土壤侵蝕預警和決策支持系統的設計與應用

杜書立， 付 微， 趙 軍， 張興義

(中國科學院 東北地理與農業生態研究所院 黑土重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150081)

東北黑土區是世界上4大片黑土區之一，是中國最主要的糧食生產基地之一。東北黑土區開發雖只有百余年[1]，但由于受到降雨、徑流、地形、地表植被、人類活動、土地利用類型以及耕作管理等眾多因素的影響，土壤侵蝕嚴重，主要表現在坡耕地黑土層被剝蝕而變薄，侵蝕溝縱橫造成土地支離破碎[2-5]。據調查統計，黑土區每年流失掉的黑土總量達1×108～2×108m3，其中流失的氮磷鉀養分就相當于數百萬噸化肥，土壤中有機質含量比開墾前下降了近1/2[6-7]。黑土區侵蝕溝已經達到2.5×105條余，侵蝕耕地5.9×105hm2以上[1]。東北黑土區的土壤侵蝕問題已引起了廣泛的關注，近年來，國家和地方逐步加大防治力度[8-10]。GIS與RS已成為當前國家和區域水土流失普查的主要手段，剛完成的“第一次全國水利普查”中的全國水土保持普查就是主要借助GIS與RS技術[11-12]。利用空間數據，對侵蝕區進行整體水土保持規劃、水土流失治理和效益評價，為直觀認識水土流失危害和科學防治提供了重要手段。GIS具有強大的設計、規劃和管理決策功能，通過預測水土流失，宏觀范圍上直觀地體現出侵蝕現狀，并且可以分析不同類型的數據，連接不同的模型形式，從而建立合理的GIS評價模型[13]。同時GIS具有非常人性化的可視界面，非常有利于相關人員進行深入分析以及正確決策。

選取東北黑土區松嫩平原中心地帶海倫市光榮村作為研究區，光榮村土壤侵蝕區域多分布在耕地區域，在東北黑土區土壤侵蝕和水土流失表現上具有代表性。結合ArcGIS，SuperMap和SuperObject等軟件，建立土壤侵蝕預警和決策支持系統，旨在為黑土區水土流失綜合治理提供數字化平臺。

1 研究區概況

松嫩平原黑土區光榮村位于黑龍江省海倫市，地理坐標為47°20′N，127°48′E。耕地面積450 hm2，占總土地面積的85.1%，農田地塊723塊，面積0.3～7 hm2不等，主要種植作物為大豆和玉米[14]。光榮村示范區地貌類型為平川漫崗地，土壤類型為黑土，土層較厚，平均厚度46.6 cm左右；土壤有機質含量平均約為48.4 g/kg；當前土壤肥力總體比較肥沃，但侵蝕強度大，面蝕和溝蝕均嚴重，且仍處于發展趨勢。

2 土壤侵蝕方程及其各參數的計算

2.1 土壤侵蝕方程

土壤侵蝕方程是本系統的核心部分，根據前人的研究以及參考眾多參考文獻，選擇張憲奎等[15-18]在RUSLE模型基礎上建立的黑龍江省土壤流失方程作為土壤侵蝕方程，具體形式如下：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：A——單位面積多年平均土壤流失量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子(J/m2)；K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡長(m)；S——坡度(%)；C——植被與經營管理因子；P——水土保持措施因子。

2.2 參數計算

根據張憲奎等[18]的研究，降雨侵蝕力因子R為：

R=EI

(2)

式中：E——一次降雨中某時段降雨量產生的動能(J/m2)；I——某時段降雨強度(cm/h)。利用1980年以來海倫地區的降水數據，運用張憲奎等的方法，計算得出R=1 225.5(J/m2)。

試驗區光榮村地處黑土帶的中心區域，根據張憲奎等[18]的計算，黑土區土壤可蝕性因子為K=0.26 〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕。

對于地形因子LS，國內外學者提出了很多種不同的計算方法[19-23]。本文使用ArcGIS軟件，根據光榮實驗區的DEM數據計算坡長因子L和坡度因子S。

植被與經營管理因子C是RUSLE中最重要的因子，RUSLE用次因子法計算各種土地利用方式的特定C值是建立在植物冠層、雨滴降落高度、地表覆蓋度和糙度、根量及前茬土地利用方式、土壤前期含水量等基礎之上，從而提供更靈活的能描述種植制度和保土耕作措施或牧草輪作等的C值估計方法[24]。根據光榮地區的實際種植作物以及其他植被情況，結合張憲奎等[18]的研究結果，我們選取植被與經營管理因子C分別為0.262 6(大豆)、0.257 8(玉米)、0.06(林地)和0.15(草地)。

