基于Landsat 數據的中國西北干旱半干旱地區土壤風蝕時空分布
——以武川縣為例

烏英嘎 孟凡浩 周瑞平

(內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

引言

土壤風蝕是指土壤被風分離、搬運、沉積,是土壤顆粒發生位置移動的過程[1]。土壤風蝕是土壤退化的主要過程之一,土壤退化帶來的后果讓人們苦不堪言,如美國著名的“黑風暴” 事件,沙塵暴所到之處莊稼毀損、地面龜裂、房屋倒塌、人員傷亡,在生態、經濟和人民生命安全等方面造成了巨大的損失[2]。中國西北部干旱半干旱的沙塵暴由來已久,頻繁的沙塵暴曾導致該地區在1993 年5 月直接經濟損失7000 萬美元[3]。沙塵暴僅僅是土壤風蝕所能帶來的“副作用” 之一；在中國西北部這個生態環境尤其脆弱的地區,由風蝕作用所產生專屬的地貌——戈壁、雅丹和沙漠,給生態環境的治理帶來了極大難度。

風蝕帶來的永久性傷害主要還是土壤肥力的缺失造成土壤生產力的下降。而由于土壤生產力下降導致的一系列副作用,如依附于土壤的生物產能降低,大氣環境質量也隨之降低,能見度下降等。為了從源頭遏制這些副作用的產生,許多國家和地區在如何監測土壤風蝕這方面做出了很多研究。

從20 世紀50 年代開始,國外很多學者就開始對影響土壤風蝕的因素進行探究,且同時著手研究土壤的抵御風蝕能力。Woodruff 等[4]提出了世界上第一個WEQ 風蝕模型,在此之后,WEAM 模型[5]、RWEQ模型[6]、TWAM 模型[7]等新模型不斷出現。國內土壤風蝕的系統研究始于20 世紀40～50 年代,董治寶等[8]通過風洞實驗驗證了增加植物的密度對防止風蝕作用十分重要；嚴平[9]根據137Cs 模型計算出在青藏高原內風蝕地區土壤風蝕速率；近年來,李振山等[10]提出半干旱區植被-風沙動力過程耦合模型；張春來等[11]基于風洞實驗提出了風蝕預報模型。

雖然土壤風蝕的研究在國內外都已經取得了很大的成果,但是在中國西北干旱半干旱地區,尤其是內蒙古地區的研究還不是很多。土壤風蝕在我國內蒙古地區影響范圍十分廣泛,內蒙古高原北部分布著大片戈壁,東南部(渾山達克沙地、科爾沁沙地) 是中國北方干旱、半干旱區的5 大沙塵暴中心之一[3]。內蒙古武川縣是我國西北部干旱半干旱的典型風蝕沙化區,本文以武川縣為例,通過Landsat8 OLI-TIRS 數據,基于第1 次全國水力普查中風蝕預報經驗模型,估算武川縣的風蝕模數,繪制土壤風蝕分布圖,分析其土壤風蝕特征,及時準確地了解武川縣的土壤風蝕現狀與動態,對保障武川縣的可持續發展具有重要意義。

1 研究區概況

武川縣位于內蒙古自治區中部,呼和浩特市的北部,南起陰山北麓,北部與達茂旗、四子王旗接壤,東接卓資縣,西至包頭市固陽縣,是北方農牧交錯帶的中間地段,總面積為4885km2,境內有8 條季節性河流,分別屬于內流塔布河和外流黃河的支流大黑河,氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫3.0℃,月均氣溫大于或等于0℃,歷年年均氣溫為2.8℃。歷年年均降水為354.1mm 左右。武川縣年平均風速3m·s-1左右,每年17m·s-1以上的大風日數在30d 左右,年均沙塵暴天數為10～20d。

