黑土典型区土壤侵蚀危险度空间特征分析

陈晓宁，蒋好忱*，雷宝佳

（1.自然资源部第一地形测量队，陕西 西安 710054；2.自然资源部第一地理信息制图院，陕西 西安 710054）

土地是人类最宝贵的自然资源和生存基础，随着经济发展对资源开发强度的提高，土地利用和自然资源生态保护已成为当前的热点问题，而土壤侵蚀是自然资源领域不可忽视的关键环节。一般来说，土壤侵蚀危险度主要是指有效土层厚度被完全侵蚀所需的时间，即抗侵蚀年限。土壤侵蚀危险度主要用于评估、预测在无明显侵蚀区引起侵蚀和已侵蚀区加剧侵蚀的可能性大小，同时表示以当前侵蚀速率发展，该土壤层能够承受的侵蚀年限。评估和预测土壤侵蚀危险度，对于自然资源保护、土地经营、农业开发以及经济建设均具有预防和预警意义[1]。

目前已有一些国内外学者对土壤侵蚀危险度进行了研究[2-9]，但大部分国内学者均以我国南方地区为主要研究对象，很少涉及北方地区，孙希华[10]等首次对北方地区（济南市丘陵地区）不同坡度等级、不同坡向和不同土地利用类型的土壤侵蚀危险度进行了评价。本文以黑龙江省拜泉县东部的张口屯小流域为典型样区，研究了东北黑土区的土壤侵蚀危险度，并对其空间分布特征进行了分析。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文选取的研究区位于黑龙江省拜泉县东部的张口屯小流域（图1），为东北黑土区腹地，是黑土流失重点区域；地势西高东低，中部为河流谷地地貌类型，以台地和低丘为主；成土母质主要为黄土状粘土；土壤类型为黑土，植被类型丰富。由于降雨集中、耕作粗放以及土地利用不合理，导致水土流失日趋严重。保持黑土肥力、防治水土流失，已成为当前发展经济亟待解决的主要任务。研究区属中温带大陆性季风气候，降雨集中，年平均降水量为489.4 mm，53.3%的降水集中在7－8月；年平均气温为1.3℃，无霜期为155 d，数据来源于拜泉县近40 a的气象观测资料。

图1 研究区地理位置 （审图号：GS(2008)1341）

本文采用的数据主要包括土壤数据、地形数据和土地利用数据，其中土壤数据来源于第二次全国土壤普查数据；地形数据由1∶50 000地形图生成，DEM空间分辨率为10 m；土地利用数据通过目视解译2014年 WorldView影像获取。

1.2 研究方法

首先利用土壤侵蚀预报模型估算土壤侵蚀模数；再根据土壤资料获取土层厚度和土壤密度等数据；然后根据减去了临界土层的有效土层厚度与年平均侵蚀 深度的比值，计算土壤表层所能承受的侵蚀年限。 具体公式为：

式中，N为黑土层的抗蚀年限，单位为a；H为不同土壤类型的黑土层厚度，单位为cm；ρ为各类土壤的容重，单位为g/cm3；A为侵蚀模数，单位为t/(hm2•a)；f为单位换算系数。

土壤侵蚀模数通过通用土壤流失方程[11]（USLE）计算获取，即

式中，R为降雨侵蚀力因子，单位为J/m2；K为土壤可蚀性因子，单位为t/hm2；L、S分别为坡度因子和坡长因子；C为植被与经营管理因子；P为水土保持措施因子。

许多学者对水土保持措施因子进行了研究，但由于研究方法和区域复杂程度的差异，目前还没有一个十分完善的计算模型。本文主要考虑的是梯田和地埂两种措施，通过遥感影像目视解译梯田和地埂的覆盖范围，并通过经验值得到。参考相关资料以及大量前人的研究成果，本文设置梯田的水土保持措施因子为0.029，地埂的水土保持措施因子为0.145。

本文利用ArcGIS软件对土壤普查数据进行分析，获取了土壤类型分布、土壤容重、土层厚度等土壤属性数据；并利用DEM提取了坡度、水系、流域边界等地形水文特征信息，如图2～5所示。

