陜西省黃土高原溝道侵蝕分析研究

左飛航，張少偉，權紅花

（1. 自然資源部陜西基礎地理信息中心，陜西 西安 710054）

黃土高原的土壤侵蝕現象是一個重大的環境問題[1]。陜西省黃土高原地區的地形異常破碎，植被覆蓋度較差，土壤侵蝕極為嚴重[2]。陜西省北部是我國最典型的黃土高原區域，研究該區域的土壤侵蝕特征，對于整個黃土高原來說極具代表性。另一方面，習近平總書記提出黃河流域生態保護和高質量發展的戰略部署，使得該區域的研究更具時代意義。本文利用侵蝕溝道數據、地理國情監測數據[3]、數字高程模型（DEM）和遙感影像數據等，首先評價了研究區的土壤侵蝕狀況；然后以侵蝕溝道為單元，對陜西省黃土高原土壤侵蝕強度和分布特征進行了分析研究。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

陜西省分為北部黃土高原區、中部關中平原區和南部秦巴山區，其中黃土高原區在陜西省境內共包括6個地市、46個縣區，地貌類型為高原溝壑區和丘陵溝壑區，總面積約為10.6 萬km2。陜西省黃土高原地區水土流失嚴重，屬于重點防治區域。20年來我國大范圍推廣退耕還林還草工程，陜西省黃土高原的植被覆蓋不斷增加，已經極大改善了區域土壤侵蝕情況，水土流失也呈現出了新的特征，因此有必要利用新的數據和方法進行研究和總結。

1.2 數據來源

近年來，我國開展了水利普查[4]、地理國情監測[5]等自然資源調查工作，積累了豐富的自然資源數據。本文利用全國第一次水利普查數據獲取陜西省黃土高原侵蝕溝道數據；利用基礎性地理國情監測成果獲取土地利用數據，提取耕地數據；利用10 m分辨率的精細化DEM計算坡度；利用中分辨率遙感影像Landsat8 OLI 影像估算植被覆蓋度；進而研究侵蝕溝道的土壤侵蝕強度特征。

2 研究方法

2.1 侵蝕溝道數據獲取方法

溝道數據的提取以DEM和高分辨率遙感影像為數據源，首先利用空間水文分析方法進行初步提取，再采用人工后期處理的方式，提取侵蝕溝道范圍面和溝道線[6]?？臻g水文分析的具體步驟包括在DEM 數據的基礎上進行洼地填充、水流方向提取、匯流累積量計算、參考閾值分區域選取、柵格河網生成、出水口數據生成、原始溝道面數據生成、柵格數據矢量化等[7]。侵蝕溝道范圍面是指侵蝕溝的匯水區域。提取溝道線層時，按照由高到低的方向提取矢量線，并計算高差。

2.2 土壤侵蝕評價方法

本文采用SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》，主要因素包括坡度、土地利用類型和植被覆蓋度。土壤侵蝕強度分為輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈5個等級，具體如表1所示。

表1 土壤侵蝕分級指標

1）坡度計算方法。利用DEM 計算坡度，并按照表1劃分坡度等級。

2）土地利用類型提取方法。地理國情監測中的地表覆蓋包括種植土地（01）、林草覆蓋（03）、房屋建筑區（05）、鐵路與道路（06）、構筑物（07）、人工堆掘地（08）、荒漠與裸露地表（09）、水域（10）等類別，括號中表示類別代碼。本文將種植土地（01）中的水田（0110）和旱地（0120）作為耕地數據，其他類作為非耕地數據。

3）植被覆蓋度計算方法。利用Landsat8 OLI影像計算歸一化植被指數（NDVI），首先選取2015—2018 年植物生長期（7 月）的影像，再利用近紅外波段和紅光波段計算NDVI 值。

采用二分法估算植被覆蓋度，將植被指數換算為植被覆蓋度，即

式中， NDVImin、 NDVImax分別為最小、最大NDVI 值。

在影像上選取20個無植被覆蓋度的裸土區和沙漠區，再選取20 個高植被覆蓋度的植被區作為樣本區域，每個區域不少于4 個像元；分別計算無植被覆蓋度和高植被覆蓋度樣本區域的NDVI 平均值；取無植被覆蓋度和高植被覆蓋度樣本區域的NDVI 算術平均值作為NDVImin、NDVImax。

