張成哲

（營口市水利勘測建筑設計院，遼寧 營口 115000）

實踐表明，土壤侵蝕是改變地貌景觀的主要方式[1]。水土流失使土地退化、土質(zhì)變差、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)以及山洪地質(zhì)災害加劇，給人類居住和生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成潛在威脅。我國土壤侵蝕程度深、水土流失面積廣，2019年動態(tài)監(jiān)測資料顯示，全國土壤侵蝕以風蝕和水蝕為主，水土流失面積達到271.08萬km2，并以西北部最為嚴重[2]。目前，土壤侵蝕研究主要集中于區(qū)域、流域、坡面3個尺度上的定量分析，模型主要有EROSEM、WEPP等物理模型和USLE、RUSLE等經(jīng)驗模型，由于獲取物理模型參數(shù)的難度較大，應用較多的是經(jīng)驗模型[3-6]。為了使得RUSLE模型本地化，許多學者考慮區(qū)域特點對其做了適當修正，并以劉保元的CLSE模型最為典型[7-9]。因具有所需數(shù)據(jù)易獲取、模型簡單和考慮影響因子全面等特點，RUSLE模型受到我國諸多學者的重點關(guān)注，并廣泛應用于多個地區(qū)，如喀斯特地區(qū)、黃土高原地區(qū)、長江中下游和滇南山區(qū)等[10-12]。地理探測器是研究土壤侵蝕影響因素最常用的方法之一，可以識別地理現(xiàn)象的高風險區(qū)和揭示地理現(xiàn)象背后的驅(qū)動因子。

綏中縣位于大興安嶺——太行山北北東向構(gòu)造帶東緣的交接部位，脆性特征非常明顯，從遼寧省土壤侵蝕成果中提取的綏中縣土壤侵蝕數(shù)據(jù)難以反映小區(qū)域?qū)嶋H特征。因此，本文以綏中縣為例，基于2004年、2012年和2020年綏中縣降雨和遙感影響數(shù)據(jù)，利用RUSLE模型揭示土壤侵蝕影響因子及其時空動態(tài)變化特征，并進一步識別出驅(qū)動力因素，為綏中縣國土空間合理規(guī)劃及其退耕還林、生態(tài)修復、土壤侵蝕防治等措施提供科學依據(jù)。

1 區(qū)域概況

綏中縣隸屬于葫蘆島市，介于東經(jīng)119°34′－120°37′，北緯39°51′－40°32′之間，轄13個鎮(zhèn)、11個鄉(xiāng)，總面積2721.18km2?？h內(nèi)河流較多，在流域劃分上屬遼河流域和遼東灣西部沿渤海諸河水系，主要有王寶河、六股河、狗河、貓眼河、黑水河、金絲河、九江河、石河、黃家河秋皮河、小莊子河、塔子溝河、長灘河等。地貌特征呈明顯的階梯狀，東南低、西北高，依次為沿海平原、丘陵、中低山，高程50m以下的平原區(qū)占34.3%，高程50～200m的丘陵占39.4%、高程超過200m的中低山區(qū)占26.3%，按其成因可以分為沖積海積平原、剝蝕堆積求和構(gòu)造侵蝕中低山3種地貌類型。

綏中縣屬北溫帶大陸性氣候區(qū)，其氣候特征呈冬季寒冷干燥、夏季多雨炎熱、秋季涼爽宜人、春季多風干旱，多年平均降水量617.4mm，其中汛期雨量471.1mm。綏中縣土層疏松，地質(zhì)災害頻發(fā)對道路、橋梁和耕地影響較大；礦產(chǎn)資源、采石、陡坡開墾使得自然災害頻發(fā)，土壤侵蝕范圍擴大，自然環(huán)境變差，對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生極大阻礙。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2004年、2012年、2020年降雨數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心、Landsat TM/OIL影像(1～2月數(shù)據(jù))；土壤有機碳以及粉砂含量等質(zhì)地類型數(shù)據(jù)來源于HESD數(shù)據(jù)庫；采用最大值合成法生成2004年、2012年和2020年1～12月NDVI數(shù)據(jù)，基礎數(shù)據(jù)由MOD13Q1產(chǎn)品提供；應用ASTER GDEM V2全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)提供分辨率30m的數(shù)字高程模型(DEM)；通過幾何校正、輻射定標解譯遙感影像以及野外驗證等程序獲取土地利用類型，隨機從解譯結(jié)果中選取50個樣點到現(xiàn)場實地檢驗其準確度，經(jīng)驗證精準度達到85%，符合精度要求。其中，地理空間數(shù)據(jù)提供數(shù)字高程模型和Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，統(tǒng)一坐標取WGS_1984_UTM_47N，數(shù)據(jù)柵格統(tǒng)一大小為30m。

