基于Landsat 数据的中国西北干旱半干旱地区土壤风蚀时空分布——以武川县为例

乌英嘎 孟凡浩 周瑞平

(内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

引言

土壤风蚀是指土壤被风分离、搬运、沉积,是土壤颗粒发生位置移动的过程[1]。土壤风蚀是土壤退化的主要过程之一,土壤退化带来的后果让人们苦不堪言,如美国著名的“黑风暴” 事件,沙尘暴所到之处庄稼毁损、地面龟裂、房屋倒塌、人员伤亡,在生态、经济和人民生命安全等方面造成了巨大的损失[2]。中国西北部干旱半干旱的沙尘暴由来已久,频繁的沙尘暴曾导致该地区在1993 年5 月直接经济损失7000 万美元[3]。沙尘暴仅仅是土壤风蚀所能带来的“副作用” 之一；在中国西北部这个生态环境尤其脆弱的地区,由风蚀作用所产生专属的地貌——戈壁、雅丹和沙漠,给生态环境的治理带来了极大难度。

风蚀带来的永久性伤害主要还是土壤肥力的缺失造成土壤生产力的下降。而由于土壤生产力下降导致的一系列副作用,如依附于土壤的生物产能降低,大气环境质量也随之降低,能见度下降等。为了从源头遏制这些副作用的产生,许多国家和地区在如何监测土壤风蚀这方面做出了很多研究。

从20 世纪50 年代开始,国外很多学者就开始对影响土壤风蚀的因素进行探究,且同时着手研究土壤的抵御风蚀能力。Woodruff 等[4]提出了世界上第一个WEQ 风蚀模型,在此之后,WEAM 模型[5]、RWEQ模型[6]、TWAM 模型[7]等新模型不断出现。国内土壤风蚀的系统研究始于20 世纪40～50 年代,董治宝等[8]通过风洞实验验证了增加植物的密度对防止风蚀作用十分重要；严平[9]根据137Cs 模型计算出在青藏高原内风蚀地区土壤风蚀速率；近年来,李振山等[10]提出半干旱区植被-风沙动力过程耦合模型；张春来等[11]基于风洞实验提出了风蚀预报模型。

虽然土壤风蚀的研究在国内外都已经取得了很大的成果,但是在中国西北干旱半干旱地区,尤其是内蒙古地区的研究还不是很多。土壤风蚀在我国内蒙古地区影响范围十分广泛,内蒙古高原北部分布着大片戈壁,东南部(浑山达克沙地、科尔沁沙地) 是中国北方干旱、半干旱区的5 大沙尘暴中心之一[3]。内蒙古武川县是我国西北部干旱半干旱的典型风蚀沙化区,本文以武川县为例,通过Landsat8 OLI-TIRS 数据,基于第1 次全国水力普查中风蚀预报经验模型,估算武川县的风蚀模数,绘制土壤风蚀分布图,分析其土壤风蚀特征,及时准确地了解武川县的土壤风蚀现状与动态,对保障武川县的可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

武川县位于内蒙古自治区中部,呼和浩特市的北部,南起阴山北麓,北部与达茂旗、四子王旗接壤,东接卓资县,西至包头市固阳县,是北方农牧交错带的中间地段,总面积为4885km2,境内有8 条季节性河流,分别属于内流塔布河和外流黄河的支流大黑河,气候类型属于温带大陆性季风气候,年均气温3.0℃,月均气温大于或等于0℃,历年年均气温为2.8℃。历年年均降水为354.1mm 左右。武川县年平均风速3m·s-1左右,每年17m·s-1以上的大风日数在30d 左右,年均沙尘暴天数为10～20d。

如图2 所示,2018 年和2019 年的各利用类型数值虽然有上下波动,但总体利用的方向还是没有改变,武川县土地利用类型以草地、林地和耕地为主,其中以草地面积最大,其次是耕地和林地；武川县的地表植被稀疏,是北方农牧交错带中土壤风蚀现象较严重的地区。该区域在历史上属于纯牧区,仅以放牧业为主,近些年来因人口的不断增加而开垦土地,逐步演化成农牧交错区[12],但由于该区的生态环境相比耕种作物而言更适宜牧草生长,经济效益非但不高,还破坏了放牧环境,加重了当地土壤被风侵蚀的速率。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文的遥感数据来自地理空间数据云,选取了2018 年和2019 年的Landsat8 OLI-TIRS 数据；气象数据主要是来源与全国第一次水利普查所收集的各县逐日4h 整点风速资料；空间信息数据和土壤相对湿度数据等主要来自国家基础地理信息中心 (http://ngcc.sbsm.gov.cn) 和中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn)。

