林泽民， 孙希华， 陈 璐

(山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南 250014)



泰安市土壤侵蚀敏感性评价研究

林泽民， 孙希华， 陈 璐

(山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南 250014)

泰安市受特殊的自然地理条件限制，区域水生态问题突出，水土流失严重，是黄淮海地区集中连片的水土流失区域。据美国通用土壤流失方程，确定土壤侵蚀敏感性因子，进行泰安市土壤侵蚀敏感性研究。结果表明，虽然泰安市土壤侵蚀不敏感面积占市域的42.54%，但轻度及以上的面积仍高达57.46%，说明泰安市存在不同程度的土壤侵蚀敏感性。此外，土壤侵蚀现状与土壤侵蚀敏感性有着正相关关系，敏感性大的地方土壤侵蚀一般较严重，但并不绝对，人类活动对土壤侵蚀也有着较大的影响。

ArcGIS；泰安市；土壤侵蚀敏感性；评价因子

土壤侵蚀敏感性是指土壤在自然的生态环境中可能发生侵蚀的概率。研究土壤侵蚀必然需要涉及土壤侵蚀敏感性的研究。土壤侵蚀敏感性的评价主要是研究区域范围内的土壤侵蚀强度、侵蚀类型、侵蚀范围等与自然环境中引起土壤侵蚀的因子的相关关系，从而为决策部门在规划、制定水土保持措施时提供参考依据和理论支持，并且为保护生态环境提供科学依据[1]。

泰安市位于山东省中部，市域面积约7 762 km2。由于泰安境内山区面积较大，约占泰安市总面积的59%，受到地形、人为等因素的影响，土壤侵蚀较严重。泰安市多年平均降雨量780 mm,降雨主要集中在夏季，山区面积广阔，年降雨量间差异较大。陡峭的坡度、松散的土壤结构及面积巨大的坡耕地使得泰安市水土流失较严重，成为山东省内土壤侵蚀的重灾区之一[2]。结合国内外专家的研究成果和相关理论，根据泰安市特有的自然环境特征，笔者首先确定影响该区域土壤侵蚀的敏感性因子，然后利用GIS软件提取相关因子，按照评价公式进行代数运算，从而得到泰安市土壤侵蚀敏感性的综合指数，最后将该计算结果与泰安市土壤侵蚀强度分级结果进行相关性分析。

1 评价指标和分级标准的确定

在区域范围内，影响土壤侵蚀的因素一般分为自然和人为2种，其中自然因素主要有地形(坡度、坡长等)、土壤类型(土壤颗粒大小、成分等)、植被覆盖类型和覆盖度、降雨量等，而人为因素包括土地利用方式和水土保持措施等农业措施。评价土壤侵蚀敏感性，如果只对其中单个因子进行评价，那么无法全方位地说明影响土壤侵蚀是受单个因子的影响较大还是所有相关因子综合影响较大，存在一定的局限性，因此必须进行全方位的研究。根据美国通用土壤侵蚀方程USLE：A=R·K·LS·C·P，得相关因子，式中A为土壤侵蚀量。由于其中的水土保持措施因子(P)主要是受人类活动的影响，与自然条件没有太大的关系，因此该次研究不将其纳入评价指标[3]。该次研究的土壤侵蚀敏感性评价指标确定为降雨侵蚀力(R)、土壤可蚀性(K)、坡度(S)以及植被覆盖(C)4个。

通过综合相关专家对土壤侵蚀的研究成果，结合泰安市的土壤侵蚀环境特征，对泰安市土壤侵蚀敏感性因子按表1进行分级。

表1 不同敏感类型的因子赋值

2 评价方法

根据地理学、水土保持学、土壤学、地球信息科学等领域的科学知识，以定量分析方法为基础，定性和定量研究相结合，以遥感、GIS技术作支撑，把专题调查和综合评价相结合，利用相关统计数据、GIS专题分析模型以及数据挖掘技术进行综合研究，从宏观到微观深刻地揭示泰安市土壤侵蚀环境特征，以提高水土保持空间决策效率，并且制定更适宜的水土流失防治对策[4]。

首先，利用ArcGIS软件建立以上4个评价因子的栅格数据，然后根据该栅格数据进行单个因子的评价研究。其次，在ArcGIS强大的栅格数据空间分析功能的支持下，在单因子敏感性评价的基础上进行土壤侵蚀敏感性综合评价研究。

该研究对于因子的赋值采用因子连续内插法。因子连续内插法是利用数学公式，采取线性连续插值法，避免打分离散化的不合理性，可确保计算结果的准确性，克服离散数值打分法的弊端[5-6]。最后，利用几何平均法，确定土壤侵蚀敏感性等级。

以泰安市地形坡度为例，因子评分计算公式为：

(1)

式中，f为因子得分;xi为每个像元的地形坡度；xabmax和xabmin分别表示该像元的地形坡度所在区间的最大值和最小值；b和a分别表示区间内最大地形坡度和最小地形坡度的评分值。其他因子的评分算法，依次类推。

