海城市水土流失强度空间分布格局分析

王 琳

(海城市水利事务服务中心，辽宁 海城 114200)

0 引 言

水土流失引起的区域下垫面环境脆弱化和地表层组织结构的破坏，造成的河道淤积、土壤退化、养分流失和水源污染等问题，对区域可持续发展和自然生态安全产生严重的不利影响。海城市位于辽河下游左岸，土壤类型以草甸土、棕壤土为主且土层深厚、土地肥沃，为辽东半岛重要的粮食生产基地。然而，随着植被破坏的加剧和人口规模的扩大，水土流失问题越来越引起政府部门和研究者的重视[1]。一直以来，水土流失强度、空间分布特征和土地类型为水土保持治理规划的根本依据。RS、GIS技术的快速发展为更加直观的描述土壤侵蚀特征创造了条件，并为土壤侵蚀时空分异特征的分析提供了技术支撑，目前常用的方法有分形维数、半方差函数和景观指数法等，由此可实现区域水土流失的直观、广域和高效实时监测。在地貌形态上海城市有洼地、平原、丘陵和山地，为了更加准确的度量水土流失强度随地貌形态差异性的变化引入分形维数理论，利用回归分析法探讨了水土流失强度与不同地表覆被之间的作用关系，可为治理措施的空间布置和水土保持规划提供科学指导[2-4]。

1 研究方法

1.1 区域概况

海城市位于辽宁省南部，占地面积2732km2，介于E122°18'-123°08'、N40°29'-41°11'之间，地形地貌复杂总体呈西北低、东南高的特征。该区域为温带季风气候，春秋季短、冬季寒冷期长、四季分明、雨热同期、平原风大、雨量集中、光照丰富，年降水量721.3mm，年均气温10.4℃。海城市八里河、三通河、海城河、五道河、杨柳河横贯东西，大辽河、浑河、太子河纵横南北。区域内林草植被状态较好，果业生产基础良好且属于林木产品主产区，典型植被有温带草地、乔木和灌木林，覆盖率达到42%，总体而言具有较强的水土涵养能力。土壤侵蚀以轻度水力侵蚀为主，且少部分地区人为造成的侵蚀，受地理条件和季风气候影响降水量多集中于7、8、9三个月，水土流失主要分布在侵蚀沟壑、荒山缓坡、果园和疏林地等区域。近年来，由于掠夺式生产、盲目的开垦和不重视生态修复等开发利用过渡，使得水土流失对区域可持续发展、水体质量、农业发展和土壤物理结构等产生严重影响，从而导致一系列的土壤退化、土壤生产力下降和干旱等问题。随着对土地资源利用的逐渐增大，随之而来的水土流失、土地退化、环境恶化等问题日趋突出，研究分析海城市水土流失空间分布及其变化特征具有重要的意义[5-6]。

1.2 数据源

空间矢量、DEM和遥感影像为主要研究数据，其中影像数据波段为15m、全色，分辨率为30m，地理信息云网站和Landsat 8OLI提供以上相关资料。土壤数据和降水图层来源于气象中心和地理监测云平台。采用分辨率为30m的DEM数据提取研究区地形坡度因子值，通过对测绘局提供的地形图、区划图矢量化处理获取边界条件信息，经15m精度重采样格栅影像后统一投影至WGS-1985系统。

1.3 RUSLE水土流失方程

根据植被涵养、地形效应、水动力学和土壤质地等研究提出了通用水土流失方程RUSEL，经大量的人工降雨和径流小区模拟试验建立计算公式，综合考虑降水强度、坡度坡长、植被等环境因子形成的水土流失方程如下：

RUSLE=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：RUSLE为年土壤流失量，反映了单位面积坡面的平均侵蚀量，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力实测值，反映了水土流失受降水强度的影响，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性评估因子，降水强度对不同土壤质地的侵蚀力不同，t·h/(MJ·mm·a)；P、C、S、L为量纲为1的水保措施、植被覆盖、坡长与坡度因子。

地形因子客观反映了地形特征加速水土流失的作用，一定区域内地面的最大高差为地形起伏度，水土流失强度随坡长、坡度的增大而增强。采用区域DEM数据和Arc GIS10.3空间分析工具，通过设置统计类型最小、最大值直接提取研究区地形因子格栅图。土壤在自然状态下的侵蚀程度利用地表可侵蚀性反映，它体现了地表径流或雨滴击溅等侵蚀介质搬运、冲蚀和分离土壤的难易程度，该因子值与土壤渗透、地表径流和降雨等因素相关，地表环境越疏松则可蚀性越强，利用下式表征地表可蚀性：

(2)

式中：Pi为月降雨总量，mm；i为月份，其值取1，2，…，12。林草植被减少土壤侵蚀的途径有地表汇集、截流和地下固结，土壤侵蚀与植被覆盖呈反比，提取计算ENV15.3系统只能给的波段获取其数值。

1.4 分形维数

几何学为分形理论的基础，对不同复杂程度的形态利用几何形物的周长、面积关系反映。针对空间不连续的土壤变量分形维数，采用一定观测尺度h上变异函数的双对数关系logγ(h)∞logh描述，其数学式为：

(3)