图2 研究区地形

图3 研究区坡度

图4 研究区土地利用类型

图5 研究区土壤类型

2 研究结果与分析

本文利用ArcGIS软件，将土壤厚度、土壤容重、侵蚀模数式（1）进行空间叠加运算，生成土壤抗蚀年限分布结果。为了排除平地对抗蚀年限的干扰，本文去除了研究区内的平地（坡度小于2 ）区域；并进行了分级统计，将黑土层抗蚀年限划分为＜50 a、50～100 a、100～200 a、200～500 a、500～1 000 a 和＞1 000 a等6个等级，如图6所示。各等级的面积如表1所示，可以看出，研究区现有土地中约有 44.01 hm2的耕地黑土层可能将在50 a内剥蚀殆尽，约占研究区总面积的0.47%；而约有4 038.75 hm2的土地黑土层抗蚀年限在1 000 a以上，占研究区的43.59%。

图6 研究区抗蚀年限的空间分布

表1 抗蚀年限分级统计

本文将不同的子流域与抗蚀年限进行空间叠加分析，得到各子流域的平均抗蚀年限，结果如表2所示，可以看出，范家屯小流域的平均抗蚀年限最长，约为 4 188 a，分析发现该小流域多数地区的坡度小于3 ，地势较低，土壤类型主要为潜育草甸土，大大提升了其抗蚀年限；朱宝屯小流域的平均抗蚀年限最短，约为1 716 a，分析发现该小流域的坡度多为3～5 ，土壤类型主要为薄层粘底黑土，尤其是该区域的主要土地利用类型为耕地，这些因素明显降低了其抗蚀年限；罗家屯小流域的平均抗蚀年限略小于范家屯小流域，分析发现该小流域的坡度多为0～3 ，主要为耕地，有少数林地和草地，土壤类型主要为潜育草甸土。

表2 各子流域的抗蚀年限统计

2.1 不同土壤类型的抗蚀年限分析

本文将研究区的土壤类型分为薄层粘底黑土、平地粘底草甸土、破皮黄粘底黑土、厚层粘底黑土、薄层砂底黑土、破皮黄砂底黑土和潜育草甸土。通过叠加分析，得到不同土壤类型情况下的黑土层抗蚀年限，如表3所示，可以看出，厚层粘底黑土的平均抗蚀年限最长，为7 181 a，年限由长到短依次为平地粘底草甸土、潜育草甸土、薄层砂底黑土、薄层粘底黑土、破皮黄粘底黑土、破皮黄砂底黑土。

表3 不同土壤类型的抗蚀年限统计

对土壤类型的抗蚀年限和在研究区的面积分布进行分析发现（图7），研究区内土壤的抗蚀年限与面积分布大小呈明显的反比例关系，抗蚀年限长的土壤类型在区域内的面积占比非常小，抗蚀年限越短的脆弱土地在区域内的分布面积越广，抗蚀年限低于2 000 a的土壤面积达到了区域总面积的90%左右，因此研究区的整体土壤侵蚀危险度相对较高。

图7 研究区土壤抗蚀年限与面积分布的关系

2.2 不同坡度的土地利用类型的抗蚀年限分析

研究区内的土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和裸地。本文利用DEM生成小流域坡度数据，并将坡度分为5个等级，分别讨论坡度为3～5 、5～8 、8～15 的不同土地利用类型的抗蚀年限，叠加分析后的结果如表4、图8所示。

图8 不同土地利用类型抗蚀年限的坡度变化

表4 不同坡度的土地利用类型的抗蚀年限统计

总体来说，林地的抗蚀年限较长，明显高于其他土地利用类型，且受坡度影响较小；耕地和裸地的抗蚀年限较短，裸地受坡度影响较大，随着坡度的增加其抗蚀年限明显减少。

参考水利部土壤侵蚀危险度的分级标准，研究区按照目前的土地利用和耕作管理方式，林地、城乡工矿居民用地、坡度8 以下的草地和裸地的抗蚀年限均在1 000 a以上，土壤侵蚀危险度为无险型；8 以上的草地、耕地以及裸地的抗蚀年限介于100～1 000 a之间，土壤侵蚀危险度为轻险型。

3 结 语

本文以张口屯小流域黑土区为例，通过数字地形分析，利用土壤侵蚀原理与方法对数据进行了分析处理，对研究区土壤侵蚀危险性定量评价指标体系进行了分级，得到以下结论：

1）东北黑土区的坡面侵蚀和沟谷侵蚀均以轻度侵蚀为主，中、强度侵蚀面积比例较小。林地、城乡工矿居民用地、8 以下草地和裸地的抗蚀年限均在 1 000 a以上；大于8 草地、耕地、裸地的抗蚀年限介于100～1 000 a之间。

2）从土壤类型来看，薄层粘底黑土、破皮黄粘底黑土、破皮黄砂底黑土的抗蚀年限较短，面积为 4 540.5 hm2，约占研究区总面积的90%，因此研究区存在一定的潜在土壤侵蚀危险。