左自泉，张 斌，覃发超，张甫桓

(1.西华师范大学 a.地理科学学院，b.四川省干旱河谷土壤侵蚀监测与控制工程实验室，四川 南充 637009；2.大小凉山干旱河谷土壤侵蚀与生态修复野外科学观测研究站，四川 喜德 616753)

东北黑土区地势平坦开阔，土壤肥沃，是我国重要的商品粮生产基地，对稳定我国粮食安全具有重要作用[1]。但是，由于多年来的自然侵蚀和人类过度的开发利用，东北黑土区水土流失问题十分严重，近几十年来，侵蚀沟数量增加，沟道扩展，不断地切割农田、破坏耕地，对我国土地粮食安全带来极大隐患[2-6]。2013年第一次全国水利普查水土保持调查中发现，东北黑土区100～5000 m的侵蚀沟道有近30万条，活跃侵蚀沟超过26万条，占88.9%，近60%位于耕地地区，年均粮食损失近280多万吨，且有不断增多趋势[7]。为此，国家和地方先后提出相关方案和各种措施来治理和改善东北黑土区水土流失问题[8-9]。

近年来许多学者从不同角度对侵蚀沟形成机制、空间分布特征以及治理措施做了大量研究[10-14]。利用物理示踪法通过模拟铧式犁在不同坡位耕作小区深松整地，证实了除水蚀、冻融侵蚀外，耕作侵蚀也是黑土区坡耕地重要侵蚀形式，且耕作方向和坡度对耕作位移影响显著[15]。利用核密度分析法探究东北区侵蚀沟区域空间集聚行为的尺度效应，其研究结果表明东北地区侵蚀沟空间分布在样区尺度上具有非均匀性特征，在不同尺度上侵蚀沟的分布也具有不均匀性[16]，侵蚀沟的地域分异呈集聚分布模式，具有空间不均衡的分布特征，与地貌格局、高程、高差具有相关性[17]。然而，对于东北侵蚀沟的长度规模的统计学特征鲜有报道。

规模-频率分析在灾害领域，特别是泥石流[18]、滑坡[19]、崩塌[20]、地震[21]等地质灾害的研究中比较常见，在洪涝[21]和干旱[23]灾害的研究中也有涉及。本文的主要目标在于探索东北黑土区侵蚀沟长度与频率之间是否存在与泥石流等灾害类似的统计学规律以及探讨该区域侵蚀沟空间分布规律，其结果不仅有助于更深入认识侵蚀沟发育的特征，而且能够为区域沟蚀评价提供科学支撑。

1 研究区概况

研究区位于中国东北部(38°30′—53°33′N，118°53′—135°05′E)，其行政区包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区的东部地区。研究区为温带季风气候，四季分明，降雨集中在夏季，年降水量300～1000 mm，年均气温-5～11 ℃；近边缘是大兴安岭、小兴安岭和长白山系的山脉和丘陵，中心部分是辽阔的东北平原(松嫩平原、辽河平原、三江平原)(图1)；植被覆盖度较高，平均植被覆盖度在70%以上，呈现出东高西低的特点；土壤类型复杂，山地分布有大面积的暗棕壤，辽东丘陵地区主要为棕壤，平原地区分布有黑土、黑钙土等。本区是中国最重要的粮食产区，由于特殊的地理环境条件及人类活动，本区域侵蚀沟较发育。

2 数据与方法

2.1 样区选择

东北黑土区地域辽阔，对区域内全部侵蚀沟道进行解译极其困难。因此，根据区域的地貌分异，采用样带/样区法。样带的布置大体上与山脉平行，与该区域盛行风向一致，且在空间分布上保持均匀。在西北—东南方向上布设5条样带、在东北—西南方向上布设7条样带，两条样带交点即为本研究中的样区中心，以交点为中心作边长为30 km的正方形(正方形边长为南北或东西向)，共可得34个样区(舍去不在中国境内的样区1个)，涉及东北3省以及内蒙古自治区东北部(图1)。

