王萬香

(朝陽縣水土保持局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

在人類生產建設和社會發(fā)展及水力、風力等自然要素影響下，對水土資源和土壤產生破壞的現(xiàn)象即為土壤侵蝕。土壤侵蝕會造成養(yǎng)分流失和生根深度的下降，對自然過程基礎產生擾動并改變土壤強度，同時水土流失會造成水環(huán)境污染，在水力沖刷作用下挾帶大量泥沙并淤堵河道，嚴重威脅著區(qū)域防洪安全。所以，準確揭示區(qū)域土壤侵蝕變化規(guī)律對于國計民生和經(jīng)濟發(fā)展轉型具有重要意義[1]。

GIS、RS和3S技術的迅速發(fā)展為土壤侵蝕時空分布的直觀描述創(chuàng)造了條件，耦合了土壤侵蝕程度與遙感影像資料的數(shù)學模型逐漸引起研究者的關注，對于水土流失重點治理區(qū)和防治區(qū)的監(jiān)測《全國水土流失規(guī)劃》提出要綜合應用抽樣調查法、地面觀測法、地理信息系統(tǒng)及遙感技術，綜合評價治理措施的動態(tài)變化、水土流失分布狀況及其強度。Wischmeier等建立了適用于全球范圍的水蝕估算USLE方程，相對于一般的物理和經(jīng)驗方程形式，該模型只有6項因素且結構簡單，為滿足不同環(huán)境的需求許多學者研究了各要素確定方法。大量的降雨數(shù)據(jù)為降雨侵蝕因子R的計算依據(jù)，但實際中通常難以準確獲取這些數(shù)據(jù)，為解決以上問題Begueria給出了最佳回歸計算法，在西班牙地區(qū)該方法得到廣泛應用；Wu等通過實驗模擬不同降雨強度和土壤類型的侵蝕程度，提出相同雨強不同土壤和不同雨強相同土壤的可蝕性變化特征，為模型的推廣奠定了基礎；Zhang等對LS因子的計算提出了改進的方法，并以斜率變化復雜的集水區(qū)驗證了其科學合理性；Bambang等將土壤侵蝕方程引入3種植被覆蓋因子C，為揭示不同C模型的性能利用統(tǒng)計學方法分析了侵蝕模數(shù)；Panos等對歐洲范圍內的P因子值采用文獻指導和地球觀測數(shù)據(jù)估算，進一步探討了土壤流失與農業(yè)保護措施之間的關系，為農業(yè)發(fā)展和耕地水土保持積累了經(jīng)驗。截至目前，對于我國各地區(qū)侵蝕風險評估USLE模型已得到廣泛應用，張超等對土壤侵蝕量利用USLE模型估算，分析了不同土壤類型、地形坡度和降雨強度的水土流失分布狀況；周夏飛等以江蘇省為例，對土壤侵蝕模數(shù)及其時空變化特征運用USLE方程評價分析[2-3]。

朝陽縣地處遼西山地丘陵區(qū)，大凌河中上游，地跨E119°52′-120°47′、N40°55′-41°54′之間，總面積3757km2。該地區(qū)山脈縱貫，分布有連綿起伏的中低山和溝壑縱橫的丘陵，丘陵地區(qū)和山區(qū)高差為300-600m，平原面積較少，地貌形態(tài)多樣。境內分布有大凌河及其支流、老虎山河等，由于歷史上植被破壞嚴重、干旱少雨及土地利用不合理，加之植被稀少、土壤貧瘠、土壤抗侵蝕力差等因素，朝陽縣生水土流失問題十分突出，對當?shù)剞r業(yè)發(fā)展和環(huán)境系統(tǒng)產生嚴重影響，因此屬于國家重點水土流失治理區(qū)。當前，關于朝陽縣水土流失時空變化的研究較少，文章對土壤侵蝕模數(shù)利用USLE模型求解，采用統(tǒng)計分析法和該計算數(shù)據(jù)揭示了朝陽地區(qū)土壤侵蝕時空變化趨勢。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取朝陽縣2003-2017年的NDVI、遙感影像、DEM、用地類型、土壤和降水量數(shù)據(jù)為計算依據(jù)，數(shù)據(jù)來源及精度見表1。地圖空間的分析和代數(shù)運算空間為Arc GIS系統(tǒng)，遙感圖像分類及預處理工具為LANDSAT7，通過對相關數(shù)據(jù)的分析提取土壤侵蝕方程各因子值。

