東北黑土區(qū)典型流域融雪期切溝發(fā)育特征研究

范昊明，王巖松，樊向國(guó)，劉建祥，蔣小娟

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866； 2.松遼水利委員會(huì)，吉林 長(zhǎng)春 130021)

切溝是自然和人為因素共同塑造的地貌形態(tài)，多在成土母質(zhì)及疏松的基巖中發(fā)展，不能為一般耕犁所消除，縱剖面與所在坡面基本一致，橫剖面一般為U形或V形的溝谷[1]。切溝侵蝕作為土壤侵蝕的主要形式之一，會(huì)破壞耕地，沖走沃土，造成土地資源的極大浪費(fèi)，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低，同時(shí)切溝侵蝕產(chǎn)沙還會(huì)淤積河湖，抬高河床，影響航運(yùn)、水利設(shè)施和農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全[2-3]。有研究報(bào)道，以種植大豆為主的黑龍江省鶴北小流域2005—2006年受切溝侵蝕影響的區(qū)域大豆減產(chǎn)了34.5%[4]；以種植旱稻田為主的老撾北部受影響更大，2003—2004年受切溝侵蝕影響的區(qū)域減產(chǎn)高達(dá)37%，相當(dāng)于減產(chǎn)0.714 t/hm2[5]；我國(guó)黃土高原切溝侵蝕面積可占溝間地的70%左右，每年因溝蝕產(chǎn)生的侵蝕量占坡面侵蝕量的35%～70%[6]；在世界范圍內(nèi)切溝侵蝕年產(chǎn)沙量占流域年產(chǎn)沙量的10%～90%[7]。切溝侵蝕危害嚴(yán)重程度由此可見(jiàn)一斑，因此展開(kāi)相關(guān)研究十分必要。以往切溝侵蝕研究多集中在降雨期切溝的侵蝕發(fā)展方面，對(duì)融雪期切溝侵蝕規(guī)律的研究相對(duì)較少，而融雪期切溝侵蝕規(guī)律與降雨期切溝發(fā)育規(guī)律具有明顯差異性，因此展開(kāi)東北黑土區(qū)融雪期切溝侵蝕規(guī)律研究對(duì)于該區(qū)溝蝕防治意義深遠(yuǎn)。

1 研究區(qū)概況

選取分別位于東北黑土區(qū)的黑龍江、吉林和內(nèi)蒙古的3個(gè)典型小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在3個(gè)小流域共選取5條典型切溝開(kāi)展典型黑土區(qū)融雪期切溝侵蝕發(fā)育特征研究，流域概況如下。

五一流域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部扎蘭屯市，土地總面積3.15 km2，地貌為低山丘陵，土壤類型以暗棕壤為主。年均氣溫2.4 ℃，年均降水量480.30 mm，年有效積溫1 900～2 100 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 650～2 900 h，無(wú)霜期120 d左右，冬季嚴(yán)寒少雪，輻射強(qiáng)，日照豐富，夏季短而溫?zé)幔炅考?，氣溫日、年較差較大，春季升溫快，秋季溫度驟降。種植作物以玉米、大豆、馬鈴薯為主。

光榮流域位于黑龍江省松嫩平原北部海倫市西南部，土地總面積1.87 km2，地貌為漫川漫崗，土壤類型以黑土為主。降雨多集中在6—8月，年均降水量511.10 mm，年均氣溫2.6 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 600～2 800 h，無(wú)霜期125 d左右，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短促溫潤(rùn)。種植作物以大豆、玉米為主。

吉興流域位于吉林省南部梅河口市，土地總面積15 km2，地貌為山地丘陵，土壤類型以白漿土為主。年均降水量468.58 mm，6—8月降水量占全年降水量的70%以上，年均氣溫3.3 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 556 h以上，無(wú)霜期137 d左右，四季分明，夏季溫暖多雨，春季干燥多風(fēng)，秋季少雨降溫快，冬季寒冷漫長(zhǎng)。種植作物以玉米、大豆、水稻為主。

2 數(shù)據(jù)獲取方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

5條切溝中，黑龍江省光榮流域的2條侵蝕溝分別為光榮1號(hào)溝和光榮2號(hào)溝，分別用G1和G2表示；內(nèi)蒙古自治區(qū)扎蘭屯市五一流域的2條侵蝕溝分別為五一1號(hào)溝和五一2號(hào)溝，分別用W1和W2表示；吉林省吉興流域的1條侵蝕溝為吉興1號(hào)溝，用J1表示。

