图们江区域土壤保持服务空间分布特征研究——以延边朝鲜族自治州为例

崔永男， 李明玉

(1.延边大学地理与海洋科学学院，吉林 延吉 133000;2.和龙市林业局，吉林 和龙 133500)

土壤侵蚀是土壤及其母质在外营力的作用下破坏、分离、搬运和沉积的过程[1-3]。土壤侵蚀导致土壤肥力下降、河流淤积，影响与人类发展息息相关的粮食产量和生态安全。土壤保持服务一般是指生态系统对土壤侵蚀所起到的削减和改善作用[4]。因此，模拟和分析土壤保持服务的空间格局对于促进土壤资源可持续利用具有重要意义。

近年来，国内外学者多利用ArcGIS软件结合空间高程模型(DEM)，将区域内高程、坡度、地形起伏度和地形位指数作为分析地形梯度的指标，进而揭示地形与土壤保持服务的定量关系。如Zhu等[5]借助ARC宏语言计算坡度坡长因(LS)测算黄河中上游地区水土保持服务时空特征；臧玉珠等[6]利用土地利用变化轨迹分析井冈山地区土地利用格局变化和地形梯度效应；Birhane等[7]基于多时态Landsat影像分析了埃塞俄比亚国家森林优先区土地利用随地形梯度的变化。

延边朝鲜族自治州地处中、朝、俄3国交界处，是长白山生态功能区的一部分，也是东北亚经济圈与图们江地区国际合作开发的中心地域。区域内地形起伏，地貌类型复杂，土壤保持服务差异明显。探究土壤保持服务空间异质性，认知地形梯度上土壤保持服务差异，探讨不同地形条件下土壤保持服务最佳结构，对促进区域生态系统服务良性发展具有重要科学意义。

虽然在该区域已有一些关于土壤保持服务的研究，但多局限于区域内的小范围或特定土地类型。因此，该文以图们江区域内的延边朝鲜族自治州为研究区，分析土壤保持服务在高程、坡度、地形起伏度和地形位指数上地形梯度效应，旨在研究不同地形梯度下土壤保持服务的分布特征，为土壤保持措施工程开展、区域粮食安全及生态可持续发展提供科学依据。

1 研究区和数据

1.1 研究区概况

延边朝鲜族自治州(40°59′N～44°30′N，127°27′ E～131° 18′ E)位于中国吉林省东部，属于大陆性季风气候，年均气温4～5 ℃，年均降水量400～600 m，四季分明，冬季漫长(图1)。区域总面积4.32×104km2，共有8个县级辖区(延吉市、珲春市、安图县、汪清县、龙井市、图们市、和龙市、敦化市)，山地分布广泛，地势整体呈西高东低趋势。

1.2 数据来源

该文数据主要包括土地利用数据、高程数据、气象数据、土壤数据。土地利用数据以Landsat Thematic Mapper(ETM+)和Landsat Operational Land Imager(OLI)为数据源，采用面向对象分离方法获得，来自国家地球系统科学数据中心东北分中心共享的2000和2015年数据[8]，其中，2000和2015年的分类精度分别为92%和94%，空间分辨率为30 m。MODIS NDVI数据来自MOD13A的植被指数数据集(https://lpdaac.usgs.gov)，空间分辨率250 m。数字高程模型(Digital Elevation Model)数据来自ASTER GDEM，通过国际科学数据服务平台(https://earthexplorer.usgs.gov)下载获得，空间分辨率30 m。年降雨量、月降水量、日最高温等气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http: //data.cma.cn)，采用普通克里金法对气象监测站的气象数据进行插值，空间分辨率1 000 m。土壤类型和土壤质地数据来源于国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)，空间分辨率1 000 m。为便于土壤保持服务计算，将所有数据利用ArcGIS10.4软件重采样为1 km×1 km。

