遼寧省水土保持功能重要性評價

李明熹

(朝陽華瑞工程技術咨詢有限公司，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

一般地，對維持人類生存及社會發展的自然環境條件而采取的各項水土保持措施的綜合效用統稱為水土保持功能。因此，根據區域生態環境特征揭示水土保持功能分異規律，并對水土保持功能區域按不同重要性等級劃分，從而實現水土保持功能重要性評價，可為制定生態保護政策、確定生態保護紅線和管理區域生態系統等提供參考[1]。

遼寧省作為北方典型的綜壤丘陵區，降雨時空分布不均且地形崎嶇坡度較大，極易誘發土壤侵蝕。近幾年，生態文明示范區和生態省建設等重大決策的實施，大大提高了水土保持生態建設速度。目前，針對遼寧省土壤侵蝕的研究多集中于侵蝕現狀評估與監測，而以水土保持量評價水土保持功能的研究相對較少。在全面推進生態文明建設的部署下，遼寧省及其周邊區域的生態安全以生態保護紅線為底線，故科學評估水土保持功能重要性的意義重大。鑒于此，本研究利用修正的通用水土流失方程(RUSLE)和植被指數、數字高程、土壤、降水等數據，基于GIS技術估算了遼寧省土壤保持量，在此基礎上合理劃分了水土保持功能區，以期為科學劃定遼寧省生態保護紅線提供一定指導[2]。

1 研究方法

1.1 研究區概況

遼寧省東北部與吉林接壤，西北與內蒙古臨界，南鄰黃海、渤海，與日本、韓國、山東半島隔海相望，地處E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′范圍，南北寬約530km，東西長約574 km，總面積148084km2。地貌類型大體呈“六山一水三分田”，水面、平地、山地所占比例為9%、33%、58%。氣候屬于溫帶半濕潤和半干旱的季風氣候區，氣候特征為干燥多風，日照豐富，雨熱同季，四季分明，因自然地理條件不同各地氣候差異顯著，年均氣溫5-10℃，平均風速2-5 m/s，日照時數2270-2290h，年均降雨量600-1100mm。

遼東山地丘陵多為山地棕色和暗棕色森林土，土層厚處于0.5-1.0m左右，植被復蓋良好，森林復蓋率達到50%，遼東半島森林覆蓋率25%，自然植被以針葉混合林和闊葉林，多柞木林，地面枯枝落葉層較厚，土壤侵蝕輕微。東部沿海北部及半島丘陵多為砂石土，東部山丘何不有山地砂土、淤土，河谷較窄，東溝沿海南部為黑土，土壤侵蝕以水力侵蝕為主。

1.2 數據來源

由中國氣象數據共享網提供降雨基礎數據，即研究區2016-2020年降雨月值數據來源于氣象數據共享網；土壤基礎數據、植被基礎數據和數字高程數據(空間分辨率為1km)來源于第二次全國土地調查的1∶100萬土壤數據、年度植被指數(NDVI)和海拔高度(DEM)空間分布數據，以上數據均由中科院資源環境科學與數據中心提供。

1.3 研究方法

借鑒《生態保護紅線劃定指南》擬選用修正的通用水土流失方程(RUSLE)，構建水土保持功能重要性評價模型，模型結構如下：

Ap=R×K×L×S

(1)

Ar=R×K×L×S×C×P

(2)

Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)

(3)

式中：Ac、Ap、Ar為土壤保持量、潛在和實際土壤侵蝕量，t/(hm2·a)；R、K為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]和土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/(MJ·hm2·mm)]；L、S、C、P為坡長、坡度、植被覆蓋和水土保持措施因子(無量綱)；以自然生態系統為研究對象，故P因子值取1。文章將評價等級利用自然斷點法劃分成極其、高度、中等、較為和一般重要5級，評價流程如圖1所示。

圖1 水土保持功能重要性評價流程

1.3.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力一般難以直接測定，利用降雨歷時、降雨強度、降雨量等參數估算降雨引起土壤侵蝕的潛在能力。文章采用周伏建等提出的方法估算降雨侵蝕力R值，其表達式為：

(4)

