2015—2017年吉林省榆樹市水土流失動態(tài)變化分析

王 博

（吉林建筑科技學(xué)院，長春 130114）

榆樹市地處吉林省中北部，位于世界黃金玉米帶，因處于松嫩平原腹地，土壤是特殊的黑鈣土，所以是吉林省著名的產(chǎn)糧大縣。據(jù)統(tǒng)計(jì)榆樹市在2004年的糧食產(chǎn)量為46億斤，2005年的糧食產(chǎn)量為46.5億斤，2006年糧食產(chǎn)量是47.5億斤，在2021年1月7日榆樹市第十八屆人民代表大會第六次會議報(bào)告中指出2020年榆樹市的糧食產(chǎn)量達(dá)到59.31億斤，保持全國縣（市）第一位。

2015年與2017年榆樹市作為松遼流域國家級重點(diǎn)治理區(qū)研究項(xiàng)目縣域之一進(jìn)行動態(tài)水土流失監(jiān)測，獲取該區(qū)域水力侵蝕強(qiáng)度分級面積統(tǒng)計(jì)、植被蓋度分級面積統(tǒng)計(jì)、土地利用類型分類面積統(tǒng)計(jì)以及在進(jìn)行治理水土流失時(shí)所采取的水土保持治理措施。

本文在計(jì)算水力侵蝕強(qiáng)度分級面積時(shí)所采用的模型是由學(xué)者Wischmeier和Smith提出的通用水土流失方程USLE模型，該模型在公式上十分簡單，公式的構(gòu)成主要是通過影響水土流失發(fā)生的幾個(gè)重要影響因素相互疊加來最終求得年均土壤侵蝕量，所以已經(jīng)在研究土壤侵蝕的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。影響水土流失發(fā)生的因素主要包括降雨因素、土壤被侵蝕的能力因素、地形因素、不同的土地利用狀況土壤侵蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)大小因素及水土保持措施對土壤侵蝕的影響因素這5方面。

土壤侵蝕的發(fā)生已經(jīng)嚴(yán)重危害到人類自身的生存發(fā)展，是全球需要共同面對共同解決的環(huán)境問題，嚴(yán)重的土壤侵蝕會造成土壤急劇退化，厚厚的黑土層在一定的時(shí)間內(nèi)迅速變薄，有機(jī)質(zhì)的含量變低，耕地面積大幅度減少，從而造成糧食產(chǎn)量的降低；另外土壤退化表現(xiàn)方式之一就是土壤的鹽堿化，鹽堿化程度高的土壤會發(fā)生板結(jié)，植物生產(chǎn)在吸收礦物元素時(shí)會受到抑制和影響[1]，也會加重土地干旱情況的發(fā)生；土壤侵蝕不斷的加重同時(shí)會造成河道內(nèi)含沙量的不斷淤積，以及下游河床的升高，水位升高的同時(shí)加劇了洪澇災(zāi)害的發(fā)生，生態(tài)環(huán)境加速惡劣[2]；土壤侵蝕也會造成湖泊庫塘內(nèi)泥沙的淤積，水庫容水量變小，當(dāng)發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，儲洪能力就會大為減弱，從而影響湖泊的開發(fā)和利用[3]；土壤侵蝕的發(fā)生會攜帶土壤中大量的重金屬、化肥等物質(zhì)流進(jìn)江河湖泊，本是給予植物養(yǎng)分的肥料會使得水體富營養(yǎng)化，造成水體污染[3]；土壤侵蝕同樣危害到城市的發(fā)展和人民的財(cái)產(chǎn)安全，由于人類不加節(jié)制地亂砍濫伐，破壞地表植被，造成土地裸露，會加劇城市內(nèi)風(fēng)沙的天氣，加劇臺風(fēng)暴雨山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[3]。

本文利用USLE模型分別對榆樹市2015年和2017年土壤侵蝕做定量分析，計(jì)算出不同侵蝕類型面積及比例并進(jìn)行對比分析，再利用GIS的空間分析功能通過轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行可視化說明，摸索榆樹市土壤侵蝕類型分布的規(guī)律，掌握榆樹市土壤侵蝕發(fā)生的特征、水土流失現(xiàn)狀，為日后的環(huán)境保護(hù)、水保等工作提供可借鑒的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省榆樹市位于東經(jīng)126°01′44″～127°05′09″，北緯44°30′57″～45°15′02″，居于黑龍江省哈爾濱市、吉林省長春市和吉林省吉林市中間位置，也是三市圍成的經(jīng)濟(jì)區(qū)域中心。北部與黑龍江省五常市、雙城市毗鄰；東南方向與吉林省舒蘭市相鄰；南部和西南方向與吉林省長春市九臺區(qū)和長春市德惠市毗鄰；西部方向緊鄰吉林省扶余市。榆樹市邊界周長為345 km，整個(gè)土地面積為4 722 km2。

