崔永男， 李明玉

(1.延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，吉林 延吉 133000;2.和龍市林業(yè)局，吉林 和龍 133500)

土壤侵蝕是土壤及其母質(zhì)在外營(yíng)力的作用下破壞、分離、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程[1-3]。土壤侵蝕導(dǎo)致土壤肥力下降、河流淤積，影響與人類發(fā)展息息相關(guān)的糧食產(chǎn)量和生態(tài)安全。土壤保持服務(wù)一般是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤侵蝕所起到的削減和改善作用[4]。因此，模擬和分析土壤保持服務(wù)的空間格局對(duì)于促進(jìn)土壤資源可持續(xù)利用具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多利用ArcGIS軟件結(jié)合空間高程模型(DEM)，將區(qū)域內(nèi)高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)作為分析地形梯度的指標(biāo)，進(jìn)而揭示地形與土壤保持服務(wù)的定量關(guān)系。如Zhu等[5]借助ARC宏語(yǔ)言計(jì)算坡度坡長(zhǎng)因(LS)測(cè)算黃河中上游地區(qū)水土保持服務(wù)時(shí)空特征；臧玉珠等[6]利用土地利用變化軌跡分析井岡山地區(qū)土地利用格局變化和地形梯度效應(yīng)；Birhane等[7]基于多時(shí)態(tài)Landsat影像分析了埃塞俄比亞國(guó)家森林優(yōu)先區(qū)土地利用隨地形梯度的變化。

延邊朝鮮族自治州地處中、朝、俄3國(guó)交界處，是長(zhǎng)白山生態(tài)功能區(qū)的一部分，也是東北亞經(jīng)濟(jì)圈與圖們江地區(qū)國(guó)際合作開(kāi)發(fā)的中心地域。區(qū)域內(nèi)地形起伏，地貌類型復(fù)雜，土壤保持服務(wù)差異明顯。探究土壤保持服務(wù)空間異質(zhì)性，認(rèn)知地形梯度上土壤保持服務(wù)差異，探討不同地形條件下土壤保持服務(wù)最佳結(jié)構(gòu)，對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)良性發(fā)展具有重要科學(xué)意義。

雖然在該區(qū)域已有一些關(guān)于土壤保持服務(wù)的研究，但多局限于區(qū)域內(nèi)的小范圍或特定土地類型。因此，該文以圖們江區(qū)域內(nèi)的延邊朝鮮族自治州為研究區(qū)，分析土壤保持服務(wù)在高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)上地形梯度效應(yīng)，旨在研究不同地形梯度下土壤保持服務(wù)的分布特征，為土壤保持措施工程開(kāi)展、區(qū)域糧食安全及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

延邊朝鮮族自治州(40°59′N～44°30′N，127°27′ E～131° 18′ E)位于中國(guó)吉林省東部，屬于大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫4～5 ℃，年均降水量400～600 m，四季分明，冬季漫長(zhǎng)(圖1)。區(qū)域總面積4.32×104km2，共有8個(gè)縣級(jí)轄區(qū)(延吉市、琿春市、安圖縣、汪清縣、龍井市、圖們市、和龍市、敦化市)，山地分布廣泛，地勢(shì)整體呈西高東低趨勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

該文數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)以Landsat Thematic Mapper(ETM+)和Landsat Operational Land Imager(OLI)為數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο蠓蛛x方法獲得，來(lái)自國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心東北分中心共享的2000和2015年數(shù)據(jù)[8]，其中，2000和2015年的分類精度分別為92%和94%，空間分辨率為30 m。MODIS NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自MOD13A的植被指數(shù)數(shù)據(jù)集(https://lpdaac.usgs.gov)，空間分辨率250 m。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)來(lái)自ASTER GDEM，通過(guò)國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(https://earthexplorer.usgs.gov)下載獲得，空間分辨率30 m。年降雨量、月降水量、日最高溫等氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http: //data.cma.cn)，采用普通克里金法對(duì)氣象監(jiān)測(cè)站的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，空間分辨率1 000 m。土壤類型和土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)，空間分辨率1 000 m。為便于土壤保持服務(wù)計(jì)算，將所有數(shù)據(jù)利用ArcGIS10.4軟件重采樣為1 km×1 km。

2 研究方法

2.1 土地保持服務(wù)

土壤保持服務(wù)是由土壤保持量計(jì)算得到，通過(guò)RUSLE模型將潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量之差作為土壤保持量，具體公式為[9]：

A=Ac-Ar=R×K×LS×(1-C×P) (1)

