吳 丹,王 燕 ,鄒長新 ,2*,王麗霞,尤 鑫

1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042

2.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

3.中共江西省委黨校研究所,江西 南昌 330003

山東省土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)及其空間分布特征

吳 丹1,王 燕1,鄒長新1,2*,王麗霞1,尤 鑫3

1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042

2.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

3.中共江西省委黨校研究所,江西 南昌 330003

土壤侵蝕是地質(zhì)、地貌、氣候、土壤、植被以及人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。本文以通用土壤流失方程為基礎(chǔ)，選取了降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤可蝕性及植被覆蓋等因子作為土壤侵蝕敏感性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)山東省土壤侵蝕敏感性的影響因子進(jìn)行了分級(jí)和綜合評(píng)價(jià)，明確了山東省土壤侵蝕發(fā)生的可能程度及空間分布特征。結(jié)果表明：山東省土壤侵蝕敏感性以輕度和中度為主，輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)面積8.48×104km2，占全省陸域面積的53.69%。空間分布差異明顯，魯中南山地丘陵區(qū)土壤侵蝕敏感性程度最高，其次為膠東丘陵區(qū)，魯西南與魯西北黃泛平原區(qū)土壤侵蝕敏感性較弱。

土壤侵蝕;敏感性評(píng)價(jià);空間分布;山東省

土壤侵蝕敏感性是指在自然狀況下，發(fā)生土壤侵蝕可能性的大小及其程度。土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)是根據(jù)區(qū)域土壤侵蝕的形成機(jī)制，識(shí)別容易產(chǎn)生土壤侵蝕的區(qū)域，評(píng)價(jià)土壤侵蝕對(duì)人類活動(dòng)的敏感程度、地區(qū)范圍和分布規(guī)律[1,2]。受氣候條件、地形地貌及人為因素的影響，山東省是全國水土流失比較嚴(yán)重的省份之一，全省水土流失面積3.6×104km2，占土地總面積的22.78%，主要分布在魯西北黃泛平原區(qū)、膠東半島地區(qū)和魯中南山地丘陵區(qū)[3-6]。因此，開展土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)，識(shí)別容易發(fā)生土壤侵蝕的區(qū)域，對(duì)于山東生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文選取降雨侵蝕力、土壤質(zhì)地、地形起伏與地表覆蓋因子，在GIS技術(shù)支持下，對(duì)山東省土壤侵蝕敏感性進(jìn)行單因子與多因子的綜合分析與評(píng)價(jià)，揭示土壤侵蝕不同敏感程度的空間分異特征。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于中國東部沿海、黃河下游，北緯 34°22.9′-38°24.01′、東經(jīng) 114°47.5′-122°42.3′之間。境域包括半島和內(nèi)陸兩部分，山東半島突出于渤海、黃海之中，與遼東半島隔海相望；內(nèi)陸部分自北而南與河北、河南、安徽、江蘇4省接壤，總面積15.8×104km2。

境內(nèi)地貌主要特征是中部山地突起，以泰山、魯山、沂山、蒙山和徂崍山等海拔千米以上的中山構(gòu)成魯中南山地的主體；西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯(cuò)環(huán)列其間的地形大勢(shì)（圖1）。氣候類型屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、干濕顯著、雨熱同季的特點(diǎn)。水系發(fā)育，全省有70多條干流和一級(jí)支流，分屬黃河、淮河及海河三大水系。

圖1 山東省海拔高度圖Fig.1 Elevation of Shandong province

1.2 研究方法

根據(jù)原國家環(huán)?？偩职l(fā)布的《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》[7]及其他相關(guān)研究[8-13]，選取降水侵蝕力（R）、土壤可蝕性（K）、坡度坡長因子（LS）和地表覆蓋因子（C）等指標(biāo)對(duì)區(qū)域土壤侵蝕敏感性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。在ArcGIS中，將反映各因子對(duì)土壤侵蝕敏感性的單因子評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行乘積運(yùn)算，公式如下：

式中，SSj為j空間單元的土壤侵蝕敏感性指數(shù)，Si為i因子的敏感性等級(jí)值，不同評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)的敏感性等級(jí)值見表1。采用自然分界法將乘積結(jié)果分成5類，即一般敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感，得到山東省土壤侵蝕敏感性分級(jí)圖。

