基于GIS和RS的穆棱市土壤侵蚀动态变化研究

史彦林，吕志学，周宁，张利，林凤祥，李日新，勇丽波

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

土壤侵蚀已成为全球性的重大生态环境问题之一。快速、准确定量评价区域土壤侵蚀变化，对有效实施水土保持工作和生态恢复有重要意义[1]。水土资源是人类赖以生存和发展的最基本的物质条件, 是农业发展的基础。保护珍贵的土地资源，控制水土流失，使人类生存之本能够永续利用。穆棱市位于东北黑土区的东部，隶属于黑龙江省牡丹江市，幅员面积6040.58 km2，属于东北漫川漫岗国家级水土流失重点治理区，境内山多水阔，具有“九山半水半分田”的地貌特征，加之人类不合理活动频繁，导致水土流失十分严重，根据第一次全国水利普查统计数据显示，穆棱市全域水土流失面积为1630.07 km2，占全市土地总面积的26.99%，威胁到当地农业生产、粮食安全和社会可持续发展[2]。遥感和地理信息系统技术以及土壤侵蚀模型的发展，为土壤侵蚀研究提供了更加全面详实可靠的数据，可以及时地掌握土壤侵蚀的动态情况，为区域合理进行生态建设提供依据[3]。

为掌握该区的土壤侵蚀时空变化情况，本研究借助ERDAS软件和ArcGIS地理信息系统软件，以TM影像、数字高程模型为主要数据源分析不同时期穆棱市土壤侵蚀的数量和空间分布，以期为穆棱市土壤侵蚀防治及生态建设规划提供科学依据。

1 研究区概况

穆棱市隶属于黑龙江省牡丹江市，位于黑龙江省东南部，地理坐标东经129°45′19″至130°58′07″，北纬43°49′55″至45°07′16″。北与鸡西市、鸡东县接壤，南与宁安市、吉林省汪清县交界，西与牡丹江市和林口县毗邻，东与俄罗斯接壤，边境线44 km。境内地势南高北低，东西两侧高，中部低，平均海拔高度为500～700 m，全市最高峰1117 m，穆棱市地域内山多水阔，具有“九山半水半分田”的地貌特征。气候类型属于中温带大陆性季风气候，多年平均降水量505.1 mm，主要集中在6—9月，年平均径流深170.0 mm，多年平均气温3.9 ℃，极端最低气温-44.1 ℃，极端最高气温35.7 ℃，多年平均风速2.3 m/s，无霜期136 d，≥10 ℃积温2577 ℃。土壤表土层薄，主要以暗棕壤为主，占总土壤面积的81.9%。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究以穆棱市2006年、2016年两个时期7月份的TM 影像和穆棱市1∶50 000地形图为基础数据，TM 影像来源于地理空间云，空间分辨率为30 m×30 m，坐标系统为WGS1984；1∶50 000地形图来源于测绘局。

(1)土地利用现状。对TM遥感影像采用目视解译的方法获取土地利用现状图，通过寻找特征点，经野外实际观测，找出遥感影像和特征地类的对应信息，建立各地类的解译标志，获取每个地块的土地利用类型。

(2)坡度。坡度是对地面倾斜程度的定量描述，是影响土地利用、土壤侵蚀的主要地形因子之一[3]。利用ArcGIS10.5软件将地形图进行人工矢量化，生成相应的数字高程模型(DEM)，利用空间分析模块生成坡度，并按照研究区坡度状况分为6级，得到最终的穆棱市坡度栅格图。

(3)植被覆盖度。利用ERDAS软件，对两期影像进行NDVI提取，通过Modeler模块生成植被盖度栅格数据[4]，生成研究区的2006年、2016年植被盖度图。

2.2 土壤侵蚀强度等级确定

将2006年、2016年的穆棱市最小地块单元的土地利用类型、植被覆盖度、地块坡度采用分析功能叠加，获得穆棱市2006年、2016年土壤侵蚀强度分布图。并按《土壤侵蚀分类分级标准》SL 190—2007分级[5]。

3 结果分析

3.1 土壤侵蚀变化

将土地利用类型栅格、植被盖度栅格、坡度栅格数据叠加，经分析得到2006年、2016年穆棱市土壤侵蚀强度情况，详见表1，2006年、2016年研究区土壤侵蚀强度包括轻度、中度、强烈3个等级。2006年穆棱市轻度以上土壤侵蚀面积2408.67 km2，占总土地面积的37.6%，在轻度以上侵蚀面积中：轻度侵蚀面积最大，面积为1985.86 km2，占侵蚀面积的82.45%；其次为中度侵蚀，面积为420.52 km2，占侵蚀面积的17.46%；再次是强烈侵蚀，面积为2.29 km2，占侵蚀面积的0.10%。2016年土壤侵蚀面积2213.40 km2，比2006年减少了195.27 km2，其中轻度侵蚀减少了764.63 km2，中度侵蚀增加521.83 km2，强烈侵蚀增加47.52 km2。

