基于GIS的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

王維芳，尹銘昕，李國(guó)春，董虹虹

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院，哈爾濱 150080)

近年來，隨著工業(yè)化程度和城市化水平的不斷提高，水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕情況加劇，造成了土地質(zhì)量下降、土地荒漠化等一系列環(huán)境問題和糧食供給問題[1]。土壤侵蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程，利用常規(guī)地面調(diào)查的方法，受人為因素的影響很大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，GIS技術(shù)的發(fā)展為土壤侵蝕定量分析提供了契機(jī)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者以土壤侵蝕強(qiáng)度和土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)為主要研究方向，采用侵蝕模數(shù)或者土壤流失量來研究土壤侵蝕強(qiáng)度的方法更多的是反映土壤侵蝕現(xiàn)狀，并不能對(duì)未來的趨勢(shì)做出更好的判斷。而土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性的研究，可以反映土壤侵蝕后果的危險(xiǎn)性，可以用來分析和評(píng)價(jià)水土流失程度及其變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)域概況

帽兒山位于黑龍江省尚志市的西部帽兒山鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)127°30′～127°34′；北緯45°20′～45°25′?？偯娣e26 507 hm2，南北長(zhǎng)30 km，東西寬20 km。帽兒山林場(chǎng)平均海拔300 m，地勢(shì)由南向北漸高。一般坡度在10°～15°，個(gè)別地段達(dá)45°左右。氣候?qū)儆谥袦貛駶?rùn)性季風(fēng)氣候，四季差異較大，年平均氣溫為2～6℃，極端最低氣溫在零下23～34℃，最高氣溫34～38℃。年均降水400～650 mm，大部分降雨集中在每年6～8月份。帽兒山與長(zhǎng)白山同屬一個(gè)長(zhǎng)白興安褶皺帶，地貌屬于東部山地，以花崗巖為主的吉林低山與丘陵的一部分。在植被區(qū)劃上屬于溫帶針葉一闊葉混交林區(qū)，地帶性植被為紅松闊葉混交林?，F(xiàn)存植被類型主要有落葉闊葉林(天然次生林)、灌叢、草甸、沼澤、水生與巖生植被等，目前紅松闊葉混交林已不復(fù)存在。

2 研究方法

參考《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分析[2]，選取有代表性的易獲得的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)因子，用加權(quán)分析方法來計(jì)算潛在危險(xiǎn)性，見公式(1)。主要因子包括海拔、坡度、坡向、植被覆蓋度、土地利用類型、土壤類型。利用ArcGIS軟件獲取以上各因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，在對(duì)各指標(biāo)因子值進(jìn)行處理后得到各指標(biāo)因子得分?jǐn)?shù)據(jù)，消除因量綱不同所造成的影響，利用層次分析法確定各影響因子的權(quán)重，最后通過加權(quán)分析的方法，得到潛在危險(xiǎn)性綜合因子得分，進(jìn)一步確定土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)，見表1。

(1)

式中：P為綜合得分；fi為第i個(gè)因子的得分；wi為第i個(gè)因子的權(quán)重值；i為因子。

表1 土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性分級(jí)表

3 結(jié)果與分析

3.1 海拔與植被覆蓋度數(shù)據(jù)的處理

不同海拔處，人類活動(dòng)的影響不同，一般情況下，海拔較高之處人為因素影響小于低海拔的地方，土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性就越小，據(jù)此將海拔分為6個(gè)等級(jí)。植被覆蓋度不同，對(duì)土壤侵蝕的影響效果也不同。將海拔和植被覆蓋度代入公式(2)，得到二者的得分，見表2。海拔因子量化得分和植被蓋度因子量化得分如圖1和圖2所示。

。

(2)

式中：fi為因素得分；Xi為第i個(gè)柵格的因素屬性值；Xmax和Xmin為該柵格屬性值所在區(qū)間的最大屬性值和最小屬性值；b和a為區(qū)間內(nèi)最大得分值和最小得分值。如在區(qū)間200～500 m上，Xmax=500，Xmin=200，b=80，a=65。

表2 海拔、植被覆蓋度分級(jí)與得分

圖1 高程因子量化得分圖

圖2 植被蓋度因子量化得分圖

3.2 坡度因子的提取與量化處理

一般研究認(rèn)為坡度越大，侵蝕越強(qiáng)，特別是當(dāng)坡度增加到15°以上時(shí)，侵蝕量急速增加，當(dāng)坡度增加到某一值時(shí)，侵蝕量不再增加，結(jié)合原水利部1997年公布的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，坡度分級(jí)見表3，坡度因子利用公式(3)進(jìn)行量化賦值。坡度量化得分如圖3所示。

(3)

式中：fi為因素得分；Xi第i個(gè)柵格的因素屬性值；Xmax和Xmin為該柵格的屬性值所在區(qū)間的最大屬性值和最小屬性值；b表示區(qū)間內(nèi)最大得分值；a表示區(qū)間內(nèi)最小得分值。如在區(qū)間3°～5°上，Xmax=5，Xmin=3，b=20，a=10。

