基于AHP的茂縣土壤侵蝕時空格局動態變化

摘要：以遙感（RS）和地理信息系統（GIS）為平臺，以四川省茂縣為研究區域，依據土壤侵蝕程度的評價原則選取對研究區域土壤侵蝕影響較大的5個評價因子，包括坡度、植被蓋度、土壤可蝕性因子、降雨侵蝕力和水土保持措施因子，運用層次分析法（AHP）計算各評價因子的權重，然后根據多因子分析將土壤侵蝕程度分成5個等級——微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕，得到茂縣土壤侵蝕的等級分布。結果表明，茂縣土壤侵蝕還在可控制范圍內，沒有強度侵蝕和極強度侵蝕的地方。

關鍵詞：土壤侵蝕；時空變化；預測；RS；GIS；四川省茂縣

中圖分類號：S157.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）13-3310-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.011

土壤侵蝕，即風和水對地表母質及其他地面組成物質的剝蝕、搬運和沉積，是一個隨時隨地都可能發生的自然地表過程，受水力、風力、凍融、重力等外營力的作用，使土地資源遭到破壞和流失[1]。它是當今世界最嚴重的環境問題之一，嚴重威脅著人類的生產和發展，一直受到各國研究者的普遍關注和重視[2]。而中國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，近幾年來各主管部門雖然在土壤綜合治理方面做出了很大努力，但由于中國人口眾多，人均水土資源相對匱乏，土壤侵蝕依然嚴重。因而對不同條件的土壤侵蝕規律還需要進行大量深入的研究，以便為新形勢下的區域水土保持的治理和決策工作提供科學參考。

近年來，國外在土壤侵蝕機理、土壤流失方程、土壤侵蝕與生產力關系的評價方法、小流域水土保持規劃等方面都取得了新的進展[3]。目前，GIS與計算機技術進行統一規劃是國外水土保持規劃中采用的最新手段之一，該法采用數據庫與地理信息相結合的方式來描述土壤侵蝕危害的空間分布特性，目前該方法在水土保持方面已取得了很大的進展[4]。而中國對于土壤侵蝕的研究還停留在理論研究的層面上，很少對土壤的各項功能和土壤質量的評價指標體系進行綜合質量評價，很少把土壤質量評價的結果在生產實踐中進行應用以及推廣，而且很少對這些研究的結果進行驗證[5]。因此未來應加強對土壤質量評價指標體系與評價方法的研究，針對不同的土壤功能，選擇不同的土壤質量評價指標體系，對其閾值、定量化、評價方法模型等進行深入的研究。

茂縣作為川西北地區干旱河谷的腹心地帶，經過2008年5月12日汶川大地震以后，區域內水土流失不斷加劇、地形地貌發生突變、生態系統遭到損壞，此外，其植被覆蓋率大大降低，山體出現大面積的裸露，動物的棲息地也遭到了不同程度的毀壞[6]。這一系列自然災害的發生，給當地的生態環境帶來了嚴重破壞，同時也不可避免地加重了土壤侵蝕的程度。因此，本研究提取茂縣地區在2000、2005、2010、2015年影響土壤侵蝕的5個評價因子，充分發揮RS的數據處理能力和GIS強大的空間分析功能，通過5個評價因子對茂縣的土壤侵蝕進行時間和空間上的對比和分析，并做出科學的評價以及趨勢變化，為區域內水土保持工作提供可靠的科學依據。

1 研究區概況

茂縣位于四川省阿壩藏族羌族自治州東南部，與北川、安縣、綿竹、什邡、彭州、汶川、理縣、松潘縣相鄰[7]。南北寬94.8 km，東西長116.5 km，地理坐標為北緯31°24′-32°17′，東經102°56′-104°10′，如圖1所示。茂縣作為青藏高原東麓自然地理狀況的典型代表，其地質構造比較復雜，區域內斷裂十分發育，新構造運動強烈[8]。整個地勢表現為由西北向東南方向逐漸降低，地表切割則由北向南加劇。茂縣是岷江上游干旱河谷區的腹心地段，海拔1 700～3 100 m，年均氣溫12 ℃，年降雨量410 mm，蒸發量1 500 mm，土壤以養分極低的燥褐土、石灰性褐土為主，屬高寒貧瘠干旱地帶[9]。由于區域內干旱河谷獨特的氣候特點——干旱少雨，使區域內植被的生長面臨極大的威脅，生長在這里的植被多是低矮、多刺的旱生型灌叢。如今，茂縣地區干旱河谷已經呈現出一種次生的、脆弱的生態系統狀況[10]。區域內森林資源的演變順序表現為常綠闊葉林→落葉闊葉林→灌叢→干旱灌叢→稀樹草坡（荒草地）→半荒漠→荒漠。