數(shù)據(jù)采集于2013年5月至2015年5月期間進(jìn)行，觀測(cè)每年進(jìn)行兩次(5月和10月)。由于東北黑土區(qū)每年5月至10月以降雨為降水的主要形式，10月至翌年5月以降雪為降水的主要形式，因此將5月至10月稱為降雨期，10月至翌年5月稱為融雪期。研究期間融雪期為2013年10月至2014年5月和2014年10月至2015年5月。切溝觀測(cè)所使用的儀器為DGPS，其定位精度為1 cm，動(dòng)態(tài)測(cè)量水平精度為0.25 m±10-6m、垂直精度為0.50 m±10-6m。觀測(cè)儀器由基準(zhǔn)站和移動(dòng)站組成，測(cè)量時(shí)讓基準(zhǔn)站接收機(jī)和移動(dòng)站接收機(jī)保持對(duì)4顆以上衛(wèi)星的同時(shí)跟蹤，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站通過(guò)藍(lán)牙形成數(shù)據(jù)鏈，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送給移動(dòng)站接收機(jī)[8]。測(cè)量前在基準(zhǔn)站附近找3個(gè)固定點(diǎn)，記錄3點(diǎn)的直角坐標(biāo)，每次測(cè)量前用已知的3點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)移動(dòng)站進(jìn)行校正。校正后運(yùn)用移動(dòng)站對(duì)切溝進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量人員持移動(dòng)站接收機(jī)對(duì)切溝地形發(fā)生轉(zhuǎn)折和寬度、深度有變化的部位采點(diǎn)，總體采點(diǎn)間距為1 m，對(duì)于發(fā)生崩塌位置加密測(cè)量。

2.2 數(shù)據(jù)處理與指標(biāo)提取

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GIS軟件將測(cè)量的溝底和溝沿高程點(diǎn)連成光滑線，提取切溝長(zhǎng)度和面積，并結(jié)合GIS空間分析功能生成DEM提取切溝體積。在室內(nèi)處理數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)整體變化由局部變化構(gòu)成的思想，將完整切溝以5 m為間隔劃分成若干個(gè)梯形斷面形式的分段切溝，提取各梯形斷面切溝的寬度、深度、面積、體積等指標(biāo)，運(yùn)用SPSS探究分段切溝斷面指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。使用GIS裁剪功能，以對(duì)應(yīng)5 m間隔的分割圖層剪切溝沿線生成橫斷面，提取橫斷面上、下側(cè)寬度求均值獲得梯形斷面切溝寬度；通過(guò)分段溝底、溝沿高程點(diǎn)生成DEM，再通過(guò)GIS拓?fù)浞治霁@得分段切溝面積和體積；連接切溝橫斷面溝沿和溝底測(cè)量點(diǎn)與切溝縱向垂直，分別讀取溝底和溝沿高程，二者高差的平均值即為切溝深度。

3 結(jié)果與分析

3.1 融雪期切溝發(fā)育特征

提取各流域研究期10月至翌年5月切溝長(zhǎng)度、面積和體積參數(shù)，分析融雪期切溝發(fā)育特征。由表1可知，切溝發(fā)育具有地域分異性和年際差異性。切溝地域分異性主要表現(xiàn)為各流域融雪期切溝發(fā)育特征的差異性。切溝發(fā)育年際差異性主要表現(xiàn)為同一流域不同年份融雪期切溝發(fā)育特征的差異性。切溝發(fā)育長(zhǎng)度(ΔL)和發(fā)育面積(ΔA)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.755)，表明融雪期切溝發(fā)育以溝頭前進(jìn)為主，溝道中部和尾部發(fā)育不明顯，這歸因于溝頭上游較大的集水區(qū)更容易匯聚融雪徑流，而切溝中部和尾部坡面匯集徑流較少，且切溝中部和尾部?jī)蓚?cè)大多有林帶，形成侵蝕阻隔帶，因此中部和尾部侵蝕主要以邊坡和溝岸的崩塌為主，崩塌物質(zhì)被運(yùn)移到溝床或邊坡，而融雪期凍融和融雪產(chǎn)生的有限徑流主要作用于溝頭，并運(yùn)輸靠近溝頭位置的侵蝕產(chǎn)物。隨著溝頭能量的聚集和溝床蝕積物的增加，徑流能量開(kāi)始逐漸減小，在溝道中部產(chǎn)生大量的堆積，堆積物的存在形成暫時(shí)的穩(wěn)定溝坡，限制崩塌作用進(jìn)一步發(fā)展，因此融雪期切溝發(fā)育以溝頭前進(jìn)為主，溝體發(fā)育較弱[9]。切溝發(fā)育長(zhǎng)度(ΔL)和發(fā)育體積(ΔV)相關(guān)性不明顯，這一研究結(jié)果進(jìn)一步佐證了胡剛等[10]提出的東北黑土區(qū)凍融侵蝕產(chǎn)生溝內(nèi)堆積的切溝發(fā)育模型。

