基于GIS的榆林市土壤風蝕危險度評價

曹曉儀，董治寶，2，李 靜，方 蘭，李培雄

（1．陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安710062；2．中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 沙漠與沙漠化重點實驗室，甘肅 蘭州730000）

土壤風蝕（soil erosion by wind）指在風力作用下，松散的地表土壤顆粒發生位移，從而導致土壤圈破壞或損失的過程，包括土壤顆粒被風吹起，空間搬運和沉降堆積的過程以及地表物質受到躍移顆粒落地撞擊而破碎的磨蝕過程［1－2］。土壤風蝕對與人類生存息息相關的農業生態系統有深刻的影響，是全球性的環境問題［3］。土壤風蝕致使富含營養元素的細土壤顆粒和有機質流失，是土地沙漠化過程的重要組成部分和首要環節［4］，也為沙塵暴提供了物質來源［5］。土壤風蝕影響因子如植被覆蓋、土壤結構、氣溫、降水等具有時空變化特征，使土壤風蝕具有時空性，表現出地域差異［3］。近年來，隨著RS和GIS技術的發展，宏觀、高分辨率地揭示土壤風蝕空間格局特征成為可能。張國平等［1］利用RS和GIS方法對我國土壤風力侵蝕景觀進行了宏觀的調查，并就驅動力進行了分析；師華定等［6－7］通過神經網絡方法和FCM 模糊聚類方法對內蒙古高原土壤風蝕格局進行了評價，揭示出該區域風蝕危險度“西高東低，中間過渡”的特點；楊光華等［8］運用GIS技術和RBFN模型，評價了新疆地區87個市縣的土壤風蝕危險度，并揭示了新疆地區土壤風蝕空間格局。以上研究在分析土壤風蝕影響因子的基礎上評價了區域土壤風蝕危險度，對于指導區域經濟可持續發展、防沙治沙工程、生態環境保護意義重大。

榆 林 市 地 理 坐 標 為 36°37′—39°42′N 和106°11′—112°23′E，氣候屬干旱、半干旱濕潤氣候過渡區，冬春季節干冷多風，年降水量小于400mm，地貌屬于黃土高原與毛烏素沙地南緣、內蒙古高原過渡區。以長城為界，南部為黃土丘陵溝壑區，占總面積的58%，北部為風沙草灘區，占總面積的42%。榆林市的環境組合特征決定了該區域極易發生土壤風蝕，然而針對該區域土壤風蝕及其危險度評價的研究甚少，本文運用GIS技術建立區域土壤風蝕環境因子數據庫，采用層次分析法（AHP）構建土壤風蝕危險度評價模型，對榆林市土壤風蝕危險度進行評價，并揭示其空間格局特征，為制定區域土壤風蝕防治對策、防沙治沙工程設計和工程實施提供支持。

1 資料與方法

1．1 土壤風蝕環境因子數據庫構建

土壤風蝕過程具有復雜性，影響土壤風蝕過程的主要因子對于風蝕危險性評價、全面認識風蝕形成機制起著至關重要的作用。景觀尺度下的土壤風蝕空間格局的主要自然環境因子包括風力、植被、氣溫、降水、土壤性質、地形等［9］。本研究以綜合性、主導型、實用性、地帶性、層次性為原則，對環境因子進行篩選、歸并，選取下述指標進行土壤風蝕危險度評價。

1．1．1 侵蝕性風能 風通過氣流或氣固兩相流的形式將能量傳輸給地表，進而與地表表層土壤發生作用，產生吹蝕和磨蝕，是土壤風蝕的最根本動力。作用于土壤表面的風能可分為非侵蝕性風能和侵蝕性風能，前者消耗于土壤顆粒之間，后者使土壤顆粒發生運動，兩者之間的界限是起動風速。本研究也是基于此出發，采用Fryberger提出的侵蝕性風能公式研究風對土壤風蝕的影響，其計算公式為：