2 研究方法

2.1 土地保持服务

土壤保持服务是由土壤保持量计算得到，通过RUSLE模型将潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量之差作为土壤保持量，具体公式为[9]：

A=Ac-Ar=R×K×LS×(1-C×P) (1)

Ar=R×K×LS×C×P

(2)

式中，A为土壤保持量/t·hm-2·a-1,Ac为潜在土壤侵蚀量/t·hm-2·a-1，Ar为实际土壤侵蚀量/t·hm-2·a-1，R为降雨侵蚀力因子/MJ·mm·hm-2h-1·a-1，K为土壤可蚀性因子(t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1)，LS为坡度坡长因子地形因子(LS),反映地形地貌条件对土壤侵蚀的影响，该文基于DEM，利用ArcGIS提取计算得到；C为植被覆盖因子；P为土壤保持措施因子。各因子计算公式如下。

该文采用 Sharply等[10]的侵蚀生产力评价模型，其土壤可蚀性因子K的计算公式为：

(3)

(4)

式中，Sa、Si、Ci、C分别为土壤砂粒、粉砂、粘粒、土壤有机碳含量/%，0.131 7为美制向公制的转化系数。

降雨侵蚀力因子R反映的是由降雨引起土壤潜在侵蚀能力的大小，是导致土壤侵蚀的首要因子。该研究利用月降雨量模型计算R因子值[9]，公式如下：

(5)

式中，Pi为第i个月降水量/mm，P为年降雨量/mm。对公式所得R进行多年取平均后即可得出多年平均降雨侵蚀力。

植被覆盖因子C是指在其他条件相同的情况下，有植被覆盖或田间管理的土壤流失量与同等条件下裸地土壤流失量的比值，该文采用蔡崇法等[11]的C 值计算公式：

(6)

式中，f为植被覆盖度，通过MODIS NDVI数据计算得到。

土壤保持措施因子P是指采取特定土壤保持措施下的坡地土壤流失量与相应未实施任何土壤保持措施的土壤流失量的比值，它反映的是水土保持措施对于土壤侵蚀的抑制作用。该文参考相关学者的研究结果结合当地的实际情况对P因子进行赋值[9](表1)。

表1 延边朝鲜族自治州土地覆被类型土壤保持措施因子

2.2 地形起伏度

地形起伏度指窗口范围内高程最高值与最低值之差，是描绘窗口范围内地貌特征的重要指标[12]。该文利用ArcGIS栅格邻域计算工具，设置窗口范围为5 km×5 km，计算公式为：

地面起伏度/m=Gmax-Gmin

(7)

式中，Gmax为窗口内最大高程/m，Gmin为窗口内最小高程/m。

2.3 地形位指数

地形位指数是空间内某一点高程和坡度的综合指标，反应地形条件对景观分布的综合影响，计算公式为[12]：

(8)

式中，T为地形位指数；E为某点高程/m；E0为窗口内平均高程/m；S为某点坡度值/°；S0为窗口内平均坡度值/°。

2.4 地形因子分级标准

为分析不同地形梯度上延边朝鲜族自治州的土壤保持服务分布，综合考虑制图结果较能反应地貌分异规律，采用标准差分级法[13]将高程、坡度、地形起伏度和地形位指数分为6级，按数值大小依次分为1～6级(表2)。

表2 高程、坡度、地形起伏度和地形位指数分级标准

3 结果与分析

3.1 延边朝鲜族自治州土壤保持服务空间格局

2015年，延边朝鲜族自治州单位面积土壤保持量为6 254 t/km2，土壤保持总量为2.69×108t。土壤保持量整体呈东高西低的趋势，土壤保持量高值区域分布在和龙市，单位面积土壤保持量为13 334 t/km2，最低分布于延吉市，为3 859 t/km2(图2，表3)。林地在延边朝鲜族自治州分布广泛，占区域总面积的82.1%，且林地生态系统由于其庞大的根系和茂密的地上部分，对土壤侵蚀有较强的抑制作用，提供较高的土壤保持量(6 775 t/km2)，耕地主要分布在敦化市和龙井市，单位面积土壤保持量为5 187 t/km2；其他用地包括苔藓、地衣、裸岩和裸土，土壤保持量最差为3 611 t/km2(表4)。