表1 土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)賦值Table 1 Evaluation index and classification standard of soil erosion sensitivity

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

1.3.1 降雨侵蝕力 降雨是引起水土流失的最重要因子，降雨侵蝕力大小與土壤侵蝕強(qiáng)度有直接的關(guān)系[9,14]。章文波等（2002）[15]基于日降雨資料，建立了半月尺度的降雨侵蝕力模型，年降雨侵蝕力為半月降雨侵蝕力的累加值，公式如下：

式中，Mi為某半月時(shí)段的降雨侵蝕力值（MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）；Pj為半月時(shí)段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量（要求日雨量大于等于12 mm，否則以0計(jì)算）；k表示半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)，半月時(shí)段的劃分以每月第15 d為界，每月前15 d作為一個(gè)半月時(shí)段，該月剩下部分作為另一個(gè)半月時(shí)段，將全年依次劃分為24個(gè)時(shí)段。

降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）。首先利用2000～2010年山東省109個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日降雨數(shù)據(jù)，代入上述公式計(jì)算各站點(diǎn)的α、β值，然后計(jì)算逐年各半月的降雨侵蝕力，經(jīng)累加得到年度降雨侵蝕力。采用基于薄片樣條理論的ANUSPLIN[16,17]方法進(jìn)行插值，得到年降雨侵蝕力的空間分布。

1.3.2 地形起伏度 地形起伏是導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生的直接因素，地形起伏度適用于區(qū)域尺度土壤侵蝕評(píng)價(jià)的地形指標(biāo)。劉新華等（2001）[18]通過研究表明中國水土流失地形起伏度的最佳分析窗口為5 km×5 km。以公開發(fā)布的SRTM 90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用ArcGIS空間分析（Spatial Analyst）模塊中的領(lǐng)域分析工具（Neighborhood Statistic）提取研究區(qū)的地形起伏度。

1.3.3 土壤可蝕性 土壤是土壤侵蝕發(fā)生的主體，土壤可蝕性是表征土壤性質(zhì)對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)。諾謨圖模型是當(dāng)前使用廣泛的一種確定土壤可蝕性的方法[19,20]，公式如下：

式中，K為土壤可蝕性值，OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量，M為優(yōu)勢(shì)粒徑組成的乘積，（Silt為粉粒含量，Sand為砂粒含量），S為土壤結(jié)構(gòu)性指數(shù)，P為土壤可滲透性指數(shù)（表2）。

表2 諾謨圖中結(jié)構(gòu)性指數(shù)與可滲透性指數(shù)的定義Table 2 Definition of structure index and permeability index in Nomograph

根據(jù)1:100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫及第二次土壤普查數(shù)據(jù)估算研究區(qū)的土壤可蝕性值，并采用自然分界法將其分為5級(jí)。土壤數(shù)據(jù)庫由中國科學(xué)院南京土壤研究所提供，基本涵蓋了山東省主要的土壤類型；土壤普查數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供，包含了省內(nèi)270個(gè)土壤剖面的位置及其主要屬性特征。

1.3.4 植被覆蓋 植被是防止土壤侵蝕的一個(gè)重要因子，其防止侵蝕的作用主要包括對(duì)降雨能量的削減、保水及抗侵蝕作用。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)像元二分模型理論[21,22]，采用2000～2010年MODIS 1 km 16 d最大合成NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，通過以下公式估算植被覆蓋度：

式中，fc為像元內(nèi)的植被覆蓋度；NDVI為該像元的歸一化植被指數(shù)；NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素影響評(píng)價(jià)

山東省降雨侵蝕力對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響較大，中度敏感及以上面積為9.14×104km2，占全省面積的57.85%（表3），這主要與暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候有關(guān)，夏季受東南海洋性季風(fēng)影響，降水充沛，短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨為土壤侵蝕提供了強(qiáng)大營力。從空間分布上看，極敏感、高度敏感區(qū)域主要分布在降水相對(duì)集中的東南部沿海及魯中山地區(qū)，輕度敏感、不敏感區(qū)域主要分布在魯西北平原和黃河三角洲地區(qū)。

表3 降雨侵蝕力對(duì)土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)Table 3 Accessment of rainfall erosion on soil erosion sensitivity

