基于GIS和分形理論法的康平縣水土流失分析

王瑩瑩

(康平縣水利局，遼寧 沈陽 110500)

水土流失破壞土地表層組織結構，造成養分流失、土壤退化、河道淤積、水源污染，是影響區域生態安全乃至可持續發展的重大環境問題之一[1]。康平縣地處我國東北黑土帶上，區域土壤肥沃、土層深厚，為農業生產提供便利基礎，然而隨著人口增加、植被破壞的加劇，區域土壤侵蝕愈演愈烈。國內外學者通常采用現代地理信息技術借助遙感數據宏觀提取區域水土流失強度空間分布，實現了高時效、廣域、直觀監測[2]。關于其空間分布格局，多應用景觀指數、分形維數、半方差函數等方法，這為了解水土流失發育的自然機理提供了依據[3]。康平縣地貌形態差異性不大，為度量水土流失空間復雜度，本文應用分形維數理論分析其隨水土流失強度變化的關系，并采用回歸分析方法解析土地利用結構對水土流失量的影響，以期為本區水土保持規劃提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

康平縣位于我國東北遼寧省沈陽北部，居于遼河平原北端，屬遼河流域，有渾河、秀水河等較大支流，流速平緩，有春汛和夏汛。縣域土地所覆植被狀態較好，典型植被有溫帶灌木、喬木和溫帶草地，林草覆蓋率達38%，總體來說水土涵養能力較好。區域土壤侵蝕以水蝕為主，降水常集中于7—8月且強度大，水土流失時有發生。

1.2 數據源

本研究以Landsat 8 OLI影像數據為基礎，其來源于地理空間數據云網站，行代號為119- 30，其中全色波段分辨率達15m，其他波段為30m。地形因子數據的提取以DEM為基礎，該數據有美國聯邦地質調查局提高，空間分辨率達30m。將柵格影像重采樣為15m，并統一為WGS- 1984投影系統。降水圖層由中國氣象局氣候中心提供，土壤數據則從地理國情監測云平臺上獲取。

1.3 RUSLE水土流失方程

通用水土流失方程(Revised universal soil loss equation， RUSLE)是美國科學家們通過研究水土動力循環、植被涵養、土壤質地、地形效應等，經長時間實踐積累建立區域水土流失量計算公式，其將水土流失視作坡度、坡長、植被、降水強度等環境因子的函數，公式如下[4]:

RUSLE=R·K·L·S·C·P

(1)

式中，RUSLE—年水土壤流失量，t/(hm2·a);R—降雨侵蝕力因子表征降水強度對水土流失的影響，MJ·mm/(hm2·h·a);K—不同土壤其質地不同，降水強度對其侵蝕力具有一定差異，土壤可蝕性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L—坡長；S—坡度；C—植被；P—水土保持措施。

地形因子是土壤侵蝕的客觀因素，依據公式可知坡度、坡長越大，水土流失越強烈。坡度因子的提取可直接應用ArcGIS 10.3中Spatial Analysis模塊的surface功能，以DEM數據為底圖進行提取，坡長的計算則借助柵格計算器完成。地表可侵蝕性反映了自然狀態下土壤侵蝕強弱，通常疏松的地表環境水土流失越劇烈。地表可侵蝕性因子公式如下[3]：

(2)

式中，i—月，取i=1，2，…，12；Pi—月降雨總量，mm;其他變量含義同前。植被通過地上截留、匯聚和地下固結作用減弱水土流失，其與水土流失量呈反比，可通過ENVI5.3軟件的bandmath工具進行波段計算提取。

1.4 分形維數

分形理論源自幾何學，以幾何形物的面積、周長關系表示其形態復雜程度。對于土壤這一空間不連續變量，其分形維數表示為變異函數的雙對數關系logγ(h)∝logh在一定觀測尺度h上的線性關系[5- 7]：

(3)

式中，H—線性斜率，取值為[0，1]；FD—分形維數，值域(1，2]，FD隨著H的增加而減小。對于區域水土流失空間分布，其分形維數越小則其分形越好，表明其分布趨勢性強，空間漸變性、連續性好；其分形維數越小，則其分形特征越長，表明區域水土流失異質格局強，分布離散、連續性差、全局趨勢弱[8- 10]。

2 康平縣水土流失分析

2.1 康平縣水土流失空間分布特征

康平縣水土流失強度空間分布格局如圖1所示。微度水土流失區分布范圍最廣，呈片狀延伸于縣域東西部丘陵區和中部平原區，其分布連續性好。輕度水土流失區分布于東西部丘陵區，其他強度水土流失區主要沿著丘陵山脊線分布，這是由于東西部地勢較高、坡度大，土壤可侵蝕性強。統計分析表明，微度水土流失區占區域總面積的71.94%，達1564.69km2，輕度水土流失區達419.25km2，占19.28%；中度水土流失區不足總面積的1/10，為186.55km2，強度和極強度水土流失分布較少，僅為3.74和0.75km2，其結構比僅為0.17%和0.03%；劇烈水土流失面積為0km2。由此看來，康平縣水土涵養能力較好，水土流失強度以微度為主。

