伊通縣土壤侵蝕敏感性分析

陳宇瓊,李曉燕,鐘太洋

(1.南京大學 地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210023;2.吉林大學 地球科學學院,吉林 長春 130012)

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伊通縣土壤侵蝕敏感性分析

陳宇瓊1,2,李曉燕2*,鐘太洋1

(1.南京大學 地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210023;2.吉林大學 地球科學學院,吉林 長春 130012)

摘要：選擇吉林省伊通縣為研究區,基于遙感和地理信息系統技術,以通用水土流失方程為理論依據,對該區的土壤侵蝕敏感性進行了綜合分析。結果表明:伊通縣土壤侵蝕低敏感區集中分布在東南及西北部,中、高敏感區集中在中部及西南部一帶；在不同土地利用類型中林地土壤侵蝕敏感性最弱,草地次之,耕地最強,以坡耕地最為突出;在不同地貌類型中，低山、高丘陵和低丘陵為輕度敏感區,剝蝕高臺地、河流高階地和高河漫灘為中度敏感區,洪積臺地、河流低階地和低河漫灘主要為強度和極強敏感區;在河流周圍地區的土壤侵蝕敏感性高于同流域其它地區的；在合理的土地利用方式下高河網值有助于減弱流域內土壤侵蝕的敏感性。

關鍵詞：土壤侵蝕；敏感性;“3S”技術;主成分分析法;伊通縣

土壤侵蝕(Soil Erosion)是指土壤、土壤母質及其它地面組成物質在風力、水力、凍融、重力等應力作用下被剝蝕、搬運和沉積的過程。研究土壤侵蝕敏感性是為了評價土壤對人類活動的敏感程度,識別容易形成土壤侵蝕的區域,為人們的生產和生活提供科學依據[1]。隨著基于計算機的數據庫和土壤侵蝕評價模型的發展,國外涌現出了大量不同尺度的區域土壤侵蝕評價的研究,其中關于土壤侵蝕敏感性的有: Hessel等[2]利用MESALES模型結合兩種土壤數據庫評價了歐洲以及摩洛哥3個地區的土地侵蝕敏感性; Misra等[3]研究了地中海地區在不斷變化經濟政策下不同時空的土壤侵蝕敏感性,分析了作物耕作方式和土地利用類型的變化對土壤侵蝕敏感性的影響; Cohen等[4]對比研究了土壤侵蝕敏感性模型在熱帶流域不同地區的適宜性; Borrelli等[5]研究了意大利亞平寧山區灌木林在剛采伐后和未受破壞的坡面土壤侵蝕敏感性,強調了森林采伐后保護措施的必要性。國內研究大多以省、市為基本單元,如陜西、福建、西藏和青海湖流域等地區,依據通用水土流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)或結合區域土壤侵蝕現狀和特征,選擇降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤質地和植被類型等自然因素作為評價指標,進行土壤侵蝕敏感性評價,研究土壤侵蝕敏感性的空間分布和探討土壤侵蝕的敏感性分異規律等[6-9]。本研究特別地以子流域作為分區，進行了土壤侵蝕敏感性的分析,這樣既有助于全面了解水土流失規律,探索侵蝕過程的內在機理,還可作為不同尺度之間的研究紐帶,在子流域水平上進行土壤侵蝕敏感性的評價與水土保護研究[10]。

黑土是自然肥力最高的農用土壤之一。東北黑土區作為我國重點糧食生產基地,其糧食生產能力關系到我國的糧食安全戰略。由于近幾十年來不加節制的開墾耕作,導致黑土功能退化,土壤侵蝕日趨嚴重[11]。吉林省伊通縣是國家重要商品糧基地縣；不科學的生產經營方式和過度的土地資源開發加劇了該縣土壤侵蝕過程,由此引起的土地退化問題已經成為該縣區域經濟可持續發展的障礙。因此在該地區進行土壤侵蝕敏感性研究具有一定的實踐意義。本研究綜合運用“3S”集成技術、地統計分析方法,分析了不同子流域內侵蝕敏感性的分異,明確了土壤侵蝕發生的可能程度、發生范圍和分布規律,旨在為伊通縣科學合理的規劃和生態環境的改善提供科學依據,并為同類地區土地的適應性管理及研究提供技術借鑒。

