劉 林，王小平，2，孫瑞卿

（1.山西省水土保持科學(xué)研究所，太原030045；2.山西省水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點實驗室，太原030045；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測研究所，太原030031）

水土流失繼續(xù)對半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)的生態(tài)環(huán)境和人民生產(chǎn)生活構(gòu)成嚴(yán)重制約和威脅。由于該地區(qū)獨(dú)特的地貌形態(tài)、較強(qiáng)的降雨侵蝕力和高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)和人類活動，使得黃土丘陵溝壑區(qū)成為各國學(xué)者研究土壤侵蝕的重要領(lǐng)域［1－5］。目前關(guān)于黃土高原土壤侵蝕的研究主要集中在室內(nèi)外坡面試驗研究，例如下墊面性質(zhì)、氣候因素、人為干擾等因子對土壤流失的影響［6－11］。但這些坡面侵蝕研究成果很難應(yīng)用于流域侵蝕研究，特別是對于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，學(xué)者們對于該地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分異規(guī)律與原因、土壤侵蝕的治理方向與措施等問題都未取得共識，而這些又是黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕治理迫切需要解決的問題。眾所周知，黃土高原水土流失的泥沙主要來自于丘陵溝壑區(qū)的溝道系統(tǒng)，溝道產(chǎn)沙量約占黃土高原總侵蝕量的80%。因此，對溝道系統(tǒng)的發(fā)育規(guī)律及分布特征的研究越來越受到重視［12－15］。位于晉西北的呂梁山區(qū)是典型的半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)，本文將“3S”技術(shù)與近十年實地調(diào)查研究相結(jié)合，從小流域溝道侵蝕研究入手，探討半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)溝道系統(tǒng)的侵蝕規(guī)律和特征。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省西北地區(qū)的呂梁市王家溝小流域（37°32′—37°34′N，111°08′—111°11′E），面積為9.1km2，屬于典型的半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)。流域內(nèi)年平均氣溫為8.3℃，無霜期160～180d。年均降水量495.1mm，其中6—9月降雨量約占全年降水量的72%。年蒸發(fā)量為1 578mm，空氣相對濕度66.8%，屬于中溫帶半干旱氣候。

該流域的土壤是在黃土母質(zhì)基礎(chǔ)發(fā)育而成，分為上下兩層，上層為馬蘭黃土，厚度為20～30m，下層為離石黃土，厚度可達(dá)100m。溝坡處有次生黃土覆蓋，在溝坡下部及溝掌有三趾馬紅土出露，厚度30～50m。流域內(nèi)所見最古老巖層為灰白色的奧陶系灰?guī)r，僅在上游靠近分水嶺的溝底少量出露。流域內(nèi)土壤具有垂直節(jié)理，土質(zhì)疏松，加之地面坡度大，植被少，在暴雨季節(jié)極易發(fā)生土壤侵蝕。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理軟件

數(shù)據(jù)采用2009年及2011年兩期WorldView衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，時相分別為10月和11月，影像數(shù)據(jù)的分辨率為0.5m，輔助數(shù)據(jù)包括由山西省水土保持科學(xué)研究所繪制的1∶10 000地形圖和1∶5 000土地利用現(xiàn)狀圖?；A(chǔ)資料數(shù)據(jù)包括2002—2013年期間山西省水土保持科學(xué)研究所對該流域定期調(diào)查的實測數(shù)據(jù)。

主要采用的處理軟件包括：遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGINE 2013；地理信息處理軟件 ArcGIS 10.0；數(shù)理統(tǒng)計分析軟件SPSS 18.0。

1.3 研究方法

1.3.1 溝道信息提取與識別 基于 ERDAS IMAGINE平臺，分別對2009年和2011年兩期World View衛(wèi)星圖像進(jìn)行紅、綠、藍(lán)三色波段合成，生成標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像，以1∶10 000地形圖為基準(zhǔn)，進(jìn)行地物配準(zhǔn)，實現(xiàn)對衛(wèi)星影像的幾何糾正，并利用ArcGIS的Spatial Analyst工具對研究區(qū)進(jìn)行掩膜提取。在1∶10 000的比例尺下，結(jié)合野外實地調(diào)查結(jié)果，我們對衛(wèi)星影像中長度大于10m的溝道進(jìn)行判讀和識別，從而完成對王家溝流域內(nèi)溝道信息的提取。

