土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)分析
——以黑龍江省賓縣為例

張玉娟，王延亮，劉丹丹

(黑龍江工程學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150050)

土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)分析
——以黑龍江省賓縣為例

張玉娟，王延亮，劉丹丹

(黑龍江工程學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150050)

利用1990年和2010年兩期Landsat TM數(shù)據(jù)，基于RS和GIS技術(shù)及通用土壤侵蝕方程(RUSLE)，完成黑龍江省賓縣兩個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化分析，以期揭示該區(qū)域土壤侵蝕空間分布格局與時(shí)空動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。結(jié)果表明：兩個(gè)時(shí)期土壤侵蝕總體格局基本一致，都是以微度和輕度侵蝕為主，面積比例分別為80.68%和74.71%；微度和極強(qiáng)度侵蝕的變化率呈縮小趨勢(shì)，輕度、中度和重度侵蝕呈增加趨勢(shì)，土壤侵蝕有加劇的趨勢(shì)；輕度和強(qiáng)度侵蝕的主要流向?yàn)橹卸惹治g，中度和極強(qiáng)度侵蝕的主要流向?yàn)閺?qiáng)度侵蝕。

松花江流域；遙感；GIS；土壤侵蝕；空間分布格局

一、引 言

土壤侵蝕已成為全球范圍內(nèi)主要的環(huán)境問(wèn)題之一[1]，是生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化和造成災(zāi)害的重要原因，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展[2]。土壤侵蝕動(dòng)態(tài)時(shí)空監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外都是一項(xiàng)新的研究課題[3-5]，而中國(guó)已成為世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國(guó)家之一。隨著空間信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，遙感和GIS等技術(shù)手段不僅為土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了廣闊的空間與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，而且更能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確客觀地反映土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)[6]?；诖?，本文結(jié)合RS和GIS，以1990年和2010年兩期Landsat TM影像為主要數(shù)據(jù)源，并結(jié)合DEM及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)黑龍江省賓縣的土壤侵蝕時(shí)空格局動(dòng)態(tài)進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)研究，揭示其時(shí)空分布規(guī)律、時(shí)空格局及特點(diǎn)，以期為該區(qū)域水土保持規(guī)劃、水土流失治理，以及東北黑土區(qū)農(nóng)地水土流失的防治規(guī)劃提供技術(shù)支持和理論依據(jù)[7]。

二、研究區(qū)域概況

賓縣位于黑龍江省中部，具體地理坐標(biāo)為：126°55′41″E—128°19′17″E，45°30′37″N—46°01′20″N，全縣行政區(qū)轄17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，年平均氣溫2.5～4.0℃，年平均無(wú)霜期為110～150 d，年降水量為400～600 mm。自然概貌為“五山半水四分半田”，張廣才嶺支麓余脈延伸全縣，地勢(shì)為南高北低，南部山地呈條狀沿東南縣境延伸，中部為丘陵地帶，北部沿江為河谷平原區(qū)；土壤為山地棕壤土，多為黑土，部分區(qū)域?qū)俎r(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，河谷兩岸為草甸土和潛育草甸土。該縣土地肥沃、地域遼闊、人口相對(duì)較少，適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是重要的糧食生產(chǎn)基地，且農(nóng)副產(chǎn)品資源豐富。

三、數(shù)據(jù)處理與研究方法

1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理

數(shù)據(jù)資料主要有研究區(qū)域1990年和2010年Landsat TM兩期遙感影像、氣象數(shù)據(jù)、1∶5萬(wàn)地形圖、土壤類型分布圖，以及部分野外調(diào)查數(shù)據(jù)和部分土地利用數(shù)據(jù)等，同時(shí)收集了研究區(qū)黑土區(qū)地質(zhì)災(zāi)害圖和植被類型分布圖等自然地理資料，以及人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)狀況等社會(huì)數(shù)據(jù)。

在ERDAS IMA GE 9.2的支持下，完成對(duì)遙感影像4、5、3(R、G、B)的假彩色合成；參照1∶5萬(wàn)地形圖完成影像的幾何校正；在保證精度的前提下，參照部分外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，并結(jié)合研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀，借助于監(jiān)督分類和人機(jī)交互的方法，完成研究區(qū)域的土地利用解譯。此外，完成黑土區(qū)地質(zhì)災(zāi)害圖和土壤類型分布圖的掃描、幾何校正、數(shù)字化處理和矢量數(shù)據(jù)的柵格轉(zhuǎn)換等相關(guān)處理，存儲(chǔ)為GRID格式；根據(jù)收集到的氣象數(shù)據(jù)，在ArcGIS的支持下，完成氣象數(shù)據(jù)的插值運(yùn)算。

