基于遙感技術的東北黑土區水土流失動態監測研究

張繼真 姜艷艷 張月

［關鍵詞］ 水土流失；動態監測；遙感技術；中國土壤流失方程；東北黑土區

［摘 要］ 東北黑土區是我國重要的商品糧基地，近年來面臨水土流失嚴重、面積減小、土壤質量下降等問題，已成為目前土壤保護工作中亟待解決的重要問題。以東北黑土區2018年和2022年兩期遙感影像與水土保持措施的實地調查數據作為數據源，利用目視識別法開展影像解譯，并通過中國土壤流失方程CSLE進行土壤侵蝕模數的計算，對東北黑土區的水土流失變化情況及原因進行分析，結果表明：耕地、草地、建設用地、其他土地面積減少，園地、林地、交通運輸用地、水域及水利設施用地面積增加，造林、種草、封育、地埂、水平階/反坡梯田等面積共增加0.84萬km2；對比2018—2022年東北黑土區的水土流失情況，整體呈向好趨勢，土壤侵蝕面積共減少約1.01萬km2；從侵蝕強度來看，除輕度侵蝕面積增加約0.45萬km2外，中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積分別減少約0.43萬、0.24萬、0.28萬、0.51萬km2；從不同省份侵蝕面積變化情況分析，內蒙古自治區東四盟的侵蝕面積減少最多，共減少約0.37萬km2，遼寧省侵蝕面積變化最小，共減少約0.06萬km2；耕地、建設用地等土地利用類型面積的減少，以及林地、交通運輸用地等土地利用類型面積的增加，均可大幅減少土壤侵蝕面積，同時水土保持措施面積的增加也可有效阻止土壤侵蝕的發生。總體來看，東北黑土區水土流失治理效果顯著，生態環境得到改善，持續進行東北黑土區水土流失治理對環境保護具有重要意義。

［中圖分類號］ S157；TP79? [文獻標識碼] A? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.008

水土流失作為全球性災害問題，日益受到世界各國的關注。在農業種植方面，水土流失將導致土壤耕層厚度變薄、肥力削弱、糧食減產等危險[1]。在水利措施方面，水土流失將導致河床泥沙淤積，易引起洪澇災害，降低水利工程效益[2]。水土流失動態監測是通過對水土流失的發生發展過程、危害程度及水土保持措施的效益進行長期監測、分析，來明確水土流失的起因與發展特征[3]。水土流失的強度與降水、植被、地貌、土壤、人為因素等密切相關，中國土壤流失方程CSLE（Chinese Soil Loss Equation）可基于這些因素對不同地區土壤侵蝕強度進行定量評價。東北黑土區作為世界三大黑土區之一，近年來水土流失問題十分嚴重。據統計，東北黑土區現有的侵蝕溝中，長度100～5 000 m的共有29.17萬條，環境改善問題迫在眉睫[4]。因此，本研究以東北黑土區2018年和2022年兩期遙感影像與水土保持措施的實地調查數據作為數據源，利用目視識別法開展影像解譯，并通過CSLE計算土壤侵蝕模數，最終對東北黑土區的水土流失變化情況及原因進行分析，以期為東北黑土區快速準確地進行水土流失成因分析，開展水土流失綜合防治及生態環境治理提供依據。

1 研究區概況

東北黑土區范圍涉及黑龍江省、吉林省、遼寧省、內蒙古自治區的東四盟共246個縣（市、區、旗），總面積108.75萬km2，屬溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候區，日溫差、年溫差較大，春季干旱多風，夏季多降水，冬季多降雪。黑土區內不同地區年均降水量為400～700 mm，主要集中在7—9月，全年降水量中降雪量所占比例較大。

