大興安嶺地區(qū)土壤侵蝕空間分布特征研究

張?jiān)~博,盧文宇,吳夏萍, 李 巍*

(1.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150022;2.衢州市測(cè)繪院,浙江衢州 324000)

大興安嶺地區(qū)是國(guó)家重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)和天然林主要分布區(qū)之一,對(duì)東北、華北地區(qū)的生態(tài)充當(dāng)著屏障作用。自林區(qū)開發(fā)建設(shè)以來(lái),生態(tài)功能明顯弱化,根據(jù)第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),該林區(qū)水土流失面積為22 735 km2。土壤侵蝕則是造成區(qū)域內(nèi)水土流失、旱澇頻發(fā)、濕地功能減弱、氣候變劣等各種環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的主要原因之一。因此,研究大興安嶺地區(qū)的土壤侵蝕對(duì)于保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

常用的土壤侵蝕模型包括USLE、RUSLE等。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷那治g因子角度入手,在大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過(guò)觀測(cè)資料和統(tǒng)計(jì)技術(shù),研究侵蝕量與降雨、植被、土壤、地形、水土保持措施等因子之間的關(guān)系式,沒(méi)有具體考慮土壤在外力作用下的侵蝕過(guò)程,從宏觀上反映了土壤侵蝕量。該研究采用黑龍江省水土保持科學(xué)研究所提出的《黑龍江省土壤流失方程》[1],根據(jù)黑龍江的實(shí)際情況對(duì)各因子的數(shù)值進(jìn)行了全面修改,因此更適用于大興安嶺地區(qū)的土壤侵蝕研究。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況大興安嶺地處黑龍江省西北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部,是我國(guó)最北部邊疆。大興安嶺地區(qū)系新華夏系第三隆起代北段之地質(zhì)帶,全區(qū)最高海拔為1 528 m,山脈走向多呈北西向,山頂多呈渾圓狀。區(qū)域?qū)俸疁貛Т箨懠撅L(fēng)性氣候,冬季漫長(zhǎng)寒冷,夏季溫涼短暫,年降水量約450 mm。林區(qū)主要土壤類型為棕色針葉林土、暗棕壤、草甸土和沼澤土等,林區(qū)植被是我國(guó)唯一的寒溫帶明亮針葉林群落。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源降雨數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。DEM數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云ASTER GDEM 30 m×30 m分辨率產(chǎn)品。土壤數(shù)據(jù)綜合參考的是楊曉輝等[2]提出的《大興安嶺東部林區(qū)水土保持功能初步評(píng)價(jià)》以及張科利等[3]提出的《中國(guó)土壤可蝕性值及其估算》中的研究成果。表征植被覆蓋情況NDVI數(shù)據(jù)參考的是蔡崇法等[4]、張憲奎等[1]以及張雪花等[5]的研究結(jié)果。

2 研究方法

2.1 土壤侵蝕模型選擇采用美國(guó)Wischmeier等1965年提出的通用土壤流失方程USLE。方程適用于坡耕地、林地、草地等穩(wěn)定溝系的水力侵蝕。大興安嶺耕地多為坡耕地且植被覆蓋率高,林地資源豐富,符合模型的使用條件。

USLE模型的表達(dá)式見式(1)。

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中:A為單位面積多年平均土壤流失量[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·h)/(MJ·mm)];L為坡長(zhǎng)因子(m);s為坡度因子(%);C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。結(jié)合GIS,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及計(jì)算形成各因子圖,最后通過(guò)對(duì)各因子的疊加運(yùn)算,獲取土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖。

2.2 地形位與分布指數(shù)地形位指數(shù)是為了定量分析年均土壤侵蝕模數(shù)、空間格局與地形梯度的變化關(guān)系而引入的,該研究采用計(jì)算地形位指數(shù)來(lái)度量地形梯度[9],計(jì)算公式見式(2)。

(2)

為了便于說(shuō)明土壤侵蝕在不同地形因子上出現(xiàn)的頻率,揭示其空間分布特征,引入分布指數(shù),計(jì)算公式見式(3)。

P=(Sie/Si)/(Se/S)

(3)

式中:P為分布指數(shù);Sie為e地形位特定等級(jí)(1～15級(jí))下第i侵蝕等級(jí)(微度、輕度、中度侵蝕)土壤的面積,Si為研究區(qū)第i侵蝕等級(jí)土壤的總面積,Se為整個(gè)研究區(qū)內(nèi)e級(jí)地形位的總面積,S為整個(gè)研究區(qū)域的面積。土壤侵蝕類型出現(xiàn)頻率隨P值變大而變高。

