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【黑土地专栏】沈阳农业大学许秀泉讲师团队:基于地貌发育阶段的大兴安岭东南山地丘陵区侵蚀沟分异规律

2026-05-14 07:17:28

收稿日期：2025-09-27

资助项目：国家重点研发计划项目(2024YFD1501200);内蒙古自治区水利科技项目(202501010001A)

第一作者：李滟聪(2001—)，女，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀研究。E-mail:lyc0513@stu.syau.edu.cn

通信作者：许秀泉(1986—)，男，博士，讲师，主要从事土壤侵蚀与治理研究。E-mail:xuxiuquan@syau.edu.cn

摘要

［目的］建立地貌发育阶段与侵蚀沟特征的联系，为大兴安岭东南山地丘陵区的侵蚀沟治理提供依据。［方法］利用回归、相关性分析探讨集水区面积高程积分（HI）与侵蚀沟的面、线、体积密度及长度、沟底宽深比等11个形态参数的关系。［结果］1）3种HI计算结果差异较小，HI表现出尺度依赖性。HI空间异质性显著；老年期（HI<0.35）、壮年期（HI>0.35）集水区分别占61.7%、38.3%，对应河流下游沉积区与中上游侵蚀区。2）HI与面密度呈显著正相关；对线密度与体积密度存在显著阈值效应（HI=0.35）：当HI<0.35时，二者随HI上升显著增加，HI>0.35时线密度下降，而体积密度增速趋缓。3）整体上，HI与沟底宽深比呈极显著负相关；壮年期HI与坡度分级、纵比降呈显著正相关，与体积、面积、长度及沟底宽深比呈显著负相关；老年期HI与坡度分级、纵比降和沟底宽深比呈显著负相关。［结论］HI=0.35作为地貌分类中老年期与壮年期的分界点，可作为线密度变化的临界阈值，同时也是侵蚀沟发育方式转变的关键标志。从地貌演化的角度，HI可为黑土区侵蚀沟防治提供参考。

材料与方法

01 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区兴安盟突泉县中南部（45°32′~45°37′N，121°19′~121°32′E），太和乡与巨力乡交界处，总面积60.91 km²。该区域属于大兴安岭东南山地丘陵土壤保持区，地质上发育侏罗系-白垩系地层，以沉积岩和火山岩为主。2023年8月水利部发布东北黑土区侵蚀沟普查结果，大兴安岭东南低山丘陵土壤保持区占侵蚀沟总数量的33.19%，是东北黑土区侵蚀沟数量最多的区域。研究区气候为中温带大陆性季风气候，年平均气温3.1 ℃，无霜期127 d，主导风向为西北风，年平均降水量422.1 mm。土壤类型以暗棕壤为主，土层薄、多砂石，持水能力差，植被覆盖度较低，土地利用以耕地为主。耕作机械化与过度放牧等人为活动，进一步破坏地表植被，因此该区域易发生水土流失。

02 数据来源

（1）DEM数据

选择ALOS（Advanced Land Observation Satellite）DEM数据，像元分辨率12.5 m×12.5 m，空间参考为WSG_1984_UTM_Zone_51N。数据来源于资源环境科学数据平台（https://www.resdc.cn/）。

（2）野外调查数据

2023年8月水利部发布东北黑土区侵蚀沟普查结果。具体方法为：先以2011年第一次全国水利普查东北黑土区侵蚀沟专项调查结果为基础进行目视解译，按照单个侵蚀沟汇水面积≤50 km²的原则，提取长度≥50 m的侵蚀沟起讫经纬度等指标，生成侵蚀沟道解译矢量图。而后在研究区实地测量467条沟道数据。使用手持GPS（型号SW-100A，±0.5 m）测量长度≥50 m且深度>0.5 m侵蚀沟的断面及沟头坐标，从沟深达0.5 m的沟头起，至连接河道或汇入主沟的沟尾止。断面布设遵循的原则为：沟长≤100 m，分别为沟头、沟尾、沟中间3个断面；沟长>100 m，或沟长≤100 m且深度或宽度变化大时，除上述3个点外，增加沟中上部、沟中下部，共计测量5个断面；如果沟长>300 m，每50 m测量断面；另在沟道转弯处、形态变化大的部位、明显分叉处加测。

03 数据处理

（1）集水区划分与侵蚀沟指标计算

基于DEM 数据，利用水文分析工具进行流域划分，通过多次调整河网提取阈值，验证其与实际河网分布的吻合程度。最终确定在累积流量阈值4 000时，可得到与研究区实际水文特征相符的流域划分结果。

