基于變權物元模型的黑土區土壤侵蝕風險評價

寧 靜，周 杰，周芳琪

(東北農業大學公共管理與法學院，黑龍江哈爾濱 150030)

土壤侵蝕是自然條件疊加人類活動產生的災害，阻礙人與自然和諧共生，嚴重威脅生態安全以及人類社會發展。土壤侵蝕評價能夠分析和評價土壤侵蝕的現狀，為防治該災害提供科學依據。目前，學者們對土壤侵蝕風險性評價有2種理解：一是土壤侵蝕風險性評價是對土壤侵蝕產生的結果所作出的評價；二是土壤侵蝕風險性評價是綜合考慮潛在侵蝕、現狀侵蝕和社會經濟背景的情況下所做出的會對未來土壤侵蝕造成的影響。

基于對概念理解的不同，在土壤侵蝕風險評價方面，國內學者研究主要分為3種方法：一是利用土壤層厚度及土壤容重進行土壤抗蝕年限計算，以此作為評價基礎，該方法簡單、直接，但對于土壤的生產功能來說，其最大的意義在于能夠生產作物，故沒有考慮到每類土壤的臨界有效土壤層厚度不同，且在評價過程中忽略了人類活動及社會經濟活動帶來的影響。二是依據影響土壤侵蝕的因子設計評價指標，進行單因子的分級評分或賦權進行綜合評分，在以往研究中主要以修正通用土壤流失方程(RUSLE)為主，也有以ICONA模型為基礎進行評價，或根據前人的研究直接分級。考慮了不同能夠對土壤侵蝕產生影響的因素，綜合性較強，也能滿足各種尺度的評價要求，但在評價過程中由于研究區的特殊性，在指標選取、權重賦值方面不具有普遍性。三是構建土壤侵蝕風險評價模型，從土壤侵蝕風險性概念出發，充分考慮自然條件、人類活動影響，不僅能夠定性描述各個單因子與土壤侵蝕風險性的關系，還能定量找出在影響因素中進行主導的因子，但由于權重是某一常值使得模型的準確性不夠。

物元分析將事物以事物、特征、量值等3個要素進行描述，形成一個有序三元向量，在各類評價過程中，物元分析能形成一個評價指標物元和評價對象物元，通過對兩者及其之間的關系進行分析，能夠體現不同層次、不同評價對象之間的關系并直觀表達出來，且動態可調，且已有研究將其應用于土壤侵蝕風險性評價，證明其可用且科學。

為此，本研究借助地理信息系統(GIS)及遙感(RS)技術，以主客觀結合的方式確定因子權重，建立基于物元分析的東北黑土區土壤侵蝕風險性評價模型并以黑龍江省賓縣為例進行研究，旨在為土壤侵蝕風險性評價提供一種思路，從而為解決賓縣水土流失綜合治理和土壤侵蝕防治問題提供相關依據。希望為賓縣水土保持、生態文明建設和土地可持續利用提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

賓縣(126°55′41″～128°19′17″E，45°30′37″～46°01′20″N)地處我國黑龍江省哈爾濱市中部地區，位于典型黑土區邊緣(圖1)。面積約為 3 843.17 km，境內以崗地和川地為主，所占比例達68%，地勢南高北低，全縣平均海拔為528.5 m。該區屬于中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫3.9 ℃，年平均降水量681 mm，但降水量時空分布極其不均勻，主要集中在5—9月，約占全年總降水量的90%。賓縣土壤類型以黑土為主，也分布著暗棕壤、白漿土、草甸土等8類土壤。2020年，常住人口為57.63萬。賓縣是黑龍江省重要的商品糧生產基地，對保障黑龍江乃至國家糧食安全有重要作用，但縣域內以坡耕地為主，且長期旋耕起壟的耕作方式使得賓縣水土流失嚴重，土壤侵蝕的風險性大，已經影響到糧食生產以及生態環境，現已成為國家級重點水土流失治理區。

1.2 數據來源

本研究所使用的數據包括行政區劃圖、遙感影像數據、氣象數據、土壤屬性數據、數字高程模型(DEM)數據、土地利用數據和社會經濟數據等。其中，行政區劃圖來自全國地理信息資源目錄；遙感影像(2020年Landsat8 OLI)數據和ASTER GDEM原始高程數據均來自地理空間數據云網站(http：//www.gscloud.cn/search)，分辨率均為 30 m；降雨數據(2020年)源于國家氣象信息中心的中國地面氣候資料日值數據集(http：//data.cma.cn)，選擇了賓縣周圍分布均勻的28個氣象站點；土壤屬性數據(沙粒、粉粒、黏粒等)來源于國家青藏高原科學數據中心的基于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集(v1.1)；2020年土地利用數據，來自GLOBELAND30(http：//www.globallandcover.com)，并將耕地分為坡耕地與平耕地；社會經濟數據(2020年)來源于賓縣統計年鑒以及實地調研。

