范围内的地形因子和水力侵蚀模数均值均大于坡面范围内的对应值，且较坡面该值差异大，流域坡面以微度侵蚀为主，占比达87%～97%，沟道微度侵蚀占比较坡面该值下降54%～72%，是后续小流域治理亟待加强的部分。

(4)砒砂岩典型流域坡度、地表粗糙度、地表切割深度与水力侵蚀模数呈显著正相关关系(<0.001)，随着侵蚀分级增加上述地形因子均值总体增加；砒砂岩区典型小流域侵蚀达强度侵蚀以上，阳坡成为主要分布坡向，占比达56.8%～75.8%。