2.2 侵蚀沟解译

基于Google Earth高分辨率遥感影像，根据影像色调、纹理、轮廓、形态、方向、地形、植被状况等建立解译标志，在ArcGIS 10.5中进行人机交互目视解译侵蚀沟。从主沟或者支沟沟头中心至沟口中心沿沟底中线画线，曲线的长度即为主沟或者支沟的长度，遵从先主沟再支沟，由沟头向沟口方向的原则进行矢量化处理。遥感影像与侵蚀沟道矢量文件的空间参考坐标系均采用GCS_1984_Alberts。

2.3 数据处理方法

2.3.1 侵蚀沟分类

当前国内还没有统一的侵蚀沟的分级标准，为了方便调查和研究，本研究参考黑龙江省水土保持研究所制定的DB23/T 2412—2019分级方法对样区的侵蚀沟进行分级，将长度小于200 m的定义为小型沟，200～500 m的为中型沟，大于500 m的为大型沟。

2.3.2 古登堡-里查德关系

在地震研究中发现，震级m和大于震级m出现的地震频数N之间存在幂律规律：lgN=a-bm即古登堡-里查德关系式，a，b为系数。地震表现出来的幂函数规律以及在自然界出现的“1/f”噪声规律是自组织临界现象的产物[21]。与之类似，在对东北34个区域侵蚀沟的调查中发现，规模较小的侵蚀沟数量多，而规模较大的侵蚀沟数量少，本文在对东北侵蚀沟的长度规模-频率关系作出分析，判断是否符合该幂律规律。

2.3.3 土地利用类型分类

利用2020年土地利用遥感监测数据，采用中国科学院资源环境科学与数据中心对土地利用类型的分类标准(https://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=335)，按一级类将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地，排除水域和居民用地，共4种用地类型。

2.3.4 坡度、坡向分类

利用样区DEM数据计算该区域的坡度，以5°为一个区间将坡度重分类为14个级别，转成矢量图斑，与解译的侵蚀沟数据叠加分析得出不同坡度侵蚀沟的空间分布状况。

按照不同方位对样区DEM数据进行重分类，坡向分为：北坡(337.5°～22.5°)、东北坡(22.5°～67.5°)、东坡(67.5°～112.5°)、东南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)、西北坡(292.5°～337.5°)。

2.3.5 侵蚀沟密度计算

侵蚀沟密度指单位面积内的沟道长度[24]，侵蚀沟密度越大，说明该区域土壤侵蚀越严重，将侵蚀沟密度作为本次沟蚀评价指标。土壤侵蚀沟密度计算公式为：D=L/S，式中，D指侵蚀沟密度(m·km-2)，L指区域侵蚀沟总长度(m)，S指区域总面积(km2)。分别计算不同土地利用类型、坡度、坡向的侵蚀沟密度。

3 结果与分析

3.1 侵蚀沟规模现状

通过遥感影像对34个样区共30 600 km2的沟道解译发现，侵蚀沟在东北黑土区广泛分布。本次共解译出53 184条侵蚀沟(表1)，沟道总长度为21 607.11 km，平均沟道长度为0.41 km。样区10侵蚀沟数量最多，达到6720条，占侵蚀沟总数的12.72%，样区34侵蚀沟数量最少，为7条，占比为0.0001%。样区10的小型侵蚀沟数量最多，达到4940条，说明该区以小型沟为主，地表破碎侵蚀严重。样区1的大型沟数量最多，为350条，说明该地区被侵蚀时间较长，侵蚀严重。总体来看，中、小型沟总数为49 926条，占总侵蚀沟数的93.87%；大型侵蚀沟3258条，占6.13%。不同长度侵蚀沟数量不同，长度越长数量越少。

3.2 侵蚀沟长度规模与频率关系

通过对30个样区的散点图和拟合方程分析，东北黑土区侵蚀沟长度规模和频率呈幂函数分布(表1)。有24个样区的拟合优度R2≥0.80，占70.59%，仅有2个样区的拟合优度R2<0.50，占5.88%。

表1 各样区侵蚀沟数量与长度-规模频率方程

由图2可得，根据样区解译的侵蚀沟分析，其整体长度规模与频数的关系式为：lnN(>P)=10.64-2.19P，R2=0.97，式中，P=lnx，x为长度分布，N为侵蚀沟频数，这与古登堡-里查德关系形式类似，也满足自组织临界状态下的幂律规则。由此说明，东北侵蚀沟规模长度与累计频率关系呈现良好的幂律关系。

