山東省土壤侵蝕敏感性評價及其空間分布特征

吳 丹,王 燕 ,鄒長新 ,2*,王麗霞,尤 鑫

1.環境保護部南京環境科學研究所,江蘇 南京 210042

2.南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心,江蘇 南京 210044

3.中共江西省委黨校研究所,江西 南昌 330003

山東省土壤侵蝕敏感性評價及其空間分布特征

吳 丹1,王 燕1,鄒長新1,2*,王麗霞1,尤 鑫3

1.環境保護部南京環境科學研究所,江蘇 南京 210042

2.南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心,江蘇 南京 210044

3.中共江西省委黨校研究所,江西 南昌 330003

土壤侵蝕是地質、地貌、氣候、土壤、植被以及人類活動綜合作用的結果。本文以通用土壤流失方程為基礎，選取了降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤可蝕性及植被覆蓋等因子作為土壤侵蝕敏感性的評價指標，對山東省土壤侵蝕敏感性的影響因子進行了分級和綜合評價，明確了山東省土壤侵蝕發生的可能程度及空間分布特征。結果表明：山東省土壤侵蝕敏感性以輕度和中度為主，輕度敏感區和中度敏感區面積8.48×104km2，占全省陸域面積的53.69%?？臻g分布差異明顯，魯中南山地丘陵區土壤侵蝕敏感性程度最高，其次為膠東丘陵區，魯西南與魯西北黃泛平原區土壤侵蝕敏感性較弱。

土壤侵蝕;敏感性評價;空間分布;山東省

土壤侵蝕敏感性是指在自然狀況下，發生土壤侵蝕可能性的大小及其程度。土壤侵蝕敏感性評價是根據區域土壤侵蝕的形成機制，識別容易產生土壤侵蝕的區域，評價土壤侵蝕對人類活動的敏感程度、地區范圍和分布規律[1,2]。受氣候條件、地形地貌及人為因素的影響，山東省是全國水土流失比較嚴重的省份之一，全省水土流失面積3.6×104km2，占土地總面積的22.78%，主要分布在魯西北黃泛平原區、膠東半島地區和魯中南山地丘陵區[3-6]。因此，開展土壤侵蝕敏感性評價，識別容易發生土壤侵蝕的區域，對于山東生態環境建設和經濟社會可持續發展具有重要意義。本文選取降雨侵蝕力、土壤質地、地形起伏與地表覆蓋因子，在GIS技術支持下，對山東省土壤侵蝕敏感性進行單因子與多因子的綜合分析與評價，揭示土壤侵蝕不同敏感程度的空間分異特征。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

山東省位于中國東部沿海、黃河下游，北緯 34°22.9′-38°24.01′、東經 114°47.5′-122°42.3′之間。境域包括半島和內陸兩部分，山東半島突出于渤海、黃海之中，與遼東半島隔海相望；內陸部分自北而南與河北、河南、安徽、江蘇4省接壤，總面積15.8×104km2。

境內地貌主要特征是中部山地突起，以泰山、魯山、沂山、蒙山和徂崍山等海拔千米以上的中山構成魯中南山地的主體；西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯環列其間的地形大勢（圖1）。氣候類型屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，具有四季分明、干濕顯著、雨熱同季的特點。水系發育，全省有70多條干流和一級支流，分屬黃河、淮河及海河三大水系。

圖1 山東省海拔高度圖Fig.1 Elevation of Shandong province

1.2 研究方法

根據原國家環?？偩职l布的《生態功能區劃暫行規程》[7]及其他相關研究[8-13]，選取降水侵蝕力（R）、土壤可蝕性（K）、坡度坡長因子（LS）和地表覆蓋因子（C）等指標對區域土壤侵蝕敏感性進行分析與評價。在ArcGIS中，將反映各因子對土壤侵蝕敏感性的單因子評價數據進行乘積運算，公式如下：

式中，SSj為j空間單元的土壤侵蝕敏感性指數，Si為i因子的敏感性等級值，不同評價因子對應的敏感性等級值見表1。采用自然分界法將乘積結果分成5類，即一般敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感，得到山東省土壤侵蝕敏感性分級圖。

