基于GIS—RS—USLE的土壤侵蝕研究

摘 要：USLE被引入中國，相關(guān)研究人員將USLE運用于土壤流失量和土壤流失空間變化的研究中。如今，GIS-RS-USLE一體化已用于研究區(qū)域尺度的土壤侵蝕。本研究綜述了ULSE的提出及其意義、USLE的改進及其土壤侵蝕模型的發(fā)展歷程，分析了USLE指標因子的確定方法，結(jié)合以往研究中GIS與RS在土壤侵蝕分析中的應(yīng)用，分析了GIS與RS的土壤侵蝕研究中中主要存在的問題和今后研究的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：GIS；RS；USLE；土壤侵蝕

土壤侵蝕是中國乃至世界普遍關(guān)注的重大環(huán)境問題之一，會引起一系列問題，如土地退化、湖泊淤積、土壤肥力流失、洪澇等，最終阻礙生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，和土壤侵蝕相關(guān)的很多研究已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的熱點問題之一。土壤侵蝕是指地球土壤在外力作用下發(fā)生的土壤分離等現(xiàn)象。在我國，利用傳統(tǒng)方法調(diào)查土壤侵蝕量具有耗時長并難以確定準確侵蝕量的缺點。隨著水土流失方程（USLE）的運用，土壤侵蝕機理研究的不斷完善，土壤侵蝕監(jiān)測法已日趨成熟。隨后，USLE被引入中國，相關(guān)研究人員將USLE運用于土壤流失量和土壤流失空間變化的研究中。如今，GIS-RS-USLE一體化已用于研究區(qū)域尺度的土壤侵蝕。

二、土壤侵蝕與USLE模型

（一）ULSE的提出及其意義

通用土壤流失方程USLE提出于1965年，世界各國均采用USLE來計算坡面尺度、流域尺度和區(qū)域尺度的土壤侵蝕量。而我國則著眼于GIS-RS-USLE相結(jié)合，如高峰等基于GIS 和RS獲取USLE所需參數(shù)，估算了土壤侵蝕量；王娟和卓靜對陜北黃土高原退耕還林區(qū)的土壤侵蝕定量進行了評價。USLE土壤流失方程公式為A=RKLSCP，R為降雨侵蝕力，K為土壤可蝕性，LS為坡長坡度，C為作物覆蓋管理，P為水土保持措施。

（二）USLE的改進及其土壤侵蝕模型的發(fā)展歷程

隨著對土壤侵蝕研究的進一步深化，USLE不斷加以改進。李雪瑩等通過RUSLE模型估算了遼寧省阜新市土壤侵蝕量；王衛(wèi)林等運用RUSLE模型分析了洱海流域土壤侵蝕的空間特征；方廣玲等基于RUSLE模型研究了拉薩河流域土壤侵蝕動態(tài)特征。

三、USLE指標因子的確定

（一）降雨徑流因子R值的估算

R表示了降雨量對土壤的侵蝕能力，這種能力未能直接測定，需通過降雨參數(shù)、降雨量來估算。但更多的以往研究則是用將于總量和最大雨強維持的時間來共同計算R，R=[2.29+1.151×lgxi/Di]×I30?，i為降雨的時間（h），Xi為降雨強度，Di為在i時間內(nèi)的降雨總量，I30?為經(jīng)歷30分鐘的最大雨強。其中，R包括次降雨和年降雨。次降雨表明雨量與動能之間存在線性關(guān)系，公式如下：R=1.70（PI30/100）-0.136（I30<10mm/h），R=2.35（PI30/100）-0.523（I30>10mm/h），R為次降雨侵蝕力，P為次降雨量（mm），I30意義同上。另外，通過年降雨量與年最大30min于強，估算年降雨R值，R=0.207（P×I30/100）1.205，P為年降雨總量（mm），I30意義同上。

（二）坡長與坡度的定義、LS的計算

水土保持的關(guān)鍵性因子之一為坡長，即坡面的水平投影長度。它直接影響著地面土壤的侵蝕力，L=m×cosA，L為坡長，m為地表面沿流向的水流長度，θ為水流地區(qū)的起始面坡度值。坡度是影響土壤侵蝕的重要因子之一，S=65.4sin2A+4.56sinA+0.0654，S為坡度（%），θ為坡度度數(shù)。LS因子是用來度量地表徑流輸沙能力的指標，即上述L和S的計算方法相結(jié)合。

