东北黑土区不同垄向耕地沟蚀与地形耦合规律

宁 静, 杨 子, 姜 涛, 杨 双, 党思宇

(东北农业大学 资源与环境学院, 哈尔滨 150030)



东北黑土区不同垄向耕地沟蚀与地形耦合规律

宁 静, 杨 子, 姜 涛, 杨 双, 党思宇

(东北农业大学 资源与环境学院, 哈尔滨 150030)

东北黑土区在长期高强度开垦连作下，侵蚀沟切割耕地地表现象严重。以黑龙江省宾县的两个典型乡镇为研究区，基于GIS和RS技术，采用全局空间自相关、样方网格等方法，综合垄向、侵蚀沟、地形数据探究区域尺度下垄向分布及不同垄向耕地沟蚀与地形因子耦合规律。结果表明：(1) 不同乡镇沟蚀空间集聚程度不同，主导性垄向耕地内的侵蚀程度最高；(2) 垄向在耕地上的分布有很强的空间自相关性，不同的垄向空间分布是对地形条件的反馈体现，合理的垄向空间分布会起到降低沟蚀密度的作用；(3) 除糖坊镇斜垄外，不同垄向耕地沟蚀密度随海拔的升高呈现先增大后减小的趋势。糖坊镇不同海拔级优势垄向规律性不强，三宝乡整体上任意海拔级斜垄耕作最优；(4) 坡度与坡长交互作用显著。两乡镇表现为“小坡度”+“小坡长”或“小坡度”+“大坡长”条件横垄耕作最优，“大坡度”+“小坡长”或“大坡度”+“大坡长”条件斜垄耕作最优；(5) 黑土区漫川漫岗地带斜垄耕作更具水土保持作用。

沟蚀; 耕作垄向; 地形; 耦合规律; 东北黑土区

土壤侵蚀是导致土地退化、土壤肥力下降、生态环境恶化的主要原因，直接影响区域生态环境和社会经济的可持续发展，已成为全球领域普遍关注的重要环境问题之一[1]。土壤水力侵蚀是自然侵蚀的结果，由耕作方式不同引起的耕作侵蚀已成为国内外共同关注的重要内容。其中，欧美研究者首先涉足耕作侵蚀研究，进行了大量耕作侵蚀试验，构建耕作侵蚀模型、评价耕作侵蚀强度[2-3]。国内的王占礼等人于2002年在我国黄土区正式开展了耕作侵蚀研究，进一步探究了耕作侵蚀对总土壤侵蚀的贡献[4]。与此同时，其他学者也从不同角度探究了耕作方式对浅沟产沙及形态发育特征和土壤养分的影响，并取得了一定进展[5-6]。中国东北黑土区土壤肥沃，是我国重要的商品粮基地。但经过近几十年的高强度开垦连作，耕地退化、生态环境恶化等问题逐渐凸显[7]。相关资料显示，沟蚀是东北黑土区土壤侵蚀的主导类型，侵蚀沟广泛分布在坡耕地上，数量高达25万余条，总占地48.3万hm2[8]，侵蚀速度在世界三大黑土带范围均罕见[9]。已有研究侧重揭示沟蚀的自然侵蚀过程与机理[10-11]，有学者指出，耕作侵蚀是导致黑土区坡耕地水土流失最根本的侵蚀方式[2]，但由耕作方式产生沟蚀的相关研究鲜有报道。垄作是东北黑土区一种非常普遍的耕作方式，耕作行与等高线纵横方向夹角显著影响径流[12-13]，进而会影响侵蚀沟的产生。由于耕地沟蚀过程的复杂性，在区域尺度上不同垄向对耕地沟蚀的影响机制尚未清楚[14-15]，不同垄向耕地沟蚀与地形等外部指标间的作用关系也有待进一步研究。

本文以东北黑土区宾县两个典型乡镇为研究区，以野外实地调查与SPOT高分辨率影像为基础，结合DEM数据获得垄向、侵蚀沟与地形因子，对宾县糖坊镇和三宝乡沟蚀强度，垄向空间分布及不同垄向耕地沟蚀与地形因子耦合规律进行分析，完善垄向作为影响土壤沟蚀因子的相关研究，进一步揭示区域尺度侵蚀沟在耕作侵蚀与土壤水蚀交互作用下的分布规律，为黑土区制定科学合理的保护性耕作措施提供科学依据。

