王維芳 矯欣航 李國春

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (黑龍江省林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院)

在水流作用下，土壤被侵蝕、搬運和沉淀導(dǎo)致水土流失。土壤侵蝕定量模型的研究和3S技術(shù)取得很大進步，這使定量計算大區(qū)域范圍土壤侵蝕可能實現(xiàn)。目前較大尺度土壤侵蝕的估算方法主要包括：(1)通過解譯遙感影像上的主要侵蝕控制因素，建立決策規(guī)劃，綜合確定土壤侵蝕，其典型代表就是我國水利部頒布的標(biāo)準(zhǔn)(土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，SL190-96，1997)，但頒布標(biāo)準(zhǔn)的主觀經(jīng)驗性強、繪圖精度差及侵蝕因子考慮不全[1]；(2)模型模擬法，其中美國于1965年提出的通用水土流失方程[2](USLE)及其修正模型RUSLE[3]，RUSLE模型從技術(shù)性和因子算法上進行了改進，其形式簡單、使用方便、易于推廣，在世界各地得到了普遍應(yīng)用[4-5]。

評價水土流失時，其中一個重要的影響因素就是地形地貌。如何提取地形因子對水土流失、土地利用、土地資源評價、城市規(guī)劃等方面的研究有重要意義。地形因子的提取技術(shù)研究，經(jīng)歷了野外調(diào)查[6]、地形圖量測[7]、RS圖像處理[8-9]及DEM的GIS分析[10-12]等幾個階段，目前國內(nèi)外的研究主要集中在對DEM的分析上。在應(yīng)用中，高分辨率DEM使數(shù)據(jù)處理速度降低，且可能產(chǎn)生不必要信息；低分辨DEM導(dǎo)致一部分地形信息失去真實性，使結(jié)果與現(xiàn)實不符。了解不同分辨率所提取的地形因子在精度、適宜性和地學(xué)意義等方面存在何種差異，地形因子的精度和意義隨著分辨率的變化而變化，是大尺度地學(xué)研究的基石。大多數(shù)學(xué)者探討DEM分辨率對地形因子提取精度的影響，只針對單個地形因子。湯國安等[13]和陳楠等[14]對1∶1萬和1∶5萬比例尺的DEM信息容量進行了比較，得出在黃土高原溝壑地區(qū)不同比例尺DEM所提取的地面坡度、坡向、地面曲率、溝壑量等地形因子均存在較大的誤差；Zhang et al.[15]研究表明DEM柵格分辨率對從其上提取的地形指數(shù)的精度有顯著的影響；王峰等[16]利用ANUDEM數(shù)據(jù)生成多種分辨率的DEM，提取坡度、坡長、坡向和匯水面積等信息，探討其隨DEM分辨率的變化規(guī)律。國內(nèi)外關(guān)于水蝕模型的應(yīng)用研究大都使用單一分辨率[17-20]，關(guān)于DEM分辨率對水蝕模型評價結(jié)果影響的研究鮮有報道。在RUSLE模型中，以S和L復(fù)合成LS因子，來評價水土流失結(jié)果，而探討LS因子隨DEM分辨率變化特征導(dǎo)致對水土流失評價結(jié)果受到何種影響的研究不多，因此，探討DEM分辨率對水土流失評價結(jié)果的影響，對較大尺度下應(yīng)用土壤侵蝕模型時分辨率的如何選取存在重要價值。

我國對土壤侵蝕強度的評價研究，大多在西北黃土高原、東北黑土區(qū)、云貴高原和南方紅壤區(qū)，大興安嶺林區(qū)土壤侵蝕的研究較少。大興安嶺地區(qū)是我國最大的林區(qū)，也是我國重要的林業(yè)生產(chǎn)基地之一。但由于長期過度采伐、經(jīng)營措施不當(dāng)，該區(qū)水土流失情況日益加重。根據(jù)遙感技術(shù)調(diào)查，1986年全區(qū)水土流失面積為14 267.26 km2，占總面積的17.2%；2002年全區(qū)水土流失面積22 735.35 km2，其中：水力侵蝕為2 688.81 km2、凍融侵蝕為20 112.57 km2。1999年國家實施天然林保護工程以來，大興安嶺地區(qū)加大了水土流失治理力度，水土保持工作取得了一定成果，但是面臨的形勢仍然比較嚴峻，繼續(xù)搞好水土流失治理，對發(fā)展社會主義新林區(qū)建設(shè)具有重要意義。本研究以大興安嶺為研究區(qū)域，選用RUSLE模型，基于RS和GIS技術(shù)，研究不同DEM分辨率提取的地形因子對水土流失評價結(jié)果的影響。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺地區(qū)是祖國最北部邊疆，地處大興安嶺山脈的東北坡，地理位置東西橫跨6個經(jīng)度，南北縱越3個緯度，海拔1 100～1 400 m。地貌形成具有明顯不對稱形態(tài)，地形總勢呈東北—西南走向，屬淺山丘陵地帶。主要由中山、低山丘陵和山間谷地組成，地形平滑，坡度平緩，起伏不大。原始森林茂密，植被覆蓋度較高，生態(tài)系統(tǒng)較完整，是我國較為重要的林業(yè)基地之一。冬寒夏暖，晝夜溫差較大，年平均氣溫-2.8 ℃，最低氣溫-52.3 ℃，無霜期90～100 d，年平均降水量746 mm，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

