山东省土壤侵蚀敏感性评价及其空间分布特征

吴 丹,王 燕 ,邹长新 ,2*,王丽霞,尤 鑫

1.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042

2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044

3.中共江西省委党校研究所,江西 南昌 330003

山东省土壤侵蚀敏感性评价及其空间分布特征

吴 丹1,王 燕1,邹长新1,2*,王丽霞1,尤 鑫3

1.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042

2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044

3.中共江西省委党校研究所,江西 南昌 330003

土壤侵蚀是地质、地貌、气候、土壤、植被以及人类活动综合作用的结果。本文以通用土壤流失方程为基础，选取了降雨侵蚀力、地形起伏度、土壤可蚀性及植被覆盖等因子作为土壤侵蚀敏感性的评价指标，对山东省土壤侵蚀敏感性的影响因子进行了分级和综合评价，明确了山东省土壤侵蚀发生的可能程度及空间分布特征。结果表明：山东省土壤侵蚀敏感性以轻度和中度为主，轻度敏感区和中度敏感区面积8.48×104km2，占全省陆域面积的53.69%。空间分布差异明显，鲁中南山地丘陵区土壤侵蚀敏感性程度最高，其次为胶东丘陵区，鲁西南与鲁西北黄泛平原区土壤侵蚀敏感性较弱。

土壤侵蚀;敏感性评价;空间分布;山东省

土壤侵蚀敏感性是指在自然状况下，发生土壤侵蚀可能性的大小及其程度。土壤侵蚀敏感性评价是根据区域土壤侵蚀的形成机制，识别容易产生土壤侵蚀的区域，评价土壤侵蚀对人类活动的敏感程度、地区范围和分布规律[1,2]。受气候条件、地形地貌及人为因素的影响，山东省是全国水土流失比较严重的省份之一，全省水土流失面积3.6×104km2，占土地总面积的22.78%，主要分布在鲁西北黄泛平原区、胶东半岛地区和鲁中南山地丘陵区[3-6]。因此，开展土壤侵蚀敏感性评价，识别容易发生土壤侵蚀的区域，对于山东生态环境建设和经济社会可持续发展具有重要意义。本文选取降雨侵蚀力、土壤质地、地形起伏与地表覆盖因子，在GIS技术支持下，对山东省土壤侵蚀敏感性进行单因子与多因子的综合分析与评价，揭示土壤侵蚀不同敏感程度的空间分异特征。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

山东省位于中国东部沿海、黄河下游，北纬 34°22.9′-38°24.01′、东经 114°47.5′-122°42.3′之间。境域包括半岛和内陆两部分，山东半岛突出于渤海、黄海之中，与辽东半岛隔海相望；内陆部分自北而南与河北、河南、安徽、江苏4省接壤，总面积15.8×104km2。

境内地貌主要特征是中部山地突起，以泰山、鲁山、沂山、蒙山和徂崃山等海拔千米以上的中山构成鲁中南山地的主体；西南、西北低洼平坦，东部缓丘起伏，形成以山地丘陵为骨架、平原盆地交错环列其间的地形大势（图1）。气候类型属暖温带半湿润大陆性季风气候，具有四季分明、干湿显著、雨热同季的特点。水系发育，全省有70多条干流和一级支流，分属黄河、淮河及海河三大水系。

图1 山东省海拔高度图Fig.1 Elevation of Shandong province

1.2 研究方法

根据原国家环保总局发布的《生态功能区划暂行规程》[7]及其他相关研究[8-13]，选取降水侵蚀力（R）、土壤可蚀性（K）、坡度坡长因子（LS）和地表覆盖因子（C）等指标对区域土壤侵蚀敏感性进行分析与评价。在ArcGIS中，将反映各因子对土壤侵蚀敏感性的单因子评价数据进行乘积运算，公式如下：

式中，SSj为j空间单元的土壤侵蚀敏感性指数，Si为i因子的敏感性等级值，不同评价因子对应的敏感性等级值见表1。采用自然分界法将乘积结果分成5类，即一般敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极敏感，得到山东省土壤侵蚀敏感性分级图。