如圖2 所示,2018 年和2019 年的各利用類型數值雖然有上下波動,但總體利用的方向還是沒有改變,武川縣土地利用類型以草地、林地和耕地為主,其中以草地面積最大,其次是耕地和林地；武川縣的地表植被稀疏,是北方農牧交錯帶中土壤風蝕現象較嚴重的地區。該區域在歷史上屬于純牧區,僅以放牧業為主,近些年來因人口的不斷增加而開墾土地,逐步演化成農牧交錯區[12],但由于該區的生態環境相比耕種作物而言更適宜牧草生長,經濟效益非但不高,還破壞了放牧環境,加重了當地土壤被風侵蝕的速率。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文的遙感數據來自地理空間數據云,選取了2018 年和2019 年的Landsat8 OLI-TIRS 數據；氣象數據主要是來源與全國第一次水利普查所收集的各縣逐日4h 整點風速資料；空間信息數據和土壤相對濕度數據等主要來自國家基礎地理信息中心 (http://ngcc.sbsm.gov.cn) 和中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn)。

2.2 風力侵蝕模型

本文基于第一次全國水力普查中風蝕預報經驗模型,該模型分別針對耕地、林草地建立了經驗方程,分別為以下內容。

耕地風力侵蝕方程基本形式為:

式中,Qfa為每15d 內耕地風力侵蝕模數,t·hm-2·a-1；W為每15d 內表土濕度因子,介于0～1；Tj為每15d內各風速等級的累計時間,min；Z為地表粗糙度,cm；Uj為第j 個等級的平均風速,m·s-1。

林(草) 地風力侵蝕方程基本形式為:

式中,Qfg為每0.5 個月內林(草) 地風力侵蝕模數,t·hm-2·a-1；V為植被覆蓋度,%；其它含義同公式(1)。

2.3 風蝕因子的獲取

2.3.1 風力因子

每0.5 個月內各風速等級對應的累計時間(Tj)的計算公式如下:

式中,Tj為每個氣象站點每15d 內第j個風速等級對應的累計時間,min；tjmik為每個氣象站點第m 年某半月第i 天中的第k時刻的風速是否屬于第j個風速等級,如果是,tjmik=1,否則tjmik=0；j為風速等級序號；N為資料收集的年份數量,如僅收集2018 年的數據,N=1；m為1,2,…,N,在這里m=1；L為每15d 對應的天數,每月的上半月均取15d,剩余為下半月取值天數；i為1,2,…,L；k為1d24h 中的任意一個時刻,k=1,2,…,24。

為了計算各風速等級累積時間,本文對逐日4 次風速(t02∶00、t08∶00、t14∶00、t20∶00)進行線性插值成逐日24h 的整點風速,并統計每15d 內的Tj值。根據研究可知,當土地利用類型為草地和林地時,且植被覆蓋度＞70%,Tj取值為0[13]；植被覆蓋度≤70%時,耕地臨界侵蝕風速為5.3m·s-1,林草地臨界侵蝕風速為8.2m·s-1。將統計好的數據導入GIS,采用克里金插值法生成各等級的的柵格圖。

2.3.2 植被覆蓋度因子

2.3.2.1 OLI 影像預處理和計算植被指數NDVI

對30m 空間分辨率OLI 影像預處理,采用地面控制點對影像進行幾何糾正、大氣糾正,減少或消除大氣對影像的干擾,以得到地表反射率影像,然后進行云量檢查和去除。

對預處理后的影像數據計算歸一化植被指數(NDVI):

式中,NDVI為歸一化植被指數；NIR為近紅外波段的反射率；R為可見光紅波波段的反射率。

2.3.2.2 計算植被覆蓋度FVC

式中,FVC為植被覆蓋度；NDVI為任意像元的歸一化植被指數；NDVImax為植被指數的最大值,NDVImin為植被指數的最小值,即裸土地的值。

2.3.2.3 表土濕度因子

式中,W為表土濕度因子,無量綱；SM為土壤水分。由于土壤水分因子在地表為融土狀態時才能計算,本文首先使用ENVI 和ArcGIS 軟件對數據進行拼接、裁剪、計算和處理,由于Landsat 影像只有一個熱紅外波段,所以采用單通道算法反演地表溫度[13],然后結合地表溫度進行植被影響校正,得到裸露土壤的輻射亮溫,之后用熱慣量反演計算土壤相對濕度,得到土壤水分,算出表土濕度因子。涉及到的公式如下:

式中,LST為輻射亮溫；T為地表亮溫,可由輻射亮度值轉化得到；λ是有效波普范圍內的最大靈敏度值,平均λ=11.5um；ρ=1.438×10-2mK；ε是地表比輻射率,可由NDVI求得[13]。

熱慣量是土壤的一種特性,經許多研究證明,土壤熱慣量與土壤含水量呈正相關關系[14]。

式中,P為熱慣量；A為地表反照率；B為地表綜合參數；S0是太陽常數；τ是大氣透過率；ω是地球自轉頻率；Tmax、Tmin指1d 中地表溫度最大值及最小值。

2.4 土壤侵蝕模數計算

由上文可知,研究區土地利用類型以耕地、林地和草地為主,其它利用類型用地使用面積占比相對較少,所以在土地利用類型的選取上,只選取這3 種面積占比較大的土地利用類型來進行對比分析不同土地利用類型與土壤風蝕的影響。基于GIS 平臺,分別選用對應的耕地、林地、草地土壤風蝕模型,利用獲取的風力侵蝕因子,計算每15d 不同風速等級的土壤侵蝕模數,累加不同風速等級的土壤侵蝕模數,之后再累加風力侵蝕期間所有15d 的土壤侵蝕模數,得到風力侵蝕期間的土壤侵蝕模數。利用風蝕模型計算2018年和2019 年研究區的風蝕模數,依據《土壤侵蝕分類分級標準》 判斷其風蝕特征。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕的空間分布

由圖3 可知,2018 年研究區的風蝕以微度侵蝕和輕度侵蝕為主,二者之間存在著很明顯的分界線:微度侵蝕主要分布在哈樂鎮、大青山鄉、德勝溝鄉和哈拉合少鄉等研究區的東北部及南部；輕度侵蝕則主要分布在二份子鄉、西烏蘭不浪鎮和上禿亥鄉等研究區的西北部和北部,并在西北部伴隨著少量的中度,極強烈和劇烈的風蝕現象。2019 年,研究區在空間分布上沒有太大改變,只隨著侵蝕面積的加減而范圍有所不同,原本微度侵蝕和輕度侵蝕之間的分界線,隨著大部分輕度侵蝕和部分微度侵蝕轉變為其它等級土壤風蝕,也發生改變。由表1 可以看出,2018 年的土壤侵蝕總面積為4875 km2,2019 年土壤侵蝕總面積為4707.01km2。與2018 年相比,2019 年微度侵蝕的面積減少了473.57km2,輕度侵蝕的面積減少了1737.53km2,劇烈侵蝕的面積減少了2.87km2；中度侵蝕的面積增加了277.65km2,強烈侵蝕的面積增加了1754.5km2,極強烈侵蝕的面積增加了3.83km2。

2019 年研究區的土壤風蝕情況在數量上整體呈下降趨勢,但是現有風蝕面積的強度卻在遞增:微度侵蝕、輕度侵蝕和劇烈侵蝕的面積都有不同程度的減少；分布在哈樂鎮、德勝溝鄉等研究區的東北部和南部的微度侵蝕在原本的范圍上縮小；分布在二份子鄉、西烏蘭不浪鎮和上禿亥鄉等研究區的西北部和北部的輕度侵蝕大部分轉變成了其它等級的土壤侵蝕,只有小部分還是原本的輕度風蝕；劇烈侵蝕的面積雖然基數小,但也有下降；相反的,中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕的面積都有不同程度的增加,其中,強烈侵蝕的面積增加的幅度最大。造成這種現象的原因可以歸結為3 部分,分別為土地利用類型、地形地貌和植被覆蓋度。