1材料與方法

1.1研究區概況

吉林省伊通縣的地理坐標為東經124°46′～124°49′、北緯43°3′～43°38′,地處吉林省中南部、伊通河與東遼河的上游,其境內最大的河流是伊通河,流經縣內的部分長達77.8 km。全縣處于長白山過渡到松遼平原的丘陵地帶,境內約60%的地形為低山丘陵。氣候屬于溫帶大陸性季風氣候,年均溫為5.5 ℃,年均降水量為651.7 mm；主要土壤類型有棕壤、沖積土、黑土、白漿土和草甸土等。土地類型主要為耕地和林地,約占全縣總面積的70%。全縣處于溫帶針闊葉混交林區域,森林覆蓋率達到30.1%。伊通縣是全國商品糧基地縣之一,糧食單產居全省首位。

1.2研究方法

圖1伊通縣土壤侵蝕敏感性評價的技術路線

1.2.1數據的獲取與預處理通用水土流失方程是在近30年對美國東部地區30個州的10000多個徑流區域進行觀測和系統分析的基礎上提出的,具有較強的實用性,被廣泛應用于土壤侵蝕的評價、預測和治理研究中。因此本文參考通用水土流失方程所包含的土壤侵蝕影響因子:降雨侵蝕力(R)、土壤質地(K)、坡長坡向/地形起伏度(LS)、植被覆蓋度(C)和農業措施(P),以主導性、可獲取性、可量化、獨立性和差異性為原則,選取降雨侵蝕力、土壤質地、地形起伏度、植被類型和土地利用類型5個評價因子，構建了土壤侵蝕敏感性的評價體系。本研究所采用的技術路線如圖1所示,即收集伊通縣年均降水量數據、土壤類型圖、數字高程模型(DEM)數據、Landsat 5 TM多光譜遙感影像以及解譯后的土地利用類型圖,經數字化后構成伊通縣基礎環境背景空間數據庫,再基于該數據庫進行單因子的提取、評價、標準化，并進行土壤侵蝕敏感性的綜合評價。

由于上述5個土壤侵蝕敏感性評價指標之間量級、單位、數據性質等不同,無法進行綜合計算,所以需要進行標準化處理，將它們轉換為無量綱數據。本文采用極差法進行標準化處理,使評價指標的數值在[0,1]之間。收集并整理了研究區近20年的年均降水量,能夠反映區域降水量的總體分布和特征；進行標準化處理后生成降水評價因子的柵格分布圖。以吉林省1∶100000的水系圖作為控制文件,在吉林省數字等高線矢量數據中提取得到分辨率為30 m×30 m的DEM數據,利用ArcGIS的鄰域分析功能,計算研究區的地形起伏度,經標準化處理后得到地形起伏因子。土壤質地因子是影響土壤侵蝕敏感性的內在因素；以省級土壤分級標準對研究區土壤類型的抗蝕性和抗沖性進行分級賦值并標準化；根據伊通縣土壤類型的空間數據，經數字化后得到土壤質地因子。根據研究區2008年8月29日Landsat 5遙感影像近紅外-可見光波段光譜反射率數據,提取歸一化植被指數(NDVI)并進行標準化處理,得到研究區的植被覆蓋率F指數，作為植被因子。根據研究區TM影像目視解譯的土地利用類型圖,對不同土地類型受水力侵蝕的土壤侵蝕敏感性進行評分賦值，得到土地利用因子。將所有的評價因子轉換成統一的投影坐標系和100 m×100 m的空間分辨率,根據各個因子對土壤侵蝕敏感性評價的影響程度,對標準化后的單個因子按表1進行分級賦值,將分布在(0,1]封閉區間上的標準化數值轉化為各因子對土壤侵蝕敏感性的評價結果。

表1　不同評價因子對土壤侵蝕敏感性影響的分級

1.2.2土壤侵蝕敏感性的綜合評價為了綜合反映研究區土壤侵蝕敏感性的空間變異特征,對單因子層極值標準化后進行數據轉換,并應用主成分分析法(PCA)構建評價體系,得到土壤侵蝕敏感性的綜合評價結果。