1　研究区概况

宾县位于典型黑土带东部边缘，地处松嫩平原与张广才岭交汇处，地理坐标为东经126°55′41″—128°19′17″，北纬45°30′37″—46°01′20″，是黑龙江省五个国家级黑土区水土流失治理重点工程县之一。自然概况为“五山半水四分半田”，地形多为漫川漫岗和台地低丘。地势南高北低，南部山地呈条状沿东南县境延伸，中部为丘陵地带，北部邻接松花江为河谷平原。境内划分五个气候区，年平均气温4.4℃，属中温带大陆性季风气候。年平均无霜期为110～150 d，多年平均有效积温2 769℃。春季干旱少雨，夏季雨量集中，多年平均降水量为550 mm，多年平均蒸发量为910 mm[16-17]。境内有8条主河流，24条支流及百余条沟溪穿过河谷平原。黑土主要分布于漫岗丘陵区，占全境28.5%[18]。

主要土地利用类型为耕地，以旋耕起垄连作为主。耕地主要分布在中部低山丘陵区和北部沿江河谷平原，南部山区存在大量坡耕地。自然条件和耕作方式的复合作用致使沟蚀切割耕地地表现象显著，细沟、浅沟持续发育，切沟、冲沟广泛分布。本文以宾县糖坊镇和三宝乡为典型小区，两处分位于北部河谷平原和南部山地，地形条件差异较大。根据实地调研糖坊镇以顺垄耕作为主，三宝乡以横垄耕作为主。选择两乡镇目的是试图从差异中找寻不同垄向耕地沟蚀与地形因子耦合的一般规律。

2　数据来源与研究方法

2.1耕地垄向数据提取

本文采用2013年SPOT影像(分辨率2.5 m)，结合高分辨率Google Earth可视化地形起伏勾画糖坊镇与三宝乡行政界线内耕地地块数据。垄向判别基于ArcGIS 9.3中raster surface函数，利用ASTERG DEM 30 m分辨率高程影像内插为10 m间隔等高线，综合文献[13,19]以等高线与耕地垄行夹角关系为判别依据。具体判别方法为：当等高线与垄向夹角在0°—10°时，定义此类垄向为顺垄，属性编码为SL，如图1A所示；当等高线与垄向夹角在10°—80°时，定义此类垄向为斜垄，属性编码为XL，如图1B所示；当等高线与垄向夹角在80°—90°时，定义此类垄向为横垄，属性编码为HL，如图1C所示。

图1　耕地垄向判别示意图

2.2侵蚀沟数据提取

侵蚀沟数据同样依据2013年SPOT影像、Google Earth影像，参考文献[20]对侵蚀沟发育分类进行室内判读。根据相关研究，除河沟以外，其余沟谷都具有较强侵蚀能力，均属侵蚀沟范畴[21]。但通常情况，细沟和细沟间侵蚀算作坡面侵蚀，不计入沟蚀[20]。同时，受制于影像精度，长度小于2.5 m的浅沟也不在本文讨论范围内。根据道路通达性挑选两地侵蚀沟总数的2%，在2015年4月对室内判读的侵蚀沟及所在耕地地块垄向进行了实地验证，侵蚀沟及垄向数据解译精度分别达到92%和87%。同时，对难以判读位置进行野外辨认并建立野外标志，最后返回室内进行修正。

2.3研究方法

2.3.1沟蚀密度网格化常用分析沟蚀强度指标为沟蚀密度，指单位面积内侵蚀沟总长度[21]。公式如下：

(1)

式中：C——侵蚀沟总长度(m)；S——总面积(km2)；D——沟蚀密度值(m/km2)。沟蚀密度能够在宏观尺度上统计区域侵蚀沟空间分布强度，是地形发育阶段、降水量、地势高差、土壤渗透能力和地表抗蚀能力综合标示值[22]。为体现沟蚀强度空间分布并统计不同沟蚀强度面积，本文均匀建立覆盖研究区500 m×500 m样方网格，计算各样方网格内沟蚀密度值并重新分级。

2.3.2Global Moran′sI指数本文应用全局空间自相关检验糖坊镇、三宝乡垄向分布是否具有空间自相关性并测量其空间聚集程度。采用指标是Global Moran′sI指数[23]。计算公式为：

(2)

