陕北黄土区小流域不同植被恢复模式下切沟形态参数差异分析.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：王钰涵（），女，河北邯郸人，太原师范学院教育学院硕士研究生，主要从事 与地理教育方面的研究 ：山西师范大学学报（自然科学版）第 卷第 期 年 月 文章编号：（）陕北黄土区小流域不同植被恢复模式下切沟形态参数差异分析王钰涵，李 镇，张芙蓉 太原师范学院教育学院，山西 晋中 ；河北地质大学土地科学与空间学院，河北 石家庄 ；太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 摘要：本文以陕北黄土丘陵沟壑区吴起县合沟小流域（自然恢复）及柴沟小流域（退耕还林）为研究对象，基于 高分立体像对数据（）选取 条切沟，在 中采用目视解译法提取沟缘线，计算切沟参数，进一步利用方差分析，对比分析两种植被恢复模式下切沟形态参数差异 结果表明，两种植被恢复模式下切沟的形态特征参数并无明显差异，侵蚀沟的特征皆为横向侵蚀速率大于纵向；两个小流域中约有 的断面形状是先 型后 型，型断面比例差异显著，自然恢复模式下 型断面较多；合沟与柴沟小流域中切沟的沟长、面积、体积并无明显差异，断面的顶宽、底宽和沟深的差异性在两种植被恢复模式下也并不显著，但切沟断面的宽深比以及底宽顶宽比差异显著关键词：黄土丘陵沟壑区；切沟；形态参数；植被恢复模式中图分类号：文献标识码：植被在陆地生态系统中处于不可或缺的地位，在保持水土、调节大气、维持气候及整个生态系统稳定等方面都付出了卓越的贡献 在全球生态环境日趋恶劣的情形下，自然和人为因素植被恢复模式成为研究全球变化的热点问题 黄土丘陵沟壑区因具有独特的环境背景和土壤侵蚀过程，生态系统环境十分脆弱 目前，开展水土保持工作是减少陕北黄土区土壤侵蚀最有效的方法 ，退耕还林（草）成为黄土高原恢复植被、治理水土流失的重要措施 研究不同恢复模式下切沟形态差异，能够揭示生态治理所取得的实效，为黄土高原林业生态建设以及工程顺利实施提供科学依据和决策参考切沟侵蚀研究始于上世纪 年代，近年来国内外关于切沟的研究根据其内容差别大致可分为：切沟产生研究、切沟形态特征研究、切沟影响因素研究等 和 指出野外关于切沟形态特征的研究多局限于定性或半定量研究 ；认为不同切沟在长度、宽度、深度、宽深比、断面形状和切沟形状方面都不同 ；吴红艳基于河网提取理论，在 环境下研究了基于 切沟形态特征的提取方法并构建切沟体积估算模型 此外，切沟表面积用来计算切沟体积，这是衡量切沟侵蚀重要的指标 张科利通过研究植被覆盖度对浅沟的影响，发现种草情况下的浅沟侵蚀量少，而裸露地表下的切沟侵蚀量多，同时还对部分已发育的浅沟进行植被恢复，发现植被恢复后浅沟的发育速率变慢，植被的恢复有效抑制了浅沟侵蚀的发生 ；李镇等分析了切沟沿线周长和面积与植被覆盖之间的关系，得出结论，植被对切沟发育具有明显的遏制作用，分析了提取切沟形态参数的精度，相比植被类型为灌木的流域，植被类型为草本的流域的解译结果更为准确本文选择黄土丘陵沟壑区吴起县小流域作为研究对象，运用高分立体像对提取 ，提取切沟的形态参数；利用切沟断面宽深比及底宽顶宽比判断沟的断面形状；最后用统计方法，进行方差分析，确定不同植被恢复模式下切沟形态的差异显著性 研究区概况与数据来源 研究区概况吴起县隶属于陕西省延安市，位于市区的西北部，地处黄土高原腹地 吴起县南北长为 ，东西宽为 ，总面积为 ，县境内平均海拔在 左右，地势北高南低，四周高于中间，向洛河川倾斜 地形支离破碎，谷深坡陡，山峰连绵起伏，沟壑深浅不一 在地质运动、水蚀、风蚀以及重力侵蚀的综合作用下，塑造了黄土梁崩、梁涧、沟谷阶地等典型地貌 其中，梁崩丘陵为主要类型，可以分为黄土梁淘和梁状沟壑两大地貌类型 其植被类型具有中温带森林灌丛草原植被向草原化森林灌丛草原植被过渡的特征 当前，原生植被几乎不存在 年，全县开始实施退耕还林、流域封禁等措施，林草覆盖明显增加 其中，合沟小流域为无人为干扰的近自然植被恢复模式，植被以草本为主；柴沟小流域实施了退耕还林工程，植被以草本和灌木为主，伴有乔木生长 数据来源本文使用 高分立体像对数据，空间分辨率为 ，拍摄于 年 月 日 研究方法（）遥感图像处理 使用 ，空间分辨率为 ，拍摄于 年 月 日的高分立体像对数据 首先用 对立体像对的左右两片图像进行裁剪，在 中，分别手动输入控制点与连接点得到 为了减小切沟边缘的误差，在分辨率为 的 的基础上，重采样生成与三维激光扫描数据一致的分辨率为 的 得到六张 进行拼接并选取切沟明显的 进行分析（）侵蚀沟参数的提取及计算 基于生成的 ，选择 条切沟（条合沟小流域切沟以及 条柴沟小流域切沟），采用目视解译法勾绘出切沟沟缘线，利用 软件提取切沟长度、面积等基本参数，然后用 中 分析的坡面图功能生成断面图，确定断面形状参数：顶宽，底宽，沟深，再通过计算得到各断面面积 最后利用李镇等的体积估算模型确定侵蚀沟的体积（）切沟二维参数的提取 使用 对 条切沟进行配准处理，然后根据李镇等 确定切沟边界的方法，在 上进行目视解译并结合 影像，在高分立体像对生成的 上勾绘出合沟小流域中 条切沟以及柴沟小流域中 条切沟的二维边界 再将勾绘出的切沟的边界区域转为面图层，分别提取 条切沟的沟长、面积（）提取侵蚀沟断面形态的基本参数 利用 软件中 分析模块获得切沟的断面图，通过目视解译分别确定沟头、沟底以及切沟中间位置的断面形态参数值：顶宽（，），底宽（，），沟深（，）再计算切沟断面的横截面积：（）（）（）上式中：为侵蚀沟断面面积（）；分别为测量出的断面的左深、中深和右深（其中沟深 为）；和 分别为切沟的顶宽和底宽（）（）切沟三维参数（体积）的计算 对 进行填洼处理，再用处理好的切沟数字高程模型，得到切沟沟缘线各像元的高程值，依据 ，生成数字高程模型 ，确定未被侵蚀切沟面的数字高程模型（）进而，计算切沟体积：在 中运用 分析模块中的计算表面体积功能，分别得到 的体积记作 ，提取 的体积记为 ，最终计算得到切沟的体积（，）为：第 期 王钰涵，等：陕北黄土区小流域不同植被恢复模式下切沟形态参数差异分析 （）进一步在 软件，利用单因素方差分析，对比分析两种植被恢复模式下切沟形态参数差异 结果与分析 不同恢复模式下切沟形态参数的对比合沟小流域 条自然恢复模式下的切沟的长度介于 ，面积介于 ，体积介于 之间 柴沟小流域 条退耕还林模式下的切沟的长度主要介于 ，面积主要介于 ，体积主要介于 由表 统计参数可知，两种植被恢复模式下切沟形态并无明显差异，但合沟小流域中自然恢复状态下的切沟长度、面积、体积的平均值均略大于柴沟小流域实施退耕还林的侵蚀沟 两种植被恢复模式下切沟体积最大值与最小值差距悬殊是由于研究区的小流域切沟可能处在不同发育阶段，有侵蚀尚轻的小型切沟同样也有侵蚀较为严重的大型切沟，这些切沟都具有代表性是值得研究的通过对比两种恢复模式下切沟形态的变异系数发现，自然恢复模式下切沟的长度、面积以及体积更集中且平均值更大，表明合沟小流域的切沟比柴沟小流域的切沟更宽或更深，侵蚀更加严重 