基于遙感技術(shù)的東北黑土區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測研究

張繼真 姜艷艷 張月

［關(guān)鍵詞］ 水土流失；動態(tài)監(jiān)測；遙感技術(shù)；中國土壤流失方程；東北黑土區(qū)

［摘 要］ 東北黑土區(qū)是我國重要的商品糧基地，近年來面臨水土流失嚴(yán)重、面積減小、土壤質(zhì)量下降等問題，已成為目前土壤保護(hù)工作中亟待解決的重要問題。以東北黑土區(qū)2018年和2022年兩期遙感影像與水土保持措施的實地調(diào)查數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，利用目視識別法開展影像解譯，并通過中國土壤流失方程CSLE進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)的計算，對東北黑土區(qū)的水土流失變化情況及原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明：耕地、草地、建設(shè)用地、其他土地面積減少，園地、林地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地面積增加，造林、種草、封育、地埂、水平階/反坡梯田等面積共增加0.84萬km2；對比2018—2022年東北黑土區(qū)的水土流失情況，整體呈向好趨勢，土壤侵蝕面積共減少約1.01萬km2；從侵蝕強(qiáng)度來看，除輕度侵蝕面積增加約0.45萬km2外，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積分別減少約0.43萬、0.24萬、0.28萬、0.51萬km2；從不同省份侵蝕面積變化情況分析，內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟的侵蝕面積減少最多，共減少約0.37萬km2，遼寧省侵蝕面積變化最小，共減少約0.06萬km2；耕地、建設(shè)用地等土地利用類型面積的減少，以及林地、交通運輸用地等土地利用類型面積的增加，均可大幅減少土壤侵蝕面積，同時水土保持措施面積的增加也可有效阻止土壤侵蝕的發(fā)生?？傮w來看，東北黑土區(qū)水土流失治理效果顯著，生態(tài)環(huán)境得到改善，持續(xù)進(jìn)行東北黑土區(qū)水土流失治理對環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

［中圖分類號］ S157；TP79? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.008

水土流失作為全球性災(zāi)害問題，日益受到世界各國的關(guān)注。在農(nóng)業(yè)種植方面，水土流失將導(dǎo)致土壤耕層厚度變薄、肥力削弱、糧食減產(chǎn)等危險[1]。在水利措施方面，水土流失將導(dǎo)致河床泥沙淤積，易引起洪澇災(zāi)害，降低水利工程效益[2]。水土流失動態(tài)監(jiān)測是通過對水土流失的發(fā)生發(fā)展過程、危害程度及水土保持措施的效益進(jìn)行長期監(jiān)測、分析，來明確水土流失的起因與發(fā)展特征[3]。水土流失的強(qiáng)度與降水、植被、地貌、土壤、人為因素等密切相關(guān)，中國土壤流失方程CSLE（Chinese Soil Loss Equation）可基于這些因素對不同地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行定量評價。東北黑土區(qū)作為世界三大黑土區(qū)之一，近年來水土流失問題十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，東北黑土區(qū)現(xiàn)有的侵蝕溝中，長度100～5 000 m的共有29.17萬條，環(huán)境改善問題迫在眉睫[4]。因此，本研究以東北黑土區(qū)2018年和2022年兩期遙感影像與水土保持措施的實地調(diào)查數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，利用目視識別法開展影像解譯，并通過CSLE計算土壤侵蝕模數(shù)，最終對東北黑土區(qū)的水土流失變化情況及原因進(jìn)行分析，以期為東北黑土區(qū)快速準(zhǔn)確地進(jìn)行水土流失成因分析，開展水土流失綜合防治及生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

東北黑土區(qū)范圍涉及黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)的東四盟共246個縣（市、區(qū)、旗），總面積108.75萬km2，屬溫帶、寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，日溫差、年溫差較大，春季干旱多風(fēng)，夏季多降水，冬季多降雪。黑土區(qū)內(nèi)不同地區(qū)年均降水量為400～700 mm，主要集中在7—9月，全年降水量中降雪量所占比例較大。