山東省地形起伏度對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響較小，中度敏感及以上面積僅1.17×104km2，占全省面積的7.39%；不敏感區(qū)面積13.07×104km2，占全省面積的82.73%（表4），這主要與其地貌特征有關(guān)。境內(nèi)地貌類型多樣，除山地地形起伏較大外，平原面積較為廣闊，不易產(chǎn)生水土流失。從空間分布上看，極敏感、高度敏感區(qū)域主要分布在魯中山地及膠東丘陵區(qū)，輕度敏感、不敏感區(qū)域主要分布在山前（間）平原、黃河沖積扇、黃泛平原和黃河三角洲等區(qū)域。

表4 地形起伏度對(duì)土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)Table 4 Accessment of terrain prominency on soil erosion sensitivity

山東省土壤可蝕性對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響以高度敏感為主，面積為7.70×104km2，占全省面積的48.74%（表5），這主要與土壤性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)第二次土壤普查數(shù)據(jù)，山東土壤主要有潮土、粗骨土、風(fēng)沙土、褐土、砂姜黑土、水稻土、新積土、棕壤等類型。從空間分布上看，高度敏感區(qū)域主要分布在魯西南與魯西北黃泛平原區(qū)，土壤類型主要為潮土，因河流泥沙沉積而成，大多呈砂性，土質(zhì)疏松，有機(jī)質(zhì)含量較低，抗蝕性較差。輕度敏感、中度敏感區(qū)域主要分布棕壤與褐土。

表5 土壤可蝕性對(duì)土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)Table 5 Accessment of soil erodibility on soil erosion sensitivity

山東省植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響較小，中度敏感及以下面積14.19×104km2，占全省面積的89.82%，高度敏感和極敏感區(qū)面積僅1.61×104km2（表6）。全省植被類型以落葉闊葉林和溫性針葉林為主，集中分布在魯中南山地及魯東丘陵區(qū)。落葉闊葉林大多以麻櫟、栓皮櫟及槲等櫟類為主，溫性針葉林大多由赤松、黑松、油松、側(cè)柏等構(gòu)成。植被分布以水熱條件較好的魯東地區(qū)最為豐富，魯中南次之，魯西較少，魯北最貧乏。

表6 植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)Table 6 Accessment of vegetation coverage on soil erosion sensitivity

2.2 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)土壤侵蝕敏感性綜合評(píng)價(jià)，山東省土壤侵蝕敏感性以輕度和中度為主。全省土壤侵蝕極敏感區(qū)面積0.98×104km2，占全省面積的6.18%；高度敏感區(qū)面積1.89×104km2，占全省面積的11.96%；中度敏感區(qū)面積4.45×104km2，占全省面積的28.17%；輕度敏感區(qū)面積7.82×104km2，占全省面積的49.48%；不敏感區(qū)面積0.66×104km2，占全省面積的4.21%（表7）。

從各地市土壤侵蝕敏感性的評(píng)價(jià)結(jié)果看，東營和濱州土壤侵蝕敏感性較弱，不敏感及輕度敏感區(qū)面積占各市面積的比例分別為98.26%和90.44%。德州、聊城土壤侵蝕敏感性以輕度敏感為主，輕度敏感區(qū)面積占各市面積的比例分別為85.27%和83.75%。菏澤、青島、濟(jì)寧、濰坊、泰安和棗莊土壤侵蝕敏感性以輕度敏感和中度敏感為主，兩者面積分別占各市面積的99.17%、82.42%、81.01%、80.48%、76.18%和75.71%。威海、日照和煙臺(tái)土壤侵蝕敏感性以中度敏感和高度敏感為主，兩者面積分別占各市面積的67.89%、67.83%和64.98%。萊蕪、淄博和濟(jì)南土壤侵蝕極敏感區(qū)比例較高，分別占各市面積的19.87%、19.85%和13.70%（表8）。

從空間分布上看，山東省土壤侵蝕敏感性呈兩大中心集中分布，區(qū)域差異明顯。魯中南山地丘陵區(qū)土壤侵蝕敏感性程度最高，其次為膠東丘陵區(qū)，魯西南與魯西北黃泛平原區(qū)土壤侵蝕敏感性較弱（圖2）。

表7 山東省土壤侵蝕敏感性綜合評(píng)價(jià)Table 7 Comprehensive assessment on soil erosion sensitivity in Shandong Province

