典型黑土区小流域土壤侵蚀的地貌分布特征

杨维鸽，张红侠

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000)

典型黑土区小流域土壤侵蚀的地貌分布特征

杨维鸽，张红侠

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000)

以哈尔滨市宾县东山沟小流域为研究对象，利用通用土壤流失方程(USLE)模型和地理信息系统(GIS)技术相结合的方法对研究流域土壤侵蚀进行估算，并分析其在坡度、高程、坡向地貌因子的分布特征。研究结果表明：东山沟小流域土壤侵蚀以轻度侵蚀为主，且流域年均土壤侵蚀速率呈现上游最大，中游次之，下游最小的特征；研究流域轻度侵蚀主要分布在坡度为1.5°～8°的地区，中度侵蚀主要分布在坡度为8°～15°的地区，强度侵蚀主要分布在坡度大于15°的地区；各坡向土壤侵蚀均以轻Ι型侵蚀为主；160～170 m和210～220 m高程上主要是微度侵蚀，170～180、180～190和190～200 m主要是轻Ι型侵蚀；土壤侵蚀综合指数随着坡度的增大而增大，随着高程的增加，先增大后减少，最大值分布在高程为190～200 m的地区。

土壤侵蚀；地貌；USLE模型；土壤侵蚀综合指数；典型黑土区

0 引言

东北黑土区是我国重要的粮食主产区和商品粮生产基地，享有“中国粮仓”和我国粮食生产的“稳压器”之美誉，也是我国最具粮食增产潜力的区域。但长期以来重用轻养的掠夺式开垦，使黑土层减少，黑土退化严重。特别是近半个世纪以来的高强度连作，严重破坏了土壤结构，加速了有机质的矿化，造成水土流失面积扩大、侵蚀强度增加。在坡度较大或耕作较久的地方，黑土层厚度仅剩20 cm，甚至出现了“破皮黄”[1]。土壤侵蚀是导致黑土资源退化乃至彻底破坏的主要原因[2]，影响土壤侵蚀的自然因素有土壤、降雨、植被、地貌等[3]，坡度、坡长、坡形、坡位、坡向等地貌因子能在不同程度上影响流域侵蚀产沙的强度、方式和过程等，同时土壤侵蚀也影响着地貌的形成过程[4-7]。因此，加强土壤侵蚀的地貌分布特征研究，对于流域水土流失治理与区域土壤侵蚀评价具有十分重要的意义[8-11]。鉴于此，本研究以东北典型黑土区——黑龙江省宾县东山沟小流域为研究区，选取通用土壤流失方程 (USLE)模型，在地理信息系统(GIS)的支持下确定了研究区土壤侵蚀的各因子指标，估算了研究区土壤流失量。在此基础上，统计分析了研究流域土壤侵蚀在坡度、坡向、高程上的分布特征，旨在为典型黑土区开展流域水土保持工作提供数据支持和决策依据。

1 材料和方法

1.1研究区概况

研究区位于黑龙江省南部宾县东山沟小流域(127°31′04″～127°34′02″ E, 45°43′13″～45°46′37″ N)，面积是6.1 km2，属松嫩平原东部边缘的薄层黑土区(图1)。该区地处张广才岭支脉，海拔在160～220 m之间。为漫岗丘陵地貌，地势平缓。耕地坡度多变化于1～7°，坡长达数百米；气候属寒温带大陆性季风气候，气温年较差大，年均气温3.9 ℃，无霜期148 d左右，年均降雨量为548.5 mm，降水年际变化大且分布不均匀，主要集中于6～9月，约占全年降水量的78.7%；区内土壤以黑土为主，黑土层厚度在10～50 cm，成土母质均为第四纪中更新世黄土状亚粘土，粘土矿物以蒙脱石为主；土地利用以坡耕地为主，开垦年限40 ～ 100 a不等，耕层深度多在0～ 50 cm，耕地表层容重1.1 g/cm3左右，有机质含量2% ～7%，是一个典型的雨养旱作农业区。该区长期以来玉米连作，横向打垄和耕翻是主要的土壤管理形式。

