基于GIS和RS的穆棱市土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化研究

史彥林，呂志學(xué)，周寧，張利，林鳳祥，李日新，勇麗波

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

土壤侵蝕已成為全球性的重大生態(tài)環(huán)境問題之一。快速、準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)區(qū)域土壤侵蝕變化，對(duì)有效實(shí)施水土保持工作和生態(tài)恢復(fù)有重要意義[1]。水土資源是人類賴以生存和發(fā)展的最基本的物質(zhì)條件, 是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。保護(hù)珍貴的土地資源，控制水土流失，使人類生存之本能夠永續(xù)利用。穆棱市位于東北黑土區(qū)的東部，隸屬于黑龍江省牡丹江市，幅員面積6040.58 km2，屬于東北漫川漫崗國家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，境內(nèi)山多水闊，具有“九山半水半分田”的地貌特征，加之人類不合理活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致水土流失十分嚴(yán)重，根據(jù)第一次全國水利普查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，穆棱市全域水土流失面積為1630.07 km2，占全市土地總面積的26.99%，威脅到當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[2]。遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)以及土壤侵蝕模型的發(fā)展，為土壤侵蝕研究提供了更加全面詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，可以及時(shí)地掌握土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)情況，為區(qū)域合理進(jìn)行生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)[3]。

為掌握該區(qū)的土壤侵蝕時(shí)空變化情況，本研究借助ERDAS軟件和ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件，以TM影像、數(shù)字高程模型為主要數(shù)據(jù)源分析不同時(shí)期穆棱市土壤侵蝕的數(shù)量和空間分布，以期為穆棱市土壤侵蝕防治及生態(tài)建設(shè)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

穆棱市隸屬于黑龍江省牡丹江市，位于黑龍江省東南部，地理坐標(biāo)東經(jīng)129°45′19″至130°58′07″，北緯43°49′55″至45°07′16″。北與雞西市、雞東縣接壤，南與寧安市、吉林省汪清縣交界，西與牡丹江市和林口縣毗鄰，東與俄羅斯接壤，邊境線44 km。境內(nèi)地勢南高北低，東西兩側(cè)高，中部低，平均海拔高度為500～700 m，全市最高峰1117 m，穆棱市地域內(nèi)山多水闊，具有“九山半水半分田”的地貌特征。氣候類型屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量505.1 mm，主要集中在6—9月，年平均徑流深170.0 mm，多年平均氣溫3.9 ℃，極端最低氣溫-44.1 ℃，極端最高氣溫35.7 ℃，多年平均風(fēng)速2.3 m/s，無霜期136 d，≥10 ℃積溫2577 ℃。土壤表土層薄，主要以暗棕壤為主，占總土壤面積的81.9%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究以穆棱市2006年、2016年兩個(gè)時(shí)期7月份的TM 影像和穆棱市1∶50 000地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，TM 影像來源于地理空間云，空間分辨率為30 m×30 m，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS1984；1∶50 000地形圖來源于測繪局。

(1)土地利用現(xiàn)狀。對(duì)TM遙感影像采用目視解譯的方法獲取土地利用現(xiàn)狀圖，通過尋找特征點(diǎn)，經(jīng)野外實(shí)際觀測，找出遙感影像和特征地類的對(duì)應(yīng)信息，建立各地類的解譯標(biāo)志，獲取每個(gè)地塊的土地利用類型。

(2)坡度。坡度是對(duì)地面傾斜程度的定量描述，是影響土地利用、土壤侵蝕的主要地形因子之一[3]。利用ArcGIS10.5軟件將地形圖進(jìn)行人工矢量化，生成相應(yīng)的數(shù)字高程模型(DEM)，利用空間分析模塊生成坡度，并按照研究區(qū)坡度狀況分為6級(jí)，得到最終的穆棱市坡度柵格圖。

(3)植被覆蓋度。利用ERDAS軟件，對(duì)兩期影像進(jìn)行NDVI提取，通過Modeler模塊生成植被蓋度柵格數(shù)據(jù)[4]，生成研究區(qū)的2006年、2016年植被蓋度圖。

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)確定

將2006年、2016年的穆棱市最小地塊單元的土地利用類型、植被覆蓋度、地塊坡度采用分析功能疊加，獲得穆棱市2006年、2016年土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖。并按《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》SL 190—2007分級(jí)[5]。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤侵蝕變化

將土地利用類型柵格、植被蓋度柵格、坡度柵格數(shù)據(jù)疊加，經(jīng)分析得到2006年、2016年穆棱市土壤侵蝕強(qiáng)度情況，詳見表1，2006年、2016年研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度包括輕度、中度、強(qiáng)烈3個(gè)等級(jí)。2006年穆棱市輕度以上土壤侵蝕面積2408.67 km2，占總土地面積的37.6%，在輕度以上侵蝕面積中：輕度侵蝕面積最大，面積為1985.86 km2，占侵蝕面積的82.45%；其次為中度侵蝕，面積為420.52 km2，占侵蝕面積的17.46%；再次是強(qiáng)烈侵蝕，面積為2.29 km2，占侵蝕面積的0.10%。2016年土壤侵蝕面積2213.40 km2，比2006年減少了195.27 km2，其中輕度侵蝕減少了764.63 km2，中度侵蝕增加521.83 km2，強(qiáng)烈侵蝕增加47.52 km2。

