左飛航，張少偉，權(quán)紅花

（1. 自然資源部陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054）

黃土高原的土壤侵蝕現(xiàn)象是一個(gè)重大的環(huán)境問(wèn)題[1]。陜西省黃土高原地區(qū)的地形異常破碎，植被覆蓋度較差，土壤侵蝕極為嚴(yán)重[2]。陜西省北部是我國(guó)最典型的黃土高原區(qū)域，研究該區(qū)域的土壤侵蝕特征，對(duì)于整個(gè)黃土高原來(lái)說(shuō)極具代表性。另一方面，習(xí)近平總書(shū)記提出黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略部署，使得該區(qū)域的研究更具時(shí)代意義。本文利用侵蝕溝道數(shù)據(jù)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[3]、數(shù)字高程模型（DEM）和遙感影像數(shù)據(jù)等，首先評(píng)價(jià)了研究區(qū)的土壤侵蝕狀況；然后以侵蝕溝道為單元，對(duì)陜西省黃土高原土壤侵蝕強(qiáng)度和分布特征進(jìn)行了分析研究。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省分為北部黃土高原區(qū)、中部關(guān)中平原區(qū)和南部秦巴山區(qū)，其中黃土高原區(qū)在陜西省境內(nèi)共包括6個(gè)地市、46個(gè)縣區(qū)，地貌類型為高原溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)，總面積約為10.6 萬(wàn)km2。陜西省黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，屬于重點(diǎn)防治區(qū)域。20年來(lái)我國(guó)大范圍推廣退耕還林還草工程，陜西省黃土高原的植被覆蓋不斷增加，已經(jīng)極大改善了區(qū)域土壤侵蝕情況，水土流失也呈現(xiàn)出了新的特征，因此有必要利用新的數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行研究和總結(jié)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)展了水利普查[4]、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)[5]等自然資源調(diào)查工作，積累了豐富的自然資源數(shù)據(jù)。本文利用全國(guó)第一次水利普查數(shù)據(jù)獲取陜西省黃土高原侵蝕溝道數(shù)據(jù)；利用基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果獲取土地利用數(shù)據(jù)，提取耕地?cái)?shù)據(jù)；利用10 m分辨率的精細(xì)化DEM計(jì)算坡度；利用中分辨率遙感影像Landsat8 OLI 影像估算植被覆蓋度；進(jìn)而研究侵蝕溝道的土壤侵蝕強(qiáng)度特征。

2 研究方法

2.1 侵蝕溝道數(shù)據(jù)獲取方法

溝道數(shù)據(jù)的提取以DEM和高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，首先利用空間水文分析方法進(jìn)行初步提取，再采用人工后期處理的方式，提取侵蝕溝道范圍面和溝道線[6]?？臻g水文分析的具體步驟包括在DEM 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行洼地填充、水流方向提取、匯流累積量計(jì)算、參考閾值分區(qū)域選取、柵格河網(wǎng)生成、出水口數(shù)據(jù)生成、原始溝道面數(shù)據(jù)生成、柵格數(shù)據(jù)矢量化等[7]。侵蝕溝道范圍面是指侵蝕溝的匯水區(qū)域。提取溝道線層時(shí)，按照由高到低的方向提取矢量線，并計(jì)算高差。

2.2 土壤侵蝕評(píng)價(jià)方法

本文采用SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，主要因素包括坡度、土地利用類型和植被覆蓋度。土壤侵蝕強(qiáng)度分為輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈5個(gè)等級(jí)，具體如表1所示。

表1 土壤侵蝕分級(jí)指標(biāo)

1）坡度計(jì)算方法。利用DEM 計(jì)算坡度，并按照表1劃分坡度等級(jí)。

2）土地利用類型提取方法。地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的地表覆蓋包括種植土地（01）、林草覆蓋（03）、房屋建筑區(qū)（05）、鐵路與道路（06）、構(gòu)筑物（07）、人工堆掘地（08）、荒漠與裸露地表（09）、水域（10）等類別，括號(hào)中表示類別代碼。本文將種植土地（01）中的水田（0110）和旱地（0120）作為耕地?cái)?shù)據(jù)，其他類作為非耕地?cái)?shù)據(jù)。

3）植被覆蓋度計(jì)算方法。利用Landsat8 OLI影像計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI），首先選取2015—2018 年植物生長(zhǎng)期（7 月）的影像，再利用近紅外波段和紅光波段計(jì)算NDVI 值。

采用二分法估算植被覆蓋度，將植被指數(shù)換算為植被覆蓋度，即

式中， NDVImin、 NDVImax分別為最小、最大NDVI 值。

在影像上選取20個(gè)無(wú)植被覆蓋度的裸土區(qū)和沙漠區(qū)，再選取20 個(gè)高植被覆蓋度的植被區(qū)作為樣本區(qū)域，每個(gè)區(qū)域不少于4 個(gè)像元；分別計(jì)算無(wú)植被覆蓋度和高植被覆蓋度樣本區(qū)域的NDVI 平均值；取無(wú)植被覆蓋度和高植被覆蓋度樣本區(qū)域的NDVI 算術(shù)平均值作為NDVImin、NDVImax。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

