李明熹

(朝阳华瑞工程技术咨询有限公司，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

一般地，对维持人类生存及社会发展的自然环境条件而采取的各项水土保持措施的综合效用统称为水土保持功能。因此，根据区域生态环境特征揭示水土保持功能分异规律，并对水土保持功能区域按不同重要性等级划分，从而实现水土保持功能重要性评价，可为制定生态保护政策、确定生态保护红线和管理区域生态系统等提供参考[1]。

辽宁省作为北方典型的综壤丘陵区，降雨时空分布不均且地形崎岖坡度较大，极易诱发土壤侵蚀。近几年，生态文明示范区和生态省建设等重大决策的实施，大大提高了水土保持生态建设速度。目前，针对辽宁省土壤侵蚀的研究多集中于侵蚀现状评估与监测，而以水土保持量评价水土保持功能的研究相对较少。在全面推进生态文明建设的部署下，辽宁省及其周边区域的生态安全以生态保护红线为底线，故科学评估水土保持功能重要性的意义重大。鉴于此，本研究利用修正的通用水土流失方程(RUSLE)和植被指数、数字高程、土壤、降水等数据，基于GIS技术估算了辽宁省土壤保持量，在此基础上合理划分了水土保持功能区，以期为科学划定辽宁省生态保护红线提供一定指导[2]。

1 研究方法

1.1 研究区概况

辽宁省东北部与吉林接壤，西北与内蒙古临界，南邻黄海、渤海，与日本、韩国、山东半岛隔海相望，地处E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′范围，南北宽约530km，东西长约574 km，总面积148084km2。地貌类型大体呈“六山一水三分田”，水面、平地、山地所占比例为9%、33%、58%。气候属于温带半湿润和半干旱的季风气候区，气候特征为干燥多风，日照丰富，雨热同季，四季分明，因自然地理条件不同各地气候差异显著，年均气温5-10℃，平均风速2-5 m/s，日照时数2270-2290h，年均降雨量600-1100mm。

辽东山地丘陵多为山地棕色和暗棕色森林土，土层厚处于0.5-1.0m左右，植被复盖良好，森林复盖率达到50%，辽东半岛森林覆盖率25%，自然植被以针叶混合林和阔叶林，多柞木林，地面枯枝落叶层较厚，土壤侵蚀轻微。东部沿海北部及半岛丘陵多为砂石土，东部山丘何不有山地砂土、淤土，河谷较窄，东沟沿海南部为黑土，土壤侵蚀以水力侵蚀为主。

1.2 数据来源

由中国气象数据共享网提供降雨基础数据，即研究区2016-2020年降雨月值数据来源于气象数据共享网；土壤基础数据、植被基础数据和数字高程数据(空间分辨率为1km)来源于第二次全国土地调查的1∶100万土壤数据、年度植被指数(NDVI)和海拔高度(DEM)空间分布数据，以上数据均由中科院资源环境科学与数据中心提供。

1.3 研究方法

借鉴《生态保护红线划定指南》拟选用修正的通用水土流失方程(RUSLE)，构建水土保持功能重要性评价模型，模型结构如下：

Ap=R×K×L×S

(1)

Ar=R×K×L×S×C×P

(2)

Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)

(3)

式中：Ac、Ap、Ar为土壤保持量、潜在和实际土壤侵蚀量，t/(hm2·a)；R、K为降雨侵蚀力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]和土壤可蚀性因子[(t·hm2·h)/(MJ·hm2·mm)]；L、S、C、P为坡长、坡度、植被覆盖和水土保持措施因子(无量纲)；以自然生态系统为研究对象，故P因子值取1。文章将评价等级利用自然断点法划分成极其、高度、中等、较为和一般重要5级，评价流程如图1所示。

图1 水土保持功能重要性评价流程

1.3.1 降雨侵蚀力因子

降雨侵蚀力一般难以直接测定，利用降雨历时、降雨强度、降雨量等参数估算降雨引起土壤侵蚀的潜在能力。文章采用周伏建等提出的方法估算降雨侵蚀力R值，其表达式为：

(4)

