黑土典型區土壤侵蝕危險度空間特征分析

陳曉寧，蔣好忱*，雷寶佳

（1.自然資源部第一地形測量隊，陜西 西安 710054；2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054）

土地是人類最寶貴的自然資源和生存基礎，隨著經濟發展對資源開發強度的提高，土地利用和自然資源生態保護已成為當前的熱點問題，而土壤侵蝕是自然資源領域不可忽視的關鍵環節。一般來說，土壤侵蝕危險度主要是指有效土層厚度被完全侵蝕所需的時間，即抗侵蝕年限。土壤侵蝕危險度主要用于評估、預測在無明顯侵蝕區引起侵蝕和已侵蝕區加劇侵蝕的可能性大小，同時表示以當前侵蝕速率發展，該土壤層能夠承受的侵蝕年限。評估和預測土壤侵蝕危險度，對于自然資源保護、土地經營、農業開發以及經濟建設均具有預防和預警意義[1]。

目前已有一些國內外學者對土壤侵蝕危險度進行了研究[2-9]，但大部分國內學者均以我國南方地區為主要研究對象，很少涉及北方地區，孫希華[10]等首次對北方地區（濟南市丘陵地區）不同坡度等級、不同坡向和不同土地利用類型的土壤侵蝕危險度進行了評價。本文以黑龍江省拜泉縣東部的張口屯小流域為典型樣區，研究了東北黑土區的土壤侵蝕危險度，并對其空間分布特征進行了分析。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文選取的研究區位于黑龍江省拜泉縣東部的張口屯小流域（圖1），為東北黑土區腹地，是黑土流失重點區域；地勢西高東低，中部為河流谷地地貌類型，以臺地和低丘為主；成土母質主要為黃土狀粘土；土壤類型為黑土，植被類型豐富。由于降雨集中、耕作粗放以及土地利用不合理，導致水土流失日趨嚴重。保持黑土肥力、防治水土流失，已成為當前發展經濟亟待解決的主要任務。研究區屬中溫帶大陸性季風氣候，降雨集中，年平均降水量為489.4 mm，53.3%的降水集中在7－8月；年平均氣溫為1.3℃，無霜期為155 d，數據來源于拜泉縣近40 a的氣象觀測資料。

圖1 研究區地理位置 （審圖號：GS(2008)1341）

本文采用的數據主要包括土壤數據、地形數據和土地利用數據，其中土壤數據來源于第二次全國土壤普查數據；地形數據由1∶50 000地形圖生成，DEM空間分辨率為10 m；土地利用數據通過目視解譯2014年 WorldView影像獲取。

1.2 研究方法

首先利用土壤侵蝕預報模型估算土壤侵蝕模數；再根據土壤資料獲取土層厚度和土壤密度等數據；然后根據減去了臨界土層的有效土層厚度與年平均侵蝕 深度的比值，計算土壤表層所能承受的侵蝕年限。 具體公式為：

式中，N為黑土層的抗蝕年限，單位為a；H為不同土壤類型的黑土層厚度，單位為cm；ρ為各類土壤的容重，單位為g/cm3；A為侵蝕模數，單位為t/(hm2?a)；f為單位換算系數。

土壤侵蝕模數通過通用土壤流失方程[11]（USLE）計算獲取，即

式中，R為降雨侵蝕力因子，單位為J/m2；K為土壤可蝕性因子，單位為t/hm2；L、S分別為坡度因子和坡長因子；C為植被與經營管理因子；P為水土保持措施因子。

許多學者對水土保持措施因子進行了研究，但由于研究方法和區域復雜程度的差異，目前還沒有一個十分完善的計算模型。本文主要考慮的是梯田和地埂兩種措施，通過遙感影像目視解譯梯田和地埂的覆蓋范圍，并通過經驗值得到。參考相關資料以及大量前人的研究成果，本文設置梯田的水土保持措施因子為0.029，地埂的水土保持措施因子為0.145。

本文利用ArcGIS軟件對土壤普查數據進行分析，獲取了土壤類型分布、土壤容重、土層厚度等土壤屬性數據；并利用DEM提取了坡度、水系、流域邊界等地形水文特征信息，如圖2～5所示。