表1 土壤侵蝕敏感性評價指標及分級賦值Table 1 Evaluation index and classification standard of soil erosion sensitivity

1.3 數據來源與處理

1.3.1 降雨侵蝕力 降雨是引起水土流失的最重要因子，降雨侵蝕力大小與土壤侵蝕強度有直接的關系[9,14]。章文波等（2002）[15]基于日降雨資料，建立了半月尺度的降雨侵蝕力模型，年降雨侵蝕力為半月降雨侵蝕力的累加值，公式如下：

式中，Mi為某半月時段的降雨侵蝕力值（MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）；Pj為半月時段內第j天的侵蝕性日雨量（要求日雨量大于等于12 mm，否則以0計算）；k表示半月時段內的天數，半月時段的劃分以每月第15 d為界，每月前15 d作為一個半月時段，該月剩下部分作為另一個半月時段，將全年依次劃分為24個時段。

降雨觀測數據來源于中國氣象數據網（http://data.cma.cn）。首先利用2000～2010年山東省109個氣象站點的逐日降雨數據，代入上述公式計算各站點的α、β值，然后計算逐年各半月的降雨侵蝕力，經累加得到年度降雨侵蝕力。采用基于薄片樣條理論的ANUSPLIN[16,17]方法進行插值，得到年降雨侵蝕力的空間分布。

1.3.2 地形起伏度 地形起伏是導致土壤侵蝕發生的直接因素，地形起伏度適用于區域尺度土壤侵蝕評價的地形指標。劉新華等（2001）[18]通過研究表明中國水土流失地形起伏度的最佳分析窗口為5 km×5 km。以公開發布的SRTM 90 m分辨率的DEM數據為基礎，采用ArcGIS空間分析（Spatial Analyst）模塊中的領域分析工具（Neighborhood Statistic）提取研究區的地形起伏度。

1.3.3 土壤可蝕性 土壤是土壤侵蝕發生的主體，土壤可蝕性是表征土壤性質對侵蝕敏感程度的指標。諾謨圖模型是當前使用廣泛的一種確定土壤可蝕性的方法[19,20]，公式如下：

式中，K為土壤可蝕性值，OM為土壤有機質含量，M為優勢粒徑組成的乘積，（Silt為粉粒含量，Sand為砂粒含量），S為土壤結構性指數，P為土壤可滲透性指數（表2）。

表2 諾謨圖中結構性指數與可滲透性指數的定義Table 2 Definition of structure index and permeability index in Nomograph

根據1:100萬中國土壤數據庫及第二次土壤普查數據估算研究區的土壤可蝕性值，并采用自然分界法將其分為5級。土壤數據庫由中國科學院南京土壤研究所提供，基本涵蓋了山東省主要的土壤類型；土壤普查數據由中國科學院地理科學與資源研究所提供，包含了省內270個土壤剖面的位置及其主要屬性特征。

1.3.4 植被覆蓋 植被是防止土壤侵蝕的一個重要因子，其防止侵蝕的作用主要包括對降雨能量的削減、保水及抗侵蝕作用。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個重要指標。根據像元二分模型理論[21,22]，采用2000～2010年MODIS 1 km 16 d最大合成NDVI時間序列數據，通過以下公式估算植被覆蓋度：

式中，fc為像元內的植被覆蓋度；NDVI為該像元的歸一化植被指數；NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

2 結果與分析

2.1 單因素影響評價

山東省降雨侵蝕力對土壤侵蝕敏感性的影響較大，中度敏感及以上面積為9.14×104km2，占全省面積的57.85%（表3），這主要與暖溫帶大陸性季風氣候有關，夏季受東南海洋性季風影響，降水充沛，短歷時高強度暴雨為土壤侵蝕提供了強大營力。從空間分布上看，極敏感、高度敏感區域主要分布在降水相對集中的東南部沿海及魯中山地區，輕度敏感、不敏感區域主要分布在魯西北平原和黃河三角洲地區。

表3 降雨侵蝕力對土壤侵蝕敏感性評價Table 3 Accessment of rainfall erosion on soil erosion sensitivity

