鄭秋宇 趙光影 楊 萍 王 輝
哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150025
土壤侵蝕是全球面臨的重大環(huán)境問題,其不僅導(dǎo)致土地退化、荒漠化、生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境惡化,隨徑流泥沙運(yùn)移也會(huì)使污染物進(jìn)入河道,造成水體污染,對(duì)人類的生存發(fā)展及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[1-2]。因此,加強(qiáng)水土保持工作,控制土壤侵蝕十分必要。
1965 年,美國農(nóng)業(yè)學(xué)者構(gòu)建了通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)。該模型精度高、參數(shù)明確且數(shù)據(jù)獲取容易,得到廣泛應(yīng)用。但USLE模型是基于特定研究區(qū)域模擬建構(gòu)的,存在一定的誤差。在此基礎(chǔ)上,后來出現(xiàn)的修正的通用土壤流失模型(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)精度高,被廣泛應(yīng)用于流域及區(qū)域尺度的土壤侵蝕評(píng)估研究。例如,胡剛等[3]借助RUSLE 模型對(duì)臥虎山水庫流域土壤侵蝕特征進(jìn)行評(píng)價(jià),并驗(yàn)證總結(jié)其變化規(guī)律。任坤等[4]采用RUSLE 模型定量評(píng)估珊溪水庫流域土壤侵蝕現(xiàn)狀,并分析土壤侵蝕強(qiáng)度與土地利用之間的關(guān)系。
東北黑土區(qū)長期以來都是我國重要的工業(yè)和商品糧生產(chǎn)基地,但因受到高強(qiáng)度墾荒和人們對(duì)土地資源不合理利用的影響,東北黑土區(qū)的黑土資源正受到侵蝕的嚴(yán)重威脅,區(qū)域水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重[5]。為改變東北黑土區(qū)長期受到水土流失問題困擾的現(xiàn)狀,筆者對(duì)2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行定量分析,探究土壤侵蝕時(shí)空分異特征及土壤侵蝕強(qiáng)度變化,為東北黑土區(qū)水土保持工作提供數(shù)據(jù)支持和一定的科學(xué)參考。
東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一,但不同學(xué)者對(duì)于東北黑土區(qū)的劃定有不同的表述。筆者所研究的東北黑土區(qū)(北緯41°17′~53°17′、東經(jīng)116°21′~134°46′),主要為黑土土壤所在區(qū)域涉及的地級(jí)市,包括黑龍江省黑河市、齊齊哈爾市、綏化市、大慶市、哈爾濱市、伊春市、鶴崗市、雙鴨山市、七臺(tái)河市、佳木斯市,吉林省白城市、松原市、長春市、吉林市、四平市,遼寧省鐵嶺市,內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市、興安盟、赤峰市、通遼市等20 個(gè)盟市。研究區(qū)地形三面環(huán)山,坡度平緩,但坡面較長,匯水面積大,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨熱同季,年降水量為400~700 mm[6]。
研究區(qū)降雨資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn);1∶100 萬土壤數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心基于世界土壤數(shù)據(jù)庫的中國土壤數(shù)據(jù)集;數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m,經(jīng)影像鑲嵌、裁剪得到研究區(qū)的數(shù)字高程影像;歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,空間分辨率為1 km;土地利用數(shù)據(jù)源于Yang 等[7]的研究。將各因子數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為UTM_Zone_53N,柵格分辨率統(tǒng)一為90 m×90 m。
筆者采用RUSLE 模型,對(duì)2010—2020 年東北黑土區(qū)的水土流失量進(jìn)行定量估算。RUSLE 模型是在USLE 的基礎(chǔ)上修正后的土壤流失模型,適用于大尺度地區(qū)的定量評(píng)估。RUSLE模型計(jì)算公式為
式(1)中:A為土壤侵蝕模數(shù),表示單位面積土壤年平均流失量,單位為t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子,單位為(MJ·mm)/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性因子,單位為(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2);L為坡長因子,S為坡度因子,C為植被覆蓋與管理因子,P為水土保持措施因子,均無量綱。
3.2.1 降雨侵蝕力因子