3.3 不同土地利用类型下侵蚀沟规模分布差异

林地侵蚀沟密度最大(1031.87 m·km-2)，其次是耕地(561.54 m·km-2)和草地(484.73 m·km-2)，未利用地(371.69 m·km-2)最小，样区平均密度741.50 m·km-2。

3.4 侵蚀沟规模与地形因素的关系

黑土区侵蚀沟形成的主要原因是地表径流对表土的长期冲刷，它与该区域坡向和坡度关系密切。坡度是影响侵蚀沟发育的重要因素之一，样区整体坡度范围为0°～67.57°，平均坡度5.38°。由图3可知，在15°～20°侵蚀沟分布密度最大，整体上侵蚀沟密度随坡度的增加呈现先增加再减少的趋势。

坡向决定地表径流流向，影响地表对太阳能的吸收和植被的生长状况，进而影响土壤的侵蚀强度[24]。由叠加分析知，东北坡侵蚀沟密度最大，为962.08 m·km-2，其次是东坡和东南坡，分别为879.02 m·km-2和860.52 m·km-2，北坡侵蚀沟密度最低，为579.39 m·km-2，整体上东坡大于西坡，南坡大于北坡(图4)。

4 讨 论

4.1 侵蚀沟空间分布的影响因素分析

水蚀、风蚀、冻融侵蚀和耕作侵蚀均是东北黑土区重要的侵蚀方式，不合理的耕作，尤其是机械深耕，侵蚀危害最大[15]。对50年来东北黑土区土地利用变化对沟蚀影响研究中发现，耕地侵蚀沟壑面积最大，草地、林地的开垦和建设用地的增加加速水土流失和侵蚀沟的形成，人类不合理地利用土地资源使得侵蚀沟数量不断增加，密度加大，长度增长[25-26]，这与本研究相契合。毁林开荒，植被破坏，过度开垦和不合理的耕作以及过度放牧导致该区域生物环境和土壤性质发生改变，土壤功能退化导致保土保肥能力下降，加剧了侵蚀沟的发育和扩张。未利用土地虽然受人类活动影响较少，但是由于缺乏地表植被以及降雨侵蚀、冻融侵蚀和积雪融化侵蚀等，导致该区域侵蚀沟不断发生和发展。

区域尺度上，地形尤其是地形起伏度和坡度是影响侵蚀沟分布的首要环境条件[27]。侵蚀沟密度随着坡度的增加呈现先增加后减小的变化趋势，山区侵蚀沟长度整体比平原地区侵蚀沟长度更短[14,25]。坡向也是影响侵蚀沟形成和发育的重要因素，坡向不同，地表径流和降雨侵蚀力也不同，土壤侵蚀强度也有明显的不对称[28]。东北黑土区阳坡受太阳辐射的影响，使得该区域冬季冰雪融化速度明显大于阴坡，积雪融水汇集，带走表土并下切侵蚀，且该地处于与温带季风气候区，南坡和东坡位于迎风坡，降水丰沛且夏季降雨集中，雨水大量汇集，冲刷地表，造成土壤大量流失形成侵蚀沟。不同坡向上密度的差异与黄土区小流域的空间分布以及九台市典型黑土区研究结果相似[29-30]。这些因素共同影响研究区域侵蚀沟的密度和数量变化。

4.2 数据精确性

基于Google Earth高分辨率遥感影像，通过解译标志进行人机交互目视解译，可以获得较高精度的侵蚀沟数据[31]。然而，由于某些区域遥感影像精度有限，部分沟道难以识别，这给侵蚀沟的识别与解译造成了干扰。在解译提取后又进行了数次检查，不排除有个别的沟道遗漏，但这些情况极少，而且通过集中讨论可提高解译的准确性，因而对总体结果影响不大。进一步通过实地调查提高解译沟道数据的精度、扩大样区的数量、挖掘空间数据的精度，是未来需要努力的工作重点。