东北典型黑土区侵蚀沟动态监测及实践
东北黑土区不同季节侵蚀沟形态发育比较分析
第36卷第1期2022年2月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .36N o .1F e b .,2022收稿日期:2021-07-08资助项目:国家自然科学基金项目(41371272) 第一作者:宋爽(1998 ),男,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀规律研究㊂E -m a i l :1059078456@q q .c o m 通信作者:范昊明(1972 ),男,博士,教授,主要从事流域侵蚀产沙与水土保持规划研究㊂E -m a i l :f a n h a o m i n g @s ya u .e d u .c n 东北黑土区不同季节侵蚀沟形态发育比较分析宋爽,范昊明,牛天一(沈阳农业大学水利学院,沈阳110866)摘要:侵蚀沟形态特征是了解沟蚀发生㊁发育的关键性因素,探究不同季节侵蚀沟形态参数变化特征对深入理解侵蚀沟的侵蚀过程和侵蚀沟的治理工作具有重要意义㊂选取黑龙江省海伦市光荣小流域内的3条侵蚀沟为研究对象,探究季节变化下侵蚀沟长度㊁面积㊁体积等形态参数值的差异㊂结果表明:(1)不同季节侵蚀沟横断面形态由沟头到沟尾均呈现出由 V 形向 U 形转变;(2)侵蚀沟在降雨期由沟头前进和沟尾后退所引起的长度增加量大于融雪期由沟头前进所引起的长度增加量;(3)侵蚀沟面积在降雨期的增加量大于融雪期,但不同时期侵蚀沟面积变化位置不同,降雨期侵蚀沟面积增加主要是由长度变化和沟头周围发生大规模崩塌引起的,而融雪期则是由长度变化和沟岸扩张引起侵蚀沟面积增加;(4)侵蚀沟体积在降雨期变化量大于融雪期,这与侵蚀沟长度㊁面积和径流的剪切能力有关,降雨径流的下切侵蚀能力大于融雪径流㊂研究结果可为侵蚀沟防治提供理论依据㊂关键词:侵蚀沟;形态变化;降雨;融雪;黑土区中图分类号:S 157.1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2022)01-0018-06D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2022.01.003C o m p a r a t i v eA n a l y s i s o f t h eD e v e l o p m e n t t h eG e o m e t r i cF o r m s o fG u l l yi n D i f f e r e n t S e a s o n s i nB l a c kS o i lA r e a o fN o r t h e a s tC h i n aS O N GS h u a n g ,F A N H a o m i n g ,N I U T i a n yi (C o l l e g e o f W a t e rC o n s e r v a n c y ,S h e n y a n g A g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110866)A b s t r a c t :T h em o r p h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f g u l l y e r o s i o n a r e t h e k e yf a c t o r s t ou n d e r s t a n d t h e o c c u r r e n c e a n dd e v e l o p m e n t o fg u l l y e r o s i o n ,whi c ha r e r e g a r d e dh a v i n g t h e g r e a t s i g n i f i c a n c e t oe x pl o r e t h ev a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f g u l l y m o r p h o l o g yp a r a m e t e r s i nd i f f e r e n t s e a s o n s f o r i n -d e p t hu n d e r s t a n d i n g of t h e e r o s i o n p r o c e s s o fg u l l y e r o s i o n a n d i t s g o v e r n a n c e .I n thi s s t u d y ,t h r e e e r o s i o n g u l l i e s i nG u a n g r o n g sm a l l w a t e r s h e d o fH a i l u nC i t y ,H e i l o n g j i a n g P r o v i n c ew e r e s e l e c t e d a s t h e r e s e a r c ho b j e c t s t oe x p l o r e t h ed i f f e r e n c e s i n t h e l e n g t h ,a r e a ,v o l u m e a n do t h e rm o r p h o l o g i c a l p a r a m e t e r so f e r o s i o n g u l l y u n d e r s e a s o n a l c h a n g e s .T h e r e -s u l t s s h o w e d t h a t :(1)T h ec r o s s -s e c t i o n a lm o r p h o l o g y o f e r o s i o n g u l l i e sc h a n g e df r o m V s h a pe t o U s h a p ef r o mt h eh e a d t o t h e t a i l i nd i f f e r e n t s e a s o n s ;(2)T h e l e ng thi n c r e a s e o f e r o s i o n g u l l i e s c a u s e db y th e g u l l y a d v a n c e a n d t h e g u l l y t a i l r e t r e a t d u r i n g t h e r a i n f a l l p e r i o dw a s g r e a t e r t h a n t h a t c a u s e d b y t h e g u l l y ad -v a n c ed u r i n g t h es n o w me l t p e r i o d ;(3)T h e i n c r e a s eof e r o s i o ng u l l y a r e a i nth e p r e ci p i t a t i o n p e r i o d w a s g r e a t e r t h a n t h a t i n t h e s n o w m e l t p e r i o d ,b u t t h e c h a n g e s o f e r o s i o n g u l l y ar e a i nd i f f e r e n t p e r i o d sw e r e d i f -f e r e n t .T h e i n c r e a s e o f e r o s i o n g u l l y a r e a i n t h e p r e c i p i t a t i o n p e r i o dw a sm a i n l y c a u s e db y t h e c h a n g e o f g u l l yl e n g t ha n d t h e l a r g e -s c a l e c o l l a p s e a r o u n d t h e g u l l y h e a d ,w h i l e t h e i n c r e a s e o f e r o s i o n g u l l y ar e aw a s c a u s e d b y t h e c h a n g e o f g u l l y l e n g t ha n d t h e e x p a n s i o no f g u l l y ba n k i n t h e s n o w m e l t p e r i o d ;(4)T h ev a r i a t i o no f g u l l y v o l u m e i n t h e p r e c i pi t a t i o n p e r i o dw a s g r e a t e r t h a n t h a t i n t h e s n o w m e l t p e r i o d ,w h i c hw a s r e l a t e d t o t h ev a r i a t i o no f g u l l y l e n g t h ,a r e a a n d t h e s h e a r i n g c a p a c i t y o f r u n o f f .T h e u n d e r c u t g u l l y e r o s i o n c a p a c i t y o f r u n o f f g e n e r a t e d b y r a i n f a l l i n t h e p r e c i p i t a t i o n p e r i o dw a s g r e a t e r t h a n t h a t g e n e r a t e d b y sn o w m e l t r u n o f f i n t h e s n o w m e l t p e r i o d .T h e r e s u l t s c a n p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s e s f o r t h e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l o f g u l l y er o s i o n .K e yw o r d s :g u l l y ;m o r p h o l o g i c a l c h a n g e ;r a i n f a l l ;s n o w m e l t ;b l a c ks o i l r e g i o n东北黑土区属于北温带半湿润大陆季风性气候,由季节变化造成的土壤侵蚀较为严重[1]㊂部分地区冻融作用同融雪径流等外营力所造成的土壤侵蚀已不亚于暴雨造成的土壤侵蚀强度,侵蚀沟为其主要土壤侵蚀形式之一,是泥沙输送的主要来源㊂侵蚀沟的发育不断蚕食黑土资源,严重影响当地人民的生产㊁生活和地区经济发展[2]㊂因此,探究不同季节侵蚀沟发生㊁发展原因,确定侵蚀沟的发育机理,对深入理解侵蚀沟的侵蚀进程具有重要意义㊂降水是影响侵蚀沟发育的一个重要因素㊂降雨是土壤侵蚀形成的动力来源,而由于土壤入渗及其他因素的作用,并非所有的降雨都会产生地表径流,地表水汇聚成为径流后以冲刷的形式促使侵蚀沟发育,同时也会引发重力侵蚀,通过综合作用来影响侵蚀过程㊂降雨一方面通过雨滴击溅作用打击地表,破坏土壤结构,使土壤颗粒随径流分散㊁迁移㊁堆积,产生侵蚀现象;另一方面,随着径流冲刷,细小土壤颗粒堵塞土壤孔隙,抑制水分下渗,增加地表径流,随着雨强的增加,这种现象越明显[3]㊂降雪是降水的一种形式,融雪期侵蚀沟发育主要是由融雪侵蚀引起的,融雪侵蚀即融雪径流作用下发生的侵蚀过程,属于复合侵蚀的一种[4]㊂融雪侵蚀作为水力侵蚀的一种形式,主要受到土壤冻融作用和融雪径流2个方面影响㊂焦剑等[5]研究发现,东北地区年降雪量占年降水总量的比例在7%~25%,由此形成的融雪期径流深占全年年径流深比例达13.3%~24.9%,融雪期输沙模数占全年输沙模数比例达5.8%~27.7%㊂冻融作用破坏土壤物理性质,影响土壤渗透性㊁土壤稳定性㊁土壤密度[6-9],进而导致土壤可蚀性改变为融雪侵蚀的发生提供侵蚀基础,融雪径流则提供了侵蚀驱动力[10]㊂单次冻融循环后,融冻土壤比未冻土壤表现出更高的可蚀性[11],O l l e s c h等[12]认为,造成融雪期土壤侵蚀速率等于甚至大于降雨期的主要原因是冻融作用导致冻土层出现,形成不透水层,限制径流入渗,进而增大土壤侵蚀量㊂王玉玺等[13]研究表明,冻融作用可使土壤侵蚀量增加24%~90%㊂刘绪军等[14]将沟壑冻融侵蚀划分为沟岸冻裂㊁沟岸融滑㊁沟壁融塌㊁沟坡融泻4种形式,其指出冻融作用导致克拜黑土区耕地中沟壑每年扩张50~100c m㊂侵蚀沟形态特征是了解沟蚀发育程度的关键因素,侵蚀沟形态特征的研究多用形态参数来定量描述,侵蚀沟形态参数主要包括数量㊁长度㊁宽度㊁面积㊁宽深比㊁密度㊁主沟长度㊁分维值㊁形态指数和形态因子等㊂侵蚀沟形态特征的研究主要集中在侵蚀沟平面形态[15]㊁空间格局[16]和沟头形态[17]等方面㊂侵蚀沟形态特征反映其侵蚀发生发展的环境条件,李镇等[18]研究发现,不同地区因地理环境不同,侵蚀沟形态参数间存在显著差异㊂赵春红等[19]研究给出了不同发育阶段侵蚀沟的水力几何形态和断面特征判定标准;沈海鸥等[20]认为,倾斜度㊁密度和割裂度等是表征侵蚀沟形态的最优指标;胡刚等[21]通过D E M的叠加分析,探讨了不同季节沟内蚀积变化特征㊂现如今对侵蚀沟形态的定量研究主要分为野外监测和室内模拟2个方面,其中野外测量多集中于长度及相邻间隔的描述[22],室内模拟方面主要集中于对浅沟的宽度和深度的定点测量[23]㊂然而对于侵蚀沟进行长时间的形态特征观测的研究较少㊂此外,对不同季节侵蚀沟形态特征对比研究鲜有报道㊂因此,分析不同季节侵蚀沟形态变化特征,确定侵蚀沟发生㊁发展原因,对于侵蚀沟的防治具有重要意义㊂鉴于此,本研究以东北黑土区典型小流域(光荣小流域)为研究对象,利用载波相位差分技术(R T K, r e a l t i m ek i n e m a t i c)对侵蚀沟进行长期监测,利用A r c G I S软件对数据进行处理㊂通过对不同季节侵蚀沟形态发育比较分析,探究侵蚀沟在不同季节发育机理,为黑土区侵蚀沟的治理提供理论依据㊂1材料与方法1.1研究区概况研究区位于黑龙江省海伦市光荣村,东经126ʎ50'43.47ᵡ,北纬47ʎ39'45.49ᵡ,位于东北典型黑土带的中心㊂该地区处于温带大陆性季风条件的北温区,冬季寒冷干旱,平均气温-20ħ,多年平均降雪量44.3mm;夏季高温多雨,平均气温19.6ħ,降雨多集中在6 8月,多年平均降水量511.10mm㊂年均气温2.6ħ,年有效积温大于2300ħ,年日照时间2600~2800h,无霜期125天左右㊂土壤为典型的黑土,具有粉质黏壤土质地㊁高黏土含量㊁高有机质含量㊁高持水能力㊁高收缩膨胀和排水差等特点㊂种植作物以大豆㊁玉米为主㊂1.2侵蚀沟的选取通过遥感影像对典型小流域内所有侵蚀沟进行解译,参考前人[24]的研究,借鉴其对于侵蚀沟发育阶段的划分标准,选择可长期进行水土保持监测与防治的侵蚀沟作为研究对象㊂根据侵蚀沟横剖面呈 V 形或 U 