基于地形臨界的東北漫崗黑土區淺溝侵蝕預測模型

平溝侵蝕是農田常見的侵蝕類型之一。在過去的20年里，人們逐漸意識到這是草地最重要的侵蝕類型之一。淺溝侵蝕與細溝侵蝕和切溝侵蝕既相似又有一定的區別,在一些地區可以說是細溝侵蝕向切溝侵蝕發展的過渡類型。淺溝侵蝕不僅造成土地生產力下降、不利于耕作,還會造成下游異地的泥沙和水質問題。影響淺溝侵蝕的因素有土壤可蝕性、土地利用及耕作措施、降水和流域地形,其中流域地形特征是非常重要的因素。淺溝的形成和發展依賴于一定的徑流量和勢能,而上游匯水面積及坡度控制著徑流量和勢能的大小。由于缺乏徑流資料,在許多研究中通常用匯水面積來代替徑流量。一般認為,在Horton坡面漫流為主的地區,徑流量隨流域面積呈比例增加。許多研究者利用臨界坡度(S)和匯水面積(A)的關系預測淺溝、切溝侵蝕的溝頭位置以及淺溝的溝道。S-A關系可表示為通式S×Ab>a,其中S為坡度(m/m),A為上游集水區面積(hm2),b為相對面積指數(無量綱),a為臨界值。另外,也有學者研究了地形因子與淺溝侵蝕體積的關系。當前東北黑土區的水土流失問題日益受到關注,但該區的淺溝侵蝕研究還較少。本文根據在黑龍江省鶴山農場兩個小流域的淺溝侵蝕監測數據,關于流域地形因子對淺溝侵蝕的影響進行了探討,并嘗試建立預測淺溝侵蝕長度的回歸模型,以期為進一步研究黑土區坡耕地土壤侵蝕機理和制定流域水土保持措施提供依據。1dem和hydro文化分析方法研究區位于黑龍江省農墾九三分局鶴山農場六隊附近的兩個小流域(東經125°16′,北緯48°58′),流域面積分別為3.6km2和2.8km2,土地利用方式主要是耕地,分別占90%和85%。該區地處小興安嶺西南麓丘陵漫崗地帶,為典型黑土區,地形起伏和緩,坡度大多1°～5°,坡長較長,一般達500～4000m,海拔303～366m。年平均降水量在500mm左右,降雨年際變化大,集中于夏季。坡耕地上分布有間隔數百米、約1.5km長的人工防風林帶,林帶方向有橫坡和順坡兩種。研究區具有明顯不同于我國其它地區的土壤侵蝕過程,一是典型的春季融雪侵蝕過程;二是在影響土壤侵蝕的地形因子中,長坡長的影響作用十分突出。數據獲取分為野外測量和室內數據處理兩部分。獲得淺溝發生部位后,即可獲取淺溝所在匯水單元的地形因子。地形因子選取匯水面積(A)、流域坡度(Sw)、淺溝坡度(S)和坡面長度(L)4個因子。匯水面積是淺溝所在集水區出口以上的面積,用1∶1萬地形圖生成的DEM(5m×5m)進行水文分析得到,所用的軟件為ArcGIS9.0(ESRI,Redlands,Calif.)的ArcHydro水文模塊。野外踏勘時發現,防風林帶阻礙了徑流向下坡流動,尤其是離分水嶺最近的林帶阻礙作用更大,因此在分析淺溝匯水面積時要考慮這種作用。具體做法是,用DEM分析得到每個淺溝的匯水單元后與林帶疊加,勾繪出分水嶺與最近林帶間的部分,二者之差即為淺溝的有效匯水面積。坡面長度是指沿淺溝方向從分水嶺到匯水出口的距離,用手持GPS(GPS12XL,Garmin,Olathe,KS)在野外定位確定。坡度包括流域坡度和淺溝坡度,是指沿淺溝方向上的平均坡度,采用坡度儀測量(±0.5°)。分析前對淺溝數據進行了選擇,去除了由車轍、林帶、排水溝等因素引起的淺溝以及春夏發生位置重復的淺溝,最后得到樣本21個。根據淺溝監測數據(淺溝長度及淺溝侵蝕體積)和地形因子的計算結果,應用SPSS11.0的相關分析和回歸分析模塊,分析地形因子與淺溝侵蝕的關系,顯著水平P<0.05。2結果與討論2.1淺溝侵蝕強度與坡度的關系淺溝長度與坡面長度呈顯著正相關(R=0.831),與匯水面積也有較好的相關關系(R=0.652),表明淺溝長度隨坡面長度、匯水面積的增大而增大。由圖1可以看出,坡面長度決定淺溝長度的71%。