2.2 风力侵蚀模型

本文基于第一次全国水力普查中风蚀预报经验模型,该模型分别针对耕地、林草地建立了经验方程,分别为以下内容。

耕地风力侵蚀方程基本形式为:

式中,Qfa为每15d 内耕地风力侵蚀模数,t·hm-2·a-1；W为每15d 内表土湿度因子,介于0～1；Tj为每15d内各风速等级的累计时间,min；Z为地表粗糙度,cm；Uj为第j 个等级的平均风速,m·s-1。

林(草) 地风力侵蚀方程基本形式为:

式中,Qfg为每0.5 个月内林(草) 地风力侵蚀模数,t·hm-2·a-1；V为植被覆盖度,%；其它含义同公式(1)。

2.3 风蚀因子的获取

2.3.1 风力因子

每0.5 个月内各风速等级对应的累计时间(Tj)的计算公式如下:

式中,Tj为每个气象站点每15d 内第j个风速等级对应的累计时间,min；tjmik为每个气象站点第m 年某半月第i 天中的第k时刻的风速是否属于第j个风速等级,如果是,tjmik=1,否则tjmik=0；j为风速等级序号；N为资料收集的年份数量,如仅收集2018 年的数据,N=1；m为1,2,…,N,在这里m=1；L为每15d 对应的天数,每月的上半月均取15d,剩余为下半月取值天数；i为1,2,…,L；k为1d24h 中的任意一个时刻,k=1,2,…,24。

为了计算各风速等级累积时间,本文对逐日4 次风速(t02∶00、t08∶00、t14∶00、t20∶00)进行线性插值成逐日24h 的整点风速,并统计每15d 内的Tj值。根据研究可知,当土地利用类型为草地和林地时,且植被覆盖度＞70%,Tj取值为0[13]；植被覆盖度≤70%时,耕地临界侵蚀风速为5.3m·s-1,林草地临界侵蚀风速为8.2m·s-1。将统计好的数据导入GIS,采用克里金插值法生成各等级的的栅格图。

2.3.2 植被覆盖度因子

2.3.2.1 OLI 影像预处理和计算植被指数NDVI

对30m 空间分辨率OLI 影像预处理,采用地面控制点对影像进行几何纠正、大气纠正,减少或消除大气对影像的干扰,以得到地表反射率影像,然后进行云量检查和去除。

对预处理后的影像数据计算归一化植被指数(NDVI):

式中,NDVI为归一化植被指数；NIR为近红外波段的反射率；R为可见光红波波段的反射率。

2.3.2.2 计算植被覆盖度FVC

式中,FVC为植被覆盖度；NDVI为任意像元的归一化植被指数；NDVImax为植被指数的最大值,NDVImin为植被指数的最小值,即裸土地的值。

2.3.2.3 表土湿度因子

式中,W为表土湿度因子,无量纲；SM为土壤水分。由于土壤水分因子在地表为融土状态时才能计算,本文首先使用ENVI 和ArcGIS 软件对数据进行拼接、裁剪、计算和处理,由于Landsat 影像只有一个热红外波段,所以采用单通道算法反演地表温度[13],然后结合地表温度进行植被影响校正,得到裸露土壤的辐射亮温,之后用热惯量反演计算土壤相对湿度,得到土壤水分,算出表土湿度因子。涉及到的公式如下:

式中,LST为辐射亮温；T为地表亮温,可由辐射亮度值转化得到；λ是有效波普范围内的最大灵敏度值,平均λ=11.5um；ρ=1.438×10-2mK；ε是地表比辐射率,可由NDVI求得[13]。

热惯量是土壤的一种特性,经许多研究证明,土壤热惯量与土壤含水量呈正相关关系[14]。

式中,P为热惯量；A为地表反照率；B为地表综合参数；S0是太阳常数；τ是大气透过率；ω是地球自转频率；Tmax、Tmin指1d 中地表温度最大值及最小值。

2.4 土壤侵蚀模数计算

由上文可知,研究区土地利用类型以耕地、林地和草地为主,其它利用类型用地使用面积占比相对较少,所以在土地利用类型的选取上,只选取这3 种面积占比较大的土地利用类型来进行对比分析不同土地利用类型与土壤风蚀的影响。基于GIS 平台,分别选用对应的耕地、林地、草地土壤风蚀模型,利用获取的风力侵蚀因子,计算每15d 不同风速等级的土壤侵蚀模数,累加不同风速等级的土壤侵蚀模数,之后再累加风力侵蚀期间所有15d 的土壤侵蚀模数,得到风力侵蚀期间的土壤侵蚀模数。利用风蚀模型计算2018年和2019 年研究区的风蚀模数,依据《土壤侵蚀分类分级标准》 判断其风蚀特征。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀的空间分布

