基于GIS與USLE的汕尾市土壤侵蝕特征研究

黃 明,李新堯

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

土壤侵蝕是在各種內(nèi)外營力的作用下，土壤物質(zhì)被剝離、遷移、再沉積的過程，是地表最普遍的自然地理過程[1]。土壤侵蝕在全球范圍內(nèi)發(fā)生非常廣，在一些地區(qū)不僅嚴重威脅自然界的生態(tài)平衡，還會嚴重影響人類的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟活動。我國土壤侵蝕成因復(fù)雜，水土流失總量巨大，范圍遍及全國各地，形勢非常嚴峻[2-3]。土壤侵蝕導(dǎo)致大量土壤資源遭到破壞和惡化，加劇了溝壑的侵蝕速度，使土層變薄，部分土地表面被切割得支離破碎，導(dǎo)致大量肥沃表層土的流失和土壤肥力、作物產(chǎn)量的快速下降，嚴重影響正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。在水土流失的過程中，流經(jīng)地表的水會將原本處于地表上的大量泥沙沖刷帶走，輸送到江河、湖泊里，從而導(dǎo)致河床淤積抬高、河水泛濫，引發(fā)嚴重的洪澇災(zāi)害[4]。

本文選取汕尾市作為研究區(qū)域，基于通用土壤流失方程(USLE)和GIS空間分析技術(shù)，對2016年汕尾市的水土流失進行定量研究，得到汕尾市各土壤侵蝕強度的空間分布特征，在此基礎(chǔ)上分析了汕尾市土壤侵蝕強度與土地利用類型的關(guān)系，以期為該地區(qū)合理開發(fā)利用水土資源，促進生態(tài)文明建設(shè)和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

汕尾市位于廣東省東南沿海地區(qū)，地理位置為E114°54′～116°13′，N20°27′～23°28′，東鄰揭陽市，與惠來縣交界；西連惠州市，與惠東縣接壤；北接河源市，和紫金縣相連；南瀕南海，與香港隔海相望(見圖1)。全市陸域總面積為4 396.52 km2(不含深汕特別合作區(qū))，約占全省總面積的2.45%；大陸海岸線長為412.7 km(不含島岸線)，占全省岸線長度的10.03%。轄內(nèi)海域有93個島嶼、12個港口和3個海湖。汕尾市背山面海，總體地形北高南低，地貌由山地丘陵向平原逐漸過渡，北部為山丘地，最高海拔為1 337 m；中部多丘陵、臺地；南部沿海多臺地、平原。該地地處北回歸線以南，屬熱帶季風氣候區(qū)或海洋性亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫為21.9℃，年平均降雨量為2 146 mm，降雨時空分布不均，從西北山區(qū)向東南沿海區(qū)遞減。

圖1 汕尾市地理區(qū)位示意

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究所用資料為通用土壤流失方程中各土壤侵蝕單因子相關(guān)數(shù)據(jù)。需搜集和處理的基礎(chǔ)資料如下：

1) 全市范圍內(nèi)的高分1號(GF1)、高分2號(GF2)遙感影像：來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，其中高分一號成像時間為2018年2月6日、2018年3月11日、2018年3月31日，高分二號成像時間為2018年3月31日，該數(shù)據(jù)用于提取歸一化植被指數(shù)(NDVI)，計算植被覆蓋因子，同時目視解譯各類人為侵蝕圖斑。

2) 降雨數(shù)據(jù)：收集了汕尾市及其周邊河源、惠州、揭陽等市雨量站自2000—2016年的月平均降水數(shù)據(jù)，用于計算降雨侵蝕力因子。

3) 土地利用數(shù)據(jù)：搜集2016年汕尾市國土二調(diào)數(shù)據(jù)，用于水土保持因子計算。

4) 地形地貌數(shù)據(jù)：覆蓋全市范圍的DEM數(shù)據(jù)，用于計算坡長因子和坡度因子。

5) 土壤數(shù)據(jù)：廣東省土壤分布圖，用于提取汕尾市土壤類型，計算土壤可蝕性因子等數(shù)據(jù)。

6) 其他水土流失相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

汕尾市為典型水力侵蝕地區(qū)，采用通用土壤流失方程[5](USLE)計算土壤侵蝕模數(shù)。該方程廣泛用于不同空間尺度的水動力侵蝕研究，能夠較好地適用于我國南方紅壤區(qū)水土流失估算[6-7]。具體計算公式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

其中A代表單位面積年平均土壤侵蝕量，它在數(shù)值上等于R(降雨/徑流侵蝕力因子)；K(土壤可蝕性因子)；L(坡長因子)；S(坡度因子)；C(植被覆蓋與管理因子)；P(水土保持措施因子)六因子之乘積。各土壤侵蝕因子的具體計算方法參考相關(guān)文獻[8-10]。

