東北漫崗黑土區(qū)防護(hù)林帶分布對(duì)淺溝侵蝕的影響

蘇子龍，崔 明，范昊明

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng)110866；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京100091）

淺溝侵蝕是坡耕地常見的侵蝕方式之一［1］，一般是指由集中水流引起的溝道，通常在同一個(gè)地方重復(fù)出現(xiàn)，而且每年會(huì)被耕作消除［2］。東北漫崗黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，但是目前當(dāng)?shù)氐耐寥狼治g的情況不容忽視，淺溝侵蝕在黑土區(qū)坡耕地上十分普遍［3］，不僅影響耕作，還導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降。許多學(xué)者已對(duì)該區(qū)的淺溝侵蝕展開研究，如范昊明等［4］通過對(duì)漫崗黑土區(qū)土壤侵蝕垂直分帶性的研究指出淺溝、切溝主要出現(xiàn)在坡耕地的中下部；胡剛等［5］通過對(duì)漫崗黑土區(qū)鶴北流域兩個(gè)典型小流域淺溝發(fā)育的研究，認(rèn)為該區(qū)淺溝處于快速發(fā)展時(shí)期，且該區(qū)坡長(zhǎng)坡緩的地形特點(diǎn)決定了淺溝發(fā)育的臨界匯水面積大于黃土高原、臨界坡度小于黃土高原；崔明等［6］通過對(duì)雨季淺溝發(fā)育機(jī)理的分析，認(rèn)為不合理的耕作方式和微地形起伏造成的水流匯集是該地區(qū)淺溝侵蝕的主要原因，集水線處壟溝內(nèi)泥沙淤積致使水道連通是誘發(fā)淺溝侵蝕的直接原因。

防護(hù)林體系是東北漫崗黑土區(qū)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，對(duì)坡面和小流域的產(chǎn)流、匯流以及產(chǎn)沙、輸沙過程具有重要的影響。以往的研究主要從防護(hù)林帶的涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、減少泥沙等方面闡述其水土保持作用［7－8］，很少有學(xué)者從分布角度來探討防護(hù)林帶對(duì)土壤侵蝕的影響。研究防護(hù)林帶分布與淺溝發(fā)育的相關(guān)關(guān)系，對(duì)漫崗黑土區(qū)的淺溝防治及防護(hù)林帶布設(shè)改進(jìn)具有重要的意義。本文基于RS和GIS技術(shù)，分析漫崗黑土區(qū)防護(hù)林帶的布局情況，并從該角度出發(fā)，揭示其與淺溝發(fā)育的相關(guān)關(guān)系，以期能為該地區(qū)防護(hù)林建設(shè)規(guī)劃和水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)楹邶埥∧劢h農(nóng)墾九三分局鶴山農(nóng)場(chǎng)六隊(duì)附近的2號(hào)小流域（東經(jīng)125°16′，北緯48°58′），流域面積為3.69km2，地處小興安嶺西南麓丘陵漫崗地帶，坡長(zhǎng)較長(zhǎng)，地形起伏較小，被當(dāng)?shù)厝朔Q為“漫川漫崗”，屬于典型黑土區(qū)。該區(qū)平均年降雨量在550mm左右，降雨集中在夏季。坡耕地為小流域內(nèi)主要的土地利用方式，主要種植大豆和小麥。另外，流域內(nèi)分布有面積較少的防護(hù)林帶和人工林地，樹種為落葉松和楊樹。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的選擇和處理

本研究采用2007年9月5日17時(shí)44分54秒拍攝的研究區(qū)Quickbird遙感影像，此時(shí)，研究區(qū)的雨季已接近結(jié)束，淺溝發(fā)育已非常微弱。利用ENVI 4.4將分辨率為0.61m的全色影像和分辨率為2.44 m的多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分變換融合，采用立方卷積插值法重采樣，然后進(jìn)行正射校正和銳化增強(qiáng)處理，最后按照研究區(qū)范圍進(jìn)行剪切，得到分辨率為0.61m的研究區(qū)真彩色影像，用于提取淺溝和防護(hù)林。在ArcGIS 9.2中將1∶10 000地形圖生成空間分辨率為5m的DEM，用來提取地形參數(shù)。所有空間數(shù)據(jù)均采用橫軸莫卡托（Transverse Mercator）投影和WGS—1984坐標(biāo)系。

2.2 防護(hù)林帶、淺溝及其地形參數(shù)的提取

本文采用野外實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)計(jì)算機(jī)提取防護(hù)林帶、淺溝及其地形參數(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，同時(shí)參考以往的相關(guān)資料。