形㊁沟头以崩塌的方式溯源前进㊁沟底土跌水㊁沟壁陡峻或直立的特点,记录影像上侵蚀沟的位91第1期宋爽等:东北黑土区不同季节侵蚀沟形态发育比较分析置并进行实地调查复合,挑选出小流域内最具代表性的侵蚀沟作为研究对象㊂最终在海伦光荣流域选取3条侵蚀沟,编号G1㊁G2㊁G3,3条侵蚀沟沟头均位于耕地中,沟中部和尾部两侧或单侧有林带,坡度为6.4ʎ~7.5ʎ,坡长为332.36~406.42m㊂1.3侵蚀沟的监测侵蚀沟测量所使用的仪器是R T K,其动态测量精度(1ʃ1)ˑ10-6c m,垂直精度(2ʃ1)ˑ10-6c m㊂该方法的工作原理是以载波相位观测为依据的实时差分G P S测量,它能够实时提供监测点在制定坐标系统中厘米级精度的三维定位结果,实现地面高程信息的采集㊂测量前在基准站附近找3个固定点,记录3点的直角坐标,每次测量前应用已知的3点坐标对移动站进行校正㊂校正后,运用移动站对侵蚀沟测量,测量人员持移动站接收机对侵蚀沟的地形特征进行采点,总体采点间距为0.5m,有地形变化的位置加密测量㊂其中每次测量时校正点位置不变,测量时采用相对坐标㊂野外测量时间为5月和10月,并认为每年的5 10月为该年的降雨期,将对应参数变化作为该年降雨期参数变化量;10月至翌年的5月为该年的融雪期,将对应参数变化作为该年融雪期参数变化量㊂G1㊁G2侵蚀沟自2013年5月开始进行监测,G3侵蚀沟自2018年10月开始进行监测㊂1.4数据处理将所采集的数据应用E x c e l2010软件进行预处理,通过A r c G I S10.2软件将测量的沟底和沟沿高程点处理成光滑的线和面得到侵蚀沟的长度㊁面积㊂对于侵蚀沟体积求算时考虑到,胡刚等[25]研究发现,用T i n模型提取D E M数据,在复杂地形中如果不考虑重要特征线而直接将原始采样数据生成D E M将会产生许多问题㊂因此,本文在生成D E M数据时选择了适用性更强,精度更高的克里金插值法,为了提高计算体积的精确度,还运用了微分原理将D E M分段处理,然后求和计算总体积㊂2结果与分析2.1侵蚀沟形态沿程变化特征通过野外监测发现,侵蚀沟形态沿程发育具有分异性,根据侵蚀沟横断面形态以及各段发育规律将侵蚀沟分为沟头㊁沟中和沟尾3部分,侵蚀沟横断面在沟头呈 V 形,在沟中部呈宽 U 形,在沟尾处呈窄 U 形㊂沟头部分侵蚀沟沟头跌水㊁沟底下切㊁沟岸扩张均很活跃;沟中部分侵蚀沟底几乎不下切㊁沟底形成稳定的径流路径㊁侵蚀沟在这一区域发育主要是沟岸崩塌引起侵蚀沟面积增加;沟尾处侵蚀沟深度0.5~1.0m,因径流在此处汇集较少,径流势能较弱,侵蚀沟沟岸崩塌和沟底下切相对平缓㊂将侵蚀沟数据应用A r c G I S10.2软件处理得到分段侵蚀沟面积及分断侵蚀沟面积变化量(图1)㊂降雨期侵蚀沟面积发育主要发生在沟头处,侵蚀沟沟头横断面呈 V 形,侵蚀沟沟头崩塌㊁沟底下切㊁沟岸扩张均处于最活跃阶段,加上降雨产生的径流多在此处汇集冲刷沟头,致使沟头发生大规模崩塌引起面积大量增加;沟中部横断面呈宽 U 形,此时侵蚀沟发育速度减缓,发育形式也主要以沟岸崩塌为主,但是降雨期地表植被覆盖度高,植被可以很好地保护沟岸,降低降雨径流对沟岸的侵蚀作用,故面积增加较少;沟尾处侵蚀沟横断面呈窄 U 形,此时降雨径流到达时势能较小,所以面积变化较少㊂融雪期侵蚀沟面积发育主要发生在沟头和沟中处,在融雪径流㊁冻融作用和重力作用下侵蚀沟沟头发生小规模崩塌,沟头面积增加,融雪期地表植被覆盖率几乎为零,在冻融作用和重力作用下,侵蚀沟中部沟岸发生沟岸冻裂㊁沟岸融滑㊁沟壁融塌㊁沟坡融泻一系列现象,引起侵蚀沟面积增加㊂图1分段侵蚀沟面积及面积变化02水土保持学报第36卷2.2 侵蚀沟长度变化特征通过野外观测和数据分析得到侵蚀沟G 1㊁G 2在2013 2019年的降雨期和融雪期长度变化情况㊂由图2可知,侵蚀沟在不同时期均处于发育阶段,总体上侵蚀沟长度在降雨期增长量大于融雪期,G 3侵蚀沟在2018年10月至2019年10月监测结果与之相同,侵蚀沟长度在不同年份变化量不同(表1),可能是由于年降水量的差异引起的㊂降雨期侵蚀沟长度的发育主要是侵蚀沟沟头以崩塌方式溯源前进和沟尾受到径流冲刷后退引起的㊂东北黑土区降雨模式主要是短历时的集中降雨,降雨径流在侵蚀沟沟头位置汇集,从而冲刷沟头裂缝,致使沟头发生大规模崩塌;雨水通过侵蚀沟沟头和沟沿流入沟内,沿着沟底向沟尾流去,当径流到达沟尾时其势能还未完全消散就会冲刷沟尾,导致沟尾后退,从而使侵蚀沟长度增加㊂融雪期主要是冻融作用和重力作用致使侵蚀沟发育, 冻 主要体现在冬季不同温度下,土壤的冻结速度不同,土壤就会产生裂缝,从而破坏土壤物理性质,影响土壤的渗透性和稳定性,进而导致土壤的可蚀性发生改变; 融 主要表现在春季积雪融化和土壤解冻2个方面,随着气温的升高,表层土壤开始解冻,而下部土层仍处于冻结状态,土体中形成渗透性极弱的隔水层,此时融化的雪水更容易集流并具有冲刷能力,沟头在水流的冲刷和重力作用下发生小规模崩塌,进而引起侵蚀沟长度增加㊂图2 不同时期侵蚀沟长度变化表1 G 3侵蚀沟参数变化监测时间(年-月)L /mәL /m A /m 2әA /m2V /m 3әV /m32018-10277.254639.2510133.922019-05280.132.884870.44231.1910607.49473.572019-10290.6910.565124.41253.9711790.001182.51注:L 为侵蚀沟长度;әL 为长度变化量;A 为侵蚀沟面积;әA 为面积变化量;V 为侵蚀沟体积;әV 为体积变化量㊂2.3 侵蚀沟面积变化特征由图3和表1可知,总体上侵蚀沟面积在降雨期的变化量大于融雪期㊂侵蚀沟所处位置具有地势起伏较小㊁坡长㊁坡缓等特点,造成了由降雨所形成的径流量较大,特别在降雨较集中的6 8月,降雨大多形成径流冲刷地表,沟头大量的来水,致使侵蚀沟沟头溯源侵蚀㊂同时,该地区每年在春季和秋季对耕地进行2次翻耕,造成土壤固有结构被破坏,抗蚀性降低,而且该地区垄沟深度较大,垄沟内汇集的径流量较大,一旦径流冲破垄沟,对下方侵蚀沟沟头及沟头四周土壤冲刷作用强烈,造成侵蚀沟沟头附近崩塌严重㊂径流涌入沟内,其产生的势能不能完全在沟内消耗殆尽,会对沟尾进行侵蚀,从而引起侵蚀沟向后延伸,面积增加㊂秋季土壤深翻造成土壤结构松散,孔隙增加,冷空气和降雪易进入土壤内部,由于侵蚀沟具有一定的深度,会加大冬季冷空气与侵蚀沟的接触面积,冬季土壤冻结时,在反复冻融作用和重力作用下侵蚀沟沟头溯源前进和沟岸崩塌㊂春季土壤解冻期温度在正负之间不断变化,土壤冻土层中的水和冰会不断地发生位移和相变,这使裂缝中的冻土层产生冻胀,侵蚀沟沟岸在冻融作用和重力作用下发生沟岸融滑㊁沟壁融塌和沟坡融泻,进而引起侵蚀沟面积增加㊂2.4 不同季节侵蚀沟体积变化特征由图4和表1可知,总体上侵蚀沟体积在降雨期增长量大于其在融雪期增长量,G 2侵蚀沟体积在2017年5,10月出现减少情况,通过野外观测发现,这是由人为填埋造成㊂侵蚀沟体积在降雨期的增长幅度大于融雪期,这与侵蚀沟长度㊁面积和径流剪切力有关㊂同时,某一年中侵蚀沟在降雨期面积小于融雪期,但其体积表现与之相反,这主要是由沟底下切12第1期 宋爽等:东北黑土区不同季节侵蚀沟形态发育比较分析侵蚀引起的㊂降雨期雨滴击溅和径流冲刷是侵蚀沟发育的主要驱动力㊂侵蚀沟处于2个坡面的集水区处,坡面上的耕地为横垄耕作,当有降雨时,雨水会沿垄沟在沟头上游汇集,一旦垄沟中的径流冲破沟壁,径流将会由沟头流入侵蚀沟内㊂此时侵蚀沟沟底土壤在降雨作用下,其含水率逐渐增大,抗蚀性降低,径流会侵蚀沟底,并将侵蚀物质运移出沟道,导致侵蚀沟体积增加㊂融雪期聚集在沟头的径流所产生的能量小于降雨期㊂融雪产生的径流运输能力是有限的,距离沟头位置越远,径流剪切力越弱,无法将沉积物运移出沟道,这导致泥沙在沟道内堆积,同时冻融作用造成的沟岸融滑㊁沟壁融塌㊁沟坡融泻产生大量堆积物,堆积物在沟坡处形成稳定坡脚,抑制侵蚀沟进一步发育,从而降低侵蚀沟体积增加量㊂图3不同时期侵蚀沟面积变化图4不同时期侵蚀沟体积变化3结论(1)侵蚀沟沿程形态变化具有分异性,侵蚀沟横断面在 沟头 沟中 沟尾 呈现出 V 形 宽 U 形 窄 U 形相互转变㊂侵蚀沟不同形态在不同时期面积变化存在差异性,降雨期侵蚀沟面积增加主要发生在沟头跌水㊁沟岸崩塌㊁沟底下切较为活跃的沟头处;融雪期侵蚀沟面积增加除发生在沟头处外,在沟中部发育也较为强烈㊂(2)侵蚀沟长度在降雨期的增长量大于融雪期㊂由于降雨期径流汇集在沟头,致使沟头发生大规模崩塌,径流所产生的能量不能完全在侵蚀沟内消耗殆尽,会继续冲击沟尾,导致沟尾后退;融雪期由降雪和融雪产生的径流量是有限的,在冻融作用㊁重力作用和融雪径流作用下,侵蚀沟沟头发生小规模崩塌,有限的径流量所携带势能不足以造成侵蚀沟沟尾后退㊂(3)侵蚀沟面积变化量总体上为降雨期大于融雪期㊂由于降雨期由侵蚀沟沟头前进和沟尾后退引起侵蚀沟面积增加量大于融雪期由沟岸融滑㊁沟壁融塌㊁沟坡融泻等过程引起侵蚀沟面积的增长量㊂(4)侵蚀沟体积在降雨期的变化量大于融雪期㊂降雨期雨滴击溅和径流冲刷是侵蚀沟发育的主要驱动力,降雨产生的径流势能大,运输能力强,会将侵蚀物质运移出沟道,还会产生下切侵蚀,使侵蚀沟深度加深,体积增加;而融雪期侵蚀沟内的径流运输能力有限,不能将侵蚀物质运出沟外,融雪期侵蚀沟沟岸融滑㊁沟壁融塌以及沟坡融泻所产生的侵蚀物质在侵蚀沟坡脚处沉积,形成稳定的坡脚,从而抑制侵蚀沟的发育㊂参考文献:[1]范昊明,蔡强国,王闪红.中国东北黑土区土壤侵蚀环境[J].水土保持学报,2004,18(2):66-70.[2]王平,李浩,陈强,等.典型黑土区不同尺度观测场地融雪径流[J].水土保持通报,2014,34(5):244-247,253.[3]姜芃,严力蛟,董有浦,等.人工降雨条件下南方坡耕地水土流失特征[J].陕西师范大学学报(自然科学版), 2013,41(4):96-99,104.22水土保持学报第36卷[4]华文杏.辉发河流域坡面与流域尺度融雪侵蚀研究[D].沈阳:沈阳农业大学,2017.[5]焦剑,谢云,林燕,等.东北地区融雪期径流及产沙特征分析[J].地理研究,2009,28(2):333-344.[6] K u r y l y kBL,W a t a n a b eK.T h em a t h e m a t i c a l r e p r e s e n-t a t i o no f f r e e z i n g a n d t h a w i n gp r o c e s s e s 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东北黑土区冻融侵蚀研究进展与展望
第16卷 第1期2018年2月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.16 No.1Feb.2018东北黑土区冻融侵蚀研究进展与展望张科利1,刘宏远2(1.北京师范大学,地理科学学部,地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京;2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,中国科学院湿地生态与环境重点实验室,130102,长春)摘要:冻融侵蚀是土壤侵蚀的主要类型之一,冻融交替通过改变土壤性质和坡面产流产沙过程,导致剧烈的水土流失㊂为明晰已有相关研究成果,为未来东北黑土区冻融侵蚀研究工作的开展提供参考,本文通过回顾和总结现有研究,分析了冻融作用对土壤侵蚀的影响,总结了冻融侵蚀相关影响因素和过程机制㊂文中指出:冻融导致土壤容重和孔隙比变化,整体上表现为冻融导致疏松的土壤变得相对紧实,而紧实的土壤变得相对疏松;冻融导致土壤团聚体稳定性降低,但当土壤处于中等含水量条件下会出现冻融后团聚体稳定性增大的现象;冻融降低土壤多种力学强度;冻融改变土壤水分特征㊂众多研究结果表明冻融后土壤可蚀性增大,且正融土最易受到侵蚀㊂在综述的基础上,笔者指出了现有研究存在的问题和不足,并提出了未来东北黑土区冻融侵蚀研究的重点方向和急需解决的关键问题㊂关键词:冻融作用;土壤侵蚀;研究进展;东北黑土区中图分类号:S157文献标志码:A文章编号:2096⁃2673(2018)01⁃0017⁃08DOI :10.16843/j.sswc.2018.01.003收稿日期:20171130 修回日期:20171212项目名称:国家自然科学基金 东北黑土区冻融作用与水蚀过程耦合机理研究”(41471224);国家自然科学基金重点项目 西南黄壤区不同尺度土壤侵蚀与泥沙运移规律耦合关系”(41730748)第一作者简介:张科利(1962 ),男,博士,教授,博士生导师㊂主要研究方向:土壤侵蚀㊂E⁃mail:keli@Research progresses and prospects on freeze⁃thaw erosion in theblack soil region of Northeast ChinaZHANG Keli 1,LIU Hongyuan 2(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;2.Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment,Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,130102,Changchun,China)Abstract :[Background ]Freeze⁃thaw erosion is one of the major types of soil erosion.Freeze⁃thawcycling changes soil properties and influences the processes of runoff and erosion on slopes,resulting in severe soil and water losses.The aim of this review is to clarify the existing research results and to contribute to the future research on freeze⁃thaw erosion in the black soil region of Northeast China.[Methods ]We collected all relevant literature and sorted them,and finally used the critical 55references for this review.Based on these 55references,we analyzed the mechanisms and research progresses of freeze⁃thaw action on soil erosion.Further we tried to analyze the issues and prospect the research on freeze⁃thaw erosion in the black soil region of Northeast China.