曹曉儀，董治寶，2，李 靜，方 蘭，李培雄

（1．陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安710062；2．中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 沙漠與沙漠化重點實驗室，甘肅 蘭州730000）

土壤風蝕（soil erosion by wind）指在風力作用下，松散的地表土壤顆粒發(fā)生位移，從而導(dǎo)致土壤圈破壞或損失的過程，包括土壤顆粒被風吹起，空間搬運和沉降堆積的過程以及地表物質(zhì)受到躍移顆粒落地撞擊而破碎的磨蝕過程［1－2］。土壤風蝕對與人類生存息息相關(guān)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有深刻的影響，是全球性的環(huán)境問題［3］。土壤風蝕致使富含營養(yǎng)元素的細土壤顆粒和有機質(zhì)流失，是土地沙漠化過程的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)［4］，也為沙塵暴提供了物質(zhì)來源［5］。土壤風蝕影響因子如植被覆蓋、土壤結(jié)構(gòu)、氣溫、降水等具有時空變化特征，使土壤風蝕具有時空性，表現(xiàn)出地域差異［3］。近年來，隨著RS和GIS技術(shù)的發(fā)展，宏觀、高分辨率地揭示土壤風蝕空間格局特征成為可能。張國平等［1］利用RS和GIS方法對我國土壤風力侵蝕景觀進行了宏觀的調(diào)查，并就驅(qū)動力進行了分析；師華定等［6－7］通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和FCM 模糊聚類方法對內(nèi)蒙古高原土壤風蝕格局進行了評價，揭示出該區(qū)域風蝕危險度“西高東低，中間過渡”的特點；楊光華等［8］運用GIS技術(shù)和RBFN模型，評價了新疆地區(qū)87個市縣的土壤風蝕危險度，并揭示了新疆地區(qū)土壤風蝕空間格局。以上研究在分析土壤風蝕影響因子的基礎(chǔ)上評價了區(qū)域土壤風蝕危險度，對于指導(dǎo)區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、防沙治沙工程、生態(tài)環(huán)境保護意義重大。

榆 林 市 地 理 坐 標 為 36°37′—39°42′N 和106°11′—112°23′E，氣候?qū)俑珊?、半干旱濕潤氣候過渡區(qū)，冬春季節(jié)干冷多風，年降水量小于400mm，地貌屬于黃土高原與毛烏素沙地南緣、內(nèi)蒙古高原過渡區(qū)。以長城為界，南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，占總面積的58%，北部為風沙草灘區(qū)，占總面積的42%。榆林市的環(huán)境組合特征決定了該區(qū)域極易發(fā)生土壤風蝕，然而針對該區(qū)域土壤風蝕及其危險度評價的研究甚少，本文運用GIS技術(shù)建立區(qū)域土壤風蝕環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫，采用層次分析法（AHP）構(gòu)建土壤風蝕危險度評價模型，對榆林市土壤風蝕危險度進行評價，并揭示其空間格局特征，為制定區(qū)域土壤風蝕防治對策、防沙治沙工程設(shè)計和工程實施提供支持。

1 資料與方法

1．1 土壤風蝕環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

土壤風蝕過程具有復(fù)雜性，影響土壤風蝕過程的主要因子對于風蝕危險性評價、全面認識風蝕形成機制起著至關(guān)重要的作用。景觀尺度下的土壤風蝕空間格局的主要自然環(huán)境因子包括風力、植被、氣溫、降水、土壤性質(zhì)、地形等［9］。本研究以綜合性、主導(dǎo)型、實用性、地帶性、層次性為原則，對環(huán)境因子進行篩選、歸并，選取下述指標進行土壤風蝕危險度評價。

1．1．1 侵蝕性風能 風通過氣流或氣固兩相流的形式將能量傳輸給地表，進而與地表表層土壤發(fā)生作用，產(chǎn)生吹蝕和磨蝕，是土壤風蝕的最根本動力。作用于土壤表面的風能可分為非侵蝕性風能和侵蝕性風能，前者消耗于土壤顆粒之間，后者使土壤顆粒發(fā)生運動，兩者之間的界限是起動風速。本研究也是基于此出發(fā)，采用Fryberger提出的侵蝕性風能公式研究風對土壤風蝕的影響，其計算公式為：