表1 研究區(qū)2014—2015年融雪期切溝發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)

3.1.1 切溝地域分異性分析

綜合2014—2015年融雪期切溝發(fā)育特征(表1)可知：2014—2015年融雪期，五一流域切溝長(zhǎng)度、面積、體積增加量均值分別為14.23 m、147.62 m2、336.28 m3；光榮流域分別為3.37 m、82.19 m2、133.51 m3；吉興流域分別為1.94 m、54.60 m2和18.71 m3。上述結(jié)果表明，五一流域融雪期切溝發(fā)育速率明顯高于光榮流域和吉興流域，其長(zhǎng)度發(fā)育速率分別為光榮流域和吉興流域的4.22、7.34倍，面積發(fā)育速率分別為光榮流域和吉興流域的1.80、2.70倍，體積發(fā)育速率分別為光榮流域和吉興流域的2.52、17.97倍。光榮流域土壤侵蝕模數(shù)最大，為5 980.29 m3/(km2·a)，五一流域次之，為4 681.94 m3/(km2·a)，吉興流域最小，只有530.03 m3/(km2·a)。從西北至東南，小流域分布依次為五一流域、光榮流域和吉興流域，土壤類型分布依次為暗棕壤、黑土和白漿土，據(jù)此推斷，東北黑土區(qū)典型流域切溝發(fā)育速率從西北至東南、從暗棕壤到白漿土呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

3.1.2 切溝年際差異性分析

由表1知，五一流域切溝發(fā)育年際差異性最為明顯，其次是光榮流域，吉興流域最小。相比2014年融雪期，五一流域W1切溝2015年融雪期長(zhǎng)度和面積增加量分別多了10.17 m和95.37 m2，體積增加量少了185.72 m3；光榮流域G1切溝2015年融雪期長(zhǎng)度和面積增加量分別多了3.70 m和185.53 m2，體積增加量少了12.71 m3；吉興流域切溝發(fā)育年際分異特征相對(duì)不太明顯，2015年融雪期切溝長(zhǎng)度、面積和體積增加量分別少了0.5 m、84.22 m2和18.58 m3。

3.2 切溝沿程發(fā)育特征分析

切溝發(fā)育主要包括溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張和溝底下切三種形式。為了更細(xì)致地探究切溝發(fā)育特征，選取土壤類型、集水區(qū)特征及切溝發(fā)育均比較典型的光榮流域，運(yùn)用斷面法以5 m為間距分割切溝，以2014年10月切溝溝頭位置為坐標(biāo)原點(diǎn)、切溝溝長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，規(guī)定從溝頭至溝尾為橫坐標(biāo)正方向，溝頭前進(jìn)方向?yàn)闄M坐標(biāo)負(fù)方向，分析2014年10月至2015年5月融雪期分段切溝沿程寬度、深度、面積和體積變化特征，探究融雪期切溝沿程發(fā)育特征。野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，2014年5月G1切溝長(zhǎng)170.26 m，G2切溝長(zhǎng)190.00 m，分別將其分為34段和38段；2015年5月G1切溝長(zhǎng)176.76 m，G2切溝長(zhǎng)193.00 m，分別將其分為36段和39段；2015年融雪期G1切溝溝頭前進(jìn)6.50 m，面積發(fā)育215.36 m2，體積發(fā)育13.21 m3；G2切溝溝頭前進(jìn)3.00 m，面積發(fā)育18.90 m2，體積發(fā)育127.40 m3。

