海城市水土流失強度空間分布格局分析

王 琳

(海城市水利事務服務中心，遼寧 海城 114200)

0 引 言

水土流失引起的區域下墊面環境脆弱化和地表層組織結構的破壞，造成的河道淤積、土壤退化、養分流失和水源污染等問題，對區域可持續發展和自然生態安全產生嚴重的不利影響。海城市位于遼河下游左岸，土壤類型以草甸土、棕壤土為主且土層深厚、土地肥沃，為遼東半島重要的糧食生產基地。然而，隨著植被破壞的加劇和人口規模的擴大，水土流失問題越來越引起政府部門和研究者的重視[1]。一直以來，水土流失強度、空間分布特征和土地類型為水土保持治理規劃的根本依據。RS、GIS技術的快速發展為更加直觀的描述土壤侵蝕特征創造了條件，并為土壤侵蝕時空分異特征的分析提供了技術支撐，目前常用的方法有分形維數、半方差函數和景觀指數法等，由此可實現區域水土流失的直觀、廣域和高效實時監測。在地貌形態上海城市有洼地、平原、丘陵和山地，為了更加準確的度量水土流失強度隨地貌形態差異性的變化引入分形維數理論，利用回歸分析法探討了水土流失強度與不同地表覆被之間的作用關系，可為治理措施的空間布置和水土保持規劃提供科學指導[2-4]。

1 研究方法

1.1 區域概況

海城市位于遼寧省南部，占地面積2732km2，介于E122°18'-123°08'、N40°29'-41°11'之間，地形地貌復雜總體呈西北低、東南高的特征。該區域為溫帶季風氣候，春秋季短、冬季寒冷期長、四季分明、雨熱同期、平原風大、雨量集中、光照豐富，年降水量721.3mm，年均氣溫10.4℃。海城市八里河、三通河、海城河、五道河、楊柳河橫貫東西，大遼河、渾河、太子河縱橫南北。區域內林草植被狀態較好，果業生產基礎良好且屬于林木產品主產區，典型植被有溫帶草地、喬木和灌木林，覆蓋率達到42%，總體而言具有較強的水土涵養能力。土壤侵蝕以輕度水力侵蝕為主，且少部分地區人為造成的侵蝕，受地理條件和季風氣候影響降水量多集中于7、8、9三個月，水土流失主要分布在侵蝕溝壑、荒山緩坡、果園和疏林地等區域。近年來，由于掠奪式生產、盲目的開墾和不重視生態修復等開發利用過渡，使得水土流失對區域可持續發展、水體質量、農業發展和土壤物理結構等產生嚴重影響，從而導致一系列的土壤退化、土壤生產力下降和干旱等問題。隨著對土地資源利用的逐漸增大，隨之而來的水土流失、土地退化、環境惡化等問題日趨突出，研究分析海城市水土流失空間分布及其變化特征具有重要的意義[5-6]。

1.2 數據源

空間矢量、DEM和遙感影像為主要研究數據，其中影像數據波段為15m、全色，分辨率為30m，地理信息云網站和Landsat 8OLI提供以上相關資料。土壤數據和降水圖層來源于氣象中心和地理監測云平臺。采用分辨率為30m的DEM數據提取研究區地形坡度因子值，通過對測繪局提供的地形圖、區劃圖矢量化處理獲取邊界條件信息，經15m精度重采樣格柵影像后統一投影至WGS-1985系統。

1.3 RUSLE水土流失方程

根據植被涵養、地形效應、水動力學和土壤質地等研究提出了通用水土流失方程RUSEL，經大量的人工降雨和徑流小區模擬試驗建立計算公式，綜合考慮降水強度、坡度坡長、植被等環境因子形成的水土流失方程如下：

RUSLE=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：RUSLE為年土壤流失量，反映了單位面積坡面的平均侵蝕量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力實測值，反映了水土流失受降水強度的影響，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性評估因子，降水強度對不同土壤質地的侵蝕力不同，t·h/(MJ·mm·a)；P、C、S、L為量綱為1的水保措施、植被覆蓋、坡長與坡度因子。

地形因子客觀反映了地形特征加速水土流失的作用，一定區域內地面的最大高差為地形起伏度，水土流失強度隨坡長、坡度的增大而增強。采用區域DEM數據和Arc GIS10.3空間分析工具，通過設置統計類型最小、最大值直接提取研究區地形因子格柵圖。土壤在自然狀態下的侵蝕程度利用地表可侵蝕性反映，它體現了地表徑流或雨滴擊濺等侵蝕介質搬運、沖蝕和分離土壤的難易程度，該因子值與土壤滲透、地表徑流和降雨等因素相關，地表環境越疏松則可蝕性越強，利用下式表征地表可蝕性：

(2)

式中：Pi為月降雨總量，mm；i為月份，其值取1，2，…，12。林草植被減少土壤侵蝕的途徑有地表匯集、截流和地下固結，土壤侵蝕與植被覆蓋呈反比，提取計算ENV15.3系統只能給的波段獲取其數值。

1.4 分形維數

幾何學為分形理論的基礎，對不同復雜程度的形態利用幾何形物的周長、面積關系反映。針對空間不連續的土壤變量分形維數，采用一定觀測尺度h上變異函數的雙對數關系logγ(h)∞logh描述，其數學式為：

(3)

