鄂立思，孫 麗，李 苗，李 瑩

(哈爾濱師范大學(xué);黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室)

0 引言

土壤侵蝕是指地球表面的土壤及其母質(zhì)受水力、風(fēng)力、凍融、重力等外力的作，在各種自然因素和人為因素的影響下發(fā)生的各種破壞、分離、搬運和沉積的現(xiàn)象［1］.土壤侵蝕破壞土地資源，造成淤積、干早、洪澇等災(zāi)害，引起生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重地威脅著人類的生存和發(fā)展.東北松嫩平原黑土丘陵漫崗區(qū)是我國的六大水力侵蝕區(qū)之一［3］，由于黑土區(qū)獨特的土壤地理環(huán)境和人類活動的強烈干擾，它已經(jīng)變成了中國潛在侵蝕危險的地區(qū)［4］.近年來，黑土的侵蝕退化問題得到了政府、科學(xué)家甚至農(nóng)民的普遍重視.

關(guān)于土壤侵蝕的研究大多是基于土壤流失方程，近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者將 USEL/RUSLE與GIS的結(jié)合來估算土壤侵蝕及其空間分布.烏裕爾河流域是黑土丘陵漫崗區(qū)典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，水土流失較嚴重，運用GIS結(jié)合修正通用水土流失方程(RUSLE)，對烏裕爾河流域的土壤侵蝕進行定量評價，分析土壤侵蝕現(xiàn)狀以及其與坡度和土地利用的關(guān)系，以期為該區(qū)生態(tài)退耕、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)、開展水土保持等政府宏觀決策行為提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

烏裕爾河是嫩江水系的一級支流，發(fā)源于黑龍江省北安市小興安嶺西麓山區(qū)，干流流經(jīng)黑龍江省北安、克山、克東、依安、富裕等市縣，最終流入扎龍濕地，中上游海拔高度145～410 m，流域面積12475.9 km2.本流域位于松嫩平原西部大陸性季風(fēng)盛行區(qū)，年降水量為496.7 mm，年蒸發(fā)量為1110～1780 mm，年內(nèi)降水分布極為不均勻，主要集中在汛期6～9月份，占全年降水量的80%.地貌波狀起伏、丘崗錯落，主要土壤為黑土、草甸黑鈣土、潛育草甸土、暗棕壤、草甸沼澤土及沼澤土，富含有機質(zhì)，適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn).由于土地的過度開墾和其它不合理利用，該流域?qū)λ亮魇置舾校?］.

1.2 數(shù)據(jù)獲取

該研究采用的數(shù)據(jù)主要包括2010年Landsat/TM影像，1:10萬地形圖，經(jīng)過幾何精校正和影像解譯，形成土地利用/覆被數(shù)據(jù)，根據(jù)研究目的、研究區(qū)狀況及數(shù)據(jù)源的特點，制定了耕地、林地、草地、水域、居民地、沼澤濕地、未利用地7類一級類及16個二級類的土地利用分類體系.30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖幅拼接和格式處理轉(zhuǎn)換，用以提取坡度坡長因子.降雨量數(shù)據(jù)使用烏裕爾河流域內(nèi)及臨近縣市11個氣象觀測點的逐月降水數(shù)據(jù).土壤數(shù)據(jù)來自1:100萬的中國土壤類型圖，結(jié)合全國第二次土壤普查及相關(guān)研究，獲取研究區(qū)土壤類型矢量數(shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 模型選擇

通用土壤流失方程(RUSLE)是目前最常用的估算土壤侵蝕的模型方法之一，在世界很多地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用［5］.黑龍江省水土保持研究所于1985年－1992年在黑龍江省的克山和賓縣進行土壤侵蝕徑流小區(qū)的試驗研究［6］，獲得了適合東北黑土區(qū)的一些因子算法，并經(jīng)過徑流小區(qū)實測檢驗，驗證了因子取值的合理性.因此，本文應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)在烏裕爾河流域進行土壤侵蝕量的估算具有良好的研究基礎(chǔ).RUSLE的模型表達式是由6個因子連乘的形式組成:

式中:A為年土壤流失量，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;L和S分別為坡度因子和坡長因子，無量綱;C為植被與經(jīng)營管理因子，無量綱;P為水土保持措施因子，無量綱.