表1 內蒙古自治區武川縣土壤風蝕面積統計表

3.2 土地利用類型對土壤風蝕的影響

研究區內的土地利用類型以草地為主,其次為耕地和林地,其它土地利用類型由于對土壤風蝕的影響并不密切,在這里不做討論。其中,耕地大部分分布在上禿亥鄉、耗賴山鄉、可可以力更鎮(簡稱可鎮)等研究區的東北部,小部分在西北部,林地主要分布在哈拉合少鄉、德勝溝等研究區的南部和東南部,草地主要分布在南部和西北部。由圖4 可知,2019 年武川縣的土地利用類型沒有發生太大的變化,耕地、林地和草地的空間位置也與2018 年大致相同,但是耕地和林地的面積都有不同程度的下降,只有草地的面積在增加。

2018 年研究區內的耕地上的侵蝕狀況以輕度侵蝕為主,并伴隨著少量的中度、極強烈和劇烈的侵蝕現象,而林地和草地的分布范圍內僅存在微度侵蝕的現象,分布范圍較大,僅次于輕度風蝕；而在2019 年,雖然微度侵蝕的面積減少,范圍明顯縮小,但是主要在耕地上分布的輕度侵蝕大部分轉變成了中度侵蝕和強烈侵蝕,分散在西北部的極強烈侵蝕的面積也有小小增長。

顯然,土地的利用方式對土壤風蝕的結果有很大影響,雖然不能說耕地面積減少,草地面積增加,風蝕情況就一定會變好,因為在原來的利用方式下,林草地里也存在大量微度風蝕,而現如今在耕地面積下降的同時,林地面積也從 708.95km2下降到339.78km2,所以在這種情況下不能保證土壤風蝕情況的改善。相反,由于土壤侵蝕強度的高低與耕地面積的多少成正比,與林地和草地面積的多少成反比,與植被覆蓋度成反比[15],所以這個現象的形成與土地利用類型面積的改變是分不開的。

3.3 地形地貌對土壤風蝕的影響

由于武川縣位于內蒙古自治區中部,陰山北麓,而陰山北麓從陰山山地向蒙古高原過渡,地貌依次為低山、丘陵、緩坡丘陵、波狀高原和高平原。武川縣在歷史上屬于牧區,土壤類型以栗鈣土為主,養分含量較低[12],無論是地形還是土壤條件,這里都不適合農作物的生長；而牧草的生長能力旺盛,可以輕易適應這里的地質環境,而且由上文可知,牧草對武川縣的生態環境有較好的保護作用,增加其植被覆蓋度,抵御風蝕對土壤的沖擊。為了經濟生產的需要,武川縣開始進行農作物的耕種。

過去進行耕種時,主要位于平緩的地界進行開墾,地勢較高的丘陵等地基本不用于耕種,但近年來隨著社會快速發展,人口不斷增加,人們開始濫砍濫耕,耕地也從原來的平緩地界向丘陵擴張。由上文可知,研究區的草地面積雖然有所增加,但是林地面積大幅度減少,且丘陵的土層薄,一旦植被減少失去屏障就極易發生水土流失；且武川縣春冬風大,農耕季節又正值春季,春季的土壤風蝕最為嚴重,其次是冬季[16],所以加重了土壤風蝕的情況。可見,地形地貌也是強烈侵蝕面積大幅度增加的關鍵因素之一。