表8 山東省各地市土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 8 Evaluation results on soil erosion sensitivity of each city in Shandong province

圖2 山東省土壤侵蝕敏感性綜合評(píng)價(jià)圖Fig.2 Comprehensive assessment on soil erosion sensitivity in Shandong province

3 討論

土壤侵蝕是地質(zhì)、地貌、氣候、土壤、植被以及人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。本文綜合考慮降水、地貌、土壤與植被等因素，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)了山東省土壤侵蝕敏感性程度及其空間分布特征。

山東省大部分區(qū)域處于土壤侵蝕不敏感和輕度敏感區(qū)，基本集中于魯西北和魯西南黃泛平原的東營、濱州、聊城、德州、菏澤的大部分縣，這些區(qū)域地勢(shì)起伏不大，地形相對(duì)簡單，不具備形成大規(guī)模水力侵蝕所需的自然條件；然而，黃泛平原區(qū)與濱海地帶是省內(nèi)風(fēng)力侵蝕的主要發(fā)生區(qū)，應(yīng)引起重視。全省中度及以上土壤侵蝕敏感區(qū)集中分布在泰山、蒙山、沂山、魯山等魯中南山地區(qū)和昆崳山、嶗山、五蓮山等魯東丘陵區(qū)，這些區(qū)域山高坡陡，降水豐富，加之頻繁的農(nóng)業(yè)開發(fā)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)，為土壤侵蝕的形成和發(fā)展提供了有利的外動(dòng)力條件，使之成為山東省的水土流失中心，這與全省水土流失遙感普查的結(jié)果較為一致。土壤侵蝕敏感地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)，保護(hù)和合理利用水土資源，采用防止植被破壞、坡地退耕還林、增加地表覆蓋、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)等措施，加強(qiáng)水土保持和生態(tài)修復(fù)力度，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，減少人類活動(dòng)可能引發(fā)的生態(tài)問題，從而提升區(qū)域水土保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性維護(hù)等生態(tài)服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）從單因素看，降雨侵蝕力和土壤可蝕性對(duì)山東省土壤侵蝕敏感性的影響較大，而地形起伏度和植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響較小。

（2）從整體上看，山東省土壤侵蝕敏感性以輕度和中度為主。不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極敏感區(qū)面積占全省面積的比例分別為4.21%、49.48%、28.17%、11.96%和6.18%。

（3）從空間上看，山東省土壤侵蝕敏感性空間分布差異明顯。魯中南山地丘陵區(qū)土壤侵蝕敏感性程度最高，其次為膠東丘陵區(qū)，魯西南與魯西北黃泛平原區(qū)土壤侵蝕敏感性較弱。

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Evaluation on Soil Erosion Sensitivity and Its Spatial Distribution Characteristics in Shandong Province

WU Dan1,WANG Yan1,ZOU Chang-xin1,2*,WANG Li-xia1,YOU Xin3
1.Nanjing Institute of Environmental Sciences,Ministry of Environmental Protection,Nanjing210042,China
2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET)/Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing210044,China
3.The Party School of the Jiangxi Provincial Committee of CPC,Nanchang330003,China

Soil erosion usually results from the comprehensive effects of geology,geomorphology,climate,soil,vegetation and human activity.Based on the Universal Soil Loss Equation,this paper classified and evaluated impact factors of soil erosion sensitivity in Shandong Province,with the index of rainfall erosivity,topographic relief,soil erodibility and vegetation coverage.Also,we pointed out the possible degree of occurring soil erosion and its spatial distribution characteristics.Results were as follows.The soil erosion sensitivity of Shandong Province was mainly mild and moderate.The two together areas were 8.48×104km2,accounting for 53.69%of Shandong Province’s land area.There were obvious differences in spatial distribution.The degree of soil erosion sensitivity was highest in hilly and mountainous area of central south of Shandong Province,which was followed by the Jiaodong hilly region,and it was weakest in southwest and northwest yellow flood plains of Shandong Province.

Soil erosion;sensitivity evaluation;spatial distribution;Shandong Province

S157

A

1000-2324(2017)06-0757-06

2015-12-03

2016-02-03

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409055)

吳 丹(1988-),女,助理研究員,主要從事生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究.E-mail:cumtwudan@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:zcxnies@163.com