1970-2021年典型黑土区侵蚀沟损毁耕地速度与发育阶段.pdf

农业水土工程19702021 年典型黑土区侵蚀沟损毁耕地速度与发育阶段陈家宙，何阳波，高钰淏，陈俊熹，黄怡婷，朱贻凡，宋冯豪（华中农业大学资源与环境学院，武汉430070）摘要：黑土区侵蚀沟损毁耕地，威胁粮食生产，研究侵蚀沟发展速度与发育现状，对揭示侵蚀沟发育机理和保护黑土地具有重要意义。为研究近 50 年侵蚀沟损毁耕地速度和发育特征，分别在典型黑土区 3 个纬度带选取坡度约为 1%、2%和 3%的 9 个共计约 378km2的典型黑土农田单元，并利用 1970 年、2011 年和 2021 年卫星影像结合无人机和地面测量的结果进行计算与统计。结果表明，侵蚀沟数量在 3 个历史时期持续增加，剔除因治理而消失的 311 条，实际增加了 958 条，北部嫩江增加速度高于中部海伦和南部巴彦，而同一纬度区大坡度（3%）比小坡度（1%和 2%）农田单元内侵蚀沟数量增长更快。人为治理和更高强度耕种导致侵蚀沟面积降低（19702011 年）然后再增加（20112021 年）的 V 型走势，但由侵蚀沟发育而实际损毁耕地的面积持续扩张，近 10 年年均损毁耕地面积 0.1%，3 个区域的损毁速度相近。从南往北 3 个区域侵蚀沟起始发育时间分别是 1920s、1940s 和 1950s，与开垦时间先后顺序一致。典型黑土区侵蚀沟经历了谷底沟发育、沟系形成、多样化发育 3 个阶段，其中嫩江处在第二阶段，而海伦和巴彦处在第三阶段，即老沟、新沟、次生沟、浅沟多样化发育阶段。人为治理和促进侵蚀沟发育的较量，决定典型黑土区侵蚀沟的发育走势。研究为典型黑土区侵蚀沟防治提供科学依据。关键词：侵蚀；耕地；坡度；沟蚀；卫星影像；发育速度；侵蚀沟阶段doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212096中图分类号：S157文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-12-0051-09陈家宙，何阳波，高钰淏，等.19702021 年典型黑土区侵蚀沟损毁耕地速度与发育阶段J.农业工程学报，2023，39（12）：51-59.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202212096http:/www.tcsae.orgCHENJiazhou,HEYangbo,GAOYuhao,etal.Farmlanddamagespeedanddevelopmentstageofgullyerosionintypicalblacksoilregionfrom1970to2021J.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(12):51-59.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202212096http:/www.tcsae.org0引言东北黑土性状好、肥力高、适宜农耕，广义的黑土地分布在东北三省和内蒙东四盟等 246 个县（市、旗），总面积 109 万km2，80%的耕地位于坡度小于 3的地带1。典型黑土则主要分布在中部的松嫩平原，面积为33.3 万 km2，其中坡度大于 0.25的耕地面积 7.8 万 km22。典型黑土区耕地虽然坡度小，但是坡长普遍超过 300m，个别超过 3000m，田块面积大，耕层表土在降水集中期极易被冲刷，是水土流失的优先防治对象。典型黑土区耕地水土流失严重，且大部分地区出现了侵蚀沟，这不仅直接损毁耕地，影响机械耕种，还促进坡面侵蚀，降低沟边土壤质量，是耕地产能降低的重要原因。中国于 20102012 年间开展了一次黑土区侵蚀沟全域普查，通过卫星影像资料测量长 1005000m 的大型侵蚀沟，2013 年水利部3公布的结果显示黑土区有侵蚀沟 29.5663 万条，侵蚀沟面积占黑土区国土面积的1.9%。后来一些研究认为，普查的侵蚀沟数量数据偏小，实际侵蚀沟可能超过 60 万条4-5，原因是普查没有全部识别卫星遥感影像中路边、林边及林下的侵蚀沟，同时忽略了长度小于 100m 的侵蚀沟。这些小的侵蚀沟数量多，发育速度快，潜在危害大，不应被忽视。在侵蚀沟普查的同时，有研究陆续报道了黑土不同区域侵蚀沟的发育状况6-7。