基于RS和USLE的紅壤丘陵區(qū)小流域水土流失量估算

胡文敏，周衛(wèi)軍，余宇航，包春紅，謝紅霞

(湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，長沙 410128)

0 引言

水土流失及其導致的土地退化是生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因之一。紅壤丘陵區(qū)小流域是我國土壤侵蝕和水土流失較嚴重的地區(qū)[1－2]。近年來，人們從紅壤區(qū)水土流失規(guī)律、影響因素、允許流失量、治理措施與效果等方面進行了較多的研究[3－6]，但有關紅壤丘陵區(qū)小流域水土流失定量預測的報導較少見。小流域是水土流失發(fā)生和發(fā)展的最基本單元，隨著遙感技術的成熟，尤其是高分辨率圖像應用的逐步拓展，小流域的水土觀測和定量分析的精度不斷提高。利用RS技術快速獲取流域水土信息，對小流域水土流失進行定量估算，為小流域的水土監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境建設以及水土流失防治提供了途徑[7－10]。

本文以湖南省資興市東江水庫上游的光河橋流域為例，通過外業(yè)調查和現(xiàn)場采樣，結合美國土壤流失通用方程(USLE)對該小流域水土流失量、土壤侵蝕狀況進行了估測，以期為該流域的生態(tài)環(huán)境建設、土壤侵蝕防治、水土流失的定量監(jiān)測等工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

光橋河小流域處于湖南省郴州資興市中北部，位于湘江流域的一級支流——耒水流域的上游，東江湖水庫的北部，總面積7.468 1 km2。該區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，受地形地貌影響，氣溫南高北低、西高東低，降水山區(qū)多、平地丘陵少。光橋河是資興市行洪排澇和引水灌溉農田的主要河道之一。

本研究收集了光河橋小流域的文字資料、圖件資料(土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、地形圖、地質圖等)、氣象觀測資料、30 m分辨率 DEM圖像(ASTER GDEMV2)和SPOT4 HRVIR2高分辨率圖像(含20 m多光譜坡段和10 m全色波段，日期為2007年5月10日)等材料，先進行了遙感圖像的幾何糾正，然后進行掩模，提取出研究區(qū)域。

野外采樣共采集0～20 cm土層土壤樣品96個，并用GPS記錄采樣點的經(jīng)緯度，樣品帶回實驗室，捏碎并風干后，用4分法分成兩份，一份磨碎，過10目和60目篩備用，另一份原狀保存。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定，其機械組成采用吸管法進行分析測定[11]。

2 水土流失量估算

2.1 降雨侵蝕力因子(R)

降雨侵蝕力是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，它是降雨量、降雨強度、雨型和雨滴動能的函數(shù)。國內外一些學者根據(jù)降雨觀測資料，提出了降雨侵蝕力簡易算法，以估算侵蝕力[11－12]，即

式中:R為降雨侵蝕力，MJ·mm·hm－2·h－1·a－1;Pi為月降雨量，mm。表1為收集到的研究區(qū)2007年月降雨量數(shù)據(jù)。

表1 光河橋小流域2007年月均降雨量Tab.1 Monthly mean rainfall at Guanheqiao basin

從表1可以看出，光河橋小流域2007年的降雨量主要集中在4，5，8月，月均在100 mm以上。由式(1)估算出R=718.3 MJ·mm·hm－2·h－1·a－1。

2.2 土壤可蝕性因子(K)

2.2.1 估算方法

土壤可蝕性因子是一項評價土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運難易程度的指標。本研究根據(jù)對土壤樣品室內分析的理化性狀結果，采用Williams等在侵蝕/生產(chǎn)力影響模型(erosion－productivity tmpact caculator，EPIC)中的土壤可蝕性因子K值的估算方法[13]，即

式中:Qsan為砂粒含量，%;Qsil為粉粒含量，%;Qcla為粘粒含量，%;C為有機質碳含量，%;Qsn為非砂含量，%，Qsn=1－ Qsan/100。K 值單位為 t·hm2·h·hm－2·MJ－1·mm－1。

2.2.2 總體分布

依據(jù)朱立安等人[12]研究的結果，將光河橋小流域的土壤可蝕性因子分為5個等級(圖1)，分別是低可侵蝕性土壤(0，0.20)、較低可侵蝕性土壤[0.20，0.25)、中可侵蝕性土壤[0.25，0.30)、較高可侵蝕性土壤[0.30，0.35)以及高可侵蝕性土壤[0.35，1)。

