基于GIS和USLE的龍墩水庫(kù)小流域土壤侵蝕評(píng)估研究①

陳玉東，陳 梅，孫 旭，劉臣煒，張龍江，蘇良湖

（環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042）

基于GIS和USLE的龍墩水庫(kù)小流域土壤侵蝕評(píng)估研究①

陳玉東，陳 梅，孫 旭，劉臣煒，張龍江，蘇良湖*

（環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042）

本研究以南京市高淳區(qū)龍墩水庫(kù)流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用通用土壤流失方程（USLE） 模型與地理信息系統(tǒng)（GIS） 技術(shù)結(jié)合的方法對(duì)流域土壤侵蝕進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：整個(gè)流域年均土壤侵蝕模數(shù)為4 343.46 t/km2，屬中度侵蝕。整個(gè)流域微度和輕度侵蝕所占面積比例相對(duì)較大，兩者所占面積比例之和超過了63%，極強(qiáng)度和劇烈侵蝕雖然所占面積較小，但卻產(chǎn)生了超過了70% 的侵蝕量。不同土地利用類型中土壤侵蝕強(qiáng)度差異較大，年均侵蝕模數(shù)旱田＞草地＞水田＞林地，侵蝕量旱田＞水田＞草地＞林地。通過 GIS 將整個(gè)流域劃分為 13 個(gè)子流域，子流域 4、5、10 由于區(qū)域內(nèi)大部分是旱田，土壤侵蝕模數(shù)較大，為流域內(nèi)土壤侵蝕的關(guān)鍵源區(qū)，子流域 10 侵蝕模數(shù)和侵蝕量都比較大，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注；而子流域 1、9 和 12 由于侵蝕總量較大，也應(yīng)該保持一定的關(guān)注。所有子流域土壤侵蝕量都主要來自高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)，其中以劇烈侵蝕為主。因此，控制土壤侵蝕應(yīng)該優(yōu)先考慮高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)區(qū)域。

GIS；USLE；土壤侵蝕；小流域

隨著點(diǎn)源污染逐步得到控制，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為我國(guó)水質(zhì)污染控制的重點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中，土壤侵蝕是主要的發(fā)生形式。大面積的土壤侵蝕造成土壤肥力下降、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨泥沙進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響了水體正常功能和周邊的生態(tài)環(huán)境。因此，評(píng)估流域土壤侵蝕是流域非點(diǎn)源污染模擬的基礎(chǔ)工作之一，也是非點(diǎn)源污染控制中的關(guān)鍵因素［1］。模型是土壤侵蝕預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)中的重要方法，研究人員模擬各種不同形式的侵蝕過程和預(yù)報(bào)土壤侵蝕在時(shí)空上的變化，建立了諸多適用于不同條件下的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘呶锢砟Ｐ?，?USLE［2］，RUSLE［3］，WEPP［4］等。近幾年，隨著 GIS 技術(shù)的快速發(fā)展，借助 GIS 在數(shù)據(jù)管理、空間分析的強(qiáng)大功能，模型在土壤侵蝕與非點(diǎn)源污染定量化研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為流域水土流失及非點(diǎn)源污染控制提供了很好的工具。