2 研究方法

2.1 遙感解譯與專題信息提取

遙感解譯主要方法為室內(nèi)解譯與野外調(diào)查驗證相結(jié)合，室內(nèi)解譯依據(jù)解譯標(biāo)志與遙感影像進(jìn)行人工目視解譯，初步獲取土地利用和水土保持措施的解譯成果。野外驗證需要對室內(nèi)影像目視解譯過程中總結(jié)記錄的疑難部分進(jìn)行實地考察，同時對室內(nèi)解譯初步成果進(jìn)行復(fù)核驗證，確保遙感解譯精度。將黑土區(qū)的土地利用類型劃分為8個大類25個小類，分別為耕地（水田、水澆地、旱地）、園地（果園、茶園、其他園地）、林地（灌木林地、有林地、其他林地）、草地（天然牧草地、人工牧草地、其他草地）、建設(shè)用地（城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地、人為擾動用地、其他建設(shè)用地）、交通運輸用地（農(nóng)村道路、其他交通用地）、水域及水利設(shè)施用地（河湖庫塘、沼澤地、冰川及永久積雪）、其他用地（鹽堿地、沙地、裸土地、裸巖石礫地）。水土保持措施劃分為2個大類8個小類，分別為生物措施（造林、種草、封育、生態(tài)恢復(fù)）、工程措施（梯田、地埂、水平階/反坡梯田、水平溝）。

2.2 侵蝕量計算與評價

基于CSLE計算土壤侵蝕模數(shù)，并依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）對侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級。CSLE算法通過降雨侵蝕力因子（R）、土壤可蝕性因子（K）、坡長因子（L）、坡度因子（S）、植被覆蓋與生物措施因子（B）、水土保持工程措施因子（E）、耕作措施因子（T）7個因子相乘獲得土壤侵蝕模數(shù)（A），公式為

A=R·K·L·S·B·E·T（1）

2.3 因子確定

按照《2022年度水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)指南》要求及水利部下發(fā)的部分原始數(shù)據(jù)，開展因子計算與分析，具體方法如下：

1）降雨侵蝕力因子R。獲取站點多年平均1至24個半月降雨侵蝕力，轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)后通過普通克里金空間插值法生成10 m空間分辨率的24個半月降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)累加得到年降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)，最后計算24個半月降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)與年降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)比值得到比例數(shù)據(jù)。

2）土壤可蝕性因子K?；谑占降膹搅餍^(qū)觀測資料和第一次全國水利普查水土保持專項普查中土壤可蝕性因子的計算方法，更新計算土壤可蝕性因子。將所獲土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，生成10 m空間分辨率的K因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

3）坡長及坡度因子L、S?；贏rcGIS軟件中坡度工具（Slope）對東北黑土區(qū)的坡度因子進(jìn)行計算，并通過重采樣獲取分辨率為10 m的L、S因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。依據(jù)坡度數(shù)據(jù)將研究區(qū)的不同土地利用類型劃分為不同等級。

4）植被覆蓋與生物措施因子B。利用MODIS歸一化植被指數(shù)、Landsat影像，通過參數(shù)修訂，得到24個半月30 m空間分辨率的植被覆蓋度，結(jié)合24個半月降雨侵蝕力因子比例和土地利用類型計算B因子。經(jīng)重采樣，生成10 m空間分辨率的B因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

5）水土保持工程措施因子E。根據(jù)解譯獲取的土壤侵蝕地塊屬性表的“工程措施類型或代碼”字段值，查詢水土保持工程措施因子賦值表，獲取水土保持工程措施因子值。經(jīng)重采樣，生成10 m空間分辨率的E因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

6）耕作措施因子T。根據(jù)解譯獲取的土壤侵蝕地塊屬性表的“耕作措施輪作區(qū)代碼”字段值，查詢耕作措施輪作措施賦值表，獲取耕作措施因子值。經(jīng)重采樣，生成10 m空間分辨率的T因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕總體變化情況

基于東北黑土區(qū)2018年和2022年土地利用與水土保持措施解譯結(jié)果，通過CSLE計算土壤侵蝕模數(shù)，再利用《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）對侵蝕結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度分級，獲得2018年和2022年不同侵蝕強(qiáng)度等級的土壤侵蝕面積，見表1。

2018年水土流失面積共約為22.16萬km2。主要為輕度侵蝕，面積約為16.35萬km2，占水土流失面積的73.78%；其次為中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕，面積分別約為3.15萬、1.16萬、0.76萬km2，占水土流失面積的比例分別為14.21%、5.22%、3.44%；極強(qiáng)烈侵蝕面積最小，約為0.74萬km2，占水土流失面積的3.35%（文中面積數(shù)據(jù)為約數(shù)，比例數(shù)據(jù)是根據(jù)精確度更高的數(shù)據(jù)計算得出的官方數(shù)據(jù)，下同）。

