基于GIS和分形理論法的康平縣水土流失分析

王瑩瑩

(康平縣水利局，遼寧 沈陽 110500)

水土流失破壞土地表層組織結(jié)構(gòu)，造成養(yǎng)分流失、土壤退化、河道淤積、水源污染，是影響區(qū)域生態(tài)安全乃至可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題之一[1]?？灯娇h地處我國東北黑土帶上，區(qū)域土壤肥沃、土層深厚，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供便利基礎(chǔ)，然而隨著人口增加、植被破壞的加劇，區(qū)域土壤侵蝕愈演愈烈。國內(nèi)外學(xué)者通常采用現(xiàn)代地理信息技術(shù)借助遙感數(shù)據(jù)宏觀提取區(qū)域水土流失強(qiáng)度空間分布，實(shí)現(xiàn)了高時(shí)效、廣域、直觀監(jiān)測[2]。關(guān)于其空間分布格局，多應(yīng)用景觀指數(shù)、分形維數(shù)、半方差函數(shù)等方法，這為了解水土流失發(fā)育的自然機(jī)理提供了依據(jù)[3]。康平縣地貌形態(tài)差異性不大，為度量水土流失空間復(fù)雜度，本文應(yīng)用分形維數(shù)理論分析其隨水土流失強(qiáng)度變化的關(guān)系，并采用回歸分析方法解析土地利用結(jié)構(gòu)對水土流失量的影響，以期為本區(qū)水土保持規(guī)劃提供實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

康平縣位于我國東北遼寧省沈陽北部，居于遼河平原北端，屬遼河流域，有渾河、秀水河等較大支流，流速平緩，有春汛和夏汛。縣域土地所覆植被狀態(tài)較好，典型植被有溫帶灌木、喬木和溫帶草地，林草覆蓋率達(dá)38%，總體來說水土涵養(yǎng)能力較好。區(qū)域土壤侵蝕以水蝕為主，降水常集中于7—8月且強(qiáng)度大，水土流失時(shí)有發(fā)生。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究以Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，行代號為119- 30，其中全色波段分辨率達(dá)15m，其他波段為30m。地形因子數(shù)據(jù)的提取以DEM為基礎(chǔ)，該數(shù)據(jù)有美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局提高，空間分辨率達(dá)30m。將柵格影像重采樣為15m，并統(tǒng)一為WGS- 1984投影系統(tǒng)。降水圖層由中國氣象局氣候中心提供，土壤數(shù)據(jù)則從地理國情監(jiān)測云平臺上獲取。

1.3 RUSLE水土流失方程

通用水土流失方程(Revised universal soil loss equation， RUSLE)是美國科學(xué)家們通過研究水土動(dòng)力循環(huán)、植被涵養(yǎng)、土壤質(zhì)地、地形效應(yīng)等，經(jīng)長時(shí)間實(shí)踐積累建立區(qū)域水土流失量計(jì)算公式，其將水土流失視作坡度、坡長、植被、降水強(qiáng)度等環(huán)境因子的函數(shù)，公式如下[4]:

RUSLE=R·K·L·S·C·P

(1)

式中，RUSLE—年水土壤流失量，t/(hm2·a);R—降雨侵蝕力因子表征降水強(qiáng)度對水土流失的影響，MJ·mm/(hm2·h·a);K—不同土壤其質(zhì)地不同，降水強(qiáng)度對其侵蝕力具有一定差異，土壤可蝕性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L—坡長；S—坡度；C—植被；P—水土保持措施。

地形因子是土壤侵蝕的客觀因素，依據(jù)公式可知坡度、坡長越大，水土流失越強(qiáng)烈。坡度因子的提取可直接應(yīng)用ArcGIS 10.3中Spatial Analysis模塊的surface功能，以DEM數(shù)據(jù)為底圖進(jìn)行提取，坡長的計(jì)算則借助柵格計(jì)算器完成。地表可侵蝕性反映了自然狀態(tài)下土壤侵蝕強(qiáng)弱，通常疏松的地表環(huán)境水土流失越劇烈。地表可侵蝕性因子公式如下[3]：

(2)