表4 不同土地覆被类型土壤保持量

表3 各县市土壤保持量

3.2 延边朝鲜族自治州地形特征

延边朝鲜族自治州地形特征差异较大，河流水系位于高程低值处，整个地貌呈山地、丘陵和盆地、河谷平原4个梯度(图3)。其中,海拔呈西高东低趋势，自东北、西北、西南向东南倾斜，海拔高达2 636 m，平均

海拔643 m。区域西部坡度较缓，包括敦化市和安图县，东北部坡度较陡，最大坡度为87.03°；地面起伏度低值区位于汪清县和龙井市，地势较为平缓，地形起伏度高值位于珲春市；地形位指数最大值为3.43，位于区域东南和西北部，说明该区域地形条件的空间差异较大。

采用标准差分级法对高程、坡度、地形起伏度和地形位指数进行分级，发现四者空间分布差异较大，和龙市平均高程大于300 m，坡度、地形起伏度和地形位指数均较高，空间内地貌类型差异较大。高程高值区位于安图县南部，但坡度、地形起伏度均较小，说明该地区虽然高程较高，但地势相对平缓，有利于减缓坡面径流流速，减弱坡面的冲刷，减少土壤侵蚀；而敦化市西北部，高程、坡度、地形起伏度、地形位指数均较高，高程高、坡度陡和坡面较长共同导致坡面径流量较大，侵蚀能力较强。龙井市、延吉市和图们市地貌类型位盆地和河谷平原，高程和坡度均较低，潜在土壤侵蚀量较小。

3.3 土壤保持服务地形梯度分布特征

通过对土壤保持服务和不同地形梯度叠加分析，得到延边朝鲜族自治州每个梯度上土壤保持服务的分布趋势图。延边朝鲜族自治州土壤保持服务随高程、坡度和地形位指数增加均呈先减少后增加的趋势；土壤保持服务随地形起伏度变化与其他3种地形因子不同，地形起伏度越大，土壤保持量越大，但增长速率呈先增加后减少的趋势(图4)。

在高程上，土壤保持服务最低值分布在506～780 m，土壤保持量为2 725 t/km2；最高值出现在1 326～2 636 m，土壤保持服务量为7 325 t/km2。由于人类活动强度在不同坡度上的差异，土壤保持服务也随之变化。坡度较小的区域主要分布在安图县、敦化市，土地覆被类型主要为耕地，是区域内的粮食中心，受植被覆盖指数和土壤保持措施因子共同影响，耕地生态系统土壤保持服务较差；坡度较大区域主要分布在和龙市，一方面坡度增加，潜在土壤侵蚀量增加，另一方面该地区土地利用程度较低，自然条件适宜，林地生态系统受到干扰较小，提供较高的土壤保持服务。地形起伏度和坡度的空间格局较为相似，地面起伏度指窗口范围内海拔最高值与最低值的差，相较于其他地形因子，土壤保持服务随地形起伏度的增加而不断增加。

地形位指数高值区主要分布在区域东南、西北部，空间分布较为集中，沟深坡陡，潜在土壤侵蚀量巨大；低值区主要分布在龙井市、延吉市，主要土地覆被类型以人工表面和耕地为主，人为活动干扰大，不利于土壤保持措施；中值区域分布较为广泛，以林地生态系统为主，生态系统较为稳定，土壤保持服务在地形位指数1.10～1.51范围内变化较小。