式中：n——区域单元个数；xi——现象属性值在区域单元i上的观测值，i=1，2，3，…，n；wij——空间权重系数矩阵，表示各区域单元空间邻近关系。

空间自相关是区域化变量基本属性之一，而空间自相关统计量可用于检测研究区域内变量分布是否具有结构性[23]。Global Moran′sI值介于-1～1，大于0为正相关，值越大表示分析变量在空间上越聚集；小于0为负相关，值越小表示分析变量在空间上越分散；而当值等于0时，表示变量在空间上随机分布。显著性检验统计量用Z，取α=0.05，当Z<-1.96或Z>1.96时，拒绝零假设，观测变量空间自相关显著，观测属性在空间上呈离散格局(Z<-1.96)或集聚格局(Z>1.96)；反之，则接受零假设，观测变量在空间上呈随机分布[24]，Z值越大表明空间自相关性越强。

2.3.3地形因子提取 本文所应用的坡度、海拔、坡长地形因子数据源为ASTERG DEM 30 m分辨率高程影像。坡度利用ArcGIS 9.3 Slop函数计算；海拔为DEM原始数据；坡长在ArcGIS 9.3水文分析模块下参考文献[25]求出。三种地形因子均通过ArcGIS 9.3 Reclassify函数进行栅格数据重分类。常规统计应用Excel 2003，线性回归分析应用SPSS 16.0。

3　结果与分析

3.1沟蚀强度空间分布

根据相关研究[26]，同时结合实地野外调查，如果沿用水利部中沟蚀分级标准将造成侵蚀沟现状失真，许多在发育中的浅沟或长度较小的冲沟将无法体现。因此，结合研究区实际情况，本文将沟蚀密度共分为0～100，100～300，…，700～900，>900 m/km2共6级，不同网格颜色代表不同沟蚀分级，见图2。

图2　沟蚀强度空间分布

由图2A可知，糖坊镇整体侵蚀沟分布较为广泛，侵蚀面积相对较多但沟蚀剧烈集中现象不明显。结合图3A来看，糖坊镇0～100 m/km2沟蚀密度级网格分布面积为124.98 km2，占总面积的59.04%。100～300 m/km2和300～500 m/km2沟蚀密度级网格分布次之，500～700 m/km2及以上沟蚀密度级网格面积相对较少，分别占总面积的7.62%，3.96%和4.51%。

由图2B可知，三宝乡侵蚀沟主要分布在北部耕作区，沟蚀强度剧烈集中现象明显，高沟蚀强度面积显著高于糖坊镇。结合图3B，三宝乡0～100 m/km2沟蚀密度级网格分布最多面积为225.02 km2，占总面积的71.29%。>900 m/km2沟蚀密度次之,为50.17 km2，占总面积的15.89%。其余四个沟蚀密度级网格面积较为均衡，所占比例分别为3.38%，3.99%，2.92%和2.53%。

3.2三种垄向耕地沟蚀分布

研究区主要耕作垄向为顺垄、横垄和斜垄。图4A体现了两乡镇不同垄向的耕地地块数和占耕地总面积的百分比。由图4A可知，糖坊镇顺垄地块数为755块，占耕地面积比重最大，为31.2%，顺垄耕种占主导地位。三宝乡横垄地块数为878块，占耕地面积比重最大，为25.71%，横垄耕种占主导地位。

将垄向、侵蚀沟数据叠加得到不同垄向耕地沟蚀密度值，以此表示不同耕作垄向侵蚀强度。由图4B可知，糖坊镇顺垄沟蚀密度最高，为1 268.09 m/km2，呈现顺垄>横垄>斜垄次序。三横垄沟蚀密度最高，为1 073.92 m/km2，呈现横垄>斜垄>顺垄次序。整体而言，糖坊镇顺垄侵蚀现象突出，三宝乡横垄侵蚀现象突出，两乡镇均表现为占主导性垄向的侵蚀程度最严重。

图3　沟蚀密度分级所占面积比重

图4　两乡镇不同垄向地块及沟蚀密度分布

3.3耕作垄向分布空间自相关性

探讨耕作垄向空间自相关性可以直观了解耕作区垄向分布是规律性还是随机性。将两地500 m×500 m栅格格网分别与三种垄向地块数据叠加，统计每个格网内垄向地块面积百分比，然后利用ArcGIS 9.3 Spatial autocorrelation analysis 模块进行垄向地块数据全局空间自相关分析，得到表1中Moran′sI指数和Zscore得分。