式中：Pi为月均降雨量，mm；采用降雨基础数据计算研究区2016-2020年5a间的各月降雨均值，然后利用公式(7)求解出年均降雨侵蚀力R值，并对R值应用Arc GIS软件完成克里金插值运算，从而揭示区域降雨侵蚀力的空间分布规律[3]。

1.3.2 土壤可蚀性因子

土壤可蚀性因子反映了土壤抵抗侵蚀的能力，这是衡量不同类型土壤侵蚀敏感性的主要参数。文章利用《生态保护红线划定指南》推荐的公式计算土壤可蚀性因子K值，其表达式为：

K=fhisand×forgc×fcl-si×fcsand

(5)

fhisand=1-0.7(1-ms/100)/{1-ms/100+exp[-5.51+22.9(1-ms/100)]}forgc=1-0.25orgC/[orgC+exp(3.72-2.95orgC)]fcl-si=[msilt/(mc+msilt)]0.3fcsand=0.2+0.3exp[-0.0256ms(1-msilt/100)]

(6)

式中：ms、mc、msilt为土壤粗砂、粉砂和黏粒含量，%；orgC为有机碳含量，%。结合土壤基础数据利用Arc GIS软件提取土壤有机碳、黏粒、粉砂和粗砂含量，土壤侵蚀力K值利用公式(5)-(6)计算，从而揭示区域土壤侵蚀力空间分布规律。

1.3.3 地形因子

一般地，地形因子有坡长、坡度两个，其中坡长因子是指地表状况、坡度、土壤和降雨等条件相同的情况下，与标准坡长的坡面相比某坡长的坡面土壤流失量所占比例；坡度因子是指在其他条件不变的条件下，与标准坡度的坡面相比某坡度的坡面土壤流失量所占比例。文章利用刘保元等提出的公式计算坡长因子L和坡度因子S，其表达式为：

L=(λ/22.13)m

(7)

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°S=16.8sinθ-0.50；5≤θ≤10°S=21.91sinθ-0.96；θ≥10°

(8)

式中：λ为坡长,m；θ为坡度，°；m为坡长指数，其中θ<1°时m取0.2，1°≤θ<3°时m取0.3，3°≤θ<5°时m取0.4，θ≥5°时m取0.5。结合数字高程数据利用Arc GIS软件提取区域DEM值，坡度坡长因子LS值利用公式(7)-(8)计算，从而揭示区域地形因子空间分布规律。

1.3.4 植被覆盖因子

植被覆盖因子是指在地形、土壤和降雨条件相同的情况下，与撂荒土地相比一定时间内长有作物或者植被土地的土壤流失量所占比例。文章利用归一化植被指数(NDVI)计算植被覆盖度，借鉴蔡崇法等提出的公式计算植被覆盖因子C值，其表达式为：

C=1；c=0C=0.6508-0.343611g；078.3%

(9)

研究区年平均NDVI值采用2016-2020年中国年度植被指数空间分布数据集进行计算，植被覆盖因子C值按照公式(9)计算，从而揭示区域植被覆盖因子空间分布规律。

2 结果与分析

2.1 实际土壤侵蚀量

宁省土壤保持量和土壤侵蚀量见表1。

表1 辽宁省土壤保持量和土壤侵蚀量

由表1可知，辽宁省实际土壤侵蚀总量为2.77×108t/a，平均土壤侵蚀模数为1873.39t/(km2·a)。从实际土壤侵蚀量上，抚顺市(249.82×104t/a)<朝阳市(1124.34×104t/a)<大连市(1180.92×104t/a)<营口市(1355.32×104t/a)<盘锦市(1613.98×104t/a)<锦州市(1668.42×104t/a)<葫芦岛市(1795.45×104t/a)<丹东市(1953.95×104t/a)<辽阳市(2004.46×104t/a)<阜新市(2199.45×104t/a)<本溪市(2299.41×104t/a)<沈阳市(3203.95×104t/a)<鞍山市(3253.97×104t/a)<铁岭市(3344.61×104t/a)。在空间分布上，全省呈不连续块状分布特征，自西北内地向东南沿海土壤侵蚀模数总体呈增大趋势，但辽西和辽东局部低山丘陵地带土壤侵蚀较严重。

