2015～2020年濰坊市土壤保持量動態變化研究

徐偉紅,肖 泱

(山東省濰坊生態環境監測中心,山東 濰坊 261041)

土地資源是人類賴以生存和發展的基本資源,但由于人類在發展過程中對土地保護的忽視,破壞土地的活動已經嚴重阻礙了人類社會的可持續發展,土壤營養物質的喪失很大原因是由于土壤侵蝕導致的[1,2]。目前,眾多學者對不同區域尺度的土壤保持功能進行了研究[3-5]。

本文以遙感和地面調查數據為基礎,結合生態系統長期監測數據,定量評估生態系統的土壤保持功能,分析其空間格局和變化情況,以便了解生態系統服務功能的變化趨勢[6,7]。

1 研究區概況與數據來源

濰坊市位于山東半島西部,居半島城市群中心位置,濰坊市域地貌自北向南,由低到高,形成幾個臺階,大體上分為低地、平原及低山丘陵3個地貌區及18個地貌類型。濰坊市域屬北溫帶季風區,背陸面海。受歐亞大陸和太平洋的共同影響,大陸度在50%以上,是暖溫帶季風型半濕潤大陸性氣候,其氣候特點為冬冷夏熱,四季分明。

生態系統土壤保持量表示研究區內潛在土壤侵蝕量和實際土壤侵蝕量的差值,表征研究區內土壤抗侵蝕能力的強弱。土壤保持量評價的數據源主要包括濰坊市2015～2020年生態系統類型與分布遙感解譯數據、基礎地理數據和氣象觀測數據,并綜合運用生態系統的長期監測數據,以及有關生物多樣性、水土保持、生態水文等學術文獻數據,部分數據直接從氣象站點、網站下載和樣方調查獲取,部分數據由遙感數據反演計算得到[8]。

2 評估方法

圖1為生態系統土壤保持量的反演流程圖,指標反演的主要源數據包括降雨量數據、土壤侵蝕數據、DEM高程數據、植被覆蓋度數據和生態系統分類解譯數據。

圖1 生態系統土壤保持量反演流程

基于修正土壤流失方程(RUSLE)計算:

Qsr=Qse_p-Qse_a

(1)

Qse_p=R×K×L×S

(2)

Qse_a=R×K×L×S×C

(3)

式中:Qsr為土壤保持量,t·hm-2a-1;Qse_p為潛在土壤侵蝕量,t·hm-2a-1;Qse_a為實際土壤侵蝕量,t·hm-2a-1;R為降雨侵蝕力因子,MJmmhm-2h-1a-1;K為土壤可蝕性因子,thm2hhm-2MJ-1mm-1;L為坡長因子,無量綱;S為坡度因子,無量綱;C為植被覆蓋因子,無量綱。

降雨侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、坡長坡度因子L、S及植被覆蓋因子C的計算方法如下,降雨侵蝕力因子(R)是降雨引發土壤侵蝕的潛在能力。

(4)

(5)

降雨侵蝕力空間數據可以根據全國范圍內氣象站點多年的逐日降雨量資料,通過插值獲得。

土壤可蝕性因子(K)反映了土壤顆粒被水力分離和搬運的難易程度,是評價土壤對侵蝕敏感程度的重要指標,主要與土壤質地、有機質含量、土體結構、滲透性等土壤理化性質有關。采用如下公式進行計算。

KEPIC={0.2+0.3exp[-0.025 6ms(1-msilt/100)]}×

[msilt/(mc+msilt)]0.3×

{1-0.25 orgC/[orgC+exp(3.72-2.95 orgC)]}×

{1-0.7(1-ms/100)/{1-ms/100+

exp[-5.51+22.9(1-ms/100)]}}

(6)

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(7)

式中:K為土壤可蝕性因子,t·hm2hhm-2MJ-1mm-1;mc為粘粒(<0.002 mm)百分含量,%;msilt為粉粒(0.002～0.05 mm)百分含量,%;ms為砂粒(0.05～2 mm)百分含量,%;orgC為有機碳的百分含量,%。

坡長和坡度因子(L、S)反映了坡長、坡度等對土壤侵蝕的影響,按照如下公式計算。

(8)

m=β/(1+β)

(9)

β=(sinθ/0.089)/[3.0×(sinθ)s0.8+0.56]

(10)

(11)

式中:L為坡長因子;S為坡度因子;m為坡長指數;θ為坡度,(°);λ為坡長,m。

植被覆蓋因子(C)反映了生態系統對土壤侵蝕的影響,是控制土壤侵蝕的積極因素。水田、濕地、城鎮和荒漠分別賦值為0,0,0.01和0.7,其余各生態系統類型按不同植被覆蓋度進行賦值(見表1)。旱地的植被覆蓋因子按照以下公式計算:

C=0.221-0.595logc

(12)

