黄土高原一直是我国水土流失最为严重的地区。截至2017年，黄土高原水土流失面积47.2万km²，其中侵蚀模数>8 000 t/(km²·a)的极强度以上水蚀面积为9.12万km²，占中国同类面积的64.95%^[1]。退耕还林以前，坡耕地是黄土高原水土流失的重要来源^[2]，截至2012年，该地区坡耕地占据了耕地总面积的2/3，平均土壤侵蚀模数高达2万5 000 t/(km²·a)^[3]。坡耕地治理一直是水土流失治理的重中之重，且治理效果显著。自1999年退耕还林工程以来，黄河水沙呈显著减少趋势，与1919—1979年相比，2000—2015年的输沙量减少83%，降到2.57亿t/a^[4]；但是，2017年黄土高原无定河流域“7·26”极端暴雨仍然引发了严重的洪涝灾害和土壤侵蚀，坡耕地土壤侵蚀严重，细沟发育明显，甚至产生小切沟，其细沟侵蚀强度最大可达4万2 000 t/km^{2 [5-6]}。位于本次暴雨受灾区的清水沟小流域，由于退耕还林等治理措施未完善而引发了严重的洪水灾害，导致水库溃坝、位于其下游的子洲县城被淹。据对清水沟坝地淤泥深度的测定与反演，坡耕地多的支沟侵蚀强度至少为4万6 000 t/km² ，而相邻坡耕地少的支沟为1万2 000 t/km²，前者是后者的3.8倍^[6]。该次极端降雨事件引发严重洪涝灾害的同时，也反映了黄土高原丘陵区坡耕地占比高、侵蚀剧烈的水土流失问题，而目前仍缺少针对坡耕地系统且有效的统计；因此，充分掌握黄土高原目前残存的坡耕地面积和分布特征，对于提高极端暴雨条件下坡耕地土壤侵蚀预报精度，有效防治土壤侵蚀和洪涝灾害，以及进一步强化黄土高原退耕还林，实现土地资源可持续利用具有重要的意义。

影响坡耕地土壤侵蚀的因素除了降雨、土壤和耕作措施，还包括坡度、坡长、坡位^[7-9]等地形地貌因子。野外调查发现坡耕地侵蚀的1个重要原因是上方汇水的作用^[10]。人工降雨试验研究也证实了上方汇水对土壤侵蚀的显著影响^[11-12]。而坡位因子可以直接反映上坡来水的影响，也是影响坡面土壤侵蚀的重要因素，坡中侵蚀最为剧烈，坡顶侵蚀相对较轻^[13]。本研究以“7·26”暴雨致灾严重的陕北子洲县岔巴沟流域和发生水库溃坝的清水沟小流域为例，基于高分遥感数据，准确提取坡耕地面积，从对坡耕地侵蚀速率具有重要影响的地形地貌因素入手，包括坡度、坡长、坡位以及集水区面积，分析岔巴沟流域坡耕地的分布特征，以期为黄土高原残存坡耕地治理和水土流失防治提供参考依据。

子洲县地处陕北黄土高原丘陵沟壑区腹地，境内沟壑纵横，梁峁起伏，95%为山区，川区仅占5%^[14]。岔巴沟流域和清水沟小流域，均是无定河的一级支流大理河的支流，位于黄土高原丘陵沟壑区的第一副区(E 109°47′，N 37°31′)，沟谷发育剧烈，地貌支离破碎。研究区年平均温度约8 ℃，最高气温38 ℃，最低气温-27 ℃，霜冻期约1/2a，风力最大在9级以上。据1959—2001年实测资料表明，流域多年平均降雨量为430.8 mm，降水分配极不均匀，5—9月的降雨量占全年总降雨量的90%以上，多集中于几场高强度、短历时的暴雨中且空间变异性强^[15]。岔巴沟流域位于子洲县北部，面积204.16 km²，是典型的黄土高原丘一区地貌，岔巴沟流域坡耕地的分布具有区域代表性。蛇家沟小流域是岔巴沟的支沟(图 1)。蛇家沟和清水沟小流域面积分别为4.93和5.73 km²。蛇家沟小流域是水土流失综合治理的典型小流域，20世纪60年代中期，小流域内林草植被面积和耕地面积分别占流域总面积的4.5%和68.8%^[16]。经退耕还林等综合治理措施后，截止2017年其林草面积比例上升至82.5%，而耕地面积占比降低至16.4%。清水沟小流域则代表耕地面积较大、水土流失比较严重的小流域。2017年7月25—26日，黄土高原无定河中下游地区遭到大暴雨侵袭，暴雨中心降水量252.3 mm。岔巴沟流域临近“7·26”暴雨中心区域，距离研究区最近的雨量站曹坪站记录的日降雨量为212.4 mm，最大1 h降雨量达49.2 mm，平均降雨强度为0.25 mm/min。此次暴雨导致了清水沟水库溃坝，位于其下游的子洲县城发生严重的洪涝灾害^{[10, 17]}。对比蛇家沟和清水沟小流域，可以反映退耕还林和综合治理对现存坡耕地面积和分布特征的影响。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置图 Fig. 1 Location of study areas

