寧 靜,周 杰,周芳琪
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理與法學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030)
土壤侵蝕是自然條件疊加人類活動產(chǎn)生的災(zāi)害,阻礙人與自然和諧共生,嚴(yán)重威脅生態(tài)安全以及人類社會發(fā)展。土壤侵蝕評價能夠分析和評價土壤侵蝕的現(xiàn)狀,為防治該災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。目前,學(xué)者們對土壤侵蝕風(fēng)險性評價有2種理解:一是土壤侵蝕風(fēng)險性評價是對土壤侵蝕產(chǎn)生的結(jié)果所作出的評價;二是土壤侵蝕風(fēng)險性評價是綜合考慮潛在侵蝕、現(xiàn)狀侵蝕和社會經(jīng)濟(jì)背景的情況下所做出的會對未來土壤侵蝕造成的影響。
基于對概念理解的不同,在土壤侵蝕風(fēng)險評價方面,國內(nèi)學(xué)者研究主要分為3種方法:一是利用土壤層厚度及土壤容重進(jìn)行土壤抗蝕年限計算,以此作為評價基礎(chǔ),該方法簡單、直接,但對于土壤的生產(chǎn)功能來說,其最大的意義在于能夠生產(chǎn)作物,故沒有考慮到每類土壤的臨界有效土壤層厚度不同,且在評價過程中忽略了人類活動及社會經(jīng)濟(jì)活動帶來的影響。二是依據(jù)影響土壤侵蝕的因子設(shè)計評價指標(biāo),進(jìn)行單因子的分級評分或賦權(quán)進(jìn)行綜合評分,在以往研究中主要以修正通用土壤流失方程(RUSLE)為主,也有以ICONA模型為基礎(chǔ)進(jìn)行評價,或根據(jù)前人的研究直接分級??紤]了不同能夠?qū)ν寥狼治g產(chǎn)生影響的因素,綜合性較強,也能滿足各種尺度的評價要求,但在評價過程中由于研究區(qū)的特殊性,在指標(biāo)選取、權(quán)重賦值方面不具有普遍性。三是構(gòu)建土壤侵蝕風(fēng)險評價模型,從土壤侵蝕風(fēng)險性概念出發(fā),充分考慮自然條件、人類活動影響,不僅能夠定性描述各個單因子與土壤侵蝕風(fēng)險性的關(guān)系,還能定量找出在影響因素中進(jìn)行主導(dǎo)的因子,但由于權(quán)重是某一常值使得模型的準(zhǔn)確性不夠。
物元分析將事物以事物、特征、量值等3個要素進(jìn)行描述,形成一個有序三元向量,在各類評價過程中,物元分析能形成一個評價指標(biāo)物元和評價對象物元,通過對兩者及其之間的關(guān)系進(jìn)行分析,能夠體現(xiàn)不同層次、不同評價對象之間的關(guān)系并直觀表達(dá)出來,且動態(tài)可調(diào),且已有研究將其應(yīng)用于土壤侵蝕風(fēng)險性評價,證明其可用且科學(xué)。
為此,本研究借助地理信息系統(tǒng)(GIS)及遙感(RS)技術(shù),以主客觀結(jié)合的方式確定因子權(quán)重,建立基于物元分析的東北黑土區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險性評價模型并以黑龍江省賓縣為例進(jìn)行研究,旨在為土壤侵蝕風(fēng)險性評價提供一種思路,從而為解決賓縣水土流失綜合治理和土壤侵蝕防治問題提供相關(guān)依據(jù)。希望為賓縣水土保持、生態(tài)文明建設(shè)和土地可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。
賓縣(126°55′41″~128°19′17″E,45°30′37″~46°01′20″N)地處我國黑龍江省哈爾濱市中部地區(qū),位于典型黑土區(qū)邊緣(圖1)。面積約為 3 843.17 km,境內(nèi)以崗地和川地為主,所占比例達(dá)68%,地勢南高北低,全縣平均海拔為528.5 m。該區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫3.9 ℃,年平均降水量681 mm,但降水量時空分布極其不均勻,主要集中在5—9月,約占全年總降水量的90%。賓縣土壤類型以黑土為主,也分布著暗棕壤、白漿土、草甸土等8類土壤。2020年,常住人口為57.63萬。賓縣是黑龍江省重要的商品糧生產(chǎn)基地,對保障黑龍江乃至國家糧食安全有重要作用,但縣域內(nèi)以坡耕地為主,且長期旋耕起壟的耕作方式使得賓縣水土流失嚴(yán)重,土壤侵蝕的風(fēng)險性大,已經(jīng)影響到糧食生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境,現(xiàn)已成為國家級重點水土流失治理區(qū)。
