大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究

王楚琪，王 利

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連116029）

引言

自建國(guó)以來(lái)，我國(guó)在對(duì)于各地區(qū)的水土流失治理和預(yù)防工作中投入了大量的人力、物力和財(cái)力，土壤安全和治理問(wèn)題成為了我國(guó)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)之一[1]。土壤侵蝕不僅會(huì)使土壤資源遭到破壞、生態(tài)環(huán)境惡化，還會(huì)加劇洪澇災(zāi)害，從而影響國(guó)家社會(huì)發(fā)展和人民的生產(chǎn)生活[2]。根據(jù)調(diào)查表明，我國(guó)可能存在水土流失現(xiàn)象的土地面積達(dá)到340 平方公里，大部分土地被開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致水土流失量居高不下，因此了解不同地區(qū)土壤侵蝕情況及原因，制定合理解決方案并預(yù)防土壤侵蝕加劇變得尤為重要[3]。國(guó)外對(duì)土壤侵蝕問(wèn)題的研究始于19 世紀(jì)末期，當(dāng)時(shí)主要集中對(duì)土壤表面的侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行觀察和定性分析；20 世紀(jì)初期，學(xué)者嘗試運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)特定區(qū)域的土壤侵蝕狀況進(jìn)行定量分析，直到1965年美國(guó)學(xué)者威斯奇邁爾和史密斯等人根據(jù)多個(gè)地區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)提出了通用水土流失方程（USLE 模型），USLE 模型產(chǎn)生后，一些極具地方特色的土壤侵蝕研究模型相繼提出[4]；到1997年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局（SCS）提出的通用水土流失方程（revised universal soil equation，RUSLE）是定量評(píng)價(jià)土壤侵蝕的重要方法[5-7]。我國(guó)大多數(shù)土壤侵蝕評(píng)價(jià)都是基于GIS 和RUSLE 模型來(lái)估算研究區(qū)的土壤侵蝕量，如黃金良[8]等運(yùn)用GIS技術(shù)和RUSLE 模型來(lái)預(yù)算九江流域土壤侵蝕量；王丹陽(yáng)[9]等則對(duì)縣域水土保持方法中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析并改進(jìn)，選用坡度、植被覆蓋率等9 項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合定性分析將每個(gè)評(píng)價(jià)單元按其不同的三維組合類型劃分到不同的水土保持區(qū)；朱恒[10]等運(yùn)用ArcGIS 軟件和RUSLE 模型，對(duì)河南省的土壤侵蝕狀況進(jìn)行了估算。由此可見(jiàn)，國(guó)際上對(duì)通用流失方程（RUSLE）和GIS 技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)非常成熟，但是對(duì)于土壤侵蝕與人類活動(dòng)因子的研究則相對(duì)不足。

本文選取大連莊河市為研究區(qū)域，在GIS 技術(shù)的支持下，利用研究區(qū)現(xiàn)有遙感影像數(shù)據(jù)及相關(guān)自然社會(huì)數(shù)據(jù)，選取通用水土流失方程（RUSLE 模型），計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)，定量評(píng)價(jià)該區(qū)域的土壤侵蝕狀況，并分別從降雨、植被、地形和土壤四個(gè)因子方面分析大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度。

1 依據(jù)理論、模型和技術(shù)方法

1.1 基礎(chǔ)理論

土壤侵蝕強(qiáng)度是指單位面積上土壤發(fā)生位移的土壤侵蝕量，通常是通過(guò)長(zhǎng)期的定位觀測(cè)，并運(yùn)用合理模型計(jì)算研究得到。是定量分析某一地區(qū)的土壤侵蝕數(shù)量和侵蝕的強(qiáng)度的重要模數(shù)，也是各個(gè)地區(qū)制定水土保持方案，從而改善生態(tài)環(huán)境的重要依據(jù)[11]。

1.2 運(yùn)用模型

本研究采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局（SCS）提出的通用水土流失方程（RUSLE 模型）。公式表達(dá)為：

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 為地形因子；C 為植被覆蓋因子[12]。

其中，降雨侵蝕力因子（R）是指降雨引發(fā)土壤侵蝕的措在能力，通過(guò)多年平均年降雨侵蝕力反映，計(jì)算公式如下：

土壤可蝕性因子（K）是指土壤顆粒被水力分 和搬適的難易程度，主要與土理質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等土壤理化性質(zhì)有關(guān)，計(jì)算公式如下：

式中，K 為土壤可蝕性因子（t·hm2·h/hm2·MJ·mm），mc、msilt、ms和orgC 分別為粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm） 和有機(jī)碳的百分含量（%），可采用寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)（土壤機(jī)械組成、土壤有機(jī)質(zhì)含量）。

地形因子（LS）是指坡長(zhǎng)、坡度等對(duì)土壤侵性的影響[14]，計(jì)算公式如下：

式中，L 為坡長(zhǎng)因子，S 為坡度因子，m 為坡長(zhǎng)指數(shù)；θ 為坡度（°），λ 為坡長(zhǎng)（m），二者均來(lái)源于DEM數(shù)據(jù)。

