黑龙江省松嫩平原黑土耕地水土流失遥感监测与防治策略

Remote Sensing Monitoring and Control Strategy of Soil and Water Loss in Black Soil Cultivated Land in Songnen Plain of Heilongjiang Province

摘要: 依托全国2018年水土流失动态监测项目实践，采取遥感与GIS空间分析技术，通过对水土流失驱动因子地形、植被、土壤、气象等因子的矢量叠加，利用水土流失模型分析和人工判读修正方式开展松嫩平原黑土耕地水土流失强度、类型界定，查清黑土耕地水土流失类型、面积及分布特点，提出相应防治策略，为黑土地保护与生态农业建设提供科学依据。

Abstract: Based on the practice of the national soil and water loss dynamic monitoring project in 2018, re-mote sensing and GIS spatial analysis technology are adopted to develop the Songnen Plain through vector superposition of driving factors of soil and water loss, such as topography, vegetation, soil, meteorology, etc., using the analysis of soil and water loss model and manual interpretation and modification. In order to provide scientific basis for the protection of black land and the construction of ecological agriculture, we should define the intensity and type of soil and water loss, find out the types, areas and distribution points of soil and water loss, and put forward the corresponding prevention and control strategies.

1. 研究区域概况

黑龙江省是我国重要的商品粮基地，地处世界仅存的四大黑土带之一，耕地面积居全国之首。研究区域位于黑龙江省松嫩平原黑土核心区，总面积15.8万km²，其中耕地8.81万km²，包括哈尔滨、大庆、绥化、黑河(局部)4个地级行政区、33个市县。本区地带性土壤以黑土、黑钙土、草甸土为主，宜耕性强，自然禀赋优越，但长期以来不合理的开发利用，过度索取，导致黑土理化性状和生态功能严重退化，黑土区正在由“生态功能区”转变为“生态脆弱区” [1]，水土流失已成为全省农业可持续发展的突出制约因素。保护黑土耕地，开展水土流失综合治理刻不容缓。

2. 项目背景

本项研究基于水利部下达的水土流失动态监测任务，采取遥感与信息化手段，借助大地域、多尺度、高时空分辨率遥感数据及其判别技术，全面系统的调查了黑龙江省松嫩平原黑土耕地水土流失现状，为各级政府水土保持生态建设提供技术支撑，该成果已纳入国家水土保持基础数据平台。

3. 基础遥感数据源

1) 高分卫星遥感影像

遥感影像数据包括两部分：用于解译土地利用和水土保持措施的高空间分辨率影像数据，空间分辨率为2.5 m，时相为2018年5月下旬~6月中旬；用于计算植被指数NDVI的TM影像，空间分辨率为30 m，时相为2015~2017年每年春夏秋共3期；影像地理坐标系为CGCS2000，投影为ALBERS。

2) 土地利用空间数据

采用国土资源部第二次、第三次土地利用调查数据和年度变更矢量数据，经人机交互解译修正。

3) 气象数据

气象数据包括降雨量、风速、温度和蒸发，用于计算水蚀模型中的降雨侵蚀力因子，风蚀模型中的风力因子和表土湿度因子。以松辽平原覆盖县市区为单元，每县搜集一套30气象序列数据。

4) 土壤数据

中科院东北黑土数据平台发布的1:50万土壤类型分布图，采用黑龙江省水土保持科学所K因子研究成果栅格化成图。

5) 地面数字高程(DEM)

采用1:5万比例尺、30 m分辨率DEM。经ARCGIS栅格计算衍生为坡度分级、坡长数字图层。

6) 水土保持重点工程管理数据

来源于黑龙江省水土保持信息管理平台，包括：水土保持重点工程空间数据、设计、验收报告及相关图表。

4. 土壤侵蚀模型

水力侵蚀模型采用中国土壤流失方程CSLE (Chinese Soil Loss Equation) [2]，基本形式为：

$M=R\cdot K\cdot L\cdot S\cdot B\cdot E\cdot T$

风力模型采用中科院沙漠所提出的耕地风力侵蚀计算方程 [3]，基本形式为：

$Q_{fa}=0.018\cdot \left(1-W\right)\cdot {\displaystyle \underset{j=1}{\sum }{T}_j\cdot \exp \left\{a_1+\frac{b_1}{z_0}+c_1\cdot \left[{\left(A\cdot U_j\right)}^{0.5}\right]\right\}}$。

5. 技术实现过程

归集研究区域遥感影像、气象、土壤、地形、土地利用、水土保持重点治理工程等专题资料，采取遥感解译并结合实地调查方法获取坡耕地对象单元、水土保持预防和治理措施分布；通过遥感NDVI植被指数转换和综合分析方法获取农田植被盖度及其分布；基于收集的地学专题资料、土地利用和水土保持措施遥感解译结果、植被覆盖度计算结果，采用土壤侵蚀模型解算土壤侵蚀影响因子，定义土壤侵蚀模数 [4]；依据《土壤侵蚀分级分类标准》(SL192-2007)判断土壤侵蚀强度，获得耕地土壤侵蚀强度与分布，创建生成黑龙江省松嫩平原黑土耕地土壤侵蚀地理信息数据库；技术路线如图1所示。

Figure 1. Roadmap for remote sensing interpretation of soil and water loss

图1. 水土流失遥感解译技术路线图

6. 结果分析

1) 耕地水土流失总体分布

根据水土流失遥感解译成果，黑龙江省松嫩平原黑土耕地水力风力侵蚀总面积36,676.55 km²，占耕地总面积的41.7%。其中：

水力侵蚀面积32,651.29 km²，占侵蚀总面积的89.0%；按侵蚀强度分，轻度30,709.62 km²，中度1295.71 km²，强烈366.50 km²，极强烈189.70 km²，剧烈89.76 km²。分别占水蚀面积的94.05%、3.97%、1.12%、0.58%、0.27%。