式中：Pi為月均降雨量，mm；采用降雨基礎數據計算研究區2016-2020年5a間的各月降雨均值，然后利用公式(7)求解出年均降雨侵蝕力R值，并對R值應用Arc GIS軟件完成克里金插值運算，從而揭示區域降雨侵蝕力的空間分布規律[3]。

1.3.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性因子反映了土壤抵抗侵蝕的能力，這是衡量不同類型土壤侵蝕敏感性的主要參數。文章利用《生態保護紅線劃定指南》推薦的公式計算土壤可蝕性因子K值，其表達式為：

K=fhisand×forgc×fcl-si×fcsand

(5)

fhisand=1-0.7(1-ms/100)/{1-ms/100+exp[-5.51+22.9(1-ms/100)]}forgc=1-0.25orgC/[orgC+exp(3.72-2.95orgC)]fcl-si=[msilt/(mc+msilt)]0.3fcsand=0.2+0.3exp[-0.0256ms(1-msilt/100)]

(6)

式中：ms、mc、msilt為土壤粗砂、粉砂和黏粒含量，%；orgC為有機碳含量，%。結合土壤基礎數據利用Arc GIS軟件提取土壤有機碳、黏粒、粉砂和粗砂含量，土壤侵蝕力K值利用公式(5)-(6)計算，從而揭示區域土壤侵蝕力空間分布規律。

1.3.3 地形因子

一般地，地形因子有坡長、坡度兩個，其中坡長因子是指地表狀況、坡度、土壤和降雨等條件相同的情況下，與標準坡長的坡面相比某坡長的坡面土壤流失量所占比例；坡度因子是指在其他條件不變的條件下，與標準坡度的坡面相比某坡度的坡面土壤流失量所占比例。文章利用劉保元等提出的公式計算坡長因子L和坡度因子S，其表達式為：

L=(λ/22.13)m

(7)

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°S=16.8sinθ-0.50；5≤θ≤10°S=21.91sinθ-0.96；θ≥10°

(8)

式中：λ為坡長,m；θ為坡度，°；m為坡長指數，其中θ<1°時m取0.2，1°≤θ<3°時m取0.3，3°≤θ<5°時m取0.4，θ≥5°時m取0.5。結合數字高程數據利用Arc GIS軟件提取區域DEM值，坡度坡長因子LS值利用公式(7)-(8)計算，從而揭示區域地形因子空間分布規律。

1.3.4 植被覆蓋因子

植被覆蓋因子是指在地形、土壤和降雨條件相同的情況下，與撂荒土地相比一定時間內長有作物或者植被土地的土壤流失量所占比例。文章利用歸一化植被指數(NDVI)計算植被覆蓋度，借鑒蔡崇法等提出的公式計算植被覆蓋因子C值，其表達式為：

C=1；c=0C=0.6508-0.343611g；078.3%

(9)

研究區年平均NDVI值采用2016-2020年中國年度植被指數空間分布數據集進行計算，植被覆蓋因子C值按照公式(9)計算，從而揭示區域植被覆蓋因子空間分布規律。

2 結果與分析

2.1 實際土壤侵蝕量

寧省土壤保持量和土壤侵蝕量見表1。

表1 遼寧省土壤保持量和土壤侵蝕量

由表1可知，遼寧省實際土壤侵蝕總量為2.77×108t/a，平均土壤侵蝕模數為1873.39t/(km2·a)。從實際土壤侵蝕量上，撫順市(249.82×104t/a)<朝陽市(1124.34×104t/a)<大連市(1180.92×104t/a)<營口市(1355.32×104t/a)<盤錦市(1613.98×104t/a)<錦州市(1668.42×104t/a)<葫蘆島市(1795.45×104t/a)<丹東市(1953.95×104t/a)<遼陽市(2004.46×104t/a)<阜新市(2199.45×104t/a)<本溪市(2299.41×104t/a)<沈陽市(3203.95×104t/a)<鞍山市(3253.97×104t/a)<鐵嶺市(3344.61×104t/a)。在空間分布上，全省呈不連續塊狀分布特征，自西北內地向東南沿海土壤侵蝕模數總體呈增大趨勢，但遼西和遼東局部低山丘陵地帶土壤侵蝕較嚴重。

