基于遥感技术的东北黑土区水土流失动态监测研究

张继真 姜艳艳 张月

［关键词］ 水土流失；动态监测；遥感技术；中国土壤流失方程；东北黑土区

［摘 要］ 东北黑土区是我国重要的商品粮基地，近年来面临水土流失严重、面积减小、土壤质量下降等问题，已成为目前土壤保护工作中亟待解决的重要问题。以东北黑土区2018年和2022年两期遥感影像与水土保持措施的实地调查数据作为数据源，利用目视识别法开展影像解译，并通过中国土壤流失方程CSLE进行土壤侵蚀模数的计算，对东北黑土区的水土流失变化情况及原因进行分析，结果表明：耕地、草地、建设用地、其他土地面积减少，园地、林地、交通运输用地、水域及水利设施用地面积增加，造林、种草、封育、地埂、水平阶/反坡梯田等面积共增加0.84万km2；对比2018—2022年东北黑土区的水土流失情况，整体呈向好趋势，土壤侵蚀面积共减少约1.01万km2；从侵蚀强度来看，除轻度侵蚀面积增加约0.45万km2外，中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别减少约0.43万、0.24万、0.28万、0.51万km2；从不同省份侵蚀面积变化情况分析，内蒙古自治区东四盟的侵蚀面积减少最多，共减少约0.37万km2，辽宁省侵蚀面积变化最小，共减少约0.06万km2；耕地、建设用地等土地利用类型面积的减少，以及林地、交通运输用地等土地利用类型面积的增加，均可大幅减少土壤侵蚀面积，同时水土保持措施面积的增加也可有效阻止土壤侵蚀的发生。总体来看，东北黑土区水土流失治理效果显著，生态环境得到改善，持续进行东北黑土区水土流失治理对环境保护具有重要意义。

［中图分类号］ S157；TP79  [文献标识码] A  DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.008

水土流失作为全球性灾害问题，日益受到世界各国的关注。在农业种植方面，水土流失將导致土壤耕层厚度变薄、肥力削弱、粮食减产等危险[1]。在水利措施方面，水土流失将导致河床泥沙淤积，易引起洪涝灾害，降低水利工程效益[2]。水土流失动态监测是通过对水土流失的发生发展过程、危害程度及水土保持措施的效益进行长期监测、分析，来明确水土流失的起因与发展特征[3]。水土流失的强度与降水、植被、地貌、土壤、人为因素等密切相关，中国土壤流失方程CSLE（Chinese Soil Loss Equation）可基于这些因素对不同地区土壤侵蚀强度进行定量评价。东北黑土区作为世界三大黑土区之一，近年来水土流失问题十分严重。据统计，东北黑土区现有的侵蚀沟中，长度100～5 000 m的共有29.17万条，环境改善问题迫在眉睫[4]。因此，本研究以东北黑土区2018年和2022年两期遥感影像与水土保持措施的实地调查数据作为数据源，利用目视识别法开展影像解译，并通过CSLE计算土壤侵蚀模数，最终对东北黑土区的水土流失变化情况及原因进行分析，以期为东北黑土区快速准确地进行水土流失成因分析，开展水土流失综合防治及生态环境治理提供依据。

1 研究区概况

东北黑土区范围涉及黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区的东四盟共246个县（市、区、旗），总面积108.75万km2，属温带、寒温带大陆性季风气候区，日温差、年温差较大，春季干旱多风，夏季多降水，冬季多降雪。黑土区内不同地区年均降水量为400～700 mm，主要集中在7—9月，全年降水量中降雪量所占比例较大。