闫业超等8利用 1965 年美国 Corona 卫星影像和2005 年法国 Spot-5 卫星影像，研究克拜东部黑土区侵蚀沟变化，表明 40a 来区域内侵蚀沟从 1682 条增加到 2561 条。同样 19652005 年乌裕尔河和讷谟尔河两流域侵蚀沟密度剧增9，侵蚀沟在水平和垂直方向上呈现分异特征10，并且沟蚀重心向西北移动，其趋势与耕地重心的移动方向一致11。整个东北黑土区的人类活动强度与单位面积侵蚀沟数量、长度、面积显著相关12。此后，一些研究利用分辨率更高的遥感影像结合地面测量和土壤测试，建立了侵蚀沟数量和尺寸指标间的定量经验关系13-14，详细剖析了典型侵蚀沟的历史发育速率15和耕地浅沟短期发展速度16-17及影响因子。但黑土区沟蚀发育历史、速度、控制因素和关键过程尚存在争议，侵蚀沟发展态势有何变化仍不清楚。在量化侵蚀沟发育状况时，以往研究往往针对的是一个较大区域整体（如乌裕尔河流域）估算侵蚀沟发育速度8-9,18-20，不区分区域内山地、林地与耕地，没有准确估算侵蚀沟对耕地的损毁，难以辨析影响农田侵蚀沟发育的关键因子；而一些小流域或者典型侵蚀沟的研究14-15，收稿日期：2022-12-13修订日期：2023-04-21基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFD1500703）作者简介：陈家宙，博士，教授，研究方向为土壤物理与土壤侵蚀。Email：第39卷第12期农 业 工 程 学 报 Vol.39No.122023年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJune202351难以体现区域间自然和人为影响因子的差异。为区分典型黑土区不同侵蚀沟的发育阶段，本研究针对侵蚀沟损毁耕地速度，以典型黑土区 3 个纬度带的 9 个农田单元内的侵蚀沟为对象，通过人工解译 1970、2011 和 2021年 3 个时间点的卫星影像和现场核验测量，研究 50a 来侵蚀沟发育速度和损毁耕地的特征，探讨侵蚀沟发育阶段的变化，以期为农田侵蚀沟发展趋势和机理探究提供数据支持，也为控制耕地侵蚀沟发育和保护黑土地提供理论依据。1材料与方法1.1研究区域研究区位于典型黑土核心区，从北往南选择嫩江市九三农场管理区（491055N）、海伦市（47275N）、巴彦县（4659N）3 个纬度的典型农田为研究对象。3 个纬度研究区沿着“新月形”核心黑土带南北跨度 300km，分别代表了黑龙江省内典型黑土区的北部、中部和南部，平均海拔分别为 320、230 和 170m，是典型的漫岗地形，土地利用以耕地为主，种植制度相同（玉米大豆轮作），处在同一降水梯度带（年降水量 400681mm）。每个纬度带内选取地形坡度分别约为 1%、2%和 3%的3 个代表性农田小流域单元，以其村庄命名，它们的地形和耕作代表了该地区坡耕地的情况，为典型农田小流域单元。研究区的 9 个农田小流域根据卫星影像裁剪为规则的几何形状，9 个单元总面积 378.02km2，每个平均 42.0km2，基本情况见表 1。2008 年起，在黑龙江农垦总局 30 个县开展了水土保持治理工作，对坡耕地侵蚀沟进行了整治。在收集卫星影像的同时，通过每个地区的水土保持工作汇报分别收集了上述 3 个纬度区的嫩江农场史、海伦县志和海伦农场志、巴彦县志等地方历史记录资料，根据各个地区黑土沟蚀文献查阅了有关黑土开垦历史的内容，作为侵蚀沟发育历史的辅助判别资料。表1研究区域和农田小流域单元概况Table1Generalizationofthestudyregionandfarmlandwatershedunit北纬Northlatitude区域Region农田单元Farmlandwatershedunit地理坐标Geographiccoordinate面积Area/km2最低海拔Lowestaltitude/m最高海拔Highestaltitude/m平均坡度Averageslopedegree/%降雨量Rainfall/mm491055嫩江市荣军1251582E1252015E484300N484888N40.922703091.1492南岗1250656E1251404E484542N485038N39.812523212.3尖山1252024E1252700E484648N485248N73.783093663.3472705海伦市南阳1265319E1265939E471559N472049N39.501952341