山東省地形起伏度對土壤侵蝕敏感性的影響較小，中度敏感及以上面積僅1.17×104km2，占全省面積的7.39%；不敏感區面積13.07×104km2，占全省面積的82.73%（表4），這主要與其地貌特征有關。境內地貌類型多樣，除山地地形起伏較大外，平原面積較為廣闊，不易產生水土流失。從空間分布上看，極敏感、高度敏感區域主要分布在魯中山地及膠東丘陵區，輕度敏感、不敏感區域主要分布在山前（間）平原、黃河沖積扇、黃泛平原和黃河三角洲等區域。

表4 地形起伏度對土壤侵蝕敏感性評價Table 4 Accessment of terrain prominency on soil erosion sensitivity

山東省土壤可蝕性對土壤侵蝕敏感性的影響以高度敏感為主，面積為7.70×104km2，占全省面積的48.74%（表5），這主要與土壤性質有關。根據第二次土壤普查數據，山東土壤主要有潮土、粗骨土、風沙土、褐土、砂姜黑土、水稻土、新積土、棕壤等類型。從空間分布上看，高度敏感區域主要分布在魯西南與魯西北黃泛平原區，土壤類型主要為潮土，因河流泥沙沉積而成，大多呈砂性，土質疏松，有機質含量較低，抗蝕性較差。輕度敏感、中度敏感區域主要分布棕壤與褐土。

表5 土壤可蝕性對土壤侵蝕敏感性評價Table 5 Accessment of soil erodibility on soil erosion sensitivity

山東省植被覆蓋對土壤侵蝕敏感性的影響較小，中度敏感及以下面積14.19×104km2，占全省面積的89.82%，高度敏感和極敏感區面積僅1.61×104km2（表6）。全省植被類型以落葉闊葉林和溫性針葉林為主，集中分布在魯中南山地及魯東丘陵區。落葉闊葉林大多以麻櫟、栓皮櫟及槲等櫟類為主，溫性針葉林大多由赤松、黑松、油松、側柏等構成。植被分布以水熱條件較好的魯東地區最為豐富，魯中南次之，魯西較少，魯北最貧乏。

表6 植被覆蓋對土壤侵蝕敏感性評價Table 6 Accessment of vegetation coverage on soil erosion sensitivity

2.2 綜合評價

根據土壤侵蝕敏感性綜合評價，山東省土壤侵蝕敏感性以輕度和中度為主。全省土壤侵蝕極敏感區面積0.98×104km2，占全省面積的6.18%；高度敏感區面積1.89×104km2，占全省面積的11.96%；中度敏感區面積4.45×104km2，占全省面積的28.17%；輕度敏感區面積7.82×104km2，占全省面積的49.48%；不敏感區面積0.66×104km2，占全省面積的4.21%（表7）。

從各地市土壤侵蝕敏感性的評價結果看，東營和濱州土壤侵蝕敏感性較弱，不敏感及輕度敏感區面積占各市面積的比例分別為98.26%和90.44%。德州、聊城土壤侵蝕敏感性以輕度敏感為主，輕度敏感區面積占各市面積的比例分別為85.27%和83.75%。菏澤、青島、濟寧、濰坊、泰安和棗莊土壤侵蝕敏感性以輕度敏感和中度敏感為主，兩者面積分別占各市面積的99.17%、82.42%、81.01%、80.48%、76.18%和75.71%。威海、日照和煙臺土壤侵蝕敏感性以中度敏感和高度敏感為主，兩者面積分別占各市面積的67.89%、67.83%和64.98%。萊蕪、淄博和濟南土壤侵蝕極敏感區比例較高，分別占各市面積的19.87%、19.85%和13.70%（表8）。

從空間分布上看，山東省土壤侵蝕敏感性呈兩大中心集中分布，區域差異明顯。魯中南山地丘陵區土壤侵蝕敏感性程度最高，其次為膠東丘陵區，魯西南與魯西北黃泛平原區土壤侵蝕敏感性較弱（圖2）。

表7 山東省土壤侵蝕敏感性綜合評價Table 7 Comprehensive assessment on soil erosion sensitivity in Shandong Province

表8 山東省各地市土壤侵蝕敏感性評價結果Table 8 Evaluation results on soil erosion sensitivity of each city in Shandong province