主成分分析作為一種常用的多指標統計方法,是對高維變量進行綜合與簡化的理想工具,利用各因子數據之間的相互關系,在盡可能不丟失信息的前提下,提取幾個互不相關的主成分代表原來各因子的空間信息[12]。本研究應用ArcGIS的空間主成分分析工具進行主成分分析,其基本步驟如下:(1)建立n個標準化評價指標的原始數據矩陣Mi(i=1,2,…,n);(2)計算指標的相關系數矩陣Ri;(3)求特征值λi和特征向量Li;(4)計算主成分貢獻率和累計貢獻率。將相關的空間變量對因變量的影響程度分配到相應的主成分因子上,方差貢獻率越大所包含的信息量就越多,因此以每個主成分對應的貢獻率作為權重,根據N個主成分的加權和計算研究區土壤侵蝕敏感性指數,綜合評價公式可表示為:

SE=a1PC1+a2PC2+…+aiPCi+…+aNPCN

(1)

式(1)中:SE為土壤侵蝕敏感性指數;PCi為第i個主成分;ai為第i個主成分的貢獻率;N為主成分數量。然后將計算得到的土壤侵蝕敏感性指數以等間隔的方式分為4個等級,進行統計分析,通過ArcGIS生成土壤侵蝕敏感性分布圖,并結合研究區土地利用類型和地貌類型分布圖進行分析。

1.2.3基于DEM的子流域提取土壤侵蝕敏感性主要針對的是水力侵蝕,流域是水力侵蝕形成和發生的基本單元。本研究所采用的分布式水文模型不同于通過劃分網絡進行產流計算的經典分布式水文模型,基于DEM數據生成的子流域既可以簡化分布式水文模型的計算,也可進一步提高模型的精度。目前,國內外在利用DEM數據提取子流域研究方面主要有4種算法:坡面徑流模擬法、移動窗口法、谷線搜索法和AEDNM法[13]。

本研究利用地形起伏因子提取過程中所生成的DEM數據提取河網,采用的坡面徑流模擬算法是由Callaghan等于1984年提出的,該算法是根據每個柵格中水流的方向計算其匯流累積量,確定一個閾值,將所有匯流累積量大于該閾值的點連接而形成河網,應用AGNPS ArcView Interface插件生成河網,并將伊通縣劃分為多個子流域。

2結果與分析

利用ArcGIS軟件對5個評價因子的空間變量進行空間主成分分析,提取的5個主成分的特征值及貢獻率如表2所示。根據主成分確定原則[14]:特征值大于1和累計方差貢獻率達到80%以上,可以用表2中所提取的前4個主成分代替各評價因子的土壤侵蝕敏感性空間信息；故將前4個主成分加權求和,即可計算出土壤侵蝕敏感性綜合評價指數(圖2)。

表2　各主成分的特征值及貢獻率

2.1不同環境背景條件下的土壤侵蝕敏感性評價

伊通縣土壤侵蝕敏感性指數結果的最小值為3.07,最大值為8.63,平均值為4.16；敏感性指數較低的地區呈葉狀集中分布在東南及西北部,中部及沿其東北和西南部形成的帶狀區域的土壤侵蝕敏感性指數相對偏高。按照<5、[5,6)、[6,7)、≥7的分級標準,將綜合評價指數分為輕度敏感、中度敏感、強度敏感和極強敏感4個等級,得到伊通縣土壤侵蝕敏感性等級面積的統計結果(表3)。由表3可知,中度及其以上級別敏感區面積為1496.78 km2,其中中度敏感區面積最大,占總面積的43.45%,主要分布在山地丘陵向平原過渡地區;強度敏感區和極強敏感區面積分別占總面積的19.54%和4.96%,主要分布在研究區的中部及西南部河漫灘一帶；輕度敏感區占總面積的32.05%,主要分布在研究區的東南及西北部山地丘陵地區。

圖2伊通縣土壤侵蝕敏感性評價因子及綜合評價指數圖

將土壤侵蝕敏感性分級結果分別與伊通縣土地利用類型、地貌類型空間數據進行疊加分析,得到不同土地利用類型、地貌類型下的土壤侵蝕敏感性,統計結果見表4和表5。

不同土地利用類型間土壤侵蝕敏感性具有明顯的規律：林地以輕度敏感為主,面積比例高達88%；草地和耕地皆以中度敏感以上的級別為主,兩種土地類型的中強度敏感級別面積比例分別為61.80%和96.23%；遍布在較大地形起伏的林地周圍的坡耕地多形成強度敏感侵蝕區。為了解決人多地少的矛盾和保障糧食安全,產糧區更是大面積地開發山坡地等未利用地，將其轉化為農用地,并對水土保持配套技術措施不加以重視,使坡耕地成為土壤侵蝕最為強烈的土地類型,這不僅會加劇土壤質量的退化,也會產生流域水體面源污染問題。

