大興安嶺地區土壤侵蝕空間分布特征研究

張詞博,盧文宇,吳夏萍, 李 巍*

(1.黑龍江科技大學礦業工程學院,黑龍江哈爾濱150022;2.衢州市測繪院,浙江衢州 324000)

大興安嶺地區是國家重點國有林區和天然林主要分布區之一,對東北、華北地區的生態充當著屏障作用。自林區開發建設以來,生態功能明顯弱化,根據第二次全國土壤侵蝕遙感普查數據統計,該林區水土流失面積為22 735 km2。土壤侵蝕則是造成區域內水土流失、旱澇頻發、濕地功能減弱、氣候變劣等各種環境和社會經濟問題的主要原因之一。因此,研究大興安嶺地區的土壤侵蝕對于保護區域生態環境具有重要意義。

常用的土壤侵蝕模型包括USLE、RUSLE等。經驗模型從侵蝕因子角度入手,在大量的觀測數據基礎上,通過觀測資料和統計技術,研究侵蝕量與降雨、植被、土壤、地形、水土保持措施等因子之間的關系式,沒有具體考慮土壤在外力作用下的侵蝕過程,從宏觀上反映了土壤侵蝕量。該研究采用黑龍江省水土保持科學研究所提出的《黑龍江省土壤流失方程》[1],根據黑龍江的實際情況對各因子的數值進行了全面修改,因此更適用于大興安嶺地區的土壤侵蝕研究。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況大興安嶺地處黑龍江省西北部與內蒙古自治區東北部,是我國最北部邊疆。大興安嶺地區系新華夏系第三隆起代北段之地質帶,全區最高海拔為1 528 m,山脈走向多呈北西向,山頂多呈渾圓狀。區域屬寒溫帶大陸季風性氣候,冬季漫長寒冷,夏季溫涼短暫,年降水量約450 mm。林區主要土壤類型為棕色針葉林土、暗棕壤、草甸土和沼澤土等,林區植被是我國唯一的寒溫帶明亮針葉林群落。

1.2 數據來源降雨數據來自中國氣象科學數據共享服務網。DEM數據來自地理空間數據云ASTER GDEM 30 m×30 m分辨率產品。土壤數據綜合參考的是楊曉輝等[2]提出的《大興安嶺東部林區水土保持功能初步評價》以及張科利等[3]提出的《中國土壤可蝕性值及其估算》中的研究成果。表征植被覆蓋情況NDVI數據參考的是蔡崇法等[4]、張憲奎等[1]以及張雪花等[5]的研究結果。

2 研究方法

2.1 土壤侵蝕模型選擇采用美國Wischmeier等1965年提出的通用土壤流失方程USLE。方程適用于坡耕地、林地、草地等穩定溝系的水力侵蝕。大興安嶺耕地多為坡耕地且植被覆蓋率高,林地資源豐富,符合模型的使用條件。

USLE模型的表達式見式(1)。

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中:A為單位面積多年平均土壤流失量[t/(hm2·a)];R為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)];K為土壤可蝕性因子[(t·h)/(MJ·mm)];L為坡長因子(m);s為坡度因子(%);C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。結合GIS,對數據進行處理及計算形成各因子圖,最后通過對各因子的疊加運算,獲取土壤侵蝕強度分級圖。

2.2 地形位與分布指數地形位指數是為了定量分析年均土壤侵蝕模數、空間格局與地形梯度的變化關系而引入的,該研究采用計算地形位指數來度量地形梯度[9],計算公式見式(2)。

(2)

為了便于說明土壤侵蝕在不同地形因子上出現的頻率,揭示其空間分布特征,引入分布指數,計算公式見式(3)。

P=(Sie/Si)/(Se/S)

(3)

式中:P為分布指數;Sie為e地形位特定等級(1～15級)下第i侵蝕等級(微度、輕度、中度侵蝕)土壤的面積,Si為研究區第i侵蝕等級土壤的總面積,Se為整個研究區內e級地形位的總面積,S為整個研究區域的面積。土壤侵蝕類型出現頻率隨P值變大而變高。

將地形位指數、高程、坡度和坡長在各自取值范圍內按等間斷分成15個等級,并用式(3)計算其分布指數,以便后續分析土壤侵蝕特征時使用。

2.3 USLE各因子的確定

2.3.1降雨侵蝕力因子R值。該研究收集了大興安嶺分布地氣象站點的相關數據,利用空間插值法獲得降雨量分布圖,考慮到大興安嶺降雪凍融帶來的侵蝕力Rs,魏氏提出侵蝕力Rs為地區12月—翌年3月降雨量的0.059 1倍,Rs=0.059 1P12-3。因此,該研究在利用Wischmeier提出的經驗公式的基礎上選取了適用于研究區的R值計算的修正公式,見式(4)。

