张词博,卢文宇,吴夏萍, 李 巍*

(1.黑龙江科技大学矿业工程学院,黑龙江哈尔滨150022;2.衢州市测绘院,浙江衢州 324000)

大兴安岭地区是国家重点国有林区和天然林主要分布区之一,对东北、华北地区的生态充当着屏障作用。自林区开发建设以来,生态功能明显弱化,根据第二次全国土壤侵蚀遥感普查数据统计,该林区水土流失面积为22 735 km2。土壤侵蚀则是造成区域内水土流失、旱涝频发、湿地功能减弱、气候变劣等各种环境和社会经济问题的主要原因之一。因此,研究大兴安岭地区的土壤侵蚀对于保护区域生态环境具有重要意义。

常用的土壤侵蚀模型包括USLE、RUSLE等。经验模型从侵蚀因子角度入手,在大量的观测数据基础上,通过观测资料和统计技术,研究侵蚀量与降雨、植被、土壤、地形、水土保持措施等因子之间的关系式,没有具体考虑土壤在外力作用下的侵蚀过程,从宏观上反映了土壤侵蚀量。该研究采用黑龙江省水土保持科学研究所提出的《黑龙江省土壤流失方程》[1],根据黑龙江的实际情况对各因子的数值进行了全面修改,因此更适用于大兴安岭地区的土壤侵蚀研究。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况大兴安岭地处黑龙江省西北部与内蒙古自治区东北部,是我国最北部边疆。大兴安岭地区系新华夏系第三隆起代北段之地质带,全区最高海拔为1 528 m,山脉走向多呈北西向,山顶多呈浑圆状。区域属寒温带大陆季风性气候,冬季漫长寒冷,夏季温凉短暂,年降水量约450 mm。林区主要土壤类型为棕色针叶林土、暗棕壤、草甸土和沼泽土等,林区植被是我国唯一的寒温带明亮针叶林群落。

1.2 数据来源降雨数据来自中国气象科学数据共享服务网。DEM数据来自地理空间数据云ASTER GDEM 30 m×30 m分辨率产品。土壤数据综合参考的是杨晓辉等[2]提出的《大兴安岭东部林区水土保持功能初步评价》以及张科利等[3]提出的《中国土壤可蚀性值及其估算》中的研究成果。表征植被覆盖情况NDVI数据参考的是蔡崇法等[4]、张宪奎等[1]以及张雪花等[5]的研究结果。

2 研究方法

2.1 土壤侵蚀模型选择采用美国Wischmeier等1965年提出的通用土壤流失方程USLE。方程适用于坡耕地、林地、草地等稳定沟系的水力侵蚀。大兴安岭耕地多为坡耕地且植被覆盖率高,林地资源丰富,符合模型的使用条件。

USLE模型的表达式见式(1)。

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中:A为单位面积多年平均土壤流失量[t/(hm2·a)];R为降雨侵蚀力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)];K为土壤可蚀性因子[(t·h)/(MJ·mm)];L为坡长因子(m);s为坡度因子(%);C为植被覆盖因子;P为水土保持措施因子。结合GIS,对数据进行处理及计算形成各因子图,最后通过对各因子的叠加运算,获取土壤侵蚀强度分级图。

2.2 地形位与分布指数地形位指数是为了定量分析年均土壤侵蚀模数、空间格局与地形梯度的变化关系而引入的,该研究采用计算地形位指数来度量地形梯度[9],计算公式见式(2)。

(2)

为了便于说明土壤侵蚀在不同地形因子上出现的频率,揭示其空间分布特征,引入分布指数,计算公式见式(3)。

P=(Sie/Si)/(Se/S)

(3)

式中:P为分布指数;Sie为e地形位特定等级(1～15级)下第i侵蚀等级(微度、轻度、中度侵蚀)土壤的面积,Si为研究区第i侵蚀等级土壤的总面积,Se为整个研究区内e级地形位的总面积,S为整个研究区域的面积。土壤侵蚀类型出现频率随P值变大而变高。

将地形位指数、高程、坡度和坡长在各自取值范围内按等间断分成15个等级,并用式(3)计算其分布指数,以便后续分析土壤侵蚀特征时使用。

2.3 USLE各因子的确定

2.3.1降雨侵蚀力因子R值。该研究收集了大兴安岭分布地气象站点的相关数据,利用空间插值法获得降雨量分布图,考虑到大兴安岭降雪冻融带来的侵蚀力Rs,魏氏提出侵蚀力Rs为地区12月—翌年3月降雨量的0.059 1倍,Rs=0.059 1P12-3。因此,该研究在利用Wischmeier提出的经验公式的基础上选取了适用于研究区的R值计算的修正公式,见式(4)。

