基于GIS和分形理论法的康平县水土流失分析

王莹莹

(康平县水利局，辽宁 沈阳 110500)

水土流失破坏土地表层组织结构，造成养分流失、土壤退化、河道淤积、水源污染，是影响区域生态安全乃至可持续发展的重大环境问题之一[1]。康平县地处我国东北黑土带上，区域土壤肥沃、土层深厚，为农业生产提供便利基础，然而随着人口增加、植被破坏的加剧，区域土壤侵蚀愈演愈烈。国内外学者通常采用现代地理信息技术借助遥感数据宏观提取区域水土流失强度空间分布，实现了高时效、广域、直观监测[2]。关于其空间分布格局，多应用景观指数、分形维数、半方差函数等方法，这为了解水土流失发育的自然机理提供了依据[3]。康平县地貌形态差异性不大，为度量水土流失空间复杂度，本文应用分形维数理论分析其随水土流失强度变化的关系，并采用回归分析方法解析土地利用结构对水土流失量的影响，以期为本区水土保持规划提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

康平县位于我国东北辽宁省沈阳北部，居于辽河平原北端，属辽河流域，有浑河、秀水河等较大支流，流速平缓，有春汛和夏汛。县域土地所覆植被状态较好，典型植被有温带灌木、乔木和温带草地，林草覆盖率达38%，总体来说水土涵养能力较好。区域土壤侵蚀以水蚀为主，降水常集中于7—8月且强度大，水土流失时有发生。

1.2 数据源

本研究以Landsat 8 OLI影像数据为基础，其来源于地理空间数据云网站，行代号为119- 30，其中全色波段分辨率达15m，其他波段为30m。地形因子数据的提取以DEM为基础，该数据有美国联邦地质调查局提高，空间分辨率达30m。将栅格影像重采样为15m，并统一为WGS- 1984投影系统。降水图层由中国气象局气候中心提供，土壤数据则从地理国情监测云平台上获取。

1.3 RUSLE水土流失方程

通用水土流失方程(Revised universal soil loss equation， RUSLE)是美国科学家们通过研究水土动力循环、植被涵养、土壤质地、地形效应等，经长时间实践积累建立区域水土流失量计算公式，其将水土流失视作坡度、坡长、植被、降水强度等环境因子的函数，公式如下[4]:

RUSLE=R·K·L·S·C·P

(1)

式中，RUSLE—年水土壤流失量，t/(hm2·a);R—降雨侵蚀力因子表征降水强度对水土流失的影响，MJ·mm/(hm2·h·a);K—不同土壤其质地不同，降水强度对其侵蚀力具有一定差异，土壤可蚀性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L—坡长；S—坡度；C—植被；P—水土保持措施。

地形因子是土壤侵蚀的客观因素，依据公式可知坡度、坡长越大，水土流失越强烈。坡度因子的提取可直接应用ArcGIS 10.3中Spatial Analysis模块的surface功能，以DEM数据为底图进行提取，坡长的计算则借助栅格计算器完成。地表可侵蚀性反映了自然状态下土壤侵蚀强弱，通常疏松的地表环境水土流失越剧烈。地表可侵蚀性因子公式如下[3]：

(2)

式中，i—月，取i=1，2，…，12；Pi—月降雨总量，mm;其他变量含义同前。植被通过地上截留、汇聚和地下固结作用减弱水土流失，其与水土流失量呈反比，可通过ENVI5.3软件的bandmath工具进行波段计算提取。

1.4 分形维数

分形理论源自几何学，以几何形物的面积、周长关系表示其形态复杂程度。对于土壤这一空间不连续变量，其分形维数表示为变异函数的双对数关系logγ(h)∝logh在一定观测尺度h上的线性关系[5- 7]：

(3)

式中，H—线性斜率，取值为[0，1]；FD—分形维数，值域(1，2]，FD随着H的增加而减小。对于区域水土流失空间分布，其分形维数越小则其分形越好，表明其分布趋势性强，空间渐变性、连续性好；其分形维数越小，则其分形特征越长，表明区域水土流失异质格局强，分布离散、连续性差、全局趋势弱[8- 10]。

2 康平县水土流失分析

2.1 康平县水土流失空间分布特征

康平县水土流失强度空间分布格局如图1所示。微度水土流失区分布范围最广，呈片状延伸于县域东西部丘陵区和中部平原区，其分布连续性好。轻度水土流失区分布于东西部丘陵区，其他强度水土流失区主要沿着丘陵山脊线分布，这是由于东西部地势较高、坡度大，土壤可侵蚀性强。统计分析表明，微度水土流失区占区域总面积的71.94%，达1564.69km2，轻度水土流失区达419.25km2，占19.28%；中度水土流失区不足总面积的1/10，为186.55km2，强度和极强度水土流失分布较少，仅为3.74和0.75km2，其结构比仅为0.17%和0.03%；剧烈水土流失面积为0km2。由此看来，康平县水土涵养能力较好，水土流失强度以微度为主。