2 土壤侵蝕風險性變權物元模型建立

對研究區域的自然、經濟等狀況進行分析，確定評價指標；確定經典域、節域、待評物元；利用層次分析法確定常權，懲罰性變權函數修正權值，由常權和狀態變權歸一化的哈達瑪(Hadamard)積確定權重；計算各個評價指標的單因素隸屬度；經過模糊變換計算綜合隸屬度，并將其進行單值化，得到土壤侵蝕風險性評價的空間分布并分析。

2.1 確定評價指標體系

基于對土壤侵蝕風險性概念的理解，綜合考慮潛在侵蝕、現狀侵蝕和社會經濟背景以及數據的可獲得性，本研究選取的土壤侵蝕風險性評價指標包括降雨侵蝕力、坡度、土壤可蝕性、植被覆蓋度、土地利用、經濟開發強度。其中經濟開發強度在綜合考慮研究區現行經濟環境的基礎上，選取5個指標(人口密度、農用化肥施用量、工業企業數量、耕地面積占比、農業從業人口占比)先進行極差標準化，再相加得到各鄉鎮的綜合社會經濟開發強度。這些指標有些可通過遙感數據直接提取計算，有的從統計年鑒中獲取，最終都以柵格的形式展現，并將土壤侵蝕風險性分為5個等級，分別為微度侵蝕風險、輕度侵蝕風險、中度侵蝕風險、重度侵蝕風險、劇烈侵蝕風險。設需要評價的土壤侵蝕風險柵格有個，安全標準化評價指標有個，則待評價系統可用維物元=(，，)來表示：

(1)

式中：為待評的土壤侵蝕風險性柵格；為土壤侵蝕風險性評價的第個指標；為第個指標的量值。

2.2 確定經典域、節域，構建待評物元

可拓學研究事物發生的量變和質變及其關系，并能將兩者結合起來。以物元理論為基礎的物元分析方法能夠將可拓學的研究思維應用于其他學科，其能提供一種全新的研究視角研究物元變化，提供解決矛盾問題的方法并總結規律。物元分析將事物與特征之間的模糊關系轉換為一種數學關系(即關聯度函數)，關聯度函數能夠判斷事物是否屬于特征并細化之間的關系，在經典域與節域重合的情況下，可用隸屬度函數代替關聯度函數。構建土壤侵蝕風險性評價物元模型的步驟如下：

(1)經典域物元為

(2)

式中：表示經典域所描述事物的特征或等級，下標(=1，2，…，)表示類別數或分級數；表示的集合；表示影響該事件的因素，下標(=1，2，…，)表示影響因素的個數；表示第個影響因素相對于事件的取值范圍，=(，)，表示取值的下限，表示取值的上限。在土壤侵蝕風險性評價中，經典域可解釋為：是土壤侵蝕風險性劃分的(=1，2，…，)個等級；表示土壤侵蝕風險性的第(=1，2，…，)個評價指標；=(，)即第個評價指標對應第個風險性等級的取值范圍，實質就是土壤侵蝕風險性等級劃分的標準。

(2)節域物元為

(3)

式中：表示一個物元，是事物所有特征及其量值的全體；表示影響物元的第個影響因素；=(，)表示評價指標關于物元的量值取值范圍。在本研究中，物元表示土壤侵蝕風險性等級的全體，表示評價指標的值域，也就是土壤侵蝕風險性等級對應經典域的集合。

(3)待評物元為

(4)

在土壤侵蝕風險性評價中，待評物元()相當于等級待定的風險性，相當于的實際取值。

2.3 變權理論修正并確定權重

變權理論由汪培莊學者提出，后來學者們深入研究的涵蓋獎勵型狀態、懲罰型狀態、混合型狀態、折中型狀態變權的動態修正權重的方法，能夠克服以往評價權重因子間互相干擾，以“不變”應“萬變”的缺點，將因子本身引入評價中，使得綜合評價更加客觀、科學。本研究采用懲罰性狀態變權對權重進行修正，公式如下：

(5)

(6)

式中：變權向量()可由常權向量(層次分析法求取)和狀態變權向量()的歸一化的Hadamard 積求取。()本研究借鑒朱翊對太行山的土壤侵蝕風險性評價的相關變權函數，考慮對整個研究區進行權重修正，本研究將=max()，=min()，表示每個指標的變權值；=02，=04。