2022年水土流失面積共約為21.15萬km2。主要為輕度侵蝕，面積約為16.80萬km2，占水土流失面積的79.40%；其次為中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕，面積分別約為2.72萬、0.92萬、0.46萬km2，占水土流失面積的比例分別為12.86%、4.35%、2.21%；劇烈侵蝕面積最小，約為0.25萬km2，占水土流失面積的1.18%。

2018—2022年水土流失面積動態(tài)監(jiān)測結(jié)果表明，水土流失總體呈現(xiàn)減弱趨勢，侵蝕面積共減少約1.01萬km2。對不同侵蝕強(qiáng)度面積減少比例進(jìn)行統(tǒng)計，劇烈侵蝕面積減幅最大，為67.31%，減少約0.51萬km2；其次為極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、中度侵蝕，減幅分別為37.16%、20.56%、13.64%，分別減少約0.28萬、0.24萬、0.43萬km2。

3.2 不同省份土壤侵蝕變化情況

對2018年和2022年黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟的水土流失情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果為：內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟的水土流失程度較嚴(yán)重，水土流失面積分別約為9.29萬、8.92萬km2，分別占內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟土地面積的23.04%、22.13%；其次為吉林省，水土流失面積分別約為4.26萬、3.99萬km2，分別占吉林省土地面積的22.41%、20.99%；再次為遼寧省，水土流失面積分別約為1.06萬、1.00萬km2，分別占遼寧省土地面積的19.41%、18.31%；黑龍江省水土流失程度較輕，水土流失面積分別約為7.55萬、7.24萬km2，分別占黑龍江省土地面積的17.18%、16.47%。

2018—2022年不同省份水土流失面積動態(tài)監(jiān)測結(jié)果表明，各省水土流失面積均呈現(xiàn)不同程度減少：內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟的水土流失面積減少最多，共減少約0.37萬km2；其次為黑龍江省和吉林省，水土流失面積分別減少約0.31萬、0.27萬km2；遼寧省水土流失面積變化最小，共減少約0.06萬km2。

3.3 侵蝕原因分析

3.3.1 土地利用的影響

植被覆蓋度、土壤性質(zhì)、地形條件、徑流速度等因素對土壤侵蝕的面積及強(qiáng)度存在重要影響[5]，而土地利用類型的變化又對植被覆蓋度、土壤性質(zhì)、地形條件等因素均存在影響，因此根據(jù)土地利用解譯結(jié)果對東北黑土區(qū)2018年和2022年各類型土地利用的面積進(jìn)行了統(tǒng)計。

統(tǒng)計結(jié)果顯示：2018年東北黑土區(qū)主要土地利用類型為林地，占東北黑土區(qū)土地總面積的41.76%，其中有林地面積最大，占土地總面積的39.12%；其次為耕地，占土地總面積的33.29%，耕地中旱地面積最大，占土地總面積的21.27%；再次為草地，占土地總面積的17.44%，草地中天然牧草地面積最大，占土地總面積的14.65%；水域及水利設(shè)施用地、建設(shè)用地、其他土地、交通運輸用地、園地占土地總面積的比例分別為2.53%、2.49%、1.92%、0.52%、0.05%。

2022年東北黑土區(qū)各土地利用類型所占比例與2018年相似：林地面積最大，占東北黑土區(qū)土地總面積的44.82%，其中有林地面積最大，占土地總面積的42.22%；其次為耕地，占土地總面積的31.19%，耕地中旱地面積最大，占土地總面積的24.03%；再次為草地，占土地總面積的16.88%，草地中天然牧草地面積最大，占土地總面積的12.81%；水域及水利設(shè)施用地、建設(shè)用地、其他土地、交通運輸用地、園地占土地總面積的比例分別為2.59%、2.33%、1.40%、0.68%、0.11%。

對比2018—2022年土地利用面積，園地、林地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地面積增加；耕地、草地、建設(shè)用地、其他土地面積減少。

土地利用的變化可對水土流失產(chǎn)生不同影響。園地、林地面積的增加可擴(kuò)大植被的覆蓋面積，有效緩解土壤侵蝕的發(fā)生；交通運輸用地中其他交通用地面積的增加同樣可減少侵蝕的發(fā)生；耕地、建設(shè)用地、其他土地3種地類作為易發(fā)生水土流失的土地利用類型，其面積的減少亦可減少侵蝕的發(fā)生。

