基于GIS的大連市土壤侵蝕強度估測

劉思藝 黃鳳榮

（遼寧師范大學(xué) 遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點實驗室，遼寧 大連 116029）

土壤侵蝕，是地球表面一種自然現(xiàn)象，是導(dǎo)致土地退化面積增大的重要生態(tài)環(huán)境問題[1]，水利部遙感中心1990年調(diào)查統(tǒng)計，我國土地存在土壤侵蝕現(xiàn)象的達(dá)492萬km2，加之我國發(fā)展迅速，大部分土地被開發(fā)利用，使得我國土地資源和生態(tài)環(huán)境遭到破壞，土壤侵蝕量居高不下[2]。土壤侵蝕的監(jiān)測是水土保持規(guī)劃、布置等措施的重要依據(jù)，越來越受到重視。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國水利部先后開展4次全國范圍土壤侵蝕評估，堅持觀測、調(diào)查、監(jiān)測、評估和改善工作，積累土壤侵蝕相關(guān)成果。如馮若昂[3]等運用USLE模型監(jiān)測東平縣土壤侵蝕時空變化；王丹陽[4]等建立三維指標(biāo)劃分水土保持區(qū)；齊述華[5]等通過ULSE模型對1995到2005年江西省的土壤侵蝕作出定量分析等。國外研究始于十九世紀(jì)末，對土壤表面侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行觀察和定性分析；研究全球、指定區(qū)域、國家尺度的土壤侵蝕；構(gòu)建土壤侵蝕模型等。不斷修訂通用水土流失方程ULSE模型：1975年徑流銀子代替降雨因子的MUSLE；1997年因子的細(xì)節(jié)處理RUSLE[6,7]。但不同區(qū)域不同地塊的土壤侵蝕情況差異多變化大情況復(fù)雜，需要進(jìn)行具體估測[8]。

2 研究內(nèi)容及方法

本文以大連市為研究范例進(jìn)行土壤侵蝕強度估測并制做強度圖，對大連市的土壤侵蝕情況做以明確。以ArcGIS平臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理、專題地圖制作與分析等，將多個土壤侵蝕影響因子綜合反映在強度圖上，為水土保持工作提供較清晰的工作基礎(chǔ)[9,10]。

采用美國農(nóng)業(yè)部水土保持局（SCS）在1965年提出的通用土壤流失方程USLE(universal soil loss equation)。公式表達(dá)為：A=R*K*L*S*C*P

式中：A-單位面積年平均土壤流失量t/ha；R-降雨侵蝕力因子MJ*mm/(ha*h)；K-土壤可蝕性因子；L和S因子常共同影響土壤流失，統(tǒng)稱LS為地形因子；C-植被覆蓋和經(jīng)營管理因子；P-水土保持措施因子。

3 土壤侵蝕強度計算

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用了大連市行政區(qū)域矢量數(shù)據(jù)；2017年Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)大連市DEM高程數(shù)據(jù)，空間分辨率為90m；中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心大連市30個氣象站點的年降水量和月降水量的降雨量數(shù)據(jù)；大連市土壤土質(zhì)類型；大連市土地利用類型解譯數(shù)據(jù)等。土壤侵蝕強度圖坐標(biāo)系為西安80投影坐標(biāo)系。

3.2 土壤侵蝕量因子計算

3.2 .1 降雨侵蝕力R）

大連市暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,降水影響較大。利用大連市的月降水量和年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運算，得到千米網(wǎng)格的評價單元R值。降雨侵蝕力（R）采用Fournier指數(shù)估算法[11]進(jìn)行估算，如圖1所示。從整體上看，降雨侵蝕力從東北向西南方向呈逐漸遞減趨勢。其表達(dá)式為：

圖1 降雨侵蝕因子R值分布情況

MFI=∑Pi2/P R=(a*MFI)+b

式中：MFI——修正的Fournier指數(shù)；Pi——月降水量（mm）；P——年降水量(mm)；a，b值是常量，由氣候條件信息決定，參照已有文獻(xiàn)資料[8]，根據(jù)氣候條件對比分析，a值取4.71，b值取-152。

3.2 .2 土壤可蝕性因子K）

土壤的抗侵蝕能力與土壤類型、質(zhì)地和有機質(zhì)含量等有關(guān)。大連市土壤類型：棕壤占81.5%；草甸土、水稻土、風(fēng)沙土合計占18.5 %。灘涂資源占土地總面積的5.2 %。通過已有文獻(xiàn)資料確定[8]大連市土地利用各土壤類型的K值 表1），以千米網(wǎng)格進(jìn)行插值計算，得到土壤可蝕性因子K值分布圖（圖2）。總體來看，大連市大部分地區(qū)有一定的抗蝕能力，東北地區(qū)抗蝕能力相對較弱，需加大保護(hù)措施。

