基于GIS和RUSLE的粵東黃岡河流域土壤侵蝕評估

張旭群，陳耀強，陳浩昆，李就好

(華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，廣東廣州510642)

土壤侵蝕是當今世界主要的環(huán)境問題之一，它破壞土地資源，導致土壤肥力下降，惡化著生態(tài)和人類生存環(huán)境，嚴重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高，同時泥沙淤積對水利、交通等工程造成破壞，嚴重影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展。在建設(shè)生態(tài)文明的今天，對土壤侵蝕進行調(diào)查、研究、監(jiān)測和評估具有重要的現(xiàn)實意義。

從20世紀80年代開始，我國在水土保持研究與監(jiān)測方面采用以RS和GIS為數(shù)據(jù)信息源的修正的通用土壤流失方程(RUSLE)，綜合分析流域內(nèi)的降雨侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、地形(坡長坡度)因子LS、作物覆蓋與管理因子C和水土保持措施因子P，計算土壤侵蝕量并對土壤侵蝕進行動態(tài)監(jiān)測與評估。本研究利用基于GIS和RUSLE相結(jié)合的方法，對粵東黃岡河流域的土壤侵蝕強度和侵蝕特征進行評估與分析，旨在為該流域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中土壤侵蝕防治、水土資源的高效利用提供可資參考的依據(jù)。

1 黃岡河流域概況

黃岡河流域地處粵東地區(qū)，流域大部分屬饒平縣所轄。河流發(fā)源于饒平縣北部的上饒鎮(zhèn)大崠坪，海拔784 m，自北向南流貫全縣，于碧洲村石黽頭進入拓林灣后注入南海。流域內(nèi)山地、丘陵、平原面積比例為6∶3∶1，河長87.2 km，流域面積1621 km2，河道平均比降2.07‰。流域內(nèi)土壤由北到南呈現(xiàn)黃(高山)→紅壤(丘陵)→沙土(谷底及河沖平原)→沉積土(沿海平原)→鹽土(濱海)的分帶變化。地處亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，夏無酷暑、冬無嚴寒，霜凍罕見，年均氣溫21.4℃，年最低氣溫18.4℃，年均降雨量1753 mm，最大年降雨量2590 mm(1997年)，最小年降雨量1284 mm(1977年)，降雨年內(nèi)分配不均，4—9月降雨量占年降雨量的80%以上，年均徑流量14.38億 m3，年均徑流深 861 mm。［1］

由于在流域內(nèi)建設(shè)新開發(fā)區(qū)，新建擴建公路中不科學的活動，造成部分地區(qū)水土流失災害嚴重，表現(xiàn)為土地被淹沒、河床遭淤積、山塘淤滿、洪水泛濫等。

2 土壤侵蝕力因子分析

2.1 修正的通用土壤流失方程RUSLE

RUSLE的表達式為

式中:A為平均土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a);R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm);L為坡長因子，無量綱;S為坡度因子，無量綱;C為植被覆蓋與管理因子，無量綱;P為水土保持措施因子，無量綱。

模型所采用的數(shù)據(jù)信息源有:①2006年廣東省TM衛(wèi)星影像圖，其柵格大小為30 m×30 m(源于http://datamirror.csdb.cn/admin/dataList.jsp);②饒平縣1∶10萬地形地貌圖，來源于饒平縣水利局;③廣東土壤分布圖，源于《廣東土壤》(科學出版社，1993年4月);④數(shù)字高程模型DEM，分辨率為90 m×90 m(源于 http://srtm.csi.cgiar.org.);⑤中國年降雨量圖(源于 http://bbs.esrichina－bj.cn/esri/)。

2.2 土壤可蝕性因子K值的計算

土壤可蝕性因子K是一項評估土壤遭受侵蝕敏感程度的指標，是土壤抵抗侵蝕能力的綜合體現(xiàn)，其數(shù)值越大表明土壤越容易被分離、沖蝕、搬運。K值的計算有 Wischmeier諾模圖法［4］、柯克比查表法［5］等方法，本研究流域土壤類型分布采用《廣東土壤》［6］中的研究成果，K因子的取值采用朱立安等［7］的研究成果，從廣東省土壤可蝕性K值圖表中獲得。黃岡河流域土壤可蝕性因子K值見表1。

