基于GIS和RS的黑龍江省水土流失影響因素分析

戴紅霞 許慧敏 韓玉冰

摘要 采用GIS和RS遙感影像技術對黑龍江省的地理特性及地貌情況進行分析，以DEM基礎數據采用ArcGIS的方法確定影響因子;利用ArcGIS軟件對各影響因子數據進行處理，根據各影響因子圖層加權疊加運算侵蝕強度對水土流失進行評價。結果表明，黑龍江省大部分區域中的土壤侵蝕強度多處于微度，少數為輕度土壤侵蝕的地區，沒有產生極強度土壤侵蝕的地區，僅有部分地區土壤侵蝕的強度是中度、強度和劇烈。2018年水土流失總面積占黑龍江省土地總面積的7.38%，黑龍江省水土流失情況在逐年增加，應該引起重視。

關鍵詞 水土流失;GIS;RS;影響因素;黑龍江省

中圖分類號 F323.21? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）24-0109-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.025

Analysis of Influencing Factors of Soil Erosion in Heilongjiang Province Based on GIS and RS

DAI Hong-xia，XU Hui-min，HAN Yu-bing

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318）

Abstract GIS and RS remote sensing image technology were used to analyze the geographic characteristics and landforms of Heilongjiang Province，the method of ArcGIS was used to determine the impact factor based on DEM basic data.The ArcGIS software was used to process the data of each influencing factor， and the soil erosion was evaluated according to the weighted superposition of each influencing factor layer and the erosion intensity.The results showed that the intensity of soil erosion in most areas of Heilongjiang Province was mostly slightly， a few were areas with mild soil erosion， there was no area with extreme strength soil erosion， and only some areas had moderate，strong and severe soil erosion.In 2018， the total area of soil erosion accounted for 7.38% of the total land area of Heilongjiang Province. The situation of soil erosion in Heilongjiang Province was increasing year by year， which should be paid attention to.

Key words Soil erosion;GIS;RS;Influencing factors;Heilongjiang Province

作者簡介 戴紅霞（1970—），女，遼寧沈陽人，副教授，在讀博士，從事環境評價技術、環境治理技術、環境監測技術等研究。

收稿日期 2021-03-30

人類對土地的利用受自然地貌因素的影響較大[1]，同樣人類的生產活動也會影響土地資源。水土流失問題一直是一個重大的環境和生態問題[2]。世界上許多國家和地區不斷進行著區域水土流失空間分布情況調查分析[3]，確定水土流失量及其空間分布位置[4]，建立生態環境和社會環境的GIS信息系統便于治理[5-7]。隨著經濟的快速發展，帶動了各行各業的發展，從而引發土地利用率增加，對土地不當的開墾利用引發水土流失造成土地退化[8]，農用地容易引發和加重土壤侵蝕[9]，還有陡坡地、溝壑砂土地因自然地理缺陷易受雨水侵蝕的危害造成嚴重水土流失[10-11]。筆者以GIS和RS方法[12-13]分析了黑龍江省2018年水土流失情況及主要影響因子，并提出相應的整治對策[14]。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

黑龍江省是位于我國最北端和最東端緯度最高的省份，地理位置是121°11′～135°05′E、43°25′～53°33′N，南北橫跨10個緯度2個熱量帶，東西橫跨14個經度3個濕地[15]。黑龍江邊界長3 045 km，北部和東部與俄羅斯接壤（圖1）。該區域是從亞太經陸路通往俄羅斯和歐洲大陸的重要通道，也是我國作為邊界開放的重要窗口。黑龍江省地域遼闊，地理條件優越，地形地貌類型多樣，走勢大致呈西北和東南地區高、東北和西南地區低。黑龍江省大部分地形是山地、平原、臺地和水域等。根據2019年黑龍江省統計年鑒調查，全省土地總面積為452 532.26 km2，占我國土地總面積的4.7%。黑龍江省是全國熱量最少的省份，整體位于中溫帶，屬大陸性寒帶季風氣候。黑龍江省也是全國氣溫最低的省份，全省年平均氣溫僅為 -4～5 ℃。正是由于這種獨特的地理位置與氣候環境使得黑龍江省仍然存在水土流失的風險。

1.2 數據來源

為研究黑龍江省近年來水土流失變化情況，該研究采用黑龍江省遙感影像和 DEM數據作為基礎數據。遙感影像主要為2018年相關數據，分辨率為16 m;DEM數據為原始高程數據，分辨率為 90 m。

1.3 研究方法

1.3.1 影響因子的選取。

黑龍江地勢西高東低，最高海拔是1 694 m。該分析區域地理位置獨特，不同海拔對水土流失的影響也不盡相同，中低海拔地區水土流失嚴重。植被的覆蓋情況對于水土流失影響巨大，植被情況良好的地區水土流失情況會適當緩解，可以在一定程度上對水土流失的發生產生抑制效果，而人類的生產活動與植被覆蓋情況息息相關。不同類型的土地利用受人為生產活動的影響程度也不相同，但有很大相關性，并且土地利用類型和地表植被覆蓋度有密不可分的聯系。因此，結合黑龍江省的地理特性，該研究以高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度和土地利用類型作為評價水土流失的重要影響因子。