將地形位指數(shù)、高程、坡度和坡長(zhǎng)在各自取值范圍內(nèi)按等間斷分成15個(gè)等級(jí),并用式(3)計(jì)算其分布指數(shù),以便后續(xù)分析土壤侵蝕特征時(shí)使用。

2.3 USLE各因子的確定

2.3.1降雨侵蝕力因子R值。該研究收集了大興安嶺分布地氣象站點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù),利用空間插值法獲得降雨量分布圖,考慮到大興安嶺降雪凍融帶來(lái)的侵蝕力Rs,魏氏提出侵蝕力Rs為地區(qū)12月—翌年3月降雨量的0.059 1倍,Rs=0.059 1P12-3。因此,該研究在利用Wischmeier提出的經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上選取了適用于研究區(qū)的R值計(jì)算的修正公式,見式(4)。

(4)

式中:Pi為各月降水量;P為年降水量;P12-3為12月—翌年3月份降水量。

2.3.2土壤可侵蝕性因子K值。土壤可侵蝕性因子反應(yīng)土壤可蝕性,表現(xiàn)為雨滴和地表水沖擊下土壤被剝離的難易程度[6]。結(jié)合大興安嶺地區(qū)土地利用類型及農(nóng)事活動(dòng)情況并參考楊曉輝等[2]以及張科利等[3]的研究成果綜合確定K值:暗棕壤、棕色針葉林土、暗色灰甸土、沼澤土分別為0.280 0、0.038 1、0.026 3、0.022 5 (t·h)/(MJ·mm)。

2.3.3坡度坡長(zhǎng)因子LS值。在USLE模型中用坡度L與坡長(zhǎng)S組成地形因子LS。各地區(qū)的坡度坡長(zhǎng)對(duì)侵蝕的影響存在區(qū)域異質(zhì)性,大興安嶺地區(qū)適合采用張先奎等[1]提出的LS計(jì)算公式,見式(5)。

LS=(λ/20)0.18×(α/8.75)1.3

(5)

式中:λ為坡長(zhǎng);α為坡度,取百分?jǐn)?shù)值形式。

2.3.4植被覆蓋度因子C值。不同的植被類型對(duì)防止侵蝕的作用差別較大,大興安嶺地區(qū)主要由森林、灌叢、草地和農(nóng)業(yè)植被構(gòu)成。參考蔡崇法等[4]的觀測(cè)結(jié)果與得到的坡面產(chǎn)沙量與植被覆蓋度的數(shù)學(xué)關(guān)系,并結(jié)合張憲奎等[1]、張雪花等[5]的研究成果,利用土地類型面積權(quán)重計(jì)算每公里網(wǎng)格C值(表1)。

表1 大興安嶺地區(qū)C值Table 1 C-values in the Greater Khingan Mountains region

2.3.5水土保持因子P值。水土保持工程措施因子P是指采用專門措施后的土壤流失量與順坡耕作時(shí)的土壤流失量的比值。一般沒(méi)有進(jìn)行水土保持措施的研究區(qū)P值為1,其他情況P值在0～1。參考美國(guó)農(nóng)業(yè)部手冊(cè)703號(hào)和土地利用類型的相關(guān)研究成果得到P值:耕地、經(jīng)濟(jì)林地、疏林地、草原草地、沼澤、裸地分別為0.35、0.10、0.20、0.20、0.10、0.50。將USLE方程所需的各因子轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式得到柵格圖(圖1)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕空間分布將各因子通過(guò)ArcGIS環(huán)境下的柵格計(jì)算器得到土壤侵蝕量空間分布圖(圖2),并根據(jù)水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—1996)[8],按照研究區(qū)的土壤侵蝕量來(lái)進(jìn)行分級(jí)(表2)。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standards for soil erosion intensity 單位:t/(km2·a)

圖1 各因子分布Fig.1 Distribution of factors

利用掩膜提取耕地、林地、草地、沼澤、裸地等土地類型的土壤侵蝕情況(表3)。

表3 各土地類型土壤侵蝕情況Table 3 Soil erosion of different land types

該研究只針對(duì)發(fā)生土壤侵蝕的土地類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,研究區(qū)整體屬于微度侵蝕水平。土壤侵蝕類型主要是微度侵蝕和輕度侵蝕,侵蝕面積分別為58 971、1 141 km2,占侵蝕總面積的98.04%、1.90%。輕度侵蝕基本只有在耕地、草地、林地中發(fā)生,且只有2.259%的耕地屬于中度侵蝕,其余土地類型幾乎沒(méi)有發(fā)生中度侵蝕。