岔巴沟流域影像来源于Google影像，空间分辨率为0.5 m，拍摄于2017年5月12日。地形数据基于1:1万地形图生成5 m的数字高程模型(digital elevation model, DEM)，地理坐标采用UTM/WGS84。

蛇家沟和清水沟小流域影像和地形数据来源于无人机航拍。蛇家沟小流域影像分辨率为0.19 m，由eBee Plus RTK无人机于2017年10月11日拍摄。清水沟小流域影像分辨率为0.23 m，由DJI Inspire 2无人机于2018年8月8日拍摄。

坡耕地的提取采用目视解译，首先解译耕地，然后剔除梯田、坝地以及退耕的坡耕地等部分。已有研究^[18-19]表明米级高分卫星影像解译耕地的精度可达85%以上。本研究使用的Google影像的原始数据分辨率在0.5 m左右，无人机航拍影像的分辨率为0.23 m，远远高于李敏等^[18]使用的IKONOS影像和李骜等^[19]使用的资源三号卫星影像，从图 2也可以看出，坡耕地在2种影像中非常易于分辨，且边界清晰。因此，可以保证坡耕地的解译精度。

图 2(Fig. 2)

图 2 基于Google卫星影像(a)和无人机航拍影像(b)解译的坡耕地 Fig. 2 Interpretation of sloping cropland based on Google satellite imagery(a)and drone aerial imagery(b)

将坡耕地分为上坡位、中坡位和下坡位3级。首先将研究区坡面分为9个坡向(1个平坡以及其他8个坡向)。再结合所提取的坡耕地范围，分区统计坡面高程差。根据同一坡面的高程差，将坡面的上25%定义为上坡位；同理，坡面的下25%为下坡位；中间的50%为中坡位。最终获取蛇家沟以及清水沟坡位分布情况。

基于无人机影像数据生成分辨率为0.19 m(蛇家沟小流域)和0.23 m(清水沟小流域)的DEM，使用ArcGIS10.2，计算每块坡耕地的平均坡度和上坡集水面积。再结合坡度信息以及每个地块高程差计算坡耕地每个地块的平均坡长。坡长

式中：α为坡度，(°)；H为高程差，m。

岔巴沟流域共提取坡耕地4 592块，地块平均面积0.49 hm²，总面积为22.62 km²，占该流域面积的11.08%。综合治理后的支沟蛇家沟小流域坡耕地面积为34.04 hm²，仅占流域面积的6.90%。而且，蛇家沟坡耕地分布更为细碎，地块平均面积小，为0.29 hm²。相反，清水沟小流域坡耕地面积为63.89 hm²，占流域面积的11.15%，坡耕地地块平均面积也更大，为0.47 hm²，与岔巴沟流域的平均水平相当。流域坡耕地具体分布情况见图 3和表 1。

图 3(Fig. 3)

图 3 流域坡耕地分布图 Fig. 3 Distribution of sloping cropland in the study watersheds

表 1(Tab. 1)