2 研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

大興安嶺地區(qū)2010年分辨率30 m的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)(http://glovis.usgs.gov/)；DEM數(shù)據(jù)來源于間距為50 m的矢量化等高線圖；土壤可蝕性因子(K)的土壤數(shù)據(jù)來源于南京土壤研究所制作的東北三省土壤類型數(shù)據(jù)；月降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。

2.2 土壤侵蝕量的計算方法

本文以3S技術(shù)相關(guān)軟件為支撐，生成不同分辨率10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 m的DEM，再提取地形因子L、S、LS，用重采樣方法將水土流失模型中各因子?xùn)鸥翊笮〗y(tǒng)一，帶入水土流失模型RUSLE，計算土壤侵蝕量，分析DEM分辨率對水土流失評價結(jié)果的影響。

RUSLE模型結(jié)構(gòu)形式為：

A=RKLSCP。

(1)

式中：A為單位面積上的土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子，S為坡度因子，C為作物覆蓋和管理因子，P為水土保持措施因子。

2.3 模型中各因子提取

降雨侵蝕力因子R：R是評價雨水沖刷導(dǎo)致土壤分離和搬運的重要指標(biāo)。R反映了由降雨引起水土流失的潛在能力、氣候因素對水力侵蝕的作用[21]。是導(dǎo)致水土流失最重要的外部驅(qū)動力，也是目前應(yīng)用廣泛的通用土壤流失方程中的一個基本因子[22]。

大多R值估算模型中，未考慮降雪量對R值帶來的影響，研究區(qū)域內(nèi)有凍土及冰雪融化等現(xiàn)象，會產(chǎn)生土壤侵蝕。因此，本研究選用Wischmeier W H.的R值修訂公式，其表達式為：

(2)

式中：Pi為月降雨數(shù)據(jù)，P為年降雨數(shù)據(jù)。

本研究采用克里金方法(Kriging)對降雨數(shù)據(jù)進行空間插值，該方法最大優(yōu)點就是誤差分析時可確定變量的物理意義，避免出現(xiàn)的邊界效應(yīng)。

土壤可侵蝕性因子K：K是RUSLE模型中的一個重要參數(shù)。它的研究對水土綜合治理、水土保持措施的配置、水土流失模型的建立以及水土保持規(guī)劃具有重要意義[23]。

計算K值，較多采用Williams等人的EPIC模型[24]，計算公式為：

k={0.2+0.3exp[-0.025 6NSA(1-LSI/100)]}×

(3)

式中：NSA為砂粒質(zhì)量分數(shù)；LSI為粉砂質(zhì)量分數(shù)；ASL為粘粒質(zhì)量分數(shù)；C為有機質(zhì)量分數(shù)；SN1=(1-NSA)×100%。

大興安嶺土壤構(gòu)成主要由暗棕壤、沼澤土、漂灰土和暗色草甸土構(gòu)成，其他類型土壤分布稀疏，忽略不計。結(jié)合研究區(qū)域土壤特點及結(jié)構(gòu)，少量部分進行取舍合并，參考現(xiàn)有研究成果，得到研究區(qū)域土壤K值，暗棕壤K值=0.28，沼澤土K值=0.022 5，漂灰土K值=0.038 1，暗色草甸土K值=0.026 3。

地形因子。LS地形是影響水土流失的重要因素。在RUSLE模型中地形要素主要是由S和L所決定的，LS因子由L和S因子復(fù)合而成。通過DEM數(shù)據(jù)，計算每段坡的LS值，最終得到研究區(qū)域的LS值，這樣可以更全面地體現(xiàn)坡形對侵蝕過程的作用。LS因子算法如下：