(4)

式中:Pi为各月降水量;P为年降水量;P12-3为12月—翌年3月份降水量。

2.3.2土壤可侵蚀性因子K值。土壤可侵蚀性因子反应土壤可蚀性,表现为雨滴和地表水冲击下土壤被剥离的难易程度[6]。结合大兴安岭地区土地利用类型及农事活动情况并参考杨晓辉等[2]以及张科利等[3]的研究成果综合确定K值:暗棕壤、棕色针叶林土、暗色灰甸土、沼泽土分别为0.280 0、0.038 1、0.026 3、0.022 5 (t·h)/(MJ·mm)。

2.3.3坡度坡长因子LS值。在USLE模型中用坡度L与坡长S组成地形因子LS。各地区的坡度坡长对侵蚀的影响存在区域异质性,大兴安岭地区适合采用张先奎等[1]提出的LS计算公式,见式(5)。

LS=(λ/20)0.18×(α/8.75)1.3

(5)

式中:λ为坡长;α为坡度,取百分数值形式。

2.3.4植被覆盖度因子C值。不同的植被类型对防止侵蚀的作用差别较大,大兴安岭地区主要由森林、灌丛、草地和农业植被构成。参考蔡崇法等[4]的观测结果与得到的坡面产沙量与植被覆盖度的数学关系,并结合张宪奎等[1]、张雪花等[5]的研究成果,利用土地类型面积权重计算每公里网格C值(表1)。

表1 大兴安岭地区C值Table 1 C-values in the Greater Khingan Mountains region

2.3.5水土保持因子P值。水土保持工程措施因子P是指采用专门措施后的土壤流失量与顺坡耕作时的土壤流失量的比值。一般没有进行水土保持措施的研究区P值为1,其他情况P值在0～1。参考美国农业部手册703号和土地利用类型的相关研究成果得到P值:耕地、经济林地、疏林地、草原草地、沼泽、裸地分别为0.35、0.10、0.20、0.20、0.10、0.50。将USLE方程所需的各因子转换数据格式得到栅格图(图1)。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀空间分布将各因子通过ArcGIS环境下的栅格计算器得到土壤侵蚀量空间分布图(图2),并根据水利部发布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—1996)[8],按照研究区的土壤侵蚀量来进行分级(表2)。

表2 土壤侵蚀强度分级标准Table 2 Classification standards for soil erosion intensity 单位:t/(km2·a)

图1 各因子分布Fig.1 Distribution of factors

利用掩膜提取耕地、林地、草地、沼泽、裸地等土地类型的土壤侵蚀情况(表3)。

表3 各土地类型土壤侵蚀情况Table 3 Soil erosion of different land types

该研究只针对发生土壤侵蚀的土地类型进行统计。对表中数据进行分析可知,研究区整体属于微度侵蚀水平。土壤侵蚀类型主要是微度侵蚀和轻度侵蚀,侵蚀面积分别为58 971、1 141 km2,占侵蚀总面积的98.04%、1.90%。轻度侵蚀基本只有在耕地、草地、林地中发生,且只有2.259%的耕地属于中度侵蚀,其余土地类型几乎没有发生中度侵蚀。

3.2 不同海拔高程土壤侵蚀特征分析根据研究区实际情况将高程分为[150.00,234.47)、[234.47,318.93)…[1 332.53,1 417.00)间隔为84.466 666 67的等间隔15级。不同海拔高程土壤侵蚀分布特征见图3。

微度侵蚀在高程为1～5级上呈现增长趋势,但由于分布指数过小,因此不是区间内主要侵蚀类型。在5～15级的高程,微度侵蚀总体呈现为分布指数大于1的递增趋势,因此微度侵蚀主要分布在5～15级的高程上。这是因为大兴安岭地区的5～15级高程上人类活动痕迹较少,林地资源密布,土壤侵蚀程度较低。

图2 土壤侵蚀模数空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil erosion modulus

轻度侵蚀在高程为1～6级呈现递减趋势,在高程为6～11级基本没有轻度侵蚀分布。高程1级的土壤轻度侵蚀分布指数最大,对应高程等级下沼泽、河流、人工林密布,有一定数量的耕地,但是林地覆盖率并不高,因此水土流失会比较严重,土壤侵蚀程度增加。

中度侵蚀则只在高程为1～3级分布并呈现递减趋势。中度侵蚀在1级高程上大量分布,此高程等级由于地势较低,人类活动最为活跃,耕地与水源密布。受人类影响,林地资源被开发严重,导致水土流失加剧,是研究区土壤侵蚀最严重的高程等级。