表 1 流域坡耕地分布统计表 Tab. 1 Statistics of sloping cropland in the study watersheds 流域名称 Watershed name 流域面积 Basin area/km2 坡耕地数量 Number of sloping croplands 坡耕地面积 Area of sloping cropland/hm2 坡耕地占流域面积比 Ratio of sloping cropland to watershed area/% 坡耕地地块平均面积 Average area of a sloping cropland/hm2 岔巴沟Chabagou 204.16 4 592 2 261.88 11.08 0.49 蛇家沟Shejiagou 4.93 116 34.04 6.90 0.29 清水沟Qingshuigou 5.73 136 63.89 11.15 0.47

表 1 流域坡耕地分布统计表 Tab. 1 Statistics of sloping cropland in the study watersheds

坡耕地坡度和坡长是影响坡面侵蚀不可忽视的必要因素。分析表明蛇家沟的平均坡度为20.62°，而清水沟为32.54°，详见表 2和图 4。清水沟小流域坡耕地的最小坡度与最大坡度也都高出蛇家沟10°以上。岔巴沟流域整体坡度>15°的坡耕地比例高达93.31%，而蛇家沟小流域经退耕治理后坡度>15°的坡耕地面积比例为79.62%，坡度>25°的坡耕地比例仅为36.47%。相较之下，清水沟陡坡耕种现象最为严重，其坡度>25°坡耕地比例高达94.01%。相关研究指出，坡度>15°的坡耕地土壤侵蚀不容忽视，应被作为影响侵蚀量估算的人为因子^[20]。另外，根据2014年新一轮退耕还林政策，>25°以上非基本农田坡耕地、严重沙化耕地和重要水源地15°~25°坡耕地应实施退耕还林(草)；因此，研究区退耕还林(草)的任务还很艰巨。

表 2(Tab. 2)

表 2 流域坡耕地坡度统计表 Tab. 2 Statistics for gradient of sloping cropland in the study watersheds 流域名称 Watershed name 最小坡度 Minimum slope gradient/(°) 最大坡度 Maximum slope gradient/(°) 平均坡度 Average gradient/(°) >15°坡耕地比例 Proportion of sloping cropland >15°/% >25°坡耕地比例 Proportion of sloping cropland >25°/% 岔巴沟Chabagou 2.61 56.76 25.21 93.31 36.40 蛇家沟Shejiagou 2.02 39.66 20.62 79.62 36.47 清水沟Qingshuigou 15.21 47.37 32.54 100.00 94.01

表 2 流域坡耕地坡度统计表 Tab. 2 Statistics for gradient of sloping cropland in the study watersheds

图 4(Fig. 4)

图 4 流域坡耕地坡度、坡长分级柱状图 Fig. 4 Histogram for the slope gradient and length of sloping cropland in the study watersheds

蛇家沟、清水沟小流域坡耕地平均坡长分别为32.58和38.50 m，2个小流域平均坡长均大于土壤侵蚀观测的标准径流小区20 m的坡长。蛇家沟和清水沟小流域坡长>20 m的坡耕地占地面积分别高达86.12%和94.06%，其中坡长>30 m的坡耕地面积比例超过了70%。

通过绘制蛇家沟与清水沟坡耕地每个地块的坡长和坡度散点图(图 5)，可知清水沟小流域坡耕地整体坡长、坡度高于蛇家沟。从中划分出坡度＞25°、坡长＞20 m的长陡坡耕地的范围，可知清水沟70%以上的坡耕地属于急需治理的长陡坡范围，而蛇家沟的长陡坡耕地 < 50%。

图 5(Fig. 5)

图 5 蛇家沟和清水沟小流域坡耕地坡长与坡度参数关系图 Fig. 5 Relationship between slope gradient and slope length of sloping cropland in Shejiagou and Qingshuigou

蛇家沟小流域的坡耕地99.90%位于中坡位，其余0.10%位于上坡位。而清水沟小流域所有坡耕地均位于中坡位。已有研究^[21]表明，中坡位相较于坡顶和坡底是坡面侵蚀最为剧烈的坡段。

研究区坡耕地主要位于中坡位，因此坡耕地土壤侵蚀必然受上坡来水的影响。有研究表明，上方汇流在整个坡面侵蚀产沙过程中起着较大的作用，坡面接受上方汇流后，坡面总侵蚀产沙量皆大于没有上方汇流时的坡面侵蚀产沙量^[12]。因此，坡耕地集水区汇水可引起研究区实际净侵蚀产沙量。且坡耕地距离分水岭越远，汇水面积增大，细沟发育也越多，侵蚀就越剧烈^[7]。清水沟、蛇家沟小流域坡耕地集水区分布情况见图 6。