表1 黃岡河流域主要土壤可蝕性因子K值

2.3 降雨侵蝕力因子R值的計算

雨滴擊濺和地表徑流能夠分離和搬運土粒，是主要的土壤水蝕動力［8］。降雨侵蝕力因子R反映的是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，在Wischmeier(1959年)提出的經(jīng)典算法中，R被定義為降雨動能和最大30 min降雨強度的乘積［5］。本研究中的年降雨侵蝕力計算公式參考劉寶元等建立的以年降雨量計算年降雨侵蝕力的估算公式［8］，公式為

式中:R為年降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a);P為年降雨量，mm。

2.4 坡度因子S值的計算

坡度因子S是侵蝕加速的因子，它表示當其他5個因子相同時，一定坡度地面上的土壤侵蝕量與標準徑流小區(qū)典型坡面(坡度9°)土壤侵蝕量的比值。本研究參考黃金良等［9］在九龍江流域土壤侵蝕量預測研究中采用的計算公式計算S值，公式為

式中:S為坡度因子;α為地面坡度，(°)。

2.5 坡長因子L值的計算

坡長因子L與坡度因子S一起來反映地形對土壤侵蝕的影響。坡長L表示的是，當其他5個因子相同時，一定坡長坡面上的土壤侵蝕量與標準徑流小區(qū)典型坡面(坡長22.13 m)土壤侵蝕量的比值。L的計算式為［5］

式中:L為坡長因子;x為坡長，m;m為坡長指數(shù)，與地面坡度α有關(guān)。

研究中采用ArcGIS軟件對DEM數(shù)據(jù)進行重采樣處理，提取坡度、坡長等數(shù)據(jù)。

2.6 植被覆蓋與管理因子C值的獲取

植被覆蓋與管理因子C是指在相同條件下特定植被覆蓋或田間管理土地上的土壤侵蝕量與其他條件相同情況下清耕休閑地上的土壤侵蝕總量之比值，其值介于0～1之間，反映了耕作與相應經(jīng)營管理措施對土壤侵蝕的影響。植被覆蓋度越高土壤侵蝕量就越小。C因子值的大小取決于作物種類、覆蓋度和經(jīng)營管理措施等的綜合作用。研究中利用土地利用狀況圖與GIS軟件，對該流域內(nèi)的作物及用地類型進行辨別，通過到實地驗證，并參考美國農(nóng)業(yè)手冊537號［4］對各種土地利用類型賦予不同的C值(表2)，生成C值因子圖層。

表2 黃岡河流域不同土地利用類型的C值

2.7 水土保持措施因子P值的獲取

P因子也稱為侵蝕防治措施因子，是指采用專門侵蝕控制措施后的土壤侵蝕量與采用順坡種植時土壤侵蝕量的比值，其值介于0～1之間［5］。通常，包含于這一因子中的侵蝕控制措施有等高耕作、修建梯田、等高帶狀種植等，通過改變小地形、攔蓄地表徑流、增加降雨入滲等手段減少土壤侵蝕［10］。本研究P因子取值主要參照美國農(nóng)業(yè)部手冊537號［4］和覃杰香等［11］的相關(guān)研究文獻給予賦值(表3)。

表3 黃岡河流域不同土地利用類型的P值

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土壤侵蝕強度

利用 ArcGIS軟件，將 R、K、L、S、C、P 各因子圖層進行疊加相乘處理，得到流域土壤侵蝕模數(shù)，再根據(jù)國家標準［12］劃分等級，形成黃岡河流域土壤侵蝕強度分布圖。通過計算得到黃岡河流域年均土壤侵蝕模數(shù)為1745.5 t/(km2·a)，屬輕度侵蝕。各侵蝕等級的面積及其所占研究區(qū)的比例見表4。從表4看出，微度侵蝕及輕度侵蝕面積占流域總面積的比例分別為46.84%與36.13%，這說明黃岡河流域土壤侵蝕較輕，但流域內(nèi)侵蝕強度為強烈及以上的比例仍占10.07%，表明局部地區(qū)水土流失嚴重，須實施有效的治理。

表4 黃岡河流域土壤侵蝕狀況

3.2 地形坡度對土壤侵蝕的影響

利用ArcGIS軟件計算各坡度帶所占面積和總的侵蝕量，得到如表5所示的不同坡度等級的侵蝕結(jié)果。從表5看出，隨著坡度的增大，平均土壤侵蝕模數(shù)在逐漸增大，其中:0—5°、5°—8°兩個坡度帶屬于微度侵蝕;8°—15°坡度帶平均土壤侵蝕模數(shù)與流域平均土壤侵蝕模數(shù)較為接近，屬于輕度侵蝕;15°—25°及25°—35°兩個坡度帶為中度侵蝕;強烈侵蝕主要分布在＞35°的坡度帶。