2 研究方法

2.1 數據的收集與預處理

2.1.1 數據來源 針對5個評價因子，所收集的相關數據主要包括來自中國氣象數據共享網的日降雨量數據（2000、2005、2010、2015年）、四川省1∶1 000 000土壤類型數據、四川省行政區劃圖、茂縣地區30 m分辨率的數字高程模型（DEM）數據以及4年的Landsat4-5 TM的遙感影像數據。

2.1.2 數據預處理 在遙感影像的成像過程中，電磁波會穿過厚度超過1 000 km的大氣層，在此過程中電磁波會受到大氣層反射、吸收、散射等影響作用，從而導致遙感影像分辨率的下降，甚至影像的失真[11]。因此，為了消除影像的失真，獲取真實的地面影像，必須對原始圖像進行圖像預處理工作，從而更充分地利用原始觀測的遙感數據。這是使用遙感影像的基礎性工作，它包括波段合并、幾何校正、圖像鑲嵌，圖像裁剪以及圖像增強等環節[12]。

2.2 研究過程

2.2.1 提取評價因子

1）地形因子。一般隨著坡度的增加土壤侵蝕強度會增強，但地形在土壤侵蝕中的變化還是遲緩和相對穩定的，在描述地形的各個指標中，以坡度和坡長因子對土壤侵蝕強度的影響最大，其中又以坡度尤甚[13]。一般情況下，隨著坡度的增加，土壤侵蝕強度會加劇，因此直接采用DEM在地形分析中計算出的坡度來衡量地形因子對于土壤侵蝕強度的影響。依據土壤侵蝕遙感調查工作技術細則（表1）對茂縣坡度數據進行重分類，得到坡度因子等級分布，如圖2所示。

2）植被因子。植被是侵蝕動力的抑制因子，植被蓋度和植被結構直接影響著土壤侵蝕強度。大量的野外實測表明，植被蓋度越高，地表的抗蝕能力就越強[14]。植被蓋度是最常用來表達植被對土壤侵蝕程度的指標[15]。遙感技術是目前植被蓋度指標獲取最為有效的手段之一，已被廣泛地利用。本研究使用TM數據提取研究區的植被指數。

f=（NDVI-NDVImin）/（NDVImax-NDVImin） （1）

式中，f為植被指數；NDVI為所求像元的植被指數，NDVImin表示研究區內NDVI的最小值，NDVImax表示研究區內NDVI的最大值。將得到的植被蓋度因子按照分級標準（表2）進行分級，得到4年的植被蓋度等級分布（圖3）。

3）土壤質地因子。由于受到植物、氣候垂直自然帶的制約，茂縣的土壤類型也具有明顯的垂直地帶性[16]，從低到高依次為黃壤、黃棕壤、暗棕壤、寒棕壤、寒氈壤、寒凍氈壤和高山寒漠土，如圖4所示。

土壤質地是土壤侵蝕的抗侵蝕因子，土壤侵蝕與成土母質直接相關，主要表現在土壤的透水性、抗蝕性和抗沖性，這些特征又決定于土壤顆粒組成和結構[17]。在通用土壤侵蝕方程中，用土壤可蝕性因子K值來定量反映土壤對侵蝕的影響，但直接測定K值要求較高，在實際應用中，常根據成土母質的不同來確定土壤侵蝕的影響強度[18]，采用查表法（表3）得到，其侵蝕強度分級標準見表4。

4）降雨侵蝕力因子。降雨是產生土壤侵蝕的基本動力和觸發因子，降雨強度越大，土壤侵蝕強度也越大，降雨強度、歷時及其在年內的分配狀況都直接影響到土壤侵蝕的發生和侵蝕量的大小。降雨具有年際變化大、年內分配不均和地域差異大的特點。在中國大部分地區，由于干濕交替強烈，表土疏松，汛前長期干旱，植被萌發力差，因此土壤的透水性和抗蝕能力差，很難抵御第一次暴雨對土壤的侵蝕[19]。因此，降雨侵蝕力是反映大氣降雨到地表產生沖擊的一種動量表示，這一因子必須采用一定時間系列的降雨量和降雨強度數據來計算。根據王萬忠等[20]對中國主要氣象站點的年降雨侵蝕力計算公式進行計算，具體為：

R=0.207（P×I60/100）×1.205 （2）

式中，R表示降雨侵蝕力；P表示年降雨量；I60表示年內最大60 min的降雨量，通過查閱資料，得到西南地區的I60為11.2 mm，由于資料不足，文中直接以西南地區的研究資料代替茂縣。通過計算，得出2000、2005、2010、2015年的降雨量分別為4 268、5 091、4 506、5 018 mm，代入式中計算得到降雨侵蝕力分別為350.5、433.5、374.2、426.0。降雨侵蝕力因子強度分級標準見表5。