Ar=R×K×LS×C×P

(2)

式中，A為土壤保持量/t·hm-2·a-1,Ac為潛在土壤侵蝕量/t·hm-2·a-1，Ar為實(shí)際土壤侵蝕量/t·hm-2·a-1，R為降雨侵蝕力因子/MJ·mm·hm-2h-1·a-1，K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1)，LS為坡度坡長(zhǎng)因子地形因子(LS),反映地形地貌條件對(duì)土壤侵蝕的影響，該文基于DEM，利用ArcGIS提取計(jì)算得到；C為植被覆蓋因子；P為土壤保持措施因子。各因子計(jì)算公式如下。

該文采用 Sharply等[10]的侵蝕生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型，其土壤可蝕性因子K的計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中，Sa、Si、Ci、C分別為土壤砂粒、粉砂、粘粒、土壤有機(jī)碳含量/%，0.131 7為美制向公制的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

降雨侵蝕力因子R反映的是由降雨引起土壤潛在侵蝕能力的大小，是導(dǎo)致土壤侵蝕的首要因子。該研究利用月降雨量模型計(jì)算R因子值[9]，公式如下：

(5)

式中，Pi為第i個(gè)月降水量/mm，P為年降雨量/mm。對(duì)公式所得R進(jìn)行多年取平均后即可得出多年平均降雨侵蝕力。

植被覆蓋因子C是指在其他條件相同的情況下，有植被覆蓋或田間管理的土壤流失量與同等條件下裸地土壤流失量的比值，該文采用蔡崇法等[11]的C 值計(jì)算公式：

(6)

式中，f為植被覆蓋度，通過(guò)MODIS NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

土壤保持措施因子P是指采取特定土壤保持措施下的坡地土壤流失量與相應(yīng)未實(shí)施任何土壤保持措施的土壤流失量的比值，它反映的是水土保持措施對(duì)于土壤侵蝕的抑制作用。該文參考相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對(duì)P因子進(jìn)行賦值[9](表1)。

表1 延邊朝鮮族自治州土地覆被類型土壤保持措施因子

2.2 地形起伏度

地形起伏度指窗口范圍內(nèi)高程最高值與最低值之差，是描繪窗口范圍內(nèi)地貌特征的重要指標(biāo)[12]。該文利用ArcGIS柵格鄰域計(jì)算工具，設(shè)置窗口范圍為5 km×5 km，計(jì)算公式為：

地面起伏度/m=Gmax-Gmin

(7)

式中，Gmax為窗口內(nèi)最大高程/m，Gmin為窗口內(nèi)最小高程/m。

2.3 地形位指數(shù)

地形位指數(shù)是空間內(nèi)某一點(diǎn)高程和坡度的綜合指標(biāo)，反應(yīng)地形條件對(duì)景觀分布的綜合影響，計(jì)算公式為[12]：

(8)

式中，T為地形位指數(shù)；E為某點(diǎn)高程/m；E0為窗口內(nèi)平均高程/m；S為某點(diǎn)坡度值/°；S0為窗口內(nèi)平均坡度值/°。

2.4 地形因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為分析不同地形梯度上延邊朝鮮族自治州的土壤保持服務(wù)分布，綜合考慮制圖結(jié)果較能反應(yīng)地貌分異規(guī)律，采用標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法[13]將高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)分為6級(jí)，按數(shù)值大小依次分為1～6級(jí)(表2)。

表2 高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 延邊朝鮮族自治州土壤保持服務(wù)空間格局

2015年，延邊朝鮮族自治州單位面積土壤保持量為6 254 t/km2，土壤保持總量為2.69×108t。土壤保持量整體呈東高西低的趨勢(shì)，土壤保持量高值區(qū)域分布在和龍市，單位面積土壤保持量為13 334 t/km2，最低分布于延吉市，為3 859 t/km2(圖2，表3)。林地在延邊朝鮮族自治州分布廣泛，占區(qū)域總面積的82.1%，且林地生態(tài)系統(tǒng)由于其龐大的根系和茂密的地上部分，對(duì)土壤侵蝕有較強(qiáng)的抑制作用，提供較高的土壤保持量(6 775 t/km2)，耕地主要分布在敦化市和龍井市，單位面積土壤保持量為5 187 t/km2；其他用地包括苔蘚、地衣、裸巖和裸土，土壤保持量最差為3 611 t/km2(表4)。