式中，i—月，取i=1，2，…，12；Pi—月降雨總量，mm;其他變量含義同前。植被通過地上截留、匯聚和地下固結(jié)作用減弱水土流失，其與水土流失量呈反比，可通過ENVI5.3軟件的bandmath工具進(jìn)行波段計(jì)算提取。

1.4 分形維數(shù)

分形理論源自幾何學(xué)，以幾何形物的面積、周長關(guān)系表示其形態(tài)復(fù)雜程度。對于土壤這一空間不連續(xù)變量，其分形維數(shù)表示為變異函數(shù)的雙對數(shù)關(guān)系logγ(h)∝logh在一定觀測尺度h上的線性關(guān)系[5- 7]：

(3)

式中，H—線性斜率，取值為[0，1]；FD—分形維數(shù)，值域(1，2]，F(xiàn)D隨著H的增加而減小。對于區(qū)域水土流失空間分布，其分形維數(shù)越小則其分形越好，表明其分布趨勢性強(qiáng)，空間漸變性、連續(xù)性好；其分形維數(shù)越小，則其分形特征越長，表明區(qū)域水土流失異質(zhì)格局強(qiáng)，分布離散、連續(xù)性差、全局趨勢弱[8- 10]。

2 康平縣水土流失分析

2.1 康平縣水土流失空間分布特征

康平縣水土流失強(qiáng)度空間分布格局如圖1所示。微度水土流失區(qū)分布范圍最廣，呈片狀延伸于縣域東西部丘陵區(qū)和中部平原區(qū)，其分布連續(xù)性好。輕度水土流失區(qū)分布于東西部丘陵區(qū)，其他強(qiáng)度水土流失區(qū)主要沿著丘陵山脊線分布，這是由于東西部地勢較高、坡度大，土壤可侵蝕性強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)分析表明，微度水土流失區(qū)占區(qū)域總面積的71.94%，達(dá)1564.69km2，輕度水土流失區(qū)達(dá)419.25km2，占19.28%；中度水土流失區(qū)不足總面積的1/10，為186.55km2，強(qiáng)度和極強(qiáng)度水土流失分布較少，僅為3.74和0.75km2，其結(jié)構(gòu)比僅為0.17%和0.03%；劇烈水土流失面積為0km2。由此看來，康平縣水土涵養(yǎng)能力較好，水土流失強(qiáng)度以微度為主。

圖1 康平縣水土流失空間格局

2.2 康平縣水土流失分形特征

如圖2所示，康平縣水土流失空間分形維數(shù)大小隨土壤侵蝕強(qiáng)度變化而異。其半方差函數(shù)與滯后距離的雙對數(shù)線性關(guān)系擬合度較好，R2介于0.721～0.928之間，表明在該尺度上水土流失強(qiáng)弱的空間復(fù)雜格局能夠進(jìn)行維數(shù)度量。6種水土流失等級中以劇烈等級的斜率最大，為0.8983，微度等級的斜率最小，僅為0.3864，其余等級的斜率介于0.3974～0.6224之間。相應(yīng)地，得到不同水土流失強(qiáng)弱等級的分形維數(shù)值，依次為1.807、1.801、1.797、1.792、1.689、1.551，雖然該值差異較小，但仍能夠指示其空間復(fù)雜度。可知，微度水土流失區(qū)的維數(shù)值最高，表明其在空間上幾何形態(tài)復(fù)雜，這是由于該縣自然環(huán)境空間差異性較大，微度水土流失區(qū)受到地質(zhì)應(yīng)力影響與人為影響較多，其中不同位置上的延伸受到較多因素控制。反之，水土流失強(qiáng)度越劇烈其維數(shù)值越小，其分析結(jié)構(gòu)越簡單，表明其空間穩(wěn)定性較好，這是由于水土流失嚴(yán)重地區(qū)局部地理環(huán)境較差或受人為干擾極強(qiáng)烈，但其具有穩(wěn)定的界面。

