基于GIS的土壤侵蚀潜在危险性评价

王维芳，尹铭昕，李国春，董虹虹

(1.东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省林业监测规划院，哈尔滨 150080)

近年来，随着工业化程度和城市化水平的不断提高，水土流失严重，土壤侵蚀情况加剧，造成了土地质量下降、土地荒漠化等一系列环境问题和粮食供给问题[1]。土壤侵蚀是一个复杂的过程，利用常规地面调查的方法，受人为因素的影响很大，费时费力，GIS技术的发展为土壤侵蚀定量分析提供了契机。国内外学者以土壤侵蚀强度和土壤侵蚀潜在危险指标为主要研究方向，采用侵蚀模数或者土壤流失量来研究土壤侵蚀强度的方法更多的是反映土壤侵蚀现状，并不能对未来的趋势做出更好的判断。而土壤侵蚀潜在危险性的研究，可以反映土壤侵蚀后果的危险性，可以用来分析和评价水土流失程度及其变化趋势。

1 研究区域概况

帽儿山位于黑龙江省尚志市的西部帽儿山镇，地理坐标为东经127°30′～127°34′；北纬45°20′～45°25′。总面积26 507 hm2，南北长30 km，东西宽20 km。帽儿山林场平均海拔300 m，地势由南向北渐高。一般坡度在10°～15°，个别地段达45°左右。气候属于中温带湿润性季风气候，四季差异较大，年平均气温为2～6℃，极端最低气温在零下23～34℃，最高气温34～38℃。年均降水400～650 mm，大部分降雨集中在每年6～8月份。帽儿山与长白山同属一个长白兴安褶皱带，地貌属于东部山地，以花岗岩为主的吉林低山与丘陵的一部分。在植被区划上属于温带针叶一阔叶混交林区，地带性植被为红松阔叶混交林。现存植被类型主要有落叶阔叶林(天然次生林)、灌丛、草甸、沼泽、水生与岩生植被等，目前红松阔叶混交林已不复存在。

2 研究方法

参考《土壤侵蚀分类分级标准》对指标进行分析[2]，选取有代表性的易获得的土壤侵蚀潜在危险指标因子，用加权分析方法来计算潜在危险性，见公式(1)。主要因子包括海拔、坡度、坡向、植被覆盖度、土地利用类型、土壤类型。利用ArcGIS软件获取以上各因子栅格数据，在对各指标因子值进行处理后得到各指标因子得分数据，消除因量纲不同所造成的影响，利用层次分析法确定各影响因子的权重，最后通过加权分析的方法，得到潜在危险性综合因子得分，进一步确定土壤侵蚀潜在危险指标，见表1。

(1)

式中：P为综合得分；fi为第i个因子的得分；wi为第i个因子的权重值；i为因子。

表1 土壤侵蚀潜在危险性分级表

3 结果与分析

3.1 海拔与植被覆盖度数据的处理

不同海拔处，人类活动的影响不同，一般情况下，海拔较高之处人为因素影响小于低海拔的地方，土壤侵蚀潜在危险性就越小，据此将海拔分为6个等级。植被覆盖度不同，对土壤侵蚀的影响效果也不同。将海拔和植被覆盖度代入公式(2)，得到二者的得分，见表2。海拔因子量化得分和植被盖度因子量化得分如图1和图2所示。

。

(2)

式中：fi为因素得分；Xi为第i个栅格的因素属性值；Xmax和Xmin为该栅格属性值所在区间的最大属性值和最小属性值；b和a为区间内最大得分值和最小得分值。如在区间200～500 m上，Xmax=500，Xmin=200，b=80，a=65。

表2 海拔、植被覆盖度分级与得分

图1 高程因子量化得分图

图2 植被盖度因子量化得分图

3.2 坡度因子的提取与量化处理

一般研究认为坡度越大，侵蚀越强，特别是当坡度增加到15°以上时，侵蚀量急速增加，当坡度增加到某一值时，侵蚀量不再增加，结合原水利部1997年公布的土壤侵蚀潜在危险指标评级标准，坡度分级见表3，坡度因子利用公式(3)进行量化赋值。坡度量化得分如图3所示。

(3)

式中：fi为因素得分；Xi第i个栅格的因素属性值；Xmax和Xmin为该栅格的属性值所在区间的最大属性值和最小属性值；b表示区间内最大得分值；a表示区间内最小得分值。如在区间3°～5°上，Xmax=5，Xmin=3，b=20，a=10。