式中：E——侵蝕性風能（m3／s3）；V——大于起動風速的風速（m／s）；Vt——起動風速（m／s），設(shè)置為5m／s；t——V作用的時間，一般用頻率表示。風速數(shù)據(jù)采用榆林市定邊、府谷、橫山、靖邊、佳縣、米脂、清澗、綏德、神木、吳堡、子洲、榆陽12個站點2005—2010年各氣象站觀測的風力數(shù)據(jù)，采用反距離加權(quán)平均（IDW）方法插值獲取區(qū)域侵蝕性風能空間格局特征。榆林市侵蝕性風能在156～203m3／s3，其空間分異格局明顯，從西北向東南方向逐漸遞減，大致以長城和黃土丘陵溝壑地帶為界?？蓪⑵浞譃?個地區(qū)：（1）長城沿線以北風沙草灘區(qū)，主要包括定邊縣大部，靖邊、橫山、榆陽、神木、府谷北部地區(qū)，該區(qū)侵蝕性風能在185～203m3／s3，是陜西省風力最強區(qū)域，春季最大風速可達25～30m／s。（2）長城沿線以南區(qū)域，包括定邊縣南部、靖邊、橫山、榆陽、神木、府谷南部和佳縣大部、吳旗縣北部，該區(qū)侵蝕性風能在165～185m3／s3，春季最大風速可達20m／s。（3）黃土丘陵區(qū)域，包括子洲、米脂、佳縣南部和綏德、吳旗、清澗縣，該區(qū)地處黃土丘陵溝壑區(qū)，侵蝕性風能較小，平均風速多在2m／s以下，侵蝕性風能在156～165m3／s3。

1．1．2 植被覆蓋 植被通過提高地表粗糙度和吸收風能從而降低風力剪切力對地表的侵蝕，可有效抑制土壤風蝕的發(fā)生與發(fā)展［10］；植物的殘余物、根系，土壤有機質(zhì)含量對土壤可蝕性影響也很重要；植被可改善土壤水分狀況，促使土壤形成穩(wěn)固性結(jié)構(gòu)，進而增加土壤抗蝕性。遙感影像的NDVI指數(shù)可很好反映地表植被狀況，NDVI值越大，顯示植被生長越旺盛，覆蓋率越高。考慮到榆林土壤風蝕發(fā)生在冬春季節(jié)，本研究采用 MODIS的2005—2010年1—5月的250m分辨率NDVI產(chǎn)品平均值代表該區(qū)域冬春季節(jié)的植被狀況（圖1）。從圖1可知，冬春季節(jié)，榆林市植被覆蓋較差，植被零星分布于東南部黃土溝壑區(qū)域和河流區(qū)域，低植被覆蓋是導(dǎo)致榆林冬春季節(jié)土壤風濕和沙塵暴的重要因素。

圖1 榆林市歸一化植被指數(shù)（NDVI）分布

1．1．3 土壤干燥度 土壤水分使土壤顆粒間產(chǎn)生黏附力并通過毛管力增大土壤黏聚力，從而使土壤顆粒不易在風力作用下發(fā)生位移［11］。氣溫越高、降雨量越少，土壤越干燥，其抗風蝕性越差。干燥度是表征地表土壤干濕程度的重要指標，一般是以區(qū)域的水分收支和熱量平衡的比值來表示，其計算公式為：

式中：D——干燥度（干燥度實質(zhì)為潛在增發(fā)量與降水量的比值）；P——年降水量（mm）；T＞10℃表示大于10℃的積溫。當D≥2．0屬干旱區(qū)，1．5＞D＜2．0屬半干旱地區(qū)。