2.2 研究方法

1）計算土壤侵蝕模數(shù)A。對于土壤侵蝕量和侵蝕模數(shù)考慮利用RUSLE模型進行計算，其表達式為：

式中：A代表土壤侵蝕模數(shù)[t/(hm2·a)]；R、K代表降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/[hm2·h·a]和土壤可蝕性因子[(t·h)/(MJ·mm)]；LS代表地形因子(無量綱)，即坡度與坡長；C、P代表植被覆蓋因子和水保措施因子(無量綱)。

a）降雨侵蝕力因子R反映了降雨誘發(fā)土壤侵蝕情況的潛力，本文選用楊子生等[13]修訂的方法計算R因子值，即：

式中：M代表年降雨量(mm)。

b）土壤可蝕性因子K反映了土壤對侵蝕的敏感程度，認為土壤質(zhì)地越細膩或越粗糙則越不易被侵蝕，土壤質(zhì)地屬于中間水平時則越易被侵蝕，本文利用Williams[14]在EPIC模型中提出的公式計算K因子值，即：

式 中：SAN、SIL代 表0.050～2.000mm的 沙 粒 含量(%)和0.002～0.050mm的粉粒含量(%)，其中SN1=1-SAN/100；C、CLA代表土壤有機碳含量(%)和＜0.002mm黏粒含量(%)。依據(jù)有關(guān)研究資料，必須對計算得到的美制單位K值進行單位系數(shù)換算，以國際制單位K國替換美制單位K美，轉(zhuǎn)換公式為K國=0.1317K美。

c）地形因子LS用于表征地形加速土壤侵蝕的程度，其數(shù)值等于坡長因子L、坡度因子S的乘積值，本文借鑒劉保元[15]和Mc Cool等[16]的經(jīng)驗公式計算地形因子值，具體表達式為：

式中：λ、θ代代表坡長(m)和坡度(°)；m代表坡度指數(shù)(無量綱)，數(shù)值等于坡度百分比。

d）植被覆蓋因子C反映了土地管理、耕作方式、林草植被等對土壤侵蝕的影響作用，本文利用蔡崇法[17]提出的修正公式求解C因子值，即：

依據(jù)遙感影像統(tǒng)計NDVI(歸一化植被指數(shù))的最小值與最大值，然后利用下述公式計算植被覆蓋度F，即：

e）水保措施因子P是反映不同用地類型是否采取水保措施的主要依據(jù)，其取值區(qū)間0～1，地表裸露無水保措施時因子取1，水保措施越完善越趨近于0。本文結(jié)合實地調(diào)查資料和區(qū)域微觀坡面形態(tài)特征、宏觀地貌類型等因素，對不同用地類型合理賦予相應的P因子值，如表1。

表1 不同用地類型的P因子值

2）地理探測器。這是一種能夠有效規(guī)避人為主觀性影響，有效識別多因子之間的關(guān)系分析地理現(xiàn)象空間異質(zhì)性的統(tǒng)計學方法，無假設條件是其最大的特征，理論依據(jù)為空間方差原理[18-20]。

本文利用交互作用探測器、風險探測器、因子探測器3個模塊定量分析可能影響土壤侵蝕的土地利用類型、植被覆蓋度、坡度、海拔、年均降雨量5類因子。屬性M對N的解釋程度(取值0～1)因子解釋力(q)值來衡量，數(shù)值越小則代表影響因子的解釋力越強；各因子的顯著性檢驗用p值來判斷人，若p＜0.05則代表通過顯著性檢驗。兩個因子之間的作用以交互作用探測器來判別，通過比較多因子與單一因子的q值判定其影響程度；對影響土壤侵蝕的因子取值范圍主要利用風險探測器來確定。依據(jù)相關(guān)文獻資料，離散化處理以上5類因子，采用自然間斷法將海拔和年均降雨量劃分成9類，植被覆蓋度和坡度劃分成8類，土地利用類型劃分成未利用土地、水域、建設用地、耕地、草地和林地。對研究區(qū)利用Arc GIS軟件劃分網(wǎng)格，設定采樣點間距500m，將異常數(shù)據(jù)剔除后最終確定12160個點數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕時空變化