.2400650东兴1265246E1265743E472305N472637N38.431992362.1大成1270359E1271022E472759N473253N40.962362663.2460509巴彦县望山1265624E1272400E462400N462100N32.101561771.1577681洪广1265512E1271200E462212N462624N50.391551792.0前冯炉1270939E1270902E462224N462500N22.141591983.21.2影像数据源和侵蚀沟目视解译为了反映侵蚀沟的历史变化，收集了研究区 3 个历史时期的卫星影像。对 19651972 年间的美国 Corona卫星影像，通过影像质量对比筛查，挑选了覆盖研究区域并且清晰度较高的 1970 年 5 月 28 日和 8 月 6 日的影像为本研究最早的数据源，分辨率为 Stereohigh（最佳2.5m）。然后收集了 2011 年和 2021 年 2 个时期的法国Pleiades 卫星影像，拍摄日期为 45 月和 910 月，分辨率为 0.7m。3 期卫星影像通过几何校正，统一在ArcGIS10.4中建立图层，目视解译和测量。因为研究单元内主要为耕地，即使在作物生长期切沟在影像上也能清晰反映出来，虽然部分浅沟也能识别，但本文仅测量切沟，不包括浅沟。目视解译法尽管效率较低，但操作容易且精度高，而自动提取侵蚀沟误差很大21，目视解译仍是提取侵蚀沟的常用方法。为了保证测量准确，对每条侵蚀沟采用目视识别和人机交互的方法测量其长度、宽度和面积，并进行了野外实地踏查和核验。于 2022 年 45 月在全部 9 个研究单元开展了实地核查和侵蚀沟地面测量，在每个单元的核心区（占整个单元面积的 1/31/2）采用大疆无人机（精灵 Phantom4RTK）飞行拍摄，飞行高度 120m，影像水平精度 2.7cm，作为人机交互识别侵蚀沟的核对依据，确保每条侵蚀沟解译和测量正确。同时在地面采用激光测距仪（BoschGLM250VF）测量了研究单元内部分侵蚀沟的长宽深等数据，用于核验目视解译卫星影像测量结果。1.3人机交互测量侵蚀沟与统计方法在 ArcGIS10.4系统中建立 3 个历史时期影像图层后，导入研究单元空间分辨率为 68m 的数字高程模型并绘制等高线，用以辅助识别区分研究单元内的谷底沟和坡面沟。在漫川漫岗黑土区，起伏的山坡（一般为坡耕地）称为漫岗，漫岗之间的低洼谷地称为漫川。根据文献22 对侵蚀沟的分类建议，本文把典型黑土区的侵蚀沟分为 2 类：如果侵蚀沟的大部分沟段在低洼谷地则称为谷底沟，其走向与等高线平行；而沟道主体分布在漫岗山坡的侵蚀沟称为山坡沟或坡面沟，其沟道方向与52农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年等高线垂直。对研究单元内每条长度大于 20m 的切沟（山坡沟或谷底沟）目视识别，手工勾绘宽度大于 2个像素的侵蚀沟的轮廓线，得到侵蚀沟面积，沿轮廓线中心测量侵蚀沟的长度，用面积除以长度得到侵蚀沟平均宽度。在目视解译遇到疑点时，依照无人机影像和外业调查结果验证。在研究过程中发现，由于人为治理填埋侵蚀沟，在3 个历史时期，有些侵蚀沟变大了，有些侵蚀沟消失了或者缩小了，有些侵蚀沟则是新出现的，简单地以 2 个时期的侵蚀沟长度或者面积进行对比，得到的是表观的侵蚀沟发育速度（掩盖了侵蚀沟实际发育部分），不是真正的侵蚀沟发育的速度。因此，本文追踪每条侵蚀沟，在测量时把不同历史时期的影像进行叠加，记录每条侵蚀沟在 3 个历史时期的长度、宽度和面积，并勾绘其轮廓，从而对新增和治理消失的侵蚀沟加以区分，分别计算了表观发育速度（即净速度，包含了因治理而缩小或消失的侵蚀沟）和实际发育速度（即侵蚀沟自身发育速度，剔除了因治理而缩小或消失的侵蚀沟），前者反映了研究单元内侵蚀沟净增减速度，后者反映了侵蚀沟本身实际的发育速度。1.4侵蚀沟起始年份估算方法文献15,23 使用典型侵蚀沟的面积增长速率推算起始发育时间，但单条沟难以代表区域侵蚀沟起始时间。如果知道区域内 2 个年份（T1和 T2）的侵蚀沟的发育规模（G1和 G2），则可用式（1）推算该区域侵蚀沟的起始发育年份 X：X=T1G1/(G2G1)/(T2T1)（1）式（1）中侵蚀沟规模可以为数量、长度、面积或体积指标，从而得到不同发育规模指标估算的起始年份相互佐证。