砒砂巖區小流域坡溝系統地形及侵蝕分異規律

謝夢瑤, 任宗萍, 張曉明, 李占斌, 馬曉妮, 李驍政

(1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點試驗室，西安 710048;2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

作為我國主要的侵蝕類型，水力侵蝕具有分布廣、面積大的特點，是我國水土資源流失的主要成因之一。黃河流域晉陜蒙接壤處分布著1.67萬km的砒砂巖，該類巖層結構強度低，極易受到侵蝕外營力作用，受區域雨熱同期及巖層遇水成泥特性影響，6—9月水土流失現象頻發，是黃河粗泥沙的主要來源區，與此同時，受降水量、土壤等非生物因子制約，該區生態環境脆弱，綜合治理難度高，是黃河流域高質量發展亟需補強的主要短板之一。為防治該區水土流失，區域采取系列工程、植被、耕作等水土保持措施，其中以退耕還林還草、梯田、淤地壩建設為主要先鋒措施，在區域系統綜合治理下，該區整體水土流失狀況得到改善，已有研究表明，區域植被向好、水土流失面積減少、河流輸沙量銳減、流域蓄水保土能力提升。在此背景下，該區治理進程正處于從面轉點、合理布局的關鍵轉折點，因此細化研究該區生態薄弱區的侵蝕現狀對后續因地制宜、有的放矢地科學管控具有重要意義。

坡溝系統作為黃土高原地區小流域治理的最小整體單元，其地形、生物學、侵蝕因子具有較明顯的垂向分異性。目前，坡溝系統的水土流失規律研究多結合植被格局、泥沙來源、侵蝕產沙開展，極大地豐富了坡溝系統水土流失機理及調控方式的認知，但上述研究大多集中于小區、模擬流域尺度。以完整的流域坡溝系統為不同子系統視角分析地形、侵蝕分布差異性的研究較少，且由于該區退耕還林還草等系列政策的實施，區域生態穩步提升，區域侵蝕近況亟待更新。近年來，隨著無人機測繪及處理技術的發展，為精細化分析流域坡溝系統地形、侵蝕分布提供了數據基礎。因此，本文選取位于準格爾旗的3個典型砒砂巖區小流域調查單元，旨在探明相同氣候條件下，典型小流域坡溝系統地形差異性、水力侵蝕分布及其關聯性，提升對砒砂巖區小流域地形、侵蝕特征的再認識，促進砒砂巖區后續治理方向的明晰化。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選用了位于內蒙古自治區準格爾旗的二老虎支溝(39°47′—39°49′N，110°35′—110°37′E)、什卜爾泰支溝(39°47′—39°48′N，110°35′—110°37′E)、特拉溝支溝小流域(39°34′—39°35′N，110°57′—110°58′E)作為典型砒砂巖區小流域調查單元(圖1)。小流域面積分別為42.9，5.7，2.1 hm，綜合流域基巖出露及覆蓋類型，將上述小流域作為覆土區、裸露區、覆沙區的代表性小流域。流域隸屬于溫帶大陸性氣候帶，雨熱同期，根據準格爾旗氣象站觀測數據，研究區多年平均氣溫、平均降水量、平均風速分別為7.7 ℃、400.7 mm、1.9 m/s。受限于當地土肥氣熱條件，區域植被類型多以抗旱物種為主，常見草本為針茅(Linn.)、羊草((Trin.) Tzvel.)，常見灌木為沙棘(Linn.)、檸條(Kom.)，常見喬木為油松(Carr.)、山杏((L.) Lam.)。

圖1 小流域位置示意

1.2 數據來源與處理

氣象數據：準格爾旗2013-2017年日降水數據來源于當地氣象局；地形數據：基于Phantom 4 Pro獲取研究區數字圖像，結合Agisoft PhotoScan對數字圖像進行攝影測量處理，生成流域正射影像及高精度DEM(分辨率1 m)；土地利用數據：根據小流域正射影像，通過目視解譯小流域的溝沿線及土地利用分布(圖2)；NDVI數據：使用ENVI處理Landsat 8數據獲取2017年數據(分辨率30 m)；土壤屬性數據：顆分采用Mastersizer 2000測定，有機質采用重鉻酸鉀容量法測定。