榆樹市的氣候特征屬于東北地區(qū)季風(fēng)性中溫帶半濕潤氣候，氣溫受到季風(fēng)的影響，冬季與夏季風(fēng)向更替顯著，四季分明，春季干燥多風(fēng)，夏季濕潤多雨，秋季溫涼怡人，冬季受冬季風(fēng)的影響，風(fēng)大干燥寒冷夜長。年均降水量為536.4 mm。年均日照時(shí)長為2 674.5 h，日照率為60%。年平均氣溫為4℃，高熱溫度出現(xiàn)在夏季的7月份，夏季7月的平均氣溫為22.64℃，低寒溫度出現(xiàn)在冬季的1月份，冬季的1月份平均氣溫約為-18℃。農(nóng)作物的生長周期與霜期的長短有著密切的聯(lián)系，無霜期即沒有霜時(shí)間越長，農(nóng)作物的生長周期也就越長，榆樹市的無霜期大約143 d左右，平均初霜日在9月的中下旬出現(xiàn)，平均終霜日在5月初左右。

榆樹市的土壤主要包括黑土、黑鈣土等多種類型。森林資源、野生藥材和水面養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)均比較豐富且發(fā)展前景可觀。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感影像以高分辨衛(wèi)星為數(shù)據(jù)源，包括ZY-3衛(wèi)星和GF-1衛(wèi)星，ZY-3衛(wèi)星影像、GF-1衛(wèi)星影像的空間分辨率分別為2 m和8 m。影像的投影系統(tǒng)根據(jù)2012年中華人民共和國水利部公布的關(guān)于批準(zhǔn)SL 592—2012《水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)為水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來確定相應(yīng)的參數(shù)；大地坐標(biāo)系統(tǒng)采用屬于地心坐標(biāo)系統(tǒng)的2000國家大地坐標(biāo)系；高程基準(zhǔn)采用的是以青島驗(yàn)潮站在1952—1979年間的潮汐觀測資料為依據(jù)的計(jì)算結(jié)果，即1985國家高程基準(zhǔn)；對榆樹市地形數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查、運(yùn)用Arcgis軟件對柵格圖幅數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪從而構(gòu)建出1∶5萬的數(shù)字高程模型即DEM數(shù)據(jù)；搜集榆樹監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有關(guān)的水保措施初設(shè)圖、植被圖等專業(yè)性圖件資料；榆樹市內(nèi)氣象站點(diǎn)從1980—2009年間30年的降水?dāng)?shù)據(jù)；以及進(jìn)行過的即將進(jìn)行的水土保持治理等項(xiàng)目的成果資料。

1.3 研究方法

本文采用通用水土流失方程USLE模型進(jìn)行土壤侵蝕的定量分析。該方程的表達(dá)式為

式中：A為預(yù)測土壤侵蝕量；R為為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長與坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水保措施因子。各因子求得的模型和解算方法具體詳見參考文獻(xiàn)[4-8]。

根據(jù)降雨侵蝕力模型，得到榆樹市在1980年至2009年間年均侵蝕性降雨量為352.1 mm，年均降雨侵蝕力為1 947.4 MJ.mm/（hm2.h）。

分別根據(jù)各因子的計(jì)算公式求得土壤可蝕性因子、坡度坡長因子、植被覆蓋與管理因子及水土保持措施因子的柵格數(shù)據(jù)，并在Arcgis軟件的支持下，通過USLE模型對六因子進(jìn)行疊加處理得到侵蝕模數(shù)，再依據(jù)土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分級處理，最終得到不同侵蝕強(qiáng)度下各自的面積。本文對榆樹市坡度分級采取了2種方式，一種是國家標(biāo)準(zhǔn)，另外一種是黑土區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

本文需要對2015年和2017年榆樹市的遙感影像在Arcgis軟件的支持下通過目視解譯的方式解譯出2年的土地利用，并需要通過野外實(shí)地調(diào)查來修正解譯的土地利用，使其符合率達(dá)到95%，并建立土地利用解譯標(biāo)志。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀

本文將土地利用按照一級類進(jìn)行劃分，分為耕地、園地、林地、草地、居民點(diǎn)及工礦交通用地、水域及水利設(shè)施用地、未利用地和其他土地。按照二級類分別統(tǒng)計(jì)了榆樹市2017年與2015年各地類的面積及所占的比例。

2017年榆樹市土地利用中耕地所占面積最大，面積為3 897.8 km2，與2015年基本相同，其中水田面積為603.24 km2，旱地面積為3 294.56 km2，耕地占榆樹市總土地利用面積的82.54%；居于第二的地類為居民點(diǎn)及工礦交通用地，面積為392.78 km2，占8.32%；林地面積為302.03 km2，占6.40%，其中有林地面積為276.56 km2；水域及水利設(shè)施用地、草地和其他土地面積分別為82.59、27.66、7.54 km2，占比分別為1.75%、0.59%、0.40%。