式（1）假定侵蚀沟匀速发育并且没有人为填埋治理，但由于本研究区已经治理的侵蚀沟较多，人为影响下侵蚀沟长度和面积变化复杂，因此只采用新增侵蚀沟数量估算区域的侵蚀沟起始发育年份。2结果与分析2.1侵蚀沟数量研究单元内 1970、2011 和 2021 年 3 个历史时期的侵蚀沟数量分别是 502、771 和 1,149 条（表 2），50a来净增加 647 条，而且近 10a（20112021 年）净增加数量（378 条）大于更早的 40a（19702011 年）净增加数量（269 条）。一些规模较大的侵蚀沟在此期间得到了治理而消失，净增加数量不能反映侵蚀沟真实发育速度，剔除消失的 311 条侵蚀沟之后，50a 来实际增加了 958 条新侵蚀沟，相当于数量密度增加了 2.4 条/km2，年均实际增加速率为 0.048 条/km2，且近 10 年年均实际增加速率是更早 40a 的 4.29 倍，呈加速趋势。表219702021 年 3 个历史时期不同区域侵蚀沟数量Table2Thenumberofgullyindifferentregionsduringthreehistoricaltimesof1970-2021条区域Region农田单元Farmlandwatershedunit197019702011201120112021202119702021新增Emerged消失Disappeared新增Emerged消失Disappeared净增加Netincrease实际增加Actualincrease嫩江市Nenjiang荣军628034597868087南岗1021130210514142尖山2269157622124273251290小计381181614030131410372419海伦市Hailun南阳51818124231113685104东兴327015872921148299大成8493341437933189105172小计1672445735413146439272375巴彦县Bayan望山20312118118211洪广60347162610322829前冯炉2179461250302825235124小计29710012027764413003164合计Total5024621937714961181149647958侵蚀沟的治理速度也在加快。19702011 年期间共治理 193 条，相当于每年治理 4.8 条；而近 10 年共治理118 条，相当于每年治理 11.8 条，但是治理的速度明显低于新侵蚀沟数量增加的速度（49.6 条/a），净增加数量为正值。3 个纬度区的侵蚀沟数量增减差异明显，南部巴彦县 50a 来侵蚀沟数量净增加和实际增加分别是 3 和164 条，中部的海伦是 272 和 375 条，而北部的嫩江则是372 和 419 条，说明北部侵蚀沟数量加速趋势更明显。2.2侵蚀沟长度和面积侵蚀沟长度与数量净增减趋势在 3 个历史时期基本一致（图 1），表现为 50a 来南部巴彦县表观长度（即考虑了因治理而减少后的净长度）略微减少而中部海伦和北部嫩江则持续增加，以最北部的嫩江增加幅度最大；实际长度（剔除了因治理而减少的长度，只统计侵蚀沟增加的长度）在 3 个纬度区均大幅度增加。同一纬度区内，大坡度的农田单元（即坡度为 3%的前冯炉、大成、尖山）的侵蚀沟数量和长度最大，而且近 10年增加速度也最大；而小坡度（1%和 2%）农田单元内侵蚀沟数量和长度均较小，50a 来不同地形农田单元的侵蚀沟的发育差异格局未变而且有扩大的趋势。表观侵蚀沟面积 50a 来总体减少（图 1c）（但嫩江增 加），减 少 主 要 发 生 在 19702011 年 时 期，而20112021 期间又开始增加。注意到侵蚀沟面积变化趋势与长度变化趋势不完全一致，其原因是治理的多是规模大的侵蚀沟，新增的小规模侵蚀沟长度较长但面积并不大。表 3 所示的不同历史时期侵蚀沟的平均宽度可以佐证，2021 年的侵蚀沟宽度明显小于 1970 年的宽度，说明宽大的侵蚀沟得到了治理；同时看到，2021 年的侵蚀沟宽度较 2011 年要大，说明老沟仍处在沟岸扩张的活跃期。第12期陈家宙等：19702021 年典型黑土区侵蚀沟损毁耕地速度与发育阶段53543210197020212011巴彦Bayan年份Year面积Area/km2150100500197020212011巴彦Bayan年份Year长度Length/km197020212011巴彦Bayan年份Year4003002001000数量Number望山Wangshan洪广Hongguang前冯炉Qiangfenglu面积Area/km2543210197020212011海伦Hailunc.