图1 东山沟小流域地理位置图

1.2研究方法

1.2.1 模型的选择及水土流失量的计算 美国通用土壤流失方程(USLE)是1965年W. Wischmeier等[12]在对美国东部地区30个州10000多个径流小区近30年的观察资料进行系统分析的基础上提出来的，已被众多国家所采用。作为目前预测土壤侵蚀最广泛使用的方法之一，非常适用于中国东北黑土区长坡长缓坡度地形的土壤侵蚀研究[13-14]。但是，USLE只在预报纯水蚀的情况下才较为准确。张宪奎等[15]通过对7 a大量试验数据的统计分析，确定了适用于黑龙江省水蚀预报模型的各种参数因子，认为其建立的黑龙江省水蚀预报模型的预测准确率在90%以上，因此，利用USLE模型来分析中国东北黑土区坡耕地的水蚀速率是可行且准确的。

通用土壤流失方程(USLE)模型能反映出影响土壤侵蚀单因子的改变对土壤侵蚀量的影响，其数学表达式为：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

公式(1)中：A是单位面积年平均土壤流失量[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蚀力因子 [MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可侵蚀性因子[t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]；L是坡长因子(无量纲)；S是坡度因子(无量纲)；C是作物覆盖与管理因子(无量纲)；P是水土保持措施因子(无量纲)。

R因子：降雨侵蚀力R值反映的是降雨对土壤的潜在侵蚀能力，是土壤侵蚀的各种因素中最主要的原动力因子，主要通过雨滴击溅、分离土壤颗粒和地表径流的搬运作用产生土壤侵蚀。张宪奎等[15]基于USLE模型的原理，通过大量野外试验以及长期径流小区的观测，对黑龙江省(包括宾县)的水土流失方程进行了充分研究，本文利用张宪奎等发表的黑龙江省一些气象站点多年平均降雨侵蚀力计算结果R=113.327作为本次研究降雨侵蚀力值。

K因子：土壤可蚀性K值是指土壤受侵蚀潜在的可能性。土壤因子对土壤侵蚀的影响主要通过抵抗侵蚀动力对其分散、搬运表现出来的。K值与土壤类型、土壤质地、土壤有机质含量等有关。本文中K值取0.26。

S因子：坡度因子是反映坡度对侵蚀的影响。在一定坡度范围内，土壤侵蚀随坡度的增加而增加，且增加速率加快。当坡度θ≤5°时，采用McCool等[16]1987年提出的坡度因子公式(S)计算坡度因子。公式如下：

S=10.8sinθ+0.03θ≤5°

(2)

当坡度大于5°时，采用Liu等[17]提出的大坡度土壤侵蚀量计算公式：

S=16.8sinθ-0.05 5°≤θlt;10°

S=21.9sinθ-0.96θ≥10°

(3)

公式(3)中：S为坡度因子，θ为坡度(°)。

L因子：坡长因子采用被广泛应用的Wischmeier等[12]提出的经验公式计算：

L= (λ/22.13)m

(4)

公式(4)中：L为坡长因子；λ为坡长(水平投影坡长)；22.13为标准小区坡长；m为可变坡长指数。m采用刘宝元提出的值，其范围如下：

(5)

C因子：植被覆盖和经营管理措施是土壤侵蚀的抑制因子，可削减降雨能量、保水和抗蚀，反映的是所有有关植被覆盖和管理变量对土壤侵蚀的综合作用。依据对研究区土地利用现状的考察及植被覆盖度的调查结果，发现研究区全是旱地，植被覆盖方式几乎全是玉米，参考我国学者张宪奎[15]和蔡崇法[18]等求取C值所做工作，获得本文C值为0.2578。

P因子：水土保持因子P是指特定水保措施下的土壤流失量与相应未实施水保措施的顺坡耕作地块的土壤流失量之比。P值范围在0～1之间，0值代表根本不发生侵蚀的地区，1值代表未采取任何水保措施的地区。根据野外考察结果，研究区几乎全部为横向起垄的坡耕地，且无其他水土保持措施，故P值取0.352[15]。

1.2.2 土壤侵蚀综合指数计算 选用杨存建等[8]提出的土壤侵蚀综合指数反映研究区不同单元内的土壤受侵蚀程度，其计算公式如下：

(6)

公式(6)中：Wij代表第i类第j级的土壤侵蚀强度的分级值；Aij代表第i类第j级的土壤侵蚀强度的面积比重。微度、轻度、中度、强度、极强和剧烈侵蚀强度的分级值分别为0、2、4、6、8、10，分级值越高表示对土壤侵蚀综合指数的贡献越大。