表3 坡度分級(jí)與得分

圖3 坡度因子量化得分圖

圖4 坡向因子量化得分圖

3.3 坡向、土地利用類型和土壤類型因子的提取與量化處理

坡向不同引起坡面所獲得的平均天文輻射日總量不同，一般陽坡比陰坡所獲得的天文輻射日總量大，在北半球無論是南坡還是北坡，天文輻射強(qiáng)度由南或正北向以東或以西的坡面呈對(duì)稱遞減趨勢(shì)[3]。因此，本文將坡向分為5級(jí)，平地上的天文輻射強(qiáng)度介于陽坡與陰坡之間。坡面上天文輻射強(qiáng)度大，會(huì)使地表因水分蒸發(fā)而顯得更加干燥，土層較薄，在其它條件相同下增加土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)。發(fā)生在不同土地利用類型的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)是不同的。本文參照張國(guó)清[4]等的研究結(jié)果對(duì)研究區(qū)的土地利用類型進(jìn)行賦值。土壤類型不同，對(duì)抗土壤侵蝕的能力也不同。坡向、土地利用類型和土壤類型因素得分見表4，得分結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

3.4 土壤侵蝕影響因子權(quán)重確定

不同因子對(duì)于土壤侵蝕的貢獻(xiàn)不同，因此需要分配不同的權(quán)重。本文在特爾斐(Delphi)基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法，計(jì)算出各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值，坡度0.24°，植被覆蓋度0.21，土地利用類型0.19，土壤類型0.15，高程0.12，坡向0.09[5-6]。利用公式(1)，得到帽兒山地區(qū)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性分布圖，如圖7所示。

帽兒山地區(qū)各個(gè)柵格的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)綜合得分值介于28.54～78.04。參照原水利部頒布的土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將帽兒山土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性劃分為無險(xiǎn)型、輕險(xiǎn)型、危險(xiǎn)型和強(qiáng)險(xiǎn)型4個(gè)級(jí)別，見表5。可以看出，在帽兒山土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性等級(jí)中，無險(xiǎn)型、輕險(xiǎn)型占據(jù)了帽兒山地區(qū)總面積的72.34％，危險(xiǎn)型和強(qiáng)險(xiǎn)型只占了27.66％。平均值為38，屬于輕險(xiǎn)型的范疇。

表4 坡向、土地利用類型和土壤類型分級(jí)與得分

圖5 土地利用類型因子量化得分圖

圖6 土壤類型因子量化得分圖

圖7 帽兒山地區(qū)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性分布圖

表5土壤潛在危險(xiǎn)性分級(jí)表

Tab.5 Soil potential risk classification

潛在危險(xiǎn)性綜合得分值占總面積比例％無險(xiǎn)型28.54～3034.28輕險(xiǎn)型30～4038.06危險(xiǎn)型40～5016.08強(qiáng)險(xiǎn)型50～78.0411.58

4 結(jié) 論

由于帽兒山地區(qū)的坡度較緩、森林覆蓋度較高、土壤類型多為暗棕壤、灰色森林土，這樣的條件有利于水土保持，加上人為破壞較少，林場(chǎng)有效的保護(hù)和管理等，該地區(qū)的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)等級(jí)較低，屬于輕險(xiǎn)型；危險(xiǎn)型區(qū)域比較集中地分布在人為活動(dòng)頻繁的地帶，如帽兒山周圍和村莊附近，該區(qū)域墾殖面積大，植被蓋度低，人的行為活動(dòng)頻繁，破壞嚴(yán)重，當(dāng)降雨超過一定的強(qiáng)度，就會(huì)有大量泥沙泄入山下的阿什河，抬高河床，加劇側(cè)蝕。同時(shí)應(yīng)意識(shí)到的是，帽兒山地區(qū)的海拔較低，還有人工林、苗圃、農(nóng)田和城鎮(zhèn)居民用地的面積呈逐年上升趨勢(shì)，導(dǎo)致土壤侵蝕的潛在危險(xiǎn)性增加。

提高植被覆蓋度，治理村莊周圍區(qū)域是重點(diǎn)工作。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]林升鈺，査 軒.基于GIS的安溪縣土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)[J].水土保持研究，2010，17(6)：62-63.

[2]中華人民共和國(guó)水利部標(biāo)準(zhǔn).土壤侵蝕分類分級(jí)(SL 190-96)[S].北京：水利電力出版社，1997.

[3]孫漢群.坡面日照和天文輻射研究[M].南京：河海大學(xué)出版社，2005.

[4]張國(guó)清，丁桑嵐，陳青玉.眉山市不同土地利用類型土壤侵蝕分析[J].中國(guó)水土保持，2008，(10)：41-43.

[5]張 勇，衛(wèi)正新，李有華，等.右玉縣土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指標(biāo)研究[J].人民長(zhǎng)江，2008，39(24)：93-94.

[6]陸 昕，孫 龍，胡海清.森林土壤活性有機(jī)碳影響因素[J].森林工程，2013，29(1)：8-10.