表5 不同坡度的土壤侵蝕

進一步分析可知:15°以下緩坡地帶面積占流域面積比例達71.1%，但這部分區(qū)域侵蝕量僅占流域總侵蝕量的39.88%，主要發(fā)生微度及輕度侵蝕，這得益于植被在緩坡上容易生長及人工林地覆蓋率的增大;15°—25°、25°—35°兩個坡度帶侵蝕模數(shù)均高于流域平均土壤侵蝕模數(shù)，這部分區(qū)域面積只占流域面積的28.07%，但侵蝕量占流域總侵蝕量之比卻達56.82%，這說明土壤侵蝕主要發(fā)生于這兩個坡度帶，應將其作為水土保持重點治理的區(qū)域。

3.3 土地利用類型對土壤侵蝕的影響

將土地利用類型圖與土壤侵蝕像元圖進行疊加，得到如表6所示的不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)與侵蝕量。從表6看出:林地為黃岡河流域最主要的土地利用類型，占流域面積的64.20%;草地次之，占16.30%;居民點及交通用地所占面積較小，僅占流域總面積的1.85%。從土地利用類型對土壤侵蝕的影響來看:林地的侵蝕量最大，占流域侵蝕量的51.42%，但平均侵蝕模數(shù)僅為1398.11 t/(km2·a)，屬輕度侵蝕，侵蝕量較大的原因是林地所占面積最大;草地侵蝕模數(shù)為3714.36 t/(km2·a)，較流域平均侵蝕模數(shù)大，侵蝕量占流域侵蝕量的34.69%，是侵蝕主要發(fā)生區(qū);水田平均侵蝕模數(shù)為964.92 t/(km2·a)，侵蝕量占流域侵蝕量的6.77%，侵蝕模數(shù)和侵蝕量都較小;居民點及交通用地平均侵蝕模數(shù)為5625.02 t/(km2·a)，旱地平均侵蝕模數(shù)為19407.75 t/(km2·a)，兩者均遠大于流域平均侵蝕模數(shù)，分別屬于強烈和劇烈侵蝕，面積雖僅占流域面積的1.95%，但侵蝕量占流域侵蝕量之比卻高達7.12%，可見居民點及交通用地、旱地、草地是該流域土壤侵蝕的主要發(fā)生區(qū)，應將其列為流域水土保持重點治理對象。

表6 不同土地利用類型的土壤侵蝕

4 結(jié)語

(1)基于GIS和RUSLE的黃岡河流域土壤侵蝕研究結(jié)果表明，該流域多年平均土壤侵蝕模數(shù)為1745.5 t/(km2·a)，屬輕度侵蝕。

(2)利用ArcGIS軟件的空間處理功能，能有效地分析流域土壤侵蝕強度、土壤侵蝕量與各環(huán)境因素之間的關(guān)系。地形地貌是影響土壤侵蝕的顯著因素，隨著地形坡度的增加，土壤侵蝕模數(shù)顯著增大，土壤侵蝕主要發(fā)生于 15°—25°、25°—35°兩個坡度帶，應將其作為水土保持重點治理的區(qū)域。

(3)不同土地利用類型中，居民點及交通用地、旱地、草地的侵蝕模數(shù)分別為5625.02、19407.75和3714.36 t/(km2·a)，是土壤侵蝕較嚴重的區(qū)域。

［1］饒平縣水利局江河流域規(guī)劃組.廣東省饒平縣江河流域綜合規(guī)劃報告書［R］.廣東:汕頭市水利水電勘察設(shè)計院，2000:6－10.

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［3］楊娟，葛劍平，李慶斌.基于GIS和USLE的臥龍地區(qū)小流域土壤侵蝕預報［J］:清華大學學報:自然科學版，2006，46(9):1526－1529.

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［5］柯克比·M J，摩根·R P C.土壤侵蝕［M］.王禮先，吳斌，洪惜英，譯.北京:水利水電出版社，1987:40－55.

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［12］SL 190—2007，土壤侵蝕分類分級標準［S］.