水土保持措施因子P，是指不同的土壤侵蝕治理措施下，農地土壤流失量與順坡耕作農地土壤流失量之比值。根據張憲奎等[18]的研究，我們選取P因子的數值為1(順坡壟)和0.029(橫坡壟)，而在林地與草地地類中，并不存壟向，各種地表植被的生長方式以及位置分布是不符合壟向分布的，因此在分布上對水土保持并沒有很好的效果，所以林地和草地的水土保持措施因子P值均為1。

2.3 建立土壤侵蝕管理地塊圖

以地塊為基本單元逐個調查近3 a來的降雨強度、頻率以及種植作物，將調查結果整理并編碼，建立空間檢索，關聯到專家知識庫。同樣以地塊為基本單元，對地塊的相應信息進行采集，包括土壤類型、土地利用類型、壟向、坡向以及土壤中氮磷鉀等重要養分的含量等。

首先，利用ArcGIS軟件對空間分辨率為2.5 m的 ALOS遙感數據進行解譯得到土地利用圖，同時進行矢量化，并與實地采集土壤養分數據和其他調查數據進行關聯[14]。然后，根據光榮村的DEM，利用ArcGIS軟件計算光榮試驗區各地塊的實際坡長。根據張憲奎等[18]建立的黑龍江省土壤流失方程作為土壤侵蝕模型，將地類、坡度、坡長等進行分類整理。地類分為耕地、林地、草地以及非農業用地，由于侵蝕溝侵蝕嚴重，在修復前無法進行利用，因此，將侵蝕溝作為獨立的一個類型，不歸于其他地類之中；坡度根據>0.5°，0.5°～2°，2°～3°，3°～4°，4°～5°，5°～6°，6°～7°以及>7°分級；坡長根據<100，100～200，200～500及>500 m分級；對于耕地，作物壟向也是土壤侵蝕的重要因素，壟向分為橫坡壟和順坡壟，作為農田土壤侵蝕的重要因子。根據以上分級，去掉不存在的組合部分，共將光榮村試驗區所有地塊分為34類，作為侵蝕管理單元模塊，從而制定不同的治理措施。表1中列出了這34類不同組合的具體組合形式，即34類地塊各自的地類、坡度范圍、坡長范圍以及壟向。附圖5根據表1中的不同組合，將光榮村的34類地塊賦以不同的顏色，從而進行分類管理和治理。

表1 光榮村土壤侵蝕管理地塊組合及各因子范圍

3 系統開發及數據庫的建立

3.1 開發方式

可視化二次開發是現今GIS應用開發的主要發展方向。GIS的軟件平臺與可視化二次開發軟件相結合，具有很強的應用性，不僅快速方便，而且易于各個平臺之間的移植。本文是以超圖公司的SuperMap Object為GIS基礎軟件，利用Visual Basic語言作為開發程序，二者相集成的開發方式實現。

3.2 空間數據庫建立

空間數據和屬性數據進行分離式儲存，通過關鍵字段進行連接調用。為了方便屬性數據的編輯和更新，將屬性數據置于關系數據庫系統之中。空間數據中包括光榮實驗區的地形數據、土地利用數據、土壤類型數據等，并且利用ALOS影像數據解譯得到光榮村的地塊數據；屬性數據主要包括一些實地調查數據等。分別對空間數據和屬性數據進行整理：空間數據配準、矢量化，并且分類；屬性數據按照相同格式進行規范化、標準化。屬性數據可以通過SQL數據庫進行數據訪問進而進行屬性數據查詢等，并且可以通過二次開發語言與空間圖形數據進行交互性操作。屬性數據庫的調用完全在后臺執行，圖形和屬性數據的查詢與維護在同界面下實現。

4 系統設計與功能

4.1 系統設計

4.1.1 系統設計目標 光榮示范區土壤侵蝕預警決策支持系統是用于為不同土壤條件和不同侵蝕強度下的土壤侵蝕綜合治理的GIS管理平臺。具體目標是：實現直觀的可視化的地塊信息查看，主要是包括侵蝕影響因子和土壤養分信息并且提供相應地塊的侵蝕強度；為管理者提供宏觀決策分析平臺，使管理者能夠對系統進行維護，數據更新、查詢、分析；為農民用戶提供根據不同侵蝕情況而制定的侵蝕綜合治理措施，如生物措施，工程措施，合理施肥等。