1.2.3 数据处理 东山沟小流域土壤侵蚀速率分布图的生成：采用研究区1∶10000 DEM数字高程图，在ArcGIS中利用空间分析功能提取出坡度。根据公式(2)～公式(5)，在空间分析模块中运用栅格计算器分别计算L因子和S因子，并对其进行叠加运算，获得研究区土壤侵蚀LS因子图。根据公式(1)，利用ArcGIS空间分析模块中的栅格计算器对土壤侵蚀R、K、LS、C、P各因子进行叠加相乘运算，得出各栅格的土壤侵蚀模数(单位：t)。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190─2007)[19]，对研究区土壤侵蚀的二级类型在ArcGIS中进行重分类，分为微度、轻度(轻Ⅰ型、轻Ⅱ型与轻Ⅲ型)、中度、强烈、极强烈、剧烈6类，同时生成研究区土壤侵蚀强度等级图。研究区属于典型黑土区，土壤容许流失量为200 t/(km2·a)，相当于微度的侵蚀模数，因而微度侵蚀地块可以认为是无水土流失。

研究流域地貌因子等级专题图的生成：首先，在ArcGIS中利用空间分析模块，从DEM中提取研究区坡度、高程、坡向。其次，对坡度、高程、坡向进行重分类：将坡度重分类为6个等级，1级(lt;1.5°)、2级(1.5°～3°)、3级(3°～5°)、4级(5°～8°)、5级(8°～15°)、6级(gt;15°)，得到坡度等级专题图；将坡向重分类为5个等级，1级平地(无坡向)、2级阳坡(157.0°～202.5°南和202.5°～247.5°西南)、3级半阳坡(112.5°～157.5°东南和247.5°～292.5°西)、4级半阴坡(67.5°～112.5°东和292.5°～337.5°西北)、5级阴坡(0°～22.5°、337.5°～360.0°北和227.5°～67.5°东北)，得到坡向等级专题图；将高程重分类为6个等级，1级(160～170 m)、2级(170～180 m)、3级(180～190 m)、4级(190～200)、5级(200～210 m)、6级(210～215 m)，得到高程等级专题图。

土壤侵蚀速率分布图和地貌因子等级专题图的叠加：将坡度、坡向、高程等级专题图分别与土壤侵蚀强度图叠加，统计不同坡度带、不同坡向、不同高程上不同土壤侵蚀强度的分布面积和比率。

2 结果与分析

2.1流域土壤侵蚀强度特征分析

研究流域土壤侵蚀强度有微度、轻度、中度、强度和极强度，尚未出现剧烈侵蚀(表1)。流域不同侵蚀强度的土壤侵蚀面积所占比例大小依次是：轻度Ι gt;微度gt;轻度Ⅱ gt;轻度Ⅲ gt;中度gt;强度(表1)。轻度侵蚀是流域主要的侵蚀强度类型，其侵蚀面积占流域侵蚀总面积的62.37%，其中，轻Ι型侵蚀面积占流域侵蚀总面积的百分比达45.91%，此外，微度侵蚀占侵蚀总面积的36.40%，中度和强度侵蚀面积分别占流域侵蚀总面积的1.18%、0.67%(表1)。流域不同侵蚀强度的土壤侵蚀总量所占比例大小依次是：轻度Ι gt;轻度Ⅱ gt;轻度Ⅲ gt;中度 gt;微度gt;强烈gt;极强烈，轻度侵蚀总量占整个流域侵蚀总量的88.15%，其中，轻Ι型侵蚀总量占整个流域侵蚀总量的43.57%(表1)。总之，从侵蚀面积和侵蚀总量来看，轻度侵蚀是研究流域主要的土壤侵蚀强度，且以轻I型侵蚀为主。因此，东山沟小流域预防和加强水土流失治理的重点区域是土壤发生轻度侵蚀的地区，特别是轻Ι型侵蚀的地区。

