基于GIS的东北黑土区土壤侵蚀模数计算

孙禹,哈斯额尔敦†,杜会石

(1.北京师范大学资源学院,100875,北京;2.吉林师范大学旅游与地理科学学院,136000,吉林四平)

基于GIS的东北黑土区土壤侵蚀模数计算

孙禹1,哈斯额尔敦1†,杜会石2

(1.北京师范大学资源学院,100875,北京;2.吉林师范大学旅游与地理科学学院,136000,吉林四平)

为了监测及评估我国东北黑土区土壤侵蚀现状,在地理信息系统技术的支持下,应用CSLE模型,结合0.5 m分辨率的WorldView遥感影像,定量估算黑龙江省克山县古城小流域的土壤侵蚀量。结果表明:1)研究区的土壤侵蚀强度为轻度侵蚀,侵蚀区主要集中在该区的西北、东北和中南部地区;2)当坡度＜20°时,土壤侵蚀程度较低,当坡度＞20°时,土壤侵蚀较严重,此外坡度还能通过影响耕作措施的方式对土壤侵蚀强度产生间接作用,而水土保持措施因子和生物措施因子同样对土壤侵蚀区的分布范围及强度影响较大。研究结果对我国东北地区防治水土流失、减少河流泥沙、改善和恢复黑土肥力具有重要意义。

土壤侵蚀;CSLE模型;地理信息系统;克山县古城小流域

东北黑土区为世界3大黑土区之一,是重要的商品粮基地;但近几十年大范围土地开发与利用,以及由此导致的农业生态系统破坏,致使该区农业生产能力下降,威胁我国粮食安全。土壤侵蚀和水土流失的危害主要表现为剥蚀表层土壤、降低土地生产能力、污染水质、影响生态平衡。土壤侵蚀的防治及预报已成为东北黑土区生态建设和社会经济可持续发展的主要任务。

土壤侵蚀模数的计算方法很多,大多是在通用土壤流失方程 (UniversalSoilLossEquation, USLE)[1]基础上,根据实际研究问题,不断对其进行修改形成的。具有代表性的有USLE/MUSLE/RUSLE[2-5]、 CREAMS/GLEAMS[6-7]、 WEPP/Geo-WEPP[8-9]、SEMWE[10]、LISEM[10-12]、AGNPS[13]、ANSWERS[14]、EUROSEM[15-17]、CASC2D[18]和 GUEST (Griffith University Erosion System Template)[19]等。其中,最为广泛应用的经验模型是修正的通用土壤流失模型(The Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)[20]。

随着计算机技术的发展和GIS的逐步成熟,GIS技术正被广泛地运用到相关问题的研究中,对上述模型提出了针对性的改进。主要成果有张宪奎等[21]对黑龙江土壤流失方程的研究、蔡崇法等[22]对长江上游中小流域产沙模型的研究、陈法扬等[23]将USLE应用在东小良水土保持试验站以及刘宝元[24]和闫业超等[25]提出的中国土壤流失方程CSLE。笔者在GIS技术的支持下,应用CSLE模型,对黑龙江黑土区克山地区的土壤侵蚀量进行定量估算,最大限度保证结果精度的同时,对该区土壤侵蚀状况进行评价,研究结果可为有针对性地防治水土流失、减少河流泥沙、改善和恢复黑土肥力提供依据。

图1 研究区位置Fig.1 Location of research area

1 研究区概况

克山县位于黑龙江省西部、齐齐哈尔市东北部,地处世界3大黑土带之一的腹地,该区属温带大陆性季风气候,冬季干冷多风、夏季温和多雨,年均降水510 mm,80%的降水集中在6—9月;年均温为1.0℃,1月均温-22.7℃,7月均温21.3℃。研究区古城小流域位于黑龙江省克山县中部(图1),是小兴安岭与松嫩平原过渡地带的典型黑土区,属嫩江一级支流乌裕尔河水系。地理坐标为E 125°37′52″～126°03′19″、N 47°59′11″～48°09′28″。研究区土壤类型主要为黑土,局部地区有草甸黑土和草甸土分布。黑土表层孔隙度高,适合旱地耕种。由于黑土土质较黏稠,底土透水性差,抗蚀能力弱[26],又易受冲刷,水土流失现象明显、空间分布广泛。

2 土壤侵蚀量的估算

2.1 土壤侵蚀模型的选择

本文采用的是中国土壤流失方程(Chinese Siol Loss Equation,CSLE)是刘宝元参考USLE和RUSLE的有关思想针对中国实际提出的模型,更能体现中国土壤侵蚀的实际情况,中国土壤侵蚀模型[27]表达式为