圖2 小流域數字影像

1.3 研究方法

1.3.1 小流域高分辨率地形因子提取與分析 研究使用ArcGis 10.2對小流域數字高程進行地形特征參數(坡度、地表粗糙度、地表切割深度、坡向)提取，結合溝沿線這一特殊的地貌結構線劃分流域坡、溝系統，基于統計學理論對小流域地形屬性的分布規律、統計特征開展相應分析。

1.3.2 CSLE 采用中國土壤流失方程(CSLE)計算小流域水力侵蝕模數，計算公式為：

=······

(1)

式中：為土壤水蝕模數[t/(hm·a)]；為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；為土壤可蝕性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；和分別為坡長和坡度因子(無量綱)；為植被覆蓋與生物措施因子(無量綱)；為工程措施因子(無量綱)；為耕作措施因子(無量綱)。

(1)降雨侵蝕力因子()

采用章文波等公式計算準格爾旗的半月降雨侵蝕力()，計算公式為：

(2)

式中：為第年第個半月的侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為模型參數，反映區域降雨特征；為再優化參數；為第個半月時段內的天數；為第年第個半月時段內第天的侵蝕性日雨量(侵蝕性日降雨量標準為日降雨量≥12 mm，否則以0計算)。

(3)

(4)

多年平均半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例為：

(5)

式中：為第個半月的多年平均半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例。

(2)土壤可蝕性因子()

結合實測土壤理化性質，采用Williams模型計算土壤可蝕性()：

(6)

式中：為土壤可蝕性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；=1-/100；為砂粒含量(%)；為粉粒含量(%)；為黏粒含量(%)；為有機碳含量(%)；0.131 7為值由美國制轉國際制系數。

(3)坡長和坡度因子(、)

坡長和坡度因子基于LS_Tool提取，計算方法為：

(7)

式中：為第段坡長因子；和-1分別為匯流起點到第和第-1個柵格的累計坡長(m)；坡長指數，=0.2(≤1°)、=0.3(1°<≤3°)、=0.4(3°<≤5°)、=0.5(>5°)。

(8)

式中：為坡度因子；為坡度(°)。

(4)植被覆蓋與生物措施因子()

園地、林地、草地因子采用計算公式為：

(9)

式中：為植被覆蓋與生物措施因子；SLR為第個半月的土壤流失比率；為第個半月的多年平均半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例。

灌木林地SLR計算公式為：

(10)

果園、有林地、其他林地SLR計算公式為：

SLR=044468×exp(-3.20096×)-

0.04099×exp(FVC-FVC×)+0025

(11)

草地SLR計算公式為：

(12)