2.2.1 防護(hù)林帶的提取及其分布規(guī)律的確定 根據(jù)以往相關(guān)資料和實(shí)地調(diào)查結(jié)果，確定研究區(qū)內(nèi)防護(hù)林帶的解譯標(biāo)志并從遙感影像上提取防護(hù)林帶。研究區(qū)內(nèi)主要為平行林帶，并未形成網(wǎng)狀格局，因此，選取防護(hù)林帶坡面位置、帶間距、走向和間斷等作為確定防護(hù)林帶分布的參數(shù)。其中，防護(hù)林帶坡面位置由防護(hù)林帶所在坡面的平均分水距確定。

2.2.2 淺溝及其地形參數(shù)的提取 結(jié)合實(shí)地調(diào)查情況和以往的研究資料，將遙感影像放大至可識(shí)別的單個(gè)像元，目視勾繪淺溝，確定淺溝的長(zhǎng)度、數(shù)量和位置。在ArcGIS軟件中運(yùn)用查詢功能選擇坡面坡度最大處作為淺溝形成的初始位置，以此量算淺溝的臨界坡度［9］，同時(shí)確定淺溝的臨界坡長(zhǎng)、并運(yùn)用水文模塊提取上坡臨界匯水區(qū)。

圖1 2號(hào)小流域淺溝和防護(hù)林帶分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 防護(hù)林帶分布規(guī)律

研究區(qū)內(nèi)共有防護(hù)林帶9條，樹種較為單一，只有落葉松。防護(hù)林帶總面積為14.93hm2，占林地總面積的76.86%，流域總面積的4.05%，均分布在坡耕地上，從坡頂至谷底均有分布。其中陽(yáng)坡上有3條、陰坡上有1條、半陽(yáng)坡有4條、谷底有1條。另外，在保證防治風(fēng)害的同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)防護(hù)林帶還兼顧了充分利用土地資源和方便耕種的要求，主副林帶基本與所處各坡面坡長(zhǎng)方向垂直。主林帶最小間距為284.6m，最大間距為472.0m，平均間距為354.1 m；副林帶間距相差不大，平均間距為268.0m。此外，作為線狀廊道，間斷是防護(hù)林帶重要的度量指標(biāo)。有些間斷是為農(nóng)用機(jī)具進(jìn)出農(nóng)田預(yù)留的空隙，而有些是由于管理不善或人為破壞造成的。間斷通常以單位長(zhǎng)度廊道上的間斷數(shù)目來量度［10］，稱為間斷指數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)平均每條林帶有3個(gè)間斷，平均間斷指數(shù)達(dá)到了2.50個(gè)／km，有4條防護(hù)林帶的間斷個(gè)數(shù)在3個(gè)以上，表明該區(qū)大部分防護(hù)林帶破損情況已非常嚴(yán)重，亟需修補(bǔ)和維護(hù)。防護(hù)林帶各分布屬性數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2號(hào)小流域防護(hù)林帶分布屬性

3.2 淺溝的侵蝕特征

根據(jù)遙感影像的解譯結(jié)果，2號(hào)小流域共有淺溝13條，侵蝕溝密度達(dá)到了0.74km／km2（表2）。根據(jù)水利部黑土區(qū)溝蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)僅淺溝侵蝕就已接近中度侵蝕強(qiáng)度，還未算上細(xì)溝和切溝等引起的侵蝕，由此可見，當(dāng)?shù)氐耐寥狼治g狀況已非常嚴(yán)重。淺溝侵蝕規(guī)律主要表現(xiàn)在發(fā)生位置、分布形式及其各項(xiàng)特征值的變化上［11］，本文將從分布特征和發(fā)育特征兩方面分析研究區(qū)的淺溝侵蝕規(guī)律。

3.2.1 淺溝的分布特征 淺溝分布受坡型控制明顯，多分布在低洼水線附近，分布形式受坡型影響呈現(xiàn)出輻散狀和平行狀。淺溝間距反映了淺溝分布隨坡面形態(tài)的不同而產(chǎn)生的變化［11］，研究區(qū)的淺溝間距變化于70～660m，平均間距為290m左右，遠(yuǎn)大于黃土高原區(qū)的淺溝間距；并且研究區(qū)淺溝分布較為分散，與黃土高原區(qū)不同，其分布間距沒有明顯的集中范圍。另外，研究區(qū)內(nèi)淺溝的臨界坡長(zhǎng)變化于70～670m，最小為72.4m，最大為665.9m，平均臨界坡長(zhǎng)為313.5m，大部分集中在200～400m，遠(yuǎn)大于黃土高原區(qū)的臨界坡長(zhǎng)，這是由漫崗黑土區(qū)坡長(zhǎng)坡緩的地形特點(diǎn)決定的。