图1 康平县水土流失空间格局

2.2 康平县水土流失分形特征

如图2所示，康平县水土流失空间分形维数大小随土壤侵蚀强度变化而异。其半方差函数与滞后距离的双对数线性关系拟合度较好，R2介于0.721～0.928之间，表明在该尺度上水土流失强弱的空间复杂格局能够进行维数度量。6种水土流失等级中以剧烈等级的斜率最大，为0.8983，微度等级的斜率最小，仅为0.3864，其余等级的斜率介于0.3974～0.6224之间。相应地，得到不同水土流失强弱等级的分形维数值，依次为1.807、1.801、1.797、1.792、1.689、1.551，虽然该值差异较小，但仍能够指示其空间复杂度。可知，微度水土流失区的维数值最高，表明其在空间上几何形态复杂，这是由于该县自然环境空间差异性较大，微度水土流失区受到地质应力影响与人为影响较多，其中不同位置上的延伸受到较多因素控制。反之，水土流失强度越剧烈其维数值越小，其分析结构越简单，表明其空间稳定性较好，这是由于水土流失严重地区局部地理环境较差或受人为干扰极强烈，但其具有稳定的界面。

2.3 康平县水土流失随土地利用类型分异特征

将康平县土地利用图与水土流失强度图进行叠加分析，得到二者之间的关系矩阵，见表1。结果显示，不同土地利用下水土流失强度存在一定差异，研究区用地类型主要是草地、林地、耕地，约占区域总面积的76.82%，水土流失量占总量的88.36%，是区域水土流失重要来源。依据表1，草地的侵蚀模数最大，达1687t/(km-2·a)，旱地、林地的侵蚀模数次之，为1421.25、874.28t/(km-2·a)，主要由于康平县用地类型中以草地、耕地占优，也是本区水土流失治理的重点地类。水域、建设用地和裸地地类的面积最小，水土流失量依次为271.46、154.21和98.54t/(km-2·a)。并且不同用地类型中水土流失强度分布存在差异，其中微度水土流失区中以草地、旱地分布最广，达684.74和421.65km2；轻度水土流失区则以林地、草地为主，分布面积分别为198.54和106.78km2；中度水土流失区主要分布于旱地，为98.21km2；强度和极强度水土流失主要分布于水域用地类型。

图2 康平县水土流失分形维数特征

表1 不同土地利用类型水土流失量与侵蚀模数

2.4 康平县水土流失量与用地结构的关系

利用各水土流失强度斑块内用地类型结构与侵蚀模数之间的关系建立线性回归模型，结果如图3所示。可知林地、草地等地类的结构比与水土流失量之间呈现负相关关系，表明这些地类的增加有利于抑制水土流失的发生，增强区域水源涵养；而水域、旱地、建设用地、裸地等地类的结构比与水土流失量之间呈正相关关系，意味着这些地类结构比的增加会加剧土壤侵蚀。其中草地用地结构与水土流失量之间的线性回归系数最小，为-1097.4t/(km-2·a)，说明草地地类的增加能够有效减少土壤侵蚀量，而林地的涵养能力次之，其系数为-964.01t/(km-2·a)。水域用地结构每增加1个单位，水土流失量增加125.68t/(km-2·a)；旱地、建设用地、裸地用地类型每增加1个单位，水土流失量增加730.47、1212.6和990.81t/(km-2·a)。由此可知，建设用地、裸地和旱地面积的增加，不利于区域水土保持。

3 结论

结合现代地理信息技术与水土流失通用方程对康平县水土流失空间分布进行研究，得到其分形维数特征及其与土地利用类型之间的关系。结果表明，康平县林草覆盖度较高、水土涵养能力较好，水土流失以微度为主；由于微度水土流失区分布范围广、自然形态复杂，极易遭受环境破坏或人为干扰，其治理方向应是增加植被覆盖度、避免恶化态势。土地利用类型对区域水土流失强度具有深刻影响，其中旱地、水域、裸地和建设用地的结构比增加能够加大土壤侵蚀模数；林地和草地地类结构比增加能够减少水土流失量，这对于区域景观规划具有指导意义。水土流失通用方程表明，康平县水土流失量主要发生于耕地、林地、草地，而水域、建设用地、裸地分布面积少、土壤累积浅薄，水土流失量较少，但强度较大。因此，对于今后区域水土保持工作应一方面注重农用地结构优化，改变不合理的种植方式，继续推进退耕还林还草工程；另一方面局部着手治理裸地、河流、湿地，修筑水土流失防护措施。

图3 用地类型结构与水土流失量之间的关系