2.3 統計分析方法

1）頻數分析。頻數是指某一特征出現的次數。本文對侵蝕溝道的面積和溝道線長度進行分級，并統計了每個級別對應溝道的頻數。

2）空間（緯度）分布。為了研究侵蝕特征隨緯度的變化情況，本文將研究區域按緯度劃分為若干緯度分帶，統計了每個分帶上的侵蝕溝道面積、溝道線長度、溝道縱比、侵蝕強度分級等指標。

3）相關性分析。本文中各項指標的統計值均隨緯度的變化而呈現出規律性的變化，且多為線性變化，因此采用決定系數R2表示擬合的相關性。

2.4 溝道侵蝕強度分析方法

1）重度以上侵蝕比。將重度、強烈、極強烈侵蝕定義為重度以上侵蝕，將溝道內重度以上侵蝕面積與溝道面積的比例定義為重度以上侵蝕比。

式中，S1為重度以上侵蝕面積；S 為侵蝕溝道面積。

2）溝道侵蝕強度。以溝道為單元，以侵蝕強度等級的面積為權重，計算各等級的加權平均值，作為溝道侵蝕強度。

式中， Di為侵蝕強度對應的等級，無侵蝕（0）、輕度侵蝕（1）、中度侵蝕（2）、重度侵蝕（3）、強烈侵蝕（4）、極強烈侵蝕（5）；Si為侵蝕強度等級對應的面積，溝道侵蝕分級指標如表2所示。

表2 溝道侵蝕分級指標

3 研究結果分析

3.1 侵蝕溝道分布規律

陜西省約占黃土高原面積的20%，底層溝道數量為14.94 萬條，預計黃土高原底層溝道約為75 萬條。通過計算侵蝕溝道面積和溝道線長度發現（圖1），面積為20 km2左右的侵蝕溝道最多，面積越大的侵蝕溝道越少，鮮有100 km2以上的侵蝕溝道；溝道線長度為600 m 左右的侵蝕溝道最多，溝道線長度越長的侵蝕溝道越少，鮮有1 800 m 以上的侵蝕溝道。因此，陜西省黃土高原區域內，面積為15~50 km2，溝道線長度為500~1 000 m的侵蝕溝道最為常見。

圖1 侵蝕溝道面積和侵蝕溝長度頻數分布圖

陜西省內黃土高原的侵蝕溝道主要分布在北緯34.5°~39°之間，縱向貫穿了黃土高原中部，本文以0.5°為間隔劃分緯度帶，分別計算溝道面積、長度、溝道縱比的平均值（圖2）。溝道縱比是指溝道線高差與長度的比值。

圖2 侵蝕溝道面積、長度、縱比的緯度分布圖

3.2 土壤侵蝕強度分析

本文利用GIS 方法對陜西省黃土高原的土壤侵蝕強度進行分級，各級別面積和比例如表3所示，可以看出，中度侵蝕區域面積最大，由中度侵蝕到劇烈侵蝕，侵蝕等級每上升一個等級，面積比例約減少一半。

表3 土壤侵蝕面積與比例

在土壤侵蝕分類分級標準中，侵蝕強度主要由坡度和植被因素決定，本文按照標準對坡度、植被覆蓋度和侵蝕強度等級進行分級，并計算了每個緯度分帶的平均等級，結果如圖3所示，可以看出，陜西省黃土高原區域存在一條明顯的侵蝕分界線（北緯37°），37°以南的區域坡度逐漸升高、植被覆蓋度逐漸降低，共同導致侵蝕逐漸增強；37°以北坡度逐漸下降，而植被覆蓋度在較低的位置趨于穩定，侵蝕等級趨向于降低。然而，本文只分析了水力侵蝕作用，37°以北的部分區域逐漸進入風沙過渡區，風力侵蝕逐漸嚴重。

