泰安市土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)研究

林澤民， 孫希華， 陳 璐

(山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250014)

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泰安市土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)研究

林澤民， 孫希華， 陳 璐

(山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250014)

泰安市受特殊的自然地理?xiàng)l件限制，區(qū)域水生態(tài)問題突出，水土流失嚴(yán)重，是黃淮海地區(qū)集中連片的水土流失區(qū)域。據(jù)美國(guó)通用土壤流失方程，確定土壤侵蝕敏感性因子，進(jìn)行泰安市土壤侵蝕敏感性研究。結(jié)果表明，雖然泰安市土壤侵蝕不敏感面積占市域的42.54%，但輕度及以上的面積仍高達(dá)57.46%，說明泰安市存在不同程度的土壤侵蝕敏感性。此外，土壤侵蝕現(xiàn)狀與土壤侵蝕敏感性有著正相關(guān)關(guān)系，敏感性大的地方土壤侵蝕一般較嚴(yán)重，但并不絕對(duì)，人類活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕也有著較大的影響。

ArcGIS；泰安市；土壤侵蝕敏感性；評(píng)價(jià)因子

土壤侵蝕敏感性是指土壤在自然的生態(tài)環(huán)境中可能發(fā)生侵蝕的概率。研究土壤侵蝕必然需要涉及土壤侵蝕敏感性的研究。土壤侵蝕敏感性的評(píng)價(jià)主要是研究區(qū)域范圍內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度、侵蝕類型、侵蝕范圍等與自然環(huán)境中引起土壤侵蝕的因子的相關(guān)關(guān)系，從而為決策部門在規(guī)劃、制定水土保持措施時(shí)提供參考依據(jù)和理論支持，并且為保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)[1]。

泰安市位于山東省中部，市域面積約7 762 km2。由于泰安境內(nèi)山區(qū)面積較大，約占泰安市總面積的59%，受到地形、人為等因素的影響，土壤侵蝕較嚴(yán)重。泰安市多年平均降雨量780 mm,降雨主要集中在夏季，山區(qū)面積廣闊，年降雨量間差異較大。陡峭的坡度、松散的土壤結(jié)構(gòu)及面積巨大的坡耕地使得泰安市水土流失較嚴(yán)重，成為山東省內(nèi)土壤侵蝕的重災(zāi)區(qū)之一[2]。結(jié)合國(guó)內(nèi)外專家的研究成果和相關(guān)理論，根據(jù)泰安市特有的自然環(huán)境特征，筆者首先確定影響該區(qū)域土壤侵蝕的敏感性因子，然后利用GIS軟件提取相關(guān)因子，按照評(píng)價(jià)公式進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，從而得到泰安市土壤侵蝕敏感性的綜合指數(shù)，最后將該計(jì)算結(jié)果與泰安市土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

在區(qū)域范圍內(nèi)，影響土壤侵蝕的因素一般分為自然和人為2種，其中自然因素主要有地形(坡度、坡長(zhǎng)等)、土壤類型(土壤顆粒大小、成分等)、植被覆蓋類型和覆蓋度、降雨量等，而人為因素包括土地利用方式和水土保持措施等農(nóng)業(yè)措施。評(píng)價(jià)土壤侵蝕敏感性，如果只對(duì)其中單個(gè)因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，那么無法全方位地說明影響土壤侵蝕是受單個(gè)因子的影響較大還是所有相關(guān)因子綜合影響較大，存在一定的局限性，因此必須進(jìn)行全方位的研究。根據(jù)美國(guó)通用土壤侵蝕方程USLE：A=R·K·LS·C·P，得相關(guān)因子，式中A為土壤侵蝕量。由于其中的水土保持措施因子(P)主要是受人類活動(dòng)的影響，與自然條件沒有太大的關(guān)系，因此該次研究不將其納入評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。該次研究的土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)確定為降雨侵蝕力(R)、土壤可蝕性(K)、坡度(S)以及植被覆蓋(C)4個(gè)。

通過綜合相關(guān)專家對(duì)土壤侵蝕的研究成果，結(jié)合泰安市的土壤侵蝕環(huán)境特征，對(duì)泰安市土壤侵蝕敏感性因子按表1進(jìn)行分級(jí)。