A=RKLSBET。

式中:A为土壤流失量,t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(hm2h·a);K为土壤可蚀性因子,t· hm2·h/(hm2·MJ·mm);L为坡长因子;S为坡度因子;B为生物措施因子,反映地表覆盖对土壤侵蚀的作用;E为工程措施因子,指通过改变小地形(如坡改梯、引水拉沙等)来改善农业生产条件,以减少或防止土壤侵蚀而采取的措施;T为耕作措施因子,指以犁、锄、耙等为耕(整)地农具所采取的措施,以达到保水保土保肥的目的。

2.2 各因子值的确定

2.2.1 降雨侵蚀力因子 降雨侵蚀力因子R是描述降水导致土壤侵蚀潜在能力大小的定量指标,它是土壤侵蚀预报预测模型的主要参数之一。用于计算降雨侵蚀力的气象数据为克山县新启气象站1980—2009年间的逐日侵蚀性降雨量资料。本文通过计算多年平均降雨侵蚀力的方式来计算R值。章文波等[27]修正的日雨量模型为

式中:Ri为第i个半月时段的侵蚀力值,MJ·mm/ (hm2·h);k为半月时段内的时间,d;Pj为半月时段内第j天的侵蚀性日雨量,要求日雨量≥12 mm,否则以0计算,阈值12 mm与中国侵蚀性降雨一致,半月时段的划分以每月前15 d作为一个半月段,该月剩下部分作为另一个半月时段,这样将全年依次划分为24个时段;α、β为模型待定参数,根据研究区降雨特征进行计算:

式中Py12为日降雨量≥12 mm的年平均降雨量,mm。

2.2.2 土壤可蚀性因子 土壤可蚀性因子K表征土壤被侵蚀的难易程度,反映土壤对侵蚀外营力剥蚀和搬运的敏感性,是影响土壤侵蚀的内在因素。影响可侵蚀性的因素主要是粉砂、细砂质量分数,粒径＞0.1 mm的砂粒质量分数,有机质质量分数,土壤结构系数和土壤剖面渗透性等级。本文采用J. R.Williams等[28]在EPIC模型中的K值计算方法:

式中:Sa为砂粒质量分数;Si为粉砂质量分数;Ci为黏粒质量分数;C为有机碳质量分数。

2.2.3 坡长坡度因子 坡长因子L和坡度因子S反映地形特征对土壤侵蚀的影响,通常将它们一同视为地形因子。本文运用Python脚本语言计算LS因子。输入DEM数据后,计算坡长。在程序中定义坡度角的单位为(°),实际地形中,当坡度降低到一定程度时会发生由侵蚀到沉积的转变,在这里使用截断因子来表现。与全国第一次水利普查保持一致,在此截断因子选取0.5和0.7。

式中:θ为坡度,(°);λ为坡长,m。

2.2.4 生物措施因子 生物措施因子B反映地表覆盖对土壤侵蚀的作用,是在某种状态下种植作物地块上的土壤流失与对应的清耕、连续休闲地块上流失量的比值。目前计算该因子的方法主要有2种,分别为基于先验资料的估算法和基于植被覆盖因子的遥感数据定量估算法。本文选用蔡崇法等[22]基于植被盖度的遥感数据定量估算的方法。

式中:B为生物措施因子值,最小值应为0,即不产生土壤流失;最大值为1,即为标准状况。c为植被盖度。当c＞78.3%时,B=0;当c≤78.3%时,B按上式计算,当c=0时,B可看成1。而植被盖度c可根据影像头文件中的信息反演求得。

2.2.5 工程措施因子 工程措施因子指同等条件下,对应工程措施径流小区土壤流失量与顺坡起垄种植小区土壤流失量之比。利用覆盖研究小流域的分辨率为0.5 m的WorldView遥感影像,对该区域进行水土保持措施的解译。本文根据张宪奎等[21]的研究确定梯田、地埂、改垄的E因子值(表1)。

表1 各种水土保持措施的E因子值Tab.1 Engineering-control factor value of each soil and water conservation measure

由于该研究区的水土保持措施解译中,水土保持林所占面积最大,并且在水土保持中起重要作用;所以经过与相关文献[29-30]的对比分析,水土保持林的E值取0.497。

2.2.6 耕作措施因子 耕作措施因子T指其对应小区土壤流失量与顺坡起垄种植小区的土壤流失量之比,故其因子值指该小区土壤流失量与裸地土壤流失量之比。

由于遥感影像无法完全反映所有的水土保持措施,所以,本文在以往有关研究的基础上,采用经验公式来计算水土保持耕作措施因子[31]。对该因子赋值主要根据不用坡度条件的耕作对减少水土流失的作用来确定(表2);在没有耕作措施的地方,将水土保持耕作措施因子值赋为1。

