戴红霞 许慧敏 韩玉冰

摘要 采用GIS和RS遥感影像技术对黑龙江省的地理特性及地貌情况进行分析，以DEM基础数据采用ArcGIS的方法确定影响因子;利用ArcGIS软件对各影响因子数据进行处理，根据各影响因子图层加权叠加运算侵蚀强度对水土流失进行评价。结果表明，黑龙江省大部分区域中的土壤侵蚀强度多处于微度，少数为轻度土壤侵蚀的地区，没有产生极强度土壤侵蚀的地区，仅有部分地区土壤侵蚀的强度是中度、强度和剧烈。2018年水土流失总面积占黑龙江省土地总面积的7.38%，黑龙江省水土流失情况在逐年增加，应该引起重视。

关键词 水土流失;GIS;RS;影响因素;黑龙江省

中图分类号 F323.21  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）24-0109-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.025

Analysis of Influencing Factors of Soil Erosion in Heilongjiang Province Based on GIS and RS

DAI Hong-xia，XU Hui-min，HAN Yu-bing

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318）

Abstract GIS and RS remote sensing image technology were used to analyze the geographic characteristics and landforms of Heilongjiang Province，the method of ArcGIS was used to determine the impact factor based on DEM basic data.The ArcGIS software was used to process the data of each influencing factor， and the soil erosion was evaluated according to the weighted superposition of each influencing factor layer and the erosion intensity.The results showed that the intensity of soil erosion in most areas of Heilongjiang Province was mostly slightly， a few were areas with mild soil erosion， there was no area with extreme strength soil erosion， and only some areas had moderate，strong and severe soil erosion.In 2018， the total area of soil erosion accounted for 7.38% of the total land area of Heilongjiang Province. The situation of soil erosion in Heilongjiang Province was increasing year by year， which should be paid attention to.

Key words Soil erosion;GIS;RS;Influencing factors;Heilongjiang Province

作者简介 戴红霞（1970—），女，辽宁沈阳人，副教授，在读博士，从事环境评价技术、环境治理技术、环境监测技术等研究。

收稿日期 2021-03-30

人类对土地的利用受自然地貌因素的影响较大[1]，同样人类的生产活动也会影响土地资源。水土流失问题一直是一个重大的环境和生态问题[2]。世界上许多国家和地区不断进行着区域水土流失空间分布情况调查分析[3]，确定水土流失量及其空间分布位置[4]，建立生态环境和社会环境的GIS信息系统便于治理[5-7]。随着经济的快速发展，带动了各行各业的发展，从而引发土地利用率增加，对土地不当的开垦利用引发水土流失造成土地退化[8]，农用地容易引发和加重土壤侵蚀[9]，还有陡坡地、沟壑砂土地因自然地理缺陷易受雨水侵蚀的危害造成严重水土流失[10-11]。笔者以GIS和RS方法[12-13]分析了黑龙江省2018年水土流失情況及主要影响因子，并提出相应的整治对策[14]。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

黑龙江省是位于我国最北端和最东端纬度最高的省份，地理位置是121°11′～135°05′E、43°25′～53°33′N，南北横跨10个纬度2个热量带，东西横跨14个经度3个湿地[15]。黑龙江边界长3 045 km，北部和东部与俄罗斯接壤（图1）。该区域是从亚太经陆路通往俄罗斯和欧洲大陆的重要通道，也是我国作为边界开放的重要窗口。黑龙江省地域辽阔，地理条件优越，地形地貌类型多样，走势大致呈西北和东南地区高、东北和西南地区低。黑龙江省大部分地形是山地、平原、台地和水域等。根据2019年黑龙江省统计年鉴调查，全省土地总面积为452 532.26 km2，占我国土地总面积的4.7%。黑龙江省是全国热量最少的省份，整体位于中温带，属大陆性寒带季风气候。黑龙江省也是全国气温最低的省份，全省年平均气温仅为 -4～5 ℃。正是由于这种独特的地理位置与气候环境使得黑龙江省仍然存在水土流失的风险。

1.2 数据来源

为研究黑龙江省近年来水土流失变化情况，该研究采用黑龙江省遥感影像和 DEM数据作为基础数据。遥感影像主要为2018年相关数据，分辨率为16 m;DEM数据为原始高程数据，分辨率为 90 m。

1.3 研究方法

1.3.1 影响因子的选取。

黑龙江地势西高东低，最高海拔是1 694 m。该分析区域地理位置独特，不同海拔对水土流失的影响也不尽相同，中低海拔地区水土流失严重。植被的覆盖情况对于水土流失影响巨大，植被情况良好的地区水土流失情况会适当缓解，可以在一定程度上对水土流失的发生产生抑制效果，而人类的生产活动与植被覆盖情况息息相关。不同类型的土地利用受人为生产活动的影响程度也不相同，但有很大相关性，并且土地利用类型和地表植被覆盖度有密不可分的联系。因此，结合黑龙江省的地理特性，该研究以高程、坡度、沟壑密度、植被覆盖度和土地利用类型作为评价水土流失的重要影响因子。