微度侵蚀在每个高程都有分布,但不是所有的土壤侵蚀强度在各级高程上都有分布。各高程等级上各土壤侵蚀强度分布频率不同,因此研究区的土壤侵蚀强度与海拔无直接线性关系。

图3 土壤侵蚀模数随高程分布指数Fig.3 Distribution index of soil erosion modulus with elevation

3.3 不同坡度土壤侵蚀特征分析根据研究区实际情况将坡度分为[0°,0.8°),[0.8°,1.6°),…,[11.2°,12.0°)间隔为0.8°的等间隔15级。不同坡度土壤侵蚀分布特征见图4。

微度侵蚀在1～2、5～15坡度等级上分布指数大于1且呈递增趋势,在坡度等级为11～15级时微度侵蚀分布指数达到最大值且相等,在坡度等级为3级时分布指数出现最低值。由此推断,2级坡度微度侵蚀分布指数大于1,因此2级坡度有大量耕地覆盖;3级坡度土地类型为河流阶地;5～15级坡度主要是低山、丘陵与耕地等平地交界处,是人类活动开垦破坏土壤,获得耕地的主要区域。

轻度侵蚀只在1～7级坡度上分布并呈现先减少后增加再递减的趋势,在坡度等级为3～5级时分布指数大于1。推断分析得知坡度等级为3～5级时所对应的土地类型为陡坡旱地、撂荒地、荒山、次生林、水保林等。经过人类的砍伐与放牧活动,水土流失较为严重。

中度侵蚀只有在1～2级坡度上分布,该侵蚀类型面积小且分布较为分散,主要是人类毁林开荒导致植被覆盖率降低加剧了水土流失。

可见该区域除了受到地形因素影响外,人类活动是造成土壤侵蚀的主要原因,因此在开发区域资源的同时也要做到对土地的合理利用。

图4 土壤侵蚀模数随坡度分布指数Fig.4 Distribution index of soil erosion modulus with slope

3.4 不同坡长土壤侵蚀特征分析微度侵蚀在所有坡长等级上都有分布,并在1～15级坡长上呈递增趋势,在1～3级坡长上随着坡长的增加,分布指数急剧上升。观察微度侵蚀坡长分布指数图可见微度侵蚀随波长变化是有规律的,微度侵蚀的出现频率随波长等级变大而变高,且侵蚀频率增加的速率也与坡长等级范围相关。不同坡长土壤侵蚀分布特征见图5。

轻度侵蚀只在坡度等级为1～8级的坡长上分布,且在1～2级坡长上出现递减趋势,并在2～4级坡长上出现递增趋势。在1～2级的坡长上由于植被覆盖度情况较好,因此虽然坡长等级变大但轻度侵蚀分布指数不升反降。在2～4级坡长则因为植被覆盖情况不佳,侵蚀分布指数反而增加。

中度侵蚀只在坡长等级为1～3级分布,在坡长等级在2～3级分布指数反而降低,国外学者研究证实,随着坡长等级的增加,径流挟沙量增多,但当径流的侵蚀强度达到峰值后其侵蚀能力会随坡长等级的增加而减弱。

图5 土壤侵蚀模数随坡长分布指数Fig.5 Distribution index of soil erosion modulus with slope length

4 结语

利用GIS和RS技术,结合USLE方程作为评价模型,来估算大兴安岭地区的土壤侵蚀模数。通过空间叠加法实现了土壤侵蚀空间特征的定量化分析,并利用构建的分布指数探讨了研究区土壤侵蚀在不同海拔、坡度、坡长纵向上的空间分布特征。从得到的土壤侵蚀模数分布图(图2)上也得知了土壤侵蚀强度的横向空间分布:大兴安岭地区北部区域土壤几乎只是微度侵蚀;西南部区域土壤以微度侵蚀为主,部分区域发生轻度侵蚀;东南部区域土壤已经出现较大比重的轻度、中度侵蚀。

针对大兴安岭地区出现的土壤侵蚀问题,各级部门可以采用遥感技术定期分析土壤侵蚀情况,并及时对恶化现象制定解决方案。虽然研究区整体的属于微度侵蚀,但空间分布上,局部地区水土流失严重。在[150.00,318.93)高程带中,出现土壤轻度侵蚀和中度侵蚀情况,各级部门应当做好防范工作,防止土壤侵蚀强度增大。在[0,1.6°)坡度,由于人类活动频繁导致土壤侵蚀较为严重,各级部门应当重点对该坡度的水土保持工作进行监控,防止侵蚀面积的扩大。通过坡长等级为1～2出现的情况得知,良好的植被覆盖情况可以有效解决坡长对土壤侵蚀的影响,因此在指定水土保持措施时,应当重视保护与增加植被覆盖。