由表1可知，糖坊镇斜垄Moran′sI达到0.11，Zscore得分值为7.36，空间自相关性最强。横垄Moran′sI同样达到0.11，Zscore得分值为6.94。顺垄Moran′sI为0.09，Zscore得分值为4.14。垄向空间自相关性表现为斜垄>横垄>顺垄，结合图4B，三种垄向耕地沟蚀密度大小为顺垄>横垄>斜垄，说明糖坊镇垄向的空间分布对抵御侵蚀沟产生起到了正面作用。

表1　研究区耕地垄向地块全局自相关结果

注：**表示在0.01显著性水平下有差异。

三宝乡横垄Moran′sI达到0.1，Zscore得分值为7.06，空间自相关性最强。说明三宝乡在某一地形条件下主要以横垄耕作抵抗地形劣势，但结合图4B三宝乡横垄沟蚀密度最大，横垄不能够很好抵御侵蚀沟的产生。顺垄Moran′sI达到0.09，Zscore得分值为4.58，斜垄Moran′sI达到0.09，Zscore得分值为4.14。垄向空间自相关性表现为横垄>顺垄>斜垄，而沟蚀密度表现为横垄>斜垄>顺垄，说明三宝乡这种垄向空间分布较不理想。

两乡镇无论何种垄向的空间自相关均达到极显著(Sig.<0.01)水平。已有研究表明[2]，地形是在特定土壤与耕作条件下影响耕作侵蚀的唯一因素，因此可以说，不同垄向在空间上的集聚是农民根据耕作经验对地形条件的反馈。根据实地调研，三宝乡有50.66%农民横垄耕作，与早期大规模“顺改横”有直接关系[9]。垄向作为一种耕作条件，既是抵御地形劣势的反馈结果，又是特定地形条件助力产生沟蚀的原因，其与地形的复杂关系需要深入研究。

3.4三种垄向耕地沟蚀与地形因子耦合关系

3.4.1海拔因子糖坊镇耕地平均海拔146 m，三宝乡耕地平均海拔210 m，两地海拔差异较大。为更好刻画三种垄向耕地沟蚀密度随海拔分异情况，将海拔分为9级，分别为0～110，110～130，…，230～250，>250 m。依次把垄向、海拔级、侵蚀沟数据空间叠加得到不同垄向不同海拔级的沟蚀密度。

表2　海拔分级

由图5A可知，糖坊镇在1级海拔上沟蚀密度顺垄>斜垄>横垄。1—2级海拔，横垄、顺垄沟蚀密度增长较大，斜垄沟蚀密度稍有回落，2级海拔表现为顺垄>横垄>斜垄。2—3级海拔，三种垄向沟蚀密度均随海拔增加至峰值，3级海拔表现为横垄>顺垄>斜垄。3—5级海拔，横、顺垄沟蚀密度下降速度快于斜垄，5级海拔表现为斜垄>横垄>顺垄。5—6级海拔，横、顺垄沟蚀密度小范围上升，斜垄沟蚀密度大幅降低，至6级海拔表现为横垄>顺垄>斜垄。6—9级海拔，横垄、顺垄沟蚀密度波动下降至最低，斜垄沟蚀密度持续增加，9级海拔表现为斜垄大于横垄和顺垄。能够说明，糖坊镇>210 m海拔上以斜垄耕作为主，但不能很好抵御侵蚀沟产生。

综合来看，糖坊镇0～150 m小海拔范围及190～210 m海拔斜垄耕作能够降低沟蚀密度，150～190 m海拔顺垄耕作最优，>210 m海拔横垄耕作最优。130～150 m海拔为三种垄向侵蚀敏感区间，应注意重点防治。

图5　三种垄向沟蚀密度高程分异

由图5B可以看出，三宝乡不同垄向沟蚀密度均随海拔先增加后减小，这种规律和闫业超等研究相似[11,19]。1级海拔耕地无侵蚀现象，2级海拔斜垄沟蚀密度为0，横垄沟蚀密度大于顺垄沟蚀密度。2—3级坡长，横垄、顺垄沟蚀密度有所下降，斜垄沟蚀密度开始上升，至3级海拔表现为横垄>斜垄>顺垄。3—5级海拔，三种垄向耕地沟蚀密度均随海拔增加至峰值，至5级海拔，表现为顺垄>横垄>斜垄。5—9级海拔，三种垄向耕地沟蚀密度均随海拔升高而下降，至9级海拔表现为横垄>顺垄>斜垄。