1.3.2 影響因子的分級。

1.3.2.1 高程。

高程對水土流失的影響是不能被忽視的，一般來說，高程越高，水土流失越不易發生。此次研究是利用DEM數據，在ArcGIS中通過校正以及投影轉換處理等得到黑龍江省的DEM數據，利用重分類將高程分為6個等級，分別為-3～300 m、>300～350 m、>350～400 m、>400～450 m、>450～500 m、>500 m，并分別賦值1、2、3、4、5、6，如圖2。

1.3.2.2 坡度。

決定水土流失是否發生的重要因素之一是坡度，通常來說，水土流失與坡度呈正相關，高坡度地區發生水土流失的風險增大。根據《土壤侵蝕分類等級標準》（SL 190—2007）的相關要求，該研究使用DEM數據，計算黑龍江省的坡度，提取坡度因子并將坡度分為6個等級，分別為0～5°、>5°～10°、>10°～15°、>15°～20°、>20°～25°、>25°～90°，分別賦值為1、2、3、4、5、6。

1.3.2.3 溝壑密度。

溝壑密度是判斷地面被河道切割破碎程度的一個十分必要的重要指標，一般情況下，地面破碎程度與溝壑密度呈正相關。隨著溝壑密度增大，土質破碎程度增加，平均坡度逐漸增大，地表物質的穩定性越差，地表徑流越容易形成，土壤侵蝕越嚴重，水土流失越嚴重。因此，溝壑的大小可以反映研究區域水土流失的嚴重程度。溝壑密度也稱溝谷密度，指單位面積內溝壑總長度，數學表達式可表示為：

Ds=LA（1）

式中，Ds為溝壑密度（km/km2）;L為研究區域內溝壑總長度（km）;A為特定研究區域的面積（km2）。

1.3.2.4 植被覆蓋度。

枯枝落葉層和植被冠層可以阻攔部分降水并且可以減少雨水對于土壤的侵蝕，減少一部分地表徑流。而植被的根系在土壤中盤根錯節固定土壤結構使其穩定，防止坡面侵蝕，使泥石流和滑坡等自然災害發生的風險減少。因此，植被覆蓋度在該研究中對于評價黑龍江省水土流失情況十分重要。該研究利用黑龍江省2018年預處理后的遙感影像，在ArcGIS中計算歸一化植被指數（NDVI），再將其轉化為植被覆蓋度，并提取植被覆蓋度因子[16]。NDVI的計算公式如下：

NDVI=IR-RIR+R（2）

式中，IR為紅外波段的像素值;R為紅光波段的像素值。

根據《土壤侵蝕分類等級標準》（SL 190—2007）的相關要求，結合黑龍江省實際情況使變化最大可視化，將植被覆蓋度分為6個等級，分別為<15%、15%～30%、>30%～40%、>40%～70%、>70%～80%、>80%，并分別賦值為1、2、3、4、5、6。

1.3.2.5 土地利用類型因子。不同土地利用類型對土壤侵蝕有不同程度的影響。該研究利用預處理后的2018年黑龍江省遙感影像，根據《土地利用現狀分類》（GB/T 210100—2017），并結合黑龍江省實際情況，采用ArcGIS圖形將黑龍江省的土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6類。基于黑龍江省的基本情況，根據專家評估和參考與水土流失相關文獻，將耕地賦值為1，林地賦值為2，草地賦值為3，水域賦值為4;建設用地包括城鄉居民、工礦及交通運輸用地，賦值為5;其余包括沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石質地等未利用土地賦值為6。

1.3.3 水土流失評價。

該研究用來評價水土流失強度是根據土壤侵蝕綜合指數，其計算公式為：

W=ni=1（AiBi）（3）

式中，W為土壤侵蝕綜合指數;Ai為第i個指標因子等級劃分相應的賦值;Bi為第i個指標因子的影響權重;n為指標因子數量，n=5。

根據《土壤侵蝕分類等級標準》（SL 190—2007），并結合黑龍江省的實際情況，該研究將黑龍江省的高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度、土地利用類型因子的權重分別設為0.10、0.30、0.20、0.25、0.15，并根據土壤侵蝕綜合指數對水土流失強度等級進行水土流失強度分級劃分：土壤侵蝕綜合指數<2.5，侵蝕強度為微度;2.5～3.0，侵蝕強度為輕度;>3.0～3.5，侵蝕強度為中度;>3.5～4.0，侵蝕強度為強度;>4.0～5.0，侵蝕強度為極強度;>5.0，侵蝕強度為劇烈。

2 結果與分析

2.1 影響因子評價

該研究利用GIS和RS遙感影像技術對黑龍江省的地理特性及地貌情況進行分析，以DEM數據作為基礎數據，采用ArcGIS的方法確定了5個影響因子，分別為高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度和土地利用類型。