由于土壤侵蚀敏感性主要受上述4个因子的综合影响，为了确保研究成果具有意义，需要计算泰安市土壤侵蚀敏感性的综合指数，然后对其进行评价研究，并且获得泰安市土壤侵蚀敏感性的分布图。土壤侵蚀敏感性综合指数采用以下公式计算。

(2)

式中，SSj为土壤侵蚀敏感性综合指数；Pij为评价因子；j为评价单元；i为第i个评价因子，i= 1，2，3，4。

3 评价结果分析

在确定并且提取好相关研究因子后，可以利用ArcGIS的空间分析功能将4个影响因子按照式(2)进行运算，即得出泰安市土壤侵蚀敏感性综合指数。最后，利用栅格数据重分类功能将综合指数分为5个等级，以便进一步的分析研究。 从表2可以看出，泰安市不敏感面积占总面积的42.54%，也就是说其余57.46%的土地或多或少存在土壤侵蚀，而其中轻度敏感面积为3 116.95 km2，约占泰安市全域的40.16%，说明存在土壤侵蚀的土地大部分为轻度的侵蚀，其次为中度敏感，占总面积的12.98%。综合指数大于5.5的区域仅为1.84%，说明土壤侵蚀极敏感区域很小。从地理位置上看，土壤侵蚀敏感性为高度敏感和极敏感的地区主要分布在泰安市北部泰山山脉周围、肥城市中部、东平县北部边缘、新泰市东部(图1)。

表2 泰安市土壤侵蚀敏感性综合指数

3.1 各县(市、区)土壤侵蚀敏感性分析利用ArcGIS软件将计算得到的综合指数栅格数据与泰安市县区矢量图叠加分析，可以得到不同区县的土壤侵蚀敏感性综合指数分布情况。从表3可以看出，泰安市土壤侵蚀不敏感部分主要分布在东平县、和新泰市；轻度敏感部分在各县市分布都比较平均；中度敏感区域主要分布在岱岳区、东平县、肥城市、新泰市等地，其中以新泰市和东平县分布面积最大，这2个区域合计该类型面积429.91 km2,占此类面积的42.67%；高度敏感性区域主要分布在岱岳区、东平县、肥城市；极敏感区域分布在岱岳区、东平县、肥城市等地。

泰安市土壤侵蚀敏感性以不敏感和轻度敏感为主。从各个区县中轻度敏感面积所占的比例来看，肥城市比例最高，为68.42%；宁阳县次之，为60.97%；东平县第三，为60.43%；岱岳区最低，为51.03%。

表3 泰安市各县(市、区)土壤侵蚀综合敏感度分布情况 km2

行政区不敏感轻度敏感中度敏感高度敏感极敏感轻度及以上岱岳区856.92612.67215.6443.1521.62893.08泰山区147.96128.0936.8818.036.04189.04肥城市403.28539.14237.0141.1456.43873.72新泰市925.51759.80197.3732.5117.811007.49东平县530.19494.26232.5446.5436.47809.81宁阳县439.07582.6388.1810.964.17685.94

利用ArcGIS软件，计算泰安市分地区的土壤侵蚀敏感性综合指数的平均值。从表4可以看出，泰安市各县(市、区)土壤侵蚀敏感性综合指数平均值介于2.55～2.92之间，平均值为2.63，土壤侵蚀综合敏感性较高，平均值大于2.63的县市仅有1个，肥城市平均值最高，为2.92；泰山区和东平县次之，分别为2.62和2.61；土壤侵蚀敏感性较低，平均值最小的是岱岳区，为2.47。土壤侵蚀敏感性综合指数最高值出现在东平县，为7.56，其次是岱岳区。

表4 各区县土壤侵蚀敏感性综合指数平均值

3.2 土壤侵蚀敏感性与土壤侵蚀现状分析将土壤侵蚀敏感性与土壤侵蚀强度数据进行叠加，得到各个敏感层次下土壤侵蚀的分布情况。从图2、表5可以看出，泰安市土壤侵蚀敏感性土壤侵蚀强度走势基本一致。在通常情况下，土壤侵蚀敏感性高的地区理论上发生水土流失的可能性更大，土壤侵蚀敏感性低的地区发生水土流失的可能性更小一点。强烈及以上的侵蚀多发生在土壤敏感性在中度及以上的地区。

以发生中度及以上土壤侵蚀强度的概率为例，敏感性综合程度为不敏感的地区发生的概率为4.48%，极敏感和高度敏感地区概率分别高达68.94%和51.97%。此外，高度敏感和不敏感地区发生强烈及剧烈侵蚀的概率分别为18.38%和1.21%。高度敏感、中度敏感的地区发生极强及剧烈土壤侵蚀强度的概率分别为15.46%和4.21%。敏感性程度为极敏感的地区更易发生极强及以上土壤侵蚀，其他敏感层次发生的概率依次降低。