通過計算處理各因子值確定綏中縣土壤侵蝕模數(shù)平均值10.64t/(km2·a)，年均侵蝕量2.8953×104t，將綏中縣土壤侵蝕強度按照土壤侵蝕標準分級，統(tǒng)計計算各時期的土壤侵蝕面積和侵蝕模數(shù)。

表2 土壤侵蝕強度

結(jié)果表明，綏中縣土壤侵蝕強度以微度和輕度為主，侵蝕程度較低且侵蝕強度分布較廣，3個時期微度和輕度侵蝕面積占總面積90%以上，中度侵蝕占1%～3%，土壤侵蝕整體處于較輕狀態(tài)。2004年、2012年、2020年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)出逐漸減小趨勢，依次為14.25、9.10和8.57t/(km2·a)，2004～2020年不同強度的侵蝕面積變化顯著。2004年、2012年、2020年微度侵蝕面積從1648.86km2不斷增大到1702.65km2、1908.71km2，輕度侵蝕從836.02km2不斷減小到811.00km2、614.52km2，輕度、中度和劇烈侵蝕面積表現(xiàn)出明顯減小趨勢，高侵蝕等級不斷轉(zhuǎn)移到低侵蝕等級，強烈和極強烈侵蝕面積呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。總體而言，綏中縣土壤侵蝕程度以微度和輕度為主，土壤侵蝕模數(shù)呈不斷減小趨勢，近15a來輕度、中度和劇烈侵蝕面積明顯減小，土壤侵蝕程好轉(zhuǎn)趨勢，這與國家生態(tài)文明建設和退耕還林草工程的實施密切相關(guān)。

為了更加直觀地揭示綏中縣土壤侵蝕時空動態(tài)變化特征，將土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)利用Arc GIS軟件的空間疊加功能生成時空變化轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。

表3 土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣

結(jié)果表明，2004-2012年研究區(qū)土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)化主要集中于微度、輕度和中度之間，從輕度轉(zhuǎn)化為微度的侵蝕面積有208.08km2，從中度轉(zhuǎn)化為輕度的侵蝕面積有25.78km2；從低強度轉(zhuǎn)化為高強度的侵蝕面積有275.2km2，從高強度轉(zhuǎn)化為低強度的侵蝕面積有379.10km2。2012-2020年和2004-2012年的侵蝕強度轉(zhuǎn)化基本一致，從輕度轉(zhuǎn)化為微度的侵蝕面積有312.73km2；從低強度轉(zhuǎn)化為高強度的侵蝕面積有233.67km2，從高強度轉(zhuǎn)化為低強度的侵蝕面積有443.62km2。2004-2012年強烈和極強烈侵蝕面積增加41.63%，上升幅度達到59%；統(tǒng)計分析強烈和極強烈中各地類所占面積比重發(fā)現(xiàn)這兩個等級中的耕地是所有用地類型面積占比最高的地類。

疊加統(tǒng)計強烈和極強烈侵蝕等級分布圖、坡度圖和土地利用類型圖，如圖3所示。結(jié)果顯示，在強烈和極強烈侵蝕整體面積變化中坡度＞25°的耕地占據(jù)著主導作用，作物類型、耕作方式、耕作水平和區(qū)域降水是影響坡度＞25°的耕地中侵蝕等級差異性的主要因素?？傮w而言，2004-2020年綏中縣土壤侵蝕強度未發(fā)生變化的區(qū)域占74.68%，侵蝕強度變化集中于中度、輕度和微度等級。

圖3 坡耕地面積與侵蝕等級面積關(guān)系圖

3.2 土壤侵蝕影響因子

將各因子對土壤侵蝕空間分異特征的顯著性檢驗(p值)和解釋力(q值)利用因子探測器進行計算，如表4。結(jié)果表明，各因子的p值均為0.00，均通過0.05的顯著性檢驗，即土壤侵蝕分布受各因子的影響顯著。從低到高個因子的解釋力排序為坡度＜海拔＜年均降雨量＜植被覆蓋度＜土地利用類型。q值最高的是土地利用類型的62.27%，即土地利用類型是主導因子，對土壤侵蝕的貢獻率最高；q值最低的是坡度的0.18%，對研究區(qū)土壤侵蝕影響最小，以上人為和自然因素共同決定了綏中縣土壤侵蝕分布特征。其中，年均降水量和海拔的q值比土地利用類型低，表明綏中縣土壤侵蝕受人類工程活動的影響最為顯著。