2015年榆樹市土地利用中耕地所占的面積最大，面積為3 897.6 km2，其中水田面積為602.9 km2，旱地面積為3 294.7 km2，耕地占榆樹市總土地利用面積的82.54%；其次為居民點(diǎn)及工礦交通用地、林地，面積分別為392.7、302.1 km2，分別占榆樹市總土地利用的8.32%、6.4%；面積較小的為水域及水利設(shè)施用地、草地和其他土地利用，面積分別為82.6、27.2和7.6 km2，占比分別為1.75%、0.59%、0.41%。

榆樹市主要以旱地為主，林地主要分布于榆樹市東部，草地、居民點(diǎn)及工礦交通用地分布于榆樹市全境，區(qū)內(nèi)主要的大型河流較少。

2.2 植被蓋度現(xiàn)狀

2017年榆樹市林地和草地總面積為329.69 km2，占總土地面積的6.98%，其中低覆蓋為主要類型，面積為89.10 km2，占總林草面積的27.03%；中覆蓋面積為67.76 km2，占20.55%；中低覆蓋面積為64.20 km2，占比19.47%；中高覆蓋面積為54.97 km2，占比16.67%；高覆蓋面積為53.66 km2，占比16.28%。

2015年榆樹市林地和草地總面積為329.8 km2，占總土地面積6.98%，其中低覆蓋為主要類型，面積為85.4 km2，占總林草面積25.89%；中覆蓋面積為67.1 km2，占20.34%；中低覆蓋面積為66.40 km2，占比20.13%；中高覆蓋面積為57.6 km2，占比17.46%；高覆蓋面積為53.34 km2，占比16.17%。

2.3 土壤侵蝕現(xiàn)狀

2017年與2015年榆樹市總侵蝕面積相同均為2 142.40 km2，占榆樹市總土地面積的45.37%。榆樹市沒有發(fā)生侵蝕的面積為2 579.5 km2，占榆樹市總土地面積的54.63%。輕度侵蝕面積為1 046.10 km2，中度侵蝕面積為974.30 km2，強(qiáng)烈侵蝕面積為77.80 km2，極強(qiáng)烈侵蝕面積為20.10 km2，劇烈侵蝕面積為24.10 km2，分別占總侵蝕面積的百分比為48.83%、45.48%、3.63%、0.94%和1.12%。

2015年榆樹市年侵蝕總量為2 892 675.6 t，以輕度、中度侵蝕量為主，其中輕度侵蝕量為985 815.7 t，平均侵蝕模數(shù)942.4（t/km2.a），中度侵蝕量1 408 707 t，平均侵蝕模數(shù)為1 445.9（t/km2.a）；劇烈侵蝕量196 456.9 t，平均侵蝕模數(shù)為8 151.7（t/km2.a）；強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕量依次遞減，分別為219 638.7 t，平均侵蝕模數(shù)為2 823.1（t/km2.a）；極強(qiáng)烈侵蝕量為82 057.3 t，平均侵蝕模數(shù)為4 082.5（t/km2.a）。

3 2015—2017年動態(tài)變化對比分析

3.1 土地利用對比分析

榆樹市2017年與2015年土地利用類型及面積幾乎保持一致，地類之間只有微小的變化，水田的面積呈增大的趨勢，增加了0.34 km2，居民點(diǎn)及工礦交通用地呈增加的趨勢，增加了0.08 km2，旱地、有林地、疏林地、水域及水利設(shè)施用地呈減少的趨勢，分別減少了0.14、0.04、0.03和0.01 km2；高覆蓋草地增加了1.37 km2，中高覆蓋草地增加了1.64 km2。榆樹市2017年與2015年土地利用面積對比表見表1。

表1 榆樹市2017年與2015年土地利用面積對比表

3.2 植被蓋度對比分析

榆樹市2017年與2015年植被覆蓋面積相差不大，高覆蓋、中覆蓋和低覆蓋呈增加的趨勢。分別增加了0.32、0.66和3.70 km2；中高覆蓋與中低覆蓋呈減少的趨勢，分別減少了2.63、2.2 km2。榆樹市2017年與2015年植被覆蓋度分級統(tǒng)計(jì)表見表2。

表2 榆樹市2017年與2015年植被覆蓋度分級統(tǒng)計(jì)對比表

3.3 土壤侵蝕對比分析

榆樹市2017年與2015年土壤侵蝕幾乎持平，分析原因，2年的土地利用地類之間的面積只有微小的變化，植被覆蓋度之間也是變化無幾，并且本文在計(jì)算榆樹市2年降雨侵蝕力R因子時(shí)，用的都是1980—2009年間的降雨數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文在Arcgis軟件的支持下通過目視解譯的方法分別得到吉林省榆樹市2015年與2017年的土地利用，根據(jù)前人研究的各因子計(jì)算方法求得各個(gè)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，并通過疊加的方式求得不同土壤侵蝕類型面積及比例，最終得出兩年間土地利用和植被覆蓋度均相差無幾，榆樹市從2015年到2017年間土壤侵蝕幾乎持平，沒有發(fā)生明顯的變化。