2.4 計算隸屬度

本研究選取的指標既有定性指標也有定量指標，對于定性指標(土地利用，=5)采用專家打分法直接確定對各個風險等級的隸屬度；對定量指標(降雨侵蝕力、坡度、土壤可蝕性、植被覆蓋、經濟開發強度，分別為1、2、3、4、6)采用降半梯型隸屬度函數。針對5個參評指標，當等級=1時，隸屬度函數為

(7)

當=2，3，4時，隸屬度函數為

(8)

當=5時，隸屬度函數為

(9)

坡度(=2)與土壤侵蝕的關系呈近似拋物線形，所以要對坡度的中度侵蝕(=3)和劇烈侵蝕(=5)進行修正，其余保持不變，最終當=3時坡度的隸屬度函數為

(10)

當=5時，坡度的隸屬度函數為

(11)

其中，為各個評價指標柵格圖層的值；是微度侵蝕量值上下限的中值；是輕度侵蝕量值上下限的中值；是中度風險侵蝕量值上下限的中值；是重度風險侵蝕量值上下限的中值；是劇烈風險侵蝕等級臨界值的中值。

2.5 確定評價等級

(12)

式中：表示模糊綜合評價結果；()表示各個參評因子柵格對于其風險等級的隸屬度；為指標權重。

為便于對研究區土壤侵蝕風險性進行空間分析，本研究利用公式(13)將評價結果轉化為單值。

(13)

式中：表示最后風險等級的得分；表示第個柵格，表示該柵格第個因素評價的風險等級得分；是模糊綜合評價隸屬度柵格；是土壤侵蝕風險性評價各等級所對應的分值，具體分值見表1；為待定系數，為了對較大作用的隸屬度進行控制，取=2。

3 結果與分析

3.1 各評價指標的風險空間分析

各評價指標的風險等級分級標準見表1，并按照20、40、60、80、100的分值賦予各風險等級，按照“2.1”節的操作可得各評價指標的土壤侵蝕風險等級，如圖2所示。

由表1和圖2可知，研究區降雨侵蝕力的節域為(4 373，4 716)，值域跨度較小，為343。降雨侵蝕力造成的土壤侵蝕風險等級的空間分布從西北到東南呈條帶狀分布，說明賓縣西北部具有更強的降雨強度和頻度，降雨侵蝕力的土壤侵蝕風險性等級以中度及以下風險等級為主，面積比例為68.83%。

表1 土壤侵蝕風險性評價指標分級標準

坡度的節域為(0，47)，可知，研究區的坡度較小，坡度造成的土壤侵蝕風險等級的空間分布是中部往北的土壤侵蝕風險等級為微度；南部及東南部土壤侵蝕風險等級為中度及以上，但面積占比僅為7.18%。結合降雨侵蝕力的空間分布可知，降雨侵蝕力較高的區域具有相對較低的地形侵蝕風險趨勢。

土壤可蝕性的節域為(0.030，0.055)，值域范圍跨度很小，僅為0.025，這是因為土壤可蝕性與土壤類型有關。黑土主要集中在研究區的中部以北，占的面積比例為65.00%，而土壤可蝕性造成的土壤侵蝕中度及以下風險性的面積占比為65.91%，基本與黑土的分布吻合；中度以上風險面積占比為34.09%，以黏土和白漿土為主。

植被覆蓋度的節域為(0，100)，可以看出植被覆蓋的土壤侵蝕風險分布與土壤可蝕性的空間分布相似，但風險等級卻相反，在中部往北方向以劇烈侵蝕風險為主，而在南部及東南部以微度、輕度侵蝕風險為主，這是因為在南部和東南部有大量的林地、草地，能夠固土存水，對土壤侵蝕有阻礙作用，而在中部往北區域以耕地、建設用地為主，不科學以及掠奪式的耕作方式使得黑土厚度變薄，抵抗侵蝕的能力減弱。

土地利用造成的土壤侵蝕風險等級分布與植被覆蓋大致相同，微度侵蝕風險面積占比為5.27%，主要是水域和濕地；輕度侵蝕風險面積占比為30.33%，主要為林地、草地；中度侵蝕風險面積占比為2.97%，主要是建設用地、交通用地及其他工礦用地；重度侵蝕風險面積占比為11.39%，主要為平旱地、緩坡旱地；劇烈侵蝕風險面積占比為50.04%，主要是坡耕地。

經濟開發強度表征一個地區的經濟發展水平，與土壤侵蝕的關系為負相關。研究區微度侵蝕風險鄉鎮是賓西鎮、三寶鄉；輕度侵蝕風險的有賓州鎮、平坊鎮、常安鎮、擺渡鎮；中度侵蝕風險的是鳥河鄉、新甸鎮、勝利鎮；重度侵蝕風險的是糖坊鎮、居仁鎮、民和鄉、賓安鎮；劇烈侵蝕風險的是永和鄉、寧遠鎮、經建鄉。