由图3 可知,2018 年研究区的风蚀以微度侵蚀和轻度侵蚀为主,二者之间存在着很明显的分界线:微度侵蚀主要分布在哈乐镇、大青山乡、德胜沟乡和哈拉合少乡等研究区的东北部及南部；轻度侵蚀则主要分布在二份子乡、西乌兰不浪镇和上秃亥乡等研究区的西北部和北部,并在西北部伴随着少量的中度,极强烈和剧烈的风蚀现象。2019 年,研究区在空间分布上没有太大改变,只随着侵蚀面积的加减而范围有所不同,原本微度侵蚀和轻度侵蚀之间的分界线,随着大部分轻度侵蚀和部分微度侵蚀转变为其它等级土壤风蚀,也发生改变。由表1 可以看出,2018 年的土壤侵蚀总面积为4875 km2,2019 年土壤侵蚀总面积为4707.01km2。与2018 年相比,2019 年微度侵蚀的面积减少了473.57km2,轻度侵蚀的面积减少了1737.53km2,剧烈侵蚀的面积减少了2.87km2；中度侵蚀的面积增加了277.65km2,强烈侵蚀的面积增加了1754.5km2,极强烈侵蚀的面积增加了3.83km2。

2019 年研究区的土壤风蚀情况在数量上整体呈下降趋势,但是现有风蚀面积的强度却在递增:微度侵蚀、轻度侵蚀和剧烈侵蚀的面积都有不同程度的减少；分布在哈乐镇、德胜沟乡等研究区的东北部和南部的微度侵蚀在原本的范围上缩小；分布在二份子乡、西乌兰不浪镇和上秃亥乡等研究区的西北部和北部的轻度侵蚀大部分转变成了其它等级的土壤侵蚀,只有小部分还是原本的轻度风蚀；剧烈侵蚀的面积虽然基数小,但也有下降；相反的,中度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀的面积都有不同程度的增加,其中,强烈侵蚀的面积增加的幅度最大。造成这种现象的原因可以归结为3 部分,分别为土地利用类型、地形地貌和植被覆盖度。

表1 内蒙古自治区武川县土壤风蚀面积统计表

3.2 土地利用类型对土壤风蚀的影响

研究区内的土地利用类型以草地为主,其次为耕地和林地,其它土地利用类型由于对土壤风蚀的影响并不密切,在这里不做讨论。其中,耕地大部分分布在上秃亥乡、耗赖山乡、可可以力更镇(简称可镇)等研究区的东北部,小部分在西北部,林地主要分布在哈拉合少乡、德胜沟等研究区的南部和东南部,草地主要分布在南部和西北部。由图4 可知,2019 年武川县的土地利用类型没有发生太大的变化,耕地、林地和草地的空间位置也与2018 年大致相同,但是耕地和林地的面积都有不同程度的下降,只有草地的面积在增加。

2018 年研究区内的耕地上的侵蚀状况以轻度侵蚀为主,并伴随着少量的中度、极强烈和剧烈的侵蚀现象,而林地和草地的分布范围内仅存在微度侵蚀的现象,分布范围较大,仅次于轻度风蚀；而在2019 年,虽然微度侵蚀的面积减少,范围明显缩小,但是主要在耕地上分布的轻度侵蚀大部分转变成了中度侵蚀和强烈侵蚀,分散在西北部的极强烈侵蚀的面积也有小小增长。

显然,土地的利用方式对土壤风蚀的结果有很大影响,虽然不能说耕地面积减少,草地面积增加,风蚀情况就一定会变好,因为在原来的利用方式下,林草地里也存在大量微度风蚀,而现如今在耕地面积下降的同时,林地面积也从 708.95km2下降到339.78km2,所以在这种情况下不能保证土壤风蚀情况的改善。相反,由于土壤侵蚀强度的高低与耕地面积的多少成正比,与林地和草地面积的多少成反比,与植被覆盖度成反比[15],所以这个现象的形成与土地利用类型面积的改变是分不开的。

3.3 地形地貌对土壤风蚀的影响

由于武川县位于内蒙古自治区中部,阴山北麓,而阴山北麓从阴山山地向蒙古高原过渡,地貌依次为低山、丘陵、缓坡丘陵、波状高原和高平原。武川县在历史上属于牧区,土壤类型以栗钙土为主,养分含量较低[12],无论是地形还是土壤条件,这里都不适合农作物的生长；而牧草的生长能力旺盛,可以轻易适应这里的地质环境,而且由上文可知,牧草对武川县的生态环境有较好的保护作用,增加其植被覆盖度,抵御风蚀对土壤的冲击。为了经济生产的需要,武川县开始进行农作物的耕种。