降雨侵蝕力是定量評(píng)估土壤侵蝕的首要影響因子,是降雨所引起的土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo),與降雨量、降雨動(dòng)能、降雨歷時(shí)等因素緊密相關(guān)。筆者利用Wischmeier等[8]提出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)2010—2020年東北黑土區(qū)降雨侵蝕力進(jìn)行計(jì)算,并采用普通克里金插值模型完成其空間插值。其表達(dá)式為
式(2)中:R為年降雨侵蝕力值[(MJ·mm)/(hm2·h·a)],Pi為月平均降雨量(mm),i為月序,P為年平均降雨量(mm)。
3.2.2 土壤可蝕性因子
土壤可蝕性是指不同空間位置土壤本身的理化結(jié)構(gòu)抵抗侵蝕的能力的空間差異,是評(píng)價(jià)土壤對(duì)侵蝕敏感程度的重要定量化參數(shù)。筆者采用當(dāng)前廣泛使用的Sharply等[9]和Williams等[10]提出的土壤侵蝕和生產(chǎn)力影響估算模型(Erosion Productivity Impact Calculator,EPIC)計(jì)算方法,再根據(jù)張科利等[11]提出的中國區(qū)域土壤可蝕性因子修正算法計(jì)算研究區(qū)土壤可蝕性因子(K),計(jì)算公式為
式(3)(4)(5)中:Kepic為修正前的土壤可蝕性因子,SAN為砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%),SIL為粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%),CLA為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%),C為土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。因計(jì)算獲取的K值為美制單位,需乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.131 7,轉(zhuǎn)換為國際制單位(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)。
3.2.3 地形因子
地形因子包括坡長因子(L)和坡度因子(S),體現(xiàn)了地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕造成的影響。通常采用DEM 數(shù)據(jù)提取坡度、坡長因子,與土壤侵蝕強(qiáng)度呈正相關(guān)。筆者采用Liu 等[12]提出的坡度、坡長因子計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,表達(dá)式為
式(6)(7)(8)中:S為坡度因子,L為坡長因子,λ為坡長(m),θ為坡度(°),m為可變的坡長指數(shù)。
3.2.4 植被覆蓋與管理因子
植被覆蓋與管理因子(C)一般通過計(jì)算法、實(shí)驗(yàn)法及賦值法得到。筆者采用蔡崇法等[13]提出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如(9)(10)所示。C值為0~1,C值越接近0,表示地面植被覆蓋度越高;C值越接近1,表示地面越接近裸露;C值越大,表明土壤侵蝕越嚴(yán)重。
式(9)(10)中:C為植被覆蓋與管理因子,F(xiàn)VC為植被覆蓋度,NDVI為歸一化植被指數(shù),NDVImax和NDVImin代表研究區(qū)歸一化植被指數(shù)最大值和最小值。
3.2.5 水土保持措施因子
水土保持措施因子(P)是由土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值確定的,P值為0~1。當(dāng)P值為0 時(shí),表示土地不發(fā)生侵蝕;當(dāng)P值為1 時(shí),表示土地未采取任何水土保持措施。目前,已有較多研究對(duì)P進(jìn)行賦值[14-17],筆者根據(jù)有關(guān)研究成果及東北黑土區(qū)的實(shí)際情況對(duì)P賦值,結(jié)果如表1所示。
表1 研究區(qū)水土保持措施因子值
2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)如表2所示。由表2 可知,2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)先下降再上升后下降的變化趨勢(shì),2010 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大,2016 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最?。?010—2011 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)下降幅度最大(45.13%);2016—2017 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)上升幅度最大(112.32%)。與2010 年相比,2020 年土壤侵蝕模數(shù)下降了57.61%,可見東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)整體呈下降趨勢(shì)。
表2 2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)