式中:C為旱地的植被覆蓋因子;c為小數形式的植被覆蓋度。

表1 不同植被覆蓋的C值

3 結果與討論

3.1 土壤保持量主要影響因子分析

3.1.1降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力因子是降雨引發土壤侵蝕的潛在能力。2015～2020年,濰坊市降雨侵蝕力因子的分布存在明顯的空間異質性,且年際變化明顯。空間分布上總體呈現出中部、西南部和東南部降雨侵蝕力因子較高、其余地區相對較低的分布態勢。2015～2017年的降雨侵蝕力因子相對偏低,在33.1～44.9 MJ mm hm-2h-1a-1之間,以2015年最低。2018～2020年明顯升高,都在79 MJ mm hm-2h-1a-1以上,以2018年最高,達到了99.6 MJ mm hm-2h-1a-1(見圖2)。

圖2 2015～2020年濰坊市逐年平均降雨侵蝕力因子

2015年以來濰坊市平均降雨侵蝕力因子變化趨勢詳情見圖3。依據2020年與2015年降雨侵蝕力因子變化量,將變化程度分為輕微減少、輕微增加和顯著增加三個等級。相較于2015年,2020年濰坊市大部地區土壤侵蝕力因子都有所增加,東南部地區增加較為明顯,東北部少量地區降雨侵蝕力因子存在輕微減少現象。

圖3 2015～2020年濰坊市平均降雨侵蝕力因子變化程度分布

3.1.2土壤可侵蝕性因子

土壤可蝕性因子反映了土壤顆粒被水力分離和搬運的難易程度,是評價土壤對侵蝕敏感程度的重要指標,主要與土壤質地、有機質含量、土體結構、滲透性等土壤理化性質有關。2015～2020年,濰坊市土壤可侵蝕性因子分布總體上呈現出高值與低值區域交叉分布的態勢。其中,北部沿海地區較高,最高可達到0.78 t hm2h hm-2MJ-1mm-1,其余高值區域則零散分布在中南部和東南部地區,西南部較低。

3.1.3坡度坡長因子

坡長和坡度因子反映了坡長、坡度等對土壤侵蝕的影響。2015～2020年,濰坊市坡度坡長因子較高的地區主要分布在西南部的森林生態系統范圍,該區域地形主要以山地丘陵為主,地形起伏較明顯,因而坡度坡長因子較高,最高可達到473.4;其他區域的地形以平原為主,地勢相對平坦,起伏較小,坡度坡長因子極低。

3.2 土壤保持量變化分析

2015～2020年,濰坊市土壤保持量分布呈現出明顯的區域差異性。濰坊市土壤保持量較高的區域主要集中在西南部的森林生態系統區域,該區域植被數量較多,種植密度較大,土壤的抗侵蝕能力較強,土壤保持量遠高于濰坊市其他地區,最高土壤保持量可達到42 063.3 t·hm-2/a。總體看來,2015～2020年濰坊市超過半數地區的土壤保持量處在中低水平,土壤防侵蝕能力有待提高。

2015～2020年,濰坊市土壤保持量呈先上升后小幅下降的趨勢,總體呈現增強趨勢。其中,2017～2018年間土壤保持量總量大幅度升高,年度增幅高達131.7%,土壤抗侵蝕能力顯著增強,至2019年土壤保持量總量增長到近6年來最高值。2019～2020年,受長時間、大范圍降水影響,濰坊市土壤保持量總量有所下降,但相較于2015年,2020年土壤保持量總量增加2.8×108t·hm-2/a(見圖4)。

圖4 2015～2020年濰坊市生態系統服務功能土壤保持量變化

將2020年與2015年土壤保持量變化程度分級,依據變化量將變化程度分為輕微減少、輕微增加和顯著增加三個等級。由圖中可以看出,濰坊市大部分地區土壤保持量呈現輕微增長的變化趨勢,增長較為顯著的區域主要集中在西南部地區,而土壤保持量減少的區域面積較小,主要零散分布在北部地區(見圖5)。

圖5 2015～2020年濰坊市土壤保持量變化程度分布

4 結語

2015～2020年,濰坊市土壤保持量分布呈現明顯的空間異質性,土壤保持量較高的區域主要集中在西南部的森林生態系統區域,該區域植被數量較多,種植密度較大,土壤的抗侵蝕能力較強,土壤保持量遠高于濰坊市其他地區;2015～2020年期間,濰坊市土壤保持量呈先上升后小幅下降的趨勢,總體呈現增強趨勢,土壤抗侵蝕能力逐漸增強。其中,2017～2018年間土壤保持量總量大幅度升高,年度增幅高達131.7%,土壤抗侵蝕能力顯著增強,至2019年土壤保持量總量增長到近6年來最高值。2019～2020年,受長時間、大范圍降水影響,濰坊市土壤保持量總量有所下降,但相較于2015年,2020年土壤保持量總量增加2.8×108t·hm-2/a,說明濰坊土壤抗侵蝕能力總體呈現增強趨勢。