3.2 不同海拔高程土壤侵蝕特征分析根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況將高程分為[150.00,234.47)、[234.47,318.93)…[1 332.53,1 417.00)間隔為84.466 666 67的等間隔15級(jí)。不同海拔高程土壤侵蝕分布特征見圖3。

微度侵蝕在高程為1～5級(jí)上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),但由于分布指數(shù)過(guò)小,因此不是區(qū)間內(nèi)主要侵蝕類型。在5～15級(jí)的高程,微度侵蝕總體呈現(xiàn)為分布指數(shù)大于1的遞增趨勢(shì),因此微度侵蝕主要分布在5～15級(jí)的高程上。這是因?yàn)榇笈d安嶺地區(qū)的5～15級(jí)高程上人類活動(dòng)痕跡較少,林地資源密布,土壤侵蝕程度較低。

圖2 土壤侵蝕模數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil erosion modulus

輕度侵蝕在高程為1～6級(jí)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),在高程為6～11級(jí)基本沒(méi)有輕度侵蝕分布。高程1級(jí)的土壤輕度侵蝕分布指數(shù)最大,對(duì)應(yīng)高程等級(jí)下沼澤、河流、人工林密布,有一定數(shù)量的耕地,但是林地覆蓋率并不高,因此水土流失會(huì)比較嚴(yán)重,土壤侵蝕程度增加。

中度侵蝕則只在高程為1～3級(jí)分布并呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。中度侵蝕在1級(jí)高程上大量分布,此高程等級(jí)由于地勢(shì)較低,人類活動(dòng)最為活躍,耕地與水源密布。受人類影響,林地資源被開發(fā)嚴(yán)重,導(dǎo)致水土流失加劇,是研究區(qū)土壤侵蝕最嚴(yán)重的高程等級(jí)。

微度侵蝕在每個(gè)高程都有分布,但不是所有的土壤侵蝕強(qiáng)度在各級(jí)高程上都有分布。各高程等級(jí)上各土壤侵蝕強(qiáng)度分布頻率不同,因此研究區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度與海拔無(wú)直接線性關(guān)系。

圖3 土壤侵蝕模數(shù)隨高程分布指數(shù)Fig.3 Distribution index of soil erosion modulus with elevation

3.3 不同坡度土壤侵蝕特征分析根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況將坡度分為[0°,0.8°),[0.8°,1.6°),…,[11.2°,12.0°)間隔為0.8°的等間隔15級(jí)。不同坡度土壤侵蝕分布特征見圖4。

微度侵蝕在1～2、5～15坡度等級(jí)上分布指數(shù)大于1且呈遞增趨勢(shì),在坡度等級(jí)為11～15級(jí)時(shí)微度侵蝕分布指數(shù)達(dá)到最大值且相等,在坡度等級(jí)為3級(jí)時(shí)分布指數(shù)出現(xiàn)最低值。由此推斷,2級(jí)坡度微度侵蝕分布指數(shù)大于1,因此2級(jí)坡度有大量耕地覆蓋;3級(jí)坡度土地類型為河流階地;5～15級(jí)坡度主要是低山、丘陵與耕地等平地交界處,是人類活動(dòng)開墾破壞土壤,獲得耕地的主要區(qū)域。

輕度侵蝕只在1～7級(jí)坡度上分布并呈現(xiàn)先減少后增加再遞減的趨勢(shì),在坡度等級(jí)為3～5級(jí)時(shí)分布指數(shù)大于1。推斷分析得知坡度等級(jí)為3～5級(jí)時(shí)所對(duì)應(yīng)的土地類型為陡坡旱地、撂荒地、荒山、次生林、水保林等。經(jīng)過(guò)人類的砍伐與放牧活動(dòng),水土流失較為嚴(yán)重。

中度侵蝕只有在1～2級(jí)坡度上分布,該侵蝕類型面積小且分布較為分散,主要是人類毀林開荒導(dǎo)致植被覆蓋率降低加劇了水土流失。

可見該區(qū)域除了受到地形因素影響外,人類活動(dòng)是造成土壤侵蝕的主要原因,因此在開發(fā)區(qū)域資源的同時(shí)也要做到對(duì)土地的合理利用。