2.2流域土壤侵蚀空间分布规律

东山沟小流域土壤侵蚀速率的空间分布呈条带状和斑块状(图2)。从整个流域看，土壤侵蚀速率分布具有明显规律，表现出流域西部大于东部，南部高于北部，且呈由南向北递减的趋势，即上游地区年平均土壤侵蚀速率最大，中游地区土壤侵蚀速率居中，下游地区土壤侵蚀速率最小(图2)。从不同地类看，岗顶(坡顶部)和川平地(坡下部)以微度侵蚀为主，坡地(坡中部)以轻度和中度侵蚀为主(图2)。从不同坡位看，坡面出现不同侵蚀强度相互交替分布的特征(图2)。

表1 基于USLE估算的流域土壤侵蚀强度

图2 东山沟小流域土壤侵蚀速率分布图

2.3不同坡度带土壤侵蚀特征分析

坡度lt;1.5°的地区土壤侵蚀强度主要是微度侵蚀，其侵蚀面积占该坡度等级面积的85.83%；坡度为1.5°～3°和3°～5°地区均以轻Ⅰ型侵蚀为主，其侵蚀面积分别占其坡度等级面积的96.22%和96.65%；坡度为5°～8°地区以轻Ⅱ型侵蚀为主，其侵蚀面积占该坡度等级面积的83.90%；坡度为8°～15°地区以中度和强度侵蚀为主，二者分别占该坡度等级面积的60.02%和21.06%；坡度gt;15°地区以轻Ⅲ型和强度侵蚀为主，二者侵蚀面积分别占其坡度等级面积的30.32%和63.71%(表2)。总之，东山沟小流域微度侵蚀主要分布在坡度lt;1.5°的地区，轻度侵蚀主要分布在坡度为1.5°～8°的地区，中度侵蚀主要分布在坡度为8°～15°的地区，强度侵蚀主要分布在坡度gt;15°的地区，土壤侵蚀面积最大的地区分布在坡度为3°～5°的地区。此外，对东山沟小流域土壤侵蚀的坡度特征分析可知：除微度侵蚀外，其他各种强度土壤侵蚀的面积占总侵蚀面积的比例随坡度增加呈现先增加后减小的趋势，且峰值向坡度大的方向移动，说明不同强度侵蚀的临界坡度不同，侵蚀强度越大临界坡度值越大。因为坡度对水力侵蚀作用的影响有一个侵蚀临界坡度存在，超过这一临界坡度，土壤侵蚀面积减少。此结论与胡世雄等[20]、王秀英等[21]的研究结果一致。

研究流域土壤侵蚀综合指数随着坡度的增大而增大，最大值出现在坡度gt;15°的地区，其土壤侵蚀综合指数为4.49；坡度为8°～15°地区土壤侵蚀综合指数值次之，其值为2.43；坡度为0°～1.5°地区土壤侵蚀综合指数值最小，为0.28 (表3) 。

2.4不同坡向土壤侵蚀分布特征

平地土壤侵蚀有微度侵蚀和轻Ι型侵蚀，且以轻Ι型侵蚀为主，轻Ι型侵蚀面积占平地面积的99.85%；阳坡、半阳坡、半阴坡和阴坡土壤侵蚀均以轻Ι型侵蚀为主，各坡向轻Ι型侵蚀面积分别占各坡向面积的59.86%、62.06%、58.13%和61.97%(表4)。可见，研究流域不同坡向上的土壤侵蚀差异不显著。此外，对东山沟小流域土壤侵蚀坡向分布特征分析可知：除微度和强度侵蚀外，其他各种强度侵蚀的面积占总侵蚀面积的比例呈现先增加后减小的趋势，且呈单峰现象，轻度I型侵蚀峰值位于半阳坡，轻Ⅱ型侵蚀峰值位于半阴坡，轻度Ⅲ型和中度侵蚀峰值位于阳坡，强度侵蚀峰值位于阴坡(表4)。除平地外，各坡向土壤侵蚀综合指数值差异不显著(表5)，研究流域缓坡主要为南北走向，不同坡向的水热条件充沛，坡向对土壤侵蚀强度分布的影响不大。