5）人為因素。土壤侵蝕時常發生，這是地球表面不斷變化的一種自然規律，通常稱為正常的自然地質侵蝕。然而隨著人類活動的逐漸頻繁，農作物輪作周期短、森林砍伐和超負荷放牧等使土壤侵蝕和土壤生成之間的自然平衡遭到破壞，又加速了土壤侵蝕的發生[21]。人為因素雖然對土壤侵蝕產生了十分重要的影響，但是在進行定量的計算中一般不作為計算因子，因此本研究中將人為因素賦為常數1。

2.2.2 土壤侵蝕綜合評價

1）確定各評價因子權重。按照各指標的重要程度，在歸納前人的研究成果[22]和綜合專家知識后得出如下準則：地形（B1）>降雨侵蝕力（B4）>植被覆蓋度（B2）>土壤可蝕性（B3）>水土保持措施（B5），其矩陣及權重值（W）見表6。

2）土壤侵蝕影響因子分級及監測。前面通過層次分析法確定了影響土壤侵蝕的各因子權重，結合前人研究成果[23]和關于土壤侵蝕類型及強度分級標準的規定把土壤侵蝕強度分為5級進行標準化處理，侵蝕強度為微度的等級為一，賦值1；輕度等級為二，賦值3；中度等級為三，賦值5；強度等級為四，賦值7；極強度等級為五，賦值9。

采用加權和法作為評價土壤侵蝕程度的模型，評價模型的表達式為：

式中，S為土壤侵蝕程度綜合評價的總分值；n為評價因子個數；Wk為第k個評價因子的權重；Vk為第k個評價因子的量化值。加權指數和法即將各個評價因子的權重和量化值的乘積求和，得到綜合評價分值。

根據層次分析法得到的各因子權重以及上述評價模型[24]對坡度、植被蓋度、降雨侵蝕力、土壤可蝕性等4個主要評價因子的等級圖進行疊加，然后通過疊加的綜合評價分值對土壤侵蝕程度進行分區，按綜合分的高低劃分：分值越高，表示侵蝕程度越強；分值越低，表示越弱。侵蝕等級劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕5個等級，如表7所示。

3 結果與分析

根據坡度、植被蓋度、降雨侵蝕力、土壤可蝕性因子的綜合評價分，將綜合評價分按微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕5個等級來劃分[25]，得到土壤侵蝕等級分布圖（圖5）。

通過統計對比得到各等級土壤侵蝕面積的單元數，具體見表8。由表8可知，2000年微度侵蝕面積占總面積的0.02%，輕度侵蝕面積占39.21%，中度侵蝕面積占60.77%；2005年微度侵蝕面積占總面積的0.03%，輕度侵蝕面積占45.37%，中度侵蝕面積占54.60%。由此可知，與2000年相比，2005年微度侵蝕和輕度侵蝕面積增加，中度侵蝕面積有所減少，說明相關部門采取了一定的有效措施對其進行了強有力的控制。2010-2015年，土壤侵蝕出現了逆轉情況，輕度侵蝕有所減少，中度侵蝕有所增加，主要是由于2008年汶川地震后，該區域水土急劇流失，植被遭到了很大的破壞，因此土壤侵蝕變得更加嚴重。從總體上來說，茂縣地區土壤侵蝕還在可控制范圍內，沒有強度侵蝕和極強度侵蝕的地方，基本上是輕度侵蝕和中度侵蝕，微度侵蝕面積雖然有所變化，但變化很小，基本上可以忽略。

4 結論

本研究結果表明，在影響土壤侵蝕程度的眾多因子中，有變化的是植被蓋度因子和降雨侵蝕力因子，但是在所選取的4年中，降雨量相近，所以降雨侵蝕力的影響作用并不大，而植被卻是主要因子，因此可以預測當研究區域內植被狀況有所好轉的情況下，土壤侵蝕程度會有不同程度的降低，因此相關部門應該采取強有力的措施，做好區域內植被保護和生態建設工作。

近年來，研究人員對岷江上游土壤侵蝕的問題做了大量研究，其研究都是大區域范圍內，對周邊具體縣鎮研究并不多見[26]。因此，此次選擇茂縣為研究區域，縮小了研究范圍，對其做出了更加具體的分析。結合此次研究結果，在此提出以下幾點具有針對性的意見：①對坡耕地的開發和工程建設進行改革，完成緩坡耕地保土耕作措施的推廣與應用；②茂縣水土保持工作的重點是封山育林育草，退耕還林，退牧還草，合理調整產業結構，實施宜林則林、宜草則草、宜農則農，禁止天然林砍伐和亂墾土地；③加速水土保持林（草）建設，興建小型水利水保工程，保護林草植被，涵養水源，重點防止對生態環境造成新的破壞；④應加大森林及灌叢的保護力度、加快對道路建設和工礦開發引發的水土流失區的治理[27]。

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