风力侵蚀面积4025.26 km²，占侵蚀总面积的11.0%；按侵蚀强度分，轻度2024.48 km²，中度1816.36 km²，强烈183.89 km²，极强烈0.53 km²。分别占风蚀面积的50.3%、45.1%、4.6%、0.01%。

耕地无侵蚀面积为51,374.01 km²。耕地土壤侵蚀各类型、强度及所占比例见表1。

水力侵蚀主要分布在松嫩平原北部丘陵漫岗农林交错区、东部漫川漫岗农业区，风力侵蚀主要分布在松嫩平原西部干旱、半干旱风沙区。

Table 1. Statistical table of soil erosion area of black soil arable land in Songnen Plain of Heilongjiang Province (Unit: km2)

表1. 黑龙江省松嫩平原黑土耕地土壤侵蚀面积统计表(单位：km²)

注：各强度级别土壤侵蚀模数阈值(t/km²·a)：轻度200~1200；中度1200~2400；强烈2400~3600；极强烈3600~4800；剧烈>4800。

2) 县(市)级行政区耕地水土流失分布

以县(市)行政区为统计单元，按土壤侵蚀程度划分，耕地土壤侵蚀程度高(>50%)的区域有宾县、巴彦县等11个市县，耕地侵蚀程度中等(20%~50%)的区域有哈尔滨市、木兰县、齐齐哈尔市等19个市县，耕地侵蚀程度低的(<20%)区域有肇州县、安达市、肇东市3个市县。县市单元耕地土壤侵蚀面积见图2。

Figure 2. Statistics of soil erosion in black soil arable land in counties and cities (Unit: km²)

图2. 县市单元黑土耕地土壤侵蚀统计图(单位：km²)

3) 不同类型区坡耕地水土流失分布

松嫩平原涉及4个国家水土保持区划三级类型区，分别为：I-2-3st长白山山地丘陵水质维护保土区、I-3-1t东北漫川漫温岗土壤保持区、I-4-1fn松辽平原防沙农田防护区、I-5-1t大兴安岭东南低丘陵土壤保持区。

按耕地土壤侵蚀面积划分，I-3-1t东北漫川漫岗土壤保持区耕地侵蚀面积最高，为31,218.56 km²，耕地土壤侵蚀率为41.9%，侵蚀类型以水蚀为主，兼有风蚀，水蚀多发生于北部丘谷起伏、岗洼交错的坡耕地上，风蚀多分布于南部风水蚀复合区的平原耕地；其次为I-4-1fn松辽平原防沙农田防护区，耕地侵蚀面积为2285.74 km²，耕地土壤侵蚀率为42.8%，侵蚀类型为风水蚀并重，风水蚀因季节及其主导的自然营力变化而交替出现；I-5-1t大兴安岭东南低山丘陵土壤保持区，耕地侵蚀面积为2043.96 km²，耕地土壤侵蚀率为31.4%，水蚀为主，多分布于大兴安岭南麓丘陵坡地耕垦地块，风蚀轻微，仅在南部毗邻风沙区耕地有局部风蚀斑块；I-2-3st长白山山地丘陵水质维护保土区，耕地侵蚀面积为1128.29 km²，耕地土壤侵蚀率为68.0%，侵蚀类型为水蚀，多分布于长白山西麓丘陵坡地耕垦地块。各水土保持类型区黑土耕地土壤侵蚀面积见表2。

Table 2. Statistical table of soil erosion area of black soil arable land in each soil and water conservation type area (Unit: km2)

表2. 各水土保持类型区黑土耕地土壤侵蚀面积统计表(单位：km²)

7. 分区水土流失防治策略

根据以上水土流失分布特点，按照“因害设防，因区施治”的原则，提出分区耕地水土流失防治策略。

1) I-2-3st长白山山地丘陵水质维护保土区。本区林缘与农田接壤地带陡坡开垦较严重。农田防护宜加强保护和建设森林植被，充分发挥植被对农田的生态庇护功能，缓坡耕地采取梯田、地埂、等高垄作等治理措施，大于15度坡耕地逐步退耕还林还果，控制水土流失。

2) I-3-1t东北漫川漫温岗土壤保持区。本区是典型黑土核心区，区内耕地集中连片，开发历史长，垦殖率高，坡面水土流失严重，侵蚀沟普遍发育。本区应重点加强坡耕地整治，开展以小流域水土流失综合治理工程、坡耕地治理专项工程、侵蚀沟治理专项工程等，坚持山水田林田湖草综合治理，构建网带片、乔灌草相结合的林草防护体系，因地制宜的发展复合型生态农业。

3) I-4-1fn松辽平原防沙农田防护区。本区受区域气候及水陆交互影响，土地沙化、盐碱化较突出。农田防护应开展休耕轮作、免耕覆盖措施，加强农田防护林网格建设，完善农田防风固沙体系，严格草原管理，禁止毁草开荒，遏制土地沙化态势。

4) I-5-1t大兴安岭东南低丘陵土壤保持区。本区农田水土流失治理应以小流域为单元，在保护现有植被，完善坡面蓄排体系的基础上，开展坡耕地治理专项工程、侵蚀沟治理专项工程等。

8. 结语

黑龙江省是农业大省，耕地保护是实施农业可持续发展战略的基础保障 [5]，在当前水土流失加剧和黑土耕层变薄的严峻形势下，应进一步加快水土流失治理，保护珍贵黑土资源，遏制水土流失发展态势，恢复和提高农业生态质量，让饱经沧桑的“北大荒”重新焕发光彩。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。