海城市水土流失強(qiáng)度空間分布格局分析

王 琳

(海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

0 引 言

水土流失引起的區(qū)域下墊面環(huán)境脆弱化和地表層組織結(jié)構(gòu)的破壞，造成的河道淤積、土壤退化、養(yǎng)分流失和水源污染等問題，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和自然生態(tài)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。海城市位于遼河下游左岸，土壤類型以草甸土、棕壤土為主且土層深厚、土地肥沃，為遼東半島重要的糧食生產(chǎn)基地。然而，隨著植被破壞的加劇和人口規(guī)模的擴(kuò)大，水土流失問題越來越引起政府部門和研究者的重視[1]。一直以來，水土流失強(qiáng)度、空間分布特征和土地類型為水土保持治理規(guī)劃的根本依據(jù)。RS、GIS技術(shù)的快速發(fā)展為更加直觀的描述土壤侵蝕特征創(chuàng)造了條件，并為土壤侵蝕時空分異特征的分析提供了技術(shù)支撐，目前常用的方法有分形維數(shù)、半方差函數(shù)和景觀指數(shù)法等，由此可實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土流失的直觀、廣域和高效實(shí)時監(jiān)測。在地貌形態(tài)上海城市有洼地、平原、丘陵和山地，為了更加準(zhǔn)確的度量水土流失強(qiáng)度隨地貌形態(tài)差異性的變化引入分形維數(shù)理論，利用回歸分析法探討了水土流失強(qiáng)度與不同地表覆被之間的作用關(guān)系，可為治理措施的空間布置和水土保持規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)[2-4]。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

海城市位于遼寧省南部，占地面積2732km2，介于E122°18'-123°08'、N40°29'-41°11'之間，地形地貌復(fù)雜總體呈西北低、東南高的特征。該區(qū)域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，春秋季短、冬季寒冷期長、四季分明、雨熱同期、平原風(fēng)大、雨量集中、光照豐富，年降水量721.3mm，年均氣溫10.4℃。海城市八里河、三通河、海城河、五道河、楊柳河橫貫東西，大遼河、渾河、太子河縱橫南北。區(qū)域內(nèi)林草植被狀態(tài)較好，果業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)良好且屬于林木產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，典型植被有溫帶草地、喬木和灌木林，覆蓋率達(dá)到42%，總體而言具有較強(qiáng)的水土涵養(yǎng)能力。土壤侵蝕以輕度水力侵蝕為主，且少部分地區(qū)人為造成的侵蝕，受地理?xiàng)l件和季風(fēng)氣候影響降水量多集中于7、8、9三個月，水土流失主要分布在侵蝕溝壑、荒山緩坡、果園和疏林地等區(qū)域。近年來，由于掠奪式生產(chǎn)、盲目的開墾和不重視生態(tài)修復(fù)等開發(fā)利用過渡，使得水土流失對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、水體質(zhì)量、農(nóng)業(yè)發(fā)展和土壤物理結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致一系列的土壤退化、土壤生產(chǎn)力下降和干旱等問題。隨著對土地資源利用的逐漸增大，隨之而來的水土流失、土地退化、環(huán)境惡化等問題日趨突出，研究分析海城市水土流失空間分布及其變化特征具有重要的意義[5-6]。

1.2 數(shù)據(jù)源

空間矢量、DEM和遙感影像為主要研究數(shù)據(jù)，其中影像數(shù)據(jù)波段為15m、全色，分辨率為30m，地理信息云網(wǎng)站和Landsat 8OLI提供以上相關(guān)資料。土壤數(shù)據(jù)和降水圖層來源于氣象中心和地理監(jiān)測云平臺。采用分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)提取研究區(qū)地形坡度因子值，通過對測繪局提供的地形圖、區(qū)劃圖矢量化處理獲取邊界條件信息，經(jīng)15m精度重采樣格柵影像后統(tǒng)一投影至WGS-1985系統(tǒng)。

1.3 RUSLE水土流失方程

根據(jù)植被涵養(yǎng)、地形效應(yīng)、水動力學(xué)和土壤質(zhì)地等研究提出了通用水土流失方程RUSEL，經(jīng)大量的人工降雨和徑流小區(qū)模擬試驗(yàn)建立計(jì)算公式，綜合考慮降水強(qiáng)度、坡度坡長、植被等環(huán)境因子形成的水土流失方程如下：

RUSLE=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：RUSLE為年土壤流失量，反映了單位面積坡面的平均侵蝕量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力實(shí)測值，反映了水土流失受降水強(qiáng)度的影響，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性評估因子，降水強(qiáng)度對不同土壤質(zhì)地的侵蝕力不同，t·h/(MJ·mm·a)；P、C、S、L為量綱為1的水保措施、植被覆蓋、坡長與坡度因子。