3.2.1 切溝寬度發(fā)育特征

由圖1可知，切溝寬度沿程發(fā)育特征呈現(xiàn)分異性，溝頭至中部發(fā)育比較活躍，中部至溝尾發(fā)育相對(duì)緩慢。在2014年融雪期，G1切溝在距溝頭50～60 m處和70～90 m處寬度發(fā)育速率出現(xiàn)急劇增加過(guò)程。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，G1右側(cè)溝坡有約100 m長(zhǎng)的防風(fēng)林帶，溝坡在崩塌等重力侵蝕作用下，形成不穩(wěn)定的臺(tái)階和豎溝，導(dǎo)致右側(cè)林地被沖刷和切割，樹(shù)木隨著土壤的蝕離傾倒在溝道中，進(jìn)一步加劇了溝岸擴(kuò)張，因此其寬度發(fā)育速率較快。G2在2014年融雪期，溝頭上部寬度在起點(diǎn)距0～5 m處驟降，接著在5～40 m明顯增加，然后又陡降，之后以較為平緩的速率發(fā)育至130 m處，在130～190 m處因切溝兩側(cè)均布設(shè)有防風(fēng)林帶，形成侵蝕阻隔帶，故其寬度發(fā)育速率較慢。

圖1 2014年融雪期光榮流域切溝沿程寬度變化

3.2.2 切溝深度發(fā)育特征

圖2 2014年融雪期光榮流域切溝沿程深度變化

由圖2知，2014年融雪期，侵蝕物質(zhì)從距離溝頭20 m處至溝道中部多發(fā)生堆積，中部至溝尾則以溝底下切為主。G1切溝在距離溝頭5 m位置深度發(fā)育為負(fù)值，進(jìn)而逐漸增大為正值后陡降，在距溝頭30～40 m處負(fù)值達(dá)到最大，然后在正負(fù)值間來(lái)回波動(dòng)，即堆積和下切交替發(fā)生，但數(shù)值均較小，從距溝頭120 m處開(kāi)始深度發(fā)育呈波動(dòng)式上升，至140 m處達(dá)到最大，然后又呈波動(dòng)式下降，在120～170 m范圍切溝深度發(fā)育較明顯。野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，G1形狀近似蝌蚪，溝頭至中部寬深均較大，溝尾細(xì)長(zhǎng)且以下切為主，這可能與溝尾處在坡面下端，林帶積雪融水和坡耕地匯水多聚集在這一位置，形成較大徑流剪切力有關(guān)。G2切溝深度變化較G1切溝平緩，由于溝岸崩塌發(fā)生堆積，在距溝頭10～30 m處深度變化出現(xiàn)負(fù)值，之后呈波動(dòng)式變化，但深度發(fā)育規(guī)模較小，其在距溝頭120～180 m范圍內(nèi)深度發(fā)育較溝頭至中部明顯，說(shuō)明溝尾發(fā)育以溝底下切為主。由此可見(jiàn)，切溝溝頭至中部在凍融侵蝕作用下以溝岸崩塌為主，溝尾在融雪徑流沖刷下以溝底下切為主，這是漫崗黑土區(qū)融雪期切溝發(fā)育的一種主要模式。圖3和圖4對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行了佐證。

圖3 2014年融雪期光榮流域切溝沿程面積變化

圖4 2014年融雪期光榮流域切溝沿程體積變化

3.2.3 切溝面積發(fā)育特征

由圖3知，2014年融雪期，光榮流域切溝面積發(fā)育速率在中部至溝頭位置較快，在中部至溝尾較緩慢：G1切溝從溝頭至中部面積發(fā)育速率先增加后減少；G2切溝由于溝頭發(fā)育，面積發(fā)育速率出現(xiàn)小幅度增大，此后直至溝尾處切溝面積發(fā)育緩慢。綜合可知，切溝面積發(fā)育主要集中在溝頭至中部，中部至溝尾發(fā)育不明顯。

3.2.4 切溝體積發(fā)育特征

由圖4知，切溝體積發(fā)育沿程波動(dòng)較大?；跍系狼治g物質(zhì)沉積，G1切溝在距溝頭0～10、20～50和70～85 m處體積發(fā)育為負(fù)值，在溝頭以及距溝頭10～20、50～70和85～170 m處體積發(fā)育為正值，溝頭發(fā)育速率尤快。G2切溝在距溝頭10～30 m處體積發(fā)育為負(fù)值，距溝頭55～170 m處體積發(fā)育為正值，但是相比溝頭位置發(fā)育速率慢。由于G2處于陽(yáng)坡，積雪融化速率較G1快，且G2溝頭上游道路處于壓實(shí)狀態(tài)，匯水面積大，入滲緩慢，因此G2溝頭發(fā)育速率較G1快。受融雪徑流運(yùn)輸能力限制，距離溝頭越遠(yuǎn)，徑流剪切力越小，無(wú)法將沉積物運(yùn)移出溝道，因此切溝體積發(fā)育出現(xiàn)負(fù)值。溝尾在林地融雪徑流沖刷下溝底下切，故體積發(fā)育速率為正值，但又因?yàn)槿谘┢诘讓油寥捞幱趦鼋Y(jié)狀態(tài)，徑流剪切能力有限，故其體積發(fā)育相對(duì)較緩。