(4)

式中:Pi為各月降水量;P為年降水量;P12-3為12月—翌年3月份降水量。

2.3.2土壤可侵蝕性因子K值。土壤可侵蝕性因子反應土壤可蝕性,表現為雨滴和地表水沖擊下土壤被剝離的難易程度[6]。結合大興安嶺地區土地利用類型及農事活動情況并參考楊曉輝等[2]以及張科利等[3]的研究成果綜合確定K值:暗棕壤、棕色針葉林土、暗色灰甸土、沼澤土分別為0.280 0、0.038 1、0.026 3、0.022 5 (t·h)/(MJ·mm)。

2.3.3坡度坡長因子LS值。在USLE模型中用坡度L與坡長S組成地形因子LS。各地區的坡度坡長對侵蝕的影響存在區域異質性,大興安嶺地區適合采用張先奎等[1]提出的LS計算公式,見式(5)。

LS=(λ/20)0.18×(α/8.75)1.3

(5)

式中:λ為坡長;α為坡度,取百分數值形式。

2.3.4植被覆蓋度因子C值。不同的植被類型對防止侵蝕的作用差別較大,大興安嶺地區主要由森林、灌叢、草地和農業植被構成。參考蔡崇法等[4]的觀測結果與得到的坡面產沙量與植被覆蓋度的數學關系,并結合張憲奎等[1]、張雪花等[5]的研究成果,利用土地類型面積權重計算每公里網格C值(表1)。

表1 大興安嶺地區C值Table 1 C-values in the Greater Khingan Mountains region

2.3.5水土保持因子P值。水土保持工程措施因子P是指采用專門措施后的土壤流失量與順坡耕作時的土壤流失量的比值。一般沒有進行水土保持措施的研究區P值為1,其他情況P值在0～1。參考美國農業部手冊703號和土地利用類型的相關研究成果得到P值:耕地、經濟林地、疏林地、草原草地、沼澤、裸地分別為0.35、0.10、0.20、0.20、0.10、0.50。將USLE方程所需的各因子轉換數據格式得到柵格圖(圖1)。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕空間分布將各因子通過ArcGIS環境下的柵格計算器得到土壤侵蝕量空間分布圖(圖2),并根據水利部發布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—1996)[8],按照研究區的土壤侵蝕量來進行分級(表2)。

表2 土壤侵蝕強度分級標準Table 2 Classification standards for soil erosion intensity 單位:t/(km2·a)

圖1 各因子分布Fig.1 Distribution of factors

利用掩膜提取耕地、林地、草地、沼澤、裸地等土地類型的土壤侵蝕情況(表3)。

表3 各土地類型土壤侵蝕情況Table 3 Soil erosion of different land types

該研究只針對發生土壤侵蝕的土地類型進行統計。對表中數據進行分析可知,研究區整體屬于微度侵蝕水平。土壤侵蝕類型主要是微度侵蝕和輕度侵蝕,侵蝕面積分別為58 971、1 141 km2,占侵蝕總面積的98.04%、1.90%。輕度侵蝕基本只有在耕地、草地、林地中發生,且只有2.259%的耕地屬于中度侵蝕,其余土地類型幾乎沒有發生中度侵蝕。

3.2 不同海拔高程土壤侵蝕特征分析根據研究區實際情況將高程分為[150.00,234.47)、[234.47,318.93)…[1 332.53,1 417.00)間隔為84.466 666 67的等間隔15級。不同海拔高程土壤侵蝕分布特征見圖3。

微度侵蝕在高程為1～5級上呈現增長趨勢,但由于分布指數過小,因此不是區間內主要侵蝕類型。在5～15級的高程,微度侵蝕總體呈現為分布指數大于1的遞增趨勢,因此微度侵蝕主要分布在5～15級的高程上。這是因為大興安嶺地區的5～15級高程上人類活動痕跡較少,林地資源密布,土壤侵蝕程度較低。

圖2 土壤侵蝕模數空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil erosion modulus

輕度侵蝕在高程為1～6級呈現遞減趨勢,在高程為6～11級基本沒有輕度侵蝕分布。高程1級的土壤輕度侵蝕分布指數最大,對應高程等級下沼澤、河流、人工林密布,有一定數量的耕地,但是林地覆蓋率并不高,因此水土流失會比較嚴重,土壤侵蝕程度增加。

中度侵蝕則只在高程為1～3級分布并呈現遞減趨勢。中度侵蝕在1級高程上大量分布,此高程等級由于地勢較低,人類活動最為活躍,耕地與水源密布。受人類影響,林地資源被開發嚴重,導致水土流失加劇,是研究區土壤侵蝕最嚴重的高程等級。