通用土壤流失方程（USLE）是最為廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型是美?guó)Wischmeier和Smith［2］對(duì)美國(guó)東部地區(qū)30個(gè)州10 000多個(gè)徑流小區(qū)近30年的觀測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)分析建立的經(jīng)驗(yàn)公式，是最早將坡度、坡長(zhǎng)、氣候因子、植被因子、土壤可蝕性等引入土壤侵蝕預(yù)報(bào)的一個(gè)簡(jiǎn)潔模型。相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式方法進(jìn)行土壤侵蝕量預(yù)測(cè)，GIS與USLE相結(jié)合的分布式方法由于運(yùn)用GIS的柵格數(shù)據(jù)分析功能，可預(yù)測(cè)出每個(gè)柵格的土壤侵蝕量，有效地提高了土壤侵蝕量的預(yù)測(cè)效率和結(jié)果的顯示度，便于管理者找出較為嚴(yán)重的土壤侵蝕區(qū)，從而針對(duì)性地提出最佳管理措施，因此USLE與GIS相結(jié)合被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于具有空間特征的土壤侵蝕研究［5-10］及養(yǎng)分流失評(píng)估［11-12］。龍墩水庫(kù)是高淳縣唯一一座中型水庫(kù)，作為高淳縣的第二水源地，承擔(dān)著防洪、供水、灌溉等重要功能，其水質(zhì)的好壞直接影響著人們的生產(chǎn)生活。流域內(nèi)沒有工業(yè)企業(yè)，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染成為影響該流域水體水質(zhì)的關(guān)鍵因素，因此本研究以龍墩水庫(kù)流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過USLE模型結(jié)合GIS對(duì)流域的土壤侵蝕量進(jìn)行預(yù)測(cè)，完成對(duì)龍墩水庫(kù)小流域土壤侵蝕強(qiáng)度的分等定級(jí)，并通過子流域的方式進(jìn)行分區(qū)討論，對(duì)小流域的非點(diǎn)源污染控制和水土資源管理，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。丘陵為世界五大陸地基本地形之一，在我國(guó)東部浙江、江蘇、安徽、湖北、湖南等地區(qū)都有較廣分布。本研究所在區(qū)域?yàn)榈湫偷牡蜕角鹆陞^(qū)，研究結(jié)果也可為我國(guó)東部丘陵區(qū)其他小流域的水土資源管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

龍墩水庫(kù)流域位于南京市高淳縣東北部低山丘陵區(qū)（119°1′ ～ 119°4′ E，31°22′ ～ 31°26′ N），距高淳縣城淳溪鎮(zhèn) 17 km，距漆橋鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)約 3 km。流域地形大致呈長(zhǎng)方形，南北向最長(zhǎng)約 7.0 km，東西向最寬約 5.0 km，匯流面積中大部分屬高淳縣，只有北部一小部分屬溧水縣。流域中的龍墩河水庫(kù)位于南京市高淳縣東北部的漆橋河上游，是高淳縣境內(nèi)最大的水庫(kù)，庫(kù)容 1 183 萬 m3，水庫(kù)集水面積 26.50 km2，上游河道干流長(zhǎng) 4.01 km，地勢(shì)東高西低，最高處為位于流域東部的大山，最低處為庫(kù)區(qū)攔河壩所處的河谷位置。水庫(kù)下游河道依次匯入漆橋河、固城湖、長(zhǎng)江。龍墩水庫(kù)流域位于北亞熱帶和中亞熱帶過渡地區(qū)，受季風(fēng)環(huán)流影響，區(qū)域性氣候明顯，常年四季分明，平均氣溫 16℃，最高氣溫 39.8℃，最低氣溫-14.0℃。多年平均降水量 1 190.8 mm，降水量年內(nèi)分配不均，年際變化較大，最大年降水量 1 878.6 mm（1991年），最小年降水量 569.5 mm（1978年）。土壤以水稻土類為主，其次是黃棕壤土類。主要農(nóng)作物種有水稻、小麥、油菜等。

1.2 小流域資源數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及子流域劃分

圖形數(shù)據(jù)庫(kù)：包括流域數(shù)字高程模型（DEM）圖、土壤類型圖、土地利用現(xiàn)狀圖等。通過購(gòu)買的DEM圖（江蘇省測(cè)繪地理信息局，2009年6月航攝，2010年調(diào)繪，分辨率為5 m），提取研究區(qū)的等高線圖、坡度坡向圖和流域邊界以及水系圖。土壤類型圖以土種或變種作為成圖單元（高淳縣土壤肥料站2010年制），土地利用圖根據(jù)遙感影像圖（Landsat TM，分辨率為30 m）通過遙感分類提取與人工解譯相結(jié)合獲得。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)：主要包括龍墩水庫(kù)地區(qū)2010—2013年各月降雨量等氣象數(shù)據(jù)（高淳縣2010—2013統(tǒng)計(jì)年鑒）、土地利用屬性、土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量等。各種圖形數(shù)據(jù)通過數(shù)字化儀輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)編輯后成為數(shù)字化圖，與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接，可以實(shí)現(xiàn)空間分析功能，進(jìn)行可視化及編輯運(yùn)算。