圖2 土壤可侵蝕因子K值分布情況

表1 不同土壤類型的K值

3.2.3 地形因子(LS)

地形因子是表征地球表面形態(tài)的指標(biāo)，根據(jù)描述尺度范圍可分為微觀地形因子和宏觀地形因子。微觀地形因子描述微分點單元的信息，主要包括坡度、坡向、坡長等。宏觀地形因子描述一般是一個區(qū)域或分析窗口，分析其曲面和水平面或?qū)?yīng)最佳擬合坡面間的復(fù)合特征。主要包括地形起伏度、地面粗糙度等。本文的研究區(qū)范圍較大，地貌類型較為復(fù)雜，微觀地形因子會失去土壤侵蝕和地貌學(xué)方面的意義，因此采用宏觀地形因子，地形起伏度直接影響地面的徑流變化，是土壤侵蝕較主要根源之一，也最能直接同地面的實際地形特征建立對應(yīng)量的轉(zhuǎn)換關(guān)系[12]，如圖3所示。

圖3 地形因子LS值分布情況

3.2 .4 作物覆蓋與管理因子(C)與水土保持工程措施因子P）

作物覆蓋與管理因子指相同條件，植被和經(jīng)營管理地塊與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的土壤流失比，主要由地表植被決定。其防侵蝕作用因不同的植被類型而異。大連植被資源較為豐富,主要由林地、草地和農(nóng)業(yè)植被構(gòu)成；水土保持工程措施因子指相同條件，水土保持措施的土壤與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的土壤流失比，主要因土地利用類型不同而異。結(jié)合大連市土地利用數(shù)據(jù)，確定不同植被類型的C值及不同土地應(yīng)用類型的P值（表2）[13]，以千米網(wǎng)格進(jìn)行插值計算，得到C值及P值的分布圖，如圖4、5所示。從整體上來看，植被覆蓋度良好，當(dāng)水土流失發(fā)生有一定的緩沖作用。

圖4 植被覆蓋和經(jīng)營管理因子C值分布情況

表2 C值和P值

圖5 水土保持措施因子P值分布情況

3.3 侵蝕強度分級

根據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)的土壤侵蝕強度分級標(biāo)準(zhǔn),大連市土壤侵蝕強度：微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕4個等級。如圖6所示。

圖6 土壤侵蝕強度分布圖

4 結(jié)論

經(jīng)土壤侵蝕強度圖表明：大連市土壤侵蝕強度輕度侵蝕為主，約占63.19 %；微度侵蝕約占19.95 %；其次是中度侵蝕約占16.74 %；以及少量的強度侵蝕約占0.12 %。由圖可見，本文研究結(jié)果反映出微度侵蝕范圍較大，分布在旅順口區(qū)的南部以及莊河和普蘭店的局部較分散的區(qū)域；輕度侵蝕區(qū)域范圍最大，普遍各區(qū)都有分布，主要在金州、瓦房店、普蘭店、中山區(qū)、西崗區(qū)、沙河口區(qū)、甘井子區(qū)等大連市區(qū)范圍；中度侵蝕區(qū)域大部分分布在長海縣區(qū)域以及部分在莊河南部區(qū)域；強度侵蝕區(qū)域較為明顯的分布在莊河的山地區(qū)域。根據(jù)結(jié)果分析得出，大連市大部分地區(qū)不易發(fā)生水土流失。本著改善強度侵蝕地區(qū)，減弱中度侵蝕，對于微度和輕度盡量保持以減少土壤流失對生態(tài)環(huán)境影響的態(tài)度。應(yīng)著力保護(hù)好現(xiàn)有植被，加強丘陵地區(qū)和低山地區(qū)水源涵養(yǎng)林的種植，合理規(guī)劃農(nóng)田和城鎮(zhèn)環(huán)境建設(shè)，保護(hù)好耕地資源。土壤侵蝕研究是一個不斷進(jìn)步的課題，因客觀條件的限制，本次對于大連市的土壤侵蝕強度研究還有很多地方需要改進(jìn)。USLE模型每一種因子的計算模型不盡相同，不同模型得到的結(jié)果存在差異，因此對于區(qū)域土壤侵蝕強度的研究還需付出大量的時間和精力。