高丙艦，何福紅，王 瑞，唐彥君

（1.魯東大學(xué) 地理與規(guī)劃學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025）

土壤侵蝕是世界上普遍關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題之一。朱顯謨[1]從土壤侵蝕的角度將黃土的水蝕分為溶蝕、片蝕和溝蝕（或線(xiàn)狀侵蝕）；對(duì)于溝蝕，則根據(jù)其發(fā)育階段、演變時(shí)期和侵蝕強(qiáng)度等劃分為細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕和切溝侵蝕。而溝蝕作為一種常見(jiàn)的土壤侵蝕類(lèi)型已成為近些年研究的熱點(diǎn)[2]。

溝蝕雖不如面蝕涉及的面廣，但因其侵蝕量大、速度快，且會(huì)把完整的坡面切割成溝壑密布、面積零散的小塊坡地，使耕地面積減少，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害十分嚴(yán)重[1，3]。研究表明，沖溝侵蝕是一種重要的土壤侵蝕方式，以沖溝為主的溝谷產(chǎn)沙可占流域產(chǎn)沙總量的10%～94%[2，4]。同片蝕和細(xì)溝侵蝕相比，沖溝侵蝕研究仍然比較薄弱，國(guó)內(nèi)外對(duì)此方向的研究較少，目前亟需開(kāi)展沖溝侵蝕速率估算、不同發(fā)育階段切溝發(fā)展定量研究、沖溝侵蝕速率研究、沖溝侵蝕預(yù)報(bào)模型、切溝侵蝕研究方法與途徑及沖溝侵蝕防治等[5]。

目前，對(duì)于溝蝕地貌的定量研究主要是利用3S技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所的徐國(guó)禮等曾用地面立體攝影測(cè)量的方法獲取溝蝕地形數(shù)據(jù)，但該方法精度較低，僅適用于小比例尺模型的建立[6]；西北農(nóng)林科技大學(xué)的張鵬等在實(shí)驗(yàn)室利用高精度 GPS 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了溝蝕發(fā)育過(guò)程[7]；北京師范大學(xué)的胡剛利用GPS和GIS監(jiān)測(cè)了東北區(qū)沖溝的短期發(fā)展變化[8]；中國(guó)科學(xué)院的閆業(yè)超等利用遙感影像目視解譯了東北黑土區(qū)沖溝發(fā)展的變化并進(jìn)行了定量分析，但影像分辨率較低，精度有待驗(yàn)證[9]。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)域概況

棲霞市地處膠東半島中心，位于東經(jīng)120°33'～121°15'、北緯37°05'～37°32'之間，年平均氣溫11.3 ℃，降雨量650 mm左右，無(wú)霜期為207 d，年日照總時(shí)為2 690 h，屬暖溫帶季風(fēng)型半濕潤(rùn)氣候。研究所選小流域位于棲霞城區(qū)西北，距市區(qū) 3 km左右。該區(qū)域總體為低山丘陵地貌，有多處溝谷侵蝕地貌發(fā)育，海拔高度在110～320 m，總面積為8.62 km2，溝的切割深度為 5～10 m，地形坡度范圍為0°～58°，屬剝蝕堆積區(qū)。溝兩側(cè)有大量人工修筑的梯田，破壞了原始侵蝕的地貌形態(tài)。溝中部底部由于坡度較大，呈未開(kāi)發(fā)的原始狀態(tài)，其間以酸棗等灌木為主，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)所在位置及地形信息

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

本文所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是1996年和2008年航片，地面分辨率為5 m的1∶10 000 DEM數(shù)字高程模型。其中，2008年航片是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校正的正射影像，空間分辨率為0.25 m；以2008年航片為基準(zhǔn)，對(duì)1996年航片進(jìn)行幾何精校正、重采樣，從而符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了計(jì)算要求，以上數(shù)據(jù)均采用西安80坐標(biāo)系3°帶40'區(qū)，高斯克呂格投影，中央經(jīng)線(xiàn)是120°E。

由于小流域的范圍較小，對(duì)沖溝的發(fā)展變化能產(chǎn)生影響的因素不多。根據(jù)對(duì)區(qū)域概況的分析和數(shù)據(jù)有效性的判斷，將對(duì)沖溝的發(fā)展能產(chǎn)生影響的因素歸納為高程、坡度、坡向和土地利用等4方面。國(guó)內(nèi)對(duì)沖溝發(fā)展的時(shí)空變異規(guī)律大多采用侵蝕溝密度來(lái)分析，但該地區(qū)范圍小，影像分辨率高，用侵蝕溝密度這個(gè)指標(biāo)存在明顯的誤差。本文用沖溝面積所占比重來(lái)分析近10 a來(lái)?xiàng)夹×饔驔_溝發(fā)展的時(shí)空變化規(guī)律。