2.5不同高程带土壤侵蚀分布特征

160～170 m和210～220 m高程上土壤侵蚀强度主要是微度侵蚀，其侵蚀面积分别占各高程带面积的70.50%和76.66%；170～180、180～190、190～200 m高程带上土壤侵蚀强度以轻Ι型侵蚀为主，其侵蚀面积分别占各高程带面积的61.64%、54.15%和41.01%；200～210 m高程带上主要为微度和轻Ι型侵蚀，二者面积分别占该高程带面积的37.76%和35.28%(表6)；土壤侵蚀面积最大的地区分布在高程为180～200 m的地区(表6)。此外，对东山沟小流域土壤侵蚀高程分布特征分析可知：除微度侵蚀外，其他各种强度侵蚀的面积占总侵蚀面积的比例呈现随坡度增加先增加后减小的趋势，且峰值向高程值大的方向移动，轻度I型侵蚀峰值位于170～180 m高程带，轻度Ⅱ型侵蚀峰值位于190～200 m高程带，轻度Ⅲ型侵蚀峰值位于200～210 m高程带，强度侵蚀峰值位于200～210 m高程带。

表2 不同坡度带土壤侵蚀分布情况

表3 不同坡度带土壤侵蚀强度指数

表4 不同坡向土壤侵蚀分布情况

表5 不同坡向土壤侵蚀强度指数

不同高程带上土壤侵蚀综合指数呈现出随着高程的增加先增大后减少的趋势。土壤侵蚀综合指数最大值为1.45，分布在高程为190～200 m的地区；其次是1.44和1.35，分别分布在高程为180～190 m和200～210 m的地区；最小值是0.49，分布在高程为210～220 m的地区(表7)。

表6 不同高程带土壤侵蚀分布情况

3 结论

东山沟小流域主要的土壤侵蚀强度是轻度侵蚀，轻度侵蚀中以轻I型侵蚀为主。从整个流域看，上游地区年平均水土流失量最大，中游次之，下游最轻。从地类看，岗顶和川平地以微度侵蚀为主，坡地以轻度和中度侵蚀为主。从坡位看，坡面出现不同侵蚀强度相互交替的空间分布状况。

东山沟小流域微度侵蚀主要分布在坡度lt;1.5°的地区，轻度和强度侵蚀主要分布在坡度为1.5°～15°的地区，中度侵蚀主要分布在坡度大于15°的地区。不同坡向上土壤侵蚀均以轻Ι型侵蚀为主。160～170 m和210～220 m高程上主要是微度侵蚀，170～180 m、180～190 m和190～200 m主要是轻Ι型侵蚀。

表7 不同高程带土壤侵蚀强度指数

土壤侵蚀综合指数随着坡度的增大而增大，最大值出现在gt;15°的坡度上。随着高程的增加，土壤侵蚀综合指数先增大后减少，最大值出现在高程190～200 m上。除平地外，土壤侵蚀综合指数在各坡向上的差异不明显。

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(责任编辑：许晶晶)

LandformDistributionFeaturesofSoilErosioninASmallWatershedofTypicalBlackSoilRegion

YANG Wei-ge, ZHANG Hong-xia

(College of Urban and Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

Dongshangou small watershed, located at Bin county, Harbin city, Heilongjiang province, was selected as the studied region. The universal soil loss equation (USLE) model was used to estimate the soil erosion in this watershed, and the geographical information system (GIS) technology was used to analyze the landform distribution features (slope degree, slope direction, elevation) of soil erosion. The research results showed that the soil erosion intensity in Dongshangou small watershed was mainly mild. The annual average soil erosion rate was the biggest in the upper reaches, moderate in the middle reaches, and the smallest in the lower reaches. In this watershed, the mild soil erosion was mainly distributed in the region with the slope degree of 1.5°～8.0°, the moderate soil erosion was mainly distributed in the region with the slope degree of 8°～15°, and the strong soil erosion was mainly distributed in the region with the slope degree of more than 15°. The soil erosion in various slope directions was mainly light-Ι-type erosion. The soil erosion at the elevation of 160～170 m and 210～220 m was mainly slight erosion, and the soil erosion at the elevation of 170～200 m was mainly light-Ι-type erosion. In addition, the soil erosion comprehensive index increased with the increase in slope degree. The soil erosion comprehensive index first increased and then decreased with the increase in elevation, and reached its maximum value at the elevation of 190～200 m.

Soil erosion; Landform; USLE model; Soil erosion comprehensive index; Typical black soil region

S151

A

1001-8581(2017)12-0032-06

2017-08-27

杨维鸽(1983─)，女，陕西咸阳人，讲师，博士，主要从事土壤侵蚀环境效应评价方面的研究。