圖1 土壤可蝕性因子K值分布Fig.1 Soil erodibility factor K value distribution

從圖1可以看出，K值整體呈正態(tài)分布，其中，中可侵蝕性土壤占總樣本數(shù)的51.04%;其次為較高可侵蝕性土壤，占23.96%;高可侵蝕性和低可侵蝕性土壤的都低于10%;中、較高和高可侵蝕性土壤3者共占了總樣本數(shù)的78.13%，這說明光河橋小流域的K值較高，容易發(fā)生水土流失和土壤侵蝕。

2.2.3 空間分布特征

將計算出的K值進行空間插值，得到其值的空間分布圖(圖2)。

圖2 光橋河小流域K值分布圖Fig.2 K value map in Guangheqiao basin

由圖2可知，光河橋小流域主要以中可蝕性土壤和較低可侵蝕性土壤為主。統(tǒng)計顯示，中可侵蝕性土壤的面積為1 726 hm2，占預計區(qū)總面積的46.08%;其次是較低可侵蝕性土壤，面積為960 hm2，占總面積的25.61%;而低可侵蝕性土壤和高可侵蝕性土壤面積都很小，比重也較低，其面積分別為179 hm2和42 hm2，分別占總面積的3.98%和1.12%。

2.3 坡長坡度因子(LS)

2.3.1 計算方法

通用土壤流失方程是用坡長L和坡度S做為地形因子，通常將二者作為一個獨立的地形因子LS來估算。本研究采用Wischmeier和Smith提出的坡長(L)因子計算[14－16]，即

式中:L為坡長因子;λ為由DEM提取的坡長，m，22.1 m為標準小區(qū)坡長;α為坡度坡長指數(shù);θ為由DEM提取的坡度(°);β為坡度修正值。

坡度(S)因子采用Nearing根據(jù)坡度因子計算公式基礎資料基礎上，利用一個對數(shù)方程，擬合出單一連續(xù)的方程[14－16]，即

該方程適合坡度不等的所有地形，得到了廣泛應用。

根據(jù)上述公式，計算采用了AML語言程序，基于ARC/INFO workstation運行程序，得到光橋河小流域的LS因子值圖。

2.3.2 基于DEM提取的地形因子

利用光橋河小流域30 m分辨率的DEM，在ArcGIS下運行LS.AML文件，計算出光橋河小流域的地形指標區(qū)域內的高程最小值為277 m，最大值為1 280 m，平均高程值為616.6 m;基于30 m分辨率DEM提取的坡度最小值為0°，最大值為60.9°，平均坡度為16.2°;坡長最小值15 m，最大值為1 890.6 m，平均坡長為151.6 m。DEM提取的地形因子如圖3所示。

圖3 光河橋小流域DEM提取的地形指標圖Fig.3 L，S，LS value map of Guangheqiao basin extracted from DEM

2.4 作物覆蓋與經(jīng)營因子(C)

由于該因子的計算過于復雜，國內外的研究基本按照USLE的思路，根據(jù)實測資料，擬合簡單快速的計算方法。綜合起來，計算C值的方法可分為3種:①利用植被覆蓋度和植被生育期;②利用植被覆蓋度、植被冠層類型與C的關系;③植被覆蓋度與C的函數(shù)關系。由于遙感技術的快速發(fā)展，利用遙感圖像就可以快速提取植被覆蓋度[13]。本研究采用方法③估算研究區(qū)的作物覆蓋與經(jīng)營因子，即

式中:N為植被蓋度;NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVImin，NDVImax分別為研究區(qū)內NDVI的最小值和最大值。利用C與N之間的回歸方程計算C值[14]，即

式中:C=0時不產(chǎn)生土壤流失，此時N=78.3%，從而確定當N≥78.3%時，C=0，不產(chǎn)生土壤流失;而當N=0.1%時，C=1，由于此時N值很小，可視為N=0，從而得到光橋河小流域的作物覆蓋與經(jīng)營因子C值分布。經(jīng)計算得到光河橋流域NDVI圖和C值圖，如圖4，5所示。

圖4 光橋河小流域NDVI圖Fig.4 NDVI value map of Guangheqiao basin

圖5 光橋河小流域C值圖Fig.5 C value map of Guangheqiao basin

2.5 水土保持措施因子(P)