表3 坡度分级与得分

图3 坡度因子量化得分图

图4 坡向因子量化得分图

3.3 坡向、土地利用类型和土壤类型因子的提取与量化处理

坡向不同引起坡面所获得的平均天文辐射日总量不同，一般阳坡比阴坡所获得的天文辐射日总量大，在北半球无论是南坡还是北坡，天文辐射强度由南或正北向以东或以西的坡面呈对称递减趋势[3]。因此，本文将坡向分为5级，平地上的天文辐射强度介于阳坡与阴坡之间。坡面上天文辐射强度大，会使地表因水分蒸发而显得更加干燥，土层较薄，在其它条件相同下增加土壤侵蚀潜在危险指标。发生在不同土地利用类型的土壤侵蚀潜在危险指标是不同的。本文参照张国清[4]等的研究结果对研究区的土地利用类型进行赋值。土壤类型不同，对抗土壤侵蚀的能力也不同。坡向、土地利用类型和土壤类型因素得分见表4，得分结果如图4、图5和图6所示。

3.4 土壤侵蚀影响因子权重确定

不同因子对于土壤侵蚀的贡献不同，因此需要分配不同的权重。本文在特尔斐(Delphi)基础上，运用层次分析法，计算出各评价因子的权重值，坡度0.24°，植被覆盖度0.21，土地利用类型0.19，土壤类型0.15，高程0.12，坡向0.09[5-6]。利用公式(1)，得到帽儿山地区土壤侵蚀潜在危险性分布图，如图7所示。

帽儿山地区各个栅格的土壤侵蚀潜在危险指标综合得分值介于28.54～78.04。参照原水利部颁布的土壤侵蚀分类分级标准，将帽儿山土壤侵蚀潜在危险性划分为无险型、轻险型、危险型和强险型4个级别，见表5。可以看出，在帽儿山土壤侵蚀潜在危险性等级中，无险型、轻险型占据了帽儿山地区总面积的72.34％，危险型和强险型只占了27.66％。平均值为38，属于轻险型的范畴。

表4 坡向、土地利用类型和土壤类型分级与得分

图5 土地利用类型因子量化得分图

图6 土壤类型因子量化得分图

图7 帽儿山地区土壤侵蚀潜在危险性分布图

表5土壤潜在危险性分级表

Tab.5 Soil potential risk classification

潜在危险性综合得分值占总面积比例％无险型28.54～3034.28轻险型30～4038.06危险型40～5016.08强险型50～78.0411.58

4 结 论

由于帽儿山地区的坡度较缓、森林覆盖度较高、土壤类型多为暗棕壤、灰色森林土，这样的条件有利于水土保持，加上人为破坏较少，林场有效的保护和管理等，该地区的土壤侵蚀潜在危险指标等级较低，属于轻险型；危险型区域比较集中地分布在人为活动频繁的地带，如帽儿山周围和村庄附近，该区域垦殖面积大，植被盖度低，人的行为活动频繁，破坏严重，当降雨超过一定的强度，就会有大量泥沙泄入山下的阿什河，抬高河床，加剧侧蚀。同时应意识到的是，帽儿山地区的海拔较低，还有人工林、苗圃、农田和城镇居民用地的面积呈逐年上升趋势，导致土壤侵蚀的潜在危险性增加。

提高植被覆盖度，治理村庄周围区域是重点工作。

【参 考 文 献】

[1]林升钰，査 轩.基于GIS的安溪县土壤侵蚀潜在危险指标[J].水土保持研究，2010，17(6)：62-63.

[2]中华人民共和国水利部标准.土壤侵蚀分类分级(SL 190-96)[S].北京：水利电力出版社，1997.

[3]孙汉群.坡面日照和天文辐射研究[M].南京：河海大学出版社，2005.

[4]张国清，丁桑岚，陈青玉.眉山市不同土地利用类型土壤侵蚀分析[J].中国水土保持，2008，(10)：41-43.

[5]张 勇，卫正新，李有华，等.右玉县土壤侵蚀潜在危险指标研究[J].人民长江，2008，39(24)：93-94.

[6]陆 昕，孙 龙，胡海清.森林土壤活性有机碳影响因素[J].森林工程，2013，29(1)：8-10.