子流域劃分：在 ArcGIS 中利用水文分析模塊進(jìn)行流域的劃分。將匯流累積柵格數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行閾值的設(shè)定，閾值的設(shè)定是通過不斷的實(shí)驗(yàn)加上現(xiàn)有地形數(shù)據(jù)綜合分析獲得，本研究中最終設(shè)定閾值為 0.8 km2。計(jì)算出所有大于設(shè)定閾值的柵格，再將柵格河網(wǎng)轉(zhuǎn)成矢量的河網(wǎng)數(shù)據(jù)，便于后面河網(wǎng)分級(jí)獲得等級(jí)節(jié)點(diǎn)。隨后分別輸入水流方向數(shù)據(jù)和出水口河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，便得到各個(gè)流域范圍。根據(jù)流域?qū)嶋H情況及監(jiān)管需求，對(duì)自動(dòng)生成的子流域進(jìn)行合并，一般子流域保持在 10 個(gè)左右，這樣既不會(huì)因?yàn)樽恿饔蜻^多而不方便監(jiān)管，也不會(huì)因?yàn)樽恿饔蜻^少而顯得結(jié)果過于粗糙，最終完成流域的分區(qū)。本研究結(jié)合流域的實(shí)際情況，將整個(gè)小流域劃分為 13 個(gè)子流域（圖 1）。

圖1 龍墩水庫(kù)子流域區(qū)劃圖Fig. 1 Zoning map of the Longdun Reservoir sub-watersheds

1.3 評(píng)估模型

本研究采用 Wischmeier 提出的通用土壤流失方程（USLE）評(píng)估流域的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。由于其因子的解釋具有物理意義，仍是目前預(yù)測(cè)土壤侵蝕最為廣泛使用的方法［13］。該方程是將影響水土流失的 6 個(gè)因子用連乘的形式組成，侵蝕模數(shù)（單位面積年均土壤侵蝕量）計(jì)算式為：

式中：A為土壤年侵蝕量（t/（hm2·a））；R為降雨侵蝕力因子（MJ·mm/（hm2·h））；K為土壤可蝕因子（t·hm2·h/（MJ·mm·hm2））；LS為坡長(zhǎng)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。

1.3.1 降雨侵蝕力因子 R值的計(jì)算以Wischmeier［14］經(jīng)典法最具代表性，即根據(jù)一次降雨總動(dòng)能E和最大30 min降雨強(qiáng)度I30的乘積表示R值，但I(xiàn)30需要詳細(xì)的降雨過程資料難以獲得。本研究采用Wischmeier等［13］提出的直接利用多年各月平均降雨量和多年平均降雨量推求R值的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：R為降雨侵蝕力因子（MJ·mm/（hm2·h））；Pi為各月平均降雨量（mm）；P為年平均降雨量（mm）。根據(jù)2011—2013年《高淳統(tǒng)計(jì)年鑒》的3年降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)上面提出的計(jì)算公式推求小流域年降雨侵蝕力。由于研究地區(qū)面積小，約26.34 km2，可認(rèn)定降水的分布是均一的，因此整個(gè)研究地區(qū)的R值等于195.71 MJ·mm/（hm2·h）。

1.3.2 土壤可侵蝕因子 土壤可侵蝕因子K是土壤潛在侵蝕性的量度，指單位降雨侵蝕力在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上所造成的土壤流失量［15］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在K值計(jì)算方面開展了大量的研究［16-19］。Williams等［20］在EPIC模型中，發(fā)展了土壤可蝕性因子K的估算方法，其值的大小與土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)碳含量有關(guān)，使其使用更簡(jiǎn)便。結(jié)合GIS通過插值的方法獲得K值的空間分布在我國(guó)運(yùn)用較為普遍［21-23］。因此本研究采用Williams等［20］中提出的改進(jìn)后的土壤可侵蝕因子K的估算方法：

式中：SAN為土壤中砂粒含量（%）；SIL為土壤中粉粒含量（%）；CLA為土壤中黏粒含量（%）；C為土壤中有機(jī)碳含量（%）；SNI= （1-SAN）/100。

