東北3個(gè)典型區(qū)沖溝形態(tài)發(fā)育特征及其成因

顧廣賀， 范昊明， 王巖松， 鐘云飛， 劉建祥

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866； 2.水利部 松遼水利委員會(huì)， 吉林 長(zhǎng)春 130000)

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東北3個(gè)典型區(qū)沖溝形態(tài)發(fā)育特征及其成因

顧廣賀1， 范昊明1， 王巖松2， 鐘云飛2， 劉建祥2

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866； 2.水利部 松遼水利委員會(huì)， 吉林 長(zhǎng)春 130000)

摘要：[目的] 研究黑土區(qū)自然環(huán)境地域性分異特征對(duì)沖溝形態(tài)的影響。[方法] 利用差分GPS測(cè)量沖溝，基于GIS平臺(tái)計(jì)算沖溝形態(tài)參數(shù)，分析五一、光榮、吉興3個(gè)典型沖溝形態(tài)特征及成因。[結(jié)果] 沖溝長(zhǎng)度、面積、體積，寬度、深度、橫斷面面積之間分別成正相關(guān)關(guān)系。就沖溝長(zhǎng)度、面積、體積而言，五一>光榮>吉興，就沖溝深度、寬度、橫斷面面積而言，光榮>五一>吉興；土壤黏粒、礫石含量，持水能力及土層厚度對(duì)沖溝形態(tài)影響顯著，降雨因素對(duì)沖溝形態(tài)影響有限。[結(jié)論] 地形因子是影響沖溝形態(tài)的重要因素。隨著地形因子的增加，沖溝長(zhǎng)度、面積、體積增加顯著，當(dāng)?shù)匦我蜃訛?6.75時(shí)，沖溝橫截面面積最大。

關(guān)鍵詞：沖溝形態(tài)； 發(fā)育； 東北黑土區(qū)； 地形因子

溝蝕是土壤侵蝕的重要組成部分，完整的溝蝕序列一般包括細(xì)溝、淺溝、切溝和沖溝，絕大部分學(xué)者將細(xì)溝歸入面蝕類[1]。溝道在發(fā)育過程中，形態(tài)不斷變化，沖溝的出現(xiàn)標(biāo)志著溝道發(fā)育至中后期，已度過溝道發(fā)育活躍期，形態(tài)變化相對(duì)較小。沖溝形態(tài)是多種因素多年綜合作用的結(jié)果，橫斷面一般上游為V形，下游為U形，多呈階梯狀，溝壁陡直，以崩落、滑塌為主，下游溝底有暫時(shí)性堆積[2]。降雨、土壤、地形等因素的不同造成黑土區(qū)沖溝形態(tài)具有地域性差異。東北黑土區(qū)是中國(guó)重要商品糧生產(chǎn)基地，由于人為活動(dòng)的加劇，黑土區(qū)水土流失嚴(yán)重，溝蝕現(xiàn)象突出[3]，全國(guó)第一次水利普查顯示黑土區(qū)共有侵蝕溝295 663條，溝壑密度為0.27 km/km2，侵蝕溝已嚴(yán)重破壞黑土資源，嚴(yán)重威脅國(guó)家糧食安全，影響當(dāng)?shù)鼐用裆頪4]。目前，對(duì)黑土區(qū)侵蝕溝的研究相對(duì)滯后，已有研究多集中于侵蝕溝的年際變化、發(fā)育速率及影響因素，對(duì)侵蝕溝形態(tài)的研究較少[5-7]。劉增文等研究發(fā)現(xiàn)地質(zhì)地貌基礎(chǔ)及土壤侵蝕強(qiáng)度的不同造成黃土殘塬區(qū)溝道具有不同的形態(tài)特征[8]。Poesen研究發(fā)現(xiàn)土壤類型，特別是具有不同抗蝕性的土層的垂直分布，很大程度上控制著侵蝕溝橫截面的形態(tài)[9]。沖溝形態(tài)是降雨、土壤、地形等因素綜合作用的結(jié)果，是發(fā)育規(guī)律的外在體現(xiàn)，研究選取光榮、吉興、五一3條小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，3條流域分別位于黑土區(qū)東北部、東南部和西北部，土壤、地形、地貌等自然因素具有一定差別，沖溝形態(tài)有較好的代表性。通過野外測(cè)量沖溝并基于GIS平臺(tái)計(jì)算沖溝形態(tài)參數(shù)，分析沖溝形態(tài)發(fā)育特征及成因，研究成果將進(jìn)一步揭示侵蝕溝發(fā)育規(guī)律，為侵蝕溝的預(yù)警及防治提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