表1 土壤侵蚀敏感性评价指标及分级赋值Table 1 Evaluation index and classification standard of soil erosion sensitivity

1.3 数据来源与处理

1.3.1 降雨侵蚀力 降雨是引起水土流失的最重要因子，降雨侵蚀力大小与土壤侵蚀强度有直接的关系[9,14]。章文波等（2002）[15]基于日降雨资料，建立了半月尺度的降雨侵蚀力模型，年降雨侵蚀力为半月降雨侵蚀力的累加值，公式如下：

式中，Mi为某半月时段的降雨侵蚀力值（MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）；Pj为半月时段内第j天的侵蚀性日雨量（要求日雨量大于等于12 mm，否则以0计算）；k表示半月时段内的天数，半月时段的划分以每月第15 d为界，每月前15 d作为一个半月时段，该月剩下部分作为另一个半月时段，将全年依次划分为24个时段。

降雨观测数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn）。首先利用2000～2010年山东省109个气象站点的逐日降雨数据，代入上述公式计算各站点的α、β值，然后计算逐年各半月的降雨侵蚀力，经累加得到年度降雨侵蚀力。采用基于薄片样条理论的ANUSPLIN[16,17]方法进行插值，得到年降雨侵蚀力的空间分布。

1.3.2 地形起伏度 地形起伏是导致土壤侵蚀发生的直接因素，地形起伏度适用于区域尺度土壤侵蚀评价的地形指标。刘新华等（2001）[18]通过研究表明中国水土流失地形起伏度的最佳分析窗口为5 km×5 km。以公开发布的SRTM 90 m分辨率的DEM数据为基础，采用ArcGIS空间分析（Spatial Analyst）模块中的领域分析工具（Neighborhood Statistic）提取研究区的地形起伏度。

1.3.3 土壤可蚀性 土壤是土壤侵蚀发生的主体，土壤可蚀性是表征土壤性质对侵蚀敏感程度的指标。诺谟图模型是当前使用广泛的一种确定土壤可蚀性的方法[19,20]，公式如下：

式中，K为土壤可蚀性值，OM为土壤有机质含量，M为优势粒径组成的乘积，（Silt为粉粒含量，Sand为砂粒含量），S为土壤结构性指数，P为土壤可渗透性指数（表2）。

表2 诺谟图中结构性指数与可渗透性指数的定义Table 2 Definition of structure index and permeability index in Nomograph

根据1:100万中国土壤数据库及第二次土壤普查数据估算研究区的土壤可蚀性值，并采用自然分界法将其分为5级。土壤数据库由中国科学院南京土壤研究所提供，基本涵盖了山东省主要的土壤类型；土壤普查数据由中国科学院地理科学与资源研究所提供，包含了省内270个土壤剖面的位置及其主要属性特征。

1.3.4 植被覆盖 植被是防止土壤侵蚀的一个重要因子，其防止侵蚀的作用主要包括对降雨能量的削减、保水及抗侵蚀作用。植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个重要指标。根据像元二分模型理论[21,22]，采用2000～2010年MODIS 1 km 16 d最大合成NDVI时间序列数据，通过以下公式估算植被覆盖度：

式中，fc为像元内的植被覆盖度；NDVI为该像元的归一化植被指数；NDVIveg为纯植被像元的NDVI值；NDVIsoil为完全无植被覆盖像元的NDVI值。

2 结果与分析

2.1 单因素影响评价

山东省降雨侵蚀力对土壤侵蚀敏感性的影响较大，中度敏感及以上面积为9.14×104km2，占全省面积的57.85%（表3），这主要与暖温带大陆性季风气候有关，夏季受东南海洋性季风影响，降水充沛，短历时高强度暴雨为土壤侵蚀提供了强大营力。从空间分布上看，极敏感、高度敏感区域主要分布在降水相对集中的东南部沿海及鲁中山地区，轻度敏感、不敏感区域主要分布在鲁西北平原和黄河三角洲地区。