1.3.2 影響因子的分级。

1.3.2.1 高程。

高程对水土流失的影响是不能被忽视的，一般来说，高程越高，水土流失越不易发生。此次研究是利用DEM数据，在ArcGIS中通过校正以及投影转换处理等得到黑龙江省的DEM数据，利用重分类将高程分为6个等级，分别为-3～300 m、>300～350 m、>350～400 m、>400～450 m、>450～500 m、>500 m，并分别赋值1、2、3、4、5、6，如图2。

1.3.2.2 坡度。

决定水土流失是否发生的重要因素之一是坡度，通常来说，水土流失与坡度呈正相关，高坡度地区发生水土流失的风险增大。根据《土壤侵蚀分类等级标准》（SL 190—2007）的相关要求，该研究使用DEM数据，计算黑龙江省的坡度，提取坡度因子并将坡度分为6个等级，分别为0～5°、>5°～10°、>10°～15°、>15°～20°、>20°～25°、>25°～90°，分别赋值为1、2、3、4、5、6。

1.3.2.3 沟壑密度。

沟壑密度是判断地面被河道切割破碎程度的一个十分必要的重要指标，一般情况下，地面破碎程度与沟壑密度呈正相关。随着沟壑密度增大，土质破碎程度增加，平均坡度逐渐增大，地表物质的稳定性越差，地表径流越容易形成，土壤侵蚀越严重，水土流失越严重。因此，沟壑的大小可以反映研究区域水土流失的严重程度。沟壑密度也称沟谷密度，指单位面积内沟壑总长度，数学表达式可表示为：

Ds=LA（1）

式中，Ds为沟壑密度（km/km2）;L为研究区域内沟壑总长度（km）;A为特定研究区域的面积（km2）。

1.3.2.4 植被覆盖度。

枯枝落叶层和植被冠层可以阻拦部分降水并且可以减少雨水对于土壤的侵蚀，减少一部分地表径流。而植被的根系在土壤中盘根错节固定土壤结构使其稳定，防止坡面侵蚀，使泥石流和滑坡等自然灾害发生的风险减少。因此，植被覆盖度在该研究中对于评价黑龙江省水土流失情况十分重要。该研究利用黑龙江省2018年预处理后的遥感影像，在ArcGIS中计算归一化植被指数（NDVI），再将其转化为植被覆盖度，并提取植被覆盖度因子[16]。NDVI的计算公式如下：

NDVI=IR-RIR+R（2）

式中，IR为红外波段的像素值;R为红光波段的像素值。

根据《土壤侵蚀分类等级标准》（SL 190—2007）的相关要求，结合黑龙江省实际情况使变化最大可视化，将植被覆盖度分为6个等级，分别为<15%、15%～30%、>30%～40%、>40%～70%、>70%～80%、>80%，并分别赋值为1、2、3、4、5、6。

1.3.2.5 土地利用类型因子。不同土地利用类型对土壤侵蚀有不同程度的影响。该研究利用预处理后的2018年黑龙江省遥感影像，根据《土地利用现状分类》（GB/T 210100—2017），并结合黑龙江省实际情况，采用ArcGIS图形将黑龙江省的土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6类。基于黑龙江省的基本情况，根据专家评估和参考与水土流失相关文献，将耕地赋值为1，林地赋值为2，草地赋值为3，水域赋值为4;建设用地包括城乡居民、工矿及交通运输用地，赋值为5;其余包括沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地等未利用土地赋值为6。

1.3.3 水土流失评价。

该研究用来评价水土流失强度是根据土壤侵蚀综合指数，其计算公式为：

W=ni=1（AiBi）（3）

式中，W为土壤侵蚀综合指数;Ai为第i个指标因子等级划分相应的赋值;Bi为第i个指标因子的影响权重;n为指标因子数量，n=5。

根据《土壤侵蚀分类等级标准》（SL 190—2007），并结合黑龙江省的实际情况，该研究将黑龙江省的高程、坡度、沟壑密度、植被覆盖度、土地利用类型因子的权重分别设为0.10、0.30、0.20、0.25、0.15，并根据土壤侵蚀综合指数对水土流失强度等级进行水土流失强度分级划分：土壤侵蚀综合指数<2.5，侵蚀强度为微度;2.5～3.0，侵蚀强度为轻度;>3.0～3.5，侵蚀强度为中度;>3.5～4.0，侵蚀强度为强度;>4.0～5.0，侵蚀强度为极强度;>5.0，侵蚀强度为剧烈。