表1 數(shù)據(jù)精度及來源

1.2 通用土壤流失方程

結合植被涵養(yǎng)、水動力學、地形效應和土壤質地等研究提出了通用水土流失方程RUSEL，該方程綜合考慮了降水強度、坡度坡長、植被等環(huán)境因子，其數(shù)學表達式為：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為年土壤流失量，反映了單位坡面上的侵蝕量均值，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力實測值，體現(xiàn)了土壤侵蝕受降水強度的影響，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性評估因子，降水強度對不同土壤質地的侵蝕力存在差異，t·h/(MJ·mm·a)；P、C、S、L為量綱為1的水保措施、植被覆蓋、坡長與坡度因子。

1) 降雨侵蝕力因子R。次降雨量為經(jīng)典方法確定R因子值的基礎，但無法保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性且數(shù)據(jù)采集難度較大，故選用張文波等提出的廣泛應用于我國降雨侵蝕力模型，該模型以日降雨量為基礎數(shù)據(jù)。

2) 土壤可侵蝕因子K。根據(jù)張科創(chuàng)等研究成果和Sharply等發(fā)展的EPIC模型確定因子K值，為更加適用于區(qū)域土壤特性適當修訂計算結果。

3) 地形因子LS。依據(jù)區(qū)域數(shù)字高程模型DEM確定坡度和坡長因子LS。

4) 植被覆蓋因子C。該因子為定量描述田間管理和植被措施水土保持功能的重要參數(shù)，C因子值取決于地表和植物根部含水量狀態(tài)、粗糙度及植被表面積、覆蓋規(guī)模等。本研究借鑒相關資料，結合已確定較高精度的植被覆蓋度和土地利用方式，利用蔡崇法提出的植被指數(shù)法估計C因子值。

5) 水土保持因子P。根據(jù)土地利用類型和地形坡度數(shù)據(jù)，借鑒方廣玲等提出標準選取P因子值。

1.3 土壤侵蝕時空變化分析

文章采用一元線性歸回數(shù)學法計算整體變化分布、侵蝕模數(shù)平均變化率和年最大值，該方法因具有運算簡潔、可信度高和原理成熟等優(yōu)點，在統(tǒng)計學預測分析和工程技術經(jīng)濟等領域均已得到廣泛應用，其數(shù)學模型為：

(2)

式中：i為年序號1-10變量；Ei為第i年侵蝕模數(shù)。

朝陽縣15a時間序列中的土壤侵蝕變化趨勢利用變化趨勢分布圖描述，選用一元線性歸回模擬出的變化直線斜率作為某像點15a間的侵蝕模數(shù)，即為像點的像元值。

2 結果分析

2.1 土壤侵蝕強度分布

2015-2030年全國水土保持區(qū)劃確定了合理利用、開發(fā)和保護水土資源的布局及重大區(qū)域性規(guī)劃重點、任務和目標，其中三級區(qū)為規(guī)劃和布局重點治理工程的基礎，確定了水土保持防治途徑。朝陽縣位于冀北遼西平原崗地和土石質山區(qū)農田防護區(qū)，將朝陽縣按照三級區(qū)劃和全國水土保持區(qū)劃分為丘陵山地和沖積平原區(qū)。

朝陽地區(qū)侵蝕模數(shù)影像采用USLE方程確定，裁剪獲取丘陵山地和沖積平原區(qū)的土壤侵蝕數(shù)據(jù)。將研究區(qū)土壤侵蝕強度按照分類分級標準劃分為極強烈、強烈、中度、輕度、微度5個等級，各等級取值如表2所示。

表2 土壤侵蝕強度的劃分標準

沖積平原區(qū)包括瓦房子鎮(zhèn)、木頭城子鎮(zhèn)、羊山鎮(zhèn)、臺子鄉(xiāng)、七道嶺鄉(xiāng)、二十家子鎮(zhèn)，依據(jù)侵蝕模數(shù)分布特征可知，沖積平原區(qū)以微度侵蝕為主，少部分地區(qū)受人類活動影響存在輕度侵蝕，侵蝕等級達到輕度及以上的行政區(qū)域包括七道嶺鄉(xiāng)、羊山鎮(zhèn)、北溝門子鄉(xiāng)、勝利鄉(xiāng)和東大屯鄉(xiāng)。

微度侵蝕為丘陵山區(qū)的主要類型，其余地區(qū)以條狀或帶狀分布的輕度侵蝕，中度及以上侵蝕區(qū)占很小部分。根據(jù)侵蝕模數(shù)分布情況，微度侵蝕主要發(fā)生在波羅赤鎮(zhèn)、六家子鎮(zhèn)、柳城鎮(zhèn)、松樹門蒙古族鄉(xiāng)、西五家子鄉(xiāng)、烏蘭河碩蒙古族鄉(xiāng)、黑牛營子鄉(xiāng)、古山子鄉(xiāng)、大廟鎮(zhèn)等地區(qū)。中度、強度、劇烈和極強度侵蝕分布于輕度侵蝕范圍，且呈逐級遞減的變化趨勢。根據(jù)沖積平原和丘陵山地侵蝕狀況，除微度侵蝕外沖積平原的其他等級侵蝕面積均<丘陵山區(qū)，且不同等級的侵蝕跨度較大。在土壤侵蝕中地形坡度因子的影響顯著，丘陵山地的降水沖刷劇烈，水流速度快極易引起水土流失。