1.3.2 土地利用現(xiàn)狀分類 以山西省水土保持科學(xué)研究所繪制的土地利用現(xiàn)狀圖（1∶5 000）為參考，利用ERDAS IMAGINE對衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行人工目視解譯，將研究區(qū)的土地覆蓋類型分為旱地、裸地、村莊、采礦用地、果園、灌木林地、農(nóng)業(yè)用地、其他林地、其他草地、道路用地共10種，并通過野外實地調(diào)查對解譯結(jié)果進(jìn)行驗證和校準(zhǔn)。

1.3.3 植被覆蓋度 本次研究采用像元二分模型［16－18］對項目區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度進(jìn)行計算：

FC＝（NDVI－NDVIsoil）／NDVIveg－NDVIsoil

式中：FC——像元植被覆蓋度；NDVIsoil——無植被覆蓋像元的NDVI值；NDVIveg——完全被植被覆蓋的像元的NDVI值。

1.3.4 土壤侵蝕強(qiáng)度分級 對王家溝流域1∶10 000地形圖進(jìn)行矢量化，在ArcGIS 10.0平臺上建立數(shù)字高程模型（DEM），并提取研究區(qū)坡度。參考水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS空間分析功能對提取的植被信息、土地利用信息、坡度信息進(jìn)行疊加分析，建立研究區(qū)水土流失強(qiáng)度分級制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝道分類與發(fā)育特征

通過對王家溝流域衛(wèi)星影像的解譯識別，在研究區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)符合條件的溝道718條。根據(jù)溝道所處的地形環(huán)境、形成條件及空間分布格局，可將這些溝道分為切溝、沖溝、干溝和河溝4類，如圖1所示。

圖1 王家溝流域溝道空間分布

經(jīng)統(tǒng)計，王家溝流域內(nèi)共有沖溝109條，切溝286條，干溝302條及河溝21條。河溝是整個流域溝道的“骨架”，多位于流域的中下游；干溝是流域內(nèi)分布最廣泛的溝道類型，多分布于大型河溝兩側(cè)陡峭的谷坡處；沖溝空間特征明顯，多見于流域上游，大多為干溝或河溝的支溝；切溝是4類溝道中規(guī)模最小的一類溝道，與其他3類溝道相伴而生，溝道發(fā)育活躍，是現(xiàn)代侵蝕地貌發(fā)育過程的產(chǎn)物。

為了研究4類溝道的發(fā)育特征，分別從每類溝道中隨機(jī)選擇21條溝道進(jìn)行溝道特征研究，結(jié)果如表1所示，河溝的規(guī)模是4類溝道中最大的，其長度、寬度、深度明顯大于其他3類溝道；切溝的溝道縱比降最大，為69.6%；沖溝的平均坡度最大，為42.3°；在可統(tǒng)計面積的3類溝道中，干溝具有最大的平均溝道面積1 628m2。

對4類溝道的地形、地貌因子進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析（表2）。結(jié)果顯示，沖溝、切溝的溝長與溝深分別呈現(xiàn)正相關(guān)性，在P＜0.01水平下，相關(guān)系數(shù)R分別為0.82和0.91，而干溝（P＜0.01，R＝0.074）和河溝（P＜0.01，R＝0.03）則無此相關(guān)性。該發(fā)現(xiàn)有助于解釋流域內(nèi)4類溝道縱降比和剖面形狀出現(xiàn)“兩類化”的現(xiàn)象：王家溝流域內(nèi)，沖溝與切溝的溝道縱降比均大于30%，干溝和河溝則低于21%；沖溝與切溝的剖面形狀多呈V字形，而干溝和河溝則接近于U字形。另外，結(jié)合表1和表2可以看出，沖溝、切溝和干溝的平均溝頭坡度與其溝道面積呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。切溝的溝頭坡度38.2°，溝道面積926m2，干溝溝頭坡度最小，為15.6°，溝道面積卻比切溝大的多，為1 628m2。這一特征與“坡度大小與溝道面積成正比”的說法［19］有很大出入。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該發(fā)育特點主要是由于黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤特性造成的。該處土壤母質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，離石黃土和馬蘭黃土含水率低，粘性差，當(dāng)暴雨來臨時，切溝與沖溝由于溝頭坡度大，初期會產(chǎn)生大量的地表徑流，對溝道沖刷集中且強(qiáng)烈，致使溝道下切面狹窄，隨著時間發(fā)展，兩側(cè)谷坡黃土層越來越不穩(wěn)定，在重力侵蝕作用下大量侵蝕物質(zhì)會堆積到溝道底部，造成河道淤積，面積減少。這一發(fā)現(xiàn)與朱同新等人的研究結(jié)果較一致［20］。