2.2 潛在土壤侵蝕量

遼寧省潛在土壤侵蝕總量為30.72×108t/a，平均潛在土壤侵蝕模數為20747.25t/(km2·a)。從潛在土壤侵蝕量上，遼陽市(0.79×108t/a)<錦州市(1.00×108t/a)<營口市(1.40×108t/a)<撫順市(1.41×108t/a)<盤錦市(1.61×108t/a)<本溪市(1.63×108t/a)<鞍山市(1.85×108t/a)<<葫蘆島市(2.40×108t/a)<大連市(2.51×108t/a)<鐵嶺市(2.63×108t/a)<阜新市(2.74×108t/a)<丹東市(3.11×108t/a)<沈陽市(3.18×108t/a)<朝陽市(4.45×108t/a)。在空間分布上，潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕模數基本相反，自西北內地向東南沿海潛在土壤侵蝕量總體呈減小趨勢，該變化特征與遼寧省降雨、地形等侵蝕因子有關。

2.3 土壤保持量

遼寧省土壤保持總量為28.78×108t/a，平均土壤保持模數為19435.34t/(km2·a)。從土壤保持量上，遼陽市(0.59×108t/a)<大連市(0.83×108t/a)<營口市(1.27×108t/a)<撫順市(1.32×108t/a)<本溪市(1.40×108t/a)<盤錦市(1.45×108t/a)<鞍山市(1.53×108t/a)<葫蘆島市(2.22×108t/a)<鐵嶺市(2.30×108t/a)<大連市(2.39×108t/a)<阜新市(2.52×108t/a)<沈陽市(2.86×108t/a)<丹東市(2.93×108t/a)<朝陽市(4.35×108t/a)。在空間分布上，自西北內地向東南沿海土壤保持模數總體呈減小趨勢，該變化特征與地表植被覆蓋、降雨等因子有關。

2.4 水土保持功能重要性

文章以17840、20115、67 526、108171為分界值，將遼寧省水土保持功能重要性利用自然斷點法劃分成5級，如表2所示。全省水土保持功能一般、較為、中等、高度、極其重要區面積分別為89598.64、26684.97、18307.10、9812.57、3680.72km2，占全省面積的60.51%、18.02%、12.36%、6.63%、2.49%。

表2 水土保持功能重要性劃分

在空間分布上，遼東和遼西山地、丘陵區零星分布有極其重要區，塊狀零星分布有高度中重要區；遼北地區集中分布有中等重要區，較為重要區在遼河平原、河谷、局部山區盆地分布廣泛，而遼中和沿海平原地區的水土保持功能以一般重要區為主。

3 結 論

1)文章利用修正的通用水土流失方程(RUSLE)和植被指數、數字高程、土壤、降水等數據，基于GIS技術估算了遼寧省土壤保持量，并結合實際情況劃分了水土保持功能重要性等級。結果表明：全省平均土壤保持模數為18614.51t/(km2·a)，土壤保持總量28.78×108t/a；全省水土保持功能一般、較為、中等、高度、極其重要區面積分別為89598.64、26684.97、18307.10、9812.57、3680.72km2，占全省面積的60.51%、18.02%、12.36%、6.63%、2.49%。遼東和遼西山地、丘陵區零星分布有極其重要區，塊狀零星分布有高度中重要區；遼北地區集中分布有中等重要區，較為重要區在遼河平原、河谷、局部山區盆地分布廣泛，而遼中和沿海平原地區的水土保持功能以一般重要區為主。

2)研究過程中仍存在一定的不足：受基礎數據收集限制以國家級臺站數據估算降雨侵蝕力，如采用更多地方級臺站數據可進一步提高估算精度；RUSLE方程的各因子計算方法是評價水土保持功能重要性的關鍵，文中以劉寶元提出的方法計算坡度因子，該方法是否適用于北方丘陵區及其精度仍有待檢驗；水土保持功能重要性等級劃分指標及其級數尚無明確標準，文章結合研究區生態保護需求情況和水土流失現狀，將評價等級利用自然斷點法劃分呈5級，未來仍需結合實際情況加以完善。