土壤侵蝕時空動態分析
——以黑龍江省賓縣為例

張玉娟，王延亮，劉丹丹

(黑龍江工程學院測繪工程學院，黑龍江哈爾濱 150050)

土壤侵蝕時空動態分析
——以黑龍江省賓縣為例

張玉娟，王延亮，劉丹丹

(黑龍江工程學院測繪工程學院，黑龍江哈爾濱 150050)

利用1990年和2010年兩期Landsat TM數據，基于RS和GIS技術及通用土壤侵蝕方程(RUSLE)，完成黑龍江省賓縣兩個時期的土壤侵蝕動態變化分析，以期揭示該區域土壤侵蝕空間分布格局與時空動態演變規律。結果表明：兩個時期土壤侵蝕總體格局基本一致，都是以微度和輕度侵蝕為主，面積比例分別為80.68%和74.71%；微度和極強度侵蝕的變化率呈縮小趨勢，輕度、中度和重度侵蝕呈增加趨勢，土壤侵蝕有加劇的趨勢；輕度和強度侵蝕的主要流向為中度侵蝕，中度和極強度侵蝕的主要流向為強度侵蝕。

松花江流域；遙感；GIS；土壤侵蝕；空間分布格局

一、引 言

土壤侵蝕已成為全球范圍內主要的環境問題之一[1]，是生態環境進一步惡化和造成災害的重要原因，嚴重威脅著人類的生存與發展[2]。土壤侵蝕動態時空監測在國內外都是一項新的研究課題[3-5]，而中國已成為世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一。隨著空間信息技術的飛躍發展，遙感和GIS等技術手段不僅為土壤侵蝕動態監測提供了廣闊的空間與強大的數據支持，而且更能實時動態、準確客觀地反映土壤侵蝕時空動態[6]。基于此，本文結合RS和GIS，以1990年和2010年兩期Landsat TM影像為主要數據源，并結合DEM及其他相關數據，對黑龍江省賓縣的土壤侵蝕時空格局動態進行變化監測研究，揭示其時空分布規律、時空格局及特點，以期為該區域水土保持規劃、水土流失治理，以及東北黑土區農地水土流失的防治規劃提供技術支持和理論依據[7]。

二、研究區域概況

賓縣位于黑龍江省中部，具體地理坐標為：126°55′41″E—128°19′17″E，45°30′37″N—46°01′20″N，全縣行政區轄17個鄉鎮，年平均氣溫2.5～4.0℃，年平均無霜期為110～150 d，年降水量為400～600 mm。自然概貌為“五山半水四分半田”，張廣才嶺支麓余脈延伸全縣，地勢為南高北低，南部山地呈條狀沿東南縣境延伸，中部為丘陵地帶，北部沿江為河谷平原區；土壤為山地棕壤土，多為黑土，部分區域屬農業生產區，河谷兩岸為草甸土和潛育草甸土。該縣土地肥沃、地域遼闊、人口相對較少，適宜發展農業生產，是重要的糧食生產基地，且農副產品資源豐富。

三、數據處理與研究方法

1.數據準備及處理

數據資料主要有研究區域1990年和2010年Landsat TM兩期遙感影像、氣象數據、1∶5萬地形圖、土壤類型分布圖，以及部分野外調查數據和部分土地利用數據等，同時收集了研究區黑土區地質災害圖和植被類型分布圖等自然地理資料，以及人口數量和經濟狀況等社會數據。

在ERDAS IMA GE 9.2的支持下，完成對遙感影像4、5、3(R、G、B)的假彩色合成；參照1∶5萬地形圖完成影像的幾何校正；在保證精度的前提下，參照部分外業調查數據，并結合研究區域土地利用現狀，借助于監督分類和人機交互的方法，完成研究區域的土地利用解譯。此外，完成黑土區地質災害圖和土壤類型分布圖的掃描、幾何校正、數字化處理和矢量數據的柵格轉換等相關處理，存儲為GRID格式；根據收集到的氣象數據，在ArcGIS的支持下，完成氣象數據的插值運算。

2.土壤侵蝕定量研究

由于賓縣的土壤侵蝕類型主要為水蝕，本文采用目前應用最為廣泛的改進的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，RUSLE)來完成研究區域土壤侵蝕量的計算，進而獲得研究區域的平均土壤侵蝕量強度圖。

式中，A為土壤侵蝕量(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·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；LS為坡長坡度因子；C為地表植被覆蓋因子；P為土壤保持措施因子。

R因子：根據研究區域的月降水和年降水資料來修訂Fournier指數，通過一個普遍適用的R因子方程來計算R值；C因子：在參考黑龍江水土保持研究所提供的數據的基礎上，利用蔡崇法的植被覆蓋度(fg)與C因子之間的關系確定[8]；LS因子：在ArcGIS9.2的支持下，基于DEM派生出坡度和坡向等地形數據，參照張憲魁公式計算得到[9]；K因子：依據研究區域的土壤類型分布圖，利用經驗方法，通過設定參數在諾莫圖上求得；P因子：根據土地利用現狀，參考相關文獻獲取[8，10]。以水利部第三次全國土壤侵蝕遙感調查和黑龍江省水土保持研究所提供的水力侵蝕強度分級標準為依據，將土壤侵蝕結果劃分為5級：微度侵蝕、輕度、中度侵、強度和極強度侵蝕。