3.2.2 淺溝的發(fā)育特征 臨界坡度和臨界匯水面積是表征淺溝發(fā)育的主要特征值［11］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)臨界坡度變化為2.6°～5.1°，最小為2.64°，最大為5.06°，大部分集中在3.2°～4.2°，平均為3.59°，遠(yuǎn)小于黃土高原區(qū)的15°～20°的臨界坡度值。由于臨界坡度較小，淺溝的生成和發(fā)育就需要較大的匯水面積。研究區(qū)內(nèi)臨界匯水面積0.5～15hm2，平均為4.88hm2，主要集中在4～7hm2的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于黃土高原區(qū)的0.04～0.08hm2［11］。需要注意的是，這里所統(tǒng)計(jì)的臨界匯水面積由于受到研究區(qū)內(nèi)防護(hù)林帶的影響，比實(shí)際形成淺溝所需要的臨界匯水面積要大。

3.3 防護(hù)林帶分布對(duì)淺溝侵蝕的影響

3.3.1 防護(hù)林帶個(gè)數(shù)對(duì)淺溝侵蝕的影響 位于淺溝匯水區(qū)內(nèi)的防護(hù)林帶具有切割匯水區(qū)的作用，本文對(duì)小流域內(nèi)各淺溝匯水區(qū)內(nèi)的防護(hù)林帶個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)分別分析匯水區(qū)內(nèi)林帶個(gè)數(shù)與臨界匯水面積、臨界坡長(zhǎng)和臨界匯水區(qū)平均寬度的相關(guān)關(guān)系。得出林帶個(gè)數(shù)與臨界匯水面積和臨界坡長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.610和0.746，可見林帶個(gè)數(shù)與臨界坡長(zhǎng)相關(guān)系數(shù)大于臨界匯水面積，而林帶個(gè)數(shù)與臨界匯水區(qū)平均寬度相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)僅為0.287。這主要是由于研究區(qū)內(nèi)防護(hù)林帶均為橫坡林帶，對(duì)淺溝匯水區(qū)的影響主要體現(xiàn)在對(duì)匯水區(qū)坡長(zhǎng)的切割上，而對(duì)匯水區(qū)寬度的影響有限。當(dāng)坡面坡長(zhǎng)一定時(shí)，增加林帶的個(gè)數(shù)、減小林帶間距可以增大淺溝的臨界坡長(zhǎng)和臨界匯水面積。

3.3.2 防護(hù)林帶間距對(duì)淺溝侵蝕的影響 研究區(qū)內(nèi)淺溝發(fā)生的最小臨界坡長(zhǎng)為不受林帶影響的淺溝EG3的臨界坡長(zhǎng)72.4m，而研究區(qū)內(nèi)最小的防護(hù)林帶間距為267.7m，遠(yuǎn)大于研究區(qū)內(nèi)的最小臨界坡長(zhǎng)。這說明防護(hù)林帶間距過大，即使不考慮上方來水，僅在2條林帶之間的坡面上也有可能產(chǎn)生淺溝。因此，防護(hù)林帶間距對(duì)研究區(qū)內(nèi)坡耕地上淺溝發(fā)育影響有限，縮小防護(hù)林帶間距是防治淺溝發(fā)生的有效方法。

由于研究區(qū)內(nèi)淺溝的臨界坡長(zhǎng)（L臨界）和在其臨界匯水區(qū)內(nèi)的防護(hù)林帶個(gè)數(shù)（n）呈顯著正相關(guān)，故作回歸分析，得到回歸方程（P≤0.05）：

表2 2號(hào)小流域淺溝侵蝕特征值

而坡面平均長(zhǎng)度（L）為：

式中：D，d——防護(hù)林帶間距和防護(hù)林帶寬度。在滿足防護(hù)林帶間距（D）小于最小淺溝臨界坡長(zhǎng)（Lmin）的情況下，取極限情況L臨界＝L，聯(lián)立（1）、（2）兩式，可得到：