过去进行耕种时,主要位于平缓的地界进行开垦,地势较高的丘陵等地基本不用于耕种,但近年来随着社会快速发展,人口不断增加,人们开始滥砍滥耕,耕地也从原来的平缓地界向丘陵扩张。由上文可知,研究区的草地面积虽然有所增加,但是林地面积大幅度减少,且丘陵的土层薄,一旦植被减少失去屏障就极易发生水土流失；且武川县春冬风大,农耕季节又正值春季,春季的土壤风蚀最为严重,其次是冬季[16],所以加重了土壤风蚀的情况。可见,地形地貌也是强烈侵蚀面积大幅度增加的关键因素之一。

3.4 植被覆盖度对土壤风蚀的影响

结合图5 可知,分布在南部的草地和林地减缓了土壤被侵蚀的程度,而主要分布在东北部的耕地就是因为植被覆盖度低、经常开垦播种,导致表层土粗化,质地疏松,土壤中有机质含量相对较少,风蚀程度相对较严重。结合研究区植被覆盖度等级及其所占比例(表2) 可知,由于2019 年的林地大幅度减少,且草地面积增加不大,2018 年的植被覆盖度总面积为3131.84km2,2019 年的植被覆盖度总面积为3006.51km2,减少了125.33km2；不仅如此,在2019 年,除了高覆盖度的面积增加了1975.67km2,其它植被覆盖度等级的面积都在减少,其中,中低覆盖度和中覆盖度的面积减少的最为明显,分别为1021.67km2和1242.04km2。

植物对土壤风蚀的作用主要表现在3 个方面[17]:覆盖地表,在一定高度上减少了气流与地面物质之间的能量传递,阻止土壤颗粒物的运动。其中,覆盖地表即植被覆盖度是其中最主要的表现方式。尽管草地面积大幅度增加,可在林地面积减少后,不能再从一定高度上对气流的冲击进行防御,使其它植被覆盖强度的面积下降,武川县的风蚀情况还是不容乐观。

表2 武川县植被覆盖度面积统计表

4 讨论

土壤风蚀是一个相当复杂的过程,是众多自然因素和人为因素综合影响的共同表现。武川县的生态环境脆弱,土壤风蚀等级逐年加深不仅对大气环境造成污染,还会对经济的可持续发展、当地居民的健康形成严重威胁。图6 是针对研究区风蚀现状的水土保持措施图,政府可以通过当地地形具体情况因地适宜的进行治理。如,造林是控制风蚀的有效措施之一,防护林减弱风速的原理在于,经过林带后的气流形成许多湍流,彼此摩擦消耗动能而降低风速[18]；地梗是作物收割后的秸杆,研究证明,适当保留一定高度的作物留梗可降低地表风速,减弱土壤风蚀程度[19]；也可通过封育、梯田等其它措施提高地表的抗风能力,同时在保障永久基本农田的条件下,禁止过度开垦,保障土壤的有机质含量,防止出现越贫越垦,越垦越贫[20]的恶性循环。

5 结论

本文在遥感技术、GIS 平台的支撑下,通过风蚀预报模型,结合遥感数据,以2018 年和2019 年武川县的土壤风蚀为例,对中国西北干旱半干旱地区的土壤风蚀情况进行了分析,结果如下。

2018 年武川县的土壤侵蚀以轻度和微度侵蚀为主,微度侵蚀主要分布在东北部及南部,轻度侵蚀则主要分布在西北部和北部,仅部分地区达到了剧烈侵蚀,而2019 年武川县的土壤侵蚀则以微度侵蚀和强烈侵蚀为主,本文将原因归结为土地利用类型、地形地貌和植被覆盖度3 个方面。

在土地利用类型上,草地的面积最大,其次为耕地和林地。2019 年,除了草地面积增加以外,耕地和林地的面积都在减少,大部分轻度侵蚀和部分微度侵蚀转变为其它等级土壤风蚀。

由于武川县地处阴山北麓与蒙古高原的过渡地带,土层薄弱,极易发生水土流失,且春冬风大,农耕季节又正值春季,加重了土壤风蚀的情况。

相比于2018 年,虽然高覆盖度的面积增加,但是其它等级的覆盖度面积都处于下降状态,使土地不能再从植被高度的层面上抵御气流的冲击,对武川县土壤风蚀情况造成影响。

土地利用方式、地形地貌和植被覆盖度都与土壤风蚀的强度密切相关。不同土地利用类型下的土壤风蚀程度不同,耕地＞草地＞林地；土壤风蚀程度的高低与植被覆盖度的高低成反比。这为防止土壤退化提供了基础,可以根据当地的地形情况通过封育保护、梯田、造林、保留地梗防治土壤风蚀。