大连庄河市土壤侵蚀强度评价研究

王楚琪，王 利

（辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连116029）

引言

自建国以来，我国在对于各地区的水土流失治理和预防工作中投入了大量的人力、物力和财力，土壤安全和治理问题成为了我国发展的重要战略目标之一[1]。土壤侵蚀不仅会使土壤资源遭到破坏、生态环境恶化，还会加剧洪涝灾害，从而影响国家社会发展和人民的生产生活[2]。根据调查表明，我国可能存在水土流失现象的土地面积达到340 平方公里，大部分土地被开发利用，导致水土流失量居高不下，因此了解不同地区土壤侵蚀情况及原因，制定合理解决方案并预防土壤侵蚀加剧变得尤为重要[3]。国外对土壤侵蚀问题的研究始于19 世纪末期，当时主要集中对土壤表面的侵蚀现象进行观察和定性分析；20 世纪初期，学者尝试运用数学模型来对特定区域的土壤侵蚀状况进行定量分析，直到1965年美国学者威斯奇迈尔和史密斯等人根据多个地区观测数据提出了通用水土流失方程（USLE 模型），USLE 模型产生后，一些极具地方特色的土壤侵蚀研究模型相继提出[4]；到1997年，美国农业部水土保持局（SCS）提出的通用水土流失方程（revised universal soil equation，RUSLE）是定量评价土壤侵蚀的重要方法[5-7]。我国大多数土壤侵蚀评价都是基于GIS 和RUSLE 模型来估算研究区的土壤侵蚀量，如黄金良[8]等运用GIS技术和RUSLE 模型来预算九江流域土壤侵蚀量；王丹阳[9]等则对县域水土保持方法中存在的问题进行分析并改进，选用坡度、植被覆盖率等9 项指标，结合定性分析将每个评价单元按其不同的三维组合类型划分到不同的水土保持区；朱恒[10]等运用ArcGIS 软件和RUSLE 模型，对河南省的土壤侵蚀状况进行了估算。由此可见，国际上对通用流失方程（RUSLE）和GIS 技术的运用已经非常成熟，但是对于土壤侵蚀与人类活动因子的研究则相对不足。

本文选取大连庄河市为研究区域，在GIS 技术的支持下，利用研究区现有遥感影像数据及相关自然社会数据，选取通用水土流失方程（RUSLE 模型），计算土壤侵蚀强度指数，定量评价该区域的土壤侵蚀状况，并分别从降雨、植被、地形和土壤四个因子方面分析大连庄河市土壤侵蚀强度。

1 依据理论、模型和技术方法

1.1 基础理论

土壤侵蚀强度是指单位面积上土壤发生位移的土壤侵蚀量，通常是通过长期的定位观测，并运用合理模型计算研究得到。是定量分析某一地区的土壤侵蚀数量和侵蚀的强度的重要模数，也是各个地区制定水土保持方案，从而改善生态环境的重要依据[11]。

1.2 运用模型

本研究采用美国农业部水土保持局（SCS）提出的通用水土流失方程（RUSLE 模型）。公式表达为：

式中，A 为土壤侵蚀量（t/hm2·a）；R 为降雨侵蚀力因 子（MJ·mm/hm2·h·a）；K 为 土 壤 可 蚀 性 因 子（t·hm2·h/hm2·MJ·mm）；LS 为地形因子；C 为植被覆盖因子[12]。

其中，降雨侵蚀力因子（R）是指降雨引发土壤侵蚀的措在能力，通过多年平均年降雨侵蚀力反映，计算公式如下：

土壤可蚀性因子（K）是指土壤颗粒被水力分 和搬适的难易程度，主要与土理质地、有机质含量等土壤理化性质有关，计算公式如下：

式中，K 为土壤可蚀性因子（t·hm2·h/hm2·MJ·mm），mc、msilt、ms和orgC 分别为粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm） 和有机碳的百分含量（%），可采用寒区旱区科学数据中心的数据（土壤机械组成、土壤有机质含量）。