由此可知，土壤侵蚀现状与土壤侵蚀敏感性有着正相关关系。土壤侵蚀主要受到自然因素的影响。随着社会经济的进步，植被覆盖状况不再只依据自然因素，而受人类活动的影响更大。人类活动如自然保护区的建立或大量的伐木将对植被覆盖状况产生巨大的影响。如果区域植被受到严重的破坏，那么该地区土壤侵蚀必然加剧，尤其是在坡度较大的山地、丘陵地区。与此同时，高强度的人类活动可能改变自然因子的特性，也有可能加剧土壤侵蚀的强度。肥城市是泰安市土壤侵蚀最严重的地区。长期的人类活动使得自然植被变少，取而代之的是易造成土壤侵蚀的次生植被、农业植被及工矿用地。这些地类土壤侵蚀情况较明显。因此，防止土壤侵蚀应注意保护和恢复植被，多采取坡耕地退耕还林等措施。

土壤侵蚀敏感性和土壤侵蚀现状仍存着差异性。土壤侵蚀发生的潜在可能性可以用一个区域土壤侵蚀发生概率表示，也就是土壤侵蚀敏感性；土壤侵蚀的现状则来源于土壤本身的侵蚀敏感性和人为因素的综合影响。一方面生态环境具有自我修复能力，另一方面人为因素可促进其改变，因此土壤侵蚀敏感性与土壤侵蚀强度并不存在绝对的对应关系。如，人为的不合理利用土地会导致土壤侵蚀敏感性低的区域的土壤侵蚀强度显著高于自然状态。相反的，人为改善措施也可使土壤侵蚀敏感性高的地方成为土壤侵蚀强度低的地方。另外，有些地方可能土壤侵蚀的敏感性较高，又存在人类活动对其的影响，但是由于其不敏感的生态环境，只要二者的共同作用在土壤生态环境的承受范围内，土壤侵蚀的情况可能就比较小。

表5 不同敏感层次下土壤侵蚀强度分布情况 km2

4 结论

泰安市土壤侵蚀极敏感和高度敏感地区主要分布在泰安市北部泰山山脉周围、肥城市中部、东平县北部边缘、新泰市东部。加强这些地区的植被保护、恢复是防治水土流失的治本之策。控制人口，保持水土，发展生态农业是生态环境建设的重点任务。

泰安市的土壤侵蚀敏感以不敏感和轻度敏感为主，其他中度、高度和极敏感的地区主要分布在泰安市山地丘陵区, 特别是肥城市的中部、岱岳区的北部、泰山区北部。这些地区为泰安市经济比较发达的地区, 应注重生态环境的保护，加强水土流失的研究和治理。

该次土壤侵蚀敏感性的分析研究采用遥感和GIS相结合的技术，充分体现GIS在土壤、生态等相关研究中的适用性和可行性。该次土壤侵蚀敏感性的研究模型涵盖通用水土流失方程中的4个主要因子，排除人为因素的主观随意性，确保研究科学可靠。评价结果克服了以往调查结果与治理规划相脱节的现象。从技术流程看，土壤侵蚀敏感性评价方法便于快速、经济、定量、定期地实现土壤侵蚀调查研究，数据处理过程的时间大大缩减，成果的应急性提高。

[1] 刘红艳，孙希华，张玉堂. 基于GIS的济南市土壤侵蚀敏感性评价研究[J]. 水土保持通报,2008, 28(2)：127-130.

[2] 郭春利, 陈凯,王忠.泰安市水土保持生态环境建设实践与探索[J]. 水土保持研究,2003,10(4):275-277.

[3] 孙泽祥，孙希华，马倩倩.基于CSLE的淮河流域沂源县土壤侵蚀监测调查研究[J].山东师范大学学报:自然科学版，2012，27(1):94-97.

[4] 许心倩.泰安市生态功能区划研究[D].北京：北京林业大学，2007.

[5] 孙希华, 张代民,闫福江.土壤侵蚀和水土保持生态安全——以青岛市为例[M].南京：河海大学出版社，2010.

[6] 孙希华.基于GIS的济南市土壤侵蚀潜在危险度评价研究[J].水土保持学报，2003，17(6)：47-50.

Sensitivity Evaluation of Soil Erosion in Tai'an City

LIN Ze-min, SUN Xi-hua, CHEN Lu

(College of Population, Resources and Environment, Shandong Normal University, Ji’nan,Shandong 250014)

Because of the natural condition limition of Tai'an City, the regional water ecology and water loss is serious. Tai’an is concentrated region of water loss in Huanghuaihai region. Based on the universal soil loss equation, soil erosion sensitivity factors were determined and then study on the sensitivity of soil erosion in Tai'an City was carried out. The results suggested that although the insensitive area accounts for 42.54% in Tai’an City, the other sensitive area is still as high as 57.46% It means that Tai'an City exists different degree of soil erosion.Besides,there is a positive correlation between current status of soil erosion and the sensitivity of soil erosion. General speaking, the more sensitive of the soil, the severer soil erodes, but it’s not absolutely. Human activities have a great effect on soil erosion as well.

ArcGIS; Tai'an City; Sensitivity of soil erosion; Evaluation factors

林泽民(1989- )，男，四川成都人，硕士研究生，研究方向：GIS应用。

2014-12-11

S 127

A

0517-6611(2015)04-093-03