李明熹

(朝陽(yáng)華瑞工程技術(shù)咨詢有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 引 言

一般地，對(duì)維持人類生存及社會(huì)發(fā)展的自然環(huán)境條件而采取的各項(xiàng)水土保持措施的綜合效用統(tǒng)稱為水土保持功能。因此，根據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征揭示水土保持功能分異規(guī)律，并對(duì)水土保持功能區(qū)域按不同重要性等級(jí)劃分，從而實(shí)現(xiàn)水土保持功能重要性評(píng)價(jià)，可為制定生態(tài)保護(hù)政策、確定生態(tài)保護(hù)紅線和管理區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)等提供參考[1]。

遼寧省作為北方典型的綜壤丘陵區(qū)，降雨時(shí)空分布不均且地形崎嶇坡度較大，極易誘發(fā)土壤侵蝕。近幾年，生態(tài)文明示范區(qū)和生態(tài)省建設(shè)等重大決策的實(shí)施，大大提高了水土保持生態(tài)建設(shè)速度。目前，針對(duì)遼寧省土壤侵蝕的研究多集中于侵蝕現(xiàn)狀評(píng)估與監(jiān)測(cè)，而以水土保持量評(píng)價(jià)水土保持功能的研究相對(duì)較少。在全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的部署下，遼寧省及其周邊區(qū)域的生態(tài)安全以生態(tài)保護(hù)紅線為底線，故科學(xué)評(píng)估水土保持功能重要性的意義重大。鑒于此，本研究利用修正的通用水土流失方程(RUSLE)和植被指數(shù)、數(shù)字高程、土壤、降水等數(shù)據(jù)，基于GIS技術(shù)估算了遼寧省土壤保持量，在此基礎(chǔ)上合理劃分了水土保持功能區(qū)，以期為科學(xué)劃定遼寧省生態(tài)保護(hù)紅線提供一定指導(dǎo)[2]。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省東北部與吉林接壤，西北與內(nèi)蒙古臨界，南鄰黃海、渤海，與日本、韓國(guó)、山東半島隔海相望，地處E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′范圍，南北寬約530km，東西長(zhǎng)約574 km，總面積148084km2。地貌類型大體呈“六山一水三分田”，水面、平地、山地所占比例為9%、33%、58%。氣候?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)和半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)，氣候特征為干燥多風(fēng)，日照豐富，雨熱同季，四季分明，因自然地理?xiàng)l件不同各地氣候差異顯著，年均氣溫5-10℃，平均風(fēng)速2-5 m/s，日照時(shí)數(shù)2270-2290h，年均降雨量600-1100mm。

遼東山地丘陵多為山地棕色和暗棕色森林土，土層厚處于0.5-1.0m左右，植被復(fù)蓋良好，森林復(fù)蓋率達(dá)到50%，遼東半島森林覆蓋率25%，自然植被以針葉混合林和闊葉林，多柞木林，地面枯枝落葉層較厚，土壤侵蝕輕微。東部沿海北部及半島丘陵多為砂石土，東部山丘何不有山地砂土、淤土，河谷較窄，東溝沿海南部為黑土，土壤侵蝕以水力侵蝕為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供降雨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即研究區(qū)2016-2020年降雨月值數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)；土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、植被基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)(空間分辨率為1km)來(lái)源于第二次全國(guó)土地調(diào)查的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)、年度植被指數(shù)(NDVI)和海拔高度(DEM)空間分布數(shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)均由中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供。

1.3 研究方法

借鑒《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》擬選用修正的通用水土流失方程(RUSLE)，構(gòu)建水土保持功能重要性評(píng)價(jià)模型，模型結(jié)構(gòu)如下：

Ap=R×K×L×S

(1)

Ar=R×K×L×S×C×P

(2)

Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)

(3)

式中：Ac、Ap、Ar為土壤保持量、潛在和實(shí)際土壤侵蝕量，t/(hm2·a)；R、K為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]和土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/(MJ·hm2·mm)]；L、S、C、P為坡長(zhǎng)、坡度、植被覆蓋和水土保持措施因子(無(wú)量綱)；以自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，故P因子值取1。文章將評(píng)價(jià)等級(jí)利用自然斷點(diǎn)法劃分成極其、高度、中等、較為和一般重要5級(jí)，評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 水土保持功能重要性評(píng)價(jià)流程

1.3.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力一般難以直接測(cè)定，利用降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、降雨量等參數(shù)估算降雨引起土壤侵蝕的潛在能力。文章采用周伏建等提出的方法估算降雨侵蝕力R值，其表達(dá)式為：

(4)

式中：Pi為月均降雨量，mm；采用降雨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)2016-2020年5a間的各月降雨均值，然后利用公式(7)求解出年均降雨侵蝕力R值，并對(duì)R值應(yīng)用Arc GIS軟件完成克里金插值運(yùn)算，從而揭示區(qū)域降雨侵蝕力的空間分布規(guī)律[3]。