2 研究方法

2.1 遙感解譯與專題信息提取

遙感解譯主要方法為室內解譯與野外調查驗證相結合，室內解譯依據解譯標志與遙感影像進行人工目視解譯，初步獲取土地利用和水土保持措施的解譯成果。野外驗證需要對室內影像目視解譯過程中總結記錄的疑難部分進行實地考察，同時對室內解譯初步成果進行復核驗證，確保遙感解譯精度。將黑土區的土地利用類型劃分為8個大類25個小類，分別為耕地（水田、水澆地、旱地）、園地（果園、茶園、其他園地）、林地（灌木林地、有林地、其他林地）、草地（天然牧草地、人工牧草地、其他草地）、建設用地（城鎮建設用地、農村建設用地、人為擾動用地、其他建設用地）、交通運輸用地（農村道路、其他交通用地）、水域及水利設施用地（河湖庫塘、沼澤地、冰川及永久積雪）、其他用地（鹽堿地、沙地、裸土地、裸巖石礫地）。水土保持措施劃分為2個大類8個小類，分別為生物措施（造林、種草、封育、生態恢復）、工程措施（梯田、地埂、水平階/反坡梯田、水平溝）。

2.2 侵蝕量計算與評價

基于CSLE計算土壤侵蝕模數，并依據《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）對侵蝕強度進行分級。CSLE算法通過降雨侵蝕力因子（R）、土壤可蝕性因子（K）、坡長因子（L）、坡度因子（S）、植被覆蓋與生物措施因子（B）、水土保持工程措施因子（E）、耕作措施因子（T）7個因子相乘獲得土壤侵蝕模數（A），公式為

A=R·K·L·S·B·E·T（1）

2.3 因子確定

按照《2022年度水土流失動態監測技術指南》要求及水利部下發的部分原始數據，開展因子計算與分析，具體方法如下：

1）降雨侵蝕力因子R。獲取站點多年平均1至24個半月降雨侵蝕力，轉換為矢量數據后通過普通克里金空間插值法生成10 m空間分辨率的24個半月降雨侵蝕力柵格數據，隨后將數據累加得到年降雨侵蝕力柵格數據，最后計算24個半月降雨侵蝕力柵格數據與年降雨侵蝕力柵格數據比值得到比例數據。

2）土壤可蝕性因子K。基于收集到的徑流小區觀測資料和第一次全國水利普查水土保持專項普查中土壤可蝕性因子的計算方法，更新計算土壤可蝕性因子。將所獲土壤可蝕性因子數據進行重采樣，生成10 m空間分辨率的K因子柵格數據。

3）坡長及坡度因子L、S。基于ArcGIS軟件中坡度工具（Slope）對東北黑土區的坡度因子進行計算，并通過重采樣獲取分辨率為10 m的L、S因子柵格數據。依據坡度數據將研究區的不同土地利用類型劃分為不同等級。

4）植被覆蓋與生物措施因子B。利用MODIS歸一化植被指數、Landsat影像，通過參數修訂，得到24個半月30 m空間分辨率的植被覆蓋度，結合24個半月降雨侵蝕力因子比例和土地利用類型計算B因子。經重采樣，生成10 m空間分辨率的B因子柵格數據。

5）水土保持工程措施因子E。根據解譯獲取的土壤侵蝕地塊屬性表的“工程措施類型或代碼”字段值，查詢水土保持工程措施因子賦值表，獲取水土保持工程措施因子值。經重采樣，生成10 m空間分辨率的E因子柵格數據。

6）耕作措施因子T。根據解譯獲取的土壤侵蝕地塊屬性表的“耕作措施輪作區代碼”字段值，查詢耕作措施輪作措施賦值表，獲取耕作措施因子值。經重采樣，生成10 m空間分辨率的T因子柵格數據。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕總體變化情況

基于東北黑土區2018年和2022年土地利用與水土保持措施解譯結果，通過CSLE計算土壤侵蝕模數，再利用《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）對侵蝕結果進行強度分級，獲得2018年和2022年不同侵蝕強度等級的土壤侵蝕面積，見表1。

2018年水土流失面積共約為22.16萬km2。主要為輕度侵蝕，面積約為16.35萬km2，占水土流失面積的73.78%；其次為中度侵蝕、強烈侵蝕、劇烈侵蝕，面積分別約為3.15萬、1.16萬、0.76萬km2，占水土流失面積的比例分別為14.21%、5.22%、3.44%；極強烈侵蝕面積最小，約為0.74萬km2，占水土流失面積的3.35%（文中面積數據為約數，比例數據是根據精確度更高的數據計算得出的官方數據，下同）。