式中：FD、H為分形維數和線性斜率，FD值域為(1，2]、H取值[0，1]，且隨著H值的增大FD呈減少趨勢。

在空間分布上，分形維數越小則分布趨勢性越強，其空間連續性和漸變性越好；分形維數越小則水土流失異質格局越強，全局趨勢越弱、連續性和離散性越差。

2 海城市水土流失分析

2.1 水土流失空間分布特征

根據海城市水土流失強度統計分析結果，見表1，輕度侵蝕的分布范圍最廣且連續性最好，在空間上呈片狀延伸于海城市西部平原和洼地。東部丘陵地帶以中度水土流失為主，由于東部坡度大、地勢高且土壤可蝕性強，沿丘陵山脊線分布有其他強度水土流失。統計結果顯示，輕度、中度、強烈侵蝕區面積為349.65、212.10、17.21km2，占水土流失總面積的44.44%、26.95%、17.21%；極強烈和劇烈侵蝕區占比不足10%，統計面積為8.59、2.81km2。由此表明，海城市土壤侵蝕以輕度為主，該區域具有較好的涵養水土能力。海城市土壤侵蝕分布見表1。

表1 海城市土壤侵蝕分布

2.2 水土流失分形特征

海城市水土流失分形特征見圖1。

圖1 海城市水土流失分形特征

從圖1可知，隨著侵蝕強度的變化海城市水土流失空間分形維數存在較大差異。雙對數線性擬合的滯后距離與半方差函數關系較好，R2值處于0.7320-0.927范圍，因此在該尺度上能夠度量土壤侵蝕的空間格局維數。其中，斜率最大和最小的為劇烈、輕度侵蝕等級，所對應的斜率值為0.8982、0.3857，其它水土流失等級的斜率介于0.4047-0.6228范圍。根據分形維數計算公式確定不同土壤侵蝕程度的分形值為1.805、1.792、1.190、1.688、1.552，雖然此值存在較小的差異，但仍能夠說明其空間差異性。因此，分形維數值最高的為輕度水土流失，其幾何形態在空間分布上較為復雜，其原因為該區域存在較大的環境空間差異，人類開發利用、地質應力等因素均可對輕度侵蝕產生影響，且土壤侵蝕的延伸也受到其它各類因素的影響。反之，分形維數值越小則土壤侵蝕越強烈，土地類型和空間分布越穩定，其原因為人類活動干擾極強或地理環境較差的區域，其界面穩定性較高且水土流失嚴重。

2.3 土地利用分異特征

通過疊加處理海城市土壤侵蝕強度和用地類型圖，獲取二者的關系矩陣見表2。

表2 不同用地條件的土壤流失面積

根據表2可知，水土流失強度與土地類型密切相關，其中耕地、林地和草地為海城市主要用地類型，這三類用地的土壤侵蝕面積占全區的79.18%，應作為水土保持重點治理區。從表2可以看出，侵蝕模數最大的為草地，其次為耕地和林地，對應的值為1685.25、1435.20、871.26t/km2·a，其原因為海城市以耕地和草地為主，這些區域也應作為水土保持重點治理區。裸地、建設用地和水域面積相對較小，其侵蝕模數依次為97.33、153.28和270.41t/km2·a，水土流失強度在不同用地類型中的差異性較為顯著，其中草地、耕地在輕度侵蝕中的分布最為廣泛，覆蓋面積達到180.32、70.33km2；草地在中度侵蝕中的分布最為廣泛，覆蓋面積達到128.91km2；耕地在強烈侵蝕中的分布最廣，水域和草地相差不大，覆蓋面積依次為71.41、26.22、24.06km2；水域用地類型在極強烈和劇烈侵蝕等級分布最廣。

2.4 用地結構與水土流失量關系

采用回歸分析法探討水土流失強度與不同地表覆被之間的作用關系，見圖2。

圖2 水土流失量與用地類型結構關系圖

根據圖2可知，水土流失量與草地、林地結構比之間存在負相關性，可見增加這些地類能夠增強區域水源涵養能力，減少水土流失危害和保護自然環境；水土流失量與裸地、建設用地、耕地之間存在正相關性，因此增加這些用地結構會進一步加劇水土流失。線性回歸系數最小的為水土流失量與草地用地類型關系，其值為-1085.4t/km2·a，表明土壤侵蝕量隨著草地地類的增加而減少，其次為林地，其相關系數為-928.12t/km2·a。每增加1個單位的建設用地、耕地、裸地和水域用地結構，可增加土壤侵蝕量1218.6、728.45、990.57、124.57t/km2·a。因此，為提高區域水土涵養能力和開展水土保持工作，應盡可能的減少耕地、裸地和建設用地面積。

3 結 論

對海城市水土流失空間分布利用水土流失通用方程和現代地理信息技術研究，從而確定不同用地類型與分形維數特征之間的關系。研究表明，海城市水土涵養能力較好且林草覆蓋率較高，輕度侵蝕區占比最大；由于輕度侵蝕區自然形態復雜且分布范圍廣泛，人類活動干擾和環境破壞嚴重，為避免態勢惡化應以增加植被覆蓋率為根本治理措施。水土流失強度受用地類型的影響較為顯著，土壤侵蝕模數隨著建設用地、裸地、水域和耕地結構比例的增大而增大，增加草地和林地類型可有效降低水土流失危害，可為區域水土保持規劃和生態系統保護提供科學依據。

通用方程計算結果顯示，草地、林地和耕地為海城市水土流失易發區，而裸地、建設用地和水域面積相對較少，這些區域的水土流失量少且土壤累計淺薄，但流失強度極高。所以，改變不合理的種植方式和優化農用地結構為今后水土保持工作的重點，建議采取的措施為：以小流域為單元開展荒山荒坡、侵蝕溝、坡耕地綜合治理，配套溝谷穩定和蓄排水水利工程，為減少泥沙入庫量建設谷坊、攔砂壩等治理工程，同時在水庫周邊建設水生植物和防護林等；加強對濕地、河流和裸地的整治，繼續實施退耕還草還林和修筑水土流失防護措施，針對林木稀疏的淺山地區采取增大水源涵養林建設，實施輪封輪牧、人工種植及禁牧封山等措施，加強對原生草場的防護等。