圖2 山東省土壤侵蝕敏感性綜合評價圖Fig.2 Comprehensive assessment on soil erosion sensitivity in Shandong province

3 討論

土壤侵蝕是地質、地貌、氣候、土壤、植被以及人類活動共同作用的結果。本文綜合考慮降水、地貌、土壤與植被等因素，運用地理信息系統分析評價了山東省土壤侵蝕敏感性程度及其空間分布特征。

山東省大部分區域處于土壤侵蝕不敏感和輕度敏感區，基本集中于魯西北和魯西南黃泛平原的東營、濱州、聊城、德州、菏澤的大部分縣，這些區域地勢起伏不大，地形相對簡單，不具備形成大規模水力侵蝕所需的自然條件；然而，黃泛平原區與濱海地帶是省內風力侵蝕的主要發生區，應引起重視。全省中度及以上土壤侵蝕敏感區集中分布在泰山、蒙山、沂山、魯山等魯中南山地區和昆崳山、嶗山、五蓮山等魯東丘陵區，這些區域山高坡陡，降水豐富，加之頻繁的農業開發活動和經濟建設活動，為土壤侵蝕的形成和發展提供了有利的外動力條件，使之成為山東省的水土流失中心，這與全省水土流失遙感普查的結果較為一致。土壤侵蝕敏感地區應加強生態建設，保護和合理利用水土資源，采用防止植被破壞、坡地退耕還林、增加地表覆蓋、發展生態農業等措施，加強水土保持和生態修復力度，改善區域生態環境，減少人類活動可能引發的生態問題，從而提升區域水土保持、水源涵養、生物多樣性維護等生態服務功能，實現經濟社會與人口、資源、環境協調可持續發展。

4 結論

（1）從單因素看，降雨侵蝕力和土壤可蝕性對山東省土壤侵蝕敏感性的影響較大，而地形起伏度和植被覆蓋對土壤侵蝕敏感性的影響較小。

（2）從整體上看，山東省土壤侵蝕敏感性以輕度和中度為主。不敏感區、輕度敏感區、中度敏感區、高度敏感區和極敏感區面積占全省面積的比例分別為4.21%、49.48%、28.17%、11.96%和6.18%。

（3）從空間上看，山東省土壤侵蝕敏感性空間分布差異明顯。魯中南山地丘陵區土壤侵蝕敏感性程度最高，其次為膠東丘陵區，魯西南與魯西北黃泛平原區土壤侵蝕敏感性較弱。

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Evaluation on Soil Erosion Sensitivity and Its Spatial Distribution Characteristics in Shandong Province

WU Dan1,WANG Yan1,ZOU Chang-xin1,2*,WANG Li-xia1,YOU Xin3
1.Nanjing Institute of Environmental Sciences,Ministry of Environmental Protection,Nanjing210042,China
2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET)/Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing210044,China
3.The Party School of the Jiangxi Provincial Committee of CPC,Nanchang330003,China

Soil erosion usually results from the comprehensive effects of geology,geomorphology,climate,soil,vegetation and human activity.Based on the Universal Soil Loss Equation,this paper classified and evaluated impact factors of soil erosion sensitivity in Shandong Province,with the index of rainfall erosivity,topographic relief,soil erodibility and vegetation coverage.Also,we pointed out the possible degree of occurring soil erosion and its spatial distribution characteristics.Results were as follows.The soil erosion sensitivity of Shandong Province was mainly mild and moderate.The two together areas were 8.48×104km2,accounting for 53.69%of Shandong Province’s land area.There were obvious differences in spatial distribution.The degree of soil erosion sensitivity was highest in hilly and mountainous area of central south of Shandong Province,which was followed by the Jiaodong hilly region,and it was weakest in southwest and northwest yellow flood plains of Shandong Province.

Soil erosion;sensitivity evaluation;spatial distribution;Shandong Province

S157

A

1000-2324(2017)06-0757-06

2015-12-03

2016-02-03

環保公益性行業科研專項(201409055)

吳 丹(1988-),女,助理研究員,主要從事生態系統服務研究.E-mail:cumtwudan@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:zcxnies@163.com