光榮小流域位于黑龍江省中部地區(qū)，地理位置為126°50′11″E，47°21′7″N，年均降雨量為523.26 mm，氣溫平均為2.6 ℃，漫川漫崗地貌，面積為1.87 km2，土壤類型以黑土為主，第四系覆蓋廣厚，侵入巖在區(qū)內(nèi)分布廣泛，以泥頁巖為主，以褶皺構(gòu)造為主。吉興流域位于吉林省南部，地理位置為125°29′48″E，42°12′27″N，年均降雨量為468.58 mm，氣溫平均為3.3 ℃，山地丘陵地貌，面積為15 km2，土壤類型以白漿土為主，地塹盆地，斷裂較多，構(gòu)造復(fù)雜，特有的地質(zhì)活動(dòng)造成流域坡陡、坡短，地形較為破碎。五一流域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，地理位置為122°43′40″E，47°56′45″N，年均降雨量為661.50 mm，氣溫平均為2.6 ℃，低山丘陵地貌，面積為3.15 km2，土壤類型以暗棕壤為主，斷裂構(gòu)造為主，出露地層主要為上元古界震旦系加疙瘩群，石炭系下統(tǒng)莫爾根河組，二疊系上統(tǒng)林西組，侏羅系中統(tǒng)南平組、塔木蘭溝組及上庫力組。研究區(qū)地理位置及沖溝數(shù)量見表1。

表1　各小流域沖溝位置及數(shù)量

2材料與方法

本研究利用差分GPS實(shí)地測(cè)量侵蝕溝，儀器精度為水平精度(1±1/106)cm，垂直精度(2±1/106)cm，其配置主要包括基準(zhǔn)站、移動(dòng)站。2013年5月對(duì)選取的7條沖溝進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)，將基準(zhǔn)站安置于固定位置，手持移動(dòng)站沿溝緣及溝底均勻采點(diǎn)，地形變化處，加大采點(diǎn)密度，每條沖溝平均采集高程點(diǎn)4 387個(gè)。基于ArcGIS軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)處理，建立線圖層、面圖層，參照高程點(diǎn)分別勾繪溝底線、溝緣線，利用高程點(diǎn)空間差值獲取侵蝕溝DEM，提取沖溝長(zhǎng)度、寬度、面積、體積等參數(shù)見表2和表3。

3結(jié)論與分析

3.1　東北黑土區(qū)沖溝形態(tài)發(fā)育特征

3.1.1沖溝長(zhǎng)度、面積、體積發(fā)育特征由表2可以看出，沖溝長(zhǎng)度、面積、體積成正相關(guān)關(guān)系，就沖溝長(zhǎng)度、面積、體積而言，五一流域沖溝發(fā)育規(guī)模較大，吉興流域沖溝發(fā)育規(guī)模較小，光榮流域沖溝發(fā)育規(guī)模處于二者之間。就沖溝各項(xiàng)指標(biāo)均值而言，五一、光榮流域沖溝長(zhǎng)度分別為吉興流域沖溝長(zhǎng)度的3.94和1.13倍，五一、光榮流域沖溝面積分別為吉興流域沖溝面積的4倍、1.64倍，五一、光榮流域沖溝體積分別為吉興流域沖溝體積的37.83和11.19倍。

表2　各小流域侵蝕溝長(zhǎng)度、面積、體積

3.1.2沖溝寬度、深度及橫截面發(fā)育特征由表3可以看出，沖溝寬度與深度成正相關(guān)關(guān)系，沖溝寬度、深度差別較明顯，光榮流域沖溝寬度、深度最大，吉興流域沖溝寬度、深度最小，五一流域沖溝寬度、深度介于二者之間。沖溝寬深比介于3.47～6.58，光榮流域沖溝橫斷面形態(tài)特征為寬度較小、深度較大，五一流域沖溝橫斷面形態(tài)特征為寬度較大、深度較小。光榮、吉興、五一流域沖溝寬度平均值分別為13.12,3.8,9.06 m，深度平均值分別為2.81,0.8,1.82 m，斷面面積平均值分別為29.34,4.15,15.14 m2，光榮、五一流域沖溝寬度分別為吉興流域沖溝寬度的1.99和2.8倍，沖溝深度分別為吉興流域沖溝深度的1.73和3.53倍，光榮、五一流域斷面面積分別為吉興流域沖溝斷面面積的7.06和1.93倍。