2.土壤侵蝕定量研究

由于賓縣的土壤侵蝕類型主要為水蝕，本文采用目前應(yīng)用最為廣泛的改進(jìn)的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，RUSLE)來(lái)完成研究區(qū)域土壤侵蝕量的計(jì)算，進(jìn)而獲得研究區(qū)域的平均土壤侵蝕量強(qiáng)度圖。

式中，A為土壤侵蝕量(t/(hm2·a))；R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm/(hm2·h·a))；K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為地表植被覆蓋因子；P為土壤保持措施因子。

R因子：根據(jù)研究區(qū)域的月降水和年降水資料來(lái)修訂Fournier指數(shù)，通過(guò)一個(gè)普遍適用的R因子方程來(lái)計(jì)算R值；C因子：在參考黑龍江水土保持研究所提供的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用蔡崇法的植被覆蓋度(fg)與C因子之間的關(guān)系確定[8]；LS因子：在ArcGIS9.2的支持下，基于DEM派生出坡度和坡向等地形數(shù)據(jù)，參照張憲魁公式計(jì)算得到[9]；K因子：依據(jù)研究區(qū)域的土壤類型分布圖，利用經(jīng)驗(yàn)方法，通過(guò)設(shè)定參數(shù)在諾莫圖上求得；P因子：根據(jù)土地利用現(xiàn)狀，參考相關(guān)文獻(xiàn)獲取[8，10]。以水利部第三次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查和黑龍江省水土保持研究所提供的水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，將土壤侵蝕結(jié)果劃分為5級(jí)：微度侵蝕、輕度、中度侵、強(qiáng)度和極強(qiáng)度侵蝕。

四、結(jié)果分析

1.土壤侵蝕面積變化

由圖1和表1的統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)，研究區(qū)域兩個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕總體格局基本一致，都是以微度和輕度侵蝕為主，分別占各個(gè)年份土壤侵蝕總面積的80.68%和74.71%。其中微度侵蝕主要集中分布于賓縣北部沿江河谷平原區(qū)和南部的山區(qū)；而輕度侵蝕主要集中分布于賓縣西部的開發(fā)區(qū)和部分耕地。強(qiáng)度和極強(qiáng)度侵蝕主要分布于由耕地向山區(qū)過(guò)渡的淺山和低山丘陵區(qū)，主要與該研究區(qū)域的地形地貌特征有關(guān)。1990—2010年期間，微度和極強(qiáng)度土壤侵蝕的面積分別減少了339.85 km2和37.41 km2，其中極強(qiáng)度面積的減少主要?dú)w因于1998年實(shí)施的“退耕還林”和“退耕還草”等生態(tài)工程，部分丘陵區(qū)和淺山區(qū)植被覆蓋率的增加減輕了該區(qū)域的水土流失情況；但是輕度、中度和強(qiáng)度侵蝕的面積分別增加了110.88 km2、210.97 km2和55.41 km2，中度侵蝕面積增加明顯，說(shuō)明水土流失情況加重。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人口數(shù)量的增加，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，人們加大了對(duì)土地的開墾，致使地表植被被破壞，生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失嚴(yán)重。雖然局部區(qū)域的水土流失形勢(shì)得到了一定的遏制，但大部分的水土流失情形依然不容樂(lè)觀；從另一方面也表明了近20年對(duì)土壤侵蝕的治理主要集中在土壤侵蝕強(qiáng)度大的地類上，而忽視了其他治理難度較小的地類。

表1 研究區(qū)域不同強(qiáng)度土壤侵蝕面積

圖1 研究區(qū)域土壤侵蝕類型分布圖(1990年和2010年)

2.土壤侵蝕速度變化

單一土地利用動(dòng)態(tài)度是指某一區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)某一土地利用的數(shù)量的速度變化[11]，可以很好地度量土地利用的凈變化速度。對(duì)于土壤侵蝕速度而言，也可以借助該模型來(lái)進(jìn)行量化計(jì)算，其表達(dá)式為

式中，Ua、Ub分別為研究初期和末期某一侵蝕類型的面積；T為研究時(shí)段。當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，Rs為研究時(shí)段內(nèi)某一侵蝕類型年變化率。

由表2的統(tǒng)計(jì)可知，微度和極強(qiáng)度侵蝕的變化率呈縮小趨勢(shì)，這兩種土壤侵蝕面積呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，極強(qiáng)度侵蝕縮小的程度最大；輕度、中度和重度侵蝕呈增加的趨勢(shì)，中度侵蝕增加的程度最大，向規(guī)模增大的趨勢(shì)發(fā)展，輕度侵蝕的增長(zhǎng)程度最小。