表3 降雨侵蚀力对土壤侵蚀敏感性评价Table 3 Accessment of rainfall erosion on soil erosion sensitivity

山东省地形起伏度对土壤侵蚀敏感性的影响较小，中度敏感及以上面积仅1.17×104km2，占全省面积的7.39%；不敏感区面积13.07×104km2，占全省面积的82.73%（表4），这主要与其地貌特征有关。境内地貌类型多样，除山地地形起伏较大外，平原面积较为广阔，不易产生水土流失。从空间分布上看，极敏感、高度敏感区域主要分布在鲁中山地及胶东丘陵区，轻度敏感、不敏感区域主要分布在山前（间）平原、黄河冲积扇、黄泛平原和黄河三角洲等区域。

表4 地形起伏度对土壤侵蚀敏感性评价Table 4 Accessment of terrain prominency on soil erosion sensitivity

山东省土壤可蚀性对土壤侵蚀敏感性的影响以高度敏感为主，面积为7.70×104km2，占全省面积的48.74%（表5），这主要与土壤性质有关。根据第二次土壤普查数据，山东土壤主要有潮土、粗骨土、风沙土、褐土、砂姜黑土、水稻土、新积土、棕壤等类型。从空间分布上看，高度敏感区域主要分布在鲁西南与鲁西北黄泛平原区，土壤类型主要为潮土，因河流泥沙沉积而成，大多呈砂性，土质疏松，有机质含量较低，抗蚀性较差。轻度敏感、中度敏感区域主要分布棕壤与褐土。

表5 土壤可蚀性对土壤侵蚀敏感性评价Table 5 Accessment of soil erodibility on soil erosion sensitivity

山东省植被覆盖对土壤侵蚀敏感性的影响较小，中度敏感及以下面积14.19×104km2，占全省面积的89.82%，高度敏感和极敏感区面积仅1.61×104km2（表6）。全省植被类型以落叶阔叶林和温性针叶林为主，集中分布在鲁中南山地及鲁东丘陵区。落叶阔叶林大多以麻栎、栓皮栎及槲等栎类为主，温性针叶林大多由赤松、黑松、油松、侧柏等构成。植被分布以水热条件较好的鲁东地区最为丰富，鲁中南次之，鲁西较少，鲁北最贫乏。

表6 植被覆盖对土壤侵蚀敏感性评价Table 6 Accessment of vegetation coverage on soil erosion sensitivity

2.2 综合评价

根据土壤侵蚀敏感性综合评价，山东省土壤侵蚀敏感性以轻度和中度为主。全省土壤侵蚀极敏感区面积0.98×104km2，占全省面积的6.18%；高度敏感区面积1.89×104km2，占全省面积的11.96%；中度敏感区面积4.45×104km2，占全省面积的28.17%；轻度敏感区面积7.82×104km2，占全省面积的49.48%；不敏感区面积0.66×104km2，占全省面积的4.21%（表7）。

从各地市土壤侵蚀敏感性的评价结果看，东营和滨州土壤侵蚀敏感性较弱，不敏感及轻度敏感区面积占各市面积的比例分别为98.26%和90.44%。德州、聊城土壤侵蚀敏感性以轻度敏感为主，轻度敏感区面积占各市面积的比例分别为85.27%和83.75%。菏泽、青岛、济宁、潍坊、泰安和枣庄土壤侵蚀敏感性以轻度敏感和中度敏感为主，两者面积分别占各市面积的99.17%、82.42%、81.01%、80.48%、76.18%和75.71%。威海、日照和烟台土壤侵蚀敏感性以中度敏感和高度敏感为主，两者面积分别占各市面积的67.89%、67.83%和64.98%。莱芜、淄博和济南土壤侵蚀极敏感区比例较高，分别占各市面积的19.87%、19.85%和13.70%（表8）。