面积 c.Area年份Year长度Length/km500197020212011海伦Hailunb.长度 b.Length年份Year1501004003002001000数量Number197020212011海伦Hailuna.数量 a.Number年份Year实际值 Actual value表现值 Apparent value东兴Dongxin南阳Nanyang大成Dacheng面积Area/km2543210197020212011嫩江Nenjiang年份Year长度Length/km150100500197020212011嫩江Nenjiang年份Year4003002001000数量Number197020212011嫩江Nenjiang年份Year南岗Nangang荣军Rongjun尖山Jianshan图 13 个历史时期 3 个纬度区的侵蚀沟的数量、长度和面积Fig.1Gullynumbers,lengthsandareasinthreelatituderegionsinthreehistoricalperiods表319702021 年 3 个历史时期 9 个农田单元的侵蚀沟的平均宽度Table3Theaveragewidthofgullyatninefarmlandunitsinthreeperiodsduring1970-2021m区域Region农田单元Farmlandwatershedunit197020112021嫩江市Nenjiang荣军15.617.969.77南岗12.699.1412.08尖山11.068.088.93平均13.128.3910.26海伦市Hailun南阳22.7810.3812.90东兴28.3513.3015.69大成28.8510.7414.00平均26.9211.3514.16巴彦县Bayan望山21.294.928.55洪广21.773.656.72前冯炉46.3110.7514.63平均36.659.0612.63平均 Average25.569.6012.35剔除人为治理面积之后，50a 来因侵蚀沟发育而实际损毁耕地的面积一直在增加（图 1c）。近 10 年新增损毁耕地的面积（3.04km2）大于更早的 40a 的损毁面积（1.52km2），年均损毁耕地的速度为 0.10%（占研究单元内国土面积百分比），是过去 40a 平均值（0.01%）的 10 倍。3 个纬度区，近 10 年损毁耕地面积速度基本接近（0.082%0.107%）。同一纬度区，巴彦和海伦损毁耕地更快的是大坡度农田单元，而北部的嫩江是小坡度农田单元，这种差异与开垦历史和侵蚀沟发育阶段不同有关。巴彦和海伦的侵蚀沟起始发育早于嫩江，侵蚀沟发育强度和发育规模更大，出现了较多大坡度的坡面沟。而北部的嫩江地区侵蚀沟发育时间较短，大部分为小坡度的谷底沟。2.3侵蚀沟起始发育年代以 19702011 年间实际增加新侵蚀沟数量规模估算了 3 个纬度区的侵蚀沟起始发育年代，同时用文献提供的数据按照式（1）估算了典型黑土其他区域的侵蚀沟起始年代，一并列入表 4。表4根据典型黑土区侵蚀沟不同指标估算的起始发育年份Table4Initialyearofdevelopmentestimatedfromdifferentindicatorsofgullyintypicalblacksoilregion区域Region数据年份 Yearfordata侵蚀沟规模Gullynumberanddimension起始年份Initiationyear数据来源DatasourceT1T2指标 IndicatorG1G2松嫩平原SongnenPlain19501980数量 Number527211074301921水利部等24面积 Area/km268.52128.921916克东和拜泉KedongandBaiquan19652005数量 Number168225611888闫业超等8长度 Length/km375.89530.741868面积 Area/km25.077.161868乌裕尔-讷谟尔河流域Uyur-NamurRiverBasin19652005数量 Number2537145031957张延玲等19长度Length/km1318.17501.81956面积 