圖1 康平縣水土流失空間格局

2.2 康平縣水土流失分形特征

如圖2所示，康平縣水土流失空間分形維數大小隨土壤侵蝕強度變化而異。其半方差函數與滯后距離的雙對數線性關系擬合度較好，R2介于0.721～0.928之間，表明在該尺度上水土流失強弱的空間復雜格局能夠進行維數度量。6種水土流失等級中以劇烈等級的斜率最大，為0.8983，微度等級的斜率最小，僅為0.3864，其余等級的斜率介于0.3974～0.6224之間。相應地，得到不同水土流失強弱等級的分形維數值，依次為1.807、1.801、1.797、1.792、1.689、1.551，雖然該值差異較小，但仍能夠指示其空間復雜度。可知，微度水土流失區的維數值最高，表明其在空間上幾何形態復雜，這是由于該縣自然環境空間差異性較大，微度水土流失區受到地質應力影響與人為影響較多，其中不同位置上的延伸受到較多因素控制。反之，水土流失強度越劇烈其維數值越小，其分析結構越簡單，表明其空間穩定性較好，這是由于水土流失嚴重地區局部地理環境較差或受人為干擾極強烈，但其具有穩定的界面。

2.3 康平縣水土流失隨土地利用類型分異特征

將康平縣土地利用圖與水土流失強度圖進行疊加分析，得到二者之間的關系矩陣，見表1。結果顯示，不同土地利用下水土流失強度存在一定差異，研究區用地類型主要是草地、林地、耕地，約占區域總面積的76.82%，水土流失量占總量的88.36%，是區域水土流失重要來源。依據表1，草地的侵蝕模數最大，達1687t/(km-2·a)，旱地、林地的侵蝕模數次之，為1421.25、874.28t/(km-2·a)，主要由于康平縣用地類型中以草地、耕地占優，也是本區水土流失治理的重點地類。水域、建設用地和裸地地類的面積最小，水土流失量依次為271.46、154.21和98.54t/(km-2·a)。并且不同用地類型中水土流失強度分布存在差異，其中微度水土流失區中以草地、旱地分布最廣，達684.74和421.65km2；輕度水土流失區則以林地、草地為主，分布面積分別為198.54和106.78km2；中度水土流失區主要分布于旱地，為98.21km2；強度和極強度水土流失主要分布于水域用地類型。

圖2 康平縣水土流失分形維數特征

表1 不同土地利用類型水土流失量與侵蝕模數

2.4 康平縣水土流失量與用地結構的關系

利用各水土流失強度斑塊內用地類型結構與侵蝕模數之間的關系建立線性回歸模型，結果如圖3所示。可知林地、草地等地類的結構比與水土流失量之間呈現負相關關系，表明這些地類的增加有利于抑制水土流失的發生，增強區域水源涵養；而水域、旱地、建設用地、裸地等地類的結構比與水土流失量之間呈正相關關系，意味著這些地類結構比的增加會加劇土壤侵蝕。其中草地用地結構與水土流失量之間的線性回歸系數最小，為-1097.4t/(km-2·a)，說明草地地類的增加能夠有效減少土壤侵蝕量，而林地的涵養能力次之，其系數為-964.01t/(km-2·a)。水域用地結構每增加1個單位，水土流失量增加125.68t/(km-2·a)；旱地、建設用地、裸地用地類型每增加1個單位，水土流失量增加730.47、1212.6和990.81t/(km-2·a)。由此可知，建設用地、裸地和旱地面積的增加，不利于區域水土保持。

3 結論

結合現代地理信息技術與水土流失通用方程對康平縣水土流失空間分布進行研究，得到其分形維數特征及其與土地利用類型之間的關系。結果表明，康平縣林草覆蓋度較高、水土涵養能力較好，水土流失以微度為主；由于微度水土流失區分布范圍廣、自然形態復雜，極易遭受環境破壞或人為干擾，其治理方向應是增加植被覆蓋度、避免惡化態勢。土地利用類型對區域水土流失強度具有深刻影響，其中旱地、水域、裸地和建設用地的結構比增加能夠加大土壤侵蝕模數；林地和草地地類結構比增加能夠減少水土流失量，這對于區域景觀規劃具有指導意義。水土流失通用方程表明，康平縣水土流失量主要發生于耕地、林地、草地，而水域、建設用地、裸地分布面積少、土壤累積淺薄，水土流失量較少，但強度較大。因此，對于今后區域水土保持工作應一方面注重農用地結構優化，改變不合理的種植方式，繼續推進退耕還林還草工程；另一方面局部著手治理裸地、河流、濕地，修筑水土流失防護措施。

圖3 用地類型結構與水土流失量之間的關系