本研究中所用到的土壤的質(zhì)地組成以及土壤有機(jī)碳的含量，通過實(shí)地采集研究區(qū)域的土壤進(jìn)行分析得到。土樣采集通過網(wǎng)格法布置網(wǎng)格大小為 1 km × 1 km 的采樣點(diǎn)，充分考慮土地利用方式和土壤類型，樣點(diǎn)覆蓋整個(gè)流域，共采集耕層（0 ～ 20 cm）土壤樣品28 個(gè)（圖 1），質(zhì)地及有機(jī)碳的含量分析參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［24］。按照公式（3）獲得采樣點(diǎn)的 K值，K 值范圍為 0.256 ～ 0.454 t·hm2·h/（MJ·mm·hm2）。由于本研究所在流域相對(duì)較小，土壤類型相對(duì)比較單一且斑塊結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，如果直接采用土壤類型進(jìn)行賦值，可能難以體現(xiàn)空間變化的特征，而通過插值的方式可以從一定程度上體現(xiàn)出 K 值空間的差異性，因此本研究通過 ArcGIS 軟件在流域內(nèi)進(jìn)行Kriging 插值處理，從而得到流域的 K 值分布。

1.3.3 坡長(zhǎng)坡度因子 在土壤通用流失方程中，坡長(zhǎng)和坡度因子分別用L和S表示，坡長(zhǎng)因子L是指在其他條件相同的情況下，任意坡長(zhǎng)的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)坡長(zhǎng)單位面積土壤流失量之比；坡度因子S是指在其他條件相同的情況下，任意坡度下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下單位面積土壤流失量之比［25］。在實(shí)際應(yīng)用中常把它們作為一個(gè)獨(dú)立的地形因子LS來計(jì)算，本文中L因子采用的是坡面尺度的坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式，LS計(jì)算公式如下：

式中：λ為坡長(zhǎng)，m為坡長(zhǎng)指數(shù)，S為坡度。

指數(shù)m的推薦值如下：

根據(jù)由McCool等［26］的研究表示，通用土壤流失方程允許計(jì)算的最大坡度為18%（10°）。而Liu等［27］對(duì)坡度在9% ～ 55% 的陡坡土壤侵蝕的做了進(jìn)一步研究。本研究借鑒洪華生等［28］的方法，將坡度因子S的計(jì)算通過分段考慮，即緩坡采用McCool 等［26］坡度公式，陡坡采用Liu等［27］坡度公式，并將公式合并表示如下：

式中：θ為坡度。根據(jù)以上算法得到每個(gè)像元的地形因子值。

1.3.4 植被覆蓋與管理因子和水土保持因子 植被覆蓋與管理因子 C 值是指在在相同的地表?xiàng)l件和降雨條件下，指定作物或植被情況下的土地與連續(xù)休閑土地的土壤流失量之比，主要和土地利用類型有關(guān)。當(dāng)?shù)孛嫱耆懵稌r(shí)，其 C 值規(guī)定為 1；當(dāng)?shù)孛娴玫搅己帽Ｗo(hù)時(shí) C 值為 0.001，其他情況取 0 ～ 1之間的數(shù)值［29］。因此根據(jù)研究區(qū)域土地利用類型，并結(jié)合美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所提供的標(biāo)準(zhǔn)表及蔡崇法等［30-31］的計(jì)算方法來確定 C 值（表 1）。

水土保持因子 P 是指某一特定的保持措施下與相應(yīng)未經(jīng)實(shí)施保持措施的順坡耕作的地塊的土壤流失量之比，反映了水保持措施對(duì)土壤侵蝕量的影響。P 值范圍在 0 ～ 1 之間，0 值代表根本不發(fā)生侵蝕的地區(qū)，而 1 值代表了未采取任何控制措施的地區(qū)。本研究由于沒有設(shè)小區(qū)試驗(yàn)，主要參照美國(guó)農(nóng)業(yè)部手冊(cè) 703號(hào)及劉寶元［32］《中國(guó)土壤侵蝕模型》的 P 值選取方法對(duì)流域內(nèi)各土地利用類型進(jìn)行賦值，生成柵格圖像，從而得到 P 值圖層，不同土地利用類型取值見表 1。

表1 不同土地利用類型的植被覆蓋與管理因子C值及水土保持因子P值Table1 The value of C-factor and P-factor under different land-use types