3.2 土壤侵蝕綜合風險空間分析

由公式(12)和公式(13)可得土壤侵蝕綜合風險性分值圖(圖3)，對土壤侵蝕風險等級進行統計，可得各風險性等級的面積及占比(表2)，疊加行政區統計后，可得各鄉鎮的土壤侵蝕風險性空間分布(圖4)并進行分區統計(表3)。

表2 土壤侵蝕風險性等級面積及占比

表3 各鄉鎮土壤侵蝕風險等級統計

從空間分布來看，賓縣微度侵蝕風險級別的面積為569.61 km，所占比例為14.82%，主要分布在松花江沿岸；輕度侵蝕風險的面積為934.03 km，所占比例為24.30%，多在南部、東部的林地區域；中度侵蝕風險的面積為1 220.81 km，所占比例為31.76%，在整個研究區都有分布；重度侵蝕風險的面積為691.84 km，所占比例為18.00%，主要分布在東北部低山丘陵區；劇烈侵蝕風險的面積有427.95 km，所占比例為11.13%，主要分布在南部的坡耕地和西北部山區，與2019年對賓縣的侵蝕溝解譯相比較，糖坊鎮、滿井鎮、永和鄉侵蝕溝的數量最多、分布最密集，本研究的土壤侵蝕風險性等級評價的空間分布與之相符合，說明侵蝕溝的存在一定程度上會加劇土壤侵蝕的風險。

將微度、輕度、中度、重度、劇烈侵蝕風險分別賦值為1、2、3、4、5。從各鄉鎮土壤侵蝕風險等級范圍來看，微度、輕度、中度、重度、劇烈侵蝕風險各個鄉鎮均有涉及；結合圖4和表3來看，賓縣土壤侵蝕風險性等級高值聚集在糖坊鎮、永和鄉、經建鄉、居仁鎮、鳥河鄉、寧遠鎮。與經濟開發強度圖對比發現，土壤侵蝕為微度風險的是賓西鎮和三寶鄉，該區域也是經濟開發強度較大的鄉鎮。劇烈風險區有糖坊鎮、永和鄉、經建鄉，其經濟開發強度較小。由此可見，土壤侵蝕綜合風險等級空間分布與經濟開發強度空間分布基本一致，但趨勢不同，說明人類活動不是導致這些鄉鎮綜合土壤侵蝕風險的主要因素。究其原因可能是其經濟發展的時候提供了較多的就業崗位，農民對耕地的依賴性減弱，耕地的利用強度降低能夠相對減緩土壤自然侵蝕的速率，并且賓西鎮、三寶鄉林地、草地覆蓋面積比糖坊鎮、永和鄉、經建鄉大，植被較密集，屬于植被覆蓋度高的地區。因此，針對糖坊鎮、永和鄉、經建鄉來說，應加強鄉鎮林、草種植面積，加大對侵蝕溝的治理，防止侵蝕溝加寬、加深；減少對耕地的依賴性，實施輪作、間作及其他保護性耕作措施并大力發展第二、第三產業。

其中，對于土壤侵蝕風險等級值綜合高的賓州鎮和勝利鎮來說，土壤侵蝕風險等級雖然不高，但土壤侵蝕風險面積大，應嚴格控制林地和草地的面積，加大生態林和經濟林建設，加大水土保持作用；減少利用坡耕地。

4 結論與討論

本研究基于變權理論和物元理論，建立黑土區賓縣的土壤侵蝕風險性評價的變權物元模型，分析賓縣黑土區土壤侵蝕風險空間分布并進行風險性評價，得出以下結論。

(1)賓縣土壤侵蝕綜合風險較高，其中微度、輕度、中度、重度、劇烈侵蝕風險所占比例分別為14.82%、24.30%、31.76%、18.00%、11.13%，可知賓縣土壤侵蝕綜合風險較大，水土防治刻不容緩。對于土壤侵蝕風險性高的鄉鎮主要受植被覆蓋、土地利用的影響，經濟開發強度在一定程度上能夠降低土壤侵蝕的風險。

(2)為降低研究區土壤侵蝕風險、減少水土流失、促進土地可持續利用，對于土壤侵蝕風險高的區域，要在控制林地、草地的面積基礎上，加大生態林、經濟林建設，增加植被覆蓋度；對于土壤侵蝕風險性等級為劇烈的區域，應該加大對侵蝕溝的治理，并發展第二、第三產業，減少對耕地的依賴。