（三）植被與經(jīng)營管理因子C與土壤可蝕性因子K值

C控制著土壤侵蝕能力，與植被覆蓋度有很大關(guān)系，其值大小主要和植被覆蓋和土地利用類型的指標有關(guān)。但目前，國內(nèi)外研究對C值沒有建立統(tǒng)一的計算指標，今后研究需進一步確定該指標。K值是用來度量土壤潛在侵蝕性的指標，是反映土壤受侵蝕度的參數(shù)，公式如下：

K=[2.1×10-4M1.14（12-M0）+3.25（S-2）+2.5（P-3）]/100 （1）

式中，M為（粉砂+極細砂）%和（100-粉砂百分含量）的乘積，M0為土壤有機質(zhì)含量，S為土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)，P為滲透性等級。

四、GIS與RS在土壤侵蝕分析中的應(yīng)用

（一）GIS在侵蝕因子計算中的應(yīng)用

將GIS分別運用于R因子中、模型中的因子運算、土壤侵蝕決策支持系統(tǒng)的建立。通過GIS對個水人觀測站的點數(shù)據(jù)和等降雨量線進行差值，內(nèi)插生成所有I60的柵格數(shù)據(jù)，通過對模型進行空間分析運算獲取模型P值，根據(jù)土地利用類型確定P因子的大小。通過GIS的可視化功能、ARCGIS中GRID的土層預(yù)算功能，將土壤侵蝕模型疊加運算，最終形成GIS水土流失分布圖，對土壤侵蝕的預(yù)測提供理論支持。通過JAVA等二次開發(fā)及組件GIS，以構(gòu)建土壤侵蝕決策支持系統(tǒng)，以綜合評價監(jiān)測區(qū)域的土壤侵蝕情況。

（二）RS在侵蝕因子計算中的應(yīng)用

將RS分別運用于LS和P因子中、C因子中。通過RS獲取高程數(shù)字模型，利用SRTM獲取DEM 90m的分辨率數(shù)據(jù)，由GRID提取地形坡長坡度數(shù)據(jù)，結(jié)合目視解譯法確定土地利用類型圖，最終確定P。C是植被對土壤侵蝕的反映因素，RS中的二分模型估算法可通過光譜植被指數(shù)SVI來提取監(jiān)測區(qū)域的植被覆蓋度，公式為：

fc=SVIm-SVImin/SVImax/SVImin （2）

式中，SVIm為某時間的植被指數(shù)，SVImax為裸土植被指數(shù)，SVImin為全覆蓋植被指數(shù)。

（三）將RS運用于GIS與RS的土壤侵蝕研究中的發(fā)展前景

（1）通過GIS與RS建立多元數(shù)據(jù)庫、開發(fā)信息管理系統(tǒng)；（2）將GIS、RS與WebGIS相結(jié)合實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享化；（3）在GIS與RS支持下，建立土壤侵蝕預(yù)測模型；（4）利用GIS與RS估算監(jiān)測區(qū)域產(chǎn)沙時的侵蝕預(yù)報模型；（5）利用GIS與RS，加快土壤侵蝕的定量研究理論和在技術(shù)方面的創(chuàng)新突破。

五、存在的問題

（1）目前在GIS與RS的土壤侵蝕中，所選用的信息源空間和時間、光譜等數(shù)據(jù)的分辨率較低；（2）因研究區(qū)域不同，所使用的土壤侵蝕分類分級標準不同，所以未能有統(tǒng)一的標準適用于所有研究區(qū)域內(nèi)；（3）由于實測資料和各種模型均具有各自特點，均無法消除各自的相對滯后性。因此，沒有一種模型適用于所有研究區(qū)域。

六、結(jié)語

本研究綜述了ULSE的提出及其意義、USLE的改進及其土壤侵蝕模型的發(fā)展歷程，分析了USLE指標因子的確定方法，包括降雨徑流因子R值的估算（次降雨和年降雨）、坡長與坡度的定義、LS的計算、土壤可蝕性因子K值、植被與經(jīng)營管理因子C等。結(jié)合以往研究中GIS與RS在土壤侵蝕分析中的應(yīng)用，分析了GIS與RS的土壤侵蝕研究中主要存在的問題和今后研究的發(fā)展前景。

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作者簡介：王帆（1984- ），女，陜西人，碩士，技術(shù)人員，研究方向：GIS、水土流失研究。