表1 王家溝溝道地形、地貌特征

表2 四類溝道地形因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

2.2 溝道侵蝕現(xiàn)狀分析

圖2是王家溝流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖，利用ArcGIS軟件進(jìn)行土壤侵蝕面積統(tǒng)計，結(jié)果顯示王家溝流域內(nèi)土壤侵蝕面積（輕度以上土壤侵蝕面積）4.89km2，占流域總面積53.74%。其中輕度土壤侵蝕面積為2.35km2，占侵蝕面積48.06%；中度侵蝕面積為1.44km2，占侵蝕面積29.45%；強(qiáng)度侵蝕面積為0.87km2，占侵蝕面積17.79%；極強(qiáng)度侵蝕面積為0.23km2，占侵蝕面積4.7%。流域平均土壤侵蝕模數(shù)為3 043t／（km2·a）。

圖2 王家溝流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布

通過圖1和圖2可以直觀發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)各類溝道分布與土壤侵蝕強(qiáng)度之間存在緊密聯(lián)系。對二者進(jìn)行空間疊加統(tǒng)計（表3）?？梢钥闯鲈谕跫覝狭饔騼?nèi)溝道侵蝕是土壤侵蝕的主要形式，溝道侵蝕面積占總侵蝕面積的56.19%，干溝侵蝕面積比例最大，為17.28%；溝道侵蝕主要以中度侵蝕和強(qiáng)度侵蝕為主，二者侵蝕面積分別占流域內(nèi)同類侵蝕強(qiáng)度面積的40.61%和64.37%。

4類溝道的土壤侵蝕強(qiáng)度也存在明顯差異，河溝以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，土壤流失較少；干溝則主要集中在輕度侵蝕和中度侵蝕；而溝道面積相對較小的沖溝和切溝則土壤流失非常嚴(yán)重，中度以上的侵蝕面積占其溝道總侵蝕面積比例分別為96.95%，83.23%。

實地調(diào)查可知，河溝已經(jīng)屬于溝道發(fā)育的“老年”階段，整個溝底寬平，由黃土、紅土混合鈣結(jié)核及礫石組成，老的水流沖積物形成的溝道凸岸已成為階地或被改造為農(nóng)地，溝道穩(wěn)定，植被覆蓋度較高，干溝屬于溝道發(fā)育的“成熟”階段，溝底寬窄，由上游沖刷下來的侵蝕物質(zhì)組成，兩側(cè)坡麓部分也堆積了很多重力活動（滑坡、瀉溜、崩塌等）的堆積物，當(dāng)上游徑流沖刷這些堆積物時，就會產(chǎn)生大量的泥沙，但由于多數(shù)的干溝坡度較低，植被覆蓋較好，可以起到減流固沙的作用，使徑流中攜帶的泥沙沉積，大大降低土壤流失量。切溝和沖溝基本屬于現(xiàn)代侵蝕溝，是溝道發(fā)育的“青年”階段，這兩類溝道往往分布在坡度高、植被覆蓋差的梁峁坡上，或在干溝、河溝的溝坡上，V字形斷面使溝道兩側(cè)邊坡不斷被流水消蝕，積壓在溝底的堆積物在雨季會被洪水?dāng)y帶走，造成強(qiáng)烈的土壤侵蝕。據(jù)王福堂［21－22］統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：像切溝、沖溝這樣的“V”型溝是王家溝流域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度最大的地類，其面積僅占流域面積的4.34%，產(chǎn)沙量卻占到流域產(chǎn)沙量的近20%。

表3 王家溝流域土壤侵蝕溝道類型的面積比重

2.3 溝道侵蝕的坡度分異特征

圖3是王家溝流域的DEM圖，利用GIS進(jìn)行坡度提?。▓D4）并將其與溝道分布圖、土壤侵蝕強(qiáng)度圖分別進(jìn)行空間疊加分析，求得王家溝流域內(nèi)不同坡度的溝道分布情況和土壤侵蝕面積。

從圖5中可以看出，在王家溝流域內(nèi)坡度與溝道分布和土壤侵蝕強(qiáng)度之間存在緊密聯(lián)系。在坡度低于30°的區(qū)域內(nèi)主要的溝道類型為干溝和沖溝，土壤侵蝕強(qiáng)度以輕度侵蝕和中度侵蝕為主；另外，強(qiáng)度土壤侵蝕面積的比例在各坡度內(nèi)的分布與同坡度沖溝、切溝數(shù)量分布非常相似，都呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，并在坡度為40°～50°處達(dá)到最大值；而對于極強(qiáng)度的土壤侵蝕從圖中可以看到坡度越大，其所占比例越大。