(4)

L=(λ/22.1)α

α=β/(1+β)

β=(sinθ/0.089)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]。

(5)

式中：S為坡度因子;θ為坡度值；L為坡長因子;λ為坡長;α為坡度坡長指數(shù)。

植被覆蓋和經(jīng)營管理因子C和水土保持措施因子P。C是模型中影響較大的因子，該因子可評估地表覆蓋相關(guān)變量對土壤流失的綜合影響，其值由作物覆蓋、耕作順序、管理手段決定。

首先對遙感影像進行監(jiān)督分類及目視解譯，將研究區(qū)域分為5類：森林，農(nóng)田，居民地，裸地和水體。通過黑龍江水保確定C因子值，其中：水體C取0，裸地及居民地的取1，用耕作面積加權(quán)計算農(nóng)田C取0.257 1。

林草地的C值，再通過ENVI5.0獲取歸一化植被指數(shù)(INDV)數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計出INDV最大值和最小值，利用植被覆蓋度與植被指數(shù)關(guān)系，按照經(jīng)驗公式計算獲取C值，公式如下：

C=0.650 8-0.343 6lgf

f=(INDV-INDVmin)/(INDVmax-INDVmin)。

(6)

式中：f代表植被覆蓋度。

水土保持措施因子P是采取水保措施后，土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值[25]。目前研究中，P主要取經(jīng)驗值，結(jié)合遙感圖像對研究區(qū)域進行土地利用分類，再通過閱讀相關(guān)文獻對不同土地利用類型的P值進行賦值。P值的經(jīng)驗公式，其形式為：

P=0.2+0.03S。

(7)

式中：S為坡度。

P值為0表示該區(qū)域水土保持措施未被破壞；P值為1時表示該區(qū)域未進行水保措施。本文中參照土地利用現(xiàn)狀圖以及相關(guān)文獻進行P值確定，林草地P值取1.0，農(nóng)田P值0.3，水體P值0，裸地P值1.0[26]。

3 結(jié)果與分析

3.1 DEM分辨率對極值的影響

提取不同分辨率(10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 m)下的L、S、LS因子和土壤侵蝕量極值。如圖1所示，隨著DEM分辨率增加，L、S、LS、土壤侵蝕量最小值基本無變化，L最大值呈遞增趨勢，S最大值呈遞減趨勢，LS最大值總體呈較小的遞減趨勢，土壤侵蝕量最大值總體呈波動遞減趨勢。

圖1 L、S、LS和土壤侵蝕量極值折線圖

3.2 DEM分辨率對均值的影響

如圖2所示，在研究區(qū)域內(nèi)，L、LS的均值在分辨率為50～60 m之間變化顯著，而S的均值在30～40 m之間變化顯著。土壤侵蝕量的均值在分辨率50 m處發(fā)生劇變。L、S、LS、土壤侵蝕量的均值變化均隨著分辨率增加到60 m后趨于平穩(wěn)。

圖2 L、S、LS和土壤侵蝕量均值折線圖

3.3 DEM分辨率對方差的影響

方差是衡量一個樣本波動大小的量，方差越大，樣本數(shù)據(jù)的波動就越大。方差亦能反映一個數(shù)據(jù)的離散程度。

如圖3所示，隨DEM分辨率增加，S方差、LS方差和土壤侵蝕量方差值總體變化均呈遞減趨勢。L、S、LS方差值均在分辨率為50～60 m之間發(fā)生顯著變化，土壤侵蝕量方差值在分辨50 m處發(fā)生劇變。當(dāng)DEM分辨率達到60 m以后，四者的方差均趨于穩(wěn)定，說明分辨率的變化對方差幾乎無影響，樣本數(shù)據(jù)離散程度穩(wěn)定，有趨同效應(yīng)。