2 研究方法

2.1 遥感解译与专题信息提取

遥感解译主要方法为室内解译与野外调查验证相结合，室内解译依据解译标志与遥感影像进行人工目视解译，初步获取土地利用和水土保持措施的解译成果。野外验证需要对室内影像目视解译过程中总结记录的疑难部分进行实地考察，同时对室内解译初步成果进行复核验证，确保遥感解译精度。将黑土区的土地利用类型划分为8个大类25个小类，分别为耕地（水田、水浇地、旱地）、园地（果园、茶园、其他园地）、林地（灌木林地、有林地、其他林地）、草地（天然牧草地、人工牧草地、其他草地）、建设用地（城镇建设用地、农村建设用地、人为扰动用地、其他建设用地）、交通运输用地（农村道路、其他交通用地）、水域及水利设施用地（河湖库塘、沼泽地、冰川及永久积雪）、其他用地（盐碱地、沙地、裸土地、裸岩石砾地）。水土保持措施划分为2个大类8个小类，分别为生物措施（造林、种草、封育、生态恢复）、工程措施（梯田、地埂、水平阶/反坡梯田、水平沟）。

2.2 侵蚀量计算与评价

基于CSLE计算土壤侵蚀模数，并依据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007）对侵蚀强度进行分级。CSLE算法通过降雨侵蚀力因子（R）、土壤可蚀性因子（K）、坡长因子（L）、坡度因子（S）、植被覆盖与生物措施因子（B）、水土保持工程措施因子（E）、耕作措施因子（T）7个因子相乘获得土壤侵蚀模数（A），公式为

A=R·K·L·S·B·E·T（1）

2.3 因子确定

按照《2022年度水土流失动态监测技术指南》要求及水利部下发的部分原始数据，开展因子计算与分析，具体方法如下：

1）降雨侵蚀力因子R。获取站点多年平均1至24个半月降雨侵蚀力，转换为矢量数据后通过普通克里金空间插值法生成10 m空间分辨率的24个半月降雨侵蚀力栅格数据，随后将数据累加得到年降雨侵蚀力栅格数据，最后计算24个半月降雨侵蚀力栅格数据与年降雨侵蚀力栅格数据比值得到比例数据。

2）土壤可蚀性因子K。基于收集到的径流小区观测资料和第一次全国水利普查水土保持专项普查中土壤可蚀性因子的计算方法，更新计算土壤可蚀性因子。将所获土壤可蚀性因子数据进行重采样，生成10 m空间分辨率的K因子栅格数据。

3）坡长及坡度因子L、S。基于ArcGIS软件中坡度工具（Slope）对东北黑土区的坡度因子进行计算，并通过重采样获取分辨率为10 m的L、S因子栅格数据。依据坡度数据将研究区的不同土地利用类型划分为不同等级。

4）植被覆盖与生物措施因子B。利用MODIS归一化植被指数、Landsat影像，通过参数修订，得到24个半月30 m空间分辨率的植被覆盖度，结合24个半月降雨侵蚀力因子比例和土地利用类型计算B因子。经重采样，生成10 m空间分辨率的B因子栅格数据。

5）水土保持工程措施因子E。根据解译获取的土壤侵蚀地块属性表的“工程措施类型或代码”字段值，查询水土保持工程措施因子赋值表，获取水土保持工程措施因子值。经重采样，生成10 m空间分辨率的E因子栅格数据。

6）耕作措施因子T。根据解译获取的土壤侵蚀地块属性表的“耕作措施輪作区代码”字段值，查询耕作措施轮作措施赋值表，获取耕作措施因子值。经重采样，生成10 m空间分辨率的T因子栅格数据。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀总体变化情况

基于东北黑土区2018年和2022年土地利用与水土保持措施解译结果，通过CSLE计算土壤侵蚀模数，再利用《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007）对侵蚀结果进行强度分级，获得2018年和2022年不同侵蚀强度等级的土壤侵蚀面积，见表1。

2018年水土流失面积共约为22.16万km2。主要为轻度侵蚀，面积约为16.35万km2，占水土流失面积的73.78%；其次为中度侵蚀、强烈侵蚀、剧烈侵蚀，面积分别约为3.15万、1.16万、0.76万km2，占水土流失面积的比例分别为14.21%、5.22%、3.44%；极强烈侵蚀面积最小，约为0.74万km2，占水土流失面积的3.35%（文中面积数据为约数，比例数据是根据精确度更高的数据计算得出的官方数据，下同）。