1）頻數(shù)分析。頻數(shù)是指某一特征出現(xiàn)的次數(shù)。本文對(duì)侵蝕溝道的面積和溝道線長(zhǎng)度進(jìn)行分級(jí)，并統(tǒng)計(jì)了每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)溝道的頻數(shù)。

2）空間（緯度）分布。為了研究侵蝕特征隨緯度的變化情況，本文將研究區(qū)域按緯度劃分為若干緯度分帶，統(tǒng)計(jì)了每個(gè)分帶上的侵蝕溝道面積、溝道線長(zhǎng)度、溝道縱比、侵蝕強(qiáng)度分級(jí)等指標(biāo)。

3）相關(guān)性分析。本文中各項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值均隨緯度的變化而呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，且多為線性變化，因此采用決定系數(shù)R2表示擬合的相關(guān)性。

2.4 溝道侵蝕強(qiáng)度分析方法

1）重度以上侵蝕比。將重度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕定義為重度以上侵蝕，將溝道內(nèi)重度以上侵蝕面積與溝道面積的比例定義為重度以上侵蝕比。

式中，S1為重度以上侵蝕面積；S 為侵蝕溝道面積。

2）溝道侵蝕強(qiáng)度。以溝道為單元，以侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的面積為權(quán)重，計(jì)算各等級(jí)的加權(quán)平均值，作為溝道侵蝕強(qiáng)度。

式中， Di為侵蝕強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的等級(jí)，無(wú)侵蝕（0）、輕度侵蝕（1）、中度侵蝕（2）、重度侵蝕（3）、強(qiáng)烈侵蝕（4）、極強(qiáng)烈侵蝕（5）；Si為侵蝕強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的面積，溝道侵蝕分級(jí)指標(biāo)如表2所示。

表2 溝道侵蝕分級(jí)指標(biāo)

3 研究結(jié)果分析

3.1 侵蝕溝道分布規(guī)律

陜西省約占黃土高原面積的20%，底層溝道數(shù)量為14.94 萬(wàn)條，預(yù)計(jì)黃土高原底層溝道約為75 萬(wàn)條。通過(guò)計(jì)算侵蝕溝道面積和溝道線長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)（圖1），面積為20 km2左右的侵蝕溝道最多，面積越大的侵蝕溝道越少，鮮有100 km2以上的侵蝕溝道；溝道線長(zhǎng)度為600 m 左右的侵蝕溝道最多，溝道線長(zhǎng)度越長(zhǎng)的侵蝕溝道越少，鮮有1 800 m 以上的侵蝕溝道。因此，陜西省黃土高原區(qū)域內(nèi)，面積為15~50 km2，溝道線長(zhǎng)度為500~1 000 m的侵蝕溝道最為常見(jiàn)。

圖1 侵蝕溝道面積和侵蝕溝長(zhǎng)度頻數(shù)分布圖

陜西省內(nèi)黃土高原的侵蝕溝道主要分布在北緯34.5°~39°之間，縱向貫穿了黃土高原中部，本文以0.5°為間隔劃分緯度帶，分別計(jì)算溝道面積、長(zhǎng)度、溝道縱比的平均值（圖2）。溝道縱比是指溝道線高差與長(zhǎng)度的比值。

圖2 侵蝕溝道面積、長(zhǎng)度、縱比的緯度分布圖

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度分析

本文利用GIS 方法對(duì)陜西省黃土高原的土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，各級(jí)別面積和比例如表3所示，可以看出，中度侵蝕區(qū)域面積最大，由中度侵蝕到劇烈侵蝕，侵蝕等級(jí)每上升一個(gè)等級(jí)，面積比例約減少一半。

表3 土壤侵蝕面積與比例

在土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，侵蝕強(qiáng)度主要由坡度和植被因素決定，本文按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)坡度、植被覆蓋度和侵蝕強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，并計(jì)算了每個(gè)緯度分帶的平均等級(jí)，結(jié)果如圖3所示，可以看出，陜西省黃土高原區(qū)域存在一條明顯的侵蝕分界線（北緯37°），37°以南的區(qū)域坡度逐漸升高、植被覆蓋度逐漸降低，共同導(dǎo)致侵蝕逐漸增強(qiáng)；37°以北坡度逐漸下降，而植被覆蓋度在較低的位置趨于穩(wěn)定，侵蝕等級(jí)趨向于降低。然而，本文只分析了水力侵蝕作用，37°以北的部分區(qū)域逐漸進(jìn)入風(fēng)沙過(guò)渡區(qū)，風(fēng)力侵蝕逐漸嚴(yán)重。