1.3.5 侵蝕模數(shù)計(jì)算 將以上獲得的各個(gè)土壤侵蝕因子的圖層進(jìn)行處理，使得所有圖層都具有相同的坐標(biāo)和投影體系，具有相同的網(wǎng)格大?。? m × 5 m）。經(jīng)過處理后，在 ArcGIS 進(jìn)行 3D 空間分析，將各因子層按照 A=R × K × L × S × C × P 進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，得到生成網(wǎng)格土壤流失量圖，最后對(duì)網(wǎng)格土壤侵蝕量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)結(jié)合研究區(qū)位置，采用《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）［33］中制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，得到流域不同的土壤侵蝕強(qiáng)度比例及分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 全流域土壤侵蝕狀況及分析

土壤侵蝕破壞基本農(nóng)田設(shè)施，降低土地生產(chǎn)力，還伴隨著土壤養(yǎng)分的流失，是流域非點(diǎn)源污染的主要形式。因此，在得到流域土壤侵蝕空間分布的基礎(chǔ)上，分析其特點(diǎn)以便采取不同防治措施。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)應(yīng)用 ArcGIS 軟件對(duì) USLE 模型中的各個(gè)評(píng)價(jià)因子（R 值、K 值、LS 值、C 值和 P 值）以圖層的形式輸出，應(yīng)用軟件中的柵格計(jì)算器來讀取各評(píng)價(jià)因子?xùn)鸥駡D中的數(shù)據(jù)，將各因子連乘得到研究區(qū)土壤像元侵蝕量的計(jì)算結(jié)果。從圖 2 中可以看出，在水庫(kù)的北部及東部 K 值較大，而 K 值較小的區(qū)域主要分布在流域東部邊界區(qū)域。LS 的高值點(diǎn)，基本上都分布在流域的東部及南部地區(qū)，因?yàn)樵搮^(qū)域主要是山地，地勢(shì)相對(duì)比較陡峭。C 值與土地利用方式有關(guān)，較高值點(diǎn)主要分布在水庫(kù)周邊，此片區(qū)域地勢(shì)相對(duì)較為平坦，適合作物耕作，大部分水田與旱田都分布在此。根據(jù)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，流域超過一半的區(qū)域?qū)儆谖⒍然蜉p度侵蝕，土壤侵蝕度比較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在水庫(kù)東部的一些農(nóng)田，侵蝕度較小的主要是流域北部以及南部的林地。

對(duì)像元土壤侵蝕圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表 2）表明，龍墩水庫(kù)流域年均土壤侵蝕模數(shù)為 4 343.46 t/km2，侵蝕強(qiáng)度總體屬中度侵蝕。有研究表明苕溪流域的侵蝕模數(shù)為 2 347 t/km2［7］，下莊小流域的平均土壤侵蝕模數(shù)為 2 541. 66 t/km2［28］，東江湖流域的年均土壤侵蝕模數(shù)為 3 425.57 t.km-2［34］，這些結(jié)果比本研究略小，也有研究表明安徽省 2002 年平均土壤侵蝕模數(shù)只有249.5 t/km2，但土壤侵蝕嚴(yán)重地區(qū)的皖南丘陵山區(qū)和皖西大別山區(qū)，局部地區(qū)平均侵蝕模數(shù)達(dá) 16 460 t/km2以上［35］，江蘇吳縣市典型小流域旱田土壤（菜地）的土壤侵蝕模數(shù)高達(dá) 5 185.68 t/km2，遠(yuǎn)高于非耕作土壤，人為因素是影響該流域土壤侵蝕的主要因素［36］，土壤侵蝕模數(shù)變化范圍較大。土壤侵蝕系統(tǒng)分布格局的不同以及相同土地利用單元上土壤侵蝕強(qiáng)度的差異可能是造成不同流域侵蝕模數(shù)結(jié)果差異較大的重要原因。本研究結(jié)果介于這些研究結(jié)果之間，并且龍墩水庫(kù)小流域?qū)儆谇鹆陞^(qū)，面積相對(duì)較小且大部分區(qū)域是農(nóng)田，受人為因素影響較大，因此土壤侵蝕結(jié