Area/km216.76102.041957海伦 Hailun（20 条沟）19682018长度 Length/m06.90.29.818491968WEN 等15海伦 Hailun（3 条沟）19682018长度 Length/m642461950WEN 等15873001948982171927面积 Area/m2295672619661965223196644932731960巴彦 Bayan19702011数量 Number2973971848本研究海伦 Hailun19702011数量 Number1674111942嫩江 Nenjiang19702011数量 Number381561957注：T1，T2为侵蚀沟测量的年份；G1,G2为对应时期 T1和 T2的侵蚀沟规模。Note：T1andT2aretheyearsthatgullyerosionwasmeasured;G1andG2arethescalesofgullyerosioninthecorrespondingyearofT1andT2.54农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年可以看到（表 4），从南往北，巴彦、海伦、嫩江侵蚀沟起始年代分别是 1848、1942 和 1957 年。其中巴彦可能因为黑土开垦利用早，侵蚀沟发育更早，人为影响更大（侵蚀沟治理规模比其他地方更大，低估了实际发育速度），估算的年份不合理（因此采用松嫩平原侵蚀沟数量计算的 1921 年），其余两地的起始年代与表 4 中文献采用数量、长度、面积估算的结果接近，有一定的参考价值，表明用数量规模估算区域侵蚀沟起始年代是可行的。2.4侵蚀沟沟系发育形态单条侵蚀沟的发育一般按细沟、浅沟、切沟的顺序逐渐变大，形态特征和损毁耕地的方式也发生变化，而区域内的多条侵蚀沟构成的沟系形态变化更能反映区域侵蚀沟发育特征。3 个纬度区侵蚀沟起始发育时期和所处阶段不同，其发育和损毁耕地的特点有差异。选取各区域发育完整的侵蚀沟沟系来代表该区域的侵蚀沟发育特征，图 2 是代表性侵蚀沟系在 3 个历史时期的平面轮廓，表现出以下特征：1）3 个纬度区侵蚀沟的形态差异大。南部的巴彦侵蚀沟发育最早，而北部的嫩江发育最晚，从北往南侵蚀沟变大，沟系更复杂（支沟增多），3 个地区的侵蚀沟处在不同的发育阶段。2）50a 来 3 个纬度区都没有发育新的谷底沟，而坡面沟数量和长度发育速度非常快。嫩江在 19702011 年期间，谷底沟明显溯源延长，而近 10 年则发育了更多的新的坡面沟（图 2a）；海伦和巴彦的谷底沟不再溯源侵蚀（没有延长），其中海伦发育了较多的新的坡面沟（图 2b），表明侵蚀沟发育热点区已经从谷底上升到海拔更高的漫岗。3）次生沟发育。1970 年之前发育的大规模谷底沟多得到了治理（主要方式为填埋），沟道消失或者缩小（图 2b 和图 2c），但是近 10 年，海伦和巴彦经过治理的侵蚀沟在原来的位置再次发育侵蚀沟（称为次生沟）。次生沟的发育表明，已有的侵蚀沟治理措施并没有从根本上阻控侵蚀沟发育，侵蚀沟发育的条件依然存在。1970年2011年2021年N00.10.20.30.4 km285252255195192282a.嫩江市南岗村a.Nangang at Nenjiangb.海伦市大成村b.Dacheng at Hailunc.巴彦县前冯炉屯c.Qianfengluntun at Bayan注：图中灰色细线为等高线，数字代表高程（m）。Note:Thegraythinlinesarecontourline,andthedigitsrepresentelevation(m).图 2典型侵蚀沟系在 3 个历史时期的形态特征（沟缘轮廓）Fig.2Morphology(edgeoutline)ofthetypicalgullysysteminthreehistoricaltimes3讨论3.1侵蚀沟损毁耕地的速度与方式以侵蚀沟面积占研究单元内的国土面积百分比为侵蚀沟损毁耕地指标，20102021 年典型黑土区损毁耕地的速度为年均 0.1%，是 19702010 年平均值的 10 倍。闫业超等8利用卫星遥感得到黑龙江省典型黑土的克拜东部地区 19652005 年期间侵蚀沟面积增加 13.93km2，损毁国土面积年均 0.019%（根据其论文数据重新计算），该值落在本研究结果区间 0.01%0.10%内；张延玲等19用相同的方法得到黑龙江省乌裕尔河和讷谟尔河流域19652005 年期间新增侵蚀沟面积 85.28km2，年均损毁国土面积 0.006%（根据其论文数据重新计算），低于本研究区间的下限。