4.1.2 系統框架 由于使用者層次和專業不一，因此系統框架設計時注重以用戶為主，界面整潔、易懂，操作簡單，人性化強。

對于空間數據和屬性數據，采用分離的方式進行儲存，之后在VB中編寫接口，調用ODBC與數據庫源進行連接，之后再利用RDO和SQL進行數據的訪問查看。主要包括數據輸入和輸出，數據顯示，空間數據的分析，專題圖制作，系統配置與維護，數據庫，侵蝕治理措施等模塊(見圖1)。

圖1 土壤侵蝕預警和決策支持系統集成過程

4.2 系統功能

在進行系統功能和界面設計時，以方便實用為原則，系統界面簡潔，具有較好的實用性。

(1)地圖基本操作。具有基本的GIS功能，包括放大、縮小、自由縮放、移動和全圖顯示。這些功能直觀，且便于操作，適合不同人群使用。

(2)地形查詢。地塊的坡度范圍是侵蝕強度的重要指標，通過地形狀況功能，可以清晰簡易地顯示出各個不同坡度范圍的地塊，同時對于已經形成的侵蝕溝也會重點標注，這樣非常有助于使用者快速定位不同侵蝕強度的地塊和侵蝕溝位置。

(3)侵蝕預警與治理功能。侵蝕預警和治理功能是本系統的重點，主要是利用張憲奎等[18]在RUSLE模型基礎上建立的黑龍江省土壤流失方程作為土壤侵蝕方程為驅動，進行侵蝕模數計算，之后根據《黑土區水土流失綜合防治技術標準》[25]進行侵蝕強度分級，并且根據不同的侵蝕強度制定綜合治理方案。

4.3 系統應用

土壤侵蝕預警功能模塊中主要包括地塊狀況、地塊信息、侵蝕預警、綜合治理方案、效益評估等功能。本系統針對2個層次的用戶。第一是管理者，他們有宏觀分析和決策的能力，可以利用該平臺對區域水土流失情況的變化進行分析和管理。第二是農戶，他們可以利用該系統平臺，了解自家的地塊水土流失的狀況，在耕作時應該采取哪些措施更有利于達到保水保肥、優質高產的目的。針對不同的用戶，操作系統側重不同，但盡量簡單化，采取觸摸點擊的的方式操作。輸出的結果也盡量簡單易懂。

4.3.1 管理者應用平臺 該系統結合不同地塊的坡長、坡度、土地利用方式、土壤性狀和種植管理等具體信息，進行土壤侵蝕分類分級。土壤侵蝕強度分級，系統以年平均侵蝕模數為判別指標，在缺少侵蝕模數實測資料時，根據有關侵蝕方式(面蝕、溝蝕)的判別指標進行[25]。該區域共形成了34種不同地形地貌、侵蝕強度、土壤養分等組合方案，當管理者用戶選中地塊時，即會在預警提示窗口中顯示出其侵蝕模數以及侵蝕強度等具體信息，讓使用者直觀地感受到耕種地塊所處水土流失危害的程度。例如，當管理者要對分類號為27的地塊進行分析和管理時，點擊地塊分類號為27的地塊，系統即會提示此地塊平均坡度為3.78°，坡度范圍3°～4°，侵蝕模數為44.3 t/(hm2·a)，介于36～48 t/(hm2·a)，屬于土壤侵蝕極強烈區域，達到嚴重預警。系統同時會給出相應的治理措施如工程措施：修筑坡狀梯田，坡頂種植水保林，林側挖節流溝；耕作措施：沿坡狀梯田橫坡起壟、秋起壟、秋雙層深施肥、垅底深松，另增加根茬、有機質還田等措施的綜合治理模式；生物措施：沿坡每隔50 m修一條寬1～2 m的生物隔離帶，可選種多年生牧草、多年生經濟植物(如石刁柏、胡枝子等)。