表4 不同土地覆被類型土壤保持量

表3 各縣市土壤保持量

3.2 延邊朝鮮族自治州地形特征

延邊朝鮮族自治州地形特征差異較大，河流水系位于高程低值處，整個(gè)地貌呈山地、丘陵和盆地、河谷平原4個(gè)梯度(圖3)。其中,海拔呈西高東低趨勢(shì)，自東北、西北、西南向東南傾斜，海拔高達(dá)2 636 m，平均

海拔643 m。區(qū)域西部坡度較緩，包括敦化市和安圖縣，東北部坡度較陡，最大坡度為87.03°；地面起伏度低值區(qū)位于汪清縣和龍井市，地勢(shì)較為平緩，地形起伏度高值位于琿春市；地形位指數(shù)最大值為3.43，位于區(qū)域東南和西北部，說(shuō)明該區(qū)域地形條件的空間差異較大。

采用標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法對(duì)高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，發(fā)現(xiàn)四者空間分布差異較大，和龍市平均高程大于300 m，坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)均較高，空間內(nèi)地貌類型差異較大。高程高值區(qū)位于安圖縣南部，但坡度、地形起伏度均較小，說(shuō)明該地區(qū)雖然高程較高，但地勢(shì)相對(duì)平緩，有利于減緩坡面徑流流速，減弱坡面的沖刷，減少土壤侵蝕；而敦化市西北部，高程、坡度、地形起伏度、地形位指數(shù)均較高，高程高、坡度陡和坡面較長(zhǎng)共同導(dǎo)致坡面徑流量較大，侵蝕能力較強(qiáng)。龍井市、延吉市和圖們市地貌類型位盆地和河谷平原，高程和坡度均較低，潛在土壤侵蝕量較小。

3.3 土壤保持服務(wù)地形梯度分布特征

通過(guò)對(duì)土壤保持服務(wù)和不同地形梯度疊加分析，得到延邊朝鮮族自治州每個(gè)梯度上土壤保持服務(wù)的分布趨勢(shì)圖。延邊朝鮮族自治州土壤保持服務(wù)隨高程、坡度和地形位指數(shù)增加均呈先減少后增加的趨勢(shì)；土壤保持服務(wù)隨地形起伏度變化與其他3種地形因子不同，地形起伏度越大，土壤保持量越大，但增長(zhǎng)速率呈先增加后減少的趨勢(shì)(圖4)。

在高程上，土壤保持服務(wù)最低值分布在506～780 m，土壤保持量為2 725 t/km2；最高值出現(xiàn)在1 326～2 636 m，土壤保持服務(wù)量為7 325 t/km2。由于人類活動(dòng)強(qiáng)度在不同坡度上的差異，土壤保持服務(wù)也隨之變化。坡度較小的區(qū)域主要分布在安圖縣、敦化市，土地覆被類型主要為耕地，是區(qū)域內(nèi)的糧食中心，受植被覆蓋指數(shù)和土壤保持措施因子共同影響，耕地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)較差；坡度較大區(qū)域主要分布在和龍市，一方面坡度增加，潛在土壤侵蝕量增加，另一方面該地區(qū)土地利用程度較低，自然條件適宜，林地生態(tài)系統(tǒng)受到干擾較小，提供較高的土壤保持服務(wù)。地形起伏度和坡度的空間格局較為相似，地面起伏度指窗口范圍內(nèi)海拔最高值與最低值的差，相較于其他地形因子，土壤保持服務(wù)隨地形起伏度的增加而不斷增加。

地形位指數(shù)高值區(qū)主要分布在區(qū)域東南、西北部，空間分布較為集中，溝深坡陡，潛在土壤侵蝕量巨大；低值區(qū)主要分布在龍井市、延吉市，主要土地覆被類型以人工表面和耕地為主，人為活動(dòng)干擾大，不利于土壤保持措施；中值區(qū)域分布較為廣泛，以林地生態(tài)系統(tǒng)為主，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，土壤保持服務(wù)在地形位指數(shù)1.10～1.51范圍內(nèi)變化較小。

4 討論

目前對(duì)延邊朝鮮族自治州土壤保持服務(wù)的研究較少，張斯嶼[14]研究東北天保工程土壤保持服務(wù)空間格局與該文結(jié)論基本相同，祁寧等[15]計(jì)算東北森林生態(tài)平衡區(qū)土壤保持量為(2 030±2 973) t/km2，分析其誤差，祁寧等基于服務(wù)簇對(duì)土壤保持服務(wù)進(jìn)行核算，而延邊朝鮮族自治州位于該區(qū)域南部，受水、熱條件限制，植被類型多為針闊葉混交林，提供較高的土壤保持量。