2022年水土流失面积共约为21.15万km2。主要为轻度侵蚀，面积约为16.80万km2，占水土流失面积的79.40%；其次为中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀，面积分别约为2.72万、0.92万、0.46万km2，占水土流失面积的比例分别为12.86%、4.35%、2.21%；剧烈侵蚀面积最小，约为0.25万km2，占水土流失面积的1.18%。

2018—2022年水土流失面积动态监测结果表明，水土流失总体呈现减弱趋势，侵蚀面积共减少约1.01万km2。对不同侵蚀强度面积减少比例进行统计，剧烈侵蚀面积减幅最大，为67.31%，减少约0.51万km2；其次为极强烈侵蚀、强烈侵蚀、中度侵蚀，减幅分别为37.16%、20.56%、13.64%，分别减少约0.28万、0.24万、0.43万km2。

3.2 不同省份土壤侵蚀变化情况

对2018年和2022年黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区东四盟的水土流失情况进行统计，结果为：内蒙古自治区东四盟的水土流失程度较严重，水土流失面积分别约为9.29万、8.92万km2，分别占内蒙古自治区东四盟土地面积的23.04%、22.13%；其次为吉林省，水土流失面积分别约为4.26万、3.99万km2，分别占吉林省土地面积的22.41%、20.99%；再次为辽宁省，水土流失面积分别约为1.06万、1.00万km2，分别占辽宁省土地面积的19.41%、18.31%；黑龙江省水土流失程度较轻，水土流失面积分别约为7.55万、7.24万km2，分别占黑龙江省土地面积的17.18%、16.47%。

2018—2022年不同省份水土流失面积动态监测结果表明，各省水土流失面积均呈现不同程度减少：内蒙古自治区东四盟的水土流失面积减少最多，共减少约0.37万km2；其次为黑龙江省和吉林省，水土流失面积分别减少约0.31万、0.27万km2；辽宁省水土流失面积变化最小，共减少约0.06万km2。

3.3 侵蚀原因分析

3.3.1 土地利用的影响

植被覆盖度、土壤性质、地形条件、径流速度等因素对土壤侵蚀的面积及强度存在重要影响[5]，而土地利用类型的变化又对植被覆盖度、土壤性质、地形条件等因素均存在影响，因此根据土地利用解译结果对东北黑土区2018年和2022年各类型土地利用的面积进行了统计。

统计结果显示：2018年东北黑土区主要土地利用类型为林地，占东北黑土区土地总面积的41.76%，其中有林地面积最大，占土地总面积的39.12%；其次为耕地，占土地总面积的33.29%，耕地中旱地面积最大，占土地总面积的21.27%；再次为草地，占土地总面积的17.44%，草地中天然牧草地面积最大，占土地总面积的14.65%；水域及水利设施用地、建设用地、其他土地、交通运输用地、园地占土地总面积的比例分别为2.53%、2.49%、1.92%、0.52%、0.05%。

2022年东北黑土区各土地利用类型所占比例与2018年相似：林地面积最大，占东北黑土区土地总面积的44.82%，其中有林地面积最大，占土地总面积的42.22%；其次为耕地，占土地总面积的31.19%，耕地中旱地面积最大，占土地总面积的24.03%；再次为草地，占土地总面积的16.88%，草地中天然牧草地面积最大，占土地总面积的12.81%；水域及水利设施用地、建设用地、其他土地、交通运输用地、园地占土地总面积的比例分别为2.59%、2.33%、1.40%、0.68%、0.11%。

对比2018—2022年土地利用面积，园地、林地、交通运输用地、水域及水利设施用地面积增加；耕地、草地、建设用地、其他土地面积减少。

土地利用的变化可对水土流失产生不同影响。园地、林地面积的增加可扩大植被的覆盖面积，有效缓解土壤侵蚀的发生；交通运输用地中其他交通用地面积的增加同样可减少侵蚀的发生；耕地、建设用地、其他土地3种地类作为易发生水土流失的土地利用类型，其面积的减少亦可减少侵蚀的发生。

3.3.2 水土保持措施的影响

利用生物措施与工程措施进行综合治理可有效控制水土流失。根据遥感影像解译与实地调查结果，对2018年和2022年的水土保持措施面积进行了统计。

2018年水土保持措施面积共0.79万km2，其中生物措施面积0.17万km2（造林面积0.04万km2、种草面积0.01万km2、封育面积0.12万km2），工程措施面积0.62万km2（梯田面积0.42万km2、地埂面积0.04万km2、水平阶/反坡梯田面积0.16万km2）。