[Results ]1)Freeze⁃thaw does not directly lead to the transport and movement of soil particles,and its action in soil erosion happens in rainfall strikes,runoff scouring,strong wind blowing or gravity.Mechanisms of freeze⁃thaw action on soil erosion are as follows,a)alternation of soil freeze⁃thaw changes the nature of soil,thus affects the sediment production process in the course of rainfall,and finally affects the degree of water中国水土保持科学2018年and soil erosion;b)the depth change of the thawing layer directly affects the infiltration of snowmelt runoff and rainfall runoff,and subsequently the runoff and sediment yield;c)freeze⁃thaw cycles change erosion process of slope rill and gully and increase erosion intensity;d)the response difference from different land use of alternate freeze⁃thaw process leads to spatial heterogeneity of soil erosion intensified; and e)changes in the response of different underlying soil to global climate change lead to changes in regional soil erosion patterns.2)The studies of freeze⁃thaw soil erosion started1960s abroad and1980s in China,mainly focused on the influence of freeze⁃thaw action on soil physical and chemical properties, soil moisture temperature and soil erosion process and intensity,and most of which adopted indoor simulation experiment.3)There are3major issues in this research topic,a)few in⁃situ field studies, most were simulated ones;b)no quantitative evaluations on freeze⁃thaw contributions to soil erosion;and c)not considering the differences of underlying soil on the responses of freeze⁃thaw cycling.4) Regarding above issues and the unique interactive character in the black soil region of Northeast China, the future research should focus on the freeze⁃thaw cycle patterns and influence factors in the field, quantifying the contribution of freeze⁃thaw cycles to runoff and sediment on slopes and in watersheds,and finding reasonable evaluation methods.[Conclusions]The mechanisms of freeze⁃thaw action are complicated and not completely known yet,especially for the black soil region of Northeast China where there is interaction of freeze⁃thaw and water erosion.We need to have more in⁃situ field studies for better understanding it.Moreover,we should try to invent reasonable evaluation methods to quantify the contributions of freeze⁃thaw actions on the soil erosion in the black soil region of Northeast China.Keywords:freeze⁃thaw action;soil erosion;research progresses;black soil region 我国是世界上水土流失最为严重的国家之一㊂由于复杂的地理环境和人类活动特点,水土流失在强度和机制方面都存在显著的区域差异性㊂在不同类型区域,水土流失的主导因子也不同㊂在东部地区,降水径流是土壤侵蚀发生的主导因子;在北部和西北地区,风力作用在土壤侵蚀中影响显著㊂上述两者均已受到学者的广泛关注并积累大量成果㊂在青藏高原和东北地区,冻融交替变化改变土壤侵蚀发生机制和过程,对土壤侵蚀影响剧烈;但是相关研究仍不足以支撑相关理论体系的建立和实际工程应用,因此在我国开展冻融侵蚀研究十分必要㊂作为独立的自然地理单元,东北黑土区是我国最主要的商品粮基地,明确该区域的水土流失机制对国家的粮食安全和社会稳定有着重要作用㊂东北黑土区地貌以漫岗丘陵为主,坡缓而长,气候低温湿润,冬季积雪深厚㊂土壤质地黏重㊁富含有机质,河流水文受春季融雪径流影响严重㊂区域内部地广人稀㊁耕地面积大,农作物相对单一㊂土壤侵蚀过程则表现为多营力耦合㊁多过程重叠和受冻融交替过程影响显著等特点㊂因此,在东北黑土区开展冻融侵蚀研究对黑土资源的保护和洪涝灾害的防治具有重要的理论指导意义和实际应用价值㊂本文通过回顾已有研究,分析总结了冻融交替对土壤侵蚀的影响,指出了今后开展冻融侵蚀研究应该关注的重点方向㊂1 冻融作用影响机制土壤冻融作用指发生在高寒地区由于温度变化,引起土壤中水分发生相变㊁体积发生变化,导致土体膨胀或收缩,造成土壤结构破坏和性状改变的过程㊂冻融侵蚀指因冻融作用的存在而导致土壤侵蚀过程改变和水土流失程度的增加㊂严格地讲,用冻融侵蚀称谓冻融作用对土壤侵蚀的影响并不恰当,因为冻融作用并不能直接导致土壤颗粒搬运和移动,必须在降雨打击㊁径流冲刷㊁大风吹扬或重力作用时方可体现㊂关于冻融侵蚀,需要指出的是真正因冻融循环导致土壤发生位移所造成的水土流失量很小㊂冻融循环对水土流失量的贡献主要体现在改变土壤性质和阻滞入渗方面㊂冻融循环通过破坏土壤团聚体㊁改变土壤容重和黏结性,增大土壤可蚀性,通过阻滞入渗增加地表径流,加剧了融雪或降雨径流造成的水土流失㊂由于冻融循环直接导致的土粒移动量很小,而通过改变土壤性质和入渗通量而间接导致土壤流失量更大,将冻融侵蚀改成为冻融作用更为恰切㊂与水蚀区和风蚀区对应的冻融侵蚀区指该区域内冻融作用影响显著㊂冻融作用通过影响土壤理化性质㊁坡面水分运移规律来影响坡面侵81 第1期张科利等:东北黑土区冻融侵蚀研究进展与展望蚀过程和水土流失强度㊂同时,冻融交替作用对我国东北地区春季发生的融雪洪涝灾害也有明显的加剧作用㊂冻融作用重叠在水蚀过程之上,共同影响着区域水土流失强度,冻融作用可以间接地加剧了水土流失程度㊂反过来,水蚀结果又会影响冻融作用的程度㊂冻融作用对土壤侵蚀的影响表现为:1)土壤冻融交替发生改变土壤性质,进而影响降雨过程中的产流产沙过程,最后影响水土流失程度;2)解冻层深度变化,直接影响融雪径流和降雨径流的入渗而影响产流产沙过程;3)冻融交替变化,改变坡面细沟和切沟侵蚀过程,加剧侵蚀强度;4)不同土地利用对冻融交替过程响应的差异性,导致水土流失空间异质性加剧;5)不同下垫面土壤对全球气候变化响应的差异导致区域水土流失格局变化㊂而水蚀过程对冻融作用的反馈影响表现为:1)水土流失导致土壤表层腐殖质层变薄和土壤有机质含量减少,土壤性质的变化导致土壤对冻融交替过程的响应改变;2)水土流失导致土壤剖面水分运移变化,进而对冻融交替过程的响应改变;3)水土流失导致坡面土壤再分配,进而对冻融交替过程的响应改变㊂2 冻融侵蚀研究进展及存在的主要问题冻融作用改变土壤性质和坡面渗透特性从而影响土壤侵蚀,冻融侵蚀研究在国外开展较早,自20世纪60年代开始就有学者开展关于冻融对土壤孔隙[1]㊁团聚体[2]和渗透性[3]等方面影响的研究㊂关于冻融侵蚀的直接研究开始于70年代,Wischmeier等[4]强调位于冻结层之上的解冻层侵蚀潜力巨大,融雪和低强度降雨也能够造成剧烈的水土流失,冻融期的土壤侵蚀可达全年土壤侵蚀量的90%㊂此后众多学者开展了相关研究取得显著成果[56]㊂国内冻融侵蚀相关研究开展较晚,80年代开始相关工作时主要以引进冻融侵蚀概念和土壤侵蚀类型分类为主[78],90年代是冻融侵蚀研究的过渡期[911]㊂进入21世纪以来国内冻融侵蚀研究快速发展,在冻融侵蚀的分布㊁影响因素和作用机制等方面取得很多成果[1214]㊂国内外现有关于冻融作用和冻融侵蚀的研究工作主要集中在冻融作用对土壤理化性质的影响㊁冻融作用对土壤水分温度的影响和冻融作用对土壤侵蚀过程及强度的影响等方面,且多数研究采用室内模拟实验的方法㊂2.1 冻融作用对土壤物理性质的影响齐吉琳等[15]和Chamberlain等[16]提出细粒土经过冻融循环后,土壤容重增大,孔隙比减小㊂刘佳等[17]提出随冻融循环次数的累积,黑土容重减小,孔隙比增大,且变化幅度越来越小直至趋于稳定㊂Viklander[18]㊁杨成松等[19]和温美丽等[20]发现冻融循环使本来疏松的土壤变得相对紧实,而使本来紧实的土壤变得相对疏松,即疏松土和紧实土经过若干冻融循环后趋向一个稳定的干容重,这一稳定值与土壤的种类有关,而与土壤的初始干容重无关㊂很多研究发现冻融导致土壤团聚体稳定性降低[2123]㊂而Richardson[24]和Lehrsch[25]发现在经过少量的冻融循环后,土壤团聚体稳定性增加㊂Mo⁃staghimi等[26]㊁王风等[27]和Wang等[28]实验发现在中等含水量条件下冻融循环可增大团聚体稳定性,而过高或过低含水量条件下冻融均导致团聚体稳定性降低㊂罗小刚等[29]㊁汪仁和等[30]和杨平等[31]实验发现冻融后黏性原状土的力学性质会发生很大改变,无侧限抗压强度㊁直剪强度和三轴剪切强度降低㊁灵敏度降低,而在相同条件下砂土的性质变化却不大㊂范昊明等[32]认为冻融作用通过改变土壤的容重㊁渗透性㊁含水量等性质,可进而影响土壤可蚀性㊂2.2 冻融作用对土壤水分温度的影响Chamberlain[33]表示解冻后土壤比之前更加不稳定,因为土壤在解冻时会立即吸收融水,导致土壤结构强度降低㊂Formanek等[34]发现美国华盛顿的帕卢斯淤泥壤土在经历冻融循环后抗蚀性接近最低值,越冬后土壤容重下降㊁导水率升高,并将土壤抗蚀性的降低归因于冻融循环对土壤结构造成的破坏性影响㊂Mauro[35]对阿尔卑斯山地区冻土活动层进行了研究,分析了300cm深处地温的变化过程; Gómez等[36]研究了西班牙东南部内华达山脉Corral del Veleta小飞地10cm㊁50cm深处地温变化;吴青柏等[37]利用青藏高原活动层监测数据,从青藏高原冻土及水热过程出发讨论了冻土水热过程与寒区生态环境的关系;潘卫东等[38]应用青藏铁路多年冻土地区典型地段测温孔资料,证实多年来由于气候转暖,已经使冻土层上部(20m以上)的地温明显上升,影响深度已经波及到了40m;王绍令等[39]根据4个冻土长期定位观测场地温资料分析地温状况及冻土变化趋势㊂戴竟波等[40]通过分析实验数据,探究了大兴安岭北部多年冻土区雪盖对地温的影响;顾钟炜等[41]在大兴安岭阿木尔地区的多年冻土特征及其变化研究中发现,在多年冻土的退化中,季节解冻深度至少增加了约30cm,消融区范围也在不91中国水土保持科学2018年断扩大㊂景国臣等[42]通过野外实验证明,冻融作用会使土壤水分发生上移㊂本文第一作者等[43]基于东北黑土区不同下垫面条件下土壤温度和水分实测资料,分析了冻融交替过程和冻结层消退过程㊂这方面工作多为针对冻土的大尺度研究,针对土壤冻融作用野外实测资料仍然不足,特别是针对不同土壤剖面的观测数据更少㊂2.3 冻融作用对土壤侵蚀过程及强度的影响Zuzel等[5]通过野外监测发现冬季几乎所有的融雪和降雨都形成径流,在观测到的侵蚀事件中, 86%与融雪径流和冻融作用有关㊂McCool等[44]研究了美国西北小麦区沟蚀与冻融作用的关系发现,因土壤冻结形成的不透水层,可强化融雪水导致细沟和切沟侵蚀发生的概率㊂Formanek等[34]指出,冻土层开始解冻时土壤可蚀性最大,随后会逐渐减小㊂McCool等[45]和Kirby等[6]将土壤根据冻或融的状态分为不同类型,并发现正融土的土壤可蚀性最高,可高于相应土壤夏季土壤可蚀性约一个数量级甚至更高㊂Ferrick等[46]通过室内实验,定量地研究了冻融作用对细沟形成和坡面侵蚀的影响㊂Van Klaver⁃en等[47]研究了不同水分张力条件下冻融对土壤可蚀性和临界剪切力的影响,发现冻融条件下,土壤细沟可蚀性与土壤水分张力有关,初始含水量越大则经过冻融后土壤细沟可蚀性越高㊂Sharratt等[48]实验表明,冬季土壤冻结深度和冻土的解冻深度,都会影响到入渗㊁地表径流及土壤侵蚀㊂范昊明等[49]研究表明,解冻深度愈小,坡面产流愈早,侵蚀量愈大㊂在修订版通用流失方程RUSLE中,通过修订土壤可蚀性K值和降雨侵蚀力R值来体现冻融作用的影响[50]㊂刘淑珍及其团队长期关注青藏高原的冻融侵蚀问题,在冻融侵蚀基本概念㊁分类分区方面做出了贡献[51]㊂刘佳等[52]和周丽丽等[53]实验发现,东北黑土坡面侵蚀强度受土壤含水量㊁降雨强度和解冻深度等因子的综合影响㊂Ban等[54]通过室内模拟实验对比研究了冻结状态与解冻状态2种条件下细沟流速差异,发现冻结状态下细沟水流流速显著高于解冻状态的水流流速,且这种差异与冲刷水槽坡度呈正相关㊂Ban等[55]实验了冻融对坡面径流含沙量的影响,发现经历冻融循环后径流含沙量增大㊂2.4 存在的主要问题近几十年来,国内外学者针对冻融作用和冻融侵蚀开展了大量工作,取得许多有价值的研究成果,并为后来进一步研究奠定了基础,但仍然存在许多问题:1)就方法而言,室内模拟远多于野外原位监测实验,实验条件设计与田间有很大差异,如何将模拟实验研究结果应用于田间条件,仍需大量工作;2)缺乏将冻融作用与坡面产流产沙过程相融合的研究和实验,目前还很难定量评价冻融作用的侵蚀贡献;3)就我国东北黑土区而言,目前相关研究积累更少,过程与机制不明,已有研究工作也基本上没有考虑不同下垫面对冻融交替过程响应程度的差异,更未见冻融作用与水蚀过程耦合机制方面的研究报道㊂目前关于冻融侵蚀研究,主要进展集中于成因和分级分类等方面,多为间接分析,缺少原位监测数据㊂关于冻融作用对水土流失的影响机制研究仍然薄弱,目前还很难进行定量评价,在流域尺度上对冻融作用的影响研究更为罕见㊂3 东北黑土区冻融侵蚀研究方向及急需解决的关键问题 