本研究所使用的數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃圖、遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。其中,行政區(qū)劃圖來自全國地理信息資源目錄;遙感影像(2020年Landsat8 OLI)數(shù)據(jù)和ASTER GDEM原始高程數(shù)據(jù)均來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/search),分辨率均為 30 m;降雨數(shù)據(jù)(2020年)源于國家氣象信息中心的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn),選擇了賓縣周圍分布均勻的28個氣象站點;土壤屬性數(shù)據(jù)(沙粒、粉粒、黏粒等)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(v1.1);2020年土地利用數(shù)據(jù),來自GLOBELAND30(http://www.globallandcover.com),并將耕地分為坡耕地與平耕地;社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(2020年)來源于賓縣統(tǒng)計年鑒以及實地調(diào)研。
對研究區(qū)域的自然、經(jīng)濟(jì)等狀況進(jìn)行分析,確定評價指標(biāo);確定經(jīng)典域、節(jié)域、待評物元;利用層次分析法確定常權(quán),懲罰性變權(quán)函數(shù)修正權(quán)值,由常權(quán)和狀態(tài)變權(quán)歸一化的哈達(dá)瑪(Hadamard)積確定權(quán)重;計算各個評價指標(biāo)的單因素隸屬度;經(jīng)過模糊變換計算綜合隸屬度,并將其進(jìn)行單值化,得到土壤侵蝕風(fēng)險性評價的空間分布并分析。
基于對土壤侵蝕風(fēng)險性概念的理解,綜合考慮潛在侵蝕、現(xiàn)狀侵蝕和社會經(jīng)濟(jì)背景以及數(shù)據(jù)的可獲得性,本研究選取的土壤侵蝕風(fēng)險性評價指標(biāo)包括降雨侵蝕力、坡度、土壤可蝕性、植被覆蓋度、土地利用、經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度。其中經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度在綜合考慮研究區(qū)現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)環(huán)境的基礎(chǔ)上,選取5個指標(biāo)(人口密度、農(nóng)用化肥施用量、工業(yè)企業(yè)數(shù)量、耕地面積占比、農(nóng)業(yè)從業(yè)人口占比)先進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化,再相加得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綜合社會經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度。這些指標(biāo)有些可通過遙感數(shù)據(jù)直接提取計算,有的從統(tǒng)計年鑒中獲取,最終都以柵格的形式展現(xiàn),并將土壤侵蝕風(fēng)險性分為5個等級,分別為微度侵蝕風(fēng)險、輕度侵蝕風(fēng)險、中度侵蝕風(fēng)險、重度侵蝕風(fēng)險、劇烈侵蝕風(fēng)險。設(shè)需要評價的土壤侵蝕風(fēng)險柵格有個,安全標(biāo)準(zhǔn)化評價指標(biāo)有個,則待評價系統(tǒng)可用維物元=(,,)來表示:
(1)
式中:為待評的土壤侵蝕風(fēng)險性柵格;為土壤侵蝕風(fēng)險性評價的第個指標(biāo);為第個指標(biāo)的量值。
可拓學(xué)研究事物發(fā)生的量變和質(zhì)變及其關(guān)系,并能將兩者結(jié)合起來。以物元理論為基礎(chǔ)的物元分析方法能夠?qū)⒖赏貙W(xué)的研究思維應(yīng)用于其他學(xué)科,其能提供一種全新的研究視角研究物元變化,提供解決矛盾問題的方法并總結(jié)規(guī)律。物元分析將事物與特征之間的模糊關(guān)系轉(zhuǎn)換為一種數(shù)學(xué)關(guān)系(即關(guān)聯(lián)度函數(shù)),關(guān)聯(lián)度函數(shù)能夠判斷事物是否屬于特征并細(xì)化之間的關(guān)系,在經(jīng)典域與節(jié)域重合的情況下,可用隸屬度函數(shù)代替關(guān)聯(lián)度函數(shù)。構(gòu)建土壤侵蝕風(fēng)險性評價物元模型的步驟如下:
(1)經(jīng)典域物元為
(2)
