王楚琪，王 利

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連116029）

引言

自建國以來，我國在對于各地區(qū)的水土流失治理和預(yù)防工作中投入了大量的人力、物力和財力，土壤安全和治理問題成為了我國發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)之一[1]。土壤侵蝕不僅會使土壤資源遭到破壞、生態(tài)環(huán)境惡化，還會加劇洪澇災(zāi)害，從而影響國家社會發(fā)展和人民的生產(chǎn)生活[2]。根據(jù)調(diào)查表明，我國可能存在水土流失現(xiàn)象的土地面積達(dá)到340 平方公里，大部分土地被開發(fā)利用，導(dǎo)致水土流失量居高不下，因此了解不同地區(qū)土壤侵蝕情況及原因，制定合理解決方案并預(yù)防土壤侵蝕加劇變得尤為重要[3]。國外對土壤侵蝕問題的研究始于19 世紀(jì)末期，當(dāng)時主要集中對土壤表面的侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行觀察和定性分析；20 世紀(jì)初期，學(xué)者嘗試運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來對特定區(qū)域的土壤侵蝕狀況進(jìn)行定量分析，直到1965年美國學(xué)者威斯奇邁爾和史密斯等人根據(jù)多個地區(qū)觀測數(shù)據(jù)提出了通用水土流失方程（USLE 模型），USLE 模型產(chǎn)生后，一些極具地方特色的土壤侵蝕研究模型相繼提出[4]；到1997年，美國農(nóng)業(yè)部水土保持局（SCS）提出的通用水土流失方程（revised universal soil equation，RUSLE）是定量評價土壤侵蝕的重要方法[5-7]。我國大多數(shù)土壤侵蝕評價都是基于GIS 和RUSLE 模型來估算研究區(qū)的土壤侵蝕量，如黃金良[8]等運(yùn)用GIS技術(shù)和RUSLE 模型來預(yù)算九江流域土壤侵蝕量；王丹陽[9]等則對縣域水土保持方法中存在的問題進(jìn)行分析并改進(jìn)，選用坡度、植被覆蓋率等9 項指標(biāo)，結(jié)合定性分析將每個評價單元按其不同的三維組合類型劃分到不同的水土保持區(qū)；朱恒[10]等運(yùn)用ArcGIS 軟件和RUSLE 模型，對河南省的土壤侵蝕狀況進(jìn)行了估算。由此可見，國際上對通用流失方程（RUSLE）和GIS 技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)非常成熟，但是對于土壤侵蝕與人類活動因子的研究則相對不足。

本文選取大連莊河市為研究區(qū)域，在GIS 技術(shù)的支持下，利用研究區(qū)現(xiàn)有遙感影像數(shù)據(jù)及相關(guān)自然社會數(shù)據(jù)，選取通用水土流失方程（RUSLE 模型），計算土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)，定量評價該區(qū)域的土壤侵蝕狀況，并分別從降雨、植被、地形和土壤四個因子方面分析大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度。

1 依據(jù)理論、模型和技術(shù)方法

1.1 基礎(chǔ)理論

土壤侵蝕強(qiáng)度是指單位面積上土壤發(fā)生位移的土壤侵蝕量，通常是通過長期的定位觀測，并運(yùn)用合理模型計算研究得到。是定量分析某一地區(qū)的土壤侵蝕數(shù)量和侵蝕的強(qiáng)度的重要模數(shù)，也是各個地區(qū)制定水土保持方案，從而改善生態(tài)環(huán)境的重要依據(jù)[11]。

1.2 運(yùn)用模型

本研究采用美國農(nóng)業(yè)部水土保持局（SCS）提出的通用水土流失方程（RUSLE 模型）。公式表達(dá)為：

式中，A 為土壤侵蝕量（t/hm2·a）；R 為降雨侵蝕力因 子（MJ·mm/hm2·h·a）；K 為 土 壤 可 蝕 性 因 子（t·hm2·h/hm2·MJ·mm）；LS 為地形因子；C 為植被覆蓋因子[12]。

其中，降雨侵蝕力因子（R）是指降雨引發(fā)土壤侵蝕的措在能力，通過多年平均年降雨侵蝕力反映，計算公式如下：

土壤可蝕性因子（K）是指土壤顆粒被水力分 和搬適的難易程度，主要與土理質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等土壤理化性質(zhì)有關(guān)，計算公式如下：

式中，K 為土壤可蝕性因子（t·hm2·h/hm2·MJ·mm），mc、msilt、ms和orgC 分別為粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm） 和有機(jī)碳的百分含量（%），可采用寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)（土壤機(jī)械組成、土壤有機(jī)質(zhì)含量）。