表1 2006—2016年穆棱市土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化

從表2土壤侵蝕的轉(zhuǎn)換矩陣可以看出，土壤侵蝕面積的減少主要體現(xiàn)在部分輕度、中度侵蝕面積轉(zhuǎn)換為微度侵蝕，主要原因?yàn)轫?xiàng)目區(qū)實(shí)施了坡耕地治理工程、侵蝕溝治理工程。有812.45 km2侵蝕面積的區(qū)域土壤侵蝕轉(zhuǎn)換為微度侵蝕。另外一方面，有617.18 km2面積的微度侵蝕轉(zhuǎn)換為輕度、中度、強(qiáng)烈侵蝕，說明研究區(qū)還存在毀林開荒、破壞植被的現(xiàn)象，水土流失呈增大趨勢。但是總體來說，研究區(qū)土壤侵蝕呈遞減趨勢，向良性方向發(fā)展。

表2 2006—2016年穆棱市土壤侵蝕轉(zhuǎn)換矩陣 km2

3.2 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

通過GIS空間疊加分析，分別統(tǒng)計(jì)出不同土地利用方式上的土壤侵蝕狀況。通過對(duì)不同地類土壤侵蝕強(qiáng)度的比較分析，可以得出2006年、2016年不同地類土壤侵蝕強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，見表3、表4。兩個(gè)時(shí)段中，耕地在輕度、中度、強(qiáng)烈侵蝕面積中所占比例最大，而且隨著時(shí)間的推移有增加的趨勢，2006年耕地區(qū)域輕度以上侵蝕面積為1351.48 km2，到了2016年增加到了1414.13 km2；林地侵蝕面積由845.72 km2減少到了592.79 km2，減幅為8.3%；草地侵蝕面積變化不大，略有增加趨勢。從2006—2016年不同土地利用類型侵蝕面積和侵蝕強(qiáng)度分析可以看出，開荒種地破壞了植被和原地貌，使耕地面積增加，侵蝕程度加重。根據(jù)不同地類土壤侵蝕面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地區(qū)域輕度以上土壤侵蝕面積較小，耕地區(qū)域侵蝕面積最大，城鄉(xiāng)工礦居民用地侵蝕面積較小的原因?yàn)檎嫉乇戎匦?，侵蝕面積從大到小的順序?yàn)椋焊?林地>草地>城鄉(xiāng)工礦居民用地，說明耕地和林地最容易發(fā)生侵蝕，對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)率最大。

表3 2006年不同土地利用類型土壤侵蝕狀況

表4 2016年不同土地利用類型土壤侵蝕狀況

3.3 土壤侵蝕的空間分布

穆棱市下轄6鎮(zhèn)、2鄉(xiāng)，境內(nèi)地勢東南高，西北低，中北部耕地居多，人為活動(dòng)和開發(fā)建設(shè)頻繁，東南部林地面積所占比重較大，林草覆蓋度相對(duì)較高。根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕變化情況(表5)，2006年土壤侵蝕主要分布在八面通鎮(zhèn)、福祿鄉(xiāng)、馬橋河鎮(zhèn)、下城子鎮(zhèn)等區(qū)域，相比2006年，2016年研究區(qū)土壤侵蝕面積總體有所減少，特別是福祿鄉(xiāng)，由87%降低至27%；同時(shí)，局部地區(qū)侵蝕量有所增加，如河西鎮(zhèn)，下城子鎮(zhèn)、興源鎮(zhèn)，主要是因?yàn)楦亻_發(fā)利用強(qiáng)度加大所致?？傮w上來看，穆棱市水土流失在八面通鎮(zhèn)、馬橋河鎮(zhèn)、下城子鎮(zhèn)分布最廣泛，侵蝕強(qiáng)度也較大，是水土流失治理的主要區(qū)域。

表5 穆棱市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕變化情況

3.4 海拔對(duì)土壤侵蝕的的影響

利用ArcGIS分析統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)土壤侵蝕在不同海拔高程進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，見表6，可以看出，穆棱市土壤侵蝕主要分布在400～700 m范圍內(nèi)，其中400～500 m高度侵蝕最為嚴(yán)重，2006年侵蝕面積為985.23 km2，占侵蝕面積的40.7%，2016年侵蝕面積1111.62 km2，占50.2%，其次為500～600 m高度范圍內(nèi)，2006年侵蝕面積為470.54 km2，占侵蝕面積的19.4%，2016年侵蝕面積614.09 km2，占27.7%，隨著時(shí)間的變化，土壤侵蝕強(qiáng)度和數(shù)量呈遞增趨勢。這與人類活動(dòng)情況相吻合，穆棱市人類活動(dòng)主要集中在400～700 m海拔區(qū)域，此范圍內(nèi)坡耕地廣泛分布，生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)頻繁。

表6 不同海拔土壤侵蝕分布情況

4 結(jié) 語

穆棱市2006—2016年土壤侵蝕面積減少195.27 km2，土壤侵蝕狀況朝良性方向發(fā)展，表明穆棱市生態(tài)環(huán)境治理取得了一定的成效，生態(tài)環(huán)境明顯改善。

穆棱市水土流失主要發(fā)生在下城子鎮(zhèn)、八面通鎮(zhèn)、馬橋河鎮(zhèn)的海拔400～600 m的坡耕地上。可見，人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)、耕作方式、毀林開荒等，是誘發(fā)水土流失的主要原因，這也與土地利用類型、植被蓋度、人類活動(dòng)等因素密切相關(guān)。因此穆棱市水土流失防治的重點(diǎn)應(yīng)是穆棱河兩岸的溝坡地，應(yīng)實(shí)施坡耕地、侵蝕溝、小流域?qū)ｍ?xiàng)治理工程，對(duì)坡面實(shí)施地埂生物帶、等高耕作、深松等措施，侵蝕溝采取谷坊、跌水、生物固溝等進(jìn)行綜合治理。