2 结果与分析

2.1 影响因子评价

该研究利用GIS和RS遥感影像技术对黑龙江省的地理特性及地貌情况进行分析，以DEM数据作为基础数据，采用ArcGIS的方法确定了5个影响因子，分别为高程、坡度、沟壑密度、植被覆盖度和土地利用类型。

利用DEM数据，在ArcGIS中进行沟谷网络提取与沟壑密度计算，得出东北黑土区的沟壑密度在1.50 km/km2，其中的浅沟和切沟发生的频率较高，沟长小于100 m的以浅沟为主，沟长100～200 m的浅沟和切沟数量相当，沟长大于200 m的主要是切沟。

通过对黑龙江省2018年不同植被覆盖度区面积进行统计，结果显示，2018年黑龙江省以高植被覆盖区（植被覆盖度>80%）为主，低植被覆盖区（植被覆盖度小于40%）和中植被覆盖区（40% ～ 80%）分别占总面积的1.22%和4.75%。从时间变化来看，相比王亭月[17]对2016年黑龙江全省高植被覆盖区的研究发现，2018年高植被覆盖区和低植被覆盖区面积持续增加，中植被覆盖区面积减少了1.25万km2，总植被覆盖面积增加了0.20万km2。

通过对黑龙江省2018年不同土地利用区面积进行统计，结果显示（图3和表1），黑龙江省土地利用类型以林地和耕地为主（分别占48.2%和35.1%），其次依次為水域、草地、建设用地（分别占4.8%、4.5%和4.0%），未利用土地占比最低（3.4%）。黑龙江省不同土地利用面积是不断转移改变的，计算2015、2018年黑龙江省不同土地利用面积转移矩阵，

结果表明（表2和图4），2018年有14 727.12 km2未利用

土地转化为林地，7 371.92 km2未利用土地转化为草地，这对保

土固土产生了积极的影响。但2018年，草地退化为林地面积达10 675.04 km2，草地退化为未利用土地面积达7 371.92 km2，耕地退化为未利用土地达6 009.40 km2。黑龙江省未利用土地主要是5%以下植被覆盖度的沙地以碎砾石为主的戈壁、植被稀少地表盐碱聚集的盐碱地以及地势平坦低洼，排水不畅的沼泽地等。这些土地很难被利用，规划不合理会产生更为严重的水土流失风险。

2.2 水土流失评价

利用ArcGIS软件对各影响因子数据进行处理，根据各影响因子图层加权叠加运算侵蚀强度，得到评估结果。从表3和图5可以看出，黑龙江省大部分区域中的土壤侵蚀强度处于微度，少数为轻度土壤侵蚀的地区，没有产生极强度土壤侵蚀的地区;仅有部分地区土壤侵蚀的强度是中度、强度和剧烈，该区域主要集中于黑龙江省松嫩平原和三江平原附近。

2018年黑龙江省土壤侵蚀强度以微度为主，占黑龙江省水土流失面积的80.2%，占黑龙江省面积的5.930%;轻度水平占黑龙江省水土流失面积的13.4%，占黑龙江省面积的0.099%;中度水平占黑龙江水土流失面积的5.2%，占黑龙江省面积的0.038%;2018年黑龙江省水土流失总面积占研究区土地总面积的7.38%。结果表明，黑龙江省水土流失情况逐年加重，应该引起重视。

3 结论与讨论

该研究采用GIS和RS遥感影像技术对黑龙江省的地理特性及地貌情况进行分析，以DEM数据作为基础数据，采用ArcGIS的方法确定了高程、坡度、沟壑密度、植被覆盖度和土地利用类型5个影响因子。根据土壤侵蚀综合指数对水土流失强度等级进行水土流失强度分级划分，利用ArcGIS软件对各影响因子数据进行处理，根据各影响因子图层加权叠加运算侵蚀强度对水土流失进行评价，结果表明，黑龙江省大部分区域中的土壤侵蚀强度处于微度，少数为轻度土壤侵蚀的地区，没有产生极强度土壤侵蚀的地区;仅有部分地区土壤侵蚀的强度是中度、强度和剧烈，该区域主要集中于黑龙江省松嫩平原和三江平原附近。2018年水土流失总面积占黑龙江省土地总面积的7.38%，黑龙江省水土流失情况逐年加重，应该引起重视。需要对水土流失情况进行跟踪监测，更需要及时治理。由于造成黑龙江省水土流失的主要原因有自然地理位置高低不平的缺陷和土地利用不当的因素，因此，需要强化农地、林地、草地生态建设，合理耕种，合理灌溉，因地制宜和科学管理，加强水土保持的管控，防止人为乱砍滥伐引发新的水土流失，同时需要加强对重点区域的保土力度，减少中高区植被覆盖向低区过渡，采用高科技手段监控，合理规划与利用土地以便综合防治水土流失，采用国内外先进治理修复方法对黑龙江地域所属的沙地、盐碱地、戈壁地以及沼泽地进行修复治理，使其向减少水土流失面积的方向发展。

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