綜合3條流域沖溝寬度、深度、橫斷面面積可以看出，3者成正相關(guān)關(guān)系，沖溝寬度越大，深度越大，橫斷面面積越大。

表3　各小流域侵蝕溝寬度、深度

3.2　東北黑土區(qū)沖溝形態(tài)成因分析

3.2.1土壤因素對(duì)沖溝形態(tài)影響光榮小流域黑土機(jī)械組成粒級(jí)黏重，顆粒均勻一致，質(zhì)地部分為粘壤質(zhì)到黏土類，土壤黏粒含量較多，砂粒(>0.02 mm)、粉粒(0.02~0.002 mm)、黏粒(小于0.02 mm)含量分別為34.46%，25.86%，39.7%，持水能力很強(qiáng)，土層較厚，自然剖面有效土層可達(dá)200—300 cm[10]，黑土發(fā)育在黏重的黃土狀亞黏土上，下層緊實(shí)，透水不良，中厚層黑土在70 cm下的土層每小時(shí)透水速度小于20 mm，薄層黑土從表層起透水性是極弱的，易形成上部滯水層，加劇了土壤的分散和崩解，加快侵蝕溝形態(tài)發(fā)育。黑土獨(dú)特的上層滯水性質(zhì)易產(chǎn)生地表徑流，加劇對(duì)溝頭的沖刷，較強(qiáng)的持水能力造成黑土冬季含水量較高，加劇凍融作用對(duì)溝岸的破壞，造成溝岸崩塌、解體，溝頭處侵蝕劇烈。

吉興小流域白漿土的成土母質(zhì)主要是第四紀(jì)河湖黏土沉積物，母質(zhì)和土壤質(zhì)地都比較黏重，0—20 cm土層容重變化范圍較大，為0.5~1.6 g/cm3，機(jī)械組成以0.05~0.01 mm粗粉砂和<0.001 mm黏粒含量最多，表層0—10 cm透水速度較快，土層較薄，白漿土雨季易產(chǎn)生季節(jié)性還原條件，土壤表層的鐵錳被還原成可溶性強(qiáng)的低價(jià)鐵、錳，與黏粒隨水向下遷移，形成20～40 cm緊實(shí)、板結(jié)的白漿層，當(dāng)溝道下切到一定深度后，白漿層削弱了溝道下切與擴(kuò)張的能力，造成沖溝寬度、深度較小，限制沖溝形態(tài)發(fā)育，由于白漿層的存在，沖溝前半段擴(kuò)張能力受到限制，寬、深發(fā)育速率較慢，發(fā)育規(guī)模較小，后半段沖溝已沖破白漿層，發(fā)育規(guī)模相對(duì)較大。

五一小流域暗棕壤表層容重在0.72~0.81 g/cm3，飽和含水率介于83.38%~99.85%，表層含水量較高，向下劇烈降低，相差可達(dá)數(shù)倍，凍期長(zhǎng)，凍層深造成土壤滯水現(xiàn)象比較嚴(yán)重，降低土壤抗蝕性，加劇沖溝形態(tài)發(fā)育。暗棕壤質(zhì)地大多為壤質(zhì)，從表層向下石礫含量逐漸增加，半風(fēng)化石礫很多，土壤中混有礫石在一定程度上破壞了土壤顆粒之間的黏結(jié)力，降低土壤整體抗蝕性，凍融作用后溝岸處礫石脫落，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞，加劇溝岸的崩塌。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，土壤組成、土層厚度、土壤持水能力等因素都在一定程度上影響沖溝形態(tài)，土壤中黏粒、礫石含量通過影響徑流流向、土壤抗蝕性，進(jìn)而影響沖溝形態(tài)，土壤持水能力影響凍融作用強(qiáng)度，土層厚度在一定程度上限制沖溝發(fā)育深度。

3.2.2地形因素對(duì)沖溝形態(tài)發(fā)育影響地形是影響地表水文和土壤侵蝕的主要環(huán)境因素，坡度、坡長(zhǎng)是反映區(qū)域地形特征的主要因素[11]。地形因素既可以決定集水區(qū)面積、沖溝發(fā)育空間，又可以影響降雨、融雪徑流量、流速等條件，對(duì)沖溝形態(tài)具有重要影響。通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，光榮流域坡長(zhǎng)、坡緩的地形特點(diǎn)為侵蝕溝上方創(chuàng)造大面積集水區(qū)，加大降雨、融雪匯流量，加劇徑流對(duì)溝道的沖刷。吉興流域?qū)儆诘貕q盆地，斷裂較多，流域坡陡、坡短，地形較為破碎，限制沖溝發(fā)育空間。五一流域構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，溝頭上方集水區(qū)面積較大，雨季可以形成季節(jié)性洪水，加劇侵蝕溝的發(fā)育，同時(shí)坡度、坡長(zhǎng)較大為沖溝提供了發(fā)育空間。研究區(qū)沖溝所在坡面地形特征見表4。