張燕卿等［12］研究表明，黃河流域氣象要素回歸分析網(wǎng)格推算較為精確，因此本研究積溫數(shù)據(jù)和降水數(shù)據(jù)采用網(wǎng)格模型推算。以榆林市各氣象站2005—2010年平均降水量P和平均T＞10℃積溫作為因變量，以經(jīng)度X1，緯度X2，海拔高度X3為自變量進行多元回歸分析，得到以下回歸方程。

式（3），（4）中，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別為0．905和0．847，模型精度高，可用于網(wǎng)格推算。在 ArcGIS 9．3平臺下，以250m×250m大小網(wǎng)格為單位，從30m分辨率DEM數(shù)據(jù)中提取網(wǎng)格中心點經(jīng)緯度和海拔高度，分別帶入式（2），（3）中，獲取榆林市的降水量和積溫分布狀況，進而利用式（2）計算土壤干燥度。榆林市處在內(nèi)陸溫帶季風區(qū)邊緣地帶，距離海洋遠，受東南季風影響微弱，其干燥度從西北向東南由干旱區(qū)向半干旱區(qū)過渡，干旱區(qū)主要集中在毛烏素沙地和內(nèi)蒙古高原，半干旱區(qū)主要集中在東南黃土丘陵溝壑地帶。

1．1．4 地形起伏度 地形主要通過地表粗糙度影響土壤抗風蝕性能。地形平坦區(qū)域，土壤風蝕較為強烈，且多呈片狀分布，而在崎嶇破碎區(qū)域，地表粗糙度大，進而增強土壤顆?？癸L蝕性，且垂直地帶性特征使高大且陡峭地區(qū)的風力侵蝕程度整體減弱［6］。地形的抗風蝕性可用單位面積內(nèi)的高程差，即地形起伏度表征。在ArcGIS 9．3平臺下，以250m×250m柵格為單元，在30m精度的DEM中計算柵格內(nèi)高差，獲取地形起伏度柵格數(shù)字矩陣（圖2）。榆林市地勢由西北向東南逐漸降低，北部風沙區(qū)海拔高度較高，地勢平坦，地形起狀度小，高差平均26m／km2，而東南部黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔相對較低，地形起伏度較大，多在75m／km2，最大處為274m／km2，地形崎嶇破碎。冬春季節(jié)，在強烈的冬季西北風的驅(qū)動下，位于西北高地勢地區(qū)的毛烏素沙地極易向地勢較低的西南黃土溝壑地區(qū)輸送沙粒物質(zhì)，致使沙漠化向東南擴展造成土地沙漠化。

圖2 榆林市地形起伏度分布

1．1．5 沙地面積比例 土地利用方式及其強度是影響土壤風蝕的重要因子，沙區(qū)地表裸露、質(zhì)地松散、植被覆蓋差、進而影響區(qū)域土壤風蝕強度和范圍。沙地所占比例越大，土壤風蝕的危險性就越大。以250m×250m網(wǎng)格為單位，利用ArcGIS 9．3平臺統(tǒng)計功能提取沙地面積比例，其中沙漠分布數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心獲取的1∶10萬沙漠分布圖。榆林市沙漠類型分布主要為流動沙地、半流動沙地、半固定沙地，分布有明顯地帶性特征。流動沙地、半流動沙地、半固定沙地由榆林東南緣向東北部逐漸過渡。其中流動沙地分布最廣泛，面積為7 876．903km2，占榆林市總面積18．21%，集中在毛烏素沙地南緣地帶；半流動沙地面積為718．544km2，占總面積的1．65%，集中分布在榆陽區(qū)；半固定沙地面積為4 817．187km2，占總面積的11．05%，集中分布在榆陽區(qū)東北部和神木縣大部。

1．2 土壤風蝕危險度評價

1．2．1 數(shù)據(jù)標準化 各環(huán)境因子數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為柵格大小為250m×250m的GRID文件，采用Albers等積圓錐投影，中央經(jīng)線為109°E，雙標準緯線為37°N和39°N。為消除各環(huán)境因子在量綱上的不統(tǒng)一和因子自身變異大小和數(shù)值大小的影響，故將轉(zhuǎn)換后的GRID數(shù)據(jù)進行極差標準化處理，使處理后的每個像元的值范圍在（0，1）之間，且沒有量綱差異，其計算公式為：