對于水土保持措施因子，由于標準和觀測方法還沒有統(tǒng)一，國內尚未對水土保持措施因子進行全面綜合的研究，在土壤侵蝕預報中還沒有普遍性的水土保持措施因子賦值標準。本研究根據(jù)有關學者的研究成果并結合當?shù)氐膶嶋H情況對水土保持因子P進行賦值[14－16]，確定了不同土地利用類型的 P值，如表2所示。

表2 流域內不同土地利用類型的P值Tab.2 P value of different land use types

光河橋小流域P值柵格圖見圖6。

圖6 光橋河小流域P值圖Fig.6 P value map of Guangheqiao basin

2.6 光河橋小流域水土流失估算

采用美國的修正的通用土壤流失方程，即USLE模型進行光河橋小流域水土流失量預測，即

將模型的各因子柵格圖層導入ArcGIS 9.2中，用空間分析模塊中的柵格計算器(raster calculator)進行相乘計算，得到流域的土壤侵蝕量的柵格數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計分析得到光河橋小流域的平均侵蝕模數(shù)為78 t·hm－2·a－1，侵蝕量為 292 266 t·a－1。

3 結果與分析

3.1 水土流失的總體特征

根據(jù)水利部頒布的土壤侵蝕分級標準，光河橋小流域總體侵蝕強度屬于強度侵蝕。然后依據(jù)該標準進行分類，就可以得到流域的土壤侵蝕分級圖(圖7)。

圖7 光橋河小流域土壤侵蝕強度圖Fig.7 Soil erosion intensity map in Guangheqiao basin

表3為流域內各侵蝕強度面積及其比例分布。

表3 光橋河小流域土壤侵蝕強度分布狀況Tab.3 Distribution of soil erosion intensity in Guangqiaohe basin

從圖7可以看出，光河橋小流域土壤侵蝕強度由流域的東北部向西南部逐漸增強，其中劇烈侵蝕和極強度侵蝕主要分布在流域的西南部，東北部有少量的劇烈侵蝕和極強度侵蝕;微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕分布比較廣泛，其中微度侵蝕分布最廣，面積為1 148 hm2，占總面積的30.64%;其次是輕度侵蝕，面積為876 hm2，占總面積的23.39%;但強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕3者合計面積為1 227 hm2，占了該區(qū)域的32.76%，可見光河橋小流域水土流失狀況是較為嚴重的。

3.2 不同海拔土壤侵蝕特征

根據(jù)流域內海拔高程的分布，在ArcGIS 9.2中利用該流域的30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)將研究區(qū)分為4個不同的海拔高程帶，分別為(0，500)，[500，800)，[800，1 100)，[1 100，2 000)，(單位為 m，下略)，然后與流域的土壤侵蝕柵格圖層數(shù)據(jù)在空間分析模塊中利用柵格計算器進行計算，得到全流域不同海拔高程的土壤侵蝕分布情況(表4)。

表4 光橋河小流域不同海拔土壤侵蝕分布Tab.4 Different elevation distribution of soil erosion in Guangheqiao basin (%)

表4顯示，從侵蝕面積和土壤侵蝕量的總體比例來看，土壤侵蝕主要分布在海拔(0，500)和[500，800)高程帶，其侵蝕面積分別占侵蝕總面積的36.11%和45.41%，土壤侵蝕量分別占總侵蝕量的32.84%和48.40%;其次在[800，1 100)高程帶，侵蝕面積和土壤侵蝕量的比例分別占16.60%和17.55%;而在[1 100，2 000)高程帶的侵蝕面積和土壤侵蝕量的比例僅占1.87%和1.21%。從以上分析可以看出，流域的土壤侵蝕隨海拔高程的變化明顯，其中(0，500)和[500，800)兩個高程帶是土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量最大的地帶，因此在土壤侵蝕防治過程中應該重點加強水土保持措施。

從土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量兩者間的分布多寡看，不同海拔高程帶的情況也各不相同，在(0，500)高程帶中，雖然微度侵蝕分布的面積最大，但其土壤侵蝕量最小;劇烈侵蝕分布的面積較小，而其土壤侵蝕量最多;在[500，800)高程帶中，輕度侵蝕分布面積最大，而劇烈侵蝕的土壤侵蝕量最多;在[800，1 100)高程帶中，微度侵蝕分布面積最大，而劇烈侵蝕的土壤侵蝕量最多;在[1 100，2 000)高程帶中，各侵蝕等級程度所占比例都比較小。這是因為海拔越高的地帶，植被覆蓋較好，所以隨著海拔的升高，土壤侵蝕在一定程度上有降低趨勢。