式中:表示經(jīng)典域所描述事物的特征或等級,下標(biāo)(=1,2,…,)表示類別數(shù)或分級數(shù);表示的集合;表示影響該事件的因素,下標(biāo)(=1,2,…,)表示影響因素的個數(shù);表示第個影響因素相對于事件的取值范圍,=(,),表示取值的下限,表示取值的上限。在土壤侵蝕風(fēng)險性評價中,經(jīng)典域可解釋為:是土壤侵蝕風(fēng)險性劃分的(=1,2,…,)個等級;表示土壤侵蝕風(fēng)險性的第(=1,2,…,)個評價指標(biāo);=(,)即第個評價指標(biāo)對應(yīng)第個風(fēng)險性等級的取值范圍,實質(zhì)就是土壤侵蝕風(fēng)險性等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)。
(2)節(jié)域物元為
(3)
式中:表示一個物元,是事物所有特征及其量值的全體;表示影響物元的第個影響因素;=(,)表示評價指標(biāo)關(guān)于物元的量值取值范圍。在本研究中,物元表示土壤侵蝕風(fēng)險性等級的全體,表示評價指標(biāo)的值域,也就是土壤侵蝕風(fēng)險性等級對應(yīng)經(jīng)典域的集合。
(3)待評物元為
(4)
在土壤侵蝕風(fēng)險性評價中,待評物元()相當(dāng)于等級待定的風(fēng)險性,相當(dāng)于的實際取值。
變權(quán)理論由汪培莊學(xué)者提出,后來學(xué)者們深入研究的涵蓋獎勵型狀態(tài)、懲罰型狀態(tài)、混合型狀態(tài)、折中型狀態(tài)變權(quán)的動態(tài)修正權(quán)重的方法,能夠克服以往評價權(quán)重因子間互相干擾,以“不變”應(yīng)“萬變”的缺點,將因子本身引入評價中,使得綜合評價更加客觀、科學(xué)。本研究采用懲罰性狀態(tài)變權(quán)對權(quán)重進(jìn)行修正,公式如下:
(5)
(6)
式中:變權(quán)向量()可由常權(quán)向量(層次分析法求取)和狀態(tài)變權(quán)向量()的歸一化的Hadamard 積求取。()本研究借鑒朱翊對太行山的土壤侵蝕風(fēng)險性評價的相關(guān)變權(quán)函數(shù),考慮對整個研究區(qū)進(jìn)行權(quán)重修正,本研究將=max(),=min(),表示每個指標(biāo)的變權(quán)值;=02,=04。
本研究選取的指標(biāo)既有定性指標(biāo)也有定量指標(biāo),對于定性指標(biāo)(土地利用,=5)采用專家打分法直接確定對各個風(fēng)險等級的隸屬度;對定量指標(biāo)(降雨侵蝕力、坡度、土壤可蝕性、植被覆蓋、經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度,分別為1、2、3、4、6)采用降半梯型隸屬度函數(shù)。針對5個參評指標(biāo),當(dāng)?shù)燃?1時,隸屬度函數(shù)為
(7)
當(dāng)=2,3,4時,隸屬度函數(shù)為
(8)
當(dāng)=5時,隸屬度函數(shù)為
(9)
坡度(=2)與土壤侵蝕的關(guān)系呈近似拋物線形,所以要對坡度的中度侵蝕(=3)和劇烈侵蝕(=5)進(jìn)行修正,其余保持不變,最終當(dāng)=3時坡度的隸屬度函數(shù)為
(10)
當(dāng)=5時,坡度的隸屬度函數(shù)為
(11)
其中,為各個評價指標(biāo)柵格圖層的值;是微度侵蝕量值上下限的中值;是輕度侵蝕量值上下限的中值;是中度風(fēng)險侵蝕量值上下限的中值;是重度風(fēng)險侵蝕量值上下限的中值;是劇烈風(fēng)險侵蝕等級臨界值的中值。
(12)
式中:表示模糊綜合評價結(jié)果;()表示各個參評因子?xùn)鸥駥τ谄滹L(fēng)險等級的隸屬度;為指標(biāo)權(quán)重。
為便于對研究區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險性進(jìn)行空間分析,本研究利用公式(13)將評價結(jié)果轉(zhuǎn)化為單值。
(13)
式中:表示最后風(fēng)險等級的得分;表示第個柵格,表示該柵格第個因素評價的風(fēng)險等級得分;是模糊綜合評價隸屬度柵格;是土壤侵蝕風(fēng)險性評價各等級所對應(yīng)的分值,具體分值見表1;為待定系數(shù),為了對較大作用的隸屬度進(jìn)行控制,取=2。
各評價指標(biāo)的風(fēng)險等級分級標(biāo)準(zhǔn)見表1,并按照20、40、60、80、100的分值賦予各風(fēng)險等級,按照“2.1”節(jié)的操作可得各評價指標(biāo)的土壤侵蝕風(fēng)險等級,如圖2所示。