式中：E——侵蝕性風能（m3／s3）；V——大于起動風速的風速（m／s）；Vt——起動風速（m／s），設置為5m／s；t——V作用的時間，一般用頻率表示。風速數據采用榆林市定邊、府谷、橫山、靖邊、佳縣、米脂、清澗、綏德、神木、吳堡、子洲、榆陽12個站點2005—2010年各氣象站觀測的風力數據，采用反距離加權平均（IDW）方法插值獲取區域侵蝕性風能空間格局特征。榆林市侵蝕性風能在156～203m3／s3，其空間分異格局明顯，從西北向東南方向逐漸遞減，大致以長城和黃土丘陵溝壑地帶為界。可將其分為3個地區：（1）長城沿線以北風沙草灘區，主要包括定邊縣大部，靖邊、橫山、榆陽、神木、府谷北部地區，該區侵蝕性風能在185～203m3／s3，是陜西省風力最強區域，春季最大風速可達25～30m／s。（2）長城沿線以南區域，包括定邊縣南部、靖邊、橫山、榆陽、神木、府谷南部和佳縣大部、吳旗縣北部，該區侵蝕性風能在165～185m3／s3，春季最大風速可達20m／s。（3）黃土丘陵區域，包括子洲、米脂、佳縣南部和綏德、吳旗、清澗縣，該區地處黃土丘陵溝壑區，侵蝕性風能較小，平均風速多在2m／s以下，侵蝕性風能在156～165m3／s3。

1．1．2 植被覆蓋 植被通過提高地表粗糙度和吸收風能從而降低風力剪切力對地表的侵蝕，可有效抑制土壤風蝕的發生與發展［10］；植物的殘余物、根系，土壤有機質含量對土壤可蝕性影響也很重要；植被可改善土壤水分狀況，促使土壤形成穩固性結構，進而增加土壤抗蝕性。遙感影像的NDVI指數可很好反映地表植被狀況，NDVI值越大，顯示植被生長越旺盛，覆蓋率越高。考慮到榆林土壤風蝕發生在冬春季節，本研究采用 MODIS的2005—2010年1—5月的250m分辨率NDVI產品平均值代表該區域冬春季節的植被狀況（圖1）。從圖1可知，冬春季節，榆林市植被覆蓋較差，植被零星分布于東南部黃土溝壑區域和河流區域，低植被覆蓋是導致榆林冬春季節土壤風濕和沙塵暴的重要因素。

圖1 榆林市歸一化植被指數（NDVI）分布

1．1．3 土壤干燥度 土壤水分使土壤顆粒間產生黏附力并通過毛管力增大土壤黏聚力，從而使土壤顆粒不易在風力作用下發生位移［11］。氣溫越高、降雨量越少，土壤越干燥，其抗風蝕性越差。干燥度是表征地表土壤干濕程度的重要指標，一般是以區域的水分收支和熱量平衡的比值來表示，其計算公式為：

式中：D——干燥度（干燥度實質為潛在增發量與降水量的比值）；P——年降水量（mm）；T＞10℃表示大于10℃的積溫。當D≥2．0屬干旱區，1．5＞D＜2．0屬半干旱地區。

張燕卿等［12］研究表明，黃河流域氣象要素回歸分析網格推算較為精確，因此本研究積溫數據和降水數據采用網格模型推算。以榆林市各氣象站2005—2010年平均降水量P和平均T＞10℃積溫作為因變量，以經度X1，緯度X2，海拔高度X3為自變量進行多元回歸分析，得到以下回歸方程。

式（3），（4）中，復相關系數R2分別為0．905和0．847，模型精度高，可用于網格推算。在 ArcGIS 9．3平臺下，以250m×250m大小網格為單位，從30m分辨率DEM數據中提取網格中心點經緯度和海拔高度，分別帶入式（2），（3）中，獲取榆林市的降水量和積溫分布狀況，進而利用式（2）計算土壤干燥度。榆林市處在內陸溫帶季風區邊緣地帶，距離海洋遠，受東南季風影響微弱，其干燥度從西北向東南由干旱區向半干旱區過渡，干旱區主要集中在毛烏素沙地和內蒙古高原，半干旱區主要集中在東南黃土丘陵溝壑地帶。

1．1．4 地形起伏度 地形主要通過地表粗糙度影響土壤抗風蝕性能。地形平坦區域，土壤風蝕較為強烈，且多呈片狀分布，而在崎嶇破碎區域，地表粗糙度大，進而增強土壤顆粒抗風蝕性，且垂直地帶性特征使高大且陡峭地區的風力侵蝕程度整體減弱［6］。地形的抗風蝕性可用單位面積內的高程差，即地形起伏度表征。在ArcGIS 9．3平臺下，以250m×250m柵格為單元，在30m精度的DEM中計算柵格內高差，獲取地形起伏度柵格數字矩陣（圖2）。榆林市地勢由西北向東南逐漸降低，北部風沙區海拔高度較高，地勢平坦，地形起狀度小，高差平均26m／km2，而東南部黃土丘陵溝壑區，海拔相對較低，地形起伏度較大，多在75m／km2，最大處為274m／km2，地形崎嶇破碎。冬春季節，在強烈的冬季西北風的驅動下，位于西北高地勢地區的毛烏素沙地極易向地勢較低的西南黃土溝壑地區輸送沙粒物質，致使沙漠化向東南擴展造成土地沙漠化。