4 讨论

目前对延边朝鲜族自治州土壤保持服务的研究较少，张斯屿[14]研究东北天保工程土壤保持服务空间格局与该文结论基本相同，祁宁等[15]计算东北森林生态平衡区土壤保持量为(2 030±2 973) t/km2，分析其误差，祁宁等基于服务簇对土壤保持服务进行核算，而延边朝鲜族自治州位于该区域南部，受水、热条件限制，植被类型多为针阔叶混交林，提供较高的土壤保持量。

地形条件通过影响人类活动强度和水、热条件深刻影响着土壤保持服务空间分布。利用高程、坡度、地形起伏度和地形位指数对土壤保持服务垂直特征进行分析。为方便不同地形指数的比较，该文对地形指数进行分级，以往研究区域多位于西北山地采用分位数法对等级进行划分[12，16]，但该方法仅适用于线性分布的数据，因此，该文结合延边朝鲜族自治州的区域特点选取标准差分级法，以期更好反应地貌分异的规律与类型。

探讨土壤保持服务在地形梯度上的分布特征，延边朝鲜族自治州土壤保持量随高程、坡度的增加呈先减少后增加的趋势。一方面，人类在高程、坡度中低值区活动较为频繁，土壤保持措施较差，滑坡、泥石流等地质灾害严重，另一方面随着高程、坡度增加，人类干扰逐渐降低，林地、草地生存条件适宜，从而使土壤保持服务随高程和坡度增加呈先减少后增加的趋势，这与徐彩仙等[12]的研究结果相同。但与甘肃省白龙江流域土壤保持量在地形起伏度变化中的研究结果不同。甘肃省白龙江流域土壤保持量随地形起伏度增加而一直递增后再减少，而延边朝鲜族自治州土壤保持量随地形起伏度增加而一直递增，这可能与指标窗口面积选择和区域植被特点有关，白龙江流域随着海拔的不断提高，植被类型由林地逐渐变为高原草甸和裸岩，土壤保持能力较差，而延边朝鲜族自治州以林地作为景观基底，提供较高土壤保持服务。

定量分析土壤保持量随地形梯度分布的最终目的是为土壤保持服务在水平和垂直空间上的管理和优化提供科学理论依据。因此，该文提出以下建议：1) 在地形梯度低值区(1～2级)包括敦化市和龙井市，农耕活动频繁，需要加强土壤保持设施工程在耕地和人工表面的开展；2) 在地形梯度中值区(3～4)土壤保持服务呈逐渐减少趋势，坡度坡长因子是影响土壤保持服务的关键因素，应以工程设施为主，生物措施为辅，在一定程度上减轻和控制泥石流、滑坡等地质灾害发生；3) 在地形梯度高值区(5～6)受林地生态系统影响，土壤保持服务增加，但高程、坡度、地形起伏度和地形位指数均较大，地形条件复杂，潜在土壤侵蚀量巨大，重视林草恢复、提升生态系统稳定性仍是防止土壤侵蚀的关键措施。

5 结论

该文为实现土壤保持服务的合理利用和规划，基于RUSLE模型对延边朝鲜族自治州土壤保持服务进行计算，其次从高程、坡度、地形起伏度和地形位指数出发，揭示区域内土壤保持服务的地形梯度特征关系。结论如下：

1) 2015年延边朝鲜族自治州土壤保持量为2.69×108t，单位面积土壤保持量为6 254 t/km2，土壤保持服务整体呈东高西低的趋势，区域内土壤保持服务主要由林地提供。

2) 延边朝鲜族自治州4种地形特征空间分布差异大，安图县南部高程较高，但坡度、地形起伏度和地形位指数较小，地势较为平缓；珲春市高程较低，地势陡峭，但总的来说，区域内高程中高值区域地貌单元较为复杂。

3) 土壤保持服务在地形梯度上呈明显的地理分级特征，延边朝鲜族自治州土壤保持服务随着高程、坡度、地形位指数的增加呈先减少后增加的趋势；随地形起伏度的增加土壤保持服务呈递增的趋势。