基于GIS的土壤侵蝕潛在危險性評價

王維芳，尹銘昕，李國春，董虹虹

(1.東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業監測規劃院，哈爾濱 150080)

近年來，隨著工業化程度和城市化水平的不斷提高，水土流失嚴重，土壤侵蝕情況加劇，造成了土地質量下降、土地荒漠化等一系列環境問題和糧食供給問題[1]。土壤侵蝕是一個復雜的過程，利用常規地面調查的方法，受人為因素的影響很大，費時費力，GIS技術的發展為土壤侵蝕定量分析提供了契機。國內外學者以土壤侵蝕強度和土壤侵蝕潛在危險指標為主要研究方向，采用侵蝕模數或者土壤流失量來研究土壤侵蝕強度的方法更多的是反映土壤侵蝕現狀，并不能對未來的趨勢做出更好的判斷。而土壤侵蝕潛在危險性的研究，可以反映土壤侵蝕后果的危險性，可以用來分析和評價水土流失程度及其變化趨勢。

1 研究區域概況

帽兒山位于黑龍江省尚志市的西部帽兒山鎮，地理坐標為東經127°30′～127°34′；北緯45°20′～45°25′。總面積26 507 hm2，南北長30 km，東西寬20 km。帽兒山林場平均海拔300 m，地勢由南向北漸高。一般坡度在10°～15°，個別地段達45°左右。氣候屬于中溫帶濕潤性季風氣候，四季差異較大，年平均氣溫為2～6℃，極端最低氣溫在零下23～34℃，最高氣溫34～38℃。年均降水400～650 mm，大部分降雨集中在每年6～8月份。帽兒山與長白山同屬一個長白興安褶皺帶，地貌屬于東部山地，以花崗巖為主的吉林低山與丘陵的一部分。在植被區劃上屬于溫帶針葉一闊葉混交林區，地帶性植被為紅松闊葉混交林。現存植被類型主要有落葉闊葉林(天然次生林)、灌叢、草甸、沼澤、水生與巖生植被等，目前紅松闊葉混交林已不復存在。

2 研究方法

參考《土壤侵蝕分類分級標準》對指標進行分析[2]，選取有代表性的易獲得的土壤侵蝕潛在危險指標因子，用加權分析方法來計算潛在危險性，見公式(1)。主要因子包括海拔、坡度、坡向、植被覆蓋度、土地利用類型、土壤類型。利用ArcGIS軟件獲取以上各因子柵格數據，在對各指標因子值進行處理后得到各指標因子得分數據，消除因量綱不同所造成的影響，利用層次分析法確定各影響因子的權重，最后通過加權分析的方法，得到潛在危險性綜合因子得分，進一步確定土壤侵蝕潛在危險指標，見表1。

(1)

式中：P為綜合得分；fi為第i個因子的得分；wi為第i個因子的權重值；i為因子。

表1 土壤侵蝕潛在危險性分級表

3 結果與分析

3.1 海拔與植被覆蓋度數據的處理

不同海拔處，人類活動的影響不同，一般情況下，海拔較高之處人為因素影響小于低海拔的地方，土壤侵蝕潛在危險性就越小，據此將海拔分為6個等級。植被覆蓋度不同，對土壤侵蝕的影響效果也不同。將海拔和植被覆蓋度代入公式(2)，得到二者的得分，見表2。海拔因子量化得分和植被蓋度因子量化得分如圖1和圖2所示。

。

(2)

式中：fi為因素得分；Xi為第i個柵格的因素屬性值；Xmax和Xmin為該柵格屬性值所在區間的最大屬性值和最小屬性值；b和a為區間內最大得分值和最小得分值。如在區間200～500 m上，Xmax=500，Xmin=200，b=80，a=65。

表2 海拔、植被覆蓋度分級與得分

圖1 高程因子量化得分圖

圖2 植被蓋度因子量化得分圖

3.2 坡度因子的提取與量化處理

一般研究認為坡度越大，侵蝕越強，特別是當坡度增加到15°以上時，侵蝕量急速增加，當坡度增加到某一值時，侵蝕量不再增加，結合原水利部1997年公布的土壤侵蝕潛在危險指標評級標準，坡度分級見表3，坡度因子利用公式(3)進行量化賦值。坡度量化得分如圖3所示。

(3)