受气候条件控制,东北黑土区土壤冻融交替现象普遍发生㊂一方面,冻融交替发生改变土壤原有性状,而冻结层的存在会影响坡面水分运移规律,进而改变土壤侵蚀过程㊁机制和水土流失强度;另一方面,东北黑土区地形以漫岗漫坡为主,平均坡度小,平均坡长大,导致该地区土壤侵蚀泥沙输移比小,大量泥沙在坡脚或流域底部沉积,造成流域内部强烈的土壤空间再分配,使土壤的空间异质性增大,导致空间上土壤对冻融交替的响应发生变化㊂因此,东北黑土区冻融作用与水蚀过程互为条件㊁因果耦合㊁彼此促进,形成了东北黑土区独特的土壤冻融侵蚀过程和水土流失特点㊂根据以上分析可围绕以下4方面开展东北黑土区冻融侵蚀研究㊂3.1 不同下垫面类型土壤冻融交替变化规律鉴于农耕地的重要性和水土流失的剧烈程度,优先考虑将农耕地作为研究对象,东北黑土区农耕地坡面在不同地形部位上侵蚀程度显著不同㊂从坡顶到坡脚,侵蚀强度先由弱变强,再由强变弱,直到最后发生沉积㊂土壤侵蚀强度的空间变化加剧了下垫面条件的空间异质性,导致不同地形部位土壤冻融循环变化及其对土壤侵蚀的影响也存在空间差异;因此,在东北黑土区开展冻融侵蚀评价时,需要在分析已有研究结果和开展野外调查基础上,根据土壤侵蚀造成的土壤空间再分配状况,将东北黑土区的土壤概化为不同类型,例如发生型㊁母质型㊁堆积型和退化型等㊂发生型指土壤原始剖面遭受弱度侵蚀,土壤发生层尚在,土壤剖面较完整㊂母质型指02 第1期张科利等:东北黑土区冻融侵蚀研究进展与展望土壤原始剖面遭受强度侵蚀,土壤母质出露㊂堆积型指在原始剖面上发生堆积,表土性状改变,侵蚀在堆积层中发生㊂退化型指原始土壤剖面中的腐殖质层遭受侵蚀并几乎流失殆尽,土壤有机质含量显著减少㊂针对上述不同下垫面类型,开展主要类型剖面上土壤温度和土壤水分动态变化过程的连续监测㊂通过分析土壤温度和水分的动态变化规律,总结每年冻融交替循环变化规律;建立东北黑土区土壤冻结或解冻深度与气温㊁土壤水分等因子关系,并探讨土壤解冻深度空间变异特征和时间变化规律㊂3.2 冻融影响作用评价的因子量化冻融交替对土壤性状的影响已被证明,但冻融作用对坡面产流产沙的影响评价还需要进一步量化㊂由于东北黑土区土壤空间异质性大,即使在相同的气象条件下,冻融交替作用的影响效果也存在差异㊂针对概化出的主要下垫面类型,采集剖面不同深度处的原状土样,根据不同下垫面类型上观测的冻融循环变化规律,设定模拟实验中温度变化条件,在实验室开展不同冻融交替情景下土壤性状的变化特征的模拟研究,建立土壤性状变化响应与土壤质地㊁水分㊁结构㊁有机质含量等指标间的定量关系㊂通过与未受冻融循环影响的土壤比较,应用已有的土壤性状与入渗㊁产流以及土壤分离之间的定量关系式就可以估算由于存在冻融交替循环而增加的土壤流失量㊂需要说明的是,到目前为止不同研究者在世界各地开展的冻融循环模拟研究不少,其优点是实验条件具体明确,并便于控制和重复㊂不足是许多实验设计,比如温度变化范围和冻融循环次数等设定缺乏足够的实测数据支撑㊂另一方面,冻融作用对土壤性质㊁乃至产流产沙的影响都有一个范围,并非随着冻融循环的持续进行,土壤性质会无限制地改变㊂因此,今后在开展冻融侵蚀研究时,加强野外实测,为模拟实验开展提供依据㊂同时,也应该关注农地春耕对冻融影响的抑制作用,如果经过春耕后,土壤性质在多年水平上保持一致,那就说明冻融作用对夏季水蚀作用不大,其影响主要表现在春季融雪径流引起的水土流失㊂也就是说,对冻融作用的影响时段应该明确,否则,东北地区的农耕地已经经过了千万次的冻融交替循环,按照室内模拟结果,土壤性质已经发生了巨大的变化㊂但实际上,除了水土流失严重的情况,土壤性质的改变没有那么显著㊂3.3 冻融作用的水土流失响应冻融隔水层的存在和土壤性状变化都会影响土壤入渗和坡面产流产沙过程,以及区域侵蚀强度㊂但已有研究以模拟实验居多,缺乏原位实验㊂即使设置原位实验,侧重点也多为土壤性质变化,很少涉及对产流产沙的观测实验㊂尽管有学者将冻融循环模拟和人工模拟降雨实验结合,开展了冻融循环与产流产沙之间的相关实验;但由于实验尺度和冻融效果与田间存在很大差异,实验结果不能代表田间坡面的真实情况㊂因此,已有研究未能真正建立起冻融影响与水土流失之间的定量关系㊂在今后研究中,应该加强利用野外径流小区来研究冻融作用的影响,通过分析小区观测资料㊁模拟实验结果,以及冻融交替影响下不同下垫面土样的分离实验结果,比较有无冻融发生条件下,土壤入渗率㊁土壤分离速率和土壤可蚀性值的差异,揭示东北黑土区冻融作用对坡面产流产沙的影响规律,建立适合黑土区土壤分离速率和土壤可蚀性值估算公式,为黑土区土壤侵蚀预报模型的建立和应用提供理论支撑㊂如何从小区观测资料中剥离冻融作用的贡献率是解决问题的关键,同时也是难点㊂不解决这个难点,对冻融交替循环的侵蚀响应的模拟研究很难准确地评价冻融交替循环对坡面侵蚀的真正贡献㊂3.4 冻融作用对流域尺度上土壤侵蚀的贡献由于东北黑土区地形相对平缓,但坡长相对较长,土壤侵蚀导致的土壤再分配现象普遍存在,即大量侵蚀土壤并不能直接进入河流系统,而是在坡面中下部沉积㊂即使在坡面尺度上评价了冻融交替循环的影响,也不能用于准确计算冻融作用对河流泥沙的影响㊂因此,需要基于坡面径流小区和小流域径流泥沙观测数据㊁以及土地利用和土壤分布资料,研究冻融交替循环对小流域径流泥沙规律影响;建立小流域径流泥沙与降雨侵蚀力㊁坡度坡长等因子的关系,并通过与无冻融作用影响地区径流泥沙与降雨侵蚀力㊁坡度坡长等因子关系的比较,剥离出冻融侵蚀或冻融作用对小流域侵蚀产沙的贡献率㊂由于冻融交替循环对流域产流产沙的影响主要体现在每年最初的几场降雨,可以考虑将每年最初2场产流的径流泥沙资料作为一组,分别分析雨 水 沙之间的定量关系㊂将每年去掉前2场产流降雨的其他场次的径流泥沙资料作为一组,分别分析雨 水 沙之间的定量关系㊂通过分析2组数据间定量关系的差异,来确定冻融交替循环对小流域产流产沙的影响以及侵蚀贡献大小㊂4 结论与展望冻融侵蚀是土壤侵蚀研究中的难点,数十年来12。
东北黑土区侵蚀沟省际分布特征
东 北 黑 土 区侵 蚀 沟 省 际分 布 特 征
王岩松’ ， 王念 忠 ， 钟云飞 ， 顾 广贺 ， 范昊明 ， 张瀚 洋。
（ １ ． 松 辽流域 水 土保 持 监测 中心 站 ， 吉林 长 春 １ ３ ０ ０ ２ １ ； ２ ． 沈 阳农 业大 学 水利 学 院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ ８ ６ ６ ； ３ ． 黄 河水 利 委 员会 黄 河职工 疗养 院 ， 陕 西 临潼 ７ １ ０ ６ ０ ０ ）
２ 结果 与分 析
调查研究表 明， 东 北 黑 土 区共 有 侵 蚀 沟 ２ ９ ５ ６ ６ ３
究， 研 究 区域 的空 间 尺 度 及研 究 内容 有 限 。特 别 是 黑 条 ， 其 中 ：发 展 沟 ２ ６ ２ １ ７ ８ 条 ，占 侵 蚀 沟 总 数 的 ８ ． ６ ７ ％； 稳定 沟 ３ ３ ４ ８ ５条 ， 占侵 蚀 沟总 数 的 １ １ ． ３ ３ ％。 土 区侵蚀 沟分 布 情 况 不 清 ， 缺少 基 础 数 据 支 撑 和相 应 ８
失 中扮演 着 重要 的 角 色 … 。近 ５ ０年 来 黑 土 区水 土 流 万 和 ２ ８ ． ８ １ 万ｋ ｍ 。对 黑 土 区侵蚀 沟在 ４省 （ 区） 分 布 失仍 在 发 展 之 中 ， 侵蚀沟数量 不断增加 ， 沟 道 不 断 扩 特 征 的研究 ， 将 为 黑 土 区侵 蚀 沟 防 治 工作 提 供 重要 的
土 区四省 （ 区） 侵蚀 沟分布特征具有显著 差异 。
［ 中图分 类号］Ｓ １ ５ ７ ［ 文献标识码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１ ０ ０ ０— ０ ９ ４ １ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０— ０ ０ ６ ７— ０ ３
东北黑土区侵蚀沟发展状况及其对粮食安全的影响
ｌ ｄｕ ｅ ｔｅ ｃｅｓｄ ｂ ． ４ ｋ ４ ２ ２ ４ ｍ ａ ｄ０ ０ ｍ ｋ ｒｓｅｔ ｅ ．３）Ａ ｇｅｔ ａ ｓ ， ｈｙｉ ｒａｅ ｙ３ ４ ｍ ，３ ３， ０ ． ７ ｋ ｎ ． ２ｋ ／ ｍ ｅｐｃｉ ｌ ｎ ｎ ｖｙ ｒ ａ
ｐ ｏ ｏ ｔｏ ｆ ｇ ｌｙ ｏ ｃ ｒｅ ｉ ｈ ｃ ｔｖ ｔ ｄ ｌ ｎ ｎ ｙ ｃ ｌ ｂ ａ ｋ ａ ｄ ｏ ｅ， ｗｉｈ ｒ ａ ｆ ｒ９ ｒ ｐ ｒｉｎ ｏ ｕ ｌ ｃ ｕ ｒ ｄ ｎ ｔ ｅ ｕｌ ａｅ ａ ｄ ｉ ｔｐｉａ ｌ ｃ ｌ ｎ ｚ ｎ ｉ ｔ ａ ｅ ６％ ｏ ａｄ ｎ
Ｗ ａ ｇ Ｎｉｎ ｈｏ ｇ ｎ ａ ｚ ｎ ，Ｓ ｅ 。 ｈ ｎ Ｂｏ
（ ．Ｓ ｉ ａ ｄ Ｗａ ｒＣ ｎ ｅｖ ｔ ｎＭｏ ｉ ｒ ｇＣ ｎｅ ， ｏ ｇｉ ｔ ｅｏ ｒｅ Ｃ ｍ ｓｉｎ Ｍｉｉ ｒ ｆＷａｅ ｅｏ ｒｅ ； １ ｏｌ ｎ ｔ ｏ ｓｒａｉ ｎｔ ｉ ｅ ｔｒ Ｓ ｎ ｌ ｏ Ｗａ ｒＲ ｓ ｕｃ ｓ ｏ ｍｉ ｏ ， ｎｓ ｙｏ ｔ Ｒ ｓｕ ｃ ｓ ｅ ｏ ｏｎ ａ ｅ ｓ ｔ ｒ
２１ ０ １年 １ ０月
中 国 水 土 保 持 科 学
Ｓ ｉｎ ｅ ｏ ｏｉ ａ ｄ Ｗ ａ ｅ ｎ ｅ ｖ ｔ０ ｃｅ ｃ ｆＳ ｌ ｎ ｔ ｒＣ０ ｓ ｒａ ｉｎ
Ｖｏ ． ＮＯ ５ １９ ． Ｏｃ ． ｔ ２０１ １
９ ５ ：－ ０ （ ） ７ １
东北 黑 土 区侵 蚀 沟发 展 状 况 及 其对 粮 食 安全 的影 响
东北 黑土 区的地形 特点 为坡 缓 、 长 ， 般坡 度 坡 一 在 １。 ５ 以下 ， 长 一 般 ５ ０～２０ ０ｍ， 长 达 ４０ ０ 坡 ０ ０ 最 ０
以上土 地面 积 ４ ９ ｍ ， ．５ｋ 占总 面积 ０ ０ ％ 。 ．１ 研 究 区处 于 森林 与 草 甸草 原 的 交错 地 带 ， 被 植 具 有森林 和 草甸草 原或 草原化 草甸 相互 交错 分布 的 特点， 在植 物 区 系上 属 于 蒙古 植 物 分 布 区 。区 内主 要 河流有 乌裕 尔 河 、 谟 尔河 、 阳河 、 莱 河 和 润 讷 双 老 津 河等 。 研究 区地处 中高纬 度 、 亚大 陆东 部 ， 寒温 带 欧 属 半 湿润 半干 旱大 陆 性 季 风气 候 ， 暑 变 化 明 显 。 四 寒
东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟
第22卷 第2期2024年4月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.22 No.2Apr.2024DOI :10.16843/j.sswc.2023020东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟李若凡1,谢 云1,2†,辛 艳3,杨静怡1,刘 刚2,蔺宏宏1(1.北京师范大学地理科学学部,100875,北京;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京;3.中国水利水电科学研究院,100038,北京)摘要:土壤入渗与土壤侵蚀密切相关㊂研究黑土土壤入渗特征对于黑土土壤侵蚀预测与防护有重要作用㊂为探明不同侵蚀程度黑土的水分运移过程,采用室内土柱实验法观测并评价HYDRUS1D 模型在东北黑土区的适用性㊂其中,轻度侵蚀土壤表土层A 层厚度和淀积层B 层厚度分别为30和25cm,中度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为30和10cm,重度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为0和15cm㊂结果表明:轻㊁中㊁重3种不同侵蚀程度土壤的稳定入渗率分别为0.16㊁0.25和0.72cm /h,湿润锋运移速率为2.52㊁3.32和9.85cm/h㊂由于黑土黏重特性,HYDRUS 1D 模型在黑土区的适用性较低,轻㊁中度侵蚀土壤的稳定入渗率分别高估2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳定入渗率低估0.4倍,其中中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果相对较好,可为土壤水蚀过程模拟和水土流失治理提供基础依据㊂关键词:土壤入渗;土柱实验;HYDRUS 1D;黑土;土壤侵蚀程度中图分类号:S157.1文献标志码:A文章编号:2096⁃2673(2024)02⁃0017⁃08引用格式:李若凡,谢云,辛艳,等.东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟[J].中国水土保持科学,2024,22(2):17-24.LI Ruofan,XIE Yun,XIN Yan,et al.Soil infiltration characteristics and simulation of different eroded degrees in the black soil region of Northeast China[J].Science of Soil and Water Conservation,2024,22(2):17-24.收稿日期:20230215 修回日期:20230605项目名称:国家 十四五 重点研发计划项目课题 黑土农田侵蚀阻控原理及水土保持措施效应”(2021YFD1500705)第一作者简介:李若凡(1998 ),女,硕士研究生㊂主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持㊂E⁃mail:lrfzrdl@†通信作者简介:谢云(1964 ),女,博士,教授㊂主要研究方向:土地生产力,土壤侵蚀和气候影响评价㊂E⁃mail:xieyun@Soil infiltration characteristics and simulation of different erodeddegrees in the black soil region of Northeast ChinaLI Ruofan 1,XIE Yun 1,2,XIN Yan 3,YANG Jingyi 1,LIU Gang 2,LIN Honghong 1(1.Faculty of Geographic Sciences,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,100038,Beijing,China)Abstract :[Background ]The black soil area in Northeast China is an important grain producing area in China.The problem of soil degradation caused by soil erosion in the black soil area is becoming more and more obvious.It is of great significance to study the infiltration characteristics of black soil with differentdegrees of erosion to control slope soil erosion.The application of HYDRUS 1D model is more extensive,and it is mostly concentrated in the arid area of Northwest China.Whether the model can simulate the infiltration of black soil needs further study or not.