综合来看，除糖坊镇斜垄外，各垄向沟蚀密度整体上随海拔高度呈现先增加后减小的趋势，不同高程受人类活动影响不同，环境脆弱程度也不同[19]。三宝乡顺垄沟蚀密度总体最低，与顺垄地块较少有关。由于三宝乡“顺改横”特定原因，顺垄耕作不是三宝乡优势耕作垄向，斜垄耕作总体上为任意海拔级最优选择。170～190 m是沟蚀敏感区，应注意防治。

3.4.2坡度因子将坡度数据重分类为5级，坡度分级见表3。依次把垄向、坡度级、侵蚀沟数据空间叠加得到不同垄向不同坡度级的沟蚀密度。由图6看出，两乡镇沟蚀密度随坡度变化情况不完全相似，但占主导地位垄向的沟蚀密度随着坡度的增加都呈现先升高后下降的趋势。

由图6A看出，糖坊镇在1级坡度上沟蚀密度顺垄>横垄>斜垄。1—2级坡度，顺、斜垄沟蚀密度随坡度上升，横垄沟蚀密度稍有减小，2级坡度表现为顺垄>斜垄>横垄。2—3级坡度，横顺垄沟蚀密度随坡度上升，斜垄沟蚀密度有所回落，顺垄沟蚀密度达到峰值，为1 345.30 m/km2，3级坡度表现为顺垄>横垄>斜垄。3级坡度后，顺垄沟蚀密度随坡度下降，横垄沟蚀密度随坡度持续上升，斜垄沟蚀密度波动下降，一直表现为横垄>顺垄>斜垄。8°以后，横垄沟蚀密度依然增加，比同坡度顺垄沟蚀密度大。

综合来看，在<6°时坡度是顺垄沟蚀的主要因素。2°～6°坡度范围横垄耕种能够更好抑制沟蚀，低坡度内由于流水方向与横垄垄向垂直，径流受到地垄阻力，侵蚀沟短期内不会急速延伸，8°以后不再适宜横垄耕种。斜垄沟蚀密度在不同坡度级上表现平稳，整体小于横、顺垄沟蚀密度。斜垄耕作能够减小垄向角，使径流沿着更平缓坡度流动，侵蚀量更小[13]。

表3　坡度分级

图6　三种垄向沟蚀密度坡度分异

由图6B可知，三宝乡在第1坡度级上，沟蚀密度横垄>斜垄>顺垄。1—2级坡度，横、顺垄沟蚀密度随坡度上升，斜垄沟蚀密度有所下降，2级坡度表现为横垄>顺垄>斜垄。2—4级坡度，横垄、斜垄沟蚀密度随坡度上升明显，至第4级坡度，表现为横垄>斜垄>顺垄，横、斜垄沟蚀密度达到峰值。4—5级坡度，横、斜垄沟蚀密度自峰值回落，顺垄沟蚀密度呈上升趋势，第5坡度级上为横垄>斜垄>顺垄。

综合来看，三宝乡顺垄沟蚀密度最低，这与早期“顺改横”密不可分[9]，顺垄侵蚀早期本身就引发大规模侵蚀沟产生，所以三宝乡应斜垄耕作，8°～10°坡度侵蚀沟重点防治。横垄沟蚀密度在各坡度级下均为最大，在实际耕作中，横垄耕作并不完全是等高耕作，每条横垄沟中高低不平，易造成渠系效应，很难达到水土保持目的[14]。

3.4.3坡长因子将坡长数据分级，与垄向、侵蚀沟数据叠加，得到不同垄向不同坡长级的沟蚀密度。糖坊镇耕地平均坡长402.41 m，三宝乡耕地平均坡长452.80 m。同分为7级，分别为0～100，100～200，…，>600 m(表4)。一般来说，坡长越长汇水下流动力越大，剥蚀坡面时间越长，因而径流切割坡面作用越明显[7]。

表4　坡长分级

对于糖坊镇，坡长对沟蚀密度作用显著，三种垄向沟蚀密度均随坡长增加而升高。由图7可知，1级坡长，沟蚀密度表现为斜垄>顺垄>横垄。1—2级坡长，横、顺垄沟蚀密度略有上升，至2级坡长表现为顺垄>斜垄>横垄。2—4级坡长，横垄沟蚀密度随坡长增加而上升，顺垄沟蚀密度稳定增加，斜垄沟蚀密度较平稳，至4级坡长，沟蚀密度表现为横垄>顺垄>斜垄。4—6级坡长，顺垄沟蚀密度持续随坡长增加而上升，横、斜垄沟蚀密度随坡长增加有所减小，至6级坡长，表现为顺垄>横垄>斜垄。6—7级坡长，三种垄向沟蚀密度均急剧升高。径流冲刷力大小主要取决于径流速度和径流量，两者又受坡度和坡长影响[7]。