坡面長度和匯水面積的大小決定了發生徑流時坡面徑流量的多寡,也進而決定了淺溝侵蝕強度。淺溝侵蝕體積與坡面長度(R=0.712)、匯水面積(R=0.704)也有較好的相關性,而且相關系數幾近相等。這可能在于淺溝所在集水區的形狀多為狹長橢圓形,匯水面積與坡面長度顯著相關(R=0.841)。因此在用地形因子進行淺溝侵蝕預測時,可以在這兩個因子中選用相關系數較大的坡面長度作為參數。上述分析表明,在其他條件一定時,匯水面積和坡面長度淺溝形成與發展起到了決定性作用,可以作為估計淺溝侵蝕強度的指標。可以看出,無論是淺溝長度還是淺溝侵蝕體積與坡面長度的相關性都較顯著,這與該區坡長坡緩的地形特征吻合,體現了該區長坡侵蝕的特點。在利用地形因子對該區的淺溝進行預測時要考慮到這種特點。淺溝侵蝕是集中水流與土壤相互作用的結果,而匯水面積和坡面長度只能表示徑流因子。淺溝體積與匯水面積及坡面長度的關系不如淺溝長度與這兩因子間的相關性大,表明僅僅用徑流因子不能很好地解釋淺溝侵蝕,必須同時考慮土壤可蝕性因子。淺溝長度則不同,受徑流因子影響較大。匯水面積的增大意味著發生徑流時徑流量增加,在坡度較緩的情況下,淺溝長度隨之增加。淺溝長度與淺溝坡度(R=-0.504)、流域坡度(R=-0.708)均呈負相關,其中淺溝長度與流域坡度的負相關還較顯著,這可能是由于坡面長度與流域坡度呈負相關(R=-0.516),也即坡度大的坡面坡長較短,而淺溝長度與坡面長度顯著正相關,因此也表現出淺溝長度與流域坡度呈負相關的關系。野外看到,坡度較陡的坡面,淺溝多形成于坡度突變的坡面下部,長度較短。淺溝侵蝕體積與淺溝坡度(R=-0.393)、流域坡度(R=-0.526)負相關,原因在于淺溝侵蝕體積主要由其長度決定。淺溝長度、侵蝕體積與坡度負相關,并不表明淺溝侵蝕強度隨坡度增加而減弱。這可能與研究區坡度緩、變化幅度小有關,兩流域的坡耕地坡度大多在1°～5°之間,較陡的也只有7°,平均3°左右。而坡長較長,坡度的微小變化不能反映在淺溝侵蝕強度的變化上。因此,研究區坡度對淺溝侵蝕的影響有限,可以說是一個背景因素。這也表明在其他條件一定時,由于研究區的長坡地形特征,匯水面積較大,在較小的坡度條件下,也容易發生嚴重的淺溝侵蝕。鑒于坡面長度對淺溝侵蝕影響顯著,可以通過減少坡長、減少坡地徑流的水土保持耕作方法,減少坡長的有效值,防止溝蝕發生。研究區的防護林帶由于未考慮坡長和坡度的影響,橫坡林帶只起到有限的作用,而順坡林帶則加劇了土壤侵蝕。2.2淺溝和切溝的臨界面值淺溝若不加以治理會發展成切溝。野外觀察到,研究區坡耕地上的切溝往往由淺溝演化而來,形成坡上部是淺溝、下部是切溝的分布情形。2005年夏季監測時發現,在9條淺溝的下方形成8條切溝。這可能是淺溝侵蝕由于耕作活動而加劇,使坡面橫向起伏加大,匯水面積也漸漸增加,淺溝侵蝕進而加劇,在坡面下部演變成切溝侵蝕。研究區淺溝侵蝕向切溝侵蝕的轉變主要是通過局部突變的方式來實現。切溝溝頭往往在下坡的林帶下形成,8條切溝中,有4條緊挨著林帶下形成,這表明防風林帶對淺溝向切溝轉變有相當大影響。地形在淺溝和切溝的形成以及淺溝向切溝轉變中起著關鍵的作用,匯水面積(A)和臨界坡度(S)二者的關系經常用于確定已有溝道侵蝕的溝頭,預測什么地方可能會發生溝蝕。根據監測的淺溝和切溝數據,將二者溝頭坡度與其上游集水區面積繪制在雙對數紙上,通過這些點的下限作直線(如圖2所示),分別得到淺溝與切溝的S-A臨界關系:SEG=0.052A?0.148EGEG-0.148和SG=0.072A?0.141GG-0.141,其中匯水面積(A)為淺(切)溝頭以上的匯水面積,坡度(S)為淺(切)溝頭處的坡度。