1.3.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性因子反映了土壤抵抗侵蝕的能力，這是衡量不同類型土壤侵蝕敏感性的主要參數(shù)。文章利用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》推薦的公式計(jì)算土壤可蝕性因子K值，其表達(dá)式為：

K=fhisand×forgc×fcl-si×fcsand

(5)

fhisand=1-0.7(1-ms/100)/{1-ms/100+exp[-5.51+22.9(1-ms/100)]}forgc=1-0.25orgC/[orgC+exp(3.72-2.95orgC)]fcl-si=[msilt/(mc+msilt)]0.3fcsand=0.2+0.3exp[-0.0256ms(1-msilt/100)]

(6)

式中：ms、mc、msilt為土壤粗砂、粉砂和黏粒含量，%；orgC為有機(jī)碳含量，%。結(jié)合土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用Arc GIS軟件提取土壤有機(jī)碳、黏粒、粉砂和粗砂含量，土壤侵蝕力K值利用公式(5)-(6)計(jì)算，從而揭示區(qū)域土壤侵蝕力空間分布規(guī)律。

1.3.3 地形因子

一般地，地形因子有坡長(zhǎng)、坡度兩個(gè)，其中坡長(zhǎng)因子是指地表狀況、坡度、土壤和降雨等條件相同的情況下，與標(biāo)準(zhǔn)坡長(zhǎng)的坡面相比某坡長(zhǎng)的坡面土壤流失量所占比例；坡度因子是指在其他條件不變的條件下，與標(biāo)準(zhǔn)坡度的坡面相比某坡度的坡面土壤流失量所占比例。文章利用劉保元等提出的公式計(jì)算坡長(zhǎng)因子L和坡度因子S，其表達(dá)式為：

L=(λ/22.13)m

(7)

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°S=16.8sinθ-0.50；5≤θ≤10°S=21.91sinθ-0.96；θ≥10°

(8)

式中：λ為坡長(zhǎng),m；θ為坡度，°；m為坡長(zhǎng)指數(shù)，其中θ<1°時(shí)m取0.2，1°≤θ<3°時(shí)m取0.3，3°≤θ<5°時(shí)m取0.4，θ≥5°時(shí)m取0.5。結(jié)合數(shù)字高程數(shù)據(jù)利用Arc GIS軟件提取區(qū)域DEM值，坡度坡長(zhǎng)因子LS值利用公式(7)-(8)計(jì)算，從而揭示區(qū)域地形因子空間分布規(guī)律。

1.3.4 植被覆蓋因子

植被覆蓋因子是指在地形、土壤和降雨條件相同的情況下，與撂荒土地相比一定時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)有作物或者植被土地的土壤流失量所占比例。文章利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)計(jì)算植被覆蓋度，借鑒蔡崇法等提出的公式計(jì)算植被覆蓋因子C值，其表達(dá)式為：

C=1；c=0C=0.6508-0.343611g；078.3%

(9)

研究區(qū)年平均NDVI值采用2016-2020年中國(guó)年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集進(jìn)行計(jì)算，植被覆蓋因子C值按照公式(9)計(jì)算，從而揭示區(qū)域植被覆蓋因子空間分布規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)際土壤侵蝕量

寧省土壤保持量和土壤侵蝕量見(jiàn)表1。

表1 遼寧省土壤保持量和土壤侵蝕量

由表1可知，遼寧省實(shí)際土壤侵蝕總量為2.77×108t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為1873.39t/(km2·a)。從實(shí)際土壤侵蝕量上，撫順市(249.82×104t/a)<朝陽(yáng)市(1124.34×104t/a)<大連市(1180.92×104t/a)<營(yíng)口市(1355.32×104t/a)<盤錦市(1613.98×104t/a)<錦州市(1668.42×104t/a)<葫蘆島市(1795.45×104t/a)<丹東市(1953.95×104t/a)<遼陽(yáng)市(2004.46×104t/a)<阜新市(2199.45×104t/a)<本溪市(2299.41×104t/a)<沈陽(yáng)市(3203.95×104t/a)<鞍山市(3253.97×104t/a)<鐵嶺市(3344.61×104t/a)。在空間分布上，全省呈不連續(xù)塊狀分布特征，自西北內(nèi)地向東南沿海土壤侵蝕模數(shù)總體呈增大趨勢(shì)，但遼西和遼東局部低山丘陵地帶土壤侵蝕較嚴(yán)重。