為了分析圖5中不同坡度內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度與各類型溝道分布的相互關(guān)系，對其進(jìn)行相關(guān)性分析，可以看出，當(dāng)坡度小于20°時，輕度土壤侵蝕和中度土壤侵蝕面積比例與干溝和河溝的分布數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)坡度處于20°～50°之間時，中度土壤侵蝕面積比與干溝分布存在正相關(guān)性，但二者的顯著性隨著坡度增加逐漸降低；當(dāng)坡度大于40°時，強(qiáng)度土壤侵蝕和極強(qiáng)度土壤侵蝕面積比與沖溝和切溝分布數(shù)量存在顯著正相關(guān)性，并且與干溝數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中在40°～50°的區(qū)域，沖溝和切溝分布最多，與強(qiáng)度和極強(qiáng)度土壤侵蝕面積比的相關(guān)系數(shù)R均超過了0.9，這表明該處土壤流失源主要來自于沖溝和切溝。而當(dāng)坡度大于70°時，由于坡度太陡，各類初級溝道會受重力作用發(fā)生坍塌、崩塌、滑坡等，已經(jīng)不宜于溝道的成型發(fā)育，土壤侵蝕也由溝道侵蝕向重力侵蝕轉(zhuǎn)移。另外值得關(guān)注的是，10°以下區(qū)域河溝數(shù)量與輕度侵蝕面積比的相關(guān)系數(shù)（R＝0.639）遠(yuǎn)小于10°～20°內(nèi)兩者的相關(guān)系數(shù)（R＝0.976）。這主要是由于10°以下區(qū)域主要集中在9條主干河溝內(nèi)（見圖3），這幾條溝道溝底較寬且穩(wěn)定，受人為活動（修路、建廠、開墾等）影響強(qiáng)烈，土地開發(fā)程度較大，另外，近幾年外出務(wù)工人員較多，很多農(nóng)地、耕地荒廢，致使該區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度下降，溝內(nèi)大面積土壤侵蝕強(qiáng)度正由輕度侵蝕向中度侵蝕轉(zhuǎn)變。

圖3 王家溝流域DEM圖

圖5 王家溝流域不同坡度溝道與土壤侵蝕面積分布

3 結(jié) 論

（1）王家溝流域內(nèi)的溝道可以分為4類：切溝、沖溝、干溝、河溝。其中干溝分布數(shù)量最多；河溝規(guī)模最大；沖溝的平均坡度最大；切溝則是4類溝道中最為活躍、發(fā)育時間最短的溝道，具有最大的溝底比降。通過對4類溝道地形因子進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)沖溝、切溝、干溝這三類溝頭平均坡度與溝道面積呈負(fù)相關(guān)性，即溝頭坡度越大，溝道面積越小；沖溝、切溝的溝長與溝深分別呈正相關(guān)性，而干溝和河溝分別受谷坡長度和泥沙淤積等因素影響，溝長與溝深沒有明顯相關(guān)性。

（2）溝道侵蝕是王家溝流域內(nèi)土壤侵蝕的主要形式，溝道侵蝕面積占總侵蝕面積的56.19%。4類溝道中河溝是土壤侵蝕強(qiáng)度最低的溝道，以微度和輕度侵蝕為主。沖溝和切溝則是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的溝道，其“V”字形斷面會造成大量土壤流失，兩者中度以上的土壤侵蝕面積占其溝道總侵蝕面積的比例分別為96.95%，83.23%。

（3）王家溝流域不同坡度范圍內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度與溝道的類型和空間分布存在緊密聯(lián)系。當(dāng)坡度小于10°時，輕度和中度土壤侵蝕面積與河溝、干溝的分布數(shù)量呈極顯著的正相關(guān)性；當(dāng)坡度大于40°時，強(qiáng)度和極強(qiáng)度土壤侵蝕面積與沖溝和切溝分布數(shù)量存在正相關(guān)性，并在40°～50°區(qū)間內(nèi)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大。

（4）當(dāng)坡度大于70°后流域內(nèi)土壤侵蝕方式由溝道侵蝕轉(zhuǎn)向重力侵蝕。流域內(nèi)10°以下區(qū)域部分主干河溝的土壤侵蝕強(qiáng)度正由輕度向中度轉(zhuǎn)變，主要原因是近些年土地開發(fā)程度加劇，大量務(wù)農(nóng)人員外出，致使農(nóng)、耕地大量荒廢，植被覆蓋度下降，從而易造成水土流失。

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