可以看到,S-A關系中,淺溝與切溝的相對面積指數b值幾近相等,在圖2上二者的直線也近乎平行,這是因為作為相對面積指數的b值與流域的降水、土壤、土地利用、植被有關,而研究區的這些因素基本上一致。臨界值a的大小可用來判斷可能發生切溝侵蝕與淺溝侵蝕的部位,在圖2上,直線SEG=0.052AEG-0.148和SG=0.072A?0.141GG-0.141之間是可能發生淺溝侵蝕的區域,而在直線SG=0.072AG-0.141之上的區域則有可能發生切溝侵蝕。這里a值落在前人相關研究的范圍內,而b值則比他們的值小。本研究的SEG=0.052A?0.148EGEG-0.148和SG=0.072A?0.141GG-0.141可用來預測漫崗黑土區小流域內可能發生淺溝侵蝕向切溝侵蝕轉變的部位。2.3預測方程的驗證要評價淺溝侵蝕對土地資源的危害,一方面要預測流域中可能發生淺溝侵蝕的部位;另一方面要確定其造成的侵蝕產沙量。前人研究表明淺溝長度與淺溝侵蝕體積顯著相關,淺溝長度可以決定其體積的82%～91%。通過預測淺溝長度來代替預測淺溝體積精度也較高,用地形臨界理論預測淺溝長度也具有一定的可行性。從上面的分析知道,坡面長度和匯水面積對淺溝侵蝕有顯著的影響。本文嘗試從地形角度建立預測淺溝長度的模型。這里我們利用多元逐步回歸方法對淺溝長度(L)與匯水面積(A)、淺溝坡面長度(Lw)、淺溝坡度(SEG)、流域坡度(Sw)以及它們之間的組合Sw×L,A×Sw,A×Sw×Lw進行分析,最后只有坡面長度被選擇。最好的回歸方程是(P<0.05):L=26.13+0.4LwR2=0.71(1)L=26.13+0.4LwR2=0.71(1)對于一個流域,可通過上式估計淺溝侵蝕長度,然后通過淺溝長度與體積的關系得到淺溝侵蝕量。由于樣本較少,為了判斷預測方程的優劣,我們采用交叉驗證方法對其進行檢驗,即逐個移去淺溝監測數據,用其它的監測數據進行擬合后去估計去除點的值,然后與實測值進行比較驗證估計精度。對于淺溝數據,逐個做了交叉驗證,誤差情況如表1所示。從單個淺溝長度的預測來看,模型預測精度不高(表1)。預測淺溝長度中有13個大于實測值,8個小于實測值;絕對誤差在5.1～133.2m之間,平均57.0m;相對誤差在2.3%～109.5%之間,平均37.0%。但從預測的淺溝總長度來看,預測淺溝總長度為4183.8m,與實測淺溝總長度4198.0m非常接近。因此,用該預測方程來估計流域淺溝總長度可行性較大。淺溝長度與侵蝕體積有顯著的冪函數關系(V=aLb)。基于此,對21條淺溝的侵蝕體積與長度進行擬合,得到方程(2),a和b值分別為0.015和1.429,a值落在前人相關研究的范圍內,b值則較大。V=0.015?L1.429R2=0.67(2)V=0.015?L1.429R2=0.67(2)式中:V——淺溝體積(m3);L——淺溝長度(m)。為了進一步驗證方程(1)的預測效果,對上述21條淺溝將其實測長度和預測長度代入方程(2)求出相應的淺溝侵蝕總體積,然后與實測侵蝕總體積進行比較。由實測長度計算得到的總體積為682.5m3,與實測總體積(702.0m3)的誤差為3%;而由預測長度估計的流域淺溝侵蝕總體積為659.8m3,與實測總體積的誤差是6%,這說明該預測方程在淺溝侵蝕總量方面的精度較高。但由于數據有限,只進行了交叉驗證,因此還需要用其他流域的淺溝侵蝕資料來檢驗。另外,除地形因素外,凍融、土地利用及耕作措施、降水對淺溝侵蝕都有較大的影響,因此下一步工作需要考慮把土壤表面特征、植被覆蓋及降水因素整合進來。3淺溝和切溝侵蝕的s-a臨界關系首先對地形因子與淺溝侵蝕進行了相關分析,發現淺溝長度、侵蝕體積與坡面長度呈顯著相關,與匯水面積也有較好的相關關系,表明淺溝侵蝕強度隨坡面長度、匯水面積的增大而增大。淺溝長度、侵蝕體積與流域坡度呈負相關,原因在于研究區坡度大的坡面坡長較短。