由表1和圖2可知,研究區(qū)降雨侵蝕力的節(jié)域為(4 373,4 716),值域跨度較小,為343。降雨侵蝕力造成的土壤侵蝕風(fēng)險等級的空間分布從西北到東南呈條帶狀分布,說明賓縣西北部具有更強的降雨強度和頻度,降雨侵蝕力的土壤侵蝕風(fēng)險性等級以中度及以下風(fēng)險等級為主,面積比例為68.83%。
表1 土壤侵蝕風(fēng)險性評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)
坡度的節(jié)域為(0,47),可知,研究區(qū)的坡度較小,坡度造成的土壤侵蝕風(fēng)險等級的空間分布是中部往北的土壤侵蝕風(fēng)險等級為微度;南部及東南部土壤侵蝕風(fēng)險等級為中度及以上,但面積占比僅為7.18%。結(jié)合降雨侵蝕力的空間分布可知,降雨侵蝕力較高的區(qū)域具有相對較低的地形侵蝕風(fēng)險趨勢。
土壤可蝕性的節(jié)域為(0.030,0.055),值域范圍跨度很小,僅為0.025,這是因為土壤可蝕性與土壤類型有關(guān)。黑土主要集中在研究區(qū)的中部以北,占的面積比例為65.00%,而土壤可蝕性造成的土壤侵蝕中度及以下風(fēng)險性的面積占比為65.91%,基本與黑土的分布吻合;中度以上風(fēng)險面積占比為34.09%,以黏土和白漿土為主。
植被覆蓋度的節(jié)域為(0,100),可以看出植被覆蓋的土壤侵蝕風(fēng)險分布與土壤可蝕性的空間分布相似,但風(fēng)險等級卻相反,在中部往北方向以劇烈侵蝕風(fēng)險為主,而在南部及東南部以微度、輕度侵蝕風(fēng)險為主,這是因為在南部和東南部有大量的林地、草地,能夠固土存水,對土壤侵蝕有阻礙作用,而在中部往北區(qū)域以耕地、建設(shè)用地為主,不科學(xué)以及掠奪式的耕作方式使得黑土厚度變薄,抵抗侵蝕的能力減弱。
土地利用造成的土壤侵蝕風(fēng)險等級分布與植被覆蓋大致相同,微度侵蝕風(fēng)險面積占比為5.27%,主要是水域和濕地;輕度侵蝕風(fēng)險面積占比為30.33%,主要為林地、草地;中度侵蝕風(fēng)險面積占比為2.97%,主要是建設(shè)用地、交通用地及其他工礦用地;重度侵蝕風(fēng)險面積占比為11.39%,主要為平旱地、緩坡旱地;劇烈侵蝕風(fēng)險面積占比為50.04%,主要是坡耕地。
經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度表征一個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,與土壤侵蝕的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。研究區(qū)微度侵蝕風(fēng)險鄉(xiāng)鎮(zhèn)是賓西鎮(zhèn)、三寶鄉(xiāng);輕度侵蝕風(fēng)險的有賓州鎮(zhèn)、平坊鎮(zhèn)、常安鎮(zhèn)、擺渡鎮(zhèn);中度侵蝕風(fēng)險的是鳥河鄉(xiāng)、新甸鎮(zhèn)、勝利鎮(zhèn);重度侵蝕風(fēng)險的是糖坊鎮(zhèn)、居仁鎮(zhèn)、民和鄉(xiāng)、賓安鎮(zhèn);劇烈侵蝕風(fēng)險的是永和鄉(xiāng)、寧遠(yuǎn)鎮(zhèn)、經(jīng)建鄉(xiāng)。
由公式(12)和公式(13)可得土壤侵蝕綜合風(fēng)險性分值圖(圖3),對土壤侵蝕風(fēng)險等級進(jìn)行統(tǒng)計,可得各風(fēng)險性等級的面積及占比(表2),疊加行政區(qū)統(tǒng)計后,可得各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕風(fēng)險性空間分布(圖4)并進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(表3)。
表2 土壤侵蝕風(fēng)險性等級面積及占比
表3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕風(fēng)險等級統(tǒng)計
從空間分布來看,賓縣微度侵蝕風(fēng)險級別的面積為569.61 km,所占比例為14.82%,主要分布在松花江沿岸;輕度侵蝕風(fēng)險的面積為934.03 km,所占比例為24.30%,多在南部、東部的林地區(qū)域;中度侵蝕風(fēng)險的面積為1 220.81 km,所占比例為31.76%,在整個研究區(qū)都有分布;重度侵蝕風(fēng)險的面積為691.84 km,所占比例為18.00%,主要分布在東北部低山丘陵區(qū);劇烈侵蝕風(fēng)險的面積有427.95 km,所占比例為11.13%,主要分布在南部的坡耕地和西北部山區(qū),與2019年對賓縣的侵蝕溝解譯相比較,糖坊鎮(zhèn)、滿井鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)侵蝕溝的數(shù)量最多、分布最密集,本研究的土壤侵蝕風(fēng)險性等級評價的空間分布與之相符合,說明侵蝕溝的存在一定程度上會加劇土壤侵蝕的風(fēng)險。