2.2 潛在土壤侵蝕量

遼寧省潛在土壤侵蝕總量為30.72×108t/a，平均潛在土壤侵蝕模數(shù)為20747.25t/(km2·a)。從潛在土壤侵蝕量上，遼陽(yáng)市(0.79×108t/a)<錦州市(1.00×108t/a)<營(yíng)口市(1.40×108t/a)<撫順市(1.41×108t/a)<盤錦市(1.61×108t/a)<本溪市(1.63×108t/a)<鞍山市(1.85×108t/a)<<葫蘆島市(2.40×108t/a)<大連市(2.51×108t/a)<鐵嶺市(2.63×108t/a)<阜新市(2.74×108t/a)<丹東市(3.11×108t/a)<沈陽(yáng)市(3.18×108t/a)<朝陽(yáng)市(4.45×108t/a)。在空間分布上，潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕模數(shù)基本相反，自西北內(nèi)地向東南沿海潛在土壤侵蝕量總體呈減小趨勢(shì)，該變化特征與遼寧省降雨、地形等侵蝕因子有關(guān)。

2.3 土壤保持量

遼寧省土壤保持總量為28.78×108t/a，平均土壤保持模數(shù)為19435.34t/(km2·a)。從土壤保持量上，遼陽(yáng)市(0.59×108t/a)<大連市(0.83×108t/a)<營(yíng)口市(1.27×108t/a)<撫順市(1.32×108t/a)<本溪市(1.40×108t/a)<盤錦市(1.45×108t/a)<鞍山市(1.53×108t/a)<葫蘆島市(2.22×108t/a)<鐵嶺市(2.30×108t/a)<大連市(2.39×108t/a)<阜新市(2.52×108t/a)<沈陽(yáng)市(2.86×108t/a)<丹東市(2.93×108t/a)<朝陽(yáng)市(4.35×108t/a)。在空間分布上，自西北內(nèi)地向東南沿海土壤保持模數(shù)總體呈減小趨勢(shì)，該變化特征與地表植被覆蓋、降雨等因子有關(guān)。

2.4 水土保持功能重要性

文章以17840、20115、67 526、108171為分界值，將遼寧省水土保持功能重要性利用自然斷點(diǎn)法劃分成5級(jí)，如表2所示。全省水土保持功能一般、較為、中等、高度、極其重要區(qū)面積分別為89598.64、26684.97、18307.10、9812.57、3680.72km2，占全省面積的60.51%、18.02%、12.36%、6.63%、2.49%。

表2 水土保持功能重要性劃分

在空間分布上，遼東和遼西山地、丘陵區(qū)零星分布有極其重要區(qū)，塊狀零星分布有高度中重要區(qū)；遼北地區(qū)集中分布有中等重要區(qū)，較為重要區(qū)在遼河平原、河谷、局部山區(qū)盆地分布廣泛，而遼中和沿海平原地區(qū)的水土保持功能以一般重要區(qū)為主。

3 結(jié) 論

1)文章利用修正的通用水土流失方程(RUSLE)和植被指數(shù)、數(shù)字高程、土壤、降水等數(shù)據(jù)，基于GIS技術(shù)估算了遼寧省土壤保持量，并結(jié)合實(shí)際情況劃分了水土保持功能重要性等級(jí)。結(jié)果表明：全省平均土壤保持模數(shù)為18614.51t/(km2·a)，土壤保持總量28.78×108t/a；全省水土保持功能一般、較為、中等、高度、極其重要區(qū)面積分別為89598.64、26684.97、18307.10、9812.57、3680.72km2，占全省面積的60.51%、18.02%、12.36%、6.63%、2.49%。遼東和遼西山地、丘陵區(qū)零星分布有極其重要區(qū)，塊狀零星分布有高度中重要區(qū)；遼北地區(qū)集中分布有中等重要區(qū)，較為重要區(qū)在遼河平原、河谷、局部山區(qū)盆地分布廣泛，而遼中和沿海平原地區(qū)的水土保持功能以一般重要區(qū)為主。

2)研究過(guò)程中仍存在一定的不足：受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集限制以國(guó)家級(jí)臺(tái)站數(shù)據(jù)估算降雨侵蝕力，如采用更多地方級(jí)臺(tái)站數(shù)據(jù)可進(jìn)一步提高估算精度；RUSLE方程的各因子計(jì)算方法是評(píng)價(jià)水土保持功能重要性的關(guān)鍵，文中以劉寶元提出的方法計(jì)算坡度因子，該方法是否適用于北方丘陵區(qū)及其精度仍有待檢驗(yàn)；水土保持功能重要性等級(jí)劃分指標(biāo)及其級(jí)數(shù)尚無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)，文章結(jié)合研究區(qū)生態(tài)保護(hù)需求情況和水土流失現(xiàn)狀，將評(píng)價(jià)等級(jí)利用自然斷點(diǎn)法劃分呈5級(jí)，未來(lái)仍需結(jié)合實(shí)際情況加以完善。