3.3 切溝沿程發(fā)育特征相關(guān)性分析

由表2知，G1切溝沿程深度發(fā)育速率與面積發(fā)育速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01，r=-0.500)，與體積發(fā)育速率呈顯著正相關(guān)(p<0.05，r=0.408)，沿程寬度發(fā)育速率和面積發(fā)育速率呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.572)。融雪期G1切溝發(fā)育以溝底下切為主，且侵蝕物質(zhì)多在溝口堆積，切溝面積減小，但由于下切侵蝕較為嚴(yán)重，切溝深度不斷增大。此時(shí)，切溝橫斷面呈V形，在溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張和溝底下切3種形式中，溝底下切對(duì)切溝沿程發(fā)育影響最大。

表2 G1切溝發(fā)育特征相關(guān)性分析

注：**和*分別代表Spearman相關(guān)系數(shù)的顯著水平為p<0.01和p<0.05，下同。

由表3可知，G2切溝沿程寬度發(fā)育速率和面積發(fā)育速率呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.412)，與體積發(fā)育速率也呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.673)。與G1相比，G2發(fā)育方式較為復(fù)雜，溝岸擴(kuò)張和溝底下切侵蝕交替進(jìn)行，溝岸崩塌和下切侵蝕物質(zhì)隨徑流輸出溝道，溝道堆積相對(duì)較小，切溝面積和體積不斷增大?，F(xiàn)階段切溝橫斷面呈U形，切溝發(fā)育以溝岸擴(kuò)張和溝底下切為主。

表3 G2切溝發(fā)育特征相關(guān)性分析

4 結(jié) 論

運(yùn)用DGPS差分定位系統(tǒng)對(duì)東北黑土區(qū)典型流域切溝進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合GIS技術(shù)的空間分析功能，探討典型流域融雪期切溝發(fā)育特征，主要結(jié)論如下。

(1)切溝融雪期發(fā)育以溝頭前進(jìn)為主，各流域切溝發(fā)育具有地域分異性和年際差異性。切溝長(zhǎng)度發(fā)育和面積發(fā)育呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.755)，長(zhǎng)度發(fā)育和體積發(fā)育相關(guān)性不明顯。

(2)五一流域融雪期切溝發(fā)育速率明顯大于光榮流域和吉興流域，其長(zhǎng)度、面積和體積發(fā)育速率分別為光榮流域和吉興流域的4.22和7.34倍、1.80和2.70倍、2.52和17.97倍；東北黑土區(qū)切溝發(fā)育速率呈現(xiàn)從西北至東南逐漸減小的趨勢(shì)。

(3)五一流域融雪期切溝發(fā)育年際差異性最明顯，光榮流域次之，吉興流域最小。相比2014年融雪期，五一流域W1切溝和光榮流域G1切溝2015年長(zhǎng)度和面積增加量分別多了10.17、3.70 m和95.37、185.53 m2，體積增加量分別少了185.72、12.71 m3，吉興流域2015年融雪期長(zhǎng)度、面積和體積增加量分別少了0.5 m、84.22 m2和18.58 m3。

(4)光榮流域G1切溝沿程寬度發(fā)育速率和面積發(fā)育速率呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.572)，沿程深度發(fā)育速率與面積發(fā)育速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01，r=-0.500)、與體積發(fā)育速率呈顯著正相關(guān)(p<0.05，r=0.408)，G1切溝發(fā)育以溝底下切為主，且侵蝕物質(zhì)多在溝道堆積，切溝橫斷面呈V形；G2切溝沿程寬度發(fā)育速率和面積發(fā)育速率呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.412)，與體積發(fā)育速率也呈極顯著正相關(guān)(p<0.01，r=0.673)，G2切溝發(fā)育以溝岸擴(kuò)張和溝底下切為主，溝岸崩塌和下切侵蝕物質(zhì)隨徑流輸出溝道，溝道堆積相對(duì)較小，切溝面積和體積不斷增大，切溝橫斷面呈U形。

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