利用DEM數據，在ArcGIS中進行溝谷網絡提取與溝壑密度計算，得出東北黑土區的溝壑密度在1.50 km/km2，其中的淺溝和切溝發生的頻率較高，溝長小于100 m的以淺溝為主，溝長100～200 m的淺溝和切溝數量相當，溝長大于200 m的主要是切溝。

通過對黑龍江省2018年不同植被覆蓋度區面積進行統計，結果顯示，2018年黑龍江省以高植被覆蓋區（植被覆蓋度>80%）為主，低植被覆蓋區（植被覆蓋度小于40%）和中植被覆蓋區（40% ～ 80%）分別占總面積的1.22%和4.75%。從時間變化來看，相比王亭月[17]對2016年黑龍江全省高植被覆蓋區的研究發現，2018年高植被覆蓋區和低植被覆蓋區面積持續增加，中植被覆蓋區面積減少了1.25萬km2，總植被覆蓋面積增加了0.20萬km2。

通過對黑龍江省2018年不同土地利用區面積進行統計，結果顯示（圖3和表1），黑龍江省土地利用類型以林地和耕地為主（分別占48.2%和35.1%），其次依次為水域、草地、建設用地（分別占4.8%、4.5%和4.0%），未利用土地占比最低（3.4%）。黑龍江省不同土地利用面積是不斷轉移改變的，計算2015、2018年黑龍江省不同土地利用面積轉移矩陣，

結果表明（表2和圖4），2018年有14 727.12 km2未利用

土地轉化為林地，7 371.92 km2未利用土地轉化為草地，這對保

土固土產生了積極的影響。但2018年，草地退化為林地面積達10 675.04 km2，草地退化為未利用土地面積達7 371.92 km2，耕地退化為未利用土地達6 009.40 km2。黑龍江省未利用土地主要是5%以下植被覆蓋度的沙地以碎礫石為主的戈壁、植被稀少地表鹽堿聚集的鹽堿地以及地勢平坦低洼，排水不暢的沼澤地等。這些土地很難被利用，規劃不合理會產生更為嚴重的水土流失風險。

2.2 水土流失評價

利用ArcGIS軟件對各影響因子數據進行處理，根據各影響因子圖層加權疊加運算侵蝕強度，得到評估結果。從表3和圖5可以看出，黑龍江省大部分區域中的土壤侵蝕強度處于微度，少數為輕度土壤侵蝕的地區，沒有產生極強度土壤侵蝕的地區;僅有部分地區土壤侵蝕的強度是中度、強度和劇烈，該區域主要集中于黑龍江省松嫩平原和三江平原附近。

2018年黑龍江省土壤侵蝕強度以微度為主，占黑龍江省水土流失面積的80.2%，占黑龍江省面積的5.930%;輕度水平占黑龍江省水土流失面積的13.4%，占黑龍江省面積的0.099%;中度水平占黑龍江水土流失面積的5.2%，占黑龍江省面積的0.038%;2018年黑龍江省水土流失總面積占研究區土地總面積的7.38%。結果表明，黑龍江省水土流失情況逐年加重，應該引起重視。

3 結論與討論

該研究采用GIS和RS遙感影像技術對黑龍江省的地理特性及地貌情況進行分析，以DEM數據作為基礎數據，采用ArcGIS的方法確定了高程、坡度、溝壑密度、植被覆蓋度和土地利用類型5個影響因子。根據土壤侵蝕綜合指數對水土流失強度等級進行水土流失強度分級劃分，利用ArcGIS軟件對各影響因子數據進行處理，根據各影響因子圖層加權疊加運算侵蝕強度對水土流失進行評價，結果表明，黑龍江省大部分區域中的土壤侵蝕強度處于微度，少數為輕度土壤侵蝕的地區，沒有產生極強度土壤侵蝕的地區;僅有部分地區土壤侵蝕的強度是中度、強度和劇烈，該區域主要集中于黑龍江省松嫩平原和三江平原附近。2018年水土流失總面積占黑龍江省土地總面積的7.38%，黑龍江省水土流失情況逐年加重，應該引起重視。需要對水土流失情況進行跟蹤監測，更需要及時治理。由于造成黑龍江省水土流失的主要原因有自然地理位置高低不平的缺陷和土地利用不當的因素，因此，需要強化農地、林地、草地生態建設，合理耕種，合理灌溉，因地制宜和科學管理，加強水土保持的管控，防止人為亂砍濫伐引發新的水土流失，同時需要加強對重點區域的保土力度，減少中高區植被覆蓋向低區過渡，采用高科技手段監控，合理規劃與利用土地以便綜合防治水土流失，采用國內外先進治理修復方法對黑龍江地域所屬的沙地、鹽堿地、戈壁地以及沼澤地進行修復治理，使其向減少水土流失面積的方向發展。

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