2.2 RUSLE各因子的確定

2.2.1 降雨侵蝕力因子R值的估算

該文采用FAO建立的通過修訂Fournier指數(shù)求算R值的方法［7］，該方法既考慮年降水總量，又考慮降水的逐月分布，數(shù)據(jù)較容易獲取，其公式為:

式中:i是月份;Pi是月降水量;P是年降水量.然后建立R與該指數(shù)的關(guān)系為:

式中:a、b取決于氣候條件.根據(jù)研究區(qū)流域氣候條件與世界其他地區(qū)的類似分析，a與b的取值分別4.17和–152.利用烏裕爾河流域內(nèi)及臨近的共11個雨量站近5年的年平均降雨量和各月平均降雨量，根據(jù)公式(3)，推算出各站點的降雨侵蝕力，在Arcgis中利用普通克里金插值法進行降雨侵蝕力的插值計算，得到研究區(qū)降雨侵蝕力R值空間分布圖(所圖1所示).

圖1 烏裕爾河流域降雨侵蝕力因子R值插值圖

2.2.2 土壤可蝕性因子K值的估算

土壤可蝕性因子K值反映出土壤被降雨侵蝕力分離、沖勢和搬運的難易程度.根據(jù)1∶100萬土壤類型分布圖，歸并出烏裕爾河流域的土壤大類型有黑土、黑鈣土、草甸土、暗棕壤和水稻土.

高德武［8］等相關(guān)研究試驗區(qū)設(shè)在本文研究區(qū)內(nèi)的克山縣，因此參考相關(guān)K值，近似確定出研究區(qū)的土壤類型可蝕性因子K值，取黑土K值為0.2283，黑鈣土K值為0.2306，草甸土K值為0.2942，暗棕壤K值為 0.2733，水稻土K值為0.2721.

2.2.3 地形因子(LS)的獲取

地形地貌特征對土壤侵蝕的影響集中表現(xiàn)在坡長與坡度兩方面，一般用坡長(L)與坡度(S)因子估算地形因素對土壤侵蝕的影響.張憲奎［6］等以克山為試驗區(qū)，推導(dǎo)出全省LS因子的計算公式:

式中:λ為坡長(m);θ為坡度(°);m為坡長指數(shù)，取值為0.18;n為坡度指數(shù)，取值為1.3.

在GIS環(huán)境中，坡長坡度LS因子的具體實現(xiàn)是以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行提取，利用柵格計算器，根據(jù)上述公式獲得地形因子LS的柵格圖.

2.2.4 植被與經(jīng)營管理因子C的獲取

植被覆蓋和經(jīng)營管理因子C值是表示在其他條件相同情況下，耕作農(nóng)地上土壤流失量與同等條件下適時翻耕的連續(xù)休閑對照地上的土壤流失量之比，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用等.取值范圍在0～1，C值的取值主要與植被覆蓋和土地利用類型有關(guān).根據(jù)烏裕爾河流域土地利用現(xiàn)狀及植被覆蓋度的調(diào)查結(jié)果，參考我國學(xué)者張憲奎［6］和蔡崇法［9］求取C值所做工作，獲得該次項目中不同土地利用類型的年平均C值見表1.

表1 烏裕爾河流域C值

2.2.5 水土保持措施P值獲取

它的值是有水土保持措施與沒有水土保持措施時土壤流失量的比值，一般在0～1.當?shù)孛鏇]有任何措施時P等于1，水土保持措施得當時P等于0，基本沒有土壤侵蝕發(fā)生.本研究由于沒有設(shè)小區(qū)實驗，主要參照美國農(nóng)業(yè)部手冊703號和解譯出的土地利用現(xiàn)狀圖及相關(guān)的文獻［6，9，10］，得出研究區(qū)水土保持措施因子P值，研究區(qū)水田多為水平梯田，其P值取0.03，旱地據(jù)野外考察居多是坡耕地，其P值取0.352;其他自然植被區(qū)和用地類型，P值取1.