式（3），（4）所得到的n和D 為研究區(qū)內(nèi)防治淺溝發(fā)生的坡面防護(hù)林帶個(gè)數(shù)和帶間距的值。但是由于研究區(qū)內(nèi)樣本較少，所擬合的方程（1）精度有限；另外，防護(hù)林帶個(gè)數(shù)增加、間距減少勢(shì)必會(huì)對(duì)坡耕地的經(jīng)濟(jì)效益和耕作的難易產(chǎn)生影響，因此，如何在它們之間取得平衡，還需要更深入的探討。

3.3.3 防護(hù)林帶的走向?qū)\溝侵蝕的影響 防護(hù)林帶的走向主要是通過影響坡耕地耕作方式進(jìn)而影響淺溝侵蝕。研究區(qū)內(nèi)大部分農(nóng)田為壟作，為方便耕作、減少農(nóng)機(jī)具調(diào)頭次數(shù)，同時(shí)避開防護(hù)林帶的干擾，耕地壟向基本與防護(hù)林帶走向一致，這使得壟溝筆直穿過坡面上的低洼水線，形成局部順坡壟。在降雨或融雪時(shí)，兩側(cè)挾沙水流沿壟溝向低洼水線集中，水流所帶泥沙在此處淤積，從而抬高壟溝，使該處水道連通，在此匯集的積水順低洼水線形成坡面股流，當(dāng)其沖刷力大到足以沖毀壟臺(tái)時(shí)，淺溝便開始發(fā)育［6］。

3.3.4 防護(hù)林帶間斷對(duì)淺溝侵蝕的影響 如圖1所示，研究區(qū)內(nèi)有7條淺溝的集水線穿過間斷，其中有1條淺溝直接通過間斷穿過林帶。這主要是由于低洼水線附近的防護(hù)林帶形成局部的順坡林帶，當(dāng)坡面漫流遇到林帶后，除少部分入滲外，大部分沿林帶流向坡面低洼處，若集水線正好通過間斷或在間斷附近，水流就會(huì)在間斷處匯集形成股流穿過間斷，沿集水線流下坡面，形成淺溝。值得注意的是，即使沒有間斷，若在集水線附近形成的股流沖刷力足夠大，淺溝也會(huì)穿過林帶繼續(xù)發(fā)育，例如淺溝EG9和EG11。但淺溝在防護(hù)林帶處發(fā)生了間斷，并在其上方形成淤積，下方形成跌坎，這說明防護(hù)林帶具有減緩徑流沖刷力的作用。

4 結(jié)論

（1）淺溝匯水區(qū)內(nèi)防護(hù)林帶個(gè)數(shù)與淺溝的臨界坡長(zhǎng)和臨界匯水面積呈顯著正相關(guān)，而與臨界匯水區(qū)平均寬度相關(guān)關(guān)系不顯著，說明由于受到防護(hù)林帶影響，淺溝的發(fā)育需要更大的匯水面積，這主要是通過增大臨界坡長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的。另外研究區(qū)內(nèi)的防護(hù)林帶間距偏大，遠(yuǎn)大于不受防護(hù)林帶影響下淺溝發(fā)育的最小臨界坡長(zhǎng)，即在降雨或融雪時(shí)，不考慮上坡來水的情況下，僅兩條林帶之間的坡面長(zhǎng)度就足以形成淺溝。因此，通過增加坡面上防護(hù)林帶個(gè)數(shù)、縮短防護(hù)林帶間距可以防治淺溝的發(fā)育，并提出了可以防治淺溝發(fā)生的坡面防護(hù)林帶個(gè)數(shù)和帶間距計(jì)算方法：n＝（L－143.37）／130.06和D＝［（130.06－d）L＋143.37d］／（L－273.43），且D≤Lmin，但由于樣本較少，該式精度有限，可以通過廣泛調(diào)查來提高該式的精度。另外，坡面防護(hù)林帶數(shù)和帶間距的確定還需要平衡防護(hù)林帶的水保效益與坡耕地經(jīng)濟(jì)效益以及耕作的難易，這方面需要更加深入的研究。

（2）研究區(qū)內(nèi)防護(hù)林帶均為橫坡林帶，其走向決定了坡耕地的壟向，間接導(dǎo)致水流匯集和低洼水線處壟溝內(nèi)泥沙淤積連通水道而誘發(fā)淺溝。另外，研究區(qū)內(nèi)防護(hù)林帶破損嚴(yán)重，而防護(hù)林帶間斷利于坡面漫流形成股流，對(duì)淺溝的發(fā)育有促進(jìn)作用，因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)防護(hù)林帶的維護(hù)和修補(bǔ)。

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