3.3.2 水土保持措施的影響

利用生物措施與工程措施進(jìn)行綜合治理可有效控制水土流失。根據(jù)遙感影像解譯與實地調(diào)查結(jié)果，對2018年和2022年的水土保持措施面積進(jìn)行了統(tǒng)計。

2018年水土保持措施面積共0.79萬km2，其中生物措施面積0.17萬km2（造林面積0.04萬km2、種草面積0.01萬km2、封育面積0.12萬km2），工程措施面積0.62萬km2（梯田面積0.42萬km2、地埂面積0.04萬km2、水平階/反坡梯田面積0.16萬km2）。

2022年水土保持措施面積共1.51萬km2，其中生物措施面積0.91萬km2（造林面積0.40萬km2、種草面積0.07萬km2、封育面積0.44萬km2），工程措施面積0.60萬km2（梯田面積0.30萬km2、地埂面積0.10萬km2、水平階/反坡梯田面積0.20萬km2）。

2018—2022年水土保持措施面積共增加0.72萬km2，其中生物措施面積增加0.74萬km2，造林、種草、封育面積均呈現(xiàn)增加趨勢；工程措施面積減少0.02萬km2，其中地埂、水平階/反坡梯田面積增加0.10萬km2，梯田面積則減少0.12萬km2。

生物措施有利于植被恢復(fù)與生態(tài)恢復(fù)，植被的類型、根系、枯枝落葉層等均對水土流失具有較強(qiáng)的影響，生物措施面積的增加可有效減少水土流失面積。水土流失綜合治理體系中，工程措施是重要組成部分，其面積的增加也可有效減少水土流失的面積、降低水土流失的強(qiáng)度。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

東北黑土區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測結(jié)果表明：2018年和2022年土地利用類型均以林地為主，分別占土地總面積的41.76%和44.82%；2018—2022年土壤侵蝕主要以輕度侵蝕為主，整體呈向好趨勢，侵蝕面積共減少約1.01萬km2；從不同省份侵蝕面積變化情況分析，內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟的侵蝕面積減少最多，共減少約0.37萬km2。

4.2 建議

1）增大模型適用性。東北黑土區(qū)地域廣闊，自然氣候與人文背景不盡相同，導(dǎo)致水土流失特征存在差異，為水土流失面積的計算與侵蝕程度評價工作帶來一定困難，因此針對不同區(qū)域模型的適宜性有待進(jìn)一步探討。如根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)特有的侵蝕特征，建議分區(qū)域優(yōu)化完善評價模型，嘗試應(yīng)用多種先進(jìn)的侵蝕模型計算侵蝕模數(shù)，并從中選取精度較高的模型。

2）提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。為提高影像質(zhì)量，建議在進(jìn)行影像幾何校正時對控制點進(jìn)行加密，以保證影像空間配準(zhǔn)的精度。另外，由于影像的時相及季節(jié)變化等導(dǎo)致水域邊界范圍變化明顯，因此建議使用多期不同時相的影像，對影像進(jìn)行淹沒區(qū)與非淹沒區(qū)的分類，由此確定水域的邊界，以得出更加合理的結(jié)果。同時，建議與自然資源、民政、氣象等相關(guān)部門盡早建立數(shù)據(jù)共享長效機(jī)制，每3～5 a更新一次邊界等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測成果服務(wù)于社會、行業(yè)監(jiān)管的能力和水平。

3）加強(qiáng)基礎(chǔ)試驗工作。建議統(tǒng)一林下蓋度的本地化計算方法，分析更新林下蓋度對土壤侵蝕的影響程度，同時結(jié)合國家重點研發(fā)計劃項目，完善侵蝕溝道等區(qū)域的特征監(jiān)測，提高CSLE模型在不同區(qū)域的適用性。

4）加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)工作。采用人工造林、封育管理等方式，持續(xù)推進(jìn)林地立體結(jié)構(gòu)改善、低質(zhì)低效林改造、疏幼林封育管理，恢復(fù)和增大林草覆蓋，促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)自然修復(fù)。加強(qiáng)對現(xiàn)有植被的管護(hù)和撫育，實施疏幼林補(bǔ)植和封禁治理，提升林地質(zhì)量和水土保持功能，減少林地水土流失。

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