地形條件通過(guò)影響人類活動(dòng)強(qiáng)度和水、熱條件深刻影響著土壤保持服務(wù)空間分布。利用高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)對(duì)土壤保持服務(wù)垂直特征進(jìn)行分析。為方便不同地形指數(shù)的比較，該文對(duì)地形指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，以往研究區(qū)域多位于西北山地采用分位數(shù)法對(duì)等級(jí)進(jìn)行劃分[12，16]，但該方法僅適用于線性分布的數(shù)據(jù)，因此，該文結(jié)合延邊朝鮮族自治州的區(qū)域特點(diǎn)選取標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法，以期更好反應(yīng)地貌分異的規(guī)律與類型。

探討土壤保持服務(wù)在地形梯度上的分布特征，延邊朝鮮族自治州土壤保持量隨高程、坡度的增加呈先減少后增加的趨勢(shì)。一方面，人類在高程、坡度中低值區(qū)活動(dòng)較為頻繁，土壤保持措施較差，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，另一方面隨著高程、坡度增加，人類干擾逐漸降低，林地、草地生存條件適宜，從而使土壤保持服務(wù)隨高程和坡度增加呈先減少后增加的趨勢(shì)，這與徐彩仙等[12]的研究結(jié)果相同。但與甘肅省白龍江流域土壤保持量在地形起伏度變化中的研究結(jié)果不同。甘肅省白龍江流域土壤保持量隨地形起伏度增加而一直遞增后再減少，而延邊朝鮮族自治州土壤保持量隨地形起伏度增加而一直遞增，這可能與指標(biāo)窗口面積選擇和區(qū)域植被特點(diǎn)有關(guān)，白龍江流域隨著海拔的不斷提高，植被類型由林地逐漸變?yōu)楦咴莸楹吐銕r，土壤保持能力較差，而延邊朝鮮族自治州以林地作為景觀基底，提供較高土壤保持服務(wù)。

定量分析土壤保持量隨地形梯度分布的最終目的是為土壤保持服務(wù)在水平和垂直空間上的管理和優(yōu)化提供科學(xué)理論依據(jù)。因此，該文提出以下建議：1) 在地形梯度低值區(qū)(1～2級(jí))包括敦化市和龍井市，農(nóng)耕活動(dòng)頻繁，需要加強(qiáng)土壤保持設(shè)施工程在耕地和人工表面的開(kāi)展；2) 在地形梯度中值區(qū)(3～4)土壤保持服務(wù)呈逐漸減少趨勢(shì)，坡度坡長(zhǎng)因子是影響土壤保持服務(wù)的關(guān)鍵因素，應(yīng)以工程設(shè)施為主，生物措施為輔，在一定程度上減輕和控制泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生；3) 在地形梯度高值區(qū)(5～6)受林地生態(tài)系統(tǒng)影響，土壤保持服務(wù)增加，但高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)均較大，地形條件復(fù)雜，潛在土壤侵蝕量巨大，重視林草恢復(fù)、提升生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性仍是防止土壤侵蝕的關(guān)鍵措施。

5 結(jié)論

該文為實(shí)現(xiàn)土壤保持服務(wù)的合理利用和規(guī)劃，基于RUSLE模型對(duì)延邊朝鮮族自治州土壤保持服務(wù)進(jìn)行計(jì)算，其次從高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)出發(fā)，揭示區(qū)域內(nèi)土壤保持服務(wù)的地形梯度特征關(guān)系。結(jié)論如下：

1) 2015年延邊朝鮮族自治州土壤保持量為2.69×108t，單位面積土壤保持量為6 254 t/km2，土壤保持服務(wù)整體呈東高西低的趨勢(shì)，區(qū)域內(nèi)土壤保持服務(wù)主要由林地提供。

2) 延邊朝鮮族自治州4種地形特征空間分布差異大，安圖縣南部高程較高，但坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)較小，地勢(shì)較為平緩；琿春市高程較低，地勢(shì)陡峭，但總的來(lái)說(shuō)，區(qū)域內(nèi)高程中高值區(qū)域地貌單元較為復(fù)雜。

3) 土壤保持服務(wù)在地形梯度上呈明顯的地理分級(jí)特征，延邊朝鮮族自治州土壤保持服務(wù)隨著高程、坡度、地形位指數(shù)的增加呈先減少后增加的趨勢(shì)；隨地形起伏度的增加土壤保持服務(wù)呈遞增的趨勢(shì)。