式中：SLR為第個半月的土壤流失比率；FVC為植被覆蓋度；為喬木林林下蓋度。

(5)區域內主要水土保持工程為魚鱗坑，故對應的水土保持工程措施因子()取值為0.249。

(6)小流域無耕地，因此耕作措施因子()取值為1。

2 結果與分析

2.1 砒砂巖區典型小流域地形差異性分析

選取的典型小流域的坡度、地表粗糙度、地表切割深度、坡向特征見圖3。從小流域、坡面、溝道3種范圍對上述地形因子進行多視角分析，結果顯示，坡度、地表粗糙度、地表切割深度在3種范圍內排序相一致，小流域上來看各統計值大小依次為特拉溝支溝(覆沙)、什卜爾泰支溝(裸露)、二老虎支溝(覆土)，受流域坡面、溝道面積比影響，當統計范圍變換至坡面、溝道時，地形因子統計值的大小排序在什卜爾泰支溝、二老虎支溝發生變化(表1)。與此同時，綜合對比各地形因子在3種范圍內的均值和標準差分布，溝道上述統計值均大于坡面，說明該區坡面地形較平緩，溝道地形破碎且較坡面地形差異較大。以坡度為例，小流域范圍內，均值為21.8°～27.3°；坡面范圍內，均值為6.0°～13.2°；溝道范圍內，均值上升至34.5°～41.6°。根據小流域坡度分級占比(圖4)，二老虎支溝、什卜爾泰支溝在小流域及坡面范圍內以0～5°為主要坡度區間，溝道范圍內則以35°～40°為主要坡度區間；特拉溝支溝在坡面范圍內的主要坡度區間為5°～10°，小流域及溝道范圍內>45°的坡度占比大于其他分級下的占比，上述結果主要受區域侵蝕溝發育過程影響，在一定程度上輔證了覆沙小流域的溯源侵蝕較其他覆蓋(覆土、裸露)小流域劇烈。根據小流域坡向占比(表2)，二老虎支溝、什卜爾泰支溝以陽坡(東南坡、南坡、西南坡、西坡)為主，占比為55.6%～70.6%；特拉溝支溝以陰坡(北坡、東北坡、東坡、西北坡)為主，占比為54.2%～55.4%。

表1 小流域地形因子統計值

表2 小流域坡向分級占比 單位：%

圖3 小流域高分辨率地形因子數據庫

圖4 小流域坡度分級占比

2.2 砒砂巖區典型小流域水力侵蝕評價

水蝕因子圖層經疊置分析得到砒砂巖區典型流域水力侵蝕空間分布(圖5)，典型小流域的水力侵蝕模數在小流域、坡面、溝道3種范圍內的統計結果(表3)顯示，區域水力侵蝕模數統計值在小流域、溝道范圍內排序一致，呈什卜爾泰支溝(裸露)>特拉溝支溝(覆沙)>二老虎支溝(覆土)；坡面范圍內水力侵蝕模數統計值排序發生變化，大小依次為特拉溝支溝、二老虎支溝、什卜爾泰支溝?？傮w上，區域典型小流域的水力侵蝕模數高值位于溝道，坡面水力侵蝕模數差異較小，小流域范圍內，均值為24.5～58.5 t/(hm·a)；坡面范圍內，均值為1.5～3.9 t/(hm·a)；溝道范圍內，均值上升至49.3～97.5 t/(hm·a)。由小流域水力侵蝕分級占比(表4)可以得出，小流域及坡面范圍內，微度侵蝕為小流域的主要侵蝕分級，占比分別超過54.7%，87.2%，溝道范圍內，流域各侵蝕分級的比重發生變化，微度侵蝕以上的占比增加，達67.2%。上述研究結果顯示，典型流域的水力侵蝕空間分布與地形因子在格局上存在差異，這是由于區域水力侵蝕除了受地形因子影響，亦與巖層上方覆被狀況相關。

表3 小流域水力侵蝕模數統計值 單位：t/(hm2·a)

表4 小流域水力侵蝕分級占比 單位：%

圖5 小流域水力侵蝕模數分布

2.3 砒砂巖區典型小流域水力侵蝕及其與地形因子關聯分析

以坡度、地表粗糙度、地表切割深度為自變量，侵蝕模數為因變量進行兩變量相關分析(表5)，分析結果顯示，上述3類地形指標與水力侵蝕模數呈顯著正相關關系(<0.001)，水力侵蝕模數與各地形因子相關性為>>，與此同時，小流域尺度上各因子的相關性排序一致，大小依次為什卜爾泰支溝(裸露)、二老虎支溝(覆土)、特拉溝支溝(覆沙)，說明相比于其他覆蓋(覆土、裸露)，覆沙小流域的地形除了受水力侵蝕這一重要的地形重塑作用影響，仍存在其余較顯著因素共同作用。