式中：FD、H为分形维数和线性斜率，FD值域为(1，2]、H取值[0，1]，且随着H值的增大FD呈减少趋势。

在空间分布上，分形维数越小则分布趋势性越强，其空间连续性和渐变性越好；分形维数越小则水土流失异质格局越强，全局趋势越弱、连续性和离散性越差。

2 海城市水土流失分析

2.1 水土流失空间分布特征

根据海城市水土流失强度统计分析结果，见表1，轻度侵蚀的分布范围最广且连续性最好，在空间上呈片状延伸于海城市西部平原和洼地。东部丘陵地带以中度水土流失为主，由于东部坡度大、地势高且土壤可蚀性强，沿丘陵山脊线分布有其他强度水土流失。统计结果显示，轻度、中度、强烈侵蚀区面积为349.65、212.10、17.21km2，占水土流失总面积的44.44%、26.95%、17.21%；极强烈和剧烈侵蚀区占比不足10%，统计面积为8.59、2.81km2。由此表明，海城市土壤侵蚀以轻度为主，该区域具有较好的涵养水土能力。海城市土壤侵蚀分布见表1。

表1 海城市土壤侵蚀分布

2.2 水土流失分形特征

海城市水土流失分形特征见图1。

图1 海城市水土流失分形特征

从图1可知，随着侵蚀强度的变化海城市水土流失空间分形维数存在较大差异。双对数线性拟合的滞后距离与半方差函数关系较好，R2值处于0.7320-0.927范围，因此在该尺度上能够度量土壤侵蚀的空间格局维数。其中，斜率最大和最小的为剧烈、轻度侵蚀等级，所对应的斜率值为0.8982、0.3857，其它水土流失等级的斜率介于0.4047-0.6228范围。根据分形维数计算公式确定不同土壤侵蚀程度的分形值为1.805、1.792、1.190、1.688、1.552，虽然此值存在较小的差异，但仍能够说明其空间差异性。因此，分形维数值最高的为轻度水土流失，其几何形态在空间分布上较为复杂，其原因为该区域存在较大的环境空间差异，人类开发利用、地质应力等因素均可对轻度侵蚀产生影响，且土壤侵蚀的延伸也受到其它各类因素的影响。反之，分形维数值越小则土壤侵蚀越强烈，土地类型和空间分布越稳定，其原因为人类活动干扰极强或地理环境较差的区域，其界面稳定性较高且水土流失严重。

2.3 土地利用分异特征

通过叠加处理海城市土壤侵蚀强度和用地类型图，获取二者的关系矩阵见表2。

表2 不同用地条件的土壤流失面积

根据表2可知，水土流失强度与土地类型密切相关，其中耕地、林地和草地为海城市主要用地类型，这三类用地的土壤侵蚀面积占全区的79.18%，应作为水土保持重点治理区。从表2可以看出，侵蚀模数最大的为草地，其次为耕地和林地，对应的值为1685.25、1435.20、871.26t/km2·a，其原因为海城市以耕地和草地为主，这些区域也应作为水土保持重点治理区。裸地、建设用地和水域面积相对较小，其侵蚀模数依次为97.33、153.28和270.41t/km2·a，水土流失强度在不同用地类型中的差异性较为显著，其中草地、耕地在轻度侵蚀中的分布最为广泛，覆盖面积达到180.32、70.33km2；草地在中度侵蚀中的分布最为广泛，覆盖面积达到128.91km2；耕地在强烈侵蚀中的分布最广，水域和草地相差不大，覆盖面积依次为71.41、26.22、24.06km2；水域用地类型在极强烈和剧烈侵蚀等级分布最广。

2.4 用地结构与水土流失量关系

采用回归分析法探讨水土流失强度与不同地表覆被之间的作用关系，见图2。

图2 水土流失量与用地类型结构关系图

根据图2可知，水土流失量与草地、林地结构比之间存在负相关性，可见增加这些地类能够增强区域水源涵养能力，减少水土流失危害和保护自然环境；水土流失量与裸地、建设用地、耕地之间存在正相关性，因此增加这些用地结构会进一步加剧水土流失。线性回归系数最小的为水土流失量与草地用地类型关系，其值为-1085.4t/km2·a，表明土壤侵蚀量随着草地地类的增加而减少，其次为林地，其相关系数为-928.12t/km2·a。每增加1个单位的建设用地、耕地、裸地和水域用地结构，可增加土壤侵蚀量1218.6、728.45、990.57、124.57t/km2·a。因此，为提高区域水土涵养能力和开展水土保持工作，应尽可能的减少耕地、裸地和建设用地面积。

3 结 论

对海城市水土流失空间分布利用水土流失通用方程和现代地理信息技术研究，从而确定不同用地类型与分形维数特征之间的关系。研究表明，海城市水土涵养能力较好且林草覆盖率较高，轻度侵蚀区占比最大；由于轻度侵蚀区自然形态复杂且分布范围广泛，人类活动干扰和环境破坏严重，为避免态势恶化应以增加植被覆盖率为根本治理措施。水土流失强度受用地类型的影响较为显著，土壤侵蚀模数随着建设用地、裸地、水域和耕地结构比例的增大而增大，增加草地和林地类型可有效降低水土流失危害，可为区域水土保持规划和生态系统保护提供科学依据。

通用方程计算结果显示，草地、林地和耕地为海城市水土流失易发区，而裸地、建设用地和水域面积相对较少，这些区域的水土流失量少且土壤累计浅薄，但流失强度极高。所以，改变不合理的种植方式和优化农用地结构为今后水土保持工作的重点，建议采取的措施为：以小流域为单元开展荒山荒坡、侵蚀沟、坡耕地综合治理，配套沟谷稳定和蓄排水水利工程，为减少泥沙入库量建设谷坊、拦砂坝等治理工程，同时在水库周边建设水生植物和防护林等；加强对湿地、河流和裸地的整治，继续实施退耕还草还林和修筑水土流失防护措施，针对林木稀疏的浅山地区采取增大水源涵养林建设，实施轮封轮牧、人工种植及禁牧封山等措施，加强对原生草场的防护等。