由此可见，实施退耕还林（草）工程确实可以在一定程度上减缓切沟的侵蚀，有利于水土的保持表 两种植被恢复下切沟形态参数 恢复模式相关数据长度（）面积体积自然恢复均值 标准差 变异系数 退耕还林均值 标准差 变异系数 切沟断面特征研究陕北黄土区吴起县合沟以及柴沟小流域的切沟截面形态一般分为 型、型以及先 后 型 侵蚀沟断面底宽顶宽比是直接影响断面形态的关键指标，底宽顶宽比越大说明断面底宽和顶宽在数值上差距越小，相应地切沟断面就会呈现出 型，反之呈现出 型；切沟宽深比也可以在一定程度上说明切沟断面的宽浅和窄深程度，但宽深比主要用来表征切沟横向侵蚀与纵向侵蚀的速率 宽深比越大说明断面横向侵蚀速率较大而纵向侵蚀速率较小，侵蚀沟断面主要发生的是横向侵蚀，反之则表明切沟的纵向侵蚀较为严重 两个参数一起进行比对可以更加准确地判断切沟截面的形状陕北黄土区研究区小流域中 个自然恢复模式下的切沟断面与 个退耕还林模式下的切沟断面平均顶宽、平均底宽、平均沟深等参数的统计结果如表 所示 研究区合沟小流域自然恢复模式下切沟的顶宽主要介于 间，均值为 ；底宽介于 ，均值为 ；沟深分布介于 ，均值为 柴沟小流域退耕还林（草）模式下切沟的顶宽介于 之内，底宽介于 之间，沟深介于 ；通过计算得到其参数的平均值，顶宽为 ，底宽为 ，沟深为 山西师范大学学报（自然科学版）年表 断面参数平均值 植被恢复模式顶宽底宽深 深 深 自然恢复 退耕还林 通过对断面形态参数的分析来看，自然恢复模式下侵蚀沟断面的顶宽范围以及底宽范围均大于退耕还林模式下的切沟断面，自然恢复模式下沟深的范围也比退耕还林模式下切沟断面范围大，由此可知自然恢复模式下切沟断面的顶宽以及底宽的宽窄分布更加离散不均匀，侵蚀沟也是深浅不一，侵蚀更无规律性 据此可以推测出，退耕还林下切沟断面的顶宽与底宽最值差距较小，分布较为规律 由此推断出退耕还林（草）的实施可以使切沟的侵蚀范围逐渐减小，并使侵蚀沟恢复到一个相似的形状切沟断面的顶宽与底宽差距越大，断面越趋近于 型，反之断面就趋近于 型 当断面顶宽与底宽相同时，断面形状为矩形 由表 可知合沟小流域相比柴沟小流域的侵蚀沟断面顶宽小，但是底宽均值较大，顶宽底宽数据差值较小，大致可认为自然恢复模式下的切沟断面多趋近于 型，而退耕还林模式下的切沟断面大多更趋近于 型 断面宽深比特征切沟宽深比（）主要反映了切沟断面的横纵侵蚀速率 值越大表明切沟断面横向侵蚀速率大于纵向侵蚀 相反的，的值越小则表明切沟纵向侵蚀速率较大，切沟纵向侵蚀比横向侵蚀更为严重 计算公式如下所示：（）上式中，是切沟断面宽深比，是断面顶宽平均值（），是沟深平均值（）表 切沟断面相关参数统计 顶宽底宽深 深 深 宽深比自然恢复均值 标准差 变异系数 退耕还林均值 标准差 变异系数 表 显示了侵蚀沟在两个小流域不同植被恢复模式下断面的顶宽 、底宽 、沟深 ，宽深比 的统计特征 就断面顶宽来看，自然恢复模式下的断面切沟相较更窄，从底宽来看，切沟断面却相较更宽，顶宽底宽差距相对来说比较小，而断面宽深比又比较大，说明切沟发生的横向侵蚀比纵向侵蚀更加严重 经综合分析可知，自然恢复模式下切沟断面的横向侵蚀较为严重，据此推测此区域多为 型断面相反的，在退耕还林模式下，顶宽相对较宽，底宽较窄，而宽深比相对较小，可知切沟断面的纵向侵蚀速率大于横向侵蚀，即为 