地形因子（LS）是指坡长、坡度等对土壤侵性的影响[14]，计算公式如下：

式中，L 为坡长因子，S 为坡度因子，m 为坡长指数；θ 为坡度（°），λ 为坡长（m），二者均来源于DEM数据。

植被覆盖因子（C）反映了生态系统对土壤侵蚀的影响，是控制土壤侵蚀的积极因素。水田、湿地、城镇和荒漠参照N-SPECT 中的参数分别赋值为0、0、0.01 和0.7，其余生态系统类型按不同植被覆盖度进行赋值[15]。

1.3 评价指标选择

通过分析大连庄河市自然条件和社会发展等特征，选取通用水土流失方程（RUSLE 模型）作为主要方法，RUSLE 模型主要由五个因子组成，分别为降雨侵蚀力R、植被覆盖因子C、水土保持措施因子P、土壤可蚀性因子K 和地形因子LS，综合大连庄河市自然条件和社会发展环境，最终选择降雨侵蚀力R、植被覆盖因子C、土壤可蚀性因子K 和地形因子LS 为本次研究的四个指标。

2 土壤侵蚀强度评价过程

2.1 大连庄河市概况

本文研究区域为大连庄河市，是辽宁省大连市代管的县级市，也是辽宁省级重点开发区域。2015年，陆地面积约3900（3834）平方千米，辖5 街道、15 镇、6乡，人口89.7万。大连庄河市地处黄海北岸，地势由南向北逐渐升高，地貌特征为“五山一水四分田”。

2.2 数据准备

本文选取的数据主要有大连庄河市遥感数据、DEM 数据、降雨量数据、土壤数据、土地利用类型数据和研究区域矢量数据等。其中遥感影像数据来源于地理空间数据云平台，为2017年Landsat8 卫星遥感影像数据，其空间分辨率为30；降雨数据来源于中国气象局气象数据中心的多个气象站点每日降水量文本数据；大连庄河市的土壤机械组成数据和土壤空间分布数据主要来源于中国土壤数据库；地形数据、土地利用类型数据和植被覆盖数据，使用ENVI 软件从遥感数据中提取相关数据；此外研究区域大量矢量数据主要通过使用ArcGIS 软件矢量化得到。

2.3 单指标数据量化

2.3.1 降雨侵蚀力因子。降雨侵蚀力是指降雨土壤发生为位移的潜在能力。本研究根据现有的降水量数据，通过空间插值得到年平均降水量分布数据，再运用降雨侵蚀力因子计算模型得到大连庄河市年平均降雨侵蚀力R 值分布图（图1a）。从整体上来看，大连庄河市R 值从东北向西南方向递减，最高值为4312.69 MJ·mm/hm2·h·a，最低值出现在庄河市西南地区的尖山村，为2979.2 MJ·mm/hm2·h·a，平均降雨侵蚀力为3596.59 MJ·mm/hm2·h·a。庄河市东北地区降雨侵蚀作用明显，面积大约为500 km2，占全区面积的14%；中部地区和北部地区R 值居中，面积大约为2354 km2，占全区面积的57%；庄河市西南地区R 值较低，面积大约为1205 km2，占全区面积的29%。总体来说，大连庄河市大部分地区的降雨对土壤侵蚀影响较不明显。

2.3.2 植被覆盖因子。植被覆盖因子综合反映一个地区植被覆盖和土地利用情况对土壤侵蚀的影响，利用土地利用类型和植被覆盖率数据，运用植被覆盖因子模型计算得到大连庄河市植被覆盖因子C 值分布图（图1b）。从整体上来看，植被覆盖因子C 值从沿海向内陆逐渐增高，最高值为0.4，位于大连庄河市西北地区的三道岭村。大连庄河市西北地区植被覆盖因子C值较高，面积大约为1351 km2，占庄河市总面积的33%，该区域植被覆盖率低，相应的植被覆盖因子C 值较大，在其他条件相同的情况下水土流失更严重，需要加大保护力度；中部地区植被覆盖因子C 值居中，面积大约为1146 km2，占全区面积的28%；大连庄河市东南沿海地区植被覆盖因子C 值较低，面积大约为1597 km2，占全区面积的39%，该区域土地利用类型主要为水田、湿地和城镇等。总体来说，大连庄河市植被覆盖因子C 值居中，相应的植被覆盖度良好，当水土流失发生时，有一定的缓冲作用。