3.4 植被覆蓋度對土壤風蝕的影響

結合圖5 可知,分布在南部的草地和林地減緩了土壤被侵蝕的程度,而主要分布在東北部的耕地就是因為植被覆蓋度低、經常開墾播種,導致表層土粗化,質地疏松,土壤中有機質含量相對較少,風蝕程度相對較嚴重。結合研究區植被覆蓋度等級及其所占比例(表2) 可知,由于2019 年的林地大幅度減少,且草地面積增加不大,2018 年的植被覆蓋度總面積為3131.84km2,2019 年的植被覆蓋度總面積為3006.51km2,減少了125.33km2；不僅如此,在2019 年,除了高覆蓋度的面積增加了1975.67km2,其它植被覆蓋度等級的面積都在減少,其中,中低覆蓋度和中覆蓋度的面積減少的最為明顯,分別為1021.67km2和1242.04km2。

植物對土壤風蝕的作用主要表現在3 個方面[17]:覆蓋地表,在一定高度上減少了氣流與地面物質之間的能量傳遞,阻止土壤顆粒物的運動。其中,覆蓋地表即植被覆蓋度是其中最主要的表現方式。盡管草地面積大幅度增加,可在林地面積減少后,不能再從一定高度上對氣流的沖擊進行防御,使其它植被覆蓋強度的面積下降,武川縣的風蝕情況還是不容樂觀。

表2 武川縣植被覆蓋度面積統計表

4 討論

土壤風蝕是一個相當復雜的過程,是眾多自然因素和人為因素綜合影響的共同表現。武川縣的生態環境脆弱,土壤風蝕等級逐年加深不僅對大氣環境造成污染,還會對經濟的可持續發展、當地居民的健康形成嚴重威脅。圖6 是針對研究區風蝕現狀的水土保持措施圖,政府可以通過當地地形具體情況因地適宜的進行治理。如,造林是控制風蝕的有效措施之一,防護林減弱風速的原理在于,經過林帶后的氣流形成許多湍流,彼此摩擦消耗動能而降低風速[18]；地梗是作物收割后的秸桿,研究證明,適當保留一定高度的作物留梗可降低地表風速,減弱土壤風蝕程度[19]；也可通過封育、梯田等其它措施提高地表的抗風能力,同時在保障永久基本農田的條件下,禁止過度開墾,保障土壤的有機質含量,防止出現越貧越墾,越墾越貧[20]的惡性循環。

5 結論

本文在遙感技術、GIS 平臺的支撐下,通過風蝕預報模型,結合遙感數據,以2018 年和2019 年武川縣的土壤風蝕為例,對中國西北干旱半干旱地區的土壤風蝕情況進行了分析,結果如下。

2018 年武川縣的土壤侵蝕以輕度和微度侵蝕為主,微度侵蝕主要分布在東北部及南部,輕度侵蝕則主要分布在西北部和北部,僅部分地區達到了劇烈侵蝕,而2019 年武川縣的土壤侵蝕則以微度侵蝕和強烈侵蝕為主,本文將原因歸結為土地利用類型、地形地貌和植被覆蓋度3 個方面。

在土地利用類型上,草地的面積最大,其次為耕地和林地。2019 年,除了草地面積增加以外,耕地和林地的面積都在減少,大部分輕度侵蝕和部分微度侵蝕轉變為其它等級土壤風蝕。

由于武川縣地處陰山北麓與蒙古高原的過渡地帶,土層薄弱,極易發生水土流失,且春冬風大,農耕季節又正值春季,加重了土壤風蝕的情況。

相比于2018 年,雖然高覆蓋度的面積增加,但是其它等級的覆蓋度面積都處于下降狀態,使土地不能再從植被高度的層面上抵御氣流的沖擊,對武川縣土壤風蝕情況造成影響。

土地利用方式、地形地貌和植被覆蓋度都與土壤風蝕的強度密切相關。不同土地利用類型下的土壤風蝕程度不同,耕地＞草地＞林地；土壤風蝕程度的高低與植被覆蓋度的高低成反比。這為防止土壤退化提供了基礎,可以根據當地的地形情況通過封育保護、梯田、造林、保留地梗防治土壤風蝕。