2.2 潜在土壤侵蚀量

辽宁省潜在土壤侵蚀总量为30.72×108t/a，平均潜在土壤侵蚀模数为20747.25t/(km2·a)。从潜在土壤侵蚀量上，辽阳市(0.79×108t/a)<锦州市(1.00×108t/a)<营口市(1.40×108t/a)<抚顺市(1.41×108t/a)<盘锦市(1.61×108t/a)<本溪市(1.63×108t/a)<鞍山市(1.85×108t/a)<<葫芦岛市(2.40×108t/a)<大连市(2.51×108t/a)<铁岭市(2.63×108t/a)<阜新市(2.74×108t/a)<丹东市(3.11×108t/a)<沈阳市(3.18×108t/a)<朝阳市(4.45×108t/a)。在空间分布上，潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀模数基本相反，自西北内地向东南沿海潜在土壤侵蚀量总体呈减小趋势，该变化特征与辽宁省降雨、地形等侵蚀因子有关。

2.3 土壤保持量

辽宁省土壤保持总量为28.78×108t/a，平均土壤保持模数为19435.34t/(km2·a)。从土壤保持量上，辽阳市(0.59×108t/a)<大连市(0.83×108t/a)<营口市(1.27×108t/a)<抚顺市(1.32×108t/a)<本溪市(1.40×108t/a)<盘锦市(1.45×108t/a)<鞍山市(1.53×108t/a)<葫芦岛市(2.22×108t/a)<铁岭市(2.30×108t/a)<大连市(2.39×108t/a)<阜新市(2.52×108t/a)<沈阳市(2.86×108t/a)<丹东市(2.93×108t/a)<朝阳市(4.35×108t/a)。在空间分布上，自西北内地向东南沿海土壤保持模数总体呈减小趋势，该变化特征与地表植被覆盖、降雨等因子有关。

2.4 水土保持功能重要性

文章以17840、20115、67 526、108171为分界值，将辽宁省水土保持功能重要性利用自然断点法划分成5级，如表2所示。全省水土保持功能一般、较为、中等、高度、极其重要区面积分别为89598.64、26684.97、18307.10、9812.57、3680.72km2，占全省面积的60.51%、18.02%、12.36%、6.63%、2.49%。

表2 水土保持功能重要性划分

在空间分布上，辽东和辽西山地、丘陵区零星分布有极其重要区，块状零星分布有高度中重要区；辽北地区集中分布有中等重要区，较为重要区在辽河平原、河谷、局部山区盆地分布广泛，而辽中和沿海平原地区的水土保持功能以一般重要区为主。

3 结 论

1)文章利用修正的通用水土流失方程(RUSLE)和植被指数、数字高程、土壤、降水等数据，基于GIS技术估算了辽宁省土壤保持量，并结合实际情况划分了水土保持功能重要性等级。结果表明：全省平均土壤保持模数为18614.51t/(km2·a)，土壤保持总量28.78×108t/a；全省水土保持功能一般、较为、中等、高度、极其重要区面积分别为89598.64、26684.97、18307.10、9812.57、3680.72km2，占全省面积的60.51%、18.02%、12.36%、6.63%、2.49%。辽东和辽西山地、丘陵区零星分布有极其重要区，块状零星分布有高度中重要区；辽北地区集中分布有中等重要区，较为重要区在辽河平原、河谷、局部山区盆地分布广泛，而辽中和沿海平原地区的水土保持功能以一般重要区为主。

2)研究过程中仍存在一定的不足：受基础数据收集限制以国家级台站数据估算降雨侵蚀力，如采用更多地方级台站数据可进一步提高估算精度；RUSLE方程的各因子计算方法是评价水土保持功能重要性的关键，文中以刘宝元提出的方法计算坡度因子，该方法是否适用于北方丘陵区及其精度仍有待检验；水土保持功能重要性等级划分指标及其级数尚无明确标准，文章结合研究区生态保护需求情况和水土流失现状，将评价等级利用自然断点法划分呈5级，未来仍需结合实际情况加以完善。