2022年水土流失面積共約為21.15萬km2。主要為輕度侵蝕，面積約為16.80萬km2，占水土流失面積的79.40%；其次為中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕，面積分別約為2.72萬、0.92萬、0.46萬km2，占水土流失面積的比例分別為12.86%、4.35%、2.21%；劇烈侵蝕面積最小，約為0.25萬km2，占水土流失面積的1.18%。

2018—2022年水土流失面積動態監測結果表明，水土流失總體呈現減弱趨勢，侵蝕面積共減少約1.01萬km2。對不同侵蝕強度面積減少比例進行統計，劇烈侵蝕面積減幅最大，為67.31%，減少約0.51萬km2；其次為極強烈侵蝕、強烈侵蝕、中度侵蝕，減幅分別為37.16%、20.56%、13.64%，分別減少約0.28萬、0.24萬、0.43萬km2。

3.2 不同省份土壤侵蝕變化情況

對2018年和2022年黑龍江省、吉林省、遼寧省、內蒙古自治區東四盟的水土流失情況進行統計，結果為：內蒙古自治區東四盟的水土流失程度較嚴重，水土流失面積分別約為9.29萬、8.92萬km2，分別占內蒙古自治區東四盟土地面積的23.04%、22.13%；其次為吉林省，水土流失面積分別約為4.26萬、3.99萬km2，分別占吉林省土地面積的22.41%、20.99%；再次為遼寧省，水土流失面積分別約為1.06萬、1.00萬km2，分別占遼寧省土地面積的19.41%、18.31%；黑龍江省水土流失程度較輕，水土流失面積分別約為7.55萬、7.24萬km2，分別占黑龍江省土地面積的17.18%、16.47%。

2018—2022年不同省份水土流失面積動態監測結果表明，各省水土流失面積均呈現不同程度減少：內蒙古自治區東四盟的水土流失面積減少最多，共減少約0.37萬km2；其次為黑龍江省和吉林省，水土流失面積分別減少約0.31萬、0.27萬km2；遼寧省水土流失面積變化最小，共減少約0.06萬km2。

3.3 侵蝕原因分析

3.3.1 土地利用的影響

植被覆蓋度、土壤性質、地形條件、徑流速度等因素對土壤侵蝕的面積及強度存在重要影響[5]，而土地利用類型的變化又對植被覆蓋度、土壤性質、地形條件等因素均存在影響，因此根據土地利用解譯結果對東北黑土區2018年和2022年各類型土地利用的面積進行了統計。

統計結果顯示：2018年東北黑土區主要土地利用類型為林地，占東北黑土區土地總面積的41.76%，其中有林地面積最大，占土地總面積的39.12%；其次為耕地，占土地總面積的33.29%，耕地中旱地面積最大，占土地總面積的21.27%；再次為草地，占土地總面積的17.44%，草地中天然牧草地面積最大，占土地總面積的14.65%；水域及水利設施用地、建設用地、其他土地、交通運輸用地、園地占土地總面積的比例分別為2.53%、2.49%、1.92%、0.52%、0.05%。

2022年東北黑土區各土地利用類型所占比例與2018年相似：林地面積最大，占東北黑土區土地總面積的44.82%，其中有林地面積最大，占土地總面積的42.22%；其次為耕地，占土地總面積的31.19%，耕地中旱地面積最大，占土地總面積的24.03%；再次為草地，占土地總面積的16.88%，草地中天然牧草地面積最大，占土地總面積的12.81%；水域及水利設施用地、建設用地、其他土地、交通運輸用地、園地占土地總面積的比例分別為2.59%、2.33%、1.40%、0.68%、0.11%。

對比2018—2022年土地利用面積，園地、林地、交通運輸用地、水域及水利設施用地面積增加；耕地、草地、建設用地、其他土地面積減少。

土地利用的變化可對水土流失產生不同影響。園地、林地面積的增加可擴大植被的覆蓋面積，有效緩解土壤侵蝕的發生；交通運輸用地中其他交通用地面積的增加同樣可減少侵蝕的發生；耕地、建設用地、其他土地3種地類作為易發生水土流失的土地利用類型，其面積的減少亦可減少侵蝕的發生。