型断面较多通过对比两种植被恢复模式的切沟断面参数的变异系数，发现在自然恢复模式下切沟断面形状的分布要比退耕还林的更加离散 综合分析得出以下结论：在植被自然恢复模式下，切沟断面形状 型较多，第 期 王钰涵，等：陕北黄土区小流域不同植被恢复模式下切沟形态参数差异分析但是与 型以及 型至 型断面占比的差距不大，数量相差较小；退耕还林模式下 型断面较多且分布更加集中，说明 型以及 型至 型的断面占比相对较少，两种形状的数据差距比较明显；人工水土保持治理下侵蚀沟更容易发展为 型 断面形状特征切沟底宽顶宽比（）可以直接描述切沟断面形状 值越大表示切沟断面形状趋向于 型，反之则为 型，当 时，表示切沟断面形状是矩形 计算公式如下：（）在上式中，是切沟底宽顶宽比，是切沟底部平均宽度（），是切沟顶部平均宽度（）依据前人对切沟截面形状的研究判断，在本文的研究中，我们将底宽顶宽比小于 的视为 型断面，比值大于 的视为 型断面，在此区间之间则为先 后 型发展的断面表 切沟断面形状统计 植被恢复模式型断面型断面先 后 型断面自然恢复 退耕还林 通过对研究区域切沟截面顶宽上宽比进行统计分析得知，在合沟小流域中植被自然恢复模式下的 个断面有 个形状为 型，所占比例为 ，型断面有 条，占比 ，先 型后 型有 条，占比 ；在柴沟小流域人工治理退耕还林模式下的 个切沟断面中有 个为 型，占比 ，型断面有 个，占比 ，先 后 型有 条，所占比例为 底宽顶宽比值可以明确判断切沟断面形状，经对比分析不难发现，型断面多出现在植被的自然恢复模式状态下，型断面多在退耕还林模式下，而先 型后 型断面在两种植被恢复模式中占比差异不大，基本有一半的切沟断面为此形状 不同植被恢复模式下切沟形态差异显著性分析方差分析（，简称 ），又称“变异数分析”或“检验”，是用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验 任何事物都不只受单一因素的制约，必是由多因素相互影响形成 利用统计学中的方差分析来解决具体实验实例中，需要先进行了解各异的实验条件下样本均值的差异，进而研究实验结果受到具有差异的实验条件的影响程度 单因素方差分析常被用来判定某一因素对结果差异的显著与否 方差分析结果的 值可直观判定单个因素的差异显著性，一般认为显著性值小于 即为差异显著利用 软件分析切沟的形态参数值，得到结果如表 所示表 切沟差异显著性分析结果 平方和 均方显著性沟长组间 组内 总数 面积组间 组内 总数 山西师范大学学报（自然科学版）年续表 平方和 均方显著性体积组间 组内 总数 顶宽组间 组内 总数 截面面积组间 组内 总数 切沟的沟长、面积、体积、顶宽和截面面积的差异显著性系数分别为 、明显大于显著性水平 由此笔者推断出在不同植被恢复模式下，切沟的沟长、面积、体积、顶宽和截面面积并无显著性差异再将切沟断面的相关参数导入 进行单因素方差分析，得到以下数据表 切沟断面参数差异显著性分析 平方和 均方显著性顶宽组间 组内 总数 底宽组间 组内 总数 深 组间 组内 总数 深 组间 组内 总数 深 组间 组内 总数 宽深比组间 组内 总数 由表 可以发现在有关切沟断面形态的参数中，宽深比以及底宽顶宽比的显著性系数分别为 和 ，小于显著性水平 ，表明在两种不同植被恢复下切沟断面的宽深比以及底宽顶宽比有显著性差异 