图 6(Fig. 6)

图 6 蛇家沟(a)和清水沟(b)小流域坡耕地集水区分布图 Fig. 6 Distribution of catchment area of sloping cropland in Shejiagou(a)and Qingshuigou(b)

蛇家沟与清水沟小流域集水区面积分别为37.10和59.47 hm²。地块平均集水区的面积分别为0.61和0.70 hm²，相差不到0.10 hm²。但蛇家沟的集水区与相应坡耕地地块面积比率较清水沟高出近32百分点，分别为186.03%和154.61%，即蛇家沟坡耕地坡位分布较清水沟更低。具体坡耕地与其集水区面积见图 7。

图 7(Fig. 7)

图 7 蛇家沟(a)和清水沟(b)小流域坡耕地与集水区面积柱状图 Fig. 7 Histogram for the area of sloping cropland and catchment area in Shejiagou(a)and Qingshuigou(b)

截至2017年，黄土高原植被覆盖率较退耕还林(草)前的1999年增加了约33%，2 980万hm²土地实施了退耕还林(草)^[22]；但位于丘一区的岔巴沟流域由于地表破碎，地貌发育程度高，且以传统农业生产模式为主，陡坡耕作现象仍然存在，并且缺乏有效的统计和管理。本研究基于高分卫星遥感和无人机测量数据，对该地区现存坡耕地进行精准提取，分析得到坡耕地分布具有如下特征：

1) 目前岔巴沟流域坡耕地面积仍然占据一定比例，基于高分卫星影像的遥感解译，其坡耕地占流域总面积的11.08%。综合治理后的蛇家沟小流域以及在“7·26”暴雨中遭受重创的清水沟小流域，其坡耕地占流域面积的比例分别为6.90%、11.15%。

2) 岔巴沟流域坡耕地平均坡度为25.21°。综合治理后的蛇家沟小流域坡度>25°坡耕地比例为36.47%，而清水沟小流域坡度>25°坡耕地比例则高达94.01%。蛇家沟、清水沟小流域坡耕地平均坡长均在30 m以上，且坡长>20 m的坡耕地比例分别为86.12%和94.06%。

3) 蛇家沟小流域坡耕地99%以上分布在侵蚀最为剧烈的中坡位，只有极少部分位于上坡位。清水沟小流域坡耕地全部位于中坡位。坡耕地地块平均集水区的面积分别为0.61和0.70 hm²。蛇家沟小流域上坡集水区面积与相应坡耕地地块面积比值相较于清水沟更大。

根据2018年陕西省榆林市统计数据，子洲县2017年>25°坡耕地面积比例只有2.34%^[23]；而本文研究结果表明在岔巴沟流域存在较大面积的坡耕地，清水沟流域>25°坡耕地面积比例>10%，与统计数据相比有很大差距，实地调查也表明相关部门对近年来坡耕地复垦的现象缺乏重视。随着我国高精度资源卫星的发射，充分使用高分卫星遥感数据解译坡耕地的分布和变化情况，能够为统计数据提供有益的补充，为国土资源合理利用提供有效的支撑。同时，研究区坡耕地不仅坡度大，地块坡长也较长，长陡坡耕地可达70%以上，暴雨条件下极易发生严重水土流失，威胁下游库坝安全，亟待整治。使用无人机影像生成的地形数据，能够对典型小流域坡耕地的坡位、坡度、坡长、集水区进行提取和分析，可以为水土保持的科学规划提供准确信息。

综上所述，“7·26”暴雨区的黄土高原丘一区仍然存在一定比例的陡坡耕地，而且目前对于重要水沙来源的陡坡耕地的统计仍然缺乏重视，大大增加了极端降水条件下发生严重土壤侵蚀和洪涝灾害的风险。本研究利用高分影像精准高效地提取了坡耕地地块信息，为提高土壤侵蚀预报精度以及加强坡耕地水土流失治理提供了参考依据。