表1 2006—2016年穆棱市土壤侵蚀动态变化

从表2土壤侵蚀的转换矩阵可以看出，土壤侵蚀面积的减少主要体现在部分轻度、中度侵蚀面积转换为微度侵蚀，主要原因为项目区实施了坡耕地治理工程、侵蚀沟治理工程。有812.45 km2侵蚀面积的区域土壤侵蚀转换为微度侵蚀。另外一方面，有617.18 km2面积的微度侵蚀转换为轻度、中度、强烈侵蚀，说明研究区还存在毁林开荒、破坏植被的现象，水土流失呈增大趋势。但是总体来说，研究区土壤侵蚀呈递减趋势，向良性方向发展。

表2 2006—2016年穆棱市土壤侵蚀转换矩阵 km2

3.2 土壤侵蚀与土地利用的关系

通过GIS空间叠加分析，分别统计出不同土地利用方式上的土壤侵蚀状况。通过对不同地类土壤侵蚀强度的比较分析，可以得出2006年、2016年不同地类土壤侵蚀强度的动态变化，见表3、表4。两个时段中，耕地在轻度、中度、强烈侵蚀面积中所占比例最大，而且随着时间的推移有增加的趋势，2006年耕地区域轻度以上侵蚀面积为1351.48 km2，到了2016年增加到了1414.13 km2；林地侵蚀面积由845.72 km2减少到了592.79 km2，减幅为8.3%；草地侵蚀面积变化不大，略有增加趋势。从2006—2016年不同土地利用类型侵蚀面积和侵蚀强度分析可以看出，开荒种地破坏了植被和原地貌，使耕地面积增加，侵蚀程度加重。根据不同地类土壤侵蚀面积统计数据分析，草地和城乡工矿居民用地区域轻度以上土壤侵蚀面积较小，耕地区域侵蚀面积最大，城乡工矿居民用地侵蚀面积较小的原因为占地比重小，侵蚀面积从大到小的顺序为：耕地>林地>草地>城乡工矿居民用地，说明耕地和林地最容易发生侵蚀，对土壤侵蚀的贡献率最大。

表3 2006年不同土地利用类型土壤侵蚀状况

表4 2016年不同土地利用类型土壤侵蚀状况

3.3 土壤侵蚀的空间分布

穆棱市下辖6镇、2乡，境内地势东南高，西北低，中北部耕地居多，人为活动和开发建设频繁，东南部林地面积所占比重较大，林草覆盖度相对较高。根据各乡镇土壤侵蚀变化情况(表5)，2006年土壤侵蚀主要分布在八面通镇、福禄乡、马桥河镇、下城子镇等区域，相比2006年，2016年研究区土壤侵蚀面积总体有所减少，特别是福禄乡，由87%降低至27%；同时，局部地区侵蚀量有所增加，如河西镇，下城子镇、兴源镇，主要是因为耕地开发利用强度加大所致。总体上来看，穆棱市水土流失在八面通镇、马桥河镇、下城子镇分布最广泛，侵蚀强度也较大，是水土流失治理的主要区域。

表5 穆棱市各乡镇土壤侵蚀变化情况

3.4 海拔对土壤侵蚀的的影响

利用ArcGIS分析统计功能，对土壤侵蚀在不同海拔高程进行了分析统计，见表6，可以看出，穆棱市土壤侵蚀主要分布在400～700 m范围内，其中400～500 m高度侵蚀最为严重，2006年侵蚀面积为985.23 km2，占侵蚀面积的40.7%，2016年侵蚀面积1111.62 km2，占50.2%，其次为500～600 m高度范围内，2006年侵蚀面积为470.54 km2，占侵蚀面积的19.4%，2016年侵蚀面积614.09 km2，占27.7%，随着时间的变化，土壤侵蚀强度和数量呈递增趋势。这与人类活动情况相吻合，穆棱市人类活动主要集中在400～700 m海拔区域，此范围内坡耕地广泛分布，生产建设活动频繁。

表6 不同海拔土壤侵蚀分布情况

4 结 语

穆棱市2006—2016年土壤侵蚀面积减少195.27 km2，土壤侵蚀状况朝良性方向发展，表明穆棱市生态环境治理取得了一定的成效，生态环境明显改善。

穆棱市水土流失主要发生在下城子镇、八面通镇、马桥河镇的海拔400～600 m的坡耕地上。可见，人类不合理的生产活动、耕作方式、毁林开荒等，是诱发水土流失的主要原因，这也与土地利用类型、植被盖度、人类活动等因素密切相关。因此穆棱市水土流失防治的重点应是穆棱河两岸的沟坡地，应实施坡耕地、侵蚀沟、小流域专项治理工程，对坡面实施地埂生物带、等高耕作、深松等措施，侵蚀沟采取谷坊、跌水、生物固沟等进行综合治理。