在不同地貌類型上,以輕度敏感為主的地貌類型是低山、高丘陵和低丘陵,這三類地貌是研究區的主要地貌類型,占總面積的比例達54.22%;剝蝕高臺地、河流高階地和高河漫灘的中度敏感區最多;洪積臺地、河流低階地和低河漫灘則以強度敏感為主,其中河流低階地的強度敏感區占該地貌總面積的50.78%。不同地貌類型的輕度敏感級別面積占該地貌面積的比重差異較大,最大的是高丘陵(50.36%)，最小的是河流低階地(1.93%),因此高程較高的地貌類型輕度敏感區比重相對較大。而洪積臺地和低河漫灘內極強敏感區面積比重在所有地貌類型中居前2位,可能原因是洪積臺地的地形位置受到溝谷水流和季節性洪水的影響,而低河漫灘分布在河流兩岸,因此該兩類地貌因其區位條件將會受到相對較為強烈的水力侵蝕,更需做好水土流失防范工作。

表3　伊通縣土壤侵蝕敏感性等級統計結果

表4　不同土地利用類型面積及土壤

表5　不同地貌類型面積及土壤侵蝕敏感等級面積比例

2.2基于子流域分布的土壤侵蝕敏感性分析

本文所研究的土壤侵蝕敏感性主要針對的是水力侵蝕,采用坡面徑流模擬算法,基于伊通縣DEM數據提取河網,根據研究區內河網值及空間分布,劃分成6個子流域,與土壤侵蝕敏感性等級圖進行疊加,得到基于子流域分區的土壤侵蝕敏感等級圖(圖3)。

圖3　基于子流域分區的土壤侵蝕敏感等級圖

由圖3可以看出：在3號、4號、5號和6號流域附近地區，沿著河流方向強度侵蝕敏感區成片地出現,而相對遠離河流的地區土地侵蝕敏感級別也相應下降；在5號子流域中,在北部耕地區域的河段周圍強度敏感侵蝕區明顯多于周圍有林地的東南部河段；在6號流域，由于整個流域都以耕地為土地利用方式,所以在該流域的河流中段及其北部地區出現了大片強度土壤侵蝕敏感區。

考慮到子流域內的河網分布和土地利用方式會對土壤侵蝕敏感性產生一定的影響,特別是在耕地上的水力侵蝕比較嚴重,因此進一步定量分析了子流域內的土壤侵蝕敏感等級與該流域內河網值和土地利用方式的相關性,分別統計得到各子流域內的河網值、耕地面積比例以及不同敏感等級面積比例等6個變量,并對各變量進行Pearson相關性分析。河網值和耕地面積比例與4個敏感等級面積比例間的相關系數如表6所示,結果表明:河網值與極強敏感面積比例間的相關系數為-0.779，在0.05水平上顯著相關；河網值與中度、強度敏感面積比例間的相關系數分別為-0.404和-0.565;耕地面積比例與中度敏感、強度敏感面積比例間的相關系數分別為0.934和0.846,分別在0.01和0.05水平上顯著相關,而與輕度敏感面積比例呈負相關。說明子流域內河網密集度的增大可以促進流域生態建設,發揮防洪排澇和涵養水源等作用,有利于降低土壤侵蝕的敏感性。而耕地面積比例的增大會造成流域內土壤侵蝕敏感程度的加劇,這主要是因為坡耕地作為東北黑土區的主要耕地資源[15],一方面其植被覆蓋度較小,植被的保水保土效應不明顯;另一方面,其坡度較大，并采用傳統的順坡耕作模式,地表徑流的沖蝕效果更加強烈,土壤退化加劇。因此伊通縣在不同流域的水土保持方面應兼顧河網分布與土地利用類型,優化流域內土地利用格局和耕作模式,合理分配糧食生產的規模和空間分布,因地制宜地降低土壤侵蝕發生的可能性,建立兼顧糧食安全和生態安全的環境友好型土地利用模式。