研究发现，糖坊镇坡长与坡度存在显著正线性关系(R2=0.872 9)，从另一方面助力坡长，增强径流汇流动力，造成沟蚀密度增加。坡长和坡度线性关系表达式为：

y=0.0015x+5.5176

(Sig.=0.00,R2=0.8729)

(3)

顺垄沟蚀密度在坡度和坡长正向主导下，持续稳定增长，横垄沟蚀密度持波动增长态势。1—6级坡长斜垄沟蚀密度平稳，同样由于斜垄能够减小垄向角，降低坡长对径流的影响，使水流沿平缓坡度移动以减小径流携带的动能。

综合来看，在糖坊镇0～200 m坡长，横垄耕作在三种垄向中沟蚀密度最低。200～600 m坡长，斜垄受坡长干扰程度最小，受坡长坡度作用不显著。>600 m坡长为耕作临界点，三种垄向均不宜耕作。

坡长对三宝乡横垄侵蚀作用显著。由图8可知，1级坡长，沟蚀密度表现为斜垄>横垄>顺垄。1—2级坡长，横垄沟蚀密度急剧增加，顺垄和斜垄沟蚀密度略有上升，至2级坡长表现为横垄>斜垄>顺垄。2—3级坡长，横垄沟蚀密度增幅减小，顺垄、斜垄沟蚀密度均有所下降，至3级坡长表现为横垄>斜垄>顺垄，横垄沟蚀密度达到峰值。3—6级坡长，横垄沟蚀密度随坡长增加持续降低，顺垄和斜垄沟蚀密度波动变化，至6级坡长表现为斜垄>横垄>顺垄。6—7级坡长，三种垄向耕地沟蚀密度均下降到最低值，至7级坡长表现为顺垄>斜垄>横垄。

图7　糖坊镇三种垄向沟蚀密度坡长分异

三宝乡坡度和坡长关系呈显著负线性相关(R2=0.768 2)。表达式为：

y=-0.0019x+9.6826

(Sig.=0.01,R2=0.7682)

(4)

三种垄向沟蚀密度都在1—2级坡长上升，这主要因为1—2级长平均坡度从9.10°上升到9.56°，坡度增大了坡长内径流累积量。2级坡长后，平均坡度有所减小，由9.56°下降到7.92°。无论何种耕作垄向，坡度变缓后径流冲刷能力也会随之下降，降低了沟蚀密度。

总结来看，三宝乡0～600 m坡长适宜斜垄耕种。>600 m坡长耕地虽然坡长较大，但整体坡度较低，横垄耕作可以较好抵御侵蚀沟产生。200～300 m坡长，横垄侵蚀应重点防治。结合糖坊镇三种垄向耕地沟蚀密度随坡长分异规律及坡长坡度关系来看，“小坡长”+“小坡度”或“大坡长”+“小坡度”条件横垄耕作为最优选择，“小坡长”+“大坡度”或“大坡长+大坡度”条件斜垄耕作为最优选择。

图8　三宝乡三种垄向沟蚀密度坡长分异

4　结论与讨论

(1) 本次研究的两个乡镇地形条件差异较大，耕作垄向分布不同，沟蚀空间集聚的程度也不相同。同时，占主导地位耕作垄向内的耕地侵蚀程度最重，不同垄向耕地的沟蚀密度有明显差异，说明耕作垄向的选择对耕地沟蚀的产生有一定影响。

(2) 研究区耕作垄向在空间上分布呈显著自相关关系(Sig.<0.01)，因为区域尺度下地形是空间上影响耕作侵蚀的唯一要素，因此能够说明不同耕作垄向在空间上的分布是农民根据耕作经验以水土保持效益为目的对地形条件的反馈体现，耕作垄向的合理配置能够起到降低沟蚀密度的作用。