對分類號為3的地塊進行分析和管理時，如上例操作，系統會提示該地塊坡度范圍為2～3°，屬中度侵蝕區，極易成為侵蝕嚴重區域，提示具體的治理措施：工程措施需采取農田防護林體系和耕作措施，按國家和省級防護林體系標準營造農田防護林，減輕風蝕、水蝕的侵害；耕作措施中主要采取橫坡起壟、秋起壟、秋雙層深施肥、垅底深松，另增加根茬、有機質還田等措施的綜合治理模式；暫時還不需要生物措施。

對于侵蝕溝的治理，用戶需選中第33類地塊，系統會提示該地塊為侵蝕溝區，并提出預警。系統針對溝沿、溝底和溝坡3個重點部位提出治理措施，如溝沿治理中包括沿溝造林或者播撒一些根系發達，固土能力強的灌木或草本植物，并禁止放牧、取土等人為活動，以防止人為破壞；溝底治理中有修筑谷坊，之后種植根系發達、根蘗力強、枝葉繁茂、耐水濕的樹種等措施；溝坡治理中包括造林、修建梯田等措施。總之，針對34種不同類別的土壤侵蝕區，系統都分別組合了以往專家的知識和水土流失治理的標準方案，可以實現針對不同類別進行分析和綜合治理。

4.3.2 農戶應用平臺 農戶的應用主要是獲得地塊土壤侵蝕的信息，綜合治理的決策方案和指導，達到保水保肥，提高土壤肥力和作物產量的目的。為了方便農民用戶使用，我們設計了兩種方式進入系統：(1)農戶直接在圖上找到自家地塊點擊進入，得到自家地塊的詳細信息； (2)由于農民的知識和對計算機的應用有限，一般的漢語拼音都難以輸入，所以為了方便農戶的使用，我們對每個農戶承包的地塊都進行了編號，這樣農戶在使用時輸入自家的編號即可進入自家地塊，獲得相應的地塊信息。主要包括：面積、土壤養分狀況、肥力等級、地塊坡長、平均坡度、前幾年種植信息、產量等信息。并得到根據農戶自家的自然條件，地形地貌，土壤養分的作物種植指導，如坡度較大的區域，系統提示改順坡壟為橫坡壟，以及如何起壟，是否還應該種植生物隔離帶，施肥的方案選擇，增施有機肥和化肥的用量以及施肥方法等。如點擊農戶高大海家，系統會自動彈出地塊信息、養分信息和建議概況3個窗體。養分信息窗口中提示高大海家地塊堿解氮含量偏高，有效磷含量低，速效鉀含量低；地塊信息窗口提示農戶高大海家地塊的主要信息，包括地類代碼、農戶姓名、坡度等；在建議概況窗口中，針對種植作物大豆，有以下推薦施肥方案：建議施尿素30～31.5 kg/hm2，二胺108 kg/hm2，50%硫酸鉀75 kg/hm2。之后提示施肥方法：氮肥、磷肥和鉀肥作為底肥全部一次性施入。

4.4 系統管理與更新

根據使用功能的不同，只有管理者和設計者可以進行系統的更新。通過進入系統后臺，對系統進行數據維護，以及對數據進行編輯和更新，并且可以進行治理方案更新和升級，重新制定，根據不同要求對專題圖的制作以及進行一些空間分析工作的更新等。

5 結 論

應用結果表明，該系統平臺的應用，為管理者提供了到農戶地塊的，可以定量分析的水土流失綜合治理分析平臺，促進了農村信息化，農業現代化管理的進程。通過系統平臺的工程指導、生物指導和耕作種植指導，使得水土流失的綜合治理取得了很大的成效，農戶在應用中方便快捷，在保水保肥提高作物產量上有一定程度的改進。

(1)能將土壤侵蝕和土壤養分信息綜合在一起，為農戶耕作提供決策方案，提高了土地保水保肥的能力。

(2)利用遙感數據和實地調查數據相結合，在GIS平臺上生成以地塊為基本單元的侵蝕治理單元圖。方便管理者和農戶使用。

(3)充分利用當地長期田間定位試驗研究成果和歷年收集數據，結合張憲奎等[8]提出的黑龍江省土壤侵蝕方程，建立土壤侵蝕模型，非常符合當地實際情況，實用性很高。

(4)采用GIS平臺與可視化編程語言二者相集成的開發方式，具有較好的可移植性、可擴展性；調用空間數據庫和土壤侵蝕模型庫，實現針對不同地塊不同侵蝕強度，提出相應的治理措施。用戶界面設計簡潔、友好，易于操作。

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