微度侵蝕在每個高程都有分布,但不是所有的土壤侵蝕強度在各級高程上都有分布。各高程等級上各土壤侵蝕強度分布頻率不同,因此研究區的土壤侵蝕強度與海拔無直接線性關系。

圖3 土壤侵蝕模數隨高程分布指數Fig.3 Distribution index of soil erosion modulus with elevation

3.3 不同坡度土壤侵蝕特征分析根據研究區實際情況將坡度分為[0°,0.8°),[0.8°,1.6°),…,[11.2°,12.0°)間隔為0.8°的等間隔15級。不同坡度土壤侵蝕分布特征見圖4。

微度侵蝕在1～2、5～15坡度等級上分布指數大于1且呈遞增趨勢,在坡度等級為11～15級時微度侵蝕分布指數達到最大值且相等,在坡度等級為3級時分布指數出現最低值。由此推斷,2級坡度微度侵蝕分布指數大于1,因此2級坡度有大量耕地覆蓋;3級坡度土地類型為河流階地;5～15級坡度主要是低山、丘陵與耕地等平地交界處,是人類活動開墾破壞土壤,獲得耕地的主要區域。

輕度侵蝕只在1～7級坡度上分布并呈現先減少后增加再遞減的趨勢,在坡度等級為3～5級時分布指數大于1。推斷分析得知坡度等級為3～5級時所對應的土地類型為陡坡旱地、撂荒地、荒山、次生林、水保林等。經過人類的砍伐與放牧活動,水土流失較為嚴重。

中度侵蝕只有在1～2級坡度上分布,該侵蝕類型面積小且分布較為分散,主要是人類毀林開荒導致植被覆蓋率降低加劇了水土流失。

可見該區域除了受到地形因素影響外,人類活動是造成土壤侵蝕的主要原因,因此在開發區域資源的同時也要做到對土地的合理利用。

圖4 土壤侵蝕模數隨坡度分布指數Fig.4 Distribution index of soil erosion modulus with slope

3.4 不同坡長土壤侵蝕特征分析微度侵蝕在所有坡長等級上都有分布,并在1～15級坡長上呈遞增趨勢,在1～3級坡長上隨著坡長的增加,分布指數急劇上升。觀察微度侵蝕坡長分布指數圖可見微度侵蝕隨波長變化是有規律的,微度侵蝕的出現頻率隨波長等級變大而變高,且侵蝕頻率增加的速率也與坡長等級范圍相關。不同坡長土壤侵蝕分布特征見圖5。

輕度侵蝕只在坡度等級為1～8級的坡長上分布,且在1～2級坡長上出現遞減趨勢,并在2～4級坡長上出現遞增趨勢。在1～2級的坡長上由于植被覆蓋度情況較好,因此雖然坡長等級變大但輕度侵蝕分布指數不升反降。在2～4級坡長則因為植被覆蓋情況不佳,侵蝕分布指數反而增加。

中度侵蝕只在坡長等級為1～3級分布,在坡長等級在2～3級分布指數反而降低,國外學者研究證實,隨著坡長等級的增加,徑流挾沙量增多,但當徑流的侵蝕強度達到峰值后其侵蝕能力會隨坡長等級的增加而減弱。

圖5 土壤侵蝕模數隨坡長分布指數Fig.5 Distribution index of soil erosion modulus with slope length

4 結語

利用GIS和RS技術,結合USLE方程作為評價模型,來估算大興安嶺地區的土壤侵蝕模數。通過空間疊加法實現了土壤侵蝕空間特征的定量化分析,并利用構建的分布指數探討了研究區土壤侵蝕在不同海拔、坡度、坡長縱向上的空間分布特征。從得到的土壤侵蝕模數分布圖(圖2)上也得知了土壤侵蝕強度的橫向空間分布:大興安嶺地區北部區域土壤幾乎只是微度侵蝕;西南部區域土壤以微度侵蝕為主,部分區域發生輕度侵蝕;東南部區域土壤已經出現較大比重的輕度、中度侵蝕。

針對大興安嶺地區出現的土壤侵蝕問題,各級部門可以采用遙感技術定期分析土壤侵蝕情況,并及時對惡化現象制定解決方案。雖然研究區整體的屬于微度侵蝕,但空間分布上,局部地區水土流失嚴重。在[150.00,318.93)高程帶中,出現土壤輕度侵蝕和中度侵蝕情況,各級部門應當做好防范工作,防止土壤侵蝕強度增大。在[0,1.6°)坡度,由于人類活動頻繁導致土壤侵蝕較為嚴重,各級部門應當重點對該坡度的水土保持工作進行監控,防止侵蝕面積的擴大。通過坡長等級為1～2出現的情況得知,良好的植被覆蓋情況可以有效解決坡長對土壤侵蝕的影響,因此在指定水土保持措施時,應當重視保護與增加植被覆蓋。