基于GIS的大连市土壤侵蚀强度估测

刘思艺 黄凤荣

（辽宁师范大学 辽宁省自然地理与空间信息科学重点实验室，辽宁 大连 116029）

土壤侵蚀，是地球表面一种自然现象，是导致土地退化面积增大的重要生态环境问题[1]，水利部遥感中心1990年调查统计，我国土地存在土壤侵蚀现象的达492万km2，加之我国发展迅速，大部分土地被开发利用，使得我国土地资源和生态环境遭到破坏，土壤侵蚀量居高不下[2]。土壤侵蚀的监测是水土保持规划、布置等措施的重要依据，越来越受到重视。

1 国内外研究现状

我国水利部先后开展4次全国范围土壤侵蚀评估，坚持观测、调查、监测、评估和改善工作，积累土壤侵蚀相关成果。如冯若昂[3]等运用USLE模型监测东平县土壤侵蚀时空变化；王丹阳[4]等建立三维指标划分水土保持区；齐述华[5]等通过ULSE模型对1995到2005年江西省的土壤侵蚀作出定量分析等。国外研究始于十九世纪末，对土壤表面侵蚀现象进行观察和定性分析；研究全球、指定区域、国家尺度的土壤侵蚀；构建土壤侵蚀模型等。不断修订通用水土流失方程ULSE模型：1975年径流银子代替降雨因子的MUSLE；1997年因子的细节处理RUSLE[6,7]。但不同区域不同地块的土壤侵蚀情况差异多变化大情况复杂，需要进行具体估测[8]。

2 研究内容及方法

本文以大连市为研究范例进行土壤侵蚀强度估测并制做强度图，对大连市的土壤侵蚀情况做以明确。以ArcGIS平台为基础，进行数据准备与处理、专题地图制作与分析等，将多个土壤侵蚀影响因子综合反映在强度图上，为水土保持工作提供较清晰的工作基础[9,10]。

采用美国农业部水土保持局（SCS）在1965年提出的通用土壤流失方程USLE(universal soil loss equation)。公式表达为：A=R*K*L*S*C*P

式中：A-单位面积年平均土壤流失量t/ha；R-降雨侵蚀力因子MJ*mm/(ha*h)；K-土壤可蚀性因子；L和S因子常共同影响土壤流失，统称LS为地形因子；C-植被覆盖和经营管理因子；P-水土保持措施因子。

3 土壤侵蚀强度计算

3.1 数据来源

本文使用了大连市行政区域矢量数据；2017年Landsat8卫星数据大连市DEM高程数据，空间分辨率为90m；中国气象局气象数据中心大连市30个气象站点的年降水量和月降水量的降雨量数据；大连市土壤土质类型；大连市土地利用类型解译数据等。土壤侵蚀强度图坐标系为西安80投影坐标系。

3.2 土壤侵蚀量因子计算

3.2 .1 降雨侵蚀力R）

大连市暖温带半湿润季风气候,降水影响较大。利用大连市的月降水量和年降水量数据进行插值运算，得到千米网格的评价单元R值。降雨侵蚀力（R）采用Fournier指数估算法[11]进行估算，如图1所示。从整体上看，降雨侵蚀力从东北向西南方向呈逐渐递减趋势。其表达式为：

图1 降雨侵蚀因子R值分布情况

MFI=∑Pi2/P R=(a*MFI)+b

式中：MFI——修正的Fournier指数；Pi——月降水量（mm）；P——年降水量(mm)；a，b值是常量，由气候条件信息决定，参照已有文献资料[8]，根据气候条件对比分析，a值取4.71，b值取-152。

3.2 .2 土壤可蚀性因子K）

土壤的抗侵蚀能力与土壤类型、质地和有机质含量等有关。大连市土壤类型：棕壤占81.5%；草甸土、水稻土、风沙土合计占18.5 %。滩涂资源占土地总面积的5.2 %。通过已有文献资料确定[8]大连市土地利用各土壤类型的K值 表1），以千米网格进行插值计算，得到土壤可蚀性因子K值分布图（图2）。总体来看，大连市大部分地区有一定的抗蚀能力，东北地区抗蚀能力相对较弱，需加大保护措施。

图2 土壤可侵蚀因子K值分布情况

表1 不同土壤类型的K值

3.2.3 地形因子(LS)

地形因子是表征地球表面形态的指标，根据描述尺度范围可分为微观地形因子和宏观地形因子。微观地形因子描述微分点单元的信息，主要包括坡度、坡向、坡长等。宏观地形因子描述一般是一个区域或分析窗口，分析其曲面和水平面或对应最佳拟合坡面间的复合特征。主要包括地形起伏度、地面粗糙度等。本文的研究区范围较大，地貌类型较为复杂，微观地形因子会失去土壤侵蚀和地貌学方面的意义，因此采用宏观地形因子，地形起伏度直接影响地面的径流变化，是土壤侵蚀较主要根源之一，也最能直接同地面的实际地形特征建立对应量的转换关系[12]，如图3所示。

图3 地形因子LS值分布情况

3.2 .4 作物覆盖与管理因子(C)与水土保持工程措施因子P）

作物覆盖与管理因子指相同条件，植被和经营管理地块与标准小区的土壤流失比，主要由地表植被决定。其防侵蚀作用因不同的植被类型而异。大连植被资源较为丰富,主要由林地、草地和农业植被构成；水土保持工程措施因子指相同条件，水土保持措施的土壤与标准小区的土壤流失比，主要因土地利用类型不同而异。结合大连市土地利用数据，确定不同植被类型的C值及不同土地应用类型的P值（表2）[13]，以千米网格进行插值计算，得到C值及P值的分布图，如图4、5所示。从整体上来看，植被覆盖度良好，当水土流失发生有一定的缓冲作用。

图4 植被覆盖和经营管理因子C值分布情况

表2 C值和P值

图5 水土保持措施因子P值分布情况

3.3 侵蚀强度分级

根据水利部《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)的土壤侵蚀强度分级标准,大连市土壤侵蚀强度：微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀4个等级。如图6所示。

图6 土壤侵蚀强度分布图

4 结论

经土壤侵蚀强度图表明：大连市土壤侵蚀强度轻度侵蚀为主，约占63.19 %；微度侵蚀约占19.95 %；其次是中度侵蚀约占16.74 %；以及少量的强度侵蚀约占0.12 %。由图可见，本文研究结果反映出微度侵蚀范围较大，分布在旅顺口区的南部以及庄河和普兰店的局部较分散的区域；轻度侵蚀区域范围最大，普遍各区都有分布，主要在金州、瓦房店、普兰店、中山区、西岗区、沙河口区、甘井子区等大连市区范围；中度侵蚀区域大部分分布在长海县区域以及部分在庄河南部区域；强度侵蚀区域较为明显的分布在庄河的山地区域。根据结果分析得出，大连市大部分地区不易发生水土流失。本着改善强度侵蚀地区，减弱中度侵蚀，对于微度和轻度尽量保持以减少土壤流失对生态环境影响的态度。应着力保护好现有植被，加强丘陵地区和低山地区水源涵养林的种植，合理规划农田和城镇环境建设，保护好耕地资源。土壤侵蚀研究是一个不断进步的课题，因客观条件的限制，本次对于大连市的土壤侵蚀强度研究还有很多地方需要改进。USLE模型每一种因子的计算模型不尽相同，不同模型得到的结果存在差异，因此对于区域土壤侵蚀强度的研究还需付出大量的时间和精力。