2.3 土壤侵蝕量的計算

在GIS軟件支持下，將獲取的各個因子圖進行連乘柵格運算，得到土壤侵蝕量圖.根據(jù)SL190－96的分級標準，對研究區(qū)進行土壤侵蝕強度分級，結(jié)合烏裕爾河流域的實際情況，進一步將輕度侵蝕分為輕 Ⅰ 型侵蝕(侵蝕模數(shù)(200～800)t/(km2·a))，輕Ⅱ型侵蝕(侵蝕模數(shù)(800～1500)t/(km2·a))，輕Ⅲ型侵蝕(侵蝕模數(shù)(1500～2500)t/(km2·a)).運用ArcGIS對柵格土壤侵蝕量進行重分類，合并在同一級別的柵格，得到2010年坡面土壤侵蝕強度分級圖(如圖2所示).

圖2 烏裕爾河流域土壤侵蝕強度分級圖

3 結(jié)果與分析

3.1 烏裕爾河流域土壤侵蝕現(xiàn)狀

根據(jù)2010年土壤侵蝕統(tǒng)計結(jié)果(見表2)，烏裕爾河流域土壤侵蝕總面積10387 km2，占土地總面積的85.25%.除極強度侵蝕外，從輕度侵蝕到強度侵蝕，侵蝕面積隨強度等級的增加而減少，其中輕度侵蝕面積8116.16 km2，占土地總面積的65.05%，中度侵蝕面積為1394.82 km2，占土地總面積的 11.2%，強度侵蝕面積為495.2 km2，占土地總面積的 3.96%，極強度侵蝕面積為291.85 km2，占土地總面積的2.34%.

烏裕爾河流域以輕度侵蝕為主，其面積占侵蝕總面積的78.14%，進一步分析可以看出，輕Ⅰ型侵蝕占烏裕爾河流域總面積的32.61%，占全區(qū)土壤侵蝕總面積的39.17%，占輕度侵蝕面積的50.13%;輕Ⅱ型侵蝕占烏裕爾河流域總面積的 19.57%，占全區(qū)土壤侵蝕總面積的23.51%，占輕度侵蝕面積的30.09%，說明整個烏裕爾河流域以輕Ⅰ型侵蝕和輕Ⅱ型侵蝕為主.

3.2 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

從表3可以看出，烏裕爾河流域土壤侵蝕主要集中在旱田，面積為10444.51 km2，占輕度土壤侵蝕面積的97.2%，草地及其他土地利用類型所占比例為2.8%，水田所發(fā)生的輕度侵蝕極少，只有0.26 km2.中度侵蝕也以旱田為主，其次為未利用地.強度與極強度侵蝕也是以旱田為主，但土壤侵蝕面積明顯減少，未利用地中中度以上土壤侵蝕的面積是除旱地以外最大的.林地、草地和居民地以輕度侵蝕為主.

表2烏裕爾河流域2010年土壤侵蝕面積統(tǒng)計結(jié)果

表3 烏裕爾河流域不同土地利用類型土壤侵蝕狀況統(tǒng)計 km2

3.3 土壤侵蝕的坡度分異特征

基于DEM提取研究區(qū)坡度數(shù)據(jù)，并按照0～3°、3 ～ 8°、8 ～ 15°、15 ～ 30°和 ＞ 30°對坡度進行重分類，與研究區(qū)土壤侵蝕圖進行疊加分析，求得烏裕爾河流域不同坡度下不同土壤侵蝕強度的侵蝕面積.從圖3可以看出，烏裕爾河流域輕度侵蝕在0～3°坡度時的侵蝕面積為4824.71 km2，在3－8°坡度時侵蝕面積為 3256.81 km2，在0－15°坡度范圍內(nèi)，輕度侵蝕面積呈現(xiàn)逐漸減小趨勢;中度侵蝕在3～8°坡度時的侵蝕面積為1071.47km2，達到中度侵蝕最大面積，在8 ～15°坡度范圍內(nèi)侵蝕面積呈現(xiàn)逐漸減小趨勢;輕度侵蝕和中度侵蝕在坡度達到15°時侵蝕面積趨近于0.強度侵蝕和極強侵蝕，在坡度為8～15°時達到最大侵蝕面積，分別為485.18 km2和205.87 km2.由此可以得出烏裕爾河流域坡度大于8°的土地利用類型是產(chǎn)生強度侵蝕的源區(qū).因此，當坡度大于8°時，應(yīng)該盡量減少坡耕地數(shù)量，發(fā)展林業(yè).而對于坡度低于8°的地區(qū)，雖然侵蝕強度為輕度，但是侵蝕面積卻很大，對于旱地應(yīng)實行等高耕作等措施.