根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007),將2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為6個(gè)等級(jí)[18]。由表3可知,2010—2020年,東北黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)整體以微度侵蝕和輕度侵蝕為主。2010—2020 年,東北黑土區(qū)土壤微度侵蝕面積先增加后減少,總體仍呈增加趨勢(shì);土壤輕度侵蝕面積總體呈波動(dòng)增加趨勢(shì);土壤中度侵蝕面積變化較小,總體呈減少趨勢(shì);土壤強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕面積總體呈減少趨勢(shì);土壤劇烈侵蝕面積變化較大,在2010 年達(dá)到最高值(15 545.46 km2),此后逐年遞減,至2016 年降至最低值(249.18 km2)??偟膩碚f,2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤微度侵蝕、輕度侵蝕面積增加,土壤中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積減少,表明2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕程度有所減弱。
表3 2010—2020年東北黑土區(qū)各土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的土壤侵蝕面積及比例
2010—2020 年,東北黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度整體呈現(xiàn)由西南向東北地區(qū)逐漸下降的分布格局,西部地區(qū)、西北部地區(qū)土壤侵蝕較為嚴(yán)重。其中,劇烈侵蝕土壤主要分布在西南部,且較為聚集;極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、中度侵蝕土壤主要分布在劇烈侵蝕土壤附近,部分零散分布在東北黑土區(qū)中部,范圍較小。輕度侵蝕土壤在東北黑土區(qū)各地區(qū)均有分布,呈大范圍分散、小范圍集中的空間分布格局,但主要呈現(xiàn)為西部地區(qū)至東部地區(qū)由相對(duì)聚集變?yōu)榱闵⒎植?。微度侵蝕為2010—2020 年東北黑土區(qū)主要土壤侵蝕強(qiáng)度,侵蝕面積占比均大于80%,主要呈大面積分布于東北黑土區(qū)東部、北部及東南部。2010—2020年東北黑土區(qū)土壤劇烈侵蝕面積逐漸減少,2010 年劇烈侵蝕土壤主要聚集于東北黑土區(qū)西北部,2020年僅有西部地區(qū)零散分布;2010年極強(qiáng)烈侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕土壤分布在東北黑土區(qū)西部、西南部和西北部,2020 年西南部及西北部土壤極強(qiáng)烈侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕面積逐漸減少,西部變化較??;土壤中度侵蝕面積的變化主要體現(xiàn)在東北黑土區(qū)西北部,部分中度侵蝕土壤轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度侵蝕和微度侵蝕土壤;東北黑土區(qū)土壤輕度侵蝕面積變化較大,2010—2020 年土壤輕度侵蝕面積增加,由相對(duì)聚集變?yōu)榱闵⒎植记页尸F(xiàn)由西部地區(qū)向東部地區(qū)擴(kuò)散的趨勢(shì)。
運(yùn)用RUSLE 模型計(jì)算2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù),并對(duì)土壤侵蝕時(shí)空變化特征及侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行定量分析,結(jié)論如下。
①2010—2020年,東北黑土區(qū)年平均土壤侵蝕模數(shù)為522.38 t/(km2·a),土壤侵蝕總體變化分析表明,東北黑土區(qū)主要土壤侵蝕類型為微度侵蝕和輕度侵蝕。強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕土壤主要分布在東北黑土區(qū)西南部,且侵蝕強(qiáng)度從西南向東北呈遞減趨勢(shì)。
②2010—2020 年,東北黑土區(qū)土壤侵蝕空間分布規(guī)律體現(xiàn)為西部地區(qū)呈聚集狀態(tài)且侵蝕強(qiáng)度較大;中部地區(qū)大部分為微度侵蝕,輕度侵蝕零散分布;東部地區(qū)以微度侵蝕為主。雖然東北黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度有隨時(shí)間降低的趨勢(shì),土壤生態(tài)朝良性發(fā)展,但中部及西部地區(qū)土壤微度侵蝕轉(zhuǎn)為輕度侵蝕面積擴(kuò)大較多且增速較快,也需警惕侵蝕風(fēng)險(xiǎn),防止水土流失。
③2010—2020 年,東北黑土區(qū)土壤微度侵蝕、輕度侵蝕面積增加,土壤中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積減少,表示土壤侵蝕情況有所改善。從RUSLE模型各因子來看,主要受到降雨侵蝕力因子和植被覆蓋與管理因子的影響。