2.2 侵蝕模數(shù)年際變化

統(tǒng)計分析朝陽縣2003-2017年間平均、最大土壤侵蝕模數(shù)，繪制平均侵蝕模數(shù)和丘陵山區(qū)、沖擊平原區(qū)最大侵蝕模數(shù)變化圖如圖1，圖2所示。

(a) (b)

(a) (b)

從圖1、圖2可知，丘陵山地和沖積平原區(qū)的年最大、年平均侵蝕模數(shù)均呈現(xiàn)出下降趨勢，可見這些地區(qū)的水土流失程度正逐漸減少，且通過0.05顯著性水平假設檢驗的為丘陵山地年最大侵蝕模數(shù)變化。

根據(jù)以上分析結果，沖積平原的侵蝕模數(shù)下降幅度明顯低于丘陵山地。結合朝陽縣水土流失治理相關數(shù)據(jù)，近年來建設實施了一系列水土保持治理工程，大大降低了該區(qū)域土壤侵蝕程度和水土流失危害，其中丘陵山區(qū)的治理率達到71.5%。

2.3 侵蝕面積變化

將不同侵蝕等級下的丘陵山地和沖積平原區(qū)面積相加，統(tǒng)計各等級下朝陽縣2003-2017年水土流失面積變化過程。北方土石質山區(qū)的土壤侵蝕強度容許值為200t/km2，以此作為微度侵蝕的判別依據(jù)，因此統(tǒng)計整理的侵蝕面積變化如圖3所示。

圖3 朝陽縣2003-2017年侵蝕面積變化趨勢

從圖3可知，朝陽地區(qū)的輕度侵蝕較其他侵蝕類型存在明顯的差距，除微度侵蝕外輕度侵蝕比重最大，不同等級的侵蝕面積變化總體呈下降趨勢，采用統(tǒng)計的形式獲取不同等級下丘陵山地和沖積平原的侵蝕面積比，如圖4所示。

圖4 2003-2017年丘陵山區(qū)和沖積平原各等級侵蝕面積比

根據(jù)圖4可知，朝陽縣沖積平原區(qū)總侵蝕面積的80%以上為輕度侵蝕，2003-2017年各等級侵蝕面積呈下降趨勢，個別年份有所減少或上升，總體而言輕度及以上侵蝕面積占比不斷下降。多年來，沖積平原區(qū)各侵蝕等級比重變化明顯低于丘陵山地，1a總侵蝕面積的70%左右為中輕度侵蝕，輕度及以上侵蝕強度自2010年之后表現(xiàn)出階梯型下降，有效遏制了劇烈和極強度侵蝕的發(fā)展，2012年極強烈控制在5%以下。

3 結 論

1) 朝陽縣2003-2017年間的水土流失程度不斷減弱，土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)出逐年減少趨勢，其中沖積平原區(qū)的下降幅度明顯低于丘陵山區(qū)。近年來，朝陽縣堅持以防為主、防治并重的原則建設實施了一系列水土保持治理工程，通過加強執(zhí)法建設和水土保持監(jiān)測，更加合理化、科學化推進治理工程，朝陽地區(qū)的水土保持和生態(tài)保護工作取得巨大的成效，特別是在丘陵山地和河湖周邊更賤顯著，實際情況與數(shù)據(jù)分析結論基本相符。

2) 輕度侵蝕為朝陽縣丘陵山區(qū)和沖積平原的主要侵蝕類型，依據(jù)等級跨度和侵蝕范圍可知，侵蝕程度較大的區(qū)域為丘陵山地。從侵蝕平均值來看，丘陵山地和沖積平原區(qū)輕度侵蝕占總侵蝕面積的70%、90%。隨著侵蝕等級的提升侵蝕面積不斷減少，該變化規(guī)律在丘陵山地更加明顯，隨著年份的增加輕度及以上侵蝕面積表現(xiàn)出階梯型下降特征。多年來，丘陵山地和沖積平原區(qū)的極強度侵蝕得到了有效遏制，目前均控制在10%以下。

3) 文章采用Landsat TM遙感影響和SPOT數(shù)據(jù)產品兩種數(shù)據(jù)源獲取植被覆蓋因子值C，這對分析結果的統(tǒng)一性產生不利影響，為盡可能的降低初始數(shù)據(jù)誤差應提取分辨率、一致性和連續(xù)性等屬性較高的數(shù)據(jù)，未來仍需要進一步研究保證實測數(shù)據(jù)精度的提取方法。