表2 不同坡度下耕作措施因子值Tab.2 Value of tillagemeasures with different slope values

3 结果与分析

利用前面计算得出的各个因子值和遥感解译结果,在ArcGIS 9.3软件的支持下输出该区坡度图(图2)、B因子图(图3)、水土保持措施图(图4)及T因子图(图5),对该研究区的土壤侵蚀量和土壤侵蚀等级进行统计分析(表3)。可以看出:克山县古城小流域的年均土壤侵蚀量为13万6 322.81 t/ a,平均土壤侵蚀模数为414.96 t/(km2·a),属轻度侵蚀。土壤侵蚀区主要集中在该研究区的西北、东北和中南部。流域面积90%以上的区域侵蚀强度为微度或轻度,这些区域对土壤侵蚀量的贡献率仅为55%,而该流域45%的泥沙来源于占流域面积不到10%的强烈、极强烈和剧烈侵蚀区。

表3 克山县古城小流域土壤侵蚀等级统计结果Tab.3 Statistic of soil erosion of Gucheng Watershed in Keshan County

本文所选用的CSLE模型是针对中国土壤侵蚀特点,提出的适用于全国范围的土壤侵蚀预报模型;结合分辨率为0.5 m的World View遥感影像对研究区的土地利用状况和水土保持措施进行解译,并在影像上选取典型地块,通过实地调查的方式确保了解译结果的精准。

将各图进行对比发现,图2中坡度值较低的区域对应图6中的微度侵蚀区,而图2中坡度值偏高的区域则对应图6中的轻度及中度侵蚀区,说明坡度对土壤侵蚀的程度有重要影响;将图3与图6对比发现,在B因子值较低的区域,土壤侵蚀强度以轻度和中度为主,在B因子值较高的区域,土壤侵蚀强度以微度为主,说明植被覆盖在减少由水土流失导致的土壤侵蚀方面发挥了重要作用;将图4与图6对比发现,在有水土保持措施的区域,土壤侵蚀强度以微度、轻度和中度为主,其他区域土壤侵蚀程度较为严重,说明水土保持措施在控制土壤侵蚀方面效果明显;将图5与图6对比发现,在T因子值较低区域,土壤侵蚀以微度为主,T因子的高值区域对应轻度及中度侵蚀区,而T因子值是根据不同坡度进行赋值的,从图5中可以看出T值的取值范围为0.100～0.735,说明该区的坡度主要在0°～25°之间,从图4可以看出,T因子的高值区对应的坡度范围在20°～25°之间,说明在坡度＜20°的地形条件下,能够有效控制土壤侵蚀的发生。

图2 克山县古城小流域坡度Fig.2 Slope value of Gucheng Watershed in Keshan County

图3 克山县古城小流域B因子Fig.3 Value of biological-control factor of Gucheng Watershed in Keshan County

图4 克山县古城小流域水土保持措施Fig.4 Soil and water conservationmeasures of Gucheng Watershed in Keshan County

图5 克山县古城小流域T因子Fig.5 Value of tillage practices factor of Gucheng Watershed in Keshan County

图6 2011年古城小流域土壤侵蚀强度Fig.6 Soil erosion intensity of Gucheng Watershed in 2011

图7 2000年古城小流域土壤侵蚀强度Fig.7 Soil erosion intensity of Gucheng Watershed in 2000

从土地利用类型来看,天然草地和灌木林区域内全部为微度侵蚀;有林地以微度侵蚀和轻度侵蚀为主,并且轻度侵蚀所占比例存在从西向东逐渐增加的趋势,在盐碱地及其他用地区域内可发现所有的土壤侵蚀等级,其中以微度侵蚀和中度侵蚀为主;旱地是整个小流域面积最大的土地利用类型,同时也是土壤侵蚀程度最重、侵蚀等级最多的区域,该流域所有的极强烈和剧烈侵蚀以及大部分的微度、轻度、中度侵蚀都集中在旱地中。这可能与田块之间耕作措施、地形条件、土壤的性质及作物的类型和种植密度等因素的差异性有关。

本文虽然用CSLE模型计算土壤侵蚀模数,但并没有完全照搬模型中各个因子的求算方式进行赋值,而是根据研究区的实际情况,对其中个别因子的求算方法进行针对性的改进。如在B因子计算时,未采用原方程中按作物种类进行赋值的方法,而是通过建立B因子值与植被盖度之间的关系来计算的,使估算结果能够更加贴切地反映出该研究区的土壤侵蚀状况。笔者认为这种改进方法在作物种类不同的其他小流域同样适用,该类研究在国内鲜有报道。由于全国水利普查水土保持情况公告及各年份中国水土保持公告均以省份为单位对土壤侵蚀面积及程度进行统计,并且本研究小流域不在各级水土保持公报的坡面径流观测场之列;所以,对该估算结果的验证只能通过有关文献及前期的研究结果进行。