表4　沖溝坡面地形特征

研究選取坡度、坡長(zhǎng)乘積作為地形因子，分析其對(duì)沖溝形態(tài)的影響,由圖1—4可以看出,地形因子與沖溝長(zhǎng)度、面積、體積的發(fā)育關(guān)系密切，隨著地形因子的增加，3者增加顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.87，0.88，0.91，這說明地形因子可以作為一個(gè)重要因素來衡量沖溝形態(tài)。由圖4可以看出，隨著地形因子的增加，沖溝橫截面面積先增加后減小，地形因子達(dá)到36.75時(shí)，橫截面面積最大。

圖1　沖溝長(zhǎng)度與地形因子關(guān)系

圖2　沖溝面積與地形因子關(guān)系

圖3　沖溝體積與地形因子關(guān)系

3.2.3降雨侵蝕力對(duì)侵蝕溝形態(tài)發(fā)育影響東北黑土區(qū)獨(dú)特的氣候條件決定降雨、凍融及融雪作用是侵蝕溝發(fā)育的主要?jiǎng)恿σ蛩?，其中降雨、融雪?duì)侵蝕溝發(fā)育影響具有一定相似性，多是通過降雨徑流的沖刷造成侵蝕溝的發(fā)展，但由于季節(jié)性的差異，溝道內(nèi)土壤性質(zhì)差別較大，特別是春季解凍期土壤未解凍層的存在加劇融雪徑流的沖刷作用，凍融作用可以改變土壤抗蝕性，造成溝岸崩塌，影響侵蝕溝發(fā)育。光榮、吉興、五一流域分別位于黑土區(qū)的東北部、東南部、西北部，地理位置決定外營(yíng)力的種類及強(qiáng)度，3個(gè)流域中，吉興流域多年降雨量較多，光榮、五一流域多年平均降雨量相對(duì)較少，光榮、五一流域凍融作用更為強(qiáng)烈，吉興流域凍融作用相對(duì)較弱。

圖4　沖溝橫截面面積與地形因子關(guān)系

降雨是引起土壤侵蝕的主要?dú)夂蛞蛩?，降雨侵蝕力是降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、降雨動(dòng)能等降雨侵蝕特征的綜合反映，研究選取3個(gè)流域近60 a的日值降雨數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力，各流域降雨侵蝕力與沖溝形態(tài)參數(shù)見表4。從中可以看出，吉興流域降雨侵蝕力最大，但沖溝各項(xiàng)形態(tài)參數(shù)均為最小，光榮流域降雨侵蝕力最小，但沖溝寬度、深度、橫截面面積最大，五一流域降雨侵蝕力為中間水平，但沖溝長(zhǎng)度、面積、體積及寬深比是最大的。由此可見，沖溝形態(tài)是多因素長(zhǎng)時(shí)間綜合作用的結(jié)果，降雨因素對(duì)于沖溝形態(tài)的影響有限，土壤、地形地貌對(duì)其形態(tài)影響顯著。

表4　降雨侵蝕力與沖溝形態(tài)參數(shù)

4結(jié) 論

(1) 自然環(huán)境地域性分異造成沖溝形態(tài)具有一定差別，就沖溝長(zhǎng)度、面積、體積而言，五一>光榮>吉興；就沖溝寬度、深度、橫截面面積而言，光榮>五一>吉興，沖溝長(zhǎng)度、面積、體積成正相關(guān)關(guān)系，沖溝深度、寬度、橫截面面積成正相關(guān)關(guān)系。

(2) 土壤組成、土層厚度、土壤持水能力等因素都在一定程度上影響沖溝形態(tài)，土壤中黏粒、礫石含量影響徑流流向及土壤抗蝕性，進(jìn)而影響沖溝形態(tài)，土壤持水能力影響凍融作用強(qiáng)度，土層厚度在一定程度上限制沖溝發(fā)育深度。