从空间分布上看，山东省土壤侵蚀敏感性呈两大中心集中分布，区域差异明显。鲁中南山地丘陵区土壤侵蚀敏感性程度最高，其次为胶东丘陵区，鲁西南与鲁西北黄泛平原区土壤侵蚀敏感性较弱（图2）。

表7 山东省土壤侵蚀敏感性综合评价Table 7 Comprehensive assessment on soil erosion sensitivity in Shandong Province

表8 山东省各地市土壤侵蚀敏感性评价结果Table 8 Evaluation results on soil erosion sensitivity of each city in Shandong province

图2 山东省土壤侵蚀敏感性综合评价图Fig.2 Comprehensive assessment on soil erosion sensitivity in Shandong province

3 讨论

土壤侵蚀是地质、地貌、气候、土壤、植被以及人类活动共同作用的结果。本文综合考虑降水、地貌、土壤与植被等因素，运用地理信息系统分析评价了山东省土壤侵蚀敏感性程度及其空间分布特征。

山东省大部分区域处于土壤侵蚀不敏感和轻度敏感区，基本集中于鲁西北和鲁西南黄泛平原的东营、滨州、聊城、德州、菏泽的大部分县，这些区域地势起伏不大，地形相对简单，不具备形成大规模水力侵蚀所需的自然条件；然而，黄泛平原区与滨海地带是省内风力侵蚀的主要发生区，应引起重视。全省中度及以上土壤侵蚀敏感区集中分布在泰山、蒙山、沂山、鲁山等鲁中南山地区和昆嵛山、崂山、五莲山等鲁东丘陵区，这些区域山高坡陡，降水丰富，加之频繁的农业开发活动和经济建设活动，为土壤侵蚀的形成和发展提供了有利的外动力条件，使之成为山东省的水土流失中心，这与全省水土流失遥感普查的结果较为一致。土壤侵蚀敏感地区应加强生态建设，保护和合理利用水土资源，采用防止植被破坏、坡地退耕还林、增加地表覆盖、发展生态农业等措施，加强水土保持和生态修复力度，改善区域生态环境，减少人类活动可能引发的生态问题，从而提升区域水土保持、水源涵养、生物多样性维护等生态服务功能，实现经济社会与人口、资源、环境协调可持续发展。

4 结论

（1）从单因素看，降雨侵蚀力和土壤可蚀性对山东省土壤侵蚀敏感性的影响较大，而地形起伏度和植被覆盖对土壤侵蚀敏感性的影响较小。

（2）从整体上看，山东省土壤侵蚀敏感性以轻度和中度为主。不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区和极敏感区面积占全省面积的比例分别为4.21%、49.48%、28.17%、11.96%和6.18%。

（3）从空间上看，山东省土壤侵蚀敏感性空间分布差异明显。鲁中南山地丘陵区土壤侵蚀敏感性程度最高，其次为胶东丘陵区，鲁西南与鲁西北黄泛平原区土壤侵蚀敏感性较弱。

[1]王效科,欧阳志云,肖 寒,等.中国水土流失敏感性分布规律及其区划研究[J].生态学报,2001,21(1):14-19

[2]卢 远,华 璀,周 兴.基于GIS的广西土壤侵蚀敏感性评价[J].水土保持研究,2007,14(1):98-100

[3]赵善伦,尹 民,孙希华.山东省水土流失经济损失与生态价值损失评估[J].经济地理,2002,22(5):615-619

[4]赵传松,任建兰.山东半岛城市化进程中的生态环境问题[J].国土与自然资源研究,2006(1):49-50

[5]蔡裕民,齐善忠,段慧平.山东省水土流失状况分析[J].水土保持研究,2007,14(5):276-281

[6]丛培军.山东省水土流失概况及防治对策[J].黑龙江水利科技,2008,36(6):8-10

[7]国家环境保护总局.生态功能区划暂行规程[S].北京:中国标准出版社,2003

[8]Renard KG,Foster GR,Weesies GA,et al.Rusle:revised universal soil loss equation[J].Journal of Soil and Water Conservation,1991,46(1):30-33