虽然研究区域和时段不同侵蚀沟损毁耕地速度不同，但是速度估算方法差异是造成结果差异的主要原因，文献的结果偏小可能是因为没有考虑侵蚀沟因治理而消失或面积缩小，得到的是侵蚀沟表观发育速度而不是侵蚀沟实际发育速度。黑土区侵蚀沟治理从20 世纪 70 年代开始4，2005 年前后国家启动了黑土区水土流失综合治理试点工程，这是本研究 19702011 年期间侵蚀沟面积下降的原因。因此，直接以前后 2 个时间点侵蚀沟面积差值来计算侵蚀沟损毁速率，会低估侵蚀沟实际发育速度。此外，本研究单元主要为农田，选用经过筛选的卫星影像，解译了长度大于 5m 的全部可以识别的侵蚀沟（本次实际测量的最短的侵蚀沟长度为23m），这比以往文献中针对整个区域不区分林地和山地的大面积测量更加精细，通过区分消失的和新增的侵蚀沟，能够准确反映侵蚀沟发育的时空动态特征。侵蚀沟发育和损毁耕地表现出明显的区域差异。在3 个纬度带区域尺度上，从北往南单个侵蚀沟系规模更大（图 2），南部区域的侵蚀沟发育更早，因治理而消失的侵蚀沟面积也更大；但新发育侵蚀沟数量却是北部大于南部，表明北部侵蚀沟加速发育的趋势危险更大，这与王文娟等11报道的黑土区侵蚀沟发育重心向西北方向移动的结果一致。这种区域差异的原因，既与不同纬度区域侵蚀沟发育的条件有关（如气候、地形、人为），也与侵蚀沟所处发育阶段和存量面积有关。在同一纬度带区域，坡度 3%的单元内侵蚀沟数量显著大于坡度 1%和 2%的单元，而后二者相差较小（图 1），这种坡度差第12期陈家宙等：19702021 年典型黑土区侵蚀沟损毁耕地速度与发育阶段55异造成的侵蚀沟发育的差异格局在 50a 依然维持不变。黑土区侵蚀沟处在快速发育期，并且表现出多样化的损毁耕地的态势。既有侵蚀沟因治理而消失，也有已经治理的侵蚀沟再次发育次生沟；既有老侵蚀沟继续发育，也有新侵蚀沟涌现。任宪平等25也报道黑龙江克山几个农田小流域在 2004 和 2008 年治理 5a 之后就再次出现了侵蚀沟，等同于本文的次生侵蚀沟。次生沟发育速度快是南部巴彦和中部海伦侵蚀沟发育的特征，而北部嫩江新侵蚀沟发育速度快。新侵蚀沟均为坡面沟而没有谷底沟，但北部的嫩江谷底沟仍在溯源侵蚀，而南部巴彦和中部海伦已经完成了谷底沟溯源侵蚀阶段。侵蚀沟多样化发育是当前典型黑土区侵蚀沟损毁耕地的重要特征。3.2典型黑土区侵蚀沟发育历史当前侵蚀沟多样化的发展态势实际上是不同区域起始发育年代不同的反映。黑土区侵蚀沟主要起始发育年代一直有争议，究竟是清末放垦时期、民国时期、伪满时期还是新中国大规模开垦以后，目前没有定论，有人认为当前侵蚀沟绝大多数发育形成于20世纪五六十年代4,15，有人认为更早一些8。闫业超等26利用黑龙江省中部黑土区的 1945年航测地形图绘制的侵蚀沟分布图表明，拜泉县和明水县（与海伦同一纬度带）在 1945 年就已经有大面积高密度的侵蚀沟分布。水利部 1950 年松嫩平原调查有侵蚀沟 5.2721 万条24。这些结果表明，虽然 1950s 中期是黑土区大规模开垦的起始时间，但典型黑土区侵蚀沟起始发育时间早于这一时期。WEN 等15通过对海伦光荣村 1968 年和 2018 年的4 条侵蚀沟的详细考证，根据沟口沉积物层次特性判断沉积年份，综合得出其起始发育时间是 20 世纪五六十年代。本文注意到作者选择的这 4 条沟在该研究区规模较小，其他一些更大的侵蚀沟发育年代更早，因此可以推断海伦侵蚀沟起始发育时间早于 20 世纪五六十年代。3 个纬度带区的侵蚀沟当前所处的发育阶段和沟系形态不同（图 2），反映其起始发育年代也不一样，北部嫩江要晚于中部的海伦和南部的巴彦（表 4）。自1861 年清政府弛禁放恳后，最早的垦荒从南部开始。巴彦县在 1862 年招垦，1954 年就开始使用拖拉机（巴彦县志）；而海伦县晚一些，1898 年开禁，1955 年建农场大规模开垦（海伦农场志，海伦县志）；嫩江则更晚，1931 年日本开拓团开垦，1955 年建立农场大规模开垦（嫩江农场史）。可见不同区域开垦时间前后相差 70a，如果以巴彦作为松嫩平原侵蚀沟最早发育地区之一，则从表 4 结果可以基本确定巴彦、海伦和嫩江起始发育时间分别是 1920s 早期、1940s 早期和 1950s 晚期，这与其开垦时间先后顺序一致。3.3典型黑土区侵蚀沟发育阶段侵蚀沟发育阶段与起始发育年代有关。