[Methods ]The author collected black soil samples with slight,moderate and severe eroded degrees in the typical black soil area of Heshan Farm in Heilongjiang province,and determined the one⁃dimensional vertical infiltration process based on indoor中国水土保持科学2024年soil column experiments.The black soil with different eroded degrees was determined according to the thickness of the black soil layer(layer A)and the thickness of the deposited layer(layer B).The HYDRUS1D model was used to simulate soil infiltration.The simulation results were compared with the measured data,and the applicability of the model in the black soil area was evaluated by using Origin software.[Results]1)Firstly,the stable infiltration time of severe,moderate and slight eroded soil was 8,26and36h,respectively,and the infiltration rate was0.72,0.25and0.16cm/h,respectively.The higher the degree of erosion,the greater the cumulative infiltration amount of soil in the same infiltration duration.2)Secondly,in terms of the change characteristics of the wetting front with time,the soil with slight,moderate and severe eroded degrees has a slower infiltration rate to the lower layer,and the wetting front migration rate slows down accordingly,and the average speed of the wetting front migration of the soil with three erosion degrees is:2.52,3.32and9.85cm/h,respectively.3)Finally,there are some differences in the trend of soil moisture content with time in the infiltration process of the three soils.The saturated water content of soil decreases with the increase of erosion degree.The saturated water content of slight eroded soil is about4.9%higher than that of moderate eroded soil,and the saturated water content of specific severe eroded soil is about9.4%higher than that of moderate eroded soil.The saturated water content of each soil decreased with the deepening of soil layers.According to the erosion intensity from weak to strong,the saturated water content of the surface soil was7.8%, 8.0%and12.8%higher than that of the lowest layer,respectively.[Conclusions]The infiltration process simulated by HYDRUS1D underestimates the infiltration of soil with high sand content and overestimates the infiltration of soil with high clay content.The infiltration capacity of slight and moderate eroded soil was overestimated,while the infiltration capacity of severe eroded soil was underestimated. Among them,the fitting results of moderate eroded soil infiltration are better than those of the other two erosded soils.We can try to further modify the parameter values of residual water content and saturated water content,and optimize the fitting results.Keywords:soil infiltration;soil column experiment;HYDRUS1D;black soil;soil eroded degrees 东北黑土区是我国重要的粮食主产区,也是我国重要的商品粮基地,被视为中国粮食安全的 压舱石”㊂该地区纬度较高,雨热同期,属寒温带大陆性季风气候㊂黑土具有有机质含量高㊁质地黏重㊁入渗能力较弱㊁易产生地表径流的特征㊂在近百年的开垦过程中,由于缺乏保护,黑土区水土流失导致的土壤退化问题越来越明显,并得到广泛关注㊂地表径流是坡面土壤侵蚀发生的动力基础㊂径流是由降雨或灌溉水到达地表之后超过土壤入渗能力的水分形成的㊂因此,土壤入渗是影响侵蚀过程的重要环节㊂研究不同侵蚀程度黑土的入渗特征对治理坡面土壤侵蚀具有重要意义㊂不同类型的土壤入渗过程差异很大㊂每种入渗模型都不可能适用于所有土壤㊂依据土壤的特性选择适用的入渗模型并加以改进,是目前主流的土壤入渗模拟方法㊂HYDRUS1D是由美国国家盐改中心(US Salinity Laboratory)于1991年开发的商业化软件㊂该软件是一种用于模拟变饱和带多孔介质中的水分㊁热量和溶质运移的数值模型,能够较好地模拟水分㊁溶质和能量在土壤中的时空分布变化及运移规律[1]㊂郭雯等[2]在内蒙古高原西部腰坝绿洲利用该模型模拟土壤水分入渗过程,模拟结果与实测含水率拟合较好,模型平均R E㊁R MSE值分别为6.1%㊁0.015cm3/cm3,误差较小,精度较高;李琦等[3]以华北平原区典型冬小麦农田土壤为研究对象,结合野外观测与室内土柱试验,借助该软件建立水盐运移模型,模拟结果的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,能较好且稳定地模拟土壤内部水分的运移过程;王国帅等[4]利用该模型模拟沙丘㊁沙丘 荒地交界和荒地土壤水分和盐分运移动态,R MSE为0.01~0.03cm3/cm3,R2为0.85~0.92,其结果能较好地反映出土壤水分的动态变化㊂我国HYDRUS1D模型的应用研究多集中于西北干旱地区,该模型是否能模拟黑土入渗需81 第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟要进一步研究㊂笔者将基于室内土柱试验,观测典型黑土区不同侵蚀程度黑土土壤入渗过程,并利用HYDRUS1D模型模拟,通过比较模型模拟结果与实测数据,评价该模型对东北黑土区不同侵蚀程度土壤的模拟效果,为黑土土壤入渗模拟和土壤侵蚀预报提供基础㊂这对黑土土壤水蚀过程模拟和水土流失治理有重要的实际意义㊂1 材料与方法1.1 土壤样品采集与测定室内土柱试验于2020年在黑龙江省黑河市嫩 江县鹤山农场境内的北京师范大学九三水土保持试验站(E125°16′~125°21′,N48°59′~49°03′)完成㊂供试土壤选择轻度㊁中度及重度3种不同侵蚀程度的土壤(表1),测定其一维垂直入渗过程,每种土壤类型设置3个重复㊂不同侵蚀程度黑土根据表层的黑土层(A层)厚度和其下淀积层(B层)厚度确定:轻度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和25cm,中度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和10cm,重度侵蚀的土壤A㊁B层分别为0和15cm(表2)㊂1.2 入渗实验装置与方法试验由土柱系统和供水装置组成㊂土柱系统:土柱装土50cm高,直径28.4cm,为 表1 3种侵蚀程度土壤密度及机械组成Tab.1 Soil bulk densities and mechanical compositions at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cm土粒密度Bulk density/(g㊃cm-3)砂粒Sand content/%粉粒Silt content/%黏粒Clay content/% 0~101.0612.4545.5642.00 10~201.2811.2747.6941.04轻度Slight20~301.249.4748.9941.54 30~401.4910.2348.1741.6040~501.5211.7547.2840.960~101.1819.4746.9433.5910~201.3928.5048.9722.53中度Moderate20~301.4729.4648.2422.30 30~401.4631.4038.0730.5340~501.4530.0838.1331.790~101.4363.9415.7020.3610~201.5366.3414.6219.04重度Severe20~301.8164.3310.3925.28 30~402.0768.9812.7918.2340~501.7174.6711.2714.06表2 3种侵蚀程度土壤取土位置和土壤剖面Tab.2 Soil sampling position and soil profile at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree取土位置Soil location地貌部位Landformposition黑土(A)层深度Black soil(A)depth/cm淀积(B)层深度Deposition(B)layer depth/cm母质出现深度Appearing parentmaterial depth/cm母质类型Parent materialtype轻度Slight E125°18′21″N49°01′58″坡中Middle slope0~3030~5555黄黏土Yellow clay中度Moderate E125°19′40″N49°00′39″坡中上Middle and upper slope0~3030~4040黄黏土Yellow clay重度Severe E125°19′24″N49°00′42″坡中上Middle and upper slope00~1515黄砂Yellow sand透明有机玻璃圆柱㊂每次试验准备3个土柱,分别按照轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的原状土壤分层,每层10cm分层填装进土柱,装土密度与原状土密度一致,层间用毛刷打毛㊂将土柱挂上铁架,每个土柱每层中间位置(即5㊁15㊁25㊁35和45cm处)安装水分温度传感器探头,探头长度为15cm,数据采集器每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂为确保试验的准确性,再设置2次重复试验㊂供水装置:马氏瓶,保证土面上方有3cm的稳定水头㊂91中国水土保持科学2024年试验开始,马氏瓶中水位每下降1cm手动记录1次历时㊂数据采集器每隔1min记录土柱质量的变化,每隔5min记录剖面含水量变化㊂若连续5个时刻记录点的入渗速率基本相同,将第1个时刻记作达到稳渗的时刻,并把连续5个记录点的平均入渗速率做为稳渗速率㊂同时记录湿润锋运移情况,湿润峰到达土柱底部后停止马氏瓶供水㊂用塑料薄膜密封土柱上表面防止蒸发,待所有土柱排水口不再有水流出时,撤下塑料薄膜,试验结束㊂综上,本研究进行3次试验,共9组数据,分别计算:1)累积入渗量与入渗速率㊂土柱试验过程中需要手动记录入渗过程中马氏瓶中水位每下降1cm所需要的时间㊂测量马氏瓶水位每下降1cm的水流通量,根据记录表中的时间间隔计算入渗过程中的累积入渗量与入渗速率㊂I1=ΔlQ0/S;(1)I=I1+I2+I3+ +I n;(2)f=I/t㊂(3)式中:I n为每段时间的累积入渗量,cm;Δl为马氏瓶水位差;Q0为马氏瓶每cm的水流通量,mL;S为土柱的横截面积,cm2;I为总累积入渗量,cm;f为入渗速率,cm/h;t为时间,h㊂2)土壤含水量㊂数采每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂3)湿润锋运移㊂土柱上贴有刻度尺,根据湿润锋运移的速率选择记录间隔㊂在试验刚开始时入渗速率较快,每3min记录1次湿润锋位置,随着试验的进行湿润锋移动速率逐渐减慢,记录时间间隔增大,最大时间间隔不超过2h㊂将记录下的刻度转化为入渗深度,得到湿润锋运移情况㊂1.3 HYDRUS1D模型入渗计算笔者使用软件的模拟水流程序模拟土壤水分入渗㊂该模型仅考虑一维垂向运移时的土壤水分运动,并采用Richards方程来描述一维非饱和土壤水流的运动[5]㊂HYDRUS1D模型中水分特征曲线模型有Van Genuchten㊁Modified Van Genuchten㊁Brooks⁃Corey和Kosugi等㊂笔者采用运用最为广泛的㊁也更适合东北黑土[6]的Van Genuchten模型来拟合土壤水力性质㊂HYDRUS1D中VG模型表达式为:θ(h)=θr+θs-θr(1+|α×h|n)m h<0θs h≥ìîíïïï0;(4)K(h)=K s S l e(1-(1-S1/m e)m)2;(5)m=1-1n n>1;(6)S e=θ-θrθs-θr㊂(7)式中:θ(h)为土壤含水量随土壤水势的变化函数;h为土壤的有压水头,cm;θr和θs分别为残余含水量和饱和含水量,cm3/cm3;K(h)为非饱和导水率,cm/h;K s为饱和导水率,cm/h;α为进气吸力值的倒数;n为孔隙度连通性参数,m为经验参数;l为形状参数,l=0.5;S e为有效水分含量㊂入渗模拟过程中需要设置的指标有剖面形态㊁时间步长㊁土壤水力参数和边界条件等㊂其中土壤水力参数是进行模拟的主要指标,包括:残余含水量θr㊁饱和含水量θs㊁进气吸力值α㊁孔隙度连通性参数n㊁饱和导水率K