地形因子客觀反映了地形特征加速水土流失的作用，一定區(qū)域內(nèi)地面的最大高差為地形起伏度，水土流失強(qiáng)度隨坡長、坡度的增大而增強(qiáng)。采用區(qū)域DEM數(shù)據(jù)和Arc GIS10.3空間分析工具，通過設(shè)置統(tǒng)計(jì)類型最小、最大值直接提取研究區(qū)地形因子格柵圖。土壤在自然狀態(tài)下的侵蝕程度利用地表可侵蝕性反映，它體現(xiàn)了地表徑流或雨滴擊濺等侵蝕介質(zhì)搬運(yùn)、沖蝕和分離土壤的難易程度，該因子值與土壤滲透、地表徑流和降雨等因素相關(guān)，地表環(huán)境越疏松則可蝕性越強(qiáng)，利用下式表征地表可蝕性：

(2)

式中：Pi為月降雨總量，mm；i為月份，其值取1，2，…，12。林草植被減少土壤侵蝕的途徑有地表匯集、截流和地下固結(jié)，土壤侵蝕與植被覆蓋呈反比，提取計(jì)算ENV15.3系統(tǒng)只能給的波段獲取其數(shù)值。

1.4 分形維數(shù)

幾何學(xué)為分形理論的基礎(chǔ)，對不同復(fù)雜程度的形態(tài)利用幾何形物的周長、面積關(guān)系反映。針對空間不連續(xù)的土壤變量分形維數(shù)，采用一定觀測尺度h上變異函數(shù)的雙對數(shù)關(guān)系logγ(h)∞logh描述，其數(shù)學(xué)式為：

(3)

式中：FD、H為分形維數(shù)和線性斜率，F(xiàn)D值域?yàn)?1，2]、H取值[0，1]，且隨著H值的增大FD呈減少趨勢。

在空間分布上，分形維數(shù)越小則分布趨勢性越強(qiáng)，其空間連續(xù)性和漸變性越好；分形維數(shù)越小則水土流失異質(zhì)格局越強(qiáng)，全局趨勢越弱、連續(xù)性和離散性越差。

2 海城市水土流失分析

2.1 水土流失空間分布特征

根據(jù)海城市水土流失強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，見表1，輕度侵蝕的分布范圍最廣且連續(xù)性最好，在空間上呈片狀延伸于海城市西部平原和洼地。東部丘陵地帶以中度水土流失為主，由于東部坡度大、地勢高且土壤可蝕性強(qiáng)，沿丘陵山脊線分布有其他強(qiáng)度水土流失。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，輕度、中度、強(qiáng)烈侵蝕區(qū)面積為349.65、212.10、17.21km2，占水土流失總面積的44.44%、26.95%、17.21%；極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕區(qū)占比不足10%，統(tǒng)計(jì)面積為8.59、2.81km2。由此表明，海城市土壤侵蝕以輕度為主，該區(qū)域具有較好的涵養(yǎng)水土能力。海城市土壤侵蝕分布見表1。

表1 海城市土壤侵蝕分布

2.2 水土流失分形特征

海城市水土流失分形特征見圖1。

圖1 海城市水土流失分形特征

從圖1可知，隨著侵蝕強(qiáng)度的變化海城市水土流失空間分形維數(shù)存在較大差異。雙對數(shù)線性擬合的滯后距離與半方差函數(shù)關(guān)系較好，R2值處于0.7320-0.927范圍，因此在該尺度上能夠度量土壤侵蝕的空間格局維數(shù)。其中，斜率最大和最小的為劇烈、輕度侵蝕等級，所對應(yīng)的斜率值為0.8982、0.3857，其它水土流失等級的斜率介于0.4047-0.6228范圍。根據(jù)分形維數(shù)計(jì)算公式確定不同土壤侵蝕程度的分形值為1.805、1.792、1.190、1.688、1.552，雖然此值存在較小的差異，但仍能夠說明其空間差異性。因此，分形維數(shù)值最高的為輕度水土流失，其幾何形態(tài)在空間分布上較為復(fù)雜，其原因?yàn)樵搮^(qū)域存在較大的環(huán)境空間差異，人類開發(fā)利用、地質(zhì)應(yīng)力等因素均可對輕度侵蝕產(chǎn)生影響，且土壤侵蝕的延伸也受到其它各類因素的影響。反之，分形維數(shù)值越小則土壤侵蝕越強(qiáng)烈，土地類型和空間分布越穩(wěn)定，其原因?yàn)槿祟惢顒痈蓴_極強(qiáng)或地理環(huán)境較差的區(qū)域，其界面穩(wěn)定性較高且水土流失嚴(yán)重。