式中：fi為因素得分；Xi第i個柵格的因素屬性值；Xmax和Xmin為該柵格的屬性值所在區間的最大屬性值和最小屬性值；b表示區間內最大得分值；a表示區間內最小得分值。如在區間3°～5°上，Xmax=5，Xmin=3，b=20，a=10。

表3 坡度分級與得分

圖3 坡度因子量化得分圖

圖4 坡向因子量化得分圖

3.3 坡向、土地利用類型和土壤類型因子的提取與量化處理

坡向不同引起坡面所獲得的平均天文輻射日總量不同，一般陽坡比陰坡所獲得的天文輻射日總量大，在北半球無論是南坡還是北坡，天文輻射強度由南或正北向以東或以西的坡面呈對稱遞減趨勢[3]。因此，本文將坡向分為5級，平地上的天文輻射強度介于陽坡與陰坡之間。坡面上天文輻射強度大，會使地表因水分蒸發而顯得更加干燥，土層較薄，在其它條件相同下增加土壤侵蝕潛在危險指標。發生在不同土地利用類型的土壤侵蝕潛在危險指標是不同的。本文參照張國清[4]等的研究結果對研究區的土地利用類型進行賦值。土壤類型不同，對抗土壤侵蝕的能力也不同。坡向、土地利用類型和土壤類型因素得分見表4，得分結果如圖4、圖5和圖6所示。

3.4 土壤侵蝕影響因子權重確定

不同因子對于土壤侵蝕的貢獻不同，因此需要分配不同的權重。本文在特爾斐(Delphi)基礎上，運用層次分析法，計算出各評價因子的權重值，坡度0.24°，植被覆蓋度0.21，土地利用類型0.19，土壤類型0.15，高程0.12，坡向0.09[5-6]。利用公式(1)，得到帽兒山地區土壤侵蝕潛在危險性分布圖，如圖7所示。

帽兒山地區各個柵格的土壤侵蝕潛在危險指標綜合得分值介于28.54～78.04。參照原水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標準，將帽兒山土壤侵蝕潛在危險性劃分為無險型、輕險型、危險型和強險型4個級別，見表5。可以看出，在帽兒山土壤侵蝕潛在危險性等級中，無險型、輕險型占據了帽兒山地區總面積的72.34％，危險型和強險型只占了27.66％。平均值為38，屬于輕險型的范疇。

表4 坡向、土地利用類型和土壤類型分級與得分

圖5 土地利用類型因子量化得分圖

圖6 土壤類型因子量化得分圖

圖7 帽兒山地區土壤侵蝕潛在危險性分布圖

表5土壤潛在危險性分級表

Tab.5 Soil potential risk classification

潛在危險性綜合得分值占總面積比例％無險型28.54～3034.28輕險型30～4038.06危險型40～5016.08強險型50～78.0411.58

4 結 論

由于帽兒山地區的坡度較緩、森林覆蓋度較高、土壤類型多為暗棕壤、灰色森林土，這樣的條件有利于水土保持，加上人為破壞較少，林場有效的保護和管理等，該地區的土壤侵蝕潛在危險指標等級較低，屬于輕險型；危險型區域比較集中地分布在人為活動頻繁的地帶，如帽兒山周圍和村莊附近，該區域墾殖面積大，植被蓋度低，人的行為活動頻繁，破壞嚴重，當降雨超過一定的強度，就會有大量泥沙泄入山下的阿什河，抬高河床，加劇側蝕。同時應意識到的是，帽兒山地區的海拔較低，還有人工林、苗圃、農田和城鎮居民用地的面積呈逐年上升趨勢，導致土壤侵蝕的潛在危險性增加。

提高植被覆蓋度，治理村莊周圍區域是重點工作。

【參 考 文 獻】

[1]林升鈺，査 軒.基于GIS的安溪縣土壤侵蝕潛在危險指標[J].水土保持研究，2010，17(6)：62-63.

[2]中華人民共和國水利部標準.土壤侵蝕分類分級(SL 190-96)[S].北京：水利電力出版社，1997.

[3]孫漢群.坡面日照和天文輻射研究[M].南京：河海大學出版社，2005.

[4]張國清，丁桑嵐，陳青玉.眉山市不同土地利用類型土壤侵蝕分析[J].中國水土保持，2008，(10)：41-43.

[5]張 勇，衛正新，李有華，等.右玉縣土壤侵蝕潛在危險指標研究[J].人民長江，2008，39(24)：93-94.

[6]陸 昕，孫 龍，胡海清.森林土壤活性有機碳影響因素[J].森林工程，2013，29(1)：8-10.