s和形状参数l等,这些参数主要通过土壤水分特征曲线模拟来获得㊂本实验中θr㊁θs和K s均有实测数据,α㊁n和l3个参数依靠模型内置函数模拟,共设置5种模拟情况:1)θr㊁K s㊁θs均为模拟值;2)θr㊁K s㊁θs均为实测值;3)θr㊁K s为模拟值,θs为实测值;4)K s为模拟值,θr㊁θs为实测值;5)θr为模拟值,K s㊁θs为实测值㊂采用Excel2010和SPSS24.0软件对数据进行分析,用Pearson法对累积入渗量㊁入渗速率的模拟值与实测值进行相关分析,利用Origin2010软件作图㊂2 结果与分析2.1 不同侵蚀程度黑土入渗速率及累积入渗量随时间的变化特征由图1可见,重㊁中㊁轻度侵蚀土壤达到稳渗的时间分别为8㊁26和36h,稳渗时的入渗速率为0.72㊁0.25和0.16cm/h,完成整个入渗的历时分别为10.2㊁31.5和50h㊂针对一次完整的入渗过程,轻度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7.3㊁4㊁3.9㊁3.4和3.6cm;中度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7㊁3.6㊁3.4㊁4.5和2.5cm;重度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为5㊁3.2㊁2.6㊁2和3.7cm㊂通常情况下,黏粒含量越高的土壤对水的吸附能力越强,相同势能下的水分通量会相应变小,因此侵蚀程度越高的土壤在相同的入渗历时内累积入渗量会越大(图1)㊂2.2 不同侵蚀程度黑土湿润锋随时间变化特征湿润锋的运移可以反映出土壤的入渗能力[7]㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的土壤均是越向下层入渗速02 第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟图1 不同侵蚀程度土壤入渗速率及累积入渗量Fig.1 Infiltration rates and cumulative infiltrations of soils with different erosion degrees率越慢,湿润锋运移速率相应减慢(图2)㊂轻度侵蚀的土柱在1h 处完成第1层10cm 土壤的入渗,并开始第2层的入渗,5h 开始第3层入渗,14.5h 开始第4层入渗,28.7h 开始第5层入渗,50h 的时候完成整个入渗过程㊂每层入渗耗时分别为1㊁4㊁9.5㊁14.2和21.3h㊂中度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为1㊁4.4㊁7㊁10.1和14h;重度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为0.25㊁0.6㊁1.7㊁3.5和5.2h㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度湿润锋运移的平均速度分别为:2.52㊁3.32和9.85cm /h㊂图2 轻㊁中㊁重度侵蚀土壤入渗湿润锋运移变化Fig.2 Changes of wetting front migrations of infiltrationsin slight,moderate and severe eroded soils2.3 不同侵蚀程度黑土入渗过程中剖面含水量随时间变化特征将入渗过程中土壤含水量最大并不再发生明显变化的数值作为土壤饱和含水量㊂3种土壤在入渗过程中的土壤水分含量随时间变化的趋势存在一定的差异㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少,轻度侵蚀土壤比中度侵蚀土壤饱和含水率平均高4.9%左右,比重度侵蚀土壤饱和含水率平均高9.4%左右㊂每种土壤的饱和含水率随土壤层数的加深而减少,3种土壤按侵蚀强度由弱到强,其表层土壤饱和含水率比最下层分别大7.8%㊁8.0%和12.8%(图3)㊂2.4 HYDRUS 1D 模型模拟黑土土壤入渗通过HYDRUS 1D 内置函数所得到的模拟值如表3所示,其他模拟情况均根据表中参数进行校正设置㊂根据入渗过程拟合可以看出,总体上轻度侵蚀土壤的累积入渗量被高估,重度侵蚀土壤的累积入渗量被低估,中度侵蚀土壤的拟合情况相对最好,模拟值与实测值分布于1∶1线两侧,且较为集中,所以HYDRUS 1D 对于相对极端情况的黑土拟合情况较差(图4)㊂入渗速率由土壤累积入渗量计算得到,所以其拟合结果的特征与累积入渗量的规律相似(图5)㊂除重度侵蚀土壤能够看出实际入渗速率明显高于模拟结果,其余土壤实际入渗与拟合结果的差异并不明显㊂轻㊁中㊁重度3种土壤的稳定入渗率模拟值与实测值也存在差异(表4),轻中度侵蚀土壤的稳定入渗率被高估,模拟值分别为实测值的2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳渗率被低估,模拟值为实测值的0.4倍㊂3 讨论3.1 侵蚀程度对黑土入渗的影响本研究通过室内土柱试验,分别分析不同侵蚀程度黑土的初始入渗速率㊁稳定入渗率㊁湿润锋运移速率以及土壤剖面含水量随时间变化特征,可知初始入渗速率主要受供水装置影响,入渗过程刚开始时风干土壤的含水量很小,土壤的基质势梯度很大,12中国水土保持科学2024年 图3 轻㊁中㊁重度侵蚀土壤10~50cm分层土壤含水率随时间变化Fig.3 Variation of soil moisture contents with time in10-50cm divided layers of slight,moderate and severe eroded soils表3 3种侵蚀程度土壤土柱所有模拟参数数值Tab.3 All simulated parameters of soil column with three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cmθrθsα/(cm-1)n K s/(cm㊃h-1)0~100.10280.56600.01431.38942.496710~200.09680.49970.01171.41960.7217轻度Slight20~300.09860.51510.01211.41370.902930~400.09100.44270.01121.39750.211740~500.08900.43090.01121.39200.17920~100.09130.50390.00951.49081.366210~200.06890.41160.00691.58670.5396中度Moderate20~300.06610.39340.00751.55840.375430~400.07780.41780.01081.45310.298340~500.08000.42420.01091.44950.31330~100.06290.41950.02281.42281.457510~200.05810.39130.02581.39751.0963重度Severe20~300.05060.31360.01431.31140.090030~400.04490.25800.03891.25080.115840~500.04740.33760.03631.39810.9696 注:θr:残余含水量,cm3/cm3;θs:饱和含水量,cm3/cm3;α:进气吸力值的倒数;n:孔隙度连通性参数;K s:饱和导水率,cm/h㊂下同㊂Notes:θr:Residue water,cm3/cm3;θs:saturation capacity,cm3/cm3;α:the inverse of air⁃entry value;n:porosity connectivity parameters;K s:saturated hy⁃draulic conductivity,cm/h.The same below.土壤的入渗能力较强,入渗速率主要取决于供水速率㊂但随着入渗过程的不断进行,土壤的基质势梯度会逐渐趋近于0,使入渗速率逐渐保持在一个较小的稳定值,即进入稳定入渗阶段㊂稳定入渗阶段是指土壤入渗经过瞬变和渐变阶段之后达到的一种入渗速率处于相对稳定的阶段㊂稳渗速率是反映土壤渗透性能的主要指标[8]㊂不同侵蚀程度黑土土壤机械组成结构不同,侵蚀程度强的土壤中砂粒含量越高,土壤孔隙度越大,导水率相应变大,入渗过程加快,稳渗率越高㊂因此土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率较高,反之递减㊂不同侵蚀程度黑土下不同剖面含水22 第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟 S :模拟值;M:实测值㊂下同㊂S:Simulated value.M:Measured value.The same below.图4 轻度㊁中度和重度侵蚀土壤累积入渗量模拟值与实测值相关性分析Fig.4 Correlation analysis between simulated and measured cumulative infiltration in slight,moderateland severe eroded soils图5 轻度㊁中度和重度侵蚀入渗速率模拟值与实测值相关性分析Fig.5 Correlation analysis between simulated and measured values of infiltration rates of slight,moderateand severe eroded soils表4 3种侵蚀程度土壤稳定入渗率及模拟值Tab.4 Soil stable infiltration rate and simulated values at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree 实测稳定入渗率Measured stableinfiltration rate /(cm ㊃h -1)5种模拟情况下的稳定入渗率Stable infiltration rate under five simulated conditions /(cm ㊃h -1)S:θr ㊁K s ㊁θsM:θr ㊁K s ㊁θs S:θr ㊁K s ;M:θsS:K s ;M:θr ㊁θsS:θr ;M:K s ㊁θs轻度Slight 0.160.3980.00570.3980.3980.0073中度Moderate 0.250.398 0.4460.446 重度Severe 0.720.2160.2680.2020.2170.278RMSE0.3670.3830.390 注: :模拟过程提前结束,无数值的情况㊂Notes: :The simulation process ends early,and there is no numerical case.量其分布规律与土壤累积入渗量的规律相似,这是由于土壤中黏粒含量较高会吸附更多的水分导致土壤饱和含水率更高㊂3.2 不同侵蚀程度黑土入渗模拟效果3种侵蚀程度土壤的土壤含水量的模拟结果与入渗速率和累积入渗量的规律相符,均为轻中㊁度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂这表明HYDRUS 1D 模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗,高估黏粒含量较高的土壤入渗,黑土较为黏重的质地影响HYDRUS 1D 中内置函数对于土壤入渗过程的模拟,导致入渗模型的适用性稍差㊂在所32中国水土保持科学2024年模拟的6个水力参数中,针对轻度侵蚀地块土壤,K s 是主要的误差来源,对拟合结果的影响最明显:拟合时表层K s值有所低估,而在深层K s值被高估;中度侵蚀地块的拟合情况较好,有完整模拟过程的模拟情况1)㊁3)和4)有相同的趋势;重度侵蚀地块的所有模拟情况均明显少于实际入渗㊂这是由于重度侵蚀土壤底层密度较大,模拟出的K s值偏小,实测出的K s值并没有明显大于其他2种侵蚀程度土壤所导致的㊂水势梯度是由水头㊁重力㊁基质力和毛管力决定的,在实测入渗与模拟入渗设置的前期条件相同的时候,两者的水势梯度是没有太大差别的㊂所以入渗速率的差异主要是由饱和导水率值的差异造成的,饱和导水率是影响模拟结果最关键的因子㊂4 结论通过室内土柱实验发现,不同侵蚀程度黑土的入渗性能不同:3种侵蚀程度黑土的入渗速率在入渗开始时均较大,而后逐渐减小,最后趋于稳定,每种土壤上层的入渗速率均大于下层㊂随着侵蚀程度加剧,土壤入渗速率㊁累积入渗量及湿润锋运移速度加大,土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率也较高㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少㊂3种不同侵蚀程度土壤入渗过程的含水量模拟结果与实测结果差异较大,轻中度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂HYDRUS1D模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗而高估黏粒含量较高的土壤入渗㊂应用HYDRUS1D模型模拟不同侵蚀程度黑土入渗过程的结果发现,轻㊁中度侵蚀土壤的入渗能力被高估,而重度侵蚀土壤的入渗能力被低估㊂其中,中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果好于其他2种侵蚀程度土壤㊂可尝试进一步修正残余含水量和饱和含水量的参数数值,优化拟合结果㊂5 参考文献[1] 卞建民,李育松,胡昱欣,等.基于Hydrus1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究[J].干旱地区农业研究,2014,32(2):191.BIAN Jianmin,LI Yusong,Hu Yuxin,et al.Study onrecharge from dry farmland irrigation based on the Hydrus1D model in Da′an irrigation district[J].AgriculturalResearch in the Arid Areas,2014,32(2):191. [2] 郭雯,卢玉东,卢阳春,等.基于Hydrus1d模型的干旱区绿洲灌溉入渗研究[J].水电能源科学,2020,38(8):129.GUO Wen,LU Yudong,LU Yangchun,et al.Simulationof irrigation infiltration in arid Oasis based on Hydrus1D model[J].Water Resources and Power,2020,38(8):129.[3] 李琦,李发东,张秋英,等.基于HYDRUS模型的华北平原小麦种植区水盐运移模拟[J].中国生态农业学报(中英文),2021,29(6):1085.LI Qi,LI Fadong,ZHANG Qiuying,et al.Water andsalt transport simulation in the wheat growing area of theNorth China Plain based on HYDRUS model[J].Chi⁃nese Journal of Eco⁃Agriculture,2021,29(6):1085.