2022年水土保持措施面积共1.51万km2，其中生物措施面积0.91万km2（造林面积0.40万km2、种草面积0.07万km2、封育面积0.44万km2），工程措施面积0.60万km2（梯田面积0.30万km2、地埂面积0.10万km2、水平阶/反坡梯田面积0.20万km2）。

2018—2022年水土保持措施面积共增加0.72万km2，其中生物措施面积增加0.74万km2，造林、种草、封育面积均呈现增加趋势；工程措施面积减少0.02万km2，其中地埂、水平阶/反坡梯田面积增加0.10万km2，梯田面积则减少0.12万km2。

生物措施有利于植被恢复与生态恢复，植被的类型、根系、枯枝落叶层等均对水土流失具有较强的影响，生物措施面积的增加可有效减少水土流失面积。水土流失综合治理体系中，工程措施是重要组成部分，其面积的增加也可有效减少水土流失的面积、降低水土流失的强度。

4 结论与建议

4.1 结论

东北黑土区水土流失动态监测结果表明：2018年和2022年土地利用类型均以林地为主，分别占土地总面积的41.76%和44.82%；2018—2022年土壤侵蚀主要以轻度侵蚀为主，整体呈向好趋势，侵蚀面积共减少约1.01万km2；从不同省份侵蚀面积变化情况分析，内蒙古自治区东四盟的侵蚀面积减少最多，共减少约0.37万km2。

4.2 建议

1）增大模型适用性。东北黑土区地域广阔，自然气候与人文背景不尽相同，导致水土流失特征存在差异，为水土流失面积的计算与侵蚀程度评价工作带来一定困难，因此针对不同区域模型的适宜性有待进一步探讨。如根据内蒙古自治区特有的侵蚀特征，建议分区域优化完善评价模型，尝试应用多种先进的侵蚀模型计算侵蚀模数，并从中选取精度较高的模型。

2）提升数据质量。為提高影像质量，建议在进行影像几何校正时对控制点进行加密，以保证影像空间配准的精度。另外，由于影像的时相及季节变化等导致水域边界范围变化明显，因此建议使用多期不同时相的影像，对影像进行淹没区与非淹没区的分类，由此确定水域的边界，以得出更加合理的结果。同时，建议与自然资源、民政、气象等相关部门尽早建立数据共享长效机制，每3～5 a更新一次边界等基础地理信息数据，提高监测成果服务于社会、行业监管的能力和水平。

3）加强基础试验工作。建议统一林下盖度的本地化计算方法，分析更新林下盖度对土壤侵蚀的影响程度，同时结合国家重点研发计划项目，完善侵蚀沟道等区域的特征监测，提高CSLE模型在不同区域的适用性。

4）加强生态保护工作。采用人工造林、封育管理等方式，持续推进林地立体结构改善、低质低效林改造、疏幼林封育管理，恢复和增大林草覆盖，促进森林生态系统自然修复。加强对现有植被的管护和抚育，实施疏幼林补植和封禁治理，提升林地质量和水土保持功能，减少林地水土流失。

[参考文献]

[1] 徐涵秋.水土流失区生态变化的遥感评估[J].农业工程学报，2013，29（7）：91-97，294.

[2] 葛德祥，庞治国，王义成，等.二滩库区蓄水前后水土流失变化遥感监测与分析[J].中国水利水电科学研究院学报，2010，8（1）：44-51.

[3] 陈子琪，李小兵，陈亮.基于遥感技术的县级水土流失动态监测分析：以千阳县为例[J].中国水土保持，2020（7）：48-50.

[4] 任明，王教河，温磊磊，等.东北黑土区侵蚀沟综合治理成效分析[J].中国水利，2023（10）：46-48.

[5] 刘超群，余顺超，扶卿华，等.基于综合判别法的广东省水土流失状况遥感分析[J].中国水土保持，2020（2）：45-48.