式中：Xi——每個像元標準化后的數(shù)值；xi——每個像元的實際值；xmin，xmax——像元的最小值與最大值。

1．2．2 確定權(quán)重 區(qū)域環(huán)境因子和生態(tài)背景共同控制著土壤風蝕，因此確定各因子對土壤風蝕貢獻在危險性評價過程中相當重要。層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種定性、定量的系統(tǒng)化、層次化的結(jié)合方法，在評價過程中，既集成了專家的知識經(jīng)驗，又不缺乏數(shù)學基礎(chǔ)，可運用于土壤風蝕危險性評價，其權(quán)重確定過程如下：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。在分析土壤風蝕影響因子的基礎(chǔ)上建立土壤風蝕層次結(jié)構(gòu)模型，即目標層為土壤風蝕危險度，指標層為上述各環(huán)境因子。

（2）構(gòu)造成對判斷矩陣。根據(jù)資料、專家意見和研究人員的經(jīng)驗確定指標層各元素對目標層的重要性排序［4，10－11，13－15］，用成對比較法和1～9比較尺度構(gòu)造成對判斷矩陣（表1）。

表1 土壤風蝕因子權(quán)重判斷矩陣

（3）計算權(quán)重向量及一致性檢驗。首先計算判斷矩陣特征向量W及最大特征根λmax，其中，特征向量W為權(quán)重值，然后利用一致性指標（IC）、隨機一致性指標（IR）和一致性比率（RC）做一致性檢驗。當RC＜0．1時，一般認為判斷矩陣具有滿意一致性，否則必須重新調(diào)整判斷矩陣，直到具有滿意一致性。本研究判斷矩陣RC＝0．006 6，小于0．1，說明選擇的權(quán)重合理，可用于土壤風蝕危險性評價。

1．2．3 評價模型 本研究采用加權(quán)求和的方法構(gòu)建榆林市土壤風蝕危險度模型，其計算公式為：

式中：R——土壤風蝕危險度；wi——第i個環(huán)境因子的權(quán)重；ri——第i個環(huán)境因子的評價權(quán)重值。基于該模型，在ArcGIS 9．3支持下，采用柵格計算器將標準化后的侵蝕性風能、植被覆蓋度、土壤干燥度、地形起伏度、沙地面積比進行疊加分析，得到榆林市土壤風蝕危險度空間分異格局圖（圖3）。由于植被覆蓋度、地形起伏度與土壤風蝕成反比，為逆指標，在賦權(quán)重過程中用1與其作差后的新值用于土壤風蝕評價。

圖3 榆林市土壤風蝕危險度空間格局

2 結(jié)果與討論

榆林市位于內(nèi)蒙古高原、黃土高原、毛烏素沙地過渡地帶，地處內(nèi)陸，其氣溫、降水、風況與大陸性季風環(huán)流有密切聯(lián)系，因此土壤風蝕危險度格局表現(xiàn)為西北向東南逐漸降低，且呈帶狀分布。結(jié)合《土壤侵蝕分類分級標準》關(guān)于土壤風蝕的標準及已有的研究成果作為參照［1，16］，本研究將榆林市土壤風蝕危險度分為輕險型、危險型、強險型、極險型4種類型。

（1）輕險型。主要分布在榆林市東南部，包括清澗縣、綏德縣、吳堡縣、米脂縣大部、子洲縣大部、佳縣南部，其面積為4 873．659km2，占榆林總面積11．18%。該區(qū)域地貌上屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地形起伏度大，植被覆蓋較高、沙地比例較低、風力作用小，土壤風蝕危險度較低。如清澗縣地貌上屬典型溝壑丘陵地帶，地表支離破碎，平均海拔高度在900m左右，高差600m余，地形起伏度較大，年均降水量約400mm，平均氣溫10℃左右。千溝萬壑的地形阻擋了氣流對地表的吹蝕，相對濕潤的氣候增加了地表土壤顆粒的起動風速，因此，區(qū)域風蝕危險性較小，屬輕險型。