表1 不同敏感類型的因子賦值

2 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)地理學(xué)、水土保持學(xué)、土壤學(xué)、地球信息科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí)，以定量分析方法為基礎(chǔ)，定性和定量研究相結(jié)合，以遙感、GIS技術(shù)作支撐，把專題調(diào)查和綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合，利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、GIS專題分析模型以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行綜合研究，從宏觀到微觀深刻地揭示泰安市土壤侵蝕環(huán)境特征，以提高水土保持空間決策效率，并且制定更適宜的水土流失防治對(duì)策[4]。

首先，利用ArcGIS軟件建立以上4個(gè)評(píng)價(jià)因子的柵格數(shù)據(jù)，然后根據(jù)該柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行單個(gè)因子的評(píng)價(jià)研究。其次，在ArcGIS強(qiáng)大的柵格數(shù)據(jù)空間分析功能的支持下，在單因子敏感性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤侵蝕敏感性綜合評(píng)價(jià)研究。

該研究對(duì)于因子的賦值采用因子連續(xù)內(nèi)插法。因子連續(xù)內(nèi)插法是利用數(shù)學(xué)公式，采取線性連續(xù)插值法，避免打分離散化的不合理性，可確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，克服離散數(shù)值打分法的弊端[5-6]。最后，利用幾何平均法，確定土壤侵蝕敏感性等級(jí)。

以泰安市地形坡度為例，因子評(píng)分計(jì)算公式為：

(1)

式中，f為因子得分;xi為每個(gè)像元的地形坡度；xabmax和xabmin分別表示該像元的地形坡度所在區(qū)間的最大值和最小值；b和a分別表示區(qū)間內(nèi)最大地形坡度和最小地形坡度的評(píng)分值。其他因子的評(píng)分算法，依次類推。

由于土壤侵蝕敏感性主要受上述4個(gè)因子的綜合影響，為了確保研究成果具有意義，需要計(jì)算泰安市土壤侵蝕敏感性的綜合指數(shù)，然后對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，并且獲得泰安市土壤侵蝕敏感性的分布圖。土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)采用以下公式計(jì)算。

(2)

式中，SSj為土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)；Pij為評(píng)價(jià)因子；j為評(píng)價(jià)單元；i為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子，i= 1，2，3，4。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

在確定并且提取好相關(guān)研究因子后，可以利用ArcGIS的空間分析功能將4個(gè)影響因子按照式(2)進(jìn)行運(yùn)算，即得出泰安市土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)。最后，利用柵格數(shù)據(jù)重分類功能將綜合指數(shù)分為5個(gè)等級(jí)，以便進(jìn)一步的分析研究。 從表2可以看出，泰安市不敏感面積占總面積的42.54%，也就是說其余57.46%的土地或多或少存在土壤侵蝕，而其中輕度敏感面積為3 116.95 km2，約占泰安市全域的40.16%，說明存在土壤侵蝕的土地大部分為輕度的侵蝕，其次為中度敏感，占總面積的12.98%。綜合指數(shù)大于5.5的區(qū)域僅為1.84%，說明土壤侵蝕極敏感區(qū)域很小。從地理位置上看，土壤侵蝕敏感性為高度敏感和極敏感的地區(qū)主要分布在泰安市北部泰山山脈周圍、肥城市中部、東平縣北部邊緣、新泰市東部(圖1)。

表2 泰安市土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)

3.1 各縣(市、區(qū))土壤侵蝕敏感性分析利用ArcGIS軟件將計(jì)算得到的綜合指數(shù)柵格數(shù)據(jù)與泰安市縣區(qū)矢量圖疊加分析，可以得到不同區(qū)縣的土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)分布情況。從表3可以看出，泰安市土壤侵蝕不敏感部分主要分布在東平縣、和新泰市；輕度敏感部分在各縣市分布都比較平均；中度敏感區(qū)域主要分布在岱岳區(qū)、東平縣、肥城市、新泰市等地，其中以新泰市和東平縣分布面積最大，這2個(gè)區(qū)域合計(jì)該類型面積429.91 km2,占此類面積的42.67%；高度敏感性區(qū)域主要分布在岱岳區(qū)、東平縣、肥城市；極敏感區(qū)域分布在岱岳區(qū)、東平縣、肥城市等地。

泰安市土壤侵蝕敏感性以不敏感和輕度敏感為主。從各個(gè)區(qū)縣中輕度敏感面積所占的比例來看，肥城市比例最高，為68.42%；寧陽縣次之，為60.97%；東平縣第三，為60.43%；岱岳區(qū)最低，為51.03%。