四、結果分析

1.土壤侵蝕面積變化

由圖1和表1的統計可見，研究區域兩個時期的土壤侵蝕總體格局基本一致，都是以微度和輕度侵蝕為主，分別占各個年份土壤侵蝕總面積的80.68%和74.71%。其中微度侵蝕主要集中分布于賓縣北部沿江河谷平原區和南部的山區；而輕度侵蝕主要集中分布于賓縣西部的開發區和部分耕地。強度和極強度侵蝕主要分布于由耕地向山區過渡的淺山和低山丘陵區，主要與該研究區域的地形地貌特征有關。1990—2010年期間，微度和極強度土壤侵蝕的面積分別減少了339.85 km2和37.41 km2，其中極強度面積的減少主要歸因于1998年實施的“退耕還林”和“退耕還草”等生態工程，部分丘陵區和淺山區植被覆蓋率的增加減輕了該區域的水土流失情況；但是輕度、中度和強度侵蝕的面積分別增加了110.88 km2、210.97 km2和55.41 km2，中度侵蝕面積增加明顯，說明水土流失情況加重。隨著城市規模的不斷擴大和人口數量的增加，在經濟利益的驅使下，人們加大了對土地的開墾，致使地表植被被破壞，生態環境惡化，水土流失嚴重。雖然局部區域的水土流失形勢得到了一定的遏制，但大部分的水土流失情形依然不容樂觀；從另一方面也表明了近20年對土壤侵蝕的治理主要集中在土壤侵蝕強度大的地類上，而忽視了其他治理難度較小的地類。

表1 研究區域不同強度土壤侵蝕面積

圖1 研究區域土壤侵蝕類型分布圖(1990年和2010年)

2.土壤侵蝕速度變化

單一土地利用動態度是指某一區域一定時間內某一土地利用的數量的速度變化[11]，可以很好地度量土地利用的凈變化速度。對于土壤侵蝕速度而言，也可以借助該模型來進行量化計算，其表達式為

式中，Ua、Ub分別為研究初期和末期某一侵蝕類型的面積；T為研究時段。當T設定為年時，Rs為研究時段內某一侵蝕類型年變化率。

由表2的統計可知，微度和極強度侵蝕的變化率呈縮小趨勢，這兩種土壤侵蝕面積呈現減少的趨勢，極強度侵蝕縮小的程度最大；輕度、中度和重度侵蝕呈增加的趨勢，中度侵蝕增加的程度最大，向規模增大的趨勢發展，輕度侵蝕的增長程度最小。

表2 研究區域1990—2010年土壤侵蝕變化率 (%)

3.土壤侵蝕變化分析

基于ArcGIS 10空間分析，完成兩個時期土壤侵蝕數據的空間疊加運算，完成土壤侵蝕轉移矩陣的計算，并在此基礎上建立土壤侵蝕的轉移概率模型[12]，以期定量分析不同土壤侵蝕類型之間的轉化狀況。

式中，Dij表示土壤侵蝕由i類型轉化為j類型的轉移概率；Sij表示土壤侵蝕由i類型轉化為j類型的面積；n表示土壤侵蝕類型的數量。

由表3可知，在整個研究時期內，它們之間發生了一定的相互轉換。其中微度侵蝕保留率最大，為83.21%，中度侵蝕次之，而極強度侵蝕最小，僅為27.95%。對微度侵蝕而言，其主要流向為輕度侵蝕，轉入的主要是中度侵蝕，且級別變化跨度相對較大，表明該區域的生態環境呈現一定的好轉。輕度和強度侵蝕的主要流向為中度侵蝕，中度和極強度侵蝕的主要流向為強度侵蝕。對于輕度和中度侵蝕的轉換而言，向著加劇土壤侵蝕速度和侵蝕強度的方向發展，主要發生于地貌特征為崗谷相間的地帶[13]，該區域地形起伏相對較小且土層深度較厚，容易受到人為干擾活動的影響，從而造成該區域水土流失程度增加，今后要繼續實施積極的農業調整政策，通過生物、耕作和田間工程措施培肥和提高地力[13]，形成相對穩定的黑土區農田生態系統和生態功能。對于強度和極強度土壤侵蝕而言，向著減緩土壤侵蝕速度和侵蝕強度的方向發展，大多數發生于坡度＞25°的山地區域，主要由于該地段推行了“退耕還林、還草”等生態保護工程，加之受地形等自然條件限制，人類的干擾活動相對較少，土地利用趨向一定的合理化，區域生態環境呈現一定的好轉，但是發生的面積相對較小，今后要繼續加大荒山造林和退耕還林力度，恢復與保護原生植被[14]。

五、結論與討論

兩個時期土壤侵蝕總體格局基本一致，都是以微度和輕度侵蝕為主，面積比例分別為80.68%和74.71%；從侵蝕動態的總體來看，微度和極強度侵蝕的變化率呈縮小趨勢，面積分別減少了339.85 km2和37.41 km2，輕度、中度和重度侵蝕呈增加的趨勢，面積分別增加了110.88 km2、210.97 km2和55.41 km2，土壤侵蝕有加劇的趨勢；輕度和強度侵蝕的主要流向為中度侵蝕，中度和極強度侵蝕的主要流向為強度侵蝕。研究該區域的區域土壤侵蝕動態與空間格局，可為該區域水土保持規劃、水土流失治理，以及東北黑土區農地水土流失的防治規劃和區域可持續發展決策提供重要依據，并對今后研究區域的土壤侵蝕的預測預報和防治有重要意義。

表3 1990—2010年研究區域土壤侵蝕轉移矩陣

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Soil Erosion Sensitivity Time and Space Dynamic Analysis——Taking Bin County Heilongjiang Province as an Example

ZHANG Yujuan，WANG Yanliang，LIU Dandan

P208

B

0494-0911(2014)07-0102-03

2013-05-02

黑龍江省自然科學基金(E201203)

張玉娟(1979—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，講師，研究方向為地理信息系統。

張玉娟，王延亮，劉丹丹.土壤侵蝕時空動態分析——以黑龍江省賓縣為例[J].測繪通報，2014(7)：102-104.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0237