[4] 王国帅,史海滨,李仙岳,等.基于HYDRUS1D模型的荒漠绿洲水盐运移模拟与评估[J].农业工程学报,2021,37(8):87.WANG Guoshuai,SHI Haibin,LI Xianyue,et al.Simu⁃lation and evaluation of soil water and salt transport indesert oases of Hetao Irrigation District using HYDRUS1D model[J].Transactions of the CSAE,2021,37(8):87.[5] 吴奇凡,樊军,王继军.晋陕蒙接壤区露天矿不同质地土壤水分运动特征与模拟[J].煤炭学报,2015,40(5):1134.WU Qifan,FAN Jun,WANG Jijun.Water movementand simulation of different soil textures at open pit mine inJin Shan Meng adjacent region[J].Journal of ChinaCoal Society,2015,40(5):1134.[6] 翟俊瑞,谢云,李晶,等.不同侵蚀强度黑土的土壤水分特征曲线模拟[J].水土保持学报,2016,30(4):116.ZHAI Junrui,XIE Yun,LI Jing,et al.Simulation ofsoil⁃water characteristic curve for black soils with differenterosion intensity[J].Journal of Soil and Water Conser⁃vation,2016,30(4):116.[7] 张国祥,申丽霞,郭云梅.微润灌溉条件下土壤质地对水分入渗的影响[J].灌溉排水学报,2016,35(7):35.ZHANG Guoxiang,SHEN Lixia,GUO Yunmei.Effect ofsoil structure on water infiltration under moisture irrigation[J].Journal of Irrigation and Drainage,2016,35(7):35.[8] 毕彪,钱云楷,艾宪锋,等.基于HYDRUS1D模拟的降雨入渗条件下VG模型参数敏感性分析[J].长江科学院院报,2021,38(7):36.BI Biao,QIAN Yunkai,AI Xianfeng,et al.Sensitivityanalysis of VG model parameters under rainfall infiltrationusing HYDRUS1D simulation[J].Journal ofChangjiang River Scientific Research Institute,2021,38(7):36.42。
东北黑土区侵蚀沟分级初探
东北黑土区侵蚀沟分级初探白建宏【摘要】水利部2016年组织编制了《东北黑土区侵蚀沟治理专项规划(2016—2030年)》,国家农业综合开发东北黑土区侵蚀沟综合治理工程也已启动实施.为便于侵蚀沟综合治理模式和投资标准的确定,以第一次全国水利普查东北黑土区侵蚀沟普查数据和《东北黑土区水土保持措施效益评估及防治技术》课题调查数据为依据,对侵蚀沟的长度、宽度、深度、面积等参数进行相关性综合分析后,选择面积作为分级指标,将东北黑土区发展型侵蚀沟按照大型(占地面积≥1.4 hm2)、中型(占地面积0.3~1.4 hm2)、小型(占地面积≤0.3 hm2)进行了分级.【期刊名称】《中国水土保持》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】2页(P41-42)【关键词】侵蚀沟;分级;占地面积;长度;宽度;深度;东北黑土区【作者】白建宏【作者单位】松辽水利委员会水土保持处,吉林长春130021【正文语种】中文【中图分类】S157.1东北黑土区位于中国大陆的东北部，涉及黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区，总面积109万km2，是我国重要的生态屏障和商品粮基地，也是我国能源、木材、煤炭、冶金、钢材生产基地。
长期以来，由于自然因素和人类不合理的生产经营活动，东北黑土区水土流失日益加剧，对国家粮食、生态安全和区域经济社会可持续发展造成了严重影响。
侵蚀沟是东北黑土区水土流失问题的集中表现。
侵蚀沟发展不仅吞噬耕地，降低土地生产力，影响机耕作业，还诱发山洪地质灾害，损毁城乡基础设施，对群众生命财产安全构成巨大威胁。
东北黑土区水土流失经过多年治理，取得了一定成效，但由于国家水土保持重点工程单位面积投资标准低，且治理措施主要集中在坡面上，因此侵蚀沟治理相对薄弱。
侵蚀沟治理是东北黑土区水土流失综合治理的关键内容，也是保护耕地最有效的措施之一，侵蚀沟综合治理成为水土流失攻坚克难的突破口。
根据第一次全国水利普查结果，东北黑土区侵蚀沟数量为29.57万条，其中亟待治理的发展型侵蚀沟为26.22万条，占总数的88.67%。
东北黑土区侵蚀沟专项治理的几点思考
东北黑土区侵蚀沟专项治理的几点思考东北黑土区侵蚀沟分布广、数量大、类型多、发展速度快，严重破坏黑土资源，危害国家粮食安全，已成为东北黑土区水土保持工作的重心。
鉴于此，文章首先對东北黑土区侵蚀沟危害进行了分析，并提出了开展侵蚀沟专项治理的几点建议。
标签：东北黑土区；侵蚀沟；专项治理；危害引言东北黑土区位于中国大陆的东北部，涉及黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古的244个县（市、区、旗），总面积109万km2。
东北黑土区是世界三大黑土区之一，是我国重要的商品粮基地和老工业基地，也是我国东北部重要的生态屏障。
长期以来，受自然因素和人类不合理的生产经营活动影响，黑土区水土流失日益加剧，对国家粮食、生态安全和区域经济社会可持续发展造成了严重影响。
侵蚀沟是东北黑土区水土流失问题的集中表现，侵蚀沟发展不仅吞噬耕地，降低土地生产力，影响机耕作业，而且诱发山洪地质灾害，损毁基础设施，对群众生命财产安全构成了巨大威胁。
1、东北黑土区侵蚀沟危害1.1加剧水土流失沟蚀是典型的水力与重力复合侵蚀，在径流冲刷、下切造成水土流失过程中，因土体失稳多伴随崩塌、滑坡等重力侵蚀，水土流失强度极高。
切沟形成后，增大坡面比降，加快上部来水流速，增强侵蚀动力，并随沟缘扩张影响周围坡面土层的稳定性和渗漏性，加剧坡面水土流失。
1.2促发雨洪灾害沟道坡降陡急，植被稀疏，涵蓄滞留径流的能力比坡面要低很多。
随沟蚀加剧，区域沟壑密度不断增大，这就会形成更加密集的水沙输送通道。
在夏汛暴雨季节，坡面汇水会通过沟谷系统迅速汇集，然后进入到中小河系中，这就会促进洪峰的形成，使洪峰流量增大，促发下游雨洪灾害。
1.3直接损毁耕地通常来说，侵蚀沟在耕地中分布的比较多，如果不对其进行很好的治理，其会发育的十分迅速，进而产生极大的危害。
随沟头溯源侵蚀和沟底下切侵蚀，沟缘不断扩张，再加上崩塌和滑坡等重力侵蚀，与面状侵蚀相比，其对土地的毁损速度非常大，且沟蚀造成坡面破碎后，极易导致耕地被弃耕撂荒。
基于遥感技术的东北黑土区水土流失动态监测研究
基于遥感技术的东北黑土区水土流失动态监测研究张继真;姜艳艳;张月【期刊名称】《中国水土保持》【年(卷),期】2024()1【摘要】东北黑土区是我国重要的商品粮基地,近年来面临水土流失严重、面积减小、土壤质量下降等问题,已成为目前土壤保护工作中亟待解决的重要问题。
以东北黑土区2018年和2022年两期遥感影像与水土保持措施的实地调查数据作为数据源,利用目视识别法开展影像解译,并通过中国土壤流失方程CSLE进行土壤侵蚀模数的计算,对东北黑土区的水土流失变化情况及原因进行分析,结果表明:耕地、草地、建设用地、其他土地面积减少,园地、林地、交通运输用地、水域及水利设施用地面积增加,造林、种草、封育、地埂、水平阶/反坡梯田等面积共增加0.84万km^(2);对比2018—2022年东北黑土区的水土流失情况,整体呈向好趋势,土壤侵蚀面积共减少约1.01万km^(2);从侵蚀强度来看,除轻度侵蚀面积增加约0.45万km^(2)外,中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别减少约0.43万、0.24万、0.28万、0.51万km^(2);从不同省份侵蚀面积变化情况分析,内蒙古自治区东四盟的侵蚀面积减少最多,共减少约0.37万km^(2),辽宁省侵蚀面积变化最小,共减少约0.06万km^(2);耕地、建设用地等土地利用类型面积的减少,以及林地、交通运输用地等土地利用类型面积的增加,均可大幅减少土壤侵蚀面积,同时水土保持措施面积的增加也可有效阻止土壤侵蚀的发生。
总体来看,东北黑土区水土流失治理效果显著,生态环境得到改善,持续进行东北黑土区水土流失治理对环境保护具有重要意义。
【总页数】5页(P26-29)【作者】张继真;姜艳艳;张月【作者单位】松辽水利委员会松辽流域水土保持监测中心站;吉林农业大学资源与环境学院【正文语种】中文【中图分类】S157;TP79【相关文献】1.东北黑土地治理区2015-2016年水土流失动态监测2.东北黑土区重点治理区水土流失监测方案3.东北黑土水土流失区生态环境遥感动态监测4.东北黑土地重点治理区水土流失动态监测项目的实施管理5.基于CSLE的东北黑土区水土流失动态监测与分析——以长春市城区和双阳区为例因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
侵蚀沟现状及治理对策研究探讨
侵蚀沟现状及治理对策研究探讨摘要：本文主要针对国内外侵蚀沟分级、现状以及治理研究概况展开分析，剖析当前治理中存在的不足之处，针对这些不足之处提出针对性的解决策略。
关键词：侵蚀沟;治理现状;治理对策1 绪论首先来剖析一下侵蚀沟的定义。
面蚀是指地表上汇聚起来的径流长期对某一处土壤进行冲刷，破坏土壤及其母质，随着时间推移，逐渐形成了切入地表及以下沟壑的土壤侵蚀形式。
当健康的土壤产生面蚀后，地表汇聚起来的径流冲刷仍未停止，对面蚀形成的细沟继续冲刷，这些细沟逐渐加深、加宽以及加长，健康的土壤被冲刷至失去耕作效力，同时也不能再被耕作所平复，到了这种状态，便由面蚀变成了沟蚀，而经由沟蚀形成的沟壑便是侵蚀沟。
侵蚀沟这一现象会造成严重的水土流失，因此侵蚀沟历来是水土流失现象严重国家比较重视的一项水保科研难题，深入调研侵蚀沟形成原因，探讨侵蚀沟防治和治理办法，成为当前各国的共同课题。
2 侵蚀沟形成的原因解析2.1 地形、地貌因素并非所有的地形、地貌均能形成侵蚀沟，从侵蚀沟的成因可知，其形成过程需要地表径流汇聚在一起，对健康土壤进行长期冲刷。
这也就意味着侵蚀沟的形成需要满足地表有聚集径流以及长期冲刷这两项关键条件。
由此可以反推出侵蚀沟形成的地形和地貌条件需要满足地面坡度缓长以及陡坡这两项要素。
首先，地面坡缓坡长，在遭遇降水后，蓄水能力强，汇水面积比较集中，且水流量较大，进入到低洼地面后，受雨水和积水冲刷所致，逐渐形成细沟或者浅沟，再随着时间推移变成冲沟，进而演变成不可逆的侵蚀沟。
另一种情况则是地面坡度较陡的地区，在遭遇降雨后，形成强力的冲刷力度，对陡坡进行冲刷的同时，携带大量泥沙下泄，由此形成水土流失。
2.2 土壤因素从近年来的案例分析可知，容易形成侵蚀沟地貌的土壤因素也占据主要原因，具体和土壤的表土土质、结构性质以及渗透性关联性较强。
常见的侵蚀沟地貌的土壤为沙土地、黑钙土。
前者土质比较疏松，结构性质差，因此在遭遇积水和雨水的双向冲击时，抗冲刷能力低;后者则是土质比较轻，土壤结构不紧密，且滲透性较强，地表的积水往往在没有蒸发前便会渗到土壤深处。
东北黑土区侵蚀沟专项治理的几点思考
浆砌石（ 石笼） 跌水控制溯源侵蚀 ， 在沟底修石笼谷坊 稳定 侵蚀 基准 ， 在 沟坡 、 沟岸 植树种 草 防止 沟壁扩 张 。
［ 作者简介 ］白建宏 （ １ ９ ７ ５ 一） ， 男， 陕西清涧县人 ， 高级 工程 师 ，
学士， 主 要 从 事 东 北 黑 土 区生 态 建 设 管 理 工 作 。 ［ 收 稿 日期 ］２ ０ １ ７ － ０ ８ － ０ ６
水控制 溯 源 侵 蚀 ； 在沟底修石笼 谷坊 ， 抬 高 侵 蚀 基 准
面， 待沟 底 泥沙 淤积 到 一 定 程度 后 ， 再 在 沟坡 、 沟 岸植 树种 草 ， 恢 复植被 。 ９ 呼伦 贝尔 高原 丘 陵防沙 生态 维 护 区
区侵蚀 沟 总数 的 ６ ５ ． ６ ％、 １ ９ ． ９ ％和 ｌ ３ ． ２ ％。 该 区 防治 策 略是 预 防 和治 理 相 结合 ， 以重 要水 源
地、 重要 基础设 施周 边 、 危 害 较大 的发展 型侵 蚀 沟为治
理重 点 。对 于小型 侵蚀 沟采取 植物 封 沟 ； 对 于大 、 中型
侵蚀 沟采 取工 程和 植 物 相结 合 的措 施体 系 ： 在 沟 头修
该 区位 于额 尔古 纳 河 以东 、 大 兴 安 岭 中段 西 麓 地 区， 包 括 内蒙 古 自治 区 ６个旗 （ 市、 区） ， 总面积 ８ ． ３ ｌ 万
１ 东北 黑土 区侵 蚀沟 基本 情 况 根据 第一 次全 国水 利 普 查 成 果 与 补充 调 查 结 果 ，
展 型和 稳定 型侵 蚀沟数 量 分 别 为 ２ ６ ． ２ ２万 、 ３ ． ３ ５万 条 ，
其中发展型侵蚀沟数量 占侵蚀沟总数 的 ８ ９ ． ６ ７ ％， 分布 在 耕地 、 林 地 和 草 地 上 的 发 展 型 侵 蚀 沟 数 量 分 别 为
东北黑土区侵蚀沟的治理意义及治理措施浅析
摘 要：侵蚀沟是东北黑土区水土流失类型的主要形式。
东北黑土区沟道侵蚀强度大、范围广、数量多，若不及时防治，伴随着降雨可能持续发生溯源和下切侵蚀，引发沟岸崩塌，使得侵蚀沟快速发育，造成耕地损毁、土地破碎，严重影响生态环境、制约经济发展、威胁人身安全。
在总结东北黑土区侵蚀沟的概况、成因和危害的基础上，提出了侵蚀沟治理的重要意义和措施，以期为相关问题的解决提供借鉴。
关键词：黑土区；侵蚀沟；耕地安全；水土流失；治理措施东北黑土区被国家定位为粮食安全和生态安全保障区，是我国最大的商品粮基地，对国家粮食安全发挥着举足轻重的作用，同时也是国家重要的生态安全屏障。
东北黑土区大规模开发仅有百余年，但开发强度大、速度快，耕地面积已由中华人民共和国成立初期的100余万亩扩展为4.5亿亩，占全国耕地面积的24.6%、粮食总产量的20%、商品粮的1/3。
快速扩张的耕地面积导致生态短期内遭到了严重破坏，再加上降雨集中，水土流失加剧，东北黑土区是继黄土高原之后我国水土流失严重的区域之一。
侵蚀沟是东北黑土区水土流失类型的主要形式，黑土区沟道侵蚀强度大、范围广、数量多，若不及时防治，伴随着降雨可能会持续发生溯源和下切侵蚀，引发沟岸崩塌，使得侵蚀沟快速发育，成为东北黑土区的主要产沙源，造成耕地损毁、土地破碎，使可利用土地资源减少，限制耕地机械化作业，严重影响生态环境、制约经济发展、威胁人身安全。
一、侵蚀沟的概况东北黑土区侵蚀沟主要集中在漫川漫岗区和丘陵沟壑区。
丘陵沟壑区的海拔变化较为明显，为300～1 800米，主要分布在辽河与东辽河的中上游，该地区山体坡度多在5°以上，坡体长度多在100米以上，区域总面积约43万平方千米；而漫川漫岗区则主要分布在大小兴安岭延伸的山前台地一带，海拔较平缓，为250～450米，坡体长度多在200米以上，总面积约11.5万平方千米，坡体斜度为3°～8°，侵蚀沟分布密度约1.5千米/平方千米。