3.3.2 水土保持措施的影響

利用生物措施與工程措施進行綜合治理可有效控制水土流失。根據遙感影像解譯與實地調查結果，對2018年和2022年的水土保持措施面積進行了統計。

2018年水土保持措施面積共0.79萬km2，其中生物措施面積0.17萬km2（造林面積0.04萬km2、種草面積0.01萬km2、封育面積0.12萬km2），工程措施面積0.62萬km2（梯田面積0.42萬km2、地埂面積0.04萬km2、水平階/反坡梯田面積0.16萬km2）。

2022年水土保持措施面積共1.51萬km2，其中生物措施面積0.91萬km2（造林面積0.40萬km2、種草面積0.07萬km2、封育面積0.44萬km2），工程措施面積0.60萬km2（梯田面積0.30萬km2、地埂面積0.10萬km2、水平階/反坡梯田面積0.20萬km2）。

2018—2022年水土保持措施面積共增加0.72萬km2，其中生物措施面積增加0.74萬km2，造林、種草、封育面積均呈現增加趨勢；工程措施面積減少0.02萬km2，其中地埂、水平階/反坡梯田面積增加0.10萬km2，梯田面積則減少0.12萬km2。

生物措施有利于植被恢復與生態恢復，植被的類型、根系、枯枝落葉層等均對水土流失具有較強的影響，生物措施面積的增加可有效減少水土流失面積。水土流失綜合治理體系中，工程措施是重要組成部分，其面積的增加也可有效減少水土流失的面積、降低水土流失的強度。

4 結論與建議

4.1 結論

東北黑土區水土流失動態監測結果表明：2018年和2022年土地利用類型均以林地為主，分別占土地總面積的41.76%和44.82%；2018—2022年土壤侵蝕主要以輕度侵蝕為主，整體呈向好趨勢，侵蝕面積共減少約1.01萬km2；從不同省份侵蝕面積變化情況分析，內蒙古自治區東四盟的侵蝕面積減少最多，共減少約0.37萬km2。

4.2 建議

1）增大模型適用性。東北黑土區地域廣闊，自然氣候與人文背景不盡相同，導致水土流失特征存在差異，為水土流失面積的計算與侵蝕程度評價工作帶來一定困難，因此針對不同區域模型的適宜性有待進一步探討。如根據內蒙古自治區特有的侵蝕特征，建議分區域優化完善評價模型，嘗試應用多種先進的侵蝕模型計算侵蝕模數，并從中選取精度較高的模型。

2）提升數據質量。為提高影像質量，建議在進行影像幾何校正時對控制點進行加密，以保證影像空間配準的精度。另外，由于影像的時相及季節變化等導致水域邊界范圍變化明顯，因此建議使用多期不同時相的影像，對影像進行淹沒區與非淹沒區的分類，由此確定水域的邊界，以得出更加合理的結果。同時，建議與自然資源、民政、氣象等相關部門盡早建立數據共享長效機制，每3～5 a更新一次邊界等基礎地理信息數據，提高監測成果服務于社會、行業監管的能力和水平。

3）加強基礎試驗工作。建議統一林下蓋度的本地化計算方法，分析更新林下蓋度對土壤侵蝕的影響程度，同時結合國家重點研發計劃項目，完善侵蝕溝道等區域的特征監測，提高CSLE模型在不同區域的適用性。

4）加強生態保護工作。采用人工造林、封育管理等方式，持續推進林地立體結構改善、低質低效林改造、疏幼林封育管理，恢復和增大林草覆蓋，促進森林生態系統自然修復。加強對現有植被的管護和撫育，實施疏幼林補植和封禁治理，提升林地質量和水土保持功能，減少林地水土流失。

[參考文獻]

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[2] 葛德祥，龐治國，王義成，等.二灘庫區蓄水前后水土流失變化遙感監測與分析[J].中國水利水電科學研究院學報，2010，8（1）：44-51.

[3] 陳子琪，李小兵，陳亮.基于遙感技術的縣級水土流失動態監測分析：以千陽縣為例[J].中國水土保持，2020（7）：48-50.

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[5] 劉超群，余順超，扶卿華，等.基于綜合判別法的廣東省水土流失狀況遙感分析[J].中國水土保持，2020（2）：45-48.