基于GIS和RS的黑龍江省水土流失影響因素分析

戴紅霞 許慧敏 韓玉冰

摘要 采用GIS和RS遙感影像技術(shù)對(duì)黑龍江省的地理特性及地貌情況進(jìn)行分析，以DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用ArcGIS的方法確定影響因子;利用ArcGIS軟件對(duì)各影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)各影響因子圖層加權(quán)疊加運(yùn)算侵蝕強(qiáng)度對(duì)水土流失進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，黑龍江省大部分區(qū)域中的土壤侵蝕強(qiáng)度多處于微度，少數(shù)為輕度土壤侵蝕的地區(qū)，沒(méi)有產(chǎn)生極強(qiáng)度土壤侵蝕的地區(qū)，僅有部分地區(qū)土壤侵蝕的強(qiáng)度是中度、強(qiáng)度和劇烈。2018年水土流失總面積占黑龍江省土地總面積的7.38%，黑龍江省水土流失情況在逐年增加，應(yīng)該引起重視。

關(guān)鍵詞 水土流失;GIS;RS;影響因素;黑龍江省

中圖分類(lèi)號(hào) F323.21? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）24-0109-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.025

Analysis of Influencing Factors of Soil Erosion in Heilongjiang Province Based on GIS and RS

DAI Hong-xia，XU Hui-min，HAN Yu-bing

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318）

Abstract GIS and RS remote sensing image technology were used to analyze the geographic characteristics and landforms of Heilongjiang Province，the method of ArcGIS was used to determine the impact factor based on DEM basic data.The ArcGIS software was used to process the data of each influencing factor， and the soil erosion was evaluated according to the weighted superposition of each influencing factor layer and the erosion intensity.The results showed that the intensity of soil erosion in most areas of Heilongjiang Province was mostly slightly， a few were areas with mild soil erosion， there was no area with extreme strength soil erosion， and only some areas had moderate，strong and severe soil erosion.In 2018， the total area of soil erosion accounted for 7.38% of the total land area of Heilongjiang Province. The situation of soil erosion in Heilongjiang Province was increasing year by year， which should be paid attention to.

Key words Soil erosion;GIS;RS;Influencing factors;Heilongjiang Province

作者簡(jiǎn)介 戴紅霞（1970—），女，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，在讀博士，從事環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)、環(huán)境治理技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)等研究。

收稿日期 2021-03-30

人類(lèi)對(duì)土地的利用受自然地貌因素的影響較大[1]，同樣人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)也會(huì)影響土地資源。水土流失問(wèn)題一直是一個(gè)重大的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題[2]。世界上許多國(guó)家和地區(qū)不斷進(jìn)行著區(qū)域水土流失空間分布情況調(diào)查分析[3]，確定水土流失量及其空間分布位置[4]，建立生態(tài)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的GIS信息系統(tǒng)便于治理[5-7]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了各行各業(yè)的發(fā)展，從而引發(fā)土地利用率增加，對(duì)土地不當(dāng)?shù)拈_(kāi)墾利用引發(fā)水土流失造成土地退化[8]，農(nóng)用地容易引發(fā)和加重土壤侵蝕[9]，還有陡坡地、溝壑砂土地因自然地理缺陷易受雨水侵蝕的危害造成嚴(yán)重水土流失[10-11]。筆者以GIS和RS方法[12-13]分析了黑龍江省2018年水土流失情況及主要影響因子，并提出相應(yīng)的整治對(duì)策[14]。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省是位于我國(guó)最北端和最東端緯度最高的省份，地理位置是121°11′～135°05′E、43°25′～53°33′N(xiāo)，南北橫跨10個(gè)緯度2個(gè)熱量帶，東西橫跨14個(gè)經(jīng)度3個(gè)濕地[15]。黑龍江邊界長(zhǎng)3 045 km，北部和東部與俄羅斯接壤（圖1）。該區(qū)域是從亞太經(jīng)陸路通往俄羅斯和歐洲大陸的重要通道，也是我國(guó)作為邊界開(kāi)放的重要窗口。黑龍江省地域遼闊，地理?xiàng)l件優(yōu)越，地形地貌類(lèi)型多樣，走勢(shì)大致呈西北和東南地區(qū)高、東北和西南地區(qū)低。黑龍江省大部分地形是山地、平原、臺(tái)地和水域等。根據(jù)2019年黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒調(diào)查，全省土地總面積為452 532.26 km2，占我國(guó)土地總面積的4.7%。黑龍江省是全國(guó)熱量最少的省份，整體位于中溫帶，屬大陸性寒帶季風(fēng)氣候。黑龍江省也是全國(guó)氣溫最低的省份，全省年平均氣溫僅為 -4～5 ℃。正是由于這種獨(dú)特的地理位置與氣候環(huán)境使得黑龍江省仍然存在水土流失的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為研究黑龍江省近年來(lái)水土流失變化情況，該研究采用黑龍江省遙感影像和 DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。遙感影像主要為2018年相關(guān)數(shù)據(jù)，分辨率為16 m;DEM數(shù)據(jù)為原始高程數(shù)據(jù)，分辨率為 90 m。