[9]王万忠,焦菊英.中国的土壤侵蚀因子定量评价研究[J].水土保持通报,1996,16(5):1-20

[10]Sun WY,Shao QQ,Liu JY.Soil erosion and its response to the changes of precipitation and vegetation cover on the Loess Plateau[J].Journal of Geographical Sciences,2013,23(6):1091-1106

[11] 凡非得,王克林,熊 鹰,等.西南喀斯特区域水土流失敏感性评价及其空间分异特征[J].生态学报,2011,31(21):6353-6362

[12]Tang Q,Xu Y,Bennett SJ,et al.Assessment of soil erosion using RUSLE and GIS:a case study of the Yangou watershed in the Loess Plateau,China[J].Environmental Earth Sciences,2015,73(4):1715-1724

[13]李大龙,杨 井,李卫红,等.基于GIS和USLE的伊犁河谷土壤侵蚀敏感性评价[J].生态学杂志,2016,35(4):942-951

[14]王万忠,焦菊英,郝小品,等.中国降雨侵蚀力R值的计算与分布(I)[J].水土保持学报,1995,9(4):5-18

[15]章文波,谢 云,刘宝元.利用日雨量计算降雨侵蚀力的方法研究[J].地理科学,2002,22(6):705-711

[16]关宏强,蔡 福,王 阳,等.短时间序列气温要素空间插值方法精度的比较研究[J].气象与环境学报,2007,23(5):13-16

[17]钱永兰,吕厚荃,张艳红.基于ANUSPLIN软件的逐日气象要素插值方法应用与评估[J].气象与环境学报,2010,26(2):7-15

[18]刘新华,杨勤科,汤国安.中国地形起伏度的提取及在水土流失定量评价中的应用[J].水土保持通报,2001,21(1):57-62

[19]张文太,于东升,史学正,等.中国亚热带土壤可蚀性K值预测的不确定性研究[J].土壤学报,2009,46(2):185-191

[20]井光花,于兴修,李振炜.土壤可蚀性研究进展综述[J].中国水土保持,2011(10):44-47

[21]何立恒,周寅康,杨 强.延安市2000-2013年植被覆盖时空变化及特征分析[J].干旱区资源与环境,2015,29(11):174-179

[22]张 彬,杨联安,向 莹,等.基于RS和GIS的生态环境质量综合评价与时空变化分析[J].山东农业大学学报:自然科学版,2016,47(1):64-71

Evaluation on Soil Erosion Sensitivity and Its Spatial Distribution Characteristics in Shandong Province

WU Dan1,WANG Yan1,ZOU Chang-xin1,2*,WANG Li-xia1,YOU Xin3
1.Nanjing Institute of Environmental Sciences,Ministry of Environmental Protection,Nanjing210042,China
2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET)/Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing210044,China
3.The Party School of the Jiangxi Provincial Committee of CPC,Nanchang330003,China

Soil erosion usually results from the comprehensive effects of geology,geomorphology,climate,soil,vegetation and human activity.Based on the Universal Soil Loss Equation,this paper classified and evaluated impact factors of soil erosion sensitivity in Shandong Province,with the index of rainfall erosivity,topographic relief,soil erodibility and vegetation coverage.Also,we pointed out the possible degree of occurring soil erosion and its spatial distribution characteristics.Results were as follows.The soil erosion sensitivity of Shandong Province was mainly mild and moderate.The two together areas were 8.48×104km2,accounting for 53.69%of Shandong Province’s land area.There were obvious differences in spatial distribution.The degree of soil erosion sensitivity was highest in hilly and mountainous area of central south of Shandong Province,which was followed by the Jiaodong hilly region,and it was weakest in southwest and northwest yellow flood plains of Shandong Province.

Soil erosion;sensitivity evaluation;spatial distribution;Shandong Province

S157

A

1000-2324(2017)06-0757-06

2015-12-03

2016-02-03

环保公益性行业科研专项(201409055)

吴 丹(1988-),女,助理研究员,主要从事生态系统服务研究.E-mail:cumtwudan@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:zcxnies@163.com