表2 研究區(qū)域1990—2010年土壤侵蝕變化率 (%)

3.土壤侵蝕變化分析

基于ArcGIS 10空間分析，完成兩個(gè)時(shí)期土壤侵蝕數(shù)據(jù)的空間疊加運(yùn)算，完成土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上建立土壤侵蝕的轉(zhuǎn)移概率模型[12]，以期定量分析不同土壤侵蝕類型之間的轉(zhuǎn)化狀況。

式中，Dij表示土壤侵蝕由i類型轉(zhuǎn)化為j類型的轉(zhuǎn)移概率；Sij表示土壤侵蝕由i類型轉(zhuǎn)化為j類型的面積；n表示土壤侵蝕類型的數(shù)量。

由表3可知，在整個(gè)研究時(shí)期內(nèi)，它們之間發(fā)生了一定的相互轉(zhuǎn)換。其中微度侵蝕保留率最大，為83.21%，中度侵蝕次之，而極強(qiáng)度侵蝕最小，僅為27.95%。對(duì)微度侵蝕而言，其主要流向?yàn)檩p度侵蝕，轉(zhuǎn)入的主要是中度侵蝕，且級(jí)別變化跨度相對(duì)較大，表明該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)一定的好轉(zhuǎn)。輕度和強(qiáng)度侵蝕的主要流向?yàn)橹卸惹治g，中度和極強(qiáng)度侵蝕的主要流向?yàn)閺?qiáng)度侵蝕。對(duì)于輕度和中度侵蝕的轉(zhuǎn)換而言，向著加劇土壤侵蝕速度和侵蝕強(qiáng)度的方向發(fā)展，主要發(fā)生于地貌特征為崗谷相間的地帶[13]，該區(qū)域地形起伏相對(duì)較小且土層深度較厚，容易受到人為干擾活動(dòng)的影響，從而造成該區(qū)域水土流失程度增加，今后要繼續(xù)實(shí)施積極的農(nóng)業(yè)調(diào)整政策，通過(guò)生物、耕作和田間工程措施培肥和提高地力[13]，形成相對(duì)穩(wěn)定的黑土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)功能。對(duì)于強(qiáng)度和極強(qiáng)度土壤侵蝕而言，向著減緩?fù)寥狼治g速度和侵蝕強(qiáng)度的方向發(fā)展，大多數(shù)發(fā)生于坡度＞25°的山地區(qū)域，主要由于該地段推行了“退耕還林、還草”等生態(tài)保護(hù)工程，加之受地形等自然條件限制，人類的干擾活動(dòng)相對(duì)較少，土地利用趨向一定的合理化，區(qū)域生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)一定的好轉(zhuǎn)，但是發(fā)生的面積相對(duì)較小，今后要繼續(xù)加大荒山造林和退耕還林力度，恢復(fù)與保護(hù)原生植被[14]。

五、結(jié)論與討論

兩個(gè)時(shí)期土壤侵蝕總體格局基本一致，都是以微度和輕度侵蝕為主，面積比例分別為80.68%和74.71%；從侵蝕動(dòng)態(tài)的總體來(lái)看，微度和極強(qiáng)度侵蝕的變化率呈縮小趨勢(shì)，面積分別減少了339.85 km2和37.41 km2，輕度、中度和重度侵蝕呈增加的趨勢(shì)，面積分別增加了110.88 km2、210.97 km2和55.41 km2，土壤侵蝕有加劇的趨勢(shì)；輕度和強(qiáng)度侵蝕的主要流向?yàn)橹卸惹治g，中度和極強(qiáng)度侵蝕的主要流向?yàn)閺?qiáng)度侵蝕。研究該區(qū)域的區(qū)域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)與空間格局，可為該區(qū)域水土保持規(guī)劃、水土流失治理，以及東北黑土區(qū)農(nóng)地水土流失的防治規(guī)劃和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展決策提供重要依據(jù)，并對(duì)今后研究區(qū)域的土壤侵蝕的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治有重要意義。

表3 1990—2010年研究區(qū)域土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣

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Soil Erosion Sensitivity Time and Space Dynamic Analysis——Taking Bin County Heilongjiang Province as an Example

ZHANG Yujuan，WANG Yanliang，LIU Dandan

P208

B

0494-0911(2014)07-0102-03

2013-05-02

黑龍江省自然科學(xué)基金(E201203)

張玉娟(1979—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，講師，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)。

張玉娟，王延亮，劉丹丹.土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)分析——以黑龍江省賓縣為例[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(7)：102-104.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0237