1.3 研究方法

1.3.1 影響因子的選取。

黑龍江地勢(shì)西高東低，最高海拔是1 694 m。該分析區(qū)域地理位置獨(dú)特，不同海拔對(duì)水土流失的影響也不盡相同，中低海拔地區(qū)水土流失嚴(yán)重。植被的覆蓋情況對(duì)于水土流失影響巨大，植被情況良好的地區(qū)水土流失情況會(huì)適當(dāng)緩解，可以在一定程度上對(duì)水土流失的發(fā)生產(chǎn)生抑制效果，而人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)與植被覆蓋情況息息相關(guān)。不同類(lèi)型的土地利用受人為生產(chǎn)活動(dòng)的影響程度也不相同，但有很大相關(guān)性，并且土地利用類(lèi)型和地表植被覆蓋度有密不可分的聯(lián)系。因此，結(jié)合黑龍江省的地理特性，該研究以高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度和土地利用類(lèi)型作為評(píng)價(jià)水土流失的重要影響因子。

1.3.2 影響因子的分級(jí)。

1.3.2.1 高程。

高程對(duì)水土流失的影響是不能被忽視的，一般來(lái)說(shuō)，高程越高，水土流失越不易發(fā)生。此次研究是利用DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中通過(guò)校正以及投影轉(zhuǎn)換處理等得到黑龍江省的DEM數(shù)據(jù)，利用重分類(lèi)將高程分為6個(gè)等級(jí)，分別為-3～300 m、>300～350 m、>350～400 m、>400～450 m、>450～500 m、>500 m，并分別賦值1、2、3、4、5、6，如圖2。

1.3.2.2 坡度。

決定水土流失是否發(fā)生的重要因素之一是坡度，通常來(lái)說(shuō)，水土流失與坡度呈正相關(guān)，高坡度地區(qū)發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)增大。根據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）的相關(guān)要求，該研究使用DEM數(shù)據(jù)，計(jì)算黑龍江省的坡度，提取坡度因子并將坡度分為6個(gè)等級(jí)，分別為0～5°、>5°～10°、>10°～15°、>15°～20°、>20°～25°、>25°～90°，分別賦值為1、2、3、4、5、6。

1.3.2.3 溝壑密度。

溝壑密度是判斷地面被河道切割破碎程度的一個(gè)十分必要的重要指標(biāo)，一般情況下，地面破碎程度與溝壑密度呈正相關(guān)。隨著溝壑密度增大，土質(zhì)破碎程度增加，平均坡度逐漸增大，地表物質(zhì)的穩(wěn)定性越差，地表徑流越容易形成，土壤侵蝕越嚴(yán)重，水土流失越嚴(yán)重。因此，溝壑的大小可以反映研究區(qū)域水土流失的嚴(yán)重程度。溝壑密度也稱溝谷密度，指單位面積內(nèi)溝壑總長(zhǎng)度，數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

Ds=LA（1）

式中，Ds為溝壑密度（km/km2）;L為研究區(qū)域內(nèi)溝壑總長(zhǎng)度（km）;A為特定研究區(qū)域的面積（km2）。

1.3.2.4 植被覆蓋度。

枯枝落葉層和植被冠層可以阻攔部分降水并且可以減少雨水對(duì)于土壤的侵蝕，減少一部分地表徑流。而植被的根系在土壤中盤(pán)根錯(cuò)節(jié)固定土壤結(jié)構(gòu)使其穩(wěn)定，防止坡面侵蝕，使泥石流和滑坡等自然災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)減少。因此，植被覆蓋度在該研究中對(duì)于評(píng)價(jià)黑龍江省水土流失情況十分重要。該研究利用黑龍江省2018年預(yù)處理后的遙感影像，在ArcGIS中計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI），再將其轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度，并提取植被覆蓋度因子[16]。NDVI的計(jì)算公式如下：