首先在1996年和2008年航片上通過(guò)目視解譯的方法提取沖溝，沖溝的解譯標(biāo)志根據(jù)侵蝕溝發(fā)育與分類(lèi)理論[10，11]，借助專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行界定；利用GIS工具統(tǒng)計(jì)出2期影像的沖溝數(shù)量和分布，計(jì)算出溝蝕區(qū)面積并作統(tǒng)計(jì)。其次，因?yàn)檠芯繀^(qū)的沖溝發(fā)育主要受高程、坡度、土地利用類(lèi)型等影響，所以在這里利用DEM提取高程、坡度、坡向，利用高分辨率影像提取土地利用類(lèi)型。最后，利用GIS軟件ArcGIS與2期影像的沖溝區(qū)進(jìn)行疊加，分析該地區(qū)近10 a來(lái)沖溝發(fā)展的時(shí)空變化規(guī)律。

2 沖溝發(fā)育及其時(shí)空變化規(guī)律

2.1 沖溝發(fā)育的定量化

在高分辨率影像中通過(guò)目視解譯的方法提取沖溝面積和溝長(zhǎng)。由于研究區(qū)受人為影響比較大，地形地貌復(fù)雜多樣，提取沖溝面難度比較大，這里主要是采用對(duì)比方法，利用1996年影像和2008年影像之間的對(duì)比關(guān)系來(lái)提取各自沖溝：1996年影像為黑白影像，沖溝區(qū)因地勢(shì)較低，在光線(xiàn)的影響下顯示為黑色，但一些地勢(shì)高的地區(qū)因?yàn)殛幱暗拇嬖谝诧@示為黑色不好區(qū)分，在這里借助2008年影像分辨率高、且是3波段彩色影像的優(yōu)勢(shì)來(lái)鑒別；而2008年影像雖然分辨率高、色彩豐富，但因?yàn)槭窍募九臄z的，一些沖溝在植被的覆蓋下也不好區(qū)分，就需要借助1996年的影像來(lái)鑒別到底是不是沖溝區(qū)。經(jīng)整理，提取的沖溝參數(shù)如表1所示。

表1 1996年和2008年沖溝定量及變化統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，2008年比1996年沖溝面積及溝長(zhǎng)都有所增加，但沖溝數(shù)量卻有所減少。從影像上可以得知，1996年的一些小的沖溝經(jīng)過(guò)近10 a的發(fā)展演化和人為的影響逐漸合并為1條大的沖溝，但也有大的沖溝經(jīng)過(guò)人為改造演變成幾條小的沖溝，一些小的沖溝到了2008年被改造成耕地或其他土地利用類(lèi)型。經(jīng)過(guò)分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在2008年的沖溝中有16條沖溝是合并而來(lái)，42條沖溝來(lái)自大的沖溝分割，1996年沖溝中的18條在2008年消失。由此可見(jiàn)，在這10 a中，該小區(qū)域的沖溝變化還是比較劇烈的。

2.2 沖溝發(fā)育的時(shí)空變化規(guī)律

2.2.1 沖溝發(fā)育的高程分異特征

為了考察在沖溝面積變化規(guī)律，對(duì)該區(qū)域的DEM進(jìn)行高程的重分類(lèi)，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)劃分為110～120 m、120～130 m、…、180～190 m、190～320 m等9個(gè)高程帶，通過(guò)與沖溝面的疊加，得到不同年份的沖溝面積在不同高程所占的比例，如圖2所示。

圖2 不同年份的沖溝面積在不同高程所占比例

隨著海拔的增加，1996年和2008年沖溝的面積也不斷增加，當(dāng)海拔增加到150～160 m時(shí)，沖溝面積不斷減少。從圖中不難看出，沖溝主要集中在海拔高程130～160 m之間，這主要是因?yàn)榈秃０蔚貐^(qū)人類(lèi)活動(dòng)量大，對(duì)沖溝多采取填埋掩蓋的方式處理，而高海拔地區(qū)植被茂盛，土層淺薄，不利于沖溝的產(chǎn)生和發(fā)展。而從2年變化率來(lái)看，2008年沖溝在160 m以下的區(qū)間所占比例不如1996年的高，而當(dāng)海拔在160 m以上時(shí)，2008年沖溝所占比例比1996年沖溝所占比例高，這說(shuō)明在這10 a里低海拔地區(qū)的沖溝由于經(jīng)濟(jì)需要被人為改造的多，而高海拔地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)少，沖溝有所發(fā)展，這也從側(cè)面反映出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)沖溝的影響。

2.2.2 沖溝發(fā)育的坡度分異特征

研究區(qū)地處低山丘陵地帶，坡度分異較大，這里將小流域的坡度分為0°～5°、5°～10°、 …、25°～30°、30°～60°等7個(gè)坡度等級(jí)，將坡度圖重分類(lèi)并矢量化后與沖溝區(qū)疊加計(jì)算，分別計(jì)算不同坡度等級(jí)上的沖溝區(qū)所占面積比例，如圖3所示。