圖3 烏裕爾河流域不同坡度級土壤侵蝕面積

4 結(jié)束語

該文基于GIS平臺，結(jié)合RUSLE模型，通過合理的選取模型中土壤侵蝕因子的計算方法，評估了烏裕爾河流域的土壤侵蝕狀況，為該區(qū)域的土壤侵蝕治理提供一定的依據(jù).

(1)從侵蝕狀況來看，烏裕爾河流域土壤侵蝕面積10387 km2，占土地總面積的85.25%.說明研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)都受到不同程度的土壤侵蝕，但以輕度侵蝕為主，輕度侵蝕面積8116.16 km2，占土地總面積的65.05%，中度侵蝕面積為1394.82 km2，占土地總面積的11.2%，強度侵蝕以上占研究區(qū)總面積的6.3%，面積較小.

(2)從土壤侵蝕強度的空間分布來看，全區(qū)均有土壤侵蝕發(fā)生，且輕度侵蝕集中連片分布，而中度以上侵蝕主要集中在坡度較大區(qū)域.

(3)從土地利用類型與土壤侵蝕強度的關(guān)系來看，旱地所發(fā)生的土壤侵蝕最為嚴重，面積最大，林地和草地主要以輕度侵蝕為主，未利用地侵蝕程度主要集中于中度侵蝕以上.

(4)從土壤侵蝕的坡度分異特征來看，在0～15°坡度范圍內(nèi)，輕度侵蝕面積最大，隨坡度增大呈現(xiàn)逐漸減小趨勢;中度侵蝕在3～8°坡度時的侵蝕面積為1071.47 km2，達到中度侵蝕最大面積;強度侵蝕和極強侵蝕，在坡度為8～15°時達到最大侵蝕面積，分別為485.18 km2和205.87 km2.

［1］劉寶元，謝 云，張科利.土壤侵蝕預(yù)報模型［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001:1－5.

［2］張樹文，王文娟，李穎，等.近50年來三江平原土壤侵蝕動態(tài)分析［J］.資源科學(xué)，2008，30(6):843–849.

［3］唐克麗，等.中國水土保持北京:科學(xué)出版社，2004.

［4］范昊明，蔡強國，王紅閃.中國黑土區(qū)土壤侵蝕環(huán)境［J］.水土保持學(xué)報，2004，18(2):66–70.

［5］魏建兵，肖篤寧，李秀珍，等.東北黑土區(qū)小流域農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)與土壤侵蝕的關(guān)系生態(tài)學(xué)報［J］.生態(tài)學(xué)報，2006，26(8):2608－2614.

［6］張憲奎，許靖華，盧秀芹，等.黑龍江省土壤流失方程的研究［J］.水土保持通報，1992，12(4):1－10.

［7］Amoldus H M J.An approximation of the rainfall factor in the universal soil loss erosion［M］.De Boodt M，Gabriels D(eds).Assessment of Erosion［M］.John Wiley and Sons，Chichester，1980:127–132.

［8］高德武.黑龍江省土壤流失方程中土壤可蝕性因子(K)的研究.國土與自然資源研究，1993，3，40－43.

［9］蔡崇法，丁樹文，史志華，等.應(yīng)用USLE和地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測小流域土壤侵蝕量的研究［J］.水土保持學(xué)報，2000，14(2):19–24.

［10］游松財，李文卿.GIS 支持下的土壤侵蝕量估算—以江西省泰和縣灌溪鄉(xiāng)為例［J］.自然資源學(xué)報，1999，14(1):62–68.