NDVI=IR-RIR+R（2）

式中，IR為紅外波段的像素值;R為紅光波段的像素值。

根據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）的相關(guān)要求，結(jié)合黑龍江省實(shí)際情況使變化最大可視化，將植被覆蓋度分為6個(gè)等級(jí)，分別為<15%、15%～30%、>30%～40%、>40%～70%、>70%～80%、>80%，并分別賦值為1、2、3、4、5、6。

1.3.2.5 土地利用類(lèi)型因子。不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤侵蝕有不同程度的影響。該研究利用預(yù)處理后的2018年黑龍江省遙感影像，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》（GB/T 210100—2017），并結(jié)合黑龍江省實(shí)際情況，采用ArcGIS圖形將黑龍江省的土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6類(lèi)?；诤邶埥〉幕厩闆r，根據(jù)專(zhuān)家評(píng)估和參考與水土流失相關(guān)文獻(xiàn)，將耕地賦值為1，林地賦值為2，草地賦值為3，水域賦值為4;建設(shè)用地包括城鄉(xiāng)居民、工礦及交通運(yùn)輸用地，賦值為5;其余包括沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石質(zhì)地等未利用土地賦值為6。

1.3.3 水土流失評(píng)價(jià)。

該研究用來(lái)評(píng)價(jià)水土流失強(qiáng)度是根據(jù)土壤侵蝕綜合指數(shù)，其計(jì)算公式為：

W=ni=1（AiBi）（3）

式中，W為土壤侵蝕綜合指數(shù);Ai為第i個(gè)指標(biāo)因子等級(jí)劃分相應(yīng)的賦值;Bi為第i個(gè)指標(biāo)因子的影響權(quán)重;n為指標(biāo)因子數(shù)量，n=5。

根據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007），并結(jié)合黑龍江省的實(shí)際情況，該研究將黑龍江省的高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度、土地利用類(lèi)型因子的權(quán)重分別設(shè)為0.10、0.30、0.20、0.25、0.15，并根據(jù)土壤侵蝕綜合指數(shù)對(duì)水土流失強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行水土流失強(qiáng)度分級(jí)劃分：土壤侵蝕綜合指數(shù)<2.5，侵蝕強(qiáng)度為微度;2.5～3.0，侵蝕強(qiáng)度為輕度;>3.0～3.5，侵蝕強(qiáng)度為中度;>3.5～4.0，侵蝕強(qiáng)度為強(qiáng)度;>4.0～5.0，侵蝕強(qiáng)度為極強(qiáng)度;>5.0，侵蝕強(qiáng)度為劇烈。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因子評(píng)價(jià)

該研究利用GIS和RS遙感影像技術(shù)對(duì)黑龍江省的地理特性及地貌情況進(jìn)行分析，以DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用ArcGIS的方法確定了5個(gè)影響因子，分別為高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度和土地利用類(lèi)型。

利用DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中進(jìn)行溝谷網(wǎng)絡(luò)提取與溝壑密度計(jì)算，得出東北黑土區(qū)的溝壑密度在1.50 km/km2，其中的淺溝和切溝發(fā)生的頻率較高，溝長(zhǎng)小于100 m的以淺溝為主，溝長(zhǎng)100～200 m的淺溝和切溝數(shù)量相當(dāng)，溝長(zhǎng)大于200 m的主要是切溝。

通過(guò)對(duì)黑龍江省2018年不同植被覆蓋度區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，2018年黑龍江省以高植被覆蓋區(qū)（植被覆蓋度>80%）為主，低植被覆蓋區(qū)（植被覆蓋度小于40%）和中植被覆蓋區(qū)（40% ～ 80%）分別占總面積的1.22%和4.75%。從時(shí)間變化來(lái)看，相比王亭月[17]對(duì)2016年黑龍江全省高植被覆蓋區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，2018年高植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)面積持續(xù)增加，中植被覆蓋區(qū)面積減少了1.25萬(wàn)km2，總植被覆蓋面積增加了0.20萬(wàn)km2。