图1 降雨侵蚀力因子（a）和植被覆盖因子（b）

2.3.3 土壤可蚀性因子。土壤可蚀性因子是反映土壤遭受侵蚀的强度以及土壤抵抗侵蚀的能力大小，本文根据土壤数据和土壤侵蚀因子模型计算出各土壤类型的土壤可蚀性因子K 值分布图（图2a）。从整体上来看，土壤可蚀性因子K 值从大连庄河市东南沿海地区向内陆逐渐递高，大连庄河市共14 种土壤类型，平均k 值为0.0161 t·hm2·h/hm2·MJ·mm，其中棕壤、壤质草甸土、淹育水稻土、滨海潮滩盐土、滨海盐土、盐化沼泽土的土壤可蚀性因子值较大，占全区面积的38%，抗蚀能力较弱，主要分布在大连庄河市东南沿海地区和东北地区；棕壤性土、潮棕壤、草甸土、盐渍水稻土、滨海沼泽盐土的土壤可蚀性因子值居中，土壤有一定的抗侵蚀能力，主要分布在庄河市东北地区及中部地区；其他潜育水稻土、红粘土、中性粗骨土的土壤可蚀性因子值较小，土壤抗蚀能力较强，主要分布在庄河市中部地区和西北地区。总体来看，大连庄河市大部分地区土壤可蚀性因子K 值居中，有一定的抗蚀能力，但东北地区抗蚀能力较弱，需加大保护措施。

2.3.4 地形因子。坡度是在分析土壤侵蚀中最基本的因子，坡度越大则越容易发生水土流失。本文根据现有DEM 数据提取坡度得到大连庄河市坡度因子S 值分布图（图2b）。从整体上看，大连庄河市南部大部分地区S 值较小，从单因子角度分析不容易发生水土流失；北部和中部少数地区S 值较大，该区域为丘陵和低山地区，易发生水土流失。

图2 土壤可蚀性因子（a）和地形因子（b）

2.4 指标聚合

根据计算得到降雨侵蚀力因子、植被覆盖度因子、土壤可蚀性因子和地形因子数据，运用通用水土流失模型公式（1），使用ArcGIS 软件计算得到大连庄河市土壤侵蚀强度。

3 土壤侵蚀强度评价

根据降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、植被覆盖度因子和地形因子，运用GIS 技术和通用水土流失方程（RUSLE）模型计算得到大连庄河市土壤侵蚀指数。大连庄河市土壤侵蚀强度并不严重，最大土壤侵蚀模数为392.88 t/hm2·a，年平均土壤侵蚀模数为13.34 t/hm2·a。从整体上来看，轻度土壤侵蚀的区域主要分布在东南沿海地区，面积大约为3112.2 km2，占总面积的76%，该地区多为平原地区，受降雨影响较小，适合居住和耕地；中度土壤侵蚀区域主要分布在中部地区，面积大约为778.05 km2，占面积的19%，该地区植被覆盖度较低，城市土地利用规划有待改善；重度土壤侵蚀区域主要分布在北部地区和少数西北部地区，面积大约为204.75 km2，占总面积的5%。如图3，其中土壤侵蚀较高的地区多为丘陵和低山地区；土壤侵蚀强度较低的地区主要为平原地区，土地利用类型多为农村居民点、城镇、林地和旱地等。

图3 大连庄河市土壤侵蚀强度空间分布

4 结论与展望

本文采用通用水土流失方程（RUSLE 模型），确定降雨、土壤、植被和地形四个指数，在ArcGIS 和ENVI等软件的支持下，建立大连庄河市土壤侵蚀基础“GIS”数据库，再此基础上运用空间分析方法和模型计算四项指标，最终得到大连庄河市土壤侵蚀强度指数。根据结果分析得出，大连庄河市整体土壤侵蚀强度较低，占总面积的76%，大部分地区不易发生水土流失；易发生水土流失的地区主要为庄河市北部地区的丘陵和低山地区，植被覆盖率较低，区域坡度较大，土壤中砂粒含量较多，因此较容易发生水土流失。应加强水土保持方面的治理，保护现有植被，并加强丘陵地区和低山地区水源涵养林的种植，合理规划农田和城镇环境建设，坚持生态保护与治理并重的原则以有效遏制土壤侵蚀的发生。