地形因子（LS）是指坡長、坡度等對土壤侵性的影響[14]，計算公式如下：

式中，L 為坡長因子，S 為坡度因子，m 為坡長指數(shù)；θ 為坡度（°），λ 為坡長（m），二者均來源于DEM數(shù)據(jù)。

植被覆蓋因子（C）反映了生態(tài)系統(tǒng)對土壤侵蝕的影響，是控制土壤侵蝕的積極因素。水田、濕地、城鎮(zhèn)和荒漠參照N-SPECT 中的參數(shù)分別賦值為0、0、0.01 和0.7，其余生態(tài)系統(tǒng)類型按不同植被覆蓋度進(jìn)行賦值[15]。

1.3 評價指標(biāo)選擇

通過分析大連莊河市自然條件和社會發(fā)展等特征，選取通用水土流失方程（RUSLE 模型）作為主要方法，RUSLE 模型主要由五個因子組成，分別為降雨侵蝕力R、植被覆蓋因子C、水土保持措施因子P、土壤可蝕性因子K 和地形因子LS，綜合大連莊河市自然條件和社會發(fā)展環(huán)境，最終選擇降雨侵蝕力R、植被覆蓋因子C、土壤可蝕性因子K 和地形因子LS 為本次研究的四個指標(biāo)。

2 土壤侵蝕強(qiáng)度評價過程

2.1 大連莊河市概況

本文研究區(qū)域為大連莊河市，是遼寧省大連市代管的縣級市，也是遼寧省級重點開發(fā)區(qū)域。2015年，陸地面積約3900（3834）平方千米，轄5 街道、15 鎮(zhèn)、6鄉(xiāng)，人口89.7萬。大連莊河市地處黃海北岸，地勢由南向北逐漸升高，地貌特征為“五山一水四分田”。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文選取的數(shù)據(jù)主要有大連莊河市遙感數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)和研究區(qū)域矢量數(shù)據(jù)等。其中遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，為2017年Landsat8 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30；降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心的多個氣象站點每日降水量文本數(shù)據(jù)；大連莊河市的土壤機(jī)械組成數(shù)據(jù)和土壤空間分布數(shù)據(jù)主要來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫；地形數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)，使用ENVI 軟件從遙感數(shù)據(jù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)；此外研究區(qū)域大量矢量數(shù)據(jù)主要通過使用ArcGIS 軟件矢量化得到。

2.3 單指標(biāo)數(shù)據(jù)量化

2.3.1 降雨侵蝕力因子。降雨侵蝕力是指降雨土壤發(fā)生為位移的潛在能力。本研究根據(jù)現(xiàn)有的降水量數(shù)據(jù)，通過空間插值得到年平均降水量分布數(shù)據(jù)，再運(yùn)用降雨侵蝕力因子計算模型得到大連莊河市年平均降雨侵蝕力R 值分布圖（圖1a）。從整體上來看，大連莊河市R 值從東北向西南方向遞減，最高值為4312.69 MJ·mm/hm2·h·a，最低值出現(xiàn)在莊河市西南地區(qū)的尖山村，為2979.2 MJ·mm/hm2·h·a，平均降雨侵蝕力為3596.59 MJ·mm/hm2·h·a。莊河市東北地區(qū)降雨侵蝕作用明顯，面積大約為500 km2，占全區(qū)面積的14%；中部地區(qū)和北部地區(qū)R 值居中，面積大約為2354 km2，占全區(qū)面積的57%；莊河市西南地區(qū)R 值較低，面積大約為1205 km2，占全區(qū)面積的29%?？傮w來說，大連莊河市大部分地區(qū)的降雨對土壤侵蝕影響較不明顯。

2.3.2 植被覆蓋因子。植被覆蓋因子綜合反映一個地區(qū)植被覆蓋和土地利用情況對土壤侵蝕的影響，利用土地利用類型和植被覆蓋率數(shù)據(jù)，運(yùn)用植被覆蓋因子模型計算得到大連莊河市植被覆蓋因子C 值分布圖（圖1b）。從整體上來看，植被覆蓋因子C 值從沿海向內(nèi)陸逐漸增高，最高值為0.4，位于大連莊河市西北地區(qū)的三道嶺村。大連莊河市西北地區(qū)植被覆蓋因子C值較高，面積大約為1351 km2，占莊河市總面積的33%，該區(qū)域植被覆蓋率低，相應(yīng)的植被覆蓋因子C 值較大，在其他條件相同的情況下水土流失更嚴(yán)重，需要加大保護(hù)力度；中部地區(qū)植被覆蓋因子C 值居中，面積大約為1146 km2，占全區(qū)面積的28%；大連莊河市東南沿海地區(qū)植被覆蓋因子C 值較低，面積大約為1597 km2，占全區(qū)面積的39%，該區(qū)域土地利用類型主要為水田、濕地和城鎮(zhèn)等?？傮w來說，大連莊河市植被覆蓋因子C 值居中，相應(yīng)的植被覆蓋度良好，當(dāng)水土流失發(fā)生時，有一定的緩沖作用。