表5 小流域水力侵蝕模數及其與地形因子的相關性分析

提取了不同侵蝕分級背景下的坡度、地表粗糙度、地表切割深度均值及坡向占比(圖6)，結果顯示，不同侵蝕分級下，3個典型小流域坡度、地表粗糙度、地表切割深度均值的分布較一致，總體隨侵蝕分級增長而增加；各侵蝕分級在坡向的分布結果顯示，當砒砂巖區典型小流域侵蝕達強度侵蝕以上，陽坡成為主要分布坡向，占比達56.8%～75.8%，其中特拉溝支溝小流域在劇烈及極強度分級下東南坡占比達該類型侵蝕像元的52.3%，41.2%，結合2.1和2.2節的分析結果表明，溝道及其陽坡是本次研究流域發生水土流失的關鍵點位。

圖6 不同土壤侵蝕分級背景下的地形特征

3 討 論

本研究表明，不同覆蓋下的砒砂巖區典型小流域地形指標存在差異，覆沙小流域地表較其他覆蓋(覆土、裸露)小流域破碎且坡度較陡。有關覆沙坡面的對照試驗表明，相似降水條件下，覆沙坡面較對照組產沙量增加，且侵蝕溝多以溝壁擴張與溯源侵蝕形式擴張，上述結論在一定程度上與本研究得到的特拉溝支溝(覆沙)的地形指標統計值較其他覆蓋小流域(覆土、裸露)偏大這一結論相互驗證。此外，本研究選取的3個典型小流域，坡面尺度上，以林草為主要土地利用類型，因此坡面尺度的侵蝕模數與地形因子大小相一致，但溝道尺度上，受基巖出露影響，侵蝕模數量級排序發生變化，什卜爾泰支溝(裸露)的侵蝕模數約為二老虎支溝(覆土)的2倍，因此，砒砂巖區綜合治理重點亟需向裸露砒砂巖及溝道治理調整。本文中關于典型小流域水力侵蝕與地形因子的關聯分析顯示，坡度、地表粗糙度、地表切割深度大的地方，易發生較嚴重的侵蝕，且因陽坡植被生境(土壤水分限制為主因)弱于陰坡，該坡向的地貌單元侵蝕劇烈程度較大。相較于僅從流域尺度研究流域侵蝕，本文補充完善了坡面、溝道尺度的侵蝕對照結果，并在此基礎上量化了地形因子與侵蝕的互相關關系，以期為后續治理提供更精準的科學建議。事實上，侵蝕是一個比本文研究更復雜的系統，受砒砂巖吸水易崩解特性影響，該區諸如崩塌、瀉溜等重力侵蝕現象較多，后續進一步研究中，可補充溝道裸露基巖處失穩臨界的相關機理性試驗深化黃土高原重點薄弱區的侵蝕研究，促進該區科學治理。

4 結 論

(1)小流域范圍內，各地形因子統計值呈特拉溝支溝(覆沙)>什卜爾泰支溝(裸露)>二老虎支溝(覆土)；小流域、溝道范圍內，水力侵蝕模數統計值呈什卜爾泰支溝(裸露)>特拉溝支溝(覆沙)>二老虎支溝(覆土)。

(2)坡面、溝道范圍內的地形因子和坡面范圍內的水力侵蝕模數統計值變化為特拉溝支溝(覆沙)>二老虎支溝(覆土)>什卜爾泰支溝(裸露)，上述地形因子統計值變化受流域坡面、溝道面積比影響，水力侵蝕模數統計值變化受流域坡面、溝道地形、覆被差異影響。

(3)各流域溝道范圍內的地形因子和水力侵蝕模數均值均大于坡面范圍內的對應值，且較坡面該值差異大，流域坡面以微度侵蝕為主，占比達87%～97%，溝道微度侵蝕占比較坡面該值下降54%～72%，是后續小流域治理亟待加強的部分。

(4)砒砂巖典型流域坡度、地表粗糙度、地表切割深度與水力侵蝕模數呈顯著正相關關系(<0.001)，隨著侵蝕分級增加上述地形因子均值總體增加；砒砂巖區典型小流域侵蝕達強度侵蝕以上，陽坡成為主要分布坡向，占比達56.8%～75.8%。