圖3 坡度、植被覆蓋度和侵蝕強(qiáng)度等級(jí)與緯度的關(guān)系

3.3 溝道侵蝕強(qiáng)度分析

1）重度以上侵蝕比分析。本文利用溝道重度以上侵蝕比指標(biāo)對(duì)溝道進(jìn)行劃分，并統(tǒng)計(jì)了累計(jì)百分比曲線（圖4），可以看出，黃土高原區(qū)域重度以上侵蝕比達(dá)到50%的溝道約為8.6 萬(wàn)條，約占溝道總數(shù)的60%；重度以上侵蝕比達(dá)到80%以上的溝道為3萬(wàn)條，約占溝道總數(shù)的20%；重度以上侵蝕比為20%以上的溝道為12萬(wàn)條，約占溝道總數(shù)的80%。由重度以上侵蝕比隨緯度的變化曲線（圖5）可知，北緯36°（富縣附近）以南重度以上侵蝕比維持在20%~30%，36°以北急劇上升，在37°左右（安塞縣北部）達(dá)到80%，隨后下降至60%左右（橫山縣附近）。

圖4 重度以上侵蝕溝道累計(jì)曲線

圖5 重度以上侵蝕溝道隨緯度變化曲線

2）溝道侵蝕強(qiáng)度分析。溝道侵蝕強(qiáng)度的頻數(shù)分布如圖6 所示，可以看出，溝道侵蝕強(qiáng)度主要分布于中度、重度和強(qiáng)烈侵蝕，重度侵蝕溝道最多，呈正態(tài)分布，采用二次多項(xiàng)式擬合的決定系數(shù)為0.93，規(guī)律性非常強(qiáng)。溝道侵蝕強(qiáng)度隨緯度變化的特征（圖7）與重度以上侵蝕比隨緯度的變化一致，北緯36°以北急劇上升，在37°左右（安塞縣北部）達(dá)到頂峰，在此不再贅述。北緯36°以南的區(qū)域，主要為高塬溝壑區(qū)，溝道侵蝕相對(duì)較弱，主要為中度侵蝕；37°附近為丘陵溝壑區(qū)，由于附近的植被覆蓋度迅速降低，溝道侵蝕以重度、強(qiáng)烈侵蝕為主；38°以北由于降水條件降低，溝道侵蝕強(qiáng)度下降到重度以下。

圖6 溝道侵蝕強(qiáng)度曲線

圖7 溝道侵蝕強(qiáng)度的隨緯度變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

1）本文利用可信數(shù)據(jù)源，獲取了侵蝕溝道分布規(guī)律、土壤侵蝕強(qiáng)度和溝道侵蝕強(qiáng)度，評(píng)價(jià)結(jié)果更具科學(xué)性和實(shí)用性。陜西省黃土高原區(qū)域中，面積為15~50 km2，溝道線長(zhǎng)度為500~1 000 m 的侵蝕溝道最為常見(jiàn)。對(duì)于侵蝕溝道，面積、長(zhǎng)度、溝道縱比3 個(gè)指標(biāo)由南向北均呈下降趨勢(shì)，線性下降趨勢(shì)明顯，在北緯35.5°附近（黃陵—黃龍）各項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)了急劇減小。

2）陜西省黃土高原區(qū)域的土壤侵蝕級(jí)別主要為中度侵蝕到劇烈侵蝕，侵蝕等級(jí)每上升一個(gè)等級(jí)，面積比例約減少一半。陜西省黃土高原區(qū)域存在一條明顯的侵蝕強(qiáng)度變化分界線，即北緯37°（安塞縣附近），以南的區(qū)域侵蝕逐漸增強(qiáng)，以北的區(qū)域侵蝕逐漸減弱。

3）為了研究溝道侵蝕特征，本文提出了重度以上侵蝕比和溝道侵蝕強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)。重度以上侵蝕比反映了溝道內(nèi)部的侵蝕情況，重度以上侵蝕比的累計(jì)曲線呈直線上升態(tài)勢(shì)，特點(diǎn)為“20—80”分布，即80%的侵蝕溝道內(nèi)部有20%區(qū)域達(dá)到重度以上侵蝕，20%的侵蝕溝道內(nèi)部有80%區(qū)域達(dá)到重度以上侵蝕。溝道侵蝕強(qiáng)度主要集中于中度、重度和強(qiáng)烈侵蝕，其中重度侵蝕溝道最多，呈顯著的正態(tài)分布特征，二次曲線擬合趨勢(shì)極為明顯。

4）重度以上侵蝕比和溝道侵蝕強(qiáng)度的空間分布變化為自南向北先急劇上升再下降并趨于平穩(wěn)。北緯36°以南的區(qū)域主要為高塬溝壑區(qū)，溝道侵蝕相對(duì)較弱，主要為中度侵蝕；北緯36°~38°為丘陵溝壑區(qū)，由于附近的植被覆蓋度迅速降低，溝道侵蝕以重度、強(qiáng)烈侵蝕為主，在37°附近溝道侵蝕達(dá)到頂峰；38°以北由于降水條件降低，溝道侵蝕強(qiáng)度下降到重度以下。