(3) 对于海拔因子，除糖坊镇斜垄外，不同垄向耕地沟蚀密度随海拔先增大后减小。糖坊镇不同海拔区间优势耕作垄向规律性不强，130～150 m海拔为三种垄向侵蚀敏感区间。三宝乡斜垄耕作总体上为任何海拔级上最优选择。170～190 m海拔为三宝乡沟蚀敏感区。

(4) 对于坡度因子，占主导地位垄向耕地内的沟蚀密度先随坡度增加后减小，敏感区间分别是6°～8°及8°～10°。由于坡度、坡长因子分别是影响坡面径流速度和流量的主控因素，所以坡长因子与坡度因子的交互作用显著影响沟蚀密度。糖坊镇坡长与坡度正相关(R2=0.872 9)，顺垄、横垄沟蚀密度在坡长坡度正相关作用下不断增加，斜垄沟蚀密度低于顺垄和横垄。耕地沟蚀密度>600 m坡长为耕作临界点。三宝乡坡长与坡度负相关(R2=0.768 2)，横垄沟蚀密度在坡长坡度负相关作用下不断减小，顺、斜垄沟蚀密度变化不大。200～300 m坡长上，横垄侵蚀应重点防治。综合坡度、坡长的交互作用，两乡镇表现为“小坡长”+“小坡度”或“大坡长”+“小坡度”条件横垄耕作为最优选择，“小坡长”+“大坡度”或“大坡长+大坡度”条件斜垄耕作为最优选择。

根据本文研究，垄向既是抵御地形劣势的显性选择也是助力侵蚀沟发生的隐性条件，不同垄向的选择会对沟蚀有一定影响，斜垄耕作更具水土保持作用。单纯“顺改横”并不能有效抵御侵蚀，等高横垄耕作需要更精细措施，但在黑土区复杂地形条件下难于实现。此外，区域尺度下不同垄向耕地沟蚀与地形因子耦合规律需要因地分析，同时应注意不同地形因子的相互作用。对于沟蚀产生的地形敏感范围，应采取有效治沟防沟措施。耕作垄向与地形因子的复合作用是东北黑土区耕地产生侵蚀沟诱因，未来对于各耕作垄向分别干预或助力侵蚀沟产生的机理性原因与过程仍需更深层次探讨。

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The Coupling Laws Between Gully Erosion of Cultivated Lands with Different Ridge Directions and Terrain in Northeast Black Soil Region of China

NING Jing, YANG Zi, JIANG Tao, YANG Shuang, DANG Siyu

(CollegeofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

With the long-term over-cultivating and continuous cropping in the northeast black soil region of China, it has been a severe problem that the erosion gullies cut up the cultivated land surface. We took two towns in Bin County of Heilongjiang Province as the typical areas. The spatial distribution and the coupling laws between gully erosion of cultivated lands with different ridge directions and terrain in regional scale were studied based on the GIS and RS technology, integrated ridge direction, erosion gully, DEM data, global spatial autocorrelation, sample of grid and so on. The results showed that: first, the spatial agglomeration of gully erosion was not the same in different towns, erosion degree of the dominant ridge direction in cultivated land was the most serious; second, the distribution of ridge direction in cultivated land showed an obvious spatial autocorrelation, the different spatial distribution of ridge direction was the feedback toward the terrain conditions, and the reasonable spatial distribution of ridge direction played a role in reducing gully density; third, gully density of different ridge directions in cultivated lands increased first and then decreased with the elevation rising in addition to askew ridge of Tangfang Town. The regularity of optimal ridge direction in different elevation levels was not obvious in Tangfang Town, askew ridge tillage in any elevation level was optimal in Sanbao Town; fourth, the interaction between slope length and slope gradient was significant, showing that the horizontal ridge tillage was optimal under the condition of ‘small slope gradient’+‘small slope length’ or ‘big slope gradient’+‘small slope length’, and the askew ridge tillage was optimal under the condition of ‘small slope gradient’+‘big slope length’ or ‘big slope gradient’+‘big slope length’ in both towns; fifth, askew ridge tillage has significant effect on water and soil conservation in rolling hill regions of black soil area.

gully erosion; tillage ridge direction; terrain; coupling laws; northeast black soil region of China

2015-11-05

2015-11-26

黑龙江省教育厅科学技术项目(12531035);黑龙江省重点实验室开放项目(ht2012-10)

宁静(1978—),女,黑龙江哈尔滨人,博士,副教授,研究方向为土地生态环境问题及3S技术应用。E-mail:njing_today@163.com

S157

A

1005-3409(2016)03-0029-08