2.3 康平縣水土流失隨土地利用類型分異特征

將康平縣土地利用圖與水土流失強(qiáng)度圖進(jìn)行疊加分析，得到二者之間的關(guān)系矩陣，見表1。結(jié)果顯示，不同土地利用下水土流失強(qiáng)度存在一定差異，研究區(qū)用地類型主要是草地、林地、耕地，約占區(qū)域總面積的76.82%，水土流失量占總量的88.36%，是區(qū)域水土流失重要來源。依據(jù)表1，草地的侵蝕模數(shù)最大，達(dá)1687t/(km-2·a)，旱地、林地的侵蝕模數(shù)次之，為1421.25、874.28t/(km-2·a)，主要由于康平縣用地類型中以草地、耕地占優(yōu)，也是本區(qū)水土流失治理的重點(diǎn)地類。水域、建設(shè)用地和裸地地類的面積最小，水土流失量依次為271.46、154.21和98.54t/(km-2·a)。并且不同用地類型中水土流失強(qiáng)度分布存在差異，其中微度水土流失區(qū)中以草地、旱地分布最廣，達(dá)684.74和421.65km2；輕度水土流失區(qū)則以林地、草地為主，分布面積分別為198.54和106.78km2；中度水土流失區(qū)主要分布于旱地，為98.21km2；強(qiáng)度和極強(qiáng)度水土流失主要分布于水域用地類型。

圖2 康平縣水土流失分形維數(shù)特征

表1 不同土地利用類型水土流失量與侵蝕模數(shù)

2.4 康平縣水土流失量與用地結(jié)構(gòu)的關(guān)系

利用各水土流失強(qiáng)度斑塊內(nèi)用地類型結(jié)構(gòu)與侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系建立線性回歸模型，結(jié)果如圖3所示?？芍值?、草地等地類的結(jié)構(gòu)比與水土流失量之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明這些地類的增加有利于抑制水土流失的發(fā)生，增強(qiáng)區(qū)域水源涵養(yǎng)；而水域、旱地、建設(shè)用地、裸地等地類的結(jié)構(gòu)比與水土流失量之間呈正相關(guān)關(guān)系，意味著這些地類結(jié)構(gòu)比的增加會加劇土壤侵蝕。其中草地用地結(jié)構(gòu)與水土流失量之間的線性回歸系數(shù)最小，為-1097.4t/(km-2·a)，說明草地地類的增加能夠有效減少土壤侵蝕量，而林地的涵養(yǎng)能力次之，其系數(shù)為-964.01t/(km-2·a)。水域用地結(jié)構(gòu)每增加1個(gè)單位，水土流失量增加125.68t/(km-2·a)；旱地、建設(shè)用地、裸地用地類型每增加1個(gè)單位，水土流失量增加730.47、1212.6和990.81t/(km-2·a)。由此可知，建設(shè)用地、裸地和旱地面積的增加，不利于區(qū)域水土保持。

3 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)代地理信息技術(shù)與水土流失通用方程對康平縣水土流失空間分布進(jìn)行研究，得到其分形維數(shù)特征及其與土地利用類型之間的關(guān)系。結(jié)果表明，康平縣林草覆蓋度較高、水土涵養(yǎng)能力較好，水土流失以微度為主；由于微度水土流失區(qū)分布范圍廣、自然形態(tài)復(fù)雜，極易遭受環(huán)境破壞或人為干擾，其治理方向應(yīng)是增加植被覆蓋度、避免惡化態(tài)勢。土地利用類型對區(qū)域水土流失強(qiáng)度具有深刻影響，其中旱地、水域、裸地和建設(shè)用地的結(jié)構(gòu)比增加能夠加大土壤侵蝕模數(shù)；林地和草地地類結(jié)構(gòu)比增加能夠減少水土流失量，這對于區(qū)域景觀規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。水土流失通用方程表明，康平縣水土流失量主要發(fā)生于耕地、林地、草地，而水域、建設(shè)用地、裸地分布面積少、土壤累積淺薄，水土流失量較少，但強(qiáng)度較大。因此，對于今后區(qū)域水土保持工作應(yīng)一方面注重農(nóng)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改變不合理的種植方式，繼續(xù)推進(jìn)退耕還林還草工程；另一方面局部著手治理裸地、河流、濕地，修筑水土流失防護(hù)措施。

圖3 用地類型結(jié)構(gòu)與水土流失量之間的關(guān)系