通過(guò)對(duì)黑龍江省2018年不同土地利用區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示（圖3和表1），黑龍江省土地利用類(lèi)型以林地和耕地為主（分別占48.2%和35.1%），其次依次為水域、草地、建設(shè)用地（分別占4.8%、4.5%和4.0%），未利用土地占比最低（3.4%）。黑龍江省不同土地利用面積是不斷轉(zhuǎn)移改變的，計(jì)算2015、2018年黑龍江省不同土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣，

結(jié)果表明（表2和圖4），2018年有14 727.12 km2未利用

土地轉(zhuǎn)化為林地，7 371.92 km2未利用土地轉(zhuǎn)化為草地，這對(duì)保

土固土產(chǎn)生了積極的影響。但2018年，草地退化為林地面積達(dá)10 675.04 km2，草地退化為未利用土地面積達(dá)7 371.92 km2，耕地退化為未利用土地達(dá)6 009.40 km2。黑龍江省未利用土地主要是5%以下植被覆蓋度的沙地以碎礫石為主的戈壁、植被稀少地表鹽堿聚集的鹽堿地以及地勢(shì)平坦低洼，排水不暢的沼澤地等。這些土地很難被利用，規(guī)劃不合理會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 水土流失評(píng)價(jià)

利用ArcGIS軟件對(duì)各影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)各影響因子圖層加權(quán)疊加運(yùn)算侵蝕強(qiáng)度，得到評(píng)估結(jié)果。從表3和圖5可以看出，黑龍江省大部分區(qū)域中的土壤侵蝕強(qiáng)度處于微度，少數(shù)為輕度土壤侵蝕的地區(qū)，沒(méi)有產(chǎn)生極強(qiáng)度土壤侵蝕的地區(qū);僅有部分地區(qū)土壤侵蝕的強(qiáng)度是中度、強(qiáng)度和劇烈，該區(qū)域主要集中于黑龍江省松嫩平原和三江平原附近。

2018年黑龍江省土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主，占黑龍江省水土流失面積的80.2%，占黑龍江省面積的5.930%;輕度水平占黑龍江省水土流失面積的13.4%，占黑龍江省面積的0.099%;中度水平占黑龍江水土流失面積的5.2%，占黑龍江省面積的0.038%;2018年黑龍江省水土流失總面積占研究區(qū)土地總面積的7.38%。結(jié)果表明，黑龍江省水土流失情況逐年加重，應(yīng)該引起重視。

3 結(jié)論與討論

該研究采用GIS和RS遙感影像技術(shù)對(duì)黑龍江省的地理特性及地貌情況進(jìn)行分析，以DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用ArcGIS的方法確定了高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度和土地利用類(lèi)型5個(gè)影響因子。根據(jù)土壤侵蝕綜合指數(shù)對(duì)水土流失強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行水土流失強(qiáng)度分級(jí)劃分，利用ArcGIS軟件對(duì)各影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)各影響因子圖層加權(quán)疊加運(yùn)算侵蝕強(qiáng)度對(duì)水土流失進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，黑龍江省大部分區(qū)域中的土壤侵蝕強(qiáng)度處于微度，少數(shù)為輕度土壤侵蝕的地區(qū)，沒(méi)有產(chǎn)生極強(qiáng)度土壤侵蝕的地區(qū);僅有部分地區(qū)土壤侵蝕的強(qiáng)度是中度、強(qiáng)度和劇烈，該區(qū)域主要集中于黑龍江省松嫩平原和三江平原附近。2018年水土流失總面積占黑龍江省土地總面積的7.38%，黑龍江省水土流失情況逐年加重，應(yīng)該引起重視。需要對(duì)水土流失情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，更需要及時(shí)治理。由于造成黑龍江省水土流失的主要原因有自然地理位置高低不平的缺陷和土地利用不當(dāng)?shù)囊蛩?，因此，需要?qiáng)化農(nóng)地、林地、草地生態(tài)建設(shè)，合理耕種，合理灌溉，因地制宜和科學(xué)管理，加強(qiáng)水土保持的管控，防止人為亂砍濫伐引發(fā)新的水土流失，同時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的保土力度，減少中高區(qū)植被覆蓋向低區(qū)過(guò)渡，采用高科技手段監(jiān)控，合理規(guī)劃與利用土地以便綜合防治水土流失，采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)治理修復(fù)方法對(duì)黑龍江地域所屬的沙地、鹽堿地、戈壁地以及沼澤地進(jìn)行修復(fù)治理，使其向減少水土流失面積的方向發(fā)展。

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