圖2 研究區地形

圖3 研究區坡度

圖4 研究區土地利用類型

圖5 研究區土壤類型

2 研究結果與分析

本文利用ArcGIS軟件，將土壤厚度、土壤容重、侵蝕模數式（1）進行空間疊加運算，生成土壤抗蝕年限分布結果。為了排除平地對抗蝕年限的干擾，本文去除了研究區內的平地（坡度小于2 ）區域；并進行了分級統計，將黑土層抗蝕年限劃分為＜50 a、50～100 a、100～200 a、200～500 a、500～1 000 a 和＞1 000 a等6個等級，如圖6所示。各等級的面積如表1所示，可以看出，研究區現有土地中約有 44.01 hm2的耕地黑土層可能將在50 a內剝蝕殆盡，約占研究區總面積的0.47%；而約有4 038.75 hm2的土地黑土層抗蝕年限在1 000 a以上，占研究區的43.59%。

圖6 研究區抗蝕年限的空間分布

表1 抗蝕年限分級統計

本文將不同的子流域與抗蝕年限進行空間疊加分析，得到各子流域的平均抗蝕年限，結果如表2所示，可以看出，范家屯小流域的平均抗蝕年限最長，約為 4 188 a，分析發現該小流域多數地區的坡度小于3 ，地勢較低，土壤類型主要為潛育草甸土，大大提升了其抗蝕年限；朱寶屯小流域的平均抗蝕年限最短，約為1 716 a，分析發現該小流域的坡度多為3～5 ，土壤類型主要為薄層粘底黑土，尤其是該區域的主要土地利用類型為耕地，這些因素明顯降低了其抗蝕年限；羅家屯小流域的平均抗蝕年限略小于范家屯小流域，分析發現該小流域的坡度多為0～3 ，主要為耕地，有少數林地和草地，土壤類型主要為潛育草甸土。

表2 各子流域的抗蝕年限統計

2.1 不同土壤類型的抗蝕年限分析

本文將研究區的土壤類型分為薄層粘底黑土、平地粘底草甸土、破皮黃粘底黑土、厚層粘底黑土、薄層砂底黑土、破皮黃砂底黑土和潛育草甸土。通過疊加分析，得到不同土壤類型情況下的黑土層抗蝕年限，如表3所示，可以看出，厚層粘底黑土的平均抗蝕年限最長，為7 181 a，年限由長到短依次為平地粘底草甸土、潛育草甸土、薄層砂底黑土、薄層粘底黑土、破皮黃粘底黑土、破皮黃砂底黑土。

表3 不同土壤類型的抗蝕年限統計

對土壤類型的抗蝕年限和在研究區的面積分布進行分析發現（圖7），研究區內土壤的抗蝕年限與面積分布大小呈明顯的反比例關系，抗蝕年限長的土壤類型在區域內的面積占比非常小，抗蝕年限越短的脆弱土地在區域內的分布面積越廣，抗蝕年限低于2 000 a的土壤面積達到了區域總面積的90%左右，因此研究區的整體土壤侵蝕危險度相對較高。

圖7 研究區土壤抗蝕年限與面積分布的關系

2.2 不同坡度的土地利用類型的抗蝕年限分析

研究區內的土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和裸地。本文利用DEM生成小流域坡度數據，并將坡度分為5個等級，分別討論坡度為3～5 、5～8 、8～15 的不同土地利用類型的抗蝕年限，疊加分析后的結果如表4、圖8所示。

圖8 不同土地利用類型抗蝕年限的坡度變化

表4 不同坡度的土地利用類型的抗蝕年限統計

總體來說，林地的抗蝕年限較長，明顯高于其他土地利用類型，且受坡度影響較小；耕地和裸地的抗蝕年限較短，裸地受坡度影響較大，隨著坡度的增加其抗蝕年限明顯減少。

參考水利部土壤侵蝕危險度的分級標準，研究區按照目前的土地利用和耕作管理方式，林地、城鄉工礦居民用地、坡度8 以下的草地和裸地的抗蝕年限均在1 000 a以上，土壤侵蝕危險度為無險型；8 以上的草地、耕地以及裸地的抗蝕年限介于100～1 000 a之間，土壤侵蝕危險度為輕險型。

3 結 語

本文以張口屯小流域黑土區為例，通過數字地形分析，利用土壤侵蝕原理與方法對數據進行了分析處理，對研究區土壤侵蝕危險性定量評價指標體系進行了分級，得到以下結論：

1）東北黑土區的坡面侵蝕和溝谷侵蝕均以輕度侵蝕為主，中、強度侵蝕面積比例較小。林地、城鄉工礦居民用地、8 以下草地和裸地的抗蝕年限均在 1 000 a以上；大于8 草地、耕地、裸地的抗蝕年限介于100～1 000 a之間。

2）從土壤類型來看，薄層粘底黑土、破皮黃粘底黑土、破皮黃砂底黑土的抗蝕年限較短，面積為 4 540.5 hm2，約占研究區總面積的90%，因此研究區存在一定的潛在土壤侵蝕危險。