表4 各因子p、q值

地理探測器中的交互探測器計算結(jié)果見表5，單個因子的解釋力小于交互后的解釋力。土地利用類型及其與其它因子的疊加具有較強的解釋力，均排在第一；其中，土地利用類型和坡度因子疊加的q值最高，表明土地利用類型與不同坡度之間的侵蝕程度存在顯著差異。植被覆蓋度與土地利用類型交互的q值為0.6701，而單個因子——植被覆蓋度的q值為0.0271，表明退耕還林草工程的實施具有重要作用，因此為有效抑制土壤侵蝕的發(fā)生可通過生態(tài)修復未利用土地和耕地，植樹種草提高林草地面積和植被覆蓋率，增強下滲能力及減少地表徑流，逐漸改善區(qū)域水土流失現(xiàn)狀。

表5 交互作用下各因子的q值

對土壤侵蝕高風險區(qū)域利用風險探測器的計算結(jié)果進行識別，結(jié)果顯示綏中縣高風險區(qū)位于植被覆蓋度＜30%、年均降雨量超過600mm、坡度＞35°、海拔200m以上未利用地土地的區(qū)域。通過疊加植被覆蓋度和土壤侵蝕分布圖發(fā)現(xiàn)，對抑制土壤侵蝕植被覆蓋度發(fā)揮著明顯作用，植被覆蓋度＜30%屬于高風險地區(qū)。建設用地相較于其它影響因子q最高，也是土地利用類型中最易引起侵蝕的地類，其侵蝕強度最高達到510.85t/(km2·a)；研究區(qū)域內(nèi)的未利用土地以裸地為主，未采取任何水保措施且植被覆蓋度低、環(huán)境差。坡度超過35°時極易發(fā)生土壤侵蝕，坡度越大則產(chǎn)生侵蝕的概率越高，受自身產(chǎn)生的重力作用樹木在坡度達到一定閾值時無法存活，樹木存活率和植被覆蓋度較低，故未利用土地或建設用地的固土能力差，降雨沖刷地面會引起侵蝕量的增多[21]。在植被覆蓋度較低且雨量比較豐富的區(qū)域，降雨徑流沖刷坡面土壤比較強烈，極易產(chǎn)生土壤侵蝕。

綏中縣土壤侵蝕影響因子主要是土地利用類型因子，不同用地類型的侵蝕強度具有明顯差異，對比分析各用地類型土壤侵蝕面積和侵蝕模數(shù)，如表6所示。

表6 各用地類型面積及土壤侵蝕模數(shù)

從表6可以看出，從低到高不同用地類型的土壤侵蝕強度排序為水域＜草地＜林地＜耕地(含園地)＜未利用地＜建設用地，未利用土地面積0.12萬hm2，主要分布于六股河沿岸，并且均未采取水保措施。草地和林地侵蝕強度較小，植被覆蓋度較高，耕地(含園地)面積11.24萬hm2，侵蝕模數(shù)為88.37t/(km2·a)，主要分布于人類活動密集區(qū)。根據(jù)綏中縣土地利用類型分布特征、面積占比和地理探測器分析結(jié)果，坡耕地應作為研究區(qū)土壤侵蝕重點治理區(qū)，為抑制土壤侵蝕現(xiàn)狀必須繼續(xù)實施退耕還林草等工程措施。

4 結(jié) 論

1）2004-2020年綏中縣土壤侵蝕強度以微度和輕度為主，微度和輕度侵蝕占總面積90%以上，中度侵蝕占1%～3%。研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)總體呈逐漸減小趨勢，依次為14.25、9.10和8.57t/(km2·a)，近15a來輕度、中度和劇烈侵蝕面積明顯減小，這與國家生態(tài)文明建設和退耕還林草工程的實施密切相關(guān)。

2）六股河兩岸的土壤侵蝕比較嚴重，研究區(qū)土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)化主要集中于微度、輕度和中度之間，統(tǒng)計分析強烈和極強烈中各地類所占面積比重發(fā)現(xiàn)這兩個等級中的耕地是所有用地類型面積占比最高的地類。

3）從低到高不同用地類型的土壤侵蝕強度排序為水域＜草地＜林地＜耕地(含園地)＜未利用地＜建設用地。建設用地相較于其它影響因子q最高，也是土地利用類型中最易引起侵蝕的地類，綏中縣高風險區(qū)位于植被覆蓋度＜30%、年均降雨量超過600mm、坡度＞35°、海拔200m以上未利用地土地的區(qū)域。根據(jù)綏中縣土地利用類型分布特征、面積占比和地理探測器分析結(jié)果，認為坡耕地應作為研究區(qū)土壤侵蝕重點治理區(qū)。