植被覆蓋因子（C）反映了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤侵蝕的影響，是控制土壤侵蝕的積極因素。水田、濕地、城鎮(zhèn)和荒漠參照N-SPECT 中的參數(shù)分別賦值為0、0、0.01 和0.7，其余生態(tài)系統(tǒng)類型按不同植被覆蓋度進(jìn)行賦值[15]。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

通過(guò)分析大連莊河市自然條件和社會(huì)發(fā)展等特征，選取通用水土流失方程（RUSLE 模型）作為主要方法，RUSLE 模型主要由五個(gè)因子組成，分別為降雨侵蝕力R、植被覆蓋因子C、水土保持措施因子P、土壤可蝕性因子K 和地形因子LS，綜合大連莊河市自然條件和社會(huì)發(fā)展環(huán)境，最終選擇降雨侵蝕力R、植被覆蓋因子C、土壤可蝕性因子K 和地形因子LS 為本次研究的四個(gè)指標(biāo)。

2 土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)過(guò)程

2.1 大連莊河市概況

本文研究區(qū)域?yàn)榇筮B莊河市，是遼寧省大連市代管的縣級(jí)市，也是遼寧省級(jí)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)域。2015年，陸地面積約3900（3834）平方千米，轄5 街道、15 鎮(zhèn)、6鄉(xiāng)，人口89.7萬(wàn)。大連莊河市地處黃海北岸，地勢(shì)由南向北逐漸升高，地貌特征為“五山一水四分田”。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文選取的數(shù)據(jù)主要有大連莊河市遙感數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)和研究區(qū)域矢量數(shù)據(jù)等。其中遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，為2017年Landsat8 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30；降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心的多個(gè)氣象站點(diǎn)每日降水量文本數(shù)據(jù)；大連莊河市的土壤機(jī)械組成數(shù)據(jù)和土壤空間分布數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)；地形數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)，使用ENVI 軟件從遙感數(shù)據(jù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)；此外研究區(qū)域大量矢量數(shù)據(jù)主要通過(guò)使用ArcGIS 軟件矢量化得到。

2.3 單指標(biāo)數(shù)據(jù)量化

2.3.1 降雨侵蝕力因子。降雨侵蝕力是指降雨土壤發(fā)生為位移的潛在能力。本研究根據(jù)現(xiàn)有的降水量數(shù)據(jù)，通過(guò)空間插值得到年平均降水量分布數(shù)據(jù)，再運(yùn)用降雨侵蝕力因子計(jì)算模型得到大連莊河市年平均降雨侵蝕力R 值分布圖（圖1a）。從整體上來(lái)看，大連莊河市R 值從東北向西南方向遞減，最高值為4312.69 MJ·mm/hm2·h·a，最低值出現(xiàn)在莊河市西南地區(qū)的尖山村，為2979.2 MJ·mm/hm2·h·a，平均降雨侵蝕力為3596.59 MJ·mm/hm2·h·a。莊河市東北地區(qū)降雨侵蝕作用明顯，面積大約為500 km2，占全區(qū)面積的14%；中部地區(qū)和北部地區(qū)R 值居中，面積大約為2354 km2，占全區(qū)面積的57%；莊河市西南地區(qū)R 值較低，面積大約為1205 km2，占全區(qū)面積的29%?？傮w來(lái)說(shuō)，大連莊河市大部分地區(qū)的降雨對(duì)土壤侵蝕影響較不明顯。

2.3.2 植被覆蓋因子。植被覆蓋因子綜合反映一個(gè)地區(qū)植被覆蓋和土地利用情況對(duì)土壤侵蝕的影響，利用土地利用類型和植被覆蓋率數(shù)據(jù)，運(yùn)用植被覆蓋因子模型計(jì)算得到大連莊河市植被覆蓋因子C 值分布圖（圖1b）。從整體上來(lái)看，植被覆蓋因子C 值從沿海向內(nèi)陸逐漸增高，最高值為0.4，位于大連莊河市西北地區(qū)的三道嶺村。大連莊河市西北地區(qū)植被覆蓋因子C值較高，面積大約為1351 km2，占莊河市總面積的33%，該區(qū)域植被覆蓋率低，相應(yīng)的植被覆蓋因子C 值較大，在其他條件相同的情況下水土流失更嚴(yán)重，需要加大保護(hù)力度；中部地區(qū)植被覆蓋因子C 值居中，面積大約為1146 km2，占全區(qū)面積的28%；大連莊河市東南沿海地區(qū)植被覆蓋因子C 值較低，面積大約為1597 km2，占全區(qū)面積的39%，該區(qū)域土地利用類型主要為水田、濕地和城鎮(zhèn)等。總體來(lái)說(shuō)，大連莊河市植被覆蓋因子C 值居中，相應(yīng)的植被覆蓋度良好，當(dāng)水土流失發(fā)生時(shí)，有一定的緩沖作用。