圖2 榆林市地形起伏度分布

1．1．5 沙地面積比例 土地利用方式及其強度是影響土壤風蝕的重要因子，沙區地表裸露、質地松散、植被覆蓋差、進而影響區域土壤風蝕強度和范圍。沙地所占比例越大，土壤風蝕的危險性就越大。以250m×250m網格為單位，利用ArcGIS 9．3平臺統計功能提取沙地面積比例，其中沙漠分布數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心獲取的1∶10萬沙漠分布圖。榆林市沙漠類型分布主要為流動沙地、半流動沙地、半固定沙地，分布有明顯地帶性特征。流動沙地、半流動沙地、半固定沙地由榆林東南緣向東北部逐漸過渡。其中流動沙地分布最廣泛，面積為7 876．903km2，占榆林市總面積18．21%，集中在毛烏素沙地南緣地帶；半流動沙地面積為718．544km2，占總面積的1．65%，集中分布在榆陽區；半固定沙地面積為4 817．187km2，占總面積的11．05%，集中分布在榆陽區東北部和神木縣大部。

1．2 土壤風蝕危險度評價

1．2．1 數據標準化 各環境因子數據均轉換為柵格大小為250m×250m的GRID文件，采用Albers等積圓錐投影，中央經線為109°E，雙標準緯線為37°N和39°N。為消除各環境因子在量綱上的不統一和因子自身變異大小和數值大小的影響，故將轉換后的GRID數據進行極差標準化處理，使處理后的每個像元的值范圍在（0，1）之間，且沒有量綱差異，其計算公式為：

式中：Xi——每個像元標準化后的數值；xi——每個像元的實際值；xmin，xmax——像元的最小值與最大值。

1．2．2 確定權重 區域環境因子和生態背景共同控制著土壤風蝕，因此確定各因子對土壤風蝕貢獻在危險性評價過程中相當重要。層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種定性、定量的系統化、層次化的結合方法，在評價過程中，既集成了專家的知識經驗，又不缺乏數學基礎，可運用于土壤風蝕危險性評價，其權重確定過程如下：

（1）建立層次結構模型。在分析土壤風蝕影響因子的基礎上建立土壤風蝕層次結構模型，即目標層為土壤風蝕危險度，指標層為上述各環境因子。

（2）構造成對判斷矩陣。根據資料、專家意見和研究人員的經驗確定指標層各元素對目標層的重要性排序［4，10－11，13－15］，用成對比較法和1～9比較尺度構造成對判斷矩陣（表1）。

表1 土壤風蝕因子權重判斷矩陣

（3）計算權重向量及一致性檢驗。首先計算判斷矩陣特征向量W及最大特征根λmax，其中，特征向量W為權重值，然后利用一致性指標（IC）、隨機一致性指標（IR）和一致性比率（RC）做一致性檢驗。當RC＜0．1時，一般認為判斷矩陣具有滿意一致性，否則必須重新調整判斷矩陣，直到具有滿意一致性。本研究判斷矩陣RC＝0．006 6，小于0．1，說明選擇的權重合理，可用于土壤風蝕危險性評價。

1．2．3 評價模型 本研究采用加權求和的方法構建榆林市土壤風蝕危險度模型，其計算公式為：

式中：R——土壤風蝕危險度；wi——第i個環境因子的權重；ri——第i個環境因子的評價權重值。基于該模型，在ArcGIS 9．3支持下，采用柵格計算器將標準化后的侵蝕性風能、植被覆蓋度、土壤干燥度、地形起伏度、沙地面積比進行疊加分析，得到榆林市土壤風蝕危險度空間分異格局圖（圖3）。由于植被覆蓋度、地形起伏度與土壤風蝕成反比，為逆指標，在賦權重過程中用1與其作差后的新值用于土壤風蝕評價。