南部巴彦1970 年侵蚀沟平均宽度已经超过 20m（表 3），并且发育了规模巨大的侵蚀沟系（图 2），距 1862 年开始招垦已经过去了 108a；而北部的嫩江此时（1970 年）因为距开垦时间（1931 年）只有 40a，区域内侵蚀沟基本为线型的谷底沟（没有发育支沟），直到 2021 年（距离开垦 90a）典型的侵蚀沟系规模还赶不上 1970 年的巴彦的规模。中部的海伦侵蚀沟规模居中，发育阶段居中。当前 3 个纬度区侵蚀沟发育阶段与其开垦时间先后顺序一致，但开垦时间并不是影响侵蚀沟发育阶段的唯一因子，地形和人为作用对侵蚀沟发育阶段有重要影响。地形对侵蚀沟发育阶段也有影响，典型黑土区的缓坡漫岗地形决定了谷底沟早于坡面沟发育，从而可以分区为谷底沟发育和沟系形成 2 个阶段。漫岗区整体地形坡度小，自然条件下并不容易发育侵蚀沟，但在 2 个或多个漫岗坡（山坡）围成的谷底区域，虽然坡度（S,m/m）也小但汇水面积（A,hm2）极大，根据侵蚀沟起始发育的地形阈值理论，即满足 AbSk 可以发育沟头27(b和 k 为回归系数，无量纲)，可以确定谷底最先发育侵蚀沟27-28。谷底沟出现之后，由初期的单条孤沟逐渐发育支沟而形成沟系。沟系的形成有 2 种可能的方式，其一是几条单独的谷底沟延长而连接和汇合，其二是谷底沟出现后促进了其支沟发育。支沟即为谷底沟两侧漫岗的坡面沟，谷底沟出现促使坡面沟发育的机理可能是，谷底沟两侧坡面的径流汇水从沟缘进入沟内，虽然坡面 A没有变大，但 S 变大了（即谷底沟边岸陡坡比原地面坡度大很多），就有可能达到了沟头起始发育的地形阈值k 从而在侧面径流汇入的部位发育支沟沟头，一旦沟头出现，沟头溯源形成坡面侵蚀沟。当然，不排除有些条件下坡面沟可以独立发育，例如高强度耕作促进坡耕地浅沟发育，一些浅沟会进一步发育为坡面沟，然后汇入谷底沟形成沟系。基于坡面沟和谷底沟的这种关系，黑土区侵蚀沟可以区分为 2 个关键发育阶段，第一阶段为谷底沟发育，即起始发育阶段，谷底沟率先发育和发展为坡面沟出现创造了局部地形条件；第二阶段为沟系形成，即谷底沟两侧发育坡面沟，与谷底沟一起形成沟系。人类活动也影响侵蚀沟发育阶段，人与自然共同作用下侵蚀沟发育呈现多样化的特点。沟系形成之后，侵蚀沟将不断加深变宽，一方面谷底沟峰值径流增加，另一方面重力在坡面沟发育中的作用越来越大，导致沟壁崩塌和沟头溯源，可能使黑土区成为类似沟壑密布的黄土高原，但黑土区因为垦殖和侵蚀沟发育时间短，当前并没有成为第二个黄土高原。在人为正反两方面影响下，一边治理而阻止侵蚀沟发育，一边高强度耕种加快坡面沟发育并导致耕地中浅沟涌现，这些浅沟可能发育为坡面沟。同时，没有治理的老沟也继续发育，已经治理的侵蚀沟再次发育次生沟，这些次生沟发育速度比原生沟发育速度更快。这是典型黑土区侵蚀沟发育的第三阶段，即多样化发育阶段，是人与自然共同作用下侵蚀沟特殊的发育阶段，其表现特征是老沟继续发育、次生沟发育、耕地浅沟涌现、新坡面沟出现。至此，可以初步勾绘典型黑土区侵蚀沟发育的历史与阶段（图 3）。在区域自然条件和开垦历时长短共同影响下，南部巴彦侵蚀沟起始发育于 1920s，经过了第56农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年一阶段（谷底沟发育）和第二阶段（沟系形成），2005年前后进入第三阶段（多样化发育）。北部的嫩江侵蚀沟起始于 1950s 末期，完成了第一阶段，直至 2021 年尚没有完成第二阶段，但在人为耕种影响下浅沟大量涌现并进一步发育为新坡面沟，沟系正在加快形成。中部的海伦侵蚀沟发育阶段则处在二者之间但更接近南部的巴彦，也处在第三阶段。当前侵蚀沟发育处在一个关键的转折期或十字路口，人为治理延缓侵蚀沟发育以及人为加速侵蚀沟发育正在开展一场拉锯战，二者较量的结果，决定典型黑土区侵蚀沟未来的发育走势。全面封禁渔猎游牧弛禁放恳垦荒萌芽掠夺式开发耕地增加国营农场开发北大荒国营农场家庭农场小型农机大型农机改垄耕作侵蚀沟治理巴彦Bayan嫩江Nenjiang无现代侵蚀沟阶段1:谷底沟发育阶段2:沟系形成谷底沟扩张坡面沟发育阶段3:多样化发育次生沟发育坡面沟涌现坡面沟坡面沟河溪河溪谷地沟次生沟32112186019111949197820052022人类活动Human activity侵蚀沟阶段Gully stages侵蚀沟平面形态Sketch of gully system图 3嫩江和巴彦典型黑土区侵蚀沟发育的历史阶