利用ArcGIS10.2的空間分析(Spatial Analyst)模塊的柵格計算(Raster Calculator)工具，在ArcGIS10.2中將上述土壤侵蝕單因子圖層依據(jù)通用土壤流失方程表述的關(guān)系疊加，得到土壤侵蝕量分布圖。再根據(jù)土壤侵蝕分類分級標準(SL 190—2007)，對土壤侵蝕強度分類分級。

3 結(jié)果與分析

3.1 汕尾市土壤侵蝕空間分布特征

汕尾市土壤流失單因子的計算結(jié)果如圖2所示，在此基礎(chǔ)上，利用通用土壤流失方程計算汕尾市土壤侵蝕模數(shù)，結(jié)合ArcGIS10.2的重分類功能進行侵蝕強度分級，得到研究區(qū)土壤侵蝕強度現(xiàn)狀圖(見圖3)，其中人為侵蝕圖斑通過目視解譯獲得。由圖3可知，該市自然侵蝕主要集中分布在西部山區(qū)(蓮花峰及周邊山區(qū))、南部沿海部分鎮(zhèn)(街)，其余部分鎮(zhèn)(街)有零星分布；人為侵蝕分布較為分散，在全市各鎮(zhèn)(街)均有分布。

圖2 汕尾市各水土流失影響因子示意

圖3 2018年汕尾市土壤侵蝕空間分布示意

統(tǒng)計了各土壤侵蝕類型的面積(見表1)，結(jié)果如下：汕尾市總土壤侵蝕面積為461.25 km2，主要侵蝕類型為自然侵蝕，其面積為346.13 km2，占總侵蝕面積的75.04%。其中，自然侵蝕又以輕度侵蝕為主，面積為243.81 km2，占自然侵蝕總面積的70.44%；中度侵蝕次之，面積為78.85 km2，占自然侵蝕總面積的22.78%；強烈、極強烈和劇烈的面積相對較小，分別為18.31 km2、3.92 km2、1.24 km2，分別占自然侵蝕總面積的5.29%、1.13%和0.36%。人為侵蝕面積為115.12 km2，占總侵蝕面積的24.96%。其中，人為侵蝕以火燒跡地為主，面積為44.50 km2，占人為侵蝕總面積的38.65%；生產(chǎn)建設(shè)活動次之，面積為43.64 km2，占人為侵蝕總面積的37.91%；坡耕地面積最小，為26.98 km2，占人為侵蝕總面積的23.44%。

表1 2018年汕尾市各土壤侵蝕類型面積及占比 km2

汕尾市各區(qū)縣中，侵蝕面積最大的為陸豐市，面積為153.92 km2，占總侵蝕面積的33.37%；其次為海豐縣，侵蝕面積為135.04 km2，占總侵蝕面積的29.28%；再次為城區(qū)，土壤侵蝕面積為89.77 km2，占總侵蝕面積的19.46%；陸河縣土壤侵蝕面積最小，為82.52 km2，占總侵蝕面積的17.89%(見表2)。

表2 2018年汕尾市各縣區(qū)土壤侵蝕面積及占比 km2

3.2 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系分析

利用ArcGIS10.2的面積制表工具統(tǒng)計了不同土地利用類型上不同程度土壤侵蝕(自然侵蝕)的面積，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，汕尾市土壤侵蝕中輕度侵蝕主要集中在有林地，其面積為232.16 km2，約占輕度侵蝕總面積的89.95%。這是因為汕尾市有林地中桉樹林占有相當大的比例，該樹種林下植被覆蓋度往往較低，加之地形崎嶇、降水豐沛，容易造成一定的水土流失。輕度侵蝕面積較大的土地利用類型還有果園、其他林地、風景名勝及特殊用地等。中度侵蝕主要集中在有林地，其面積為56.29 km2，約占中度侵蝕總面積的80.86%。中度侵蝕面積較大的土地利用類型還有其他林地、裸地、果園等。強烈侵蝕也是集中在有林地，其面積為10.35 km2，約占中度侵蝕總面積的71.08%，其他林地、裸地等也有少量強烈侵蝕。此外，極強烈侵蝕和劇烈侵蝕面積較小，零星分布于林地、裸地等土地利用類型。

表3 2018年汕尾市不同土地利用的土壤侵蝕面積 km2

4 結(jié)語

基于通用土壤流失方程和GIS的空間分析技術(shù)，對汕尾市土壤侵蝕特征進行研究，得出以下結(jié)論：

1) 汕尾市土壤侵蝕以自然侵蝕為主，面積為346.13 km2，占總侵蝕面積的75.04%。自然侵蝕主要分布在西部山區(qū)、南部沿海部分地區(qū)，以輕度侵蝕為主。人為侵蝕面積為115.12 km2，占總侵蝕面積的24.96%，以火燒跡地為主。

2) 各區(qū)縣中，侵蝕面積最大的為陸豐市，其次為海豐縣，再次為城區(qū)，陸河縣最小。

3) 汕尾市土壤侵蝕中自然侵蝕主要集中在有林地，此外，其他林地、果園、裸地等土地利用類型也有少量侵蝕。