467 条侵蚀沟分布在47个集水区。侵蚀沟特征包括11个特征参数。利用侵蚀沟实测长度、宽度和深度数据，计算得到平均顶宽、平均底宽、断面面积、面积、纵比降、体积、宽深比、沟底宽深比8种形态参数。根据DEM提取沟道坡度，然后对坡度进行1~9分级，分级标准为0~0.25、0.25~1.5、1.5~3、3~ 4、4~5、5~8、8~15、15~25、25~90。

1）侵蚀沟参数

沟道纵比降指流域内沟道高程差与沟道长度比的比值，是描述侵蚀沟在垂直方向上侵蚀发育程度的重要指标；宽深比是侵蚀沟沟顶平均宽度与平均深度之比，该项指标能表征侵蚀沟整体纵断面形状变化；沟底宽深比是侵蚀沟平均底宽与平均深度之比，反映侵蚀沟沟底发育程度。

2）侵蚀沟密度

侵蚀沟密度分为线密度、面密度和体积密度。线密度指侵蚀沟总长度与流域面积之比；面密度为侵蚀沟面积与流域总面积之比；体积密度指集水区单位面积侵蚀体积。计算公式为：

（2）HI计算

利用DEM数据计算面积高程积分值，主要有3种方法：积分曲线法、体积比例法和起伏比法。

1）积分曲线法：利用等间距分割方法对整个研究区范围内的高程进行划分，从而构建曲线模型，进行多项式拟合。面积高程积分值则为曲线与坐标轴围成的面积。计算公式为：

2）体积比例法：流域单元内未被侵蚀掉的物质体积和流域单元被侵蚀之前总物质体积的比值。

3）起伏比法：利用DEM数据计算面积高程积分值，该方法是将研究区的高程起伏比看作研究区面积高程积分值的简要估算方法，公式为：

结果与分析

HI影响因素

（1）地域稳定面积对HI的影响

由图1可知，当子流域面积较小时，积分值值域分布较宽，离散程度大。随着子流域面积的增大，其积分值呈收敛趋势。从不同级别子流域HI的分布形态来看，一级子流域HI分布最为松散；随着子流域级别升高，其值域范围逐渐收窄。因此，本研究将0.5 km²设定为该区域计算HI的稳定阈值。研究区内共有47个集水区有侵蚀沟分布，且满足计算HI稳定阈值面积。

（2）不同方法计算HI的比较

由表1可知，3种方法的平均值和标准差高度吻合，整体分布高度一致。3种方法的分布范围、中位数和变异系数极为接近，起伏比法的最小值和最大值与体积比法和曲线法基本一致，分别为0.196和0.444，表明3种方法在计算HI时均具有较高的可靠性和一致性。鉴于计算结果的高度一致性及起伏比法计算最为简便的优势，后续分析均采用起伏比法的计算结果。

HI特征分析

由图2可知，HI平均为0.323，标准差为0.065，变异系数为20.1%，表明地貌发育阶段的空间异质性较强。HI近似正态分布，峰值集中在0.300~0.350。空间分布上，老年期集水区（N=37，占比61.7%）多分布于东南部河流下游区，该区域地势平缓，河网密度较高；壮年期集水区（N=23，占比38.3%）主要分布于河流中上游及山地过渡带，空间上集中于研究区西北部及中部山麓地带，该区域地形起伏显著，河网密度较低。西北部高海拔山地HI多的HI集中在0.400~0.440，西部过渡带的HI呈现0.350~0.400的渐变特征。整体上，东南部低海拔老年期区域与河流下游沉积区对应，西北部高海拔壮年期区域与中上游侵蚀区一致，表明HI的空间分布与河流等级及高程相关联。

不同发育阶段参数差异分析

由表2可知，壮年期线密度中位数为2.453 km/km²，显著高于老年期的1.459 km/km²（Z=−3.146，p=0.002）。壮年期体积密度中位数为30 125.095 m³/km²，高于HI<0.35的18 542.504 m³/km²（Z=−2.118，p=0.034）。老年期沟底宽深比中位数为1.738，高于壮年期的1.432（Z=−1.988，p=0.047），表明侵蚀沟的发育强度（线密度、体积密度）和沟底形态（沟底宽深比）在壮年期集水区和老年期集水区之间存在显著差异，且壮年期集水区具有较大的侵蚀沟密度和较窄的沟底形态。