表6　河網值和耕地面積比例與敏感等級

注：“*”和“**”分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關。

3結論

本研究根據通用水土流失方程的基本原理,選擇年降水量、植被覆蓋率、土壤質地、地形起伏度及土地利用類型5個評價因子,通過主成分分析法計算得到土壤侵蝕敏感性綜合指數,綜合分析了不同地貌類型和土地利用類型下的土壤侵蝕敏感性，并基于子流域分析了土壤侵蝕敏感性的空間分布規律。主要得出以下結論:

(1)伊通縣土壤侵蝕敏感性總體差異性不大,東南部和西北局部是低敏感程度地區,中高敏感程度地區集中在中部及西南部一帶,土壤侵蝕敏感性以中度及以下程度為主,面積之和為1663.18 km2,而強度及以上敏感區約占研究區總面積的1/4。在不同土地利用類型中,林地的土壤侵蝕敏感性以輕度為主,而草地和坡耕地分別以中度敏感和強度敏感為主。

(2)根據土壤侵蝕敏感性可以將不同地貌類型區分為3類:以輕度敏感為主的低山、高丘陵和低丘陵;以中度敏感為主的處于中部地區的剝蝕高臺地、河流高階地和高河漫灘;以強度敏感和極強敏感為主的洪積臺地、河流低階地和低河漫灘。

(3)基于子流域分區對土壤侵蝕敏感性的綜合評價結果表明：河流附近土壤侵蝕敏感性較高,同時高河網值和低耕地面積比例有助于減弱子流域內土壤侵蝕的敏感程度。

4討論

由于缺少以往的土壤侵蝕數據，因此本研究沒有進行對比動態研究,對人為因子的分析還有待進一步深入。但本研究的結果仍然可以為東北黑土區提供參考。根據本研究結果，對伊通縣的水土流失治理和土地利用規劃工作提出以下建議:

(1)地貌以低山和丘陵為主的土壤侵蝕輕度敏感區,多易形成河流溝谷,造成坡耕地的嚴重水土流失。這部分地區應當以植樹造林保持水土為主,特別是對于坡度較大的陡坡應當強制性地退耕還林和退耕還草。對宜林荒地和陡坡上的低產耕地進行全面造林,同時建立喬灌草相結合的科學植被結構。

(2)對河流兩岸采取水土保持措施至關重要,尤其是強度敏感區要注重建設農田防護林,種植如楊樹之類的防護林帶。主要農業生產區應科學地改變耕地種植模式,合理調整種植結構。

(3)對土壤侵蝕低敏感性地區,需要堅持生態效益和經濟效益兼顧的原則,保護現有的植被資源,嚴格控制采伐天然林。在低山丘陵區可以發展種植果樹的經濟林，在低河漫灘可以發展速生豐產的用材林。

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(責任編輯:黃榮華)

Analysis on Soil Erosion Sensitivity in Yitong County

CHEN Yu-qiong1,2, LI Xiao-yan2*, ZHONG Tai-yang1

(1. School of Geographic and Oceanographic Sciences of Nanjing University, Nanjing 210023, China;

2. College of Earth Sciences of Jilin University, Changchun 130012, China)

Abstract：Based on the Universal Soil Loss Equation (USLE), using Yitong County in Jilin Province as a case study, this research conducted comprehensive soil erosion sensitivity evaluation on regional scale with the support of GIS and remote sensing technology. The results indicate that slight sensitive area mainly distributes in the southeastern and northwestern regions while moderate or high sensitive area concentrate in the central and northeast; Corresponding to different land use types, the soil erosion sensitivity grade sequence can be as farmland > grassland > forestland, especially the slope farmland is the most sensitive. Among different kinds of topography, low mountains and hills are mainly slight sensitive while most erosional platforms, high river terraces and high floodplains are moderate sensitivity area and the high and intense sensitivity is more likely to take place in diluvial platforms, low river terraces and low floodplains. Furthermore, the soil erosion sensitivity of riverside is always more severe than other region. A sub-catchment with high-density drainage network and the reasonable use of land resources tends to effectively control soil erosion and weaken sensitivity.

Key words：Soil erosion; Sensitivity; 3S technology; Principle component analysis; Yitong county

中圖分類號：S157

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)01-0098-06

作者簡介：陳宇瓊(1993─),女,碩士研究生,研究領域為土地利用變化。*通訊作者:李曉燕。

基金項目：國家自然科學基金項目(40121158)。

收稿日期：2015-07-09