表3 泰安市各縣(市、區(qū))土壤侵蝕綜合敏感度分布情況 km2

行政區(qū)不敏感輕度敏感中度敏感高度敏感極敏感輕度及以上岱岳區(qū)856.92612.67215.6443.1521.62893.08泰山區(qū)147.96128.0936.8818.036.04189.04肥城市403.28539.14237.0141.1456.43873.72新泰市925.51759.80197.3732.5117.811007.49東平縣530.19494.26232.5446.5436.47809.81寧陽縣439.07582.6388.1810.964.17685.94

利用ArcGIS軟件，計(jì)算泰安市分地區(qū)的土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)的平均值。從表4可以看出，泰安市各縣(市、區(qū))土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)平均值介于2.55～2.92之間，平均值為2.63，土壤侵蝕綜合敏感性較高，平均值大于2.63的縣市僅有1個(gè)，肥城市平均值最高，為2.92；泰山區(qū)和東平縣次之，分別為2.62和2.61；土壤侵蝕敏感性較低，平均值最小的是岱岳區(qū)，為2.47。土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)最高值出現(xiàn)在東平縣，為7.56，其次是岱岳區(qū)。

表4 各區(qū)縣土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)平均值

3.2 土壤侵蝕敏感性與土壤侵蝕現(xiàn)狀分析將土壤侵蝕敏感性與土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到各個(gè)敏感層次下土壤侵蝕的分布情況。從圖2、表5可以看出，泰安市土壤侵蝕敏感性土壤侵蝕強(qiáng)度走勢(shì)基本一致。在通常情況下，土壤侵蝕敏感性高的地區(qū)理論上發(fā)生水土流失的可能性更大，土壤侵蝕敏感性低的地區(qū)發(fā)生水土流失的可能性更小一點(diǎn)。強(qiáng)烈及以上的侵蝕多發(fā)生在土壤敏感性在中度及以上的地區(qū)。

以發(fā)生中度及以上土壤侵蝕強(qiáng)度的概率為例，敏感性綜合程度為不敏感的地區(qū)發(fā)生的概率為4.48%，極敏感和高度敏感地區(qū)概率分別高達(dá)68.94%和51.97%。此外，高度敏感和不敏感地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈及劇烈侵蝕的概率分別為18.38%和1.21%。高度敏感、中度敏感的地區(qū)發(fā)生極強(qiáng)及劇烈土壤侵蝕強(qiáng)度的概率分別為15.46%和4.21%。敏感性程度為極敏感的地區(qū)更易發(fā)生極強(qiáng)及以上土壤侵蝕，其他敏感層次發(fā)生的概率依次降低。

由此可知，土壤侵蝕現(xiàn)狀與土壤侵蝕敏感性有著正相關(guān)關(guān)系。土壤侵蝕主要受到自然因素的影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，植被覆蓋狀況不再只依據(jù)自然因素，而受人類活動(dòng)的影響更大。人類活動(dòng)如自然保護(hù)區(qū)的建立或大量的伐木將對(duì)植被覆蓋狀況產(chǎn)生巨大的影響。如果區(qū)域植被受到嚴(yán)重的破壞，那么該地區(qū)土壤侵蝕必然加劇，尤其是在坡度較大的山地、丘陵地區(qū)。與此同時(shí)，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)可能改變自然因子的特性，也有可能加劇土壤侵蝕的強(qiáng)度。肥城市是泰安市土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)。長(zhǎng)期的人類活動(dòng)使得自然植被變少，取而代之的是易造成土壤侵蝕的次生植被、農(nóng)業(yè)植被及工礦用地。這些地類土壤侵蝕情況較明顯。因此，防止土壤侵蝕應(yīng)注意保護(hù)和恢復(fù)植被，多采取坡耕地退耕還林等措施。