圖3 不同年份的沖溝面積在不同坡度所占比例

從圖3中可以看出，2個(gè)年份的沖溝在坡度為10°～15°之間所占面積最大，最容易形成沖溝；以15°為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，沖溝面積所占比重向兩邊越來(lái)越??；從坡度等級(jí)為7的30°～60°坡度所占比重來(lái)看，研究區(qū)在坡度30°以上的地區(qū)人類(lèi)影響很小，植被覆蓋良好。從2年的變化率來(lái)看，總體變化不大，說(shuō)明坡度對(duì)沖溝面積的發(fā)展影響不大；但在0°～5°之間2008年沖溝所占面積有明顯減少，而其他坡度2008年略有增大或不變，也說(shuō)明了人類(lèi)對(duì)于緩坡下的沖溝的改造利用更加迫切，而對(duì)于較陡的坡度人類(lèi)改造較少；降雨侵蝕等作用下沖溝有所發(fā)展就理所當(dāng)然了。

2.2.3 沖溝發(fā)展的坡向分異特征

將研究區(qū)分為正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北等8個(gè)坡向，而研究區(qū)存在的平地也作為1種坡向，共9種坡向分異。將這9種坡向與沖溝區(qū)疊加后，分別計(jì)算各個(gè)坡向中沖溝所占面積比重，如圖4所示。

圖4 不同年份的沖溝面積在不同坡向所占比例

從圖4中可以看出，正北、東北、正西、西北4個(gè)方向的沖溝所占比重最高，平地上的沖溝所占比重最?。ㄒ?yàn)镈EM和影像分辨率不同，所以平地上存在沖溝也是合理的）。從方向上來(lái)看，比重最高的坡向?qū)儆陉幤?，因?yàn)樵摰貐^(qū)屬于季風(fēng)典型區(qū)，夏秋季節(jié)的降雨多，而該時(shí)節(jié)的降水多來(lái)自冷空氣的影響，尤其以大到暴雨為主，伴隨偏西北風(fēng)的影響使得陰坡的沖溝發(fā)展更快。從2年的變化率來(lái)看，比重較高的陰面2008年的沖溝面積呈下降趨勢(shì)，而陽(yáng)面呈上升趨勢(shì)，平地上沖溝面積比重也稍有下降。從短期來(lái)看，這種變化也是可以解釋的，陰坡的沖溝發(fā)展到一定階段必定趨于穩(wěn)定，而陽(yáng)坡的土地受人類(lèi)影響更大，土質(zhì)更加疏松，沖溝有所發(fā)展也是必然。

2.2.4 沖溝發(fā)展的土地利用變化特征

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和對(duì)影像的目視解譯，把該地區(qū)的土地利用類(lèi)型分為坡耕地、林地、草地、人工用地、道路、水體和裸地等7類(lèi)。其中人工用地、道路、水體對(duì)沖溝無(wú)影響，而裸地所占比重又小，所以在此主要是對(duì)坡耕地、林地、草地這3種類(lèi)型土地對(duì)沖溝的影響進(jìn)行分析。通過(guò)與沖溝區(qū)的疊加分析，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同年份的沖溝面積在不同坡向所占比例

從圖5中可以看出，2008年坡耕地中的沖溝所占比重降低，而林地中的沖溝所占比重增大，草地中的沖溝所占比重保持不變。坡耕地受人為影響較大，受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使會(huì)對(duì)某些小溝掩蓋填埋，而林地的植被覆蓋度較低，植株稀疏；通過(guò)國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，稀疏林地的地表受降雨影響更大，動(dòng)能更強(qiáng)，易產(chǎn)生沖溝。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用GIS和RS技術(shù)對(duì)2期影像的沖溝進(jìn)行了定量化研究，并分析了近10 a來(lái)?xiàng)夹×饔虻貐^(qū)沖溝發(fā)育的高程分異特征、坡度分異特征、坡向分異特征和土地利用變化特征，得出如下結(jié)論：①研究區(qū)沖溝總體呈增大趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯，尤其是近10 a來(lái)沖溝總面積只增加了13.3%，沖溝數(shù)量還有所減少；②研究區(qū)沖溝發(fā)展受自然和人為雙重影響，但總體上人為影響要大過(guò)自然影響，這一方面是因?yàn)樵摰貐^(qū)沖溝發(fā)育已趨穩(wěn)定，另一方面也說(shuō)明在人口密度比較大的東部地區(qū)，水土侵蝕受人為影響較大，要特別注意采用合適的耕作方式避免更嚴(yán)重的水土侵蝕；③基于近10 a來(lái)的沖溝發(fā)育時(shí)空變化特征，要特別注意沖溝在地勢(shì)較高、坡度較大的林地間的發(fā)展，還要注意人工改造過(guò)的地區(qū)不發(fā)生大的水土侵蝕。

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