(3) 地形因子與沖溝長(zhǎng)度、面積、體積的發(fā)育關(guān)系密切，隨著地形因子的增加，三者增加顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.87，0.88，0.91，隨著地形因子的增加，沖溝橫截面面積先增加后減小，地形因子達(dá)到36.75時(shí)，橫截面面積最大。

(4) 降雨、凍融及融雪是黑土區(qū)沖溝發(fā)育的主要?jiǎng)恿σ蛩兀瑳_溝形態(tài)是多因素長(zhǎng)時(shí)間綜合作用的結(jié)果，降雨因素對(duì)于沖溝形態(tài)的影響有限，土壤、地形因素對(duì)其形態(tài)影響具有決定性作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳永宗.黃河中游黃土丘陵區(qū)的溝谷類型[J].地理科學(xué),1984,4(4):321-327.

[2]范昊明,王鐵良,蔡強(qiáng)國(guó),等.東北黑土漫崗區(qū)侵蝕溝發(fā)展模式研究[J].水土保持研究,2007,14(6):384-387.

[3]范海峰,白建宏,王勇.基于高分辨率遙感影像調(diào)查侵蝕溝的方法[J].東北水利水電,2009,27(6):56-57.

[4]王巖松,王念忠,鐘云飛,等. 東北黑土區(qū)侵蝕溝省際分布特征[J].中國(guó)水土保持,2013(10):67-69.

[5]閆業(yè)超,張樹文,李曉燕,等.黑龍江克拜黑土區(qū)多年來侵蝕溝時(shí)空變化[J].地理學(xué)報(bào),2005,60(6):137-142.

[6]王文娟,張樹文,鄧榮鑫.東北黑土區(qū)溝蝕現(xiàn)狀及其與景觀格局的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(10):192-198.

[7]孟令欽,李勇.東北黑土區(qū)坡耕地侵蝕溝發(fā)育機(jī)理初探[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(1):7-11.

[8]劉增文,李雅素.黃土殘塬區(qū)侵蝕溝道分類研究[J].中國(guó)水土保持,2003(9):28-30.

[9]Poesen J, Nachtergaele J, Verstraeten G, et al. Gully erosion and environmental change: importance and research needs[J]. Catena, 2003,50(2):91-133.

[10]隋躍宇,焦曉光,程守全,等.海倫市農(nóng)田黑土機(jī)械組成與土壤全量養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系研究[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2007,23(4):456-458.

[11]郭明航,楊勤科,王春梅.中國(guó)主要水蝕典型區(qū)侵蝕地形特征分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(13):81-89.

Morphologies Characteristics and Driving Factors of Gullies in Black Soil Region of Northeast China

GU Guanghe1, FAN Haoming1, WANG Yansong2, ZHONG Yunfei2, LIU Jianxiang2

(1.CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China;

2.SongliaoWaterResourcesCommission,MinistryofWaterResources,Changchun,Jilin130000,China)

Abstract：[Objective] To study the effects of different environment factors in black soil region on gullies morphologies. [Methods] The gully morphologies were measured by differential GPS and their morphological parameters were calculated by GIS, then the reasons of different gully morphologies were analyzed. [Results] The length， area and volume of gullies were positive correlation， and the width， the depth and sectional area of gullies were positive correlation too. The gully length， gully area and gully volume in Wuyi watershed were the biggest, the second were in Gaungrong watershed， and the third were in Jixing watershed. In terms of gully width， gully depth and gully sectional area， that of Gaungrong watershed were the biggest， and then were that in Wuyi watershed and Jixing watershed. The content of soil clay and gravel, soil water-holding capacity，and soil thickness had important influences on gullies morphologies， rainfall factors had less important effects. [Conclusion] Terrain factors are the important factors influencing the gully morphologies. With the growth of terrain factor， the length， area and volume of gullies increased significantly， the sectional area of gully was the biggest when the terrain factor was 36.75.

Keywords:gully morphologies; developing; black soil region; terrain factors

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0030-04

中圖分類號(hào)：S157.1

通信作者：范昊明(1972—),男(漢族),吉林省白山市人,博士教授,從事流域侵蝕產(chǎn)沙與水土保持規(guī)劃研究。E-mail:fanhaoming@163.com。

收稿日期：2014-08-25修回日期：2014-10-09

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目“東北黑土低山丘陵區(qū)融雪侵蝕機(jī)理與過程研究”(41371272)

第一作者：顧廣賀(1989—),男(滿族),遼寧省鳳城市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥狼治g機(jī)理。E-mail:guguanghe666@163.com。