东北漫川漫岗和山地丘陵黑土区侵蚀沟形态特征遥感分析
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
科技成果——东北黑土区柔性侵蚀沟治理技术
科技成果——东北黑土区柔性侵蚀沟治理技术对应需求东北黑土区水土流失综合防治技术成果简介该成果以土、柳为工程原材料，发挥灌木柳条萌生能力强的特点，形成阻滞沟道径流、遏制沟头前进防止沟底下切，集柳编跌水、绿色过水通道、土柳生态谷坊为体系的侵蚀沟道绿色防护工程。
与常规浆砌石侵蚀沟治理工程相比，降低治理成本50%以上，具有植被恢复快、生物产量高、群落稳定等特点。
适用于东北黑土区侵蚀沟综合治理。
技术特点该成果就近就地取材，施工简易，与常规浆砌石侵蚀沟治理工程相比，可降低治理成本50%以上。
1、沟头、沟坡稳定：削坡25°以下。
2、沟道径流水通过植被通道：减少冲刷90%以上。
3、沟底基面抬升：年均20厘米以上。
4、植被快速恢复：固沟林乔灌混交形成立体防护结构，2年内林草盖度达到60%以上。
5、植被生物多样性：较常规增加3至5种。
6、生物年生长量：较常规提高50%。
7、生态环境：群落稳定。
技术水平1项实用新型专利，黑龙江省科技进步奖二等奖1项。
应用情况该成果在黑龙江省拜泉县上升乡治安村得到应用，治理大中型侵蚀沟5条，实现了沟道稳定，环境优美的治理效果，产出灌木柳条278立方米，为15条侵蚀沟的治理提供了原材料，与传统治理技术相比节约治理经费126万元；在黑龙江省拜泉县三道镇久胜村得到应用，治理大中型侵蚀沟4条，实现了沟头、沟边、沟底稳定、生态良好的治理效果，而采取传统浆砌石治理方法的侵蚀沟，出现了谷坊断裂或冲毁现象。
采用该技术，节约治理经费78万余元。
近5年来，该技术结合国家“东北黑土区侵蚀沟治理专项工程”，在黑龙江省拜泉县得到了普遍应用，治理侵蚀沟292条；在黑龙江省克山县、辽宁省西丰县、开原市进行推广应用，治理侵蚀沟186条；平均每条侵蚀沟降低治理经费22万元，均实现了沟道稳固性、蓄水拦土率、植被生物量、生物多样性、景观美景度稳步提升的治理目标。
黑龙江省侵蚀沟成因、危害和对策
（第49卷）Heilon/iang Hydo/ic Science and Technology(Total No.08)文章编号：105-7599（2661）03-0168-06黑龙江省侵蚀沟成因、危害和对策孙东峰（五常市水资源中心，黑龙江五常12200）摘要:随着黑龙江省侵蚀沟快速发育，已成为限制经济发展及生态建设的重要因素。
自然因素和人为扰动都是侵蚀沟形成的原因，侵蚀沟的不断发育将切割耕地、影响行洪，破坏生态环境，降低当地粮食产量，影响经济可持续性发展。
通过对侵蚀沟治理可以有效的保护生态环境，减少河道出的泥沙淤积，提高防洪减灾能力。
关键词：侵蚀沟;治理;危害;成因中图分类号：S15文献标识码:B1侵蚀沟产生原因侵蚀沟产生原因分为自然环境和人为扰动。
自然因素是侵蚀沟形成的直接因素，后期由于人为扰动侵蚀沟发展愈烈。
19自然因素自然因素主要包含气候、土壤类型和地形地貌因。
1）候因黑龙江省雨季集中在六至九月份，降雨量约占全年的75%。
大量降雨使土壤受到水蚀，产生水土流失，加速了侵蚀沟的扩张。
黑龙江省部分地区以风蚀为主，强风天气下，表层土质受强风影响，随着风向迁移,对地表物质造成损毁，加速了侵蚀沟发育。
此外还有冻融侵蚀以及重力侵蚀，同样也会造成水土流失。
2土壤黑龙江省土壤类型主要为暗棕壤、草甸土、黑钙土、黑土及白浆土等，由于其不同类型的土质特点，或多或少会受到水蚀和风蚀的影响，易产生水土流失。
3）地形地貌黑龙江省地势西北高、东南略低，西南、东北低平。
主要由山地、台地以及平原构成。
可以概括为“五山、一水、一草、三分田”，全省山地平原交叉分布，形成汇水面积较大，当强降雨来临时极易发生水土流失，造成冲蚀而形成侵蚀沟［1-2］。
60人为扰动在人为扰动破坏下,侵蚀沟发育愈发强烈，其主要表现在一下方面：1耕作方式不合理长期发展以来，农业一直都是我国重点关注问题，只有人民“吃得饱，吃得好”0土会才能快速进步。
但是由于群众在进行耕作时多采取顺坡形式，在耕地中易形成冲沟，恰逢雨季或融雪时，导致冲沟继续发育,不断造成水土流失，侵蚀沟发展。
东北黑土冻融侵蚀特征
东北黑土冻融侵蚀特征
东北黑土是中国东北地区的一种特殊土壤类型，它主要分布在黑龙江、吉林和辽宁等东北三省地区。
这种土壤在冻融侵蚀方面具有一些特征。
首先，东北黑土在冻融侵蚀方面的特征之一是冻融作用引起土壤体积的变化。
由于东北地区冬季气温较低，土壤中的水分在冻结时会膨胀，导致土壤体积增大；而在春季解冻时，土壤体积则会减小。
这种周期性的体积变化会导致土壤颗粒的重新排列和结构的变化，从而影响土壤的稳定性和抗侵蚀能力。
其次，东北黑土的冻融侵蚀特征还表现在土壤质地和结构的变化上。
冻融作用会导致土壤中矿物颗粒的破碎和重新排列，使土壤质地发生变化，从而影响土壤的透气性和保水性。
此外，冻融作用还会破坏土壤的结构，使土壤变得疏松，容易发生侵蚀。
另外，东北黑土的冻融侵蚀特征还表现在土壤侵蚀速率和侵蚀形式上。
冻融作用使土壤表面形成冻融面，增加了土壤表面的不稳定性，容易发生水蚀和风蚀。
特别是在雨雪融化的时候，大量的融水会加速土壤侵蚀的发生，形成沟壑和坡面侵蚀。
总的来说，东北黑土在冻融侵蚀方面的特征主要包括土壤体积变化、质地和结构的变化，以及侵蚀速率和形式的变化。
这些特征使得东北黑土容易受到冻融侵蚀的影响，需要采取相应的保护和治理措施来减轻侵蚀的危害。
东北漫岗黑土区切沟侵蚀速率监测
东北漫岗黑土区切沟侵蚀速率监测1伍永秋1，张永光2，郑秋红1，于章涛1，胡刚1，游智敏1，刘宝元2 1北京师范大学防沙治沙教育部工程研究中心，北京师范大学中国沙漠研究中心,北京（100875）2 北京师范大学地理与遥感科学学院，北京（100875）E-mail：zyg@摘要：切沟侵蚀作为土壤侵蚀的一种非常重要的形式，在东北黑土区相当严重。
本研究利用高精度GPS，于2002年－2005年在东北黑土区对4条切沟进行了侵蚀速率监测，研究结果表明，本区切沟发展速度惊人，切沟长度、面积增长速率最大分别达150.7m/a、553.7m2/a，体积侵蚀速率最大达2918.5m3/a，都发生在2002年秋季至2003年秋季之间，这与其间降水量较大有显著的关系。
野外调查发现，切沟发展的主要方式是沟头溯源、沟岸扩展，导致了切沟长度、面积和体积的增大。
本区切沟侵蚀对土地资源、道路破坏十分严重，造成黑土地退化，对农业生产造成了很大的影响。
关键词：东北黑土区，切沟侵蚀，切沟侵蚀速率，切沟监测中图分类号：S 157.11 引言东北黑土具有深厚的腐殖质层，良好的物理、化学性质和生物学特性，土壤肥力高，号称“土中王”[1]。
然而黑土之下即为厚层的河湖相砂砾石层[2]，开垦初期，黑土厚度在70-100 cm，随着人类不合理开发，黑土强烈退化[3]，厚度变薄，据调查目前黑土平均厚度不足50 cm[4]，同时有机质含量下降，严重地影响着本区的可持续发展，目前东北已经成为我国荒漠化威胁最大的地区[2]。
观测资料表明，坡耕地年土壤流失厚度0.6-1 cm[5]。
更为严重的是，本区发育着大量的切沟，仅黑龙江省就有大型侵蚀沟7万多条，侵蚀土地466.7 km2之多[6]。
这种大型切沟一般长达数百米，宽几米至十几米，深可达3-6米，一旦形成则危害极大且不易治理[7]。
因此，对于切沟，关键在于加强对其发生和发展规律的研究，在此基础上采取相应措施，防患于未然。
东北黑土区侵蚀沟道普查-中国水土保持监测
全国水利普查
National Census For Water Resources
行政区划代码（普查机构填写）
东北黑土区侵蚀沟道 普查汇总表
2011年
省（自治区、直辖市）
表 号：P505 制表机关：国务院第一次全国水利普查领 导小组办公室 批准机关：国家统计局 文 号：国统制［2011］ 号 有效期至：20 年 月 日
东北黑土区侵蚀沟道普查范围表
省(市、区) 内蒙古自治区
项目区涉及县名
海拉尔市，扎兰屯市，牙克石市，阿荣旗，莫里达瓦达斡尔族自治旗，额尔古纳右旗， 额尔古纳左旗，鄂伦春旗，鄂伦春旗，新巴尔虎左旗，陈巴尔虎旗，乌兰浩特市， 科尔沁右翼前旗，科尔沁右翼中旗，扎赉特旗，突泉县，扎鲁特旗等17个市县。
辽宁省
哈尔滨市，呼兰县，依兰县，方正县，宾县，阿城市，龙江县，依安县，甘南县，克山 县，克东县，拜泉县，讷河市，鸡西市，鸡东县，虎林县，鹤岗市，萝北县，绥滨 县，双鸭山市，集贤县，友谊县，宝清县，饶河县，伊春市，嘉荫县，铁力市，佳 木斯市，桦南县，桦川县，汤原县，抚远县，同江市，富锦市，七台河市，勃利县 ，牡丹江市，穆棱县，东宁县，林口县，绥芬河市，密山市，海林市，宁安市，黑 河市，嫩江县，德都县，逊克县，孙吴县，北安市，五大连池市，双城市，尚志市 ，五常市，巴彦县，木兰县，通河县，延寿县，绥化市，海伦市，望奎县，兰西县 ，庆安县，明水县，绥棱县，呼玛县，塔河县，漠河县等68个市县。
二、普查指标及表式
1 普查指标
侵蚀沟道普查指标包括侵蚀沟类型、侵蚀沟道位置（沟头经纬度、沟尾 经纬度）、侵蚀沟道特征（沟道面积、沟道长度、沟道纵比）。
2 指标说明
沟道面积：指侵蚀沟道沟缘线以下的面积。 沟道长度：指侵蚀沟道从沟头中心到沟尾中心的距离。本次普查为主沟与 支沟的总长度。 沟道纵比：指侵蚀沟道主沟沟头与沟尾高程之差与主沟沟道长度的比值， 即I=h/L。其中，I为沟道纵比；h为沟道的流程高差；L为沟道长度。 沟头坐标：指侵蚀沟道主沟沟头的经、纬度。 沟尾坐标：指侵蚀沟道主沟沟尾的经、纬度。 侵蚀沟类型：按侵蚀发展情况和沟长来分类。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
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研 究区位 于 黑龙江 省中 部 ， 北起 五 大连池 市 ， 至杜 南 蒙县 ， 东起 北 安 市 ， 西至泰 来县 ， 面积 ３ ９ ｋ 。 含 总 ． 万 ｍ， ８ 包 乌裕 尔河 、 讷谟 尔河 两个 流域 。该区属 东北漫 川漫 岗典型 黑土 区 ， 黑土 、 黑钙土 是主要耕 作土 壤 ， 是黑龙 江省粮 食主
供 了 良好 的 经 验 和 研 究 基 础 。
［ 关键词 】黑土区 ； 侵蚀 沟 ； 态监测 ； 动 东北
［ 中图分类号 】 １７１ Ｓ５ ． ［ 文献标识码 ］ Ａ
东北 黑土 区是我 国重要商品粮主产 基地 。 由于 该区水 土 流失 情况严 重 ， 其是侵 蚀沟 数量 逐 年增 加 ， 断切 割 尤 不
［ 要 ］ 文介 绍 了松 辽流域 水土保持监 测 中心 站采 用 ３ 摘 本 ｓ技术在 鸟裕 尔河和讷 谟 尔河流域
开展 大 尺 度 范 围 内的侵 蚀 沟动 态 监 测 实践 。详 细介 绍 了 大尺 度 条 件 下侵 蚀 沟 的 动 态监 测 技 术
及研 究过 程 。以及 对所遇到 的 问题 所采取的 解决方案 。采取 以 ３ ｓ技 术为基础 的动 态监测 方 法， 不但 具有监 测结果 准确和 费用低 的特 点 ， 而且 本案例还 对今后 开展 侵蚀 沟监 测及研 究提
产 区之一 ， 耕地 占总面积 的 ５ ． ％。 ８９ ０
４通 过解译遥感影像 ， ） 提取项 目区侵 蚀沟数量 、 长度 、 密度和侵吞耕地面 积等信息 。利用人 工调查和不同年代 影
像对比等 方法分析 东北典 型黑 土区 ４ （９ ５ ２０ ０年 １６－ ０ ５年 ） 间侵蚀沟 的时 空变化特征 。
相 结合的方 法 ， ２ ０ － ２ ０ 在 ０８ ０ ９年对乌裕 尔河流域 和讷谟 尔 河 流域 的侵 蚀沟进行 了动态 监测 。得 出 １６ ９ ５年及 ２０ ０ ５年 两 个 时段 侵蚀 沟 的数 量 、 密度 、 积 ， 及侵蚀 沟 ４ 间 面 以 ０年 吞 食耕地 情况 ，这是 东北黑 土区 第一次 采用 ３ ｓ技术在 大 尺度 范围内对侵 蚀沟进行 的动 态监测和评 价。这 对评价侵
水 生态 环境
［ 文章编号 ］０ ２ ６ ４ ２ １ ）３ ０ ４ ３ １０ —０ ２ （０ ２０ —０ ０ ２年第 ３ 期
东北典型黑土区侵蚀沟动态监测及实践
李建伟 １孟令 钦 ２白建宏 １ ， ，
（． １ 松辽流域水土保持监测中心站 ， 吉林 长春 １０２ ；． ３０ １２ 水利部松辽水利委员会 ， 吉林 长春 １０２ ） ３０１
利用 遥感技 术获 取信 息的 可靠性 和综 合性 及地理 信 息 系统 强大 的空 间分析和 管理功能 ， 通过 Ｇ Ｓ系统 、 Ｐ Ｉ Ｇ Ｓ技 术 与现 场实地调查相结合方 法对研究 区侵 蚀沟的发展情况 和损失 耕地的数 量进行监 测 ，按照耕地面 积比例由研究 区
蚀 沟对 黑土 区耕 地 、 食安 全和 经济 社 会的 影 响 ， 粮 为侵 蚀 沟 分区 、 侵蚀 沟 危害专 项治 理打 下 了 良好 的基 础 ， 管理 为
７３ ｍ 之间 ， ９． ｍ ９ 年均径 流深 ７ ｕ 左右 。 物区 系上属 于 ５ｎｎ 植
・
五
・
２１ ０２年第 ３期
２ 研 究 过 程
２１ 野 外 调 查 ．
东北水 利水 电
支 沟长 ； 侵蚀沟 的面积＝ 平均沟宽 Ｘ 总长 度 。
水生 态环境
对 于整个项 目区 ， 蚀沟总长度和 与侵蚀 沟总 面积和 侵 是 通过简 单数据 求和的方 法计算得 出的 ；平均 宽度 ＝ 蚀 侵 沟 总面 积和 ／ 蚀沟总 长度和 ；沟 壑 密度 ＝ 蚀 沟总 长度 侵 侵
地 表 、 食耕 地 ， 蚕 已经成 为 制约 我国 东北 黑 土区商 品 粮基
蒙 古植物分布 区 ， 植被具有 森林 和草甸 草原 或草原化 草甸
相 互交错分布的特点 。
研究 区内土壤侵蚀 类型主要 为水力侵蚀 ， 中体现为 集 面 蚀和侵蚀沟的沟蚀 。据全 国第二次土 壤侵 蚀遥感调查统
研 究区地处 中高纬度 ， 寒温带半 湿润半干 旱大陆性 属
季风 气候 ， 年均气 温在 ０２ １５ｏ ．￣ ． Ｃ之间 。 年降 水量在 ２ ０５ ５ ．－
５综合分析解译 结果 ， ） 并按 照耕 地面积 比例 由项 目区 推算典型 黑土区侵 蚀沟发展情 况及吞食耕 地的面积 。
部 Ｉ Ｕ 典型黑 土区耕 地保护 政策 、 土保持 综合 防治规 ＇ 定 ｑ￣ 水
推 算典型黑土区侵蚀沟发展情况及吞食耕地 的面 积。
１３ 研 究 内容 ．
划 以 及生 态环 境 建设 和经 济社 会可 持 续发 展 决策提 供 了
科学 依据 。
１依据侵蚀沟 发育阶段理论 和遥感 影像解译特 点 ， ） 对
侵蚀沟进行 分类分级。 ２ ）结合 １ ： ５万地形图 等资料 ，对 ２０ 法国 Ｓ ｏ５ ０５年 ｐ ｔ、 日本 Ａｏ 及 １６ 年美 国 Ｃｏｏ ａ １ ｓ ９５ ｒｎ 影像进行 影像精纠正 。 ３ 结合实地测量和询 问调查 ， 立不同类型侵 蚀沟遥 ） 建
感解译标志 。
１ 研 究 方 法 和 内容
２ ．０ ９２ ％。其 中轻 度侵蚀面积 、 中度侵 蚀 、 强度侵蚀分别 占侵 蚀面积 的 ６ ． ％，９９％和 ５２ ％。 ４７ ２ ．４ ８ ． ８ 水土流失主要发 生在 耕
地上 ， 坡耕地的水土流 失面积 占侵蚀 总面积的 ８ ． ％。 ２５ ９
１ 研 究 方 法 ． ２
土 保持监测 中心站 采用实地调查 与 ３ （ ｓ ＧＳ Ｇ Ｓ技 术 ｓＲ ， Ｉ， Ｐ ）
计 ， 究区现 有水 土流 失面 积 １ ６ ． ｍ２占总面 积 的 研 １３ ６８ ｋ ， ０
地可持 续发展 的一个重要 因素 。为了快速 、 准确 、 科学地调
查 出典 型 黑土 区侵 蚀 沟数 量 以及侵 蚀沟 吞 食耕 地面 积 等 基 础数 据 ， 析侵 蚀 沟发 展变化 趋 势和 原 因 ， 分 松辽 流 域 水