將微度、輕度、中度、重度、劇烈侵蝕風(fēng)險分別賦值為1、2、3、4、5。從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕風(fēng)險等級范圍來看,微度、輕度、中度、重度、劇烈侵蝕風(fēng)險各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有涉及;結(jié)合圖4和表3來看,賓縣土壤侵蝕風(fēng)險性等級高值聚集在糖坊鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)、經(jīng)建鄉(xiāng)、居仁鎮(zhèn)、鳥河鄉(xiāng)、寧遠(yuǎn)鎮(zhèn)。與經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度圖對比發(fā)現(xiàn),土壤侵蝕為微度風(fēng)險的是賓西鎮(zhèn)和三寶鄉(xiāng),該區(qū)域也是經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。劇烈風(fēng)險區(qū)有糖坊鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)、經(jīng)建鄉(xiāng),其經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度較小。由此可見,土壤侵蝕綜合風(fēng)險等級空間分布與經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度空間分布基本一致,但趨勢不同,說明人類活動不是導(dǎo)致這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合土壤侵蝕風(fēng)險的主要因素。究其原因可能是其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時候提供了較多的就業(yè)崗位,農(nóng)民對耕地的依賴性減弱,耕地的利用強度降低能夠相對減緩?fù)寥雷匀磺治g的速率,并且賓西鎮(zhèn)、三寶鄉(xiāng)林地、草地覆蓋面積比糖坊鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)、經(jīng)建鄉(xiāng)大,植被較密集,屬于植被覆蓋度高的地區(qū)。因此,針對糖坊鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)、經(jīng)建鄉(xiāng)來說,應(yīng)加強鄉(xiāng)鎮(zhèn)林、草種植面積,加大對侵蝕溝的治理,防止侵蝕溝加寬、加深;減少對耕地的依賴性,實施輪作、間作及其他保護(hù)性耕作措施并大力發(fā)展第二、第三產(chǎn)業(yè)。
其中,對于土壤侵蝕風(fēng)險等級值綜合高的賓州鎮(zhèn)和勝利鎮(zhèn)來說,土壤侵蝕風(fēng)險等級雖然不高,但土壤侵蝕風(fēng)險面積大,應(yīng)嚴(yán)格控制林地和草地的面積,加大生態(tài)林和經(jīng)濟(jì)林建設(shè),加大水土保持作用;減少利用坡耕地。
本研究基于變權(quán)理論和物元理論,建立黑土區(qū)賓縣的土壤侵蝕風(fēng)險性評價的變權(quán)物元模型,分析賓縣黑土區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險空間分布并進(jìn)行風(fēng)險性評價,得出以下結(jié)論。
(1)賓縣土壤侵蝕綜合風(fēng)險較高,其中微度、輕度、中度、重度、劇烈侵蝕風(fēng)險所占比例分別為14.82%、24.30%、31.76%、18.00%、11.13%,可知賓縣土壤侵蝕綜合風(fēng)險較大,水土防治刻不容緩。對于土壤侵蝕風(fēng)險性高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要受植被覆蓋、土地利用的影響,經(jīng)濟(jì)開發(fā)強度在一定程度上能夠降低土壤侵蝕的風(fēng)險。
(2)為降低研究區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險、減少水土流失、促進(jìn)土地可持續(xù)利用,對于土壤侵蝕風(fēng)險高的區(qū)域,要在控制林地、草地的面積基礎(chǔ)上,加大生態(tài)林、經(jīng)濟(jì)林建設(shè),增加植被覆蓋度;對于土壤侵蝕風(fēng)險性等級為劇烈的區(qū)域,應(yīng)該加大對侵蝕溝的治理,并發(fā)展第二、第三產(chǎn)業(yè),減少對耕地的依賴。