土壤侵蝕敏感性和土壤侵蝕現(xiàn)狀仍存著差異性。土壤侵蝕發(fā)生的潛在可能性可以用一個(gè)區(qū)域土壤侵蝕發(fā)生概率表示，也就是土壤侵蝕敏感性；土壤侵蝕的現(xiàn)狀則來源于土壤本身的侵蝕敏感性和人為因素的綜合影響。一方面生態(tài)環(huán)境具有自我修復(fù)能力，另一方面人為因素可促進(jìn)其改變，因此土壤侵蝕敏感性與土壤侵蝕強(qiáng)度并不存在絕對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如，人為的不合理利用土地會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕敏感性低的區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度顯著高于自然狀態(tài)。相反的，人為改善措施也可使土壤侵蝕敏感性高的地方成為土壤侵蝕強(qiáng)度低的地方。另外，有些地方可能土壤侵蝕的敏感性較高，又存在人類活動(dòng)對(duì)其的影響，但是由于其不敏感的生態(tài)環(huán)境，只要二者的共同作用在土壤生態(tài)環(huán)境的承受范圍內(nèi)，土壤侵蝕的情況可能就比較小。

表5 不同敏感層次下土壤侵蝕強(qiáng)度分布情況 km2

4 結(jié)論

泰安市土壤侵蝕極敏感和高度敏感地區(qū)主要分布在泰安市北部泰山山脈周圍、肥城市中部、東平縣北部邊緣、新泰市東部。加強(qiáng)這些地區(qū)的植被保護(hù)、恢復(fù)是防治水土流失的治本之策?？刂迫丝冢３炙?，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)。

泰安市的土壤侵蝕敏感以不敏感和輕度敏感為主，其他中度、高度和極敏感的地區(qū)主要分布在泰安市山地丘陵區(qū), 特別是肥城市的中部、岱岳區(qū)的北部、泰山區(qū)北部。這些地區(qū)為泰安市經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地區(qū), 應(yīng)注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，加強(qiáng)水土流失的研究和治理。

該次土壤侵蝕敏感性的分析研究采用遙感和GIS相結(jié)合的技術(shù)，充分體現(xiàn)GIS在土壤、生態(tài)等相關(guān)研究中的適用性和可行性。該次土壤侵蝕敏感性的研究模型涵蓋通用水土流失方程中的4個(gè)主要因子，排除人為因素的主觀隨意性，確保研究科學(xué)可靠。評(píng)價(jià)結(jié)果克服了以往調(diào)查結(jié)果與治理規(guī)劃相脫節(jié)的現(xiàn)象。從技術(shù)流程看，土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)方法便于快速、經(jīng)濟(jì)、定量、定期地實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕調(diào)查研究，數(shù)據(jù)處理過程的時(shí)間大大縮減，成果的應(yīng)急性提高。

[1] 劉紅艷，孫希華，張玉堂. 基于GIS的濟(jì)南市土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)研究[J]. 水土保持通報(bào),2008, 28(2)：127-130.

[2] 郭春利, 陳凱,王忠.泰安市水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)實(shí)踐與探索[J]. 水土保持研究,2003,10(4):275-277.

[3] 孫澤祥，孫希華，馬倩倩.基于CSLE的淮河流域沂源縣土壤侵蝕監(jiān)測(cè)調(diào)查研究[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，27(1):94-97.

[4] 許心倩.泰安市生態(tài)功能區(qū)劃研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 孫希華, 張代民,閆福江.土壤侵蝕和水土保持生態(tài)安全——以青島市為例[M].南京：河海大學(xué)出版社，2010.

[6] 孫希華.基于GIS的濟(jì)南市土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(6)：47-50.

Sensitivity Evaluation of Soil Erosion in Tai'an City

LIN Ze-min, SUN Xi-hua, CHEN Lu

(College of Population, Resources and Environment, Shandong Normal University, Ji’nan,Shandong 250014)

Because of the natural condition limition of Tai'an City, the regional water ecology and water loss is serious. Tai’an is concentrated region of water loss in Huanghuaihai region. Based on the universal soil loss equation, soil erosion sensitivity factors were determined and then study on the sensitivity of soil erosion in Tai'an City was carried out. The results suggested that although the insensitive area accounts for 42.54% in Tai’an City, the other sensitive area is still as high as 57.46% It means that Tai'an City exists different degree of soil erosion.Besides,there is a positive correlation between current status of soil erosion and the sensitivity of soil erosion. General speaking, the more sensitive of the soil, the severer soil erodes, but it’s not absolutely. Human activities have a great effect on soil erosion as well.

ArcGIS; Tai'an City; Sensitivity of soil erosion; Evaluation factors

林澤民(1989- )，男，四川成都人，碩士研究生，研究方向：GIS應(yīng)用。

2014-12-11

S 127

A

0517-6611(2015)04-093-03