圖3 榆林市土壤風蝕危險度空間格局

2 結果與討論

榆林市位于內蒙古高原、黃土高原、毛烏素沙地過渡地帶，地處內陸，其氣溫、降水、風況與大陸性季風環流有密切聯系，因此土壤風蝕危險度格局表現為西北向東南逐漸降低，且呈帶狀分布。結合《土壤侵蝕分類分級標準》關于土壤風蝕的標準及已有的研究成果作為參照［1，16］，本研究將榆林市土壤風蝕危險度分為輕險型、危險型、強險型、極險型4種類型。

（1）輕險型。主要分布在榆林市東南部，包括清澗縣、綏德縣、吳堡縣、米脂縣大部、子洲縣大部、佳縣南部，其面積為4 873．659km2，占榆林總面積11．18%。該區域地貌上屬黃土丘陵溝壑區，地形起伏度大，植被覆蓋較高、沙地比例較低、風力作用小，土壤風蝕危險度較低。如清澗縣地貌上屬典型溝壑丘陵地帶，地表支離破碎，平均海拔高度在900m左右，高差600m余，地形起伏度較大，年均降水量約400mm，平均氣溫10℃左右。千溝萬壑的地形阻擋了氣流對地表的吹蝕，相對濕潤的氣候增加了地表土壤顆粒的起動風速，因此，區域風蝕危險性較小，屬輕險型。

（2）危險型。主要分布在佳縣東南部，子洲縣西北部，靖邊縣、橫山縣、榆陽區、神木縣、府谷縣東南部，位于輕險區的西北部，面積為21 903．874km2，占榆林市總面積50．26%，分布面積最為廣泛。該區域地處毛烏素沙地與黃土高原的交界地帶，地勢相對平坦，植被覆蓋差，易發生土壤風蝕，是土壤風蝕危險區域。如佳縣位于毛烏素沙漠南緣，面積2 144km2，氣候干燥，日照時間長，光熱資源豐富，降水量在380mm左右，土壤較為干燥。北部片沙區面積占全縣總面積的1／3左右，冬春季節，西北季風強盛，植被覆蓋差，易發生土壤風蝕，屬危險型區域。

（3）強險型。主要分布在定邊縣東南部、靖邊縣、橫山縣、榆陽區、神木縣、府谷縣東北部，呈帶狀分布，與危險型大致以長城為界，其面積為14 656．640km2，占榆林市總面積33．63%。該區域主體上為毛烏素沙地，位于長城沿線以北的風沙區，地勢平坦，植被覆蓋差，沙地分布廣泛，地表沉積物松散，地表粗糙度小，致使該區域在西北季風的控制下極易發生土壤風蝕。例如榆陽區境內以長城為界，沿北為風沙草灘區，約占總面積的65%，沙區植被覆蓋低下，地勢高且平坦，降水稀少，極易發生土壤風蝕。

（4）極險型。主要分布在定邊縣西北部、榆陽區、神木縣東北部零星分布。定邊縣位于黃土高原與內蒙古鄂爾多斯荒漠草原過渡地帶，地貌上北部為毛烏素沙漠南緣風沙灘區，占總面積的47．22%，地勢高，春多風，冬嚴寒，日照充足，年均氣溫7．9℃，年平均日照2 743．3h，年均降雨量316．9mm，植被退化嚴重，風力作用強盛，是榆林市風能資源最豐富地區之一，風沙活動頻繁，是西北季風主要通道之一，冬春季節極易發生土壤風蝕。

3 結 論

依據土壤風蝕理論和榆林市環境背景，建立起土壤風蝕環境因子數據庫，依據已有成果和專家經驗，建立層次分析模型，對榆林市土壤風蝕危險度進行評價。

（1）基于GIS技術和土壤風蝕理論構建風蝕環境因子數據庫，利用已有研究成果和專家知識經驗，運用層次分析法進行土壤風蝕危險度評價可宏觀地揭示榆林市土壤風蝕危險度空間格局分異特征。

（2）風力、植被、氣溫、降水、地形、土地類型是影響土壤風蝕空間格局的重要因素，控制著土壤風蝕空間分異格局。

（3）榆林市土壤風蝕危險度可分為輕險型、危險型、強險型、極險型，輕險區面積為4 873．659km2（11．18%），危險區面積21 903．874km2（50．26%），強險區面積2 143．827km2（4．91%），極險區面積14 656．640km2（33．63%）。

（4）受地形、土壤及氣候因素影響，榆林市土壤風蝕危險度空間分異格局表現為危險度從西北向東南逐漸降低，且呈帶狀分布。

（5）土壤風蝕危險度空間格局可反映風蝕的強度、驅動因子、發展方式，對于防沙治沙工程有直接指導作用。

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