圖4 土壤侵蝕模數(shù)隨坡度分布指數(shù)Fig.4 Distribution index of soil erosion modulus with slope

3.4 不同坡長(zhǎng)土壤侵蝕特征分析微度侵蝕在所有坡長(zhǎng)等級(jí)上都有分布,并在1～15級(jí)坡長(zhǎng)上呈遞增趨勢(shì),在1～3級(jí)坡長(zhǎng)上隨著坡長(zhǎng)的增加,分布指數(shù)急劇上升。觀察微度侵蝕坡長(zhǎng)分布指數(shù)圖可見微度侵蝕隨波長(zhǎng)變化是有規(guī)律的,微度侵蝕的出現(xiàn)頻率隨波長(zhǎng)等級(jí)變大而變高,且侵蝕頻率增加的速率也與坡長(zhǎng)等級(jí)范圍相關(guān)。不同坡長(zhǎng)土壤侵蝕分布特征見圖5。

輕度侵蝕只在坡度等級(jí)為1～8級(jí)的坡長(zhǎng)上分布,且在1～2級(jí)坡長(zhǎng)上出現(xiàn)遞減趨勢(shì),并在2～4級(jí)坡長(zhǎng)上出現(xiàn)遞增趨勢(shì)。在1～2級(jí)的坡長(zhǎng)上由于植被覆蓋度情況較好,因此雖然坡長(zhǎng)等級(jí)變大但輕度侵蝕分布指數(shù)不升反降。在2～4級(jí)坡長(zhǎng)則因?yàn)橹脖桓采w情況不佳,侵蝕分布指數(shù)反而增加。

中度侵蝕只在坡長(zhǎng)等級(jí)為1～3級(jí)分布,在坡長(zhǎng)等級(jí)在2～3級(jí)分布指數(shù)反而降低,國(guó)外學(xué)者研究證實(shí),隨著坡長(zhǎng)等級(jí)的增加,徑流挾沙量增多,但當(dāng)徑流的侵蝕強(qiáng)度達(dá)到峰值后其侵蝕能力會(huì)隨坡長(zhǎng)等級(jí)的增加而減弱。

圖5 土壤侵蝕模數(shù)隨坡長(zhǎng)分布指數(shù)Fig.5 Distribution index of soil erosion modulus with slope length

4 結(jié)語(yǔ)

利用GIS和RS技術(shù),結(jié)合USLE方程作為評(píng)價(jià)模型,來(lái)估算大興安嶺地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)。通過(guò)空間疊加法實(shí)現(xiàn)了土壤侵蝕空間特征的定量化分析,并利用構(gòu)建的分布指數(shù)探討了研究區(qū)土壤侵蝕在不同海拔、坡度、坡長(zhǎng)縱向上的空間分布特征。從得到的土壤侵蝕模數(shù)分布圖(圖2)上也得知了土壤侵蝕強(qiáng)度的橫向空間分布:大興安嶺地區(qū)北部區(qū)域土壤幾乎只是微度侵蝕;西南部區(qū)域土壤以微度侵蝕為主,部分區(qū)域發(fā)生輕度侵蝕;東南部區(qū)域土壤已經(jīng)出現(xiàn)較大比重的輕度、中度侵蝕。

針對(duì)大興安嶺地區(qū)出現(xiàn)的土壤侵蝕問(wèn)題,各級(jí)部門可以采用遙感技術(shù)定期分析土壤侵蝕情況,并及時(shí)對(duì)惡化現(xiàn)象制定解決方案。雖然研究區(qū)整體的屬于微度侵蝕,但空間分布上,局部地區(qū)水土流失嚴(yán)重。在[150.00,318.93)高程帶中,出現(xiàn)土壤輕度侵蝕和中度侵蝕情況,各級(jí)部門應(yīng)當(dāng)做好防范工作,防止土壤侵蝕強(qiáng)度增大。在[0,1.6°)坡度,由于人類活動(dòng)頻繁導(dǎo)致土壤侵蝕較為嚴(yán)重,各級(jí)部門應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)對(duì)該坡度的水土保持工作進(jìn)行監(jiān)控,防止侵蝕面積的擴(kuò)大。通過(guò)坡長(zhǎng)等級(jí)為1～2出現(xiàn)的情況得知,良好的植被覆蓋情況可以有效解決坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響,因此在指定水土保持措施時(shí),應(yīng)當(dāng)重視保護(hù)與增加植被覆蓋。