综合上述结论，笔者推断出：在合沟小流域以及柴沟小流域中切沟断面形状分布明显，型断面多出现于自然恢复的合沟小流域，型断面则多出现在实施退耕还林进行人工治理的柴沟小流域；而断面的顶宽、底宽和沟深在两种不同植被恢复模式下的差异并不显著第 期 王钰涵，等：陕北黄土区小流域不同植被恢复模式下切沟形态参数差异分析 结论本文着重对陕北黄土丘陵沟壑区吴起县合沟小流域和柴沟小流域进行研究，利用统计学方法，提取了切沟沟长、沟深、面积和体积等形态参数特征；探究了切沟断面的顶宽、底宽、宽深比以及顶宽底宽比来判断断面形状；再进行单因素方差分析比较两种不同植被恢复模式下的差异显著性 主要结论如下：（）两种恢复模式下切沟形态特征参数并无明显差异，但自然恢复状态下切沟的长度、面积、体积、截面面积的平均值均略大于实施退耕还林模式下的切沟；自然恢复模式下切沟的形态参数更集中且平均值更大，表明此流域比退耕还林模式下的切沟更宽或更深，侵蚀更加严重 由此可见，退耕还林（草）工程的实施的确可以在一定程度上减缓切沟的侵蚀，有利于水土的保持（）自然恢复模式下切沟断面宽深比小于 的切沟约占 ，宽深比大于的约为 ，表明此模式下主要发生横向侵蚀 退耕还林模式下切沟断面宽深比则集中在 ，纵向侵蚀较严重与横向侵蚀较严重的断面比例分别为 ，通过对比得出，两种植被恢复模式下都是横向侵蚀比纵向侵蚀更为严重；退耕还林模式下切沟断面的顶宽与底宽最值差距较小，分布较为规律 笔者经研究发现退耕还林（草）的实施可以使侵蚀沟的侵蚀范围逐渐减小，并且植被恢复使沟趋向于一个相似的形状（）通过断面底宽与顶宽的比值直接确定断面形状，两种恢复模式中约 的断面形态是 型到 型过渡形式 在合沟小流域植被的自然恢复模式下，切沟断面形状 型较多，但是与 型以及 型至 型断面占比的差距不大；退耕还林模式下 型断面较多，且分布更加集中，说明 型以及 型至 型的断面占比相对较少，两种形状的数据差异比较明显 由此可知，人工干预使侵蚀沟的形状趋于 型（）在进行两种不同的植被恢复的研究流域中，通过单因素方差分析得知切沟的沟长、面积、体积、顶宽和截面面积并无明显差异；断面的顶宽、底宽和沟深在两种不同植被恢复模式下差异也并不显著；而切沟断面的宽深比以及底宽顶宽比差异较为显著 表明这两种不同植被恢复模式对切沟断面形状的影响最为显著本研究在取得上述结果的同时，也存在一定的误差与不足 例如：仍然有部分研究结果处在探索阶段，需要进一步完善；在确定切沟断面形状时，可以分析出自然恢复下 型断面多，而 型断面少，没有深入研究准确得知造成此种情况的原因；进行单因素的差异显著性分析，切沟断面参数差异显著性并不相同，需要进一步探究其内因，为退耕还林工程的实施提供更加可靠的理论支持参考文献：孙红雨，王长耀，牛铮，等 中国地表植被覆盖变化及其与气候因子关系基于 时间序列数据分析 遥感学报，（）：，（）：信忠保，许炯心 黄土高原地区植被覆盖时空演变对气候的响应 自然科学进展，（）：，：，（）：，：，（）：吴红艳 黄土丘陵区发育活跃期切沟形态特征与转换模型研究 西北农林科技大学，（），（）：杨翠霞，赵廷宁，谢宝元，等 基于小流域自然形态的废弃矿区地形重塑模拟 农业工程学报，（）：张科利 陕北黄土丘陵沟壑区坡耕地浅沟侵蚀及其防治途径 陕西：中国科学院西北水土保持研究所，山西师范大学学报（自然科学版）年 ，（，；，；，）：，（）（），（），；，；，：；第 期 王钰涵，等：陕北黄土区小流域不同植被恢复模式下切沟形态参数差异分析