3.3 不同坡度土壤侵蝕特征

首先根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取出全流域的坡度圖，然后在ArcGIS 9.2中利用重分類的方法將流域坡度圖劃分為(0°，5°)，[5°，10°)，[10°，15°)，[15°，25°)和[25°，45°)5個坡度帶，然后與該流域的土壤侵蝕柵格圖層數(shù)據(jù)在空間分析模塊中利用柵格計算器進行計算，得到該流域不同坡度的土壤侵蝕分布情況(表5)。

表5 光橋河小流域不同坡度的土壤侵蝕比例分布Tab.5 Proportion of soil erosion in different slope distribution in Guangheqiao basin (%)

表5顯示，從流域土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量比例來看，土壤侵蝕主要分布在[10°，15°)和[15°，25°)這兩個坡度帶，其土壤侵蝕面積分別占侵蝕總面積的22.62%和30.08%，土壤侵蝕量占總侵蝕量的25.03%和42.40%，二者合計占土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量的52.70%和67.43%，均已超過50%;其次在[5°，10°)和[25°，45°)兩個坡度帶，其土壤侵蝕面積分別占侵蝕總面積的19.37%和18.17%，而土壤侵蝕量分別占總侵蝕量的9.79%和21.90%;(0，5°)坡度帶的土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量的比例僅占9.74%和0.87%。從以上分析可以看出，光橋河小流域的土壤侵蝕隨坡度的變化而波動，在一定程度上坡度越大，其平均侵蝕模數(shù)也越大。[10°，15°)和[15°，25°)這2 個坡度帶是土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量最大的地帶，因此在土壤侵蝕防治過程中應該重點加強關注。

從土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量兩者間的分布多寡看，不同坡度帶的情況也有所不同，在(0°，5°)坡度帶中，主要以微度侵蝕為主，土壤侵蝕面積占總侵蝕面積的6.69%，但土壤侵蝕量僅占總侵蝕量的0.11%，其次是中度侵蝕，基本上沒有劇烈侵蝕;在[5°，10°)坡度帶中，輕度侵蝕分布面積最大，占7.98%，土壤侵蝕量僅占總侵蝕量的0.11%，而劇烈侵蝕的土壤侵蝕量最多;在[10°，15°)坡度帶中，微度侵蝕分布面積最大，而劇烈侵蝕的土壤侵蝕量最多;在[15°，25°)坡度帶中，以劇烈侵蝕為主，其土壤侵蝕面積占總面積的6.14%，土壤侵蝕量占侵蝕總量的27.02%，其次是極強度侵蝕;在[25°，45°)坡度帶中，也以劇烈侵蝕為主，其土壤侵蝕面積占總面積的5.99%，土壤侵蝕量占總侵蝕量的14.80%，其次也是極強度侵蝕，其他各侵蝕等級的土壤侵蝕量較小，但微度侵蝕的面積占侵蝕總面積的5.39%。這表明坡度越陡，越容易發(fā)生極強度侵蝕和劇烈侵蝕，因此，在水土治理的措施中，應加強對地形因素的考慮。

4 結論

1)利用RS結合USLE模型實現(xiàn)了對土壤侵蝕各項因子的快速提取，為全國水土保持土壤侵蝕的信息專題提取提供了參考，同時對典型紅壤丘陵區(qū)小流域的土壤侵蝕的空間性質和空間分布規(guī)律做了詳細分析。研究區(qū)域的土壤侵蝕大部分處于中強侵蝕狀態(tài)，侵蝕因子對坡度因子敏感，在0°～25°坡度間侵蝕力度隨坡度增加而增加，而不同海拔條件下，侵蝕規(guī)律不一。

2)本研究為小尺度和微地形條件下的土壤侵蝕信息對比提供了參考。因研究尺度、區(qū)域位置、氣候條件等方面的差異性，還需進一步完善不同尺度和環(huán)境條件下水土流失的預測方法和參數(shù)優(yōu)化方法，尤其對于降雨侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、作物覆蓋與經(jīng)營因子C這3個因子，對典型區(qū)域水土流失的空間特征敏感性進行分析，并開展對水土流失過程的模擬，是今后需深入研究的工作。

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