杨小垂等[32]的相关研究结果显示:1995—2000年,虽然采取了一系列的水土保护措施;但是由于土地利用类型的转化,使得林地和水域面积显著萎缩,导致微度和轻度侵蚀向中度及强度侵蚀转变,特别是强度侵蚀区面积由0增加到了58.24 km2,总体而言克山县土壤侵蚀面积有所扩大,侵蚀强度有所增加。

图7为第二次全国土地调查中研究区2000年土壤侵蚀强度图,可以看出,2000年该区以中度和轻度侵蚀为主,小流域东部有大片强度侵蚀区,而微度侵蚀区的面积最少,未出现极强烈及剧烈侵蚀区。该图与杨小垂等[32]的研究结果较为相似,说明该方法所得结果与实际侵蚀状况吻合度较大,此技术手段可作为该区侵蚀状况监测及评估的重要手段。

将图6及图7对比发现,虽然2011年该流域局部出现小面积的极强烈及剧烈侵蚀区,但大面积的中度侵蚀区转化为轻度及微度侵蚀区,轻度侵蚀区转化成微度侵蚀区的变化非常显著,特别是小流域东部的大片强度侵蚀区转化成了轻度、微度及中度侵蚀,整体的侵蚀强度有大幅改善。说明通过长期治理,该区的侵蚀状况得到了明显改善,水土保持措施对该区土壤侵蚀逆转及控制起到了重要作用。

4 结论

1)黑龙江省克山县古城小流域的总体土壤侵蚀程度为轻度侵蚀,且侵蚀区主要集中在该研究区的西北、东北和中南部地区。如将中度以上的土壤侵蚀区减少到轻度侵蚀,则该研究区的土壤侵蚀状况会大为改观。

2)地形条件特别是坡度、植被盖度及水土保持工程措施与土壤侵蚀有着密切的联系,在＜20°的坡度条件下,土壤侵蚀程度较低,＞20°的坡度条件土壤侵蚀较为严重,建议将＞20°的坡耕地实行退耕还林(草),以增加植被盖度减小陡坡耕地面积,也可以通过将其改造为梯田或进行改垄等水土保持措施来减缓土壤侵蚀;利用多种手段综合治理,从而更加有效地控制水土流失引起的土壤侵蚀现象。

3)旱地的土壤侵蚀程度最为严重,因此,需要根据各田块的地形条件,因地制宜地制订防治对策,提倡有助于改善土壤侵蚀现状的合理的土地利用方式。

4)经验证,利用CSLE模型对黑龙江省克山县古城小流域进行土壤侵蚀模数估算的精度较高,结果的可信度大,能够较为真实地反映该区的土壤侵蚀状况,本文所用技术手段可在东北黑土区土壤侵蚀程度监测及评估方面发挥积极作用。

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(责任编辑:程 云)

Calculation of soil erosion modulus in the black soil region in northeastern China based on GIS

Sun Yu1,Hasi Eerdun1,Du Huishi2

(1.College of Resources Science and Technology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China; 2.College of Tourism and Geographical Science,Jilin Normal University,136000,Siping,Jilin,China)

In order to monitor and evaluate the status of soil erosion in the black soil region of northeastern China,we used GIS technology,Chinese Soil Loss Equation(CSLE)and WorldView remote sensing images with a spatial resolution of 0.5 m to estimate soil erosion modulus in Gucheng Watershed of Keshan County in Heilongjiang Province.We revised the calculation method of biological measures to make the formula more applicable to the study area.Results demonstrate that soil erosion intensity in the studied region is mild,and erosion mainly takes place in northwestern,northeastern and southern central parts of the study area.When the slope is less than 20°,soil erosion seldom takes place;when exceeding the threshold of 20°,the greater the slope is,the more serious the soil erosion intensity is.In addition, slope can influence the erosion intensity indirectly with tillage measures.There are also several factors such as water conservation measures and biological measures that play important roles in the distribution of eroded area and intensity of erosion.The results are of important significance for measuring soil loss, reducing river sediment,improving and recovering fertility in black soil regions.

soil erosion;CSLE model;geographic information systems;Gucheng Watershed in Keshan County

S157

A

1672-3007(2015)01-0001-07

2014- 04- 15

2014- 09- 28

项目名称:国家“十二五”科技支撑项目“荒漠化地区退化土地治理与植被保育技术集成与示范”(2012BAD16B02);国家自然科学基金“抛物线形沙丘的动态变化过程”(41171002)

孙禹(1987—),男,博士研究生。主要研究方向:干旱区地貌与环境。E-mail:sunyu0611208@126.com

†通信作者简介:哈斯额尔敦(1964—),男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:干旱区地貌与环境。E-mail:hasi@bnu. edu.cn