圖1 降雨侵蝕力因子（a）和植被覆蓋因子（b）

2.3.3 土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子是反映土壤遭受侵蝕的強(qiáng)度以及土壤抵抗侵蝕的能力大小，本文根據(jù)土壤數(shù)據(jù)和土壤侵蝕因子模型計(jì)算出各土壤類型的土壤可蝕性因子K 值分布圖（圖2a）。從整體上來(lái)看，土壤可蝕性因子K 值從大連莊河市東南沿海地區(qū)向內(nèi)陸逐漸遞高，大連莊河市共14 種土壤類型，平均k 值為0.0161 t·hm2·h/hm2·MJ·mm，其中棕壤、壤質(zhì)草甸土、淹育水稻土、濱海潮灘鹽土、濱海鹽土、鹽化沼澤土的土壤可蝕性因子值較大，占全區(qū)面積的38%，抗蝕能力較弱，主要分布在大連莊河市東南沿海地區(qū)和東北地區(qū)；棕壤性土、潮棕壤、草甸土、鹽漬水稻土、濱海沼澤鹽土的土壤可蝕性因子值居中，土壤有一定的抗侵蝕能力，主要分布在莊河市東北地區(qū)及中部地區(qū)；其他潛育水稻土、紅粘土、中性粗骨土的土壤可蝕性因子值較小，土壤抗蝕能力較強(qiáng)，主要分布在莊河市中部地區(qū)和西北地區(qū)?？傮w來(lái)看，大連莊河市大部分地區(qū)土壤可蝕性因子K 值居中，有一定的抗蝕能力，但東北地區(qū)抗蝕能力較弱，需加大保護(hù)措施。

2.3.4 地形因子。坡度是在分析土壤侵蝕中最基本的因子，坡度越大則越容易發(fā)生水土流失。本文根據(jù)現(xiàn)有DEM 數(shù)據(jù)提取坡度得到大連莊河市坡度因子S 值分布圖（圖2b）。從整體上看，大連莊河市南部大部分地區(qū)S 值較小，從單因子角度分析不容易發(fā)生水土流失；北部和中部少數(shù)地區(qū)S 值較大，該區(qū)域?yàn)榍鹆旰偷蜕降貐^(qū)，易發(fā)生水土流失。

圖2 土壤可蝕性因子（a）和地形因子（b）

2.4 指標(biāo)聚合

根據(jù)計(jì)算得到降雨侵蝕力因子、植被覆蓋度因子、土壤可蝕性因子和地形因子數(shù)據(jù)，運(yùn)用通用水土流失模型公式（1），使用ArcGIS 軟件計(jì)算得到大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度。

3 土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)

根據(jù)降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、植被覆蓋度因子和地形因子，運(yùn)用GIS 技術(shù)和通用水土流失方程（RUSLE）模型計(jì)算得到大連莊河市土壤侵蝕指數(shù)。大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度并不嚴(yán)重，最大土壤侵蝕模數(shù)為392.88 t/hm2·a，年平均土壤侵蝕模數(shù)為13.34 t/hm2·a。從整體上來(lái)看，輕度土壤侵蝕的區(qū)域主要分布在東南沿海地區(qū)，面積大約為3112.2 km2，占總面積的76%，該地區(qū)多為平原地區(qū)，受降雨影響較小，適合居住和耕地；中度土壤侵蝕區(qū)域主要分布在中部地區(qū)，面積大約為778.05 km2，占面積的19%，該地區(qū)植被覆蓋度較低，城市土地利用規(guī)劃有待改善；重度土壤侵蝕區(qū)域主要分布在北部地區(qū)和少數(shù)西北部地區(qū)，面積大約為204.75 km2，占總面積的5%。如圖3，其中土壤侵蝕較高的地區(qū)多為丘陵和低山地區(qū)；土壤侵蝕強(qiáng)度較低的地區(qū)主要為平原地區(qū)，土地利用類型多為農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)、林地和旱地等。

圖3 大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

4 結(jié)論與展望

本文采用通用水土流失方程（RUSLE 模型），確定降雨、土壤、植被和地形四個(gè)指數(shù)，在ArcGIS 和ENVI等軟件的支持下，建立大連莊河市土壤侵蝕基礎(chǔ)“GIS”數(shù)據(jù)庫(kù)，再此基礎(chǔ)上運(yùn)用空間分析方法和模型計(jì)算四項(xiàng)指標(biāo)，最終得到大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)。根據(jù)結(jié)果分析得出，大連莊河市整體土壤侵蝕強(qiáng)度較低，占總面積的76%，大部分地區(qū)不易發(fā)生水土流失；易發(fā)生水土流失的地區(qū)主要為莊河市北部地區(qū)的丘陵和低山地區(qū)，植被覆蓋率較低，區(qū)域坡度較大，土壤中砂粒含量較多，因此較容易發(fā)生水土流失。應(yīng)加強(qiáng)水土保持方面的治理，保護(hù)現(xiàn)有植被，并加強(qiáng)丘陵地區(qū)和低山地區(qū)水源涵養(yǎng)林的種植，合理規(guī)劃農(nóng)田和城鎮(zhèn)環(huán)境建設(shè)，堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)與治理并重的原則以有效遏制土壤侵蝕的發(fā)生。