（2）危險型。主要分布在佳縣東南部，子洲縣西北部，靖邊縣、橫山縣、榆陽區(qū)、神木縣、府谷縣東南部，位于輕險區(qū)的西北部，面積為21 903．874km2，占榆林市總面積50．26%，分布面積最為廣泛。該區(qū)域地處毛烏素沙地與黃土高原的交界地帶，地勢相對平坦，植被覆蓋差，易發(fā)生土壤風蝕，是土壤風蝕危險區(qū)域。如佳縣位于毛烏素沙漠南緣，面積2 144km2，氣候干燥，日照時間長，光熱資源豐富，降水量在380mm左右，土壤較為干燥。北部片沙區(qū)面積占全縣總面積的1／3左右，冬春季節(jié)，西北季風強盛，植被覆蓋差，易發(fā)生土壤風蝕，屬危險型區(qū)域。

（3）強險型。主要分布在定邊縣東南部、靖邊縣、橫山縣、榆陽區(qū)、神木縣、府谷縣東北部，呈帶狀分布，與危險型大致以長城為界，其面積為14 656．640km2，占榆林市總面積33．63%。該區(qū)域主體上為毛烏素沙地，位于長城沿線以北的風沙區(qū)，地勢平坦，植被覆蓋差，沙地分布廣泛，地表沉積物松散，地表粗糙度小，致使該區(qū)域在西北季風的控制下極易發(fā)生土壤風蝕。例如榆陽區(qū)境內(nèi)以長城為界，沿北為風沙草灘區(qū)，約占總面積的65%，沙區(qū)植被覆蓋低下，地勢高且平坦，降水稀少，極易發(fā)生土壤風蝕。

（4）極險型。主要分布在定邊縣西北部、榆陽區(qū)、神木縣東北部零星分布。定邊縣位于黃土高原與內(nèi)蒙古鄂爾多斯荒漠草原過渡地帶，地貌上北部為毛烏素沙漠南緣風沙灘區(qū)，占總面積的47．22%，地勢高，春多風，冬嚴寒，日照充足，年均氣溫7．9℃，年平均日照2 743．3h，年均降雨量316．9mm，植被退化嚴重，風力作用強盛，是榆林市風能資源最豐富地區(qū)之一，風沙活動頻繁，是西北季風主要通道之一，冬春季節(jié)極易發(fā)生土壤風蝕。

3 結(jié) 論

依據(jù)土壤風蝕理論和榆林市環(huán)境背景，建立起土壤風蝕環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫，依據(jù)已有成果和專家經(jīng)驗，建立層次分析模型，對榆林市土壤風蝕危險度進行評價。

（1）基于GIS技術(shù)和土壤風蝕理論構(gòu)建風蝕環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫，利用已有研究成果和專家知識經(jīng)驗，運用層次分析法進行土壤風蝕危險度評價可宏觀地揭示榆林市土壤風蝕危險度空間格局分異特征。

（2）風力、植被、氣溫、降水、地形、土地類型是影響土壤風蝕空間格局的重要因素，控制著土壤風蝕空間分異格局。

（3）榆林市土壤風蝕危險度可分為輕險型、危險型、強險型、極險型，輕險區(qū)面積為4 873．659km2（11．18%），危險區(qū)面積21 903．874km2（50．26%），強險區(qū)面積2 143．827km2（4．91%），極險區(qū)面積14 656．640km2（33．63%）。

（4）受地形、土壤及氣候因素影響，榆林市土壤風蝕危險度空間分異格局表現(xiàn)為危險度從西北向東南逐漸降低，且呈帶狀分布。

（5）土壤風蝕危險度空間格局可反映風蝕的強度、驅(qū)動因子、發(fā)展方式，對于防沙治沙工程有直接指導(dǎo)作用。

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