圖3 坡度、植被覆蓋度和侵蝕強度等級與緯度的關系

3.3 溝道侵蝕強度分析

1）重度以上侵蝕比分析。本文利用溝道重度以上侵蝕比指標對溝道進行劃分，并統計了累計百分比曲線（圖4），可以看出，黃土高原區域重度以上侵蝕比達到50%的溝道約為8.6 萬條，約占溝道總數的60%；重度以上侵蝕比達到80%以上的溝道為3萬條，約占溝道總數的20%；重度以上侵蝕比為20%以上的溝道為12萬條，約占溝道總數的80%。由重度以上侵蝕比隨緯度的變化曲線（圖5）可知，北緯36°（富縣附近）以南重度以上侵蝕比維持在20%~30%，36°以北急劇上升，在37°左右（安塞縣北部）達到80%，隨后下降至60%左右（橫山縣附近）。

圖4 重度以上侵蝕溝道累計曲線

圖5 重度以上侵蝕溝道隨緯度變化曲線

2）溝道侵蝕強度分析。溝道侵蝕強度的頻數分布如圖6 所示，可以看出，溝道侵蝕強度主要分布于中度、重度和強烈侵蝕，重度侵蝕溝道最多，呈正態分布，采用二次多項式擬合的決定系數為0.93，規律性非常強。溝道侵蝕強度隨緯度變化的特征（圖7）與重度以上侵蝕比隨緯度的變化一致，北緯36°以北急劇上升，在37°左右（安塞縣北部）達到頂峰，在此不再贅述。北緯36°以南的區域，主要為高塬溝壑區，溝道侵蝕相對較弱，主要為中度侵蝕；37°附近為丘陵溝壑區，由于附近的植被覆蓋度迅速降低，溝道侵蝕以重度、強烈侵蝕為主；38°以北由于降水條件降低，溝道侵蝕強度下降到重度以下。

圖6 溝道侵蝕強度曲線

圖7 溝道侵蝕強度的隨緯度變化曲線

4 結 語

1）本文利用可信數據源，獲取了侵蝕溝道分布規律、土壤侵蝕強度和溝道侵蝕強度，評價結果更具科學性和實用性。陜西省黃土高原區域中，面積為15~50 km2，溝道線長度為500~1 000 m 的侵蝕溝道最為常見。對于侵蝕溝道，面積、長度、溝道縱比3 個指標由南向北均呈下降趨勢，線性下降趨勢明顯，在北緯35.5°附近（黃陵—黃龍）各項指標出現了急劇減小。

2）陜西省黃土高原區域的土壤侵蝕級別主要為中度侵蝕到劇烈侵蝕，侵蝕等級每上升一個等級，面積比例約減少一半。陜西省黃土高原區域存在一條明顯的侵蝕強度變化分界線，即北緯37°（安塞縣附近），以南的區域侵蝕逐漸增強，以北的區域侵蝕逐漸減弱。

3）為了研究溝道侵蝕特征，本文提出了重度以上侵蝕比和溝道侵蝕強度兩項指標。重度以上侵蝕比反映了溝道內部的侵蝕情況，重度以上侵蝕比的累計曲線呈直線上升態勢，特點為“20—80”分布，即80%的侵蝕溝道內部有20%區域達到重度以上侵蝕，20%的侵蝕溝道內部有80%區域達到重度以上侵蝕。溝道侵蝕強度主要集中于中度、重度和強烈侵蝕，其中重度侵蝕溝道最多，呈顯著的正態分布特征，二次曲線擬合趨勢極為明顯。

4）重度以上侵蝕比和溝道侵蝕強度的空間分布變化為自南向北先急劇上升再下降并趨于平穩。北緯36°以南的區域主要為高塬溝壑區，溝道侵蝕相對較弱，主要為中度侵蝕；北緯36°~38°為丘陵溝壑區，由于附近的植被覆蓋度迅速降低，溝道侵蝕以重度、強烈侵蝕為主，在37°附近溝道侵蝕達到頂峰；38°以北由于降水條件降低，溝道侵蝕強度下降到重度以下。