圖1 降雨侵蝕力因子（a）和植被覆蓋因子（b）

2.3.3 土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子是反映土壤遭受侵蝕的強(qiáng)度以及土壤抵抗侵蝕的能力大小，本文根據(jù)土壤數(shù)據(jù)和土壤侵蝕因子模型計算出各土壤類型的土壤可蝕性因子K 值分布圖（圖2a）。從整體上來看，土壤可蝕性因子K 值從大連莊河市東南沿海地區(qū)向內(nèi)陸逐漸遞高，大連莊河市共14 種土壤類型，平均k 值為0.0161 t·hm2·h/hm2·MJ·mm，其中棕壤、壤質(zhì)草甸土、淹育水稻土、濱海潮灘鹽土、濱海鹽土、鹽化沼澤土的土壤可蝕性因子值較大，占全區(qū)面積的38%，抗蝕能力較弱，主要分布在大連莊河市東南沿海地區(qū)和東北地區(qū)；棕壤性土、潮棕壤、草甸土、鹽漬水稻土、濱海沼澤鹽土的土壤可蝕性因子值居中，土壤有一定的抗侵蝕能力，主要分布在莊河市東北地區(qū)及中部地區(qū)；其他潛育水稻土、紅粘土、中性粗骨土的土壤可蝕性因子值較小，土壤抗蝕能力較強(qiáng)，主要分布在莊河市中部地區(qū)和西北地區(qū)?？傮w來看，大連莊河市大部分地區(qū)土壤可蝕性因子K 值居中，有一定的抗蝕能力，但東北地區(qū)抗蝕能力較弱，需加大保護(hù)措施。

2.3.4 地形因子。坡度是在分析土壤侵蝕中最基本的因子，坡度越大則越容易發(fā)生水土流失。本文根據(jù)現(xiàn)有DEM 數(shù)據(jù)提取坡度得到大連莊河市坡度因子S 值分布圖（圖2b）。從整體上看，大連莊河市南部大部分地區(qū)S 值較小，從單因子角度分析不容易發(fā)生水土流失；北部和中部少數(shù)地區(qū)S 值較大，該區(qū)域為丘陵和低山地區(qū)，易發(fā)生水土流失。

圖2 土壤可蝕性因子（a）和地形因子（b）

2.4 指標(biāo)聚合

根據(jù)計算得到降雨侵蝕力因子、植被覆蓋度因子、土壤可蝕性因子和地形因子數(shù)據(jù)，運(yùn)用通用水土流失模型公式（1），使用ArcGIS 軟件計算得到大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度。

3 土壤侵蝕強(qiáng)度評價

根據(jù)降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、植被覆蓋度因子和地形因子，運(yùn)用GIS 技術(shù)和通用水土流失方程（RUSLE）模型計算得到大連莊河市土壤侵蝕指數(shù)。大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度并不嚴(yán)重，最大土壤侵蝕模數(shù)為392.88 t/hm2·a，年平均土壤侵蝕模數(shù)為13.34 t/hm2·a。從整體上來看，輕度土壤侵蝕的區(qū)域主要分布在東南沿海地區(qū)，面積大約為3112.2 km2，占總面積的76%，該地區(qū)多為平原地區(qū)，受降雨影響較小，適合居住和耕地；中度土壤侵蝕區(qū)域主要分布在中部地區(qū)，面積大約為778.05 km2，占面積的19%，該地區(qū)植被覆蓋度較低，城市土地利用規(guī)劃有待改善；重度土壤侵蝕區(qū)域主要分布在北部地區(qū)和少數(shù)西北部地區(qū)，面積大約為204.75 km2，占總面積的5%。如圖3，其中土壤侵蝕較高的地區(qū)多為丘陵和低山地區(qū)；土壤侵蝕強(qiáng)度較低的地區(qū)主要為平原地區(qū)，土地利用類型多為農(nóng)村居民點、城鎮(zhèn)、林地和旱地等。

圖3 大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

4 結(jié)論與展望

本文采用通用水土流失方程（RUSLE 模型），確定降雨、土壤、植被和地形四個指數(shù)，在ArcGIS 和ENVI等軟件的支持下，建立大連莊河市土壤侵蝕基礎(chǔ)“GIS”數(shù)據(jù)庫，再此基礎(chǔ)上運(yùn)用空間分析方法和模型計算四項指標(biāo)，最終得到大連莊河市土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)。根據(jù)結(jié)果分析得出，大連莊河市整體土壤侵蝕強(qiáng)度較低，占總面積的76%，大部分地區(qū)不易發(fā)生水土流失；易發(fā)生水土流失的地區(qū)主要為莊河市北部地區(qū)的丘陵和低山地區(qū)，植被覆蓋率較低，區(qū)域坡度較大，土壤中砂粒含量較多，因此較容易發(fā)生水土流失。應(yīng)加強(qiáng)水土保持方面的治理，保護(hù)現(xiàn)有植被，并加強(qiáng)丘陵地區(qū)和低山地區(qū)水源涵養(yǎng)林的種植，合理規(guī)劃農(nóng)田和城鎮(zhèn)環(huán)境建設(shè)，堅持生態(tài)保護(hù)與治理并重的原則以有效遏制土壤侵蝕的發(fā)生。