圖3 L、S、LS和土壤侵蝕量方差折線圖

3.4 相關(guān)性分析

為去除量綱不同帶來的影響，將L、S、LS因子和土壤侵蝕量進行標(biāo)準(zhǔn)化，進行相關(guān)性分析，各因子間Pearson相關(guān)系數(shù)見表1。從表1可知：研究區(qū)域內(nèi)分辨率與L、S、LS因子和土壤侵蝕量均極顯著相關(guān)，S因子、LS因子和土壤侵蝕量與分辨率關(guān)系均呈負相關(guān)，說明隨著分辨率的降低，S因子、LS因子和土壤侵蝕量應(yīng)呈現(xiàn)遞減趨勢，與上述結(jié)論一致。L因子與分辨率呈正相關(guān)，L因子隨著DEM分辨率降低呈遞增趨勢，且LS因子對分辨率變化最為敏感，L、S、土壤侵蝕量對分辨率敏感度依次遞減。LS因子與L、S因子均顯著相關(guān)，與L因子呈負相關(guān)，與S因子呈正相關(guān)，對L因子敏感性大于S因子。土壤侵蝕量與L、S、LS、分辨率均有相關(guān)性，與分辨率關(guān)系最為顯著，對L、S因子敏感性小于LS因子，與LS因子呈正相關(guān)，說明LS因子越大，土壤侵蝕量越大。由于研究區(qū)域地形平緩，坡度起伏小，且研究區(qū)域植被覆蓋度較高，導(dǎo)致L因子對LS因子影響大于S因子，分辨率越低，地形失真越嚴重，地形愈平緩，土壤侵蝕量降低。

表1 L、S、LS和土壤侵蝕量相關(guān)性

注：** 在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.5 大興安嶺土壤侵蝕量計算

綜上所述，L、S、LS因子和土壤侵蝕量均在分辨率50 m處發(fā)生明顯變化。故將R、K、C、P各因子空間分布圖重采樣，得到像元大小為50 m分辨率的各因子空間分布圖，結(jié)合DEM分辨率為50 m提取的LS因子空間分布圖，計算得到大興安嶺土壤侵蝕量，按照水利部頒布的土壤侵蝕強度分類分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2)中對東北黑土區(qū)的規(guī)定進行分級，結(jié)果見圖4。

表2 土壤侵蝕強度分級標(biāo)準(zhǔn)(SL190-96)

圖4 大興安嶺土壤侵蝕量

大興安嶺地區(qū)土壤侵蝕情況良好，幾乎不存在劇烈侵蝕，大部分地區(qū)是微、輕度侵蝕。微度侵蝕和輕度侵蝕總面積為63 791.05 km2，占研究區(qū)域面積的90%以上，中度以上侵蝕面積不到總面積的10%。原因是大興安嶺地區(qū)植被覆蓋度大，生態(tài)系統(tǒng)較完整，且地形起伏度較小，坡度較緩。侵蝕較嚴重情況多出現(xiàn)在山脊和部分其他植被覆蓋極低的地區(qū)，這些地區(qū)大多人為干擾嚴重。

4 結(jié)論與討論

DEM分辨率的大小決定了提取地形的精細度，從而影響利用地形因子所做應(yīng)用分析的精度，因此找尋適宜分辨率成為地形分析中的重要研究內(nèi)容。本研究使用ArcGIS軟件，提取不同分辨率(10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 m)的地形因子，代入RUSLE模型來估算大興安嶺地區(qū)的土壤侵蝕量，分析不同DEM分辨率下提取的地形因子對水土流失評價結(jié)果的影響。

研究區(qū)域內(nèi)，土壤流失量變化主要是由于DEM分辨率變化引起的，DEM分辨率變化，導(dǎo)致L、S和LS因子變化，LS因子對土壤侵蝕量影響顯著，L因子對LS因子的影響明顯大于S因子對LS因子的影響。當(dāng)DEM分辨率在40 m及以下時，L、S、LS因子值和土壤侵蝕量變化較小。分辨率過高，導(dǎo)致信息冗余，計算量過大，且對結(jié)果影響較小。當(dāng)分辨率在50～60 m之間時，L、S、LS因子值和土壤侵蝕量數(shù)據(jù)均發(fā)生很大變化。當(dāng)分辨率大于60 m時，L、S、LS因子值和土壤侵蝕量走勢逐漸平穩(wěn)，有明顯的“趨同效應(yīng)”。分辨率越低，地形越概化，坡度逐漸降低，導(dǎo)致地形趨于平緩，從而導(dǎo)致地形失真，使土壤侵蝕量計算結(jié)果受到影響。因此，研究區(qū)域內(nèi)計算土壤侵蝕量最適宜的DEM分辨率在50～60 m之間。

大興安嶺地區(qū)土壤侵蝕狀況良好，主要集中在微、輕度侵蝕，劇烈侵蝕極少。區(qū)域內(nèi)影響土壤侵蝕量地形因子主要是坡長因子，是由于研究區(qū)域地形起伏較小，坡度較緩，坡長愈長，流水侵蝕能力愈強?？筛鶕?jù)土壤侵蝕量分布圖，根據(jù)不同地區(qū)，推行不同水土保持措施，以進一步改善大興安嶺地區(qū)水土流失情況。

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