2.3 土地利用分異特征

通過疊加處理海城市土壤侵蝕強(qiáng)度和用地類型圖，獲取二者的關(guān)系矩陣見表2。

表2 不同用地條件的土壤流失面積

根據(jù)表2可知，水土流失強(qiáng)度與土地類型密切相關(guān)，其中耕地、林地和草地為海城市主要用地類型，這三類用地的土壤侵蝕面積占全區(qū)的79.18%，應(yīng)作為水土保持重點(diǎn)治理區(qū)。從表2可以看出，侵蝕模數(shù)最大的為草地，其次為耕地和林地，對應(yīng)的值為1685.25、1435.20、871.26t/km2·a，其原因?yàn)楹３鞘幸愿睾筒莸貫橹?，這些區(qū)域也應(yīng)作為水土保持重點(diǎn)治理區(qū)。裸地、建設(shè)用地和水域面積相對較小，其侵蝕模數(shù)依次為97.33、153.28和270.41t/km2·a，水土流失強(qiáng)度在不同用地類型中的差異性較為顯著，其中草地、耕地在輕度侵蝕中的分布最為廣泛，覆蓋面積達(dá)到180.32、70.33km2；草地在中度侵蝕中的分布最為廣泛，覆蓋面積達(dá)到128.91km2；耕地在強(qiáng)烈侵蝕中的分布最廣，水域和草地相差不大，覆蓋面積依次為71.41、26.22、24.06km2；水域用地類型在極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕等級分布最廣。

2.4 用地結(jié)構(gòu)與水土流失量關(guān)系

采用回歸分析法探討水土流失強(qiáng)度與不同地表覆被之間的作用關(guān)系，見圖2。

圖2 水土流失量與用地類型結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

根據(jù)圖2可知，水土流失量與草地、林地結(jié)構(gòu)比之間存在負(fù)相關(guān)性，可見增加這些地類能夠增強(qiáng)區(qū)域水源涵養(yǎng)能力，減少水土流失危害和保護(hù)自然環(huán)境；水土流失量與裸地、建設(shè)用地、耕地之間存在正相關(guān)性，因此增加這些用地結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步加劇水土流失。線性回歸系數(shù)最小的為水土流失量與草地用地類型關(guān)系，其值為-1085.4t/km2·a，表明土壤侵蝕量隨著草地地類的增加而減少，其次為林地，其相關(guān)系數(shù)為-928.12t/km2·a。每增加1個單位的建設(shè)用地、耕地、裸地和水域用地結(jié)構(gòu)，可增加土壤侵蝕量1218.6、728.45、990.57、124.57t/km2·a。因此，為提高區(qū)域水土涵養(yǎng)能力和開展水土保持工作，應(yīng)盡可能的減少耕地、裸地和建設(shè)用地面積。

3 結(jié) 論

對海城市水土流失空間分布利用水土流失通用方程和現(xiàn)代地理信息技術(shù)研究，從而確定不同用地類型與分形維數(shù)特征之間的關(guān)系。研究表明，海城市水土涵養(yǎng)能力較好且林草覆蓋率較高，輕度侵蝕區(qū)占比最大；由于輕度侵蝕區(qū)自然形態(tài)復(fù)雜且分布范圍廣泛，人類活動干擾和環(huán)境破壞嚴(yán)重，為避免態(tài)勢惡化應(yīng)以增加植被覆蓋率為根本治理措施。水土流失強(qiáng)度受用地類型的影響較為顯著，土壤侵蝕模數(shù)隨著建設(shè)用地、裸地、水域和耕地結(jié)構(gòu)比例的增大而增大，增加草地和林地類型可有效降低水土流失危害，可為區(qū)域水土保持規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

通用方程計(jì)算結(jié)果顯示，草地、林地和耕地為海城市水土流失易發(fā)區(qū)，而裸地、建設(shè)用地和水域面積相對較少，這些區(qū)域的水土流失量少且土壤累計(jì)淺薄，但流失強(qiáng)度極高。所以，改變不合理的種植方式和優(yōu)化農(nóng)用地結(jié)構(gòu)為今后水土保持工作的重點(diǎn)，建議采取的措施為：以小流域?yàn)閱卧_展荒山荒坡、侵蝕溝、坡耕地綜合治理，配套溝谷穩(wěn)定和蓄排水水利工程，為減少泥沙入庫量建設(shè)谷坊、攔砂壩等治理工程，同時在水庫周邊建設(shè)水生植物和防護(hù)林等；加強(qiáng)對濕地、河流和裸地的整治，繼續(xù)實(shí)施退耕還草還林和修筑水土流失防護(hù)措施，針對林木稀疏的淺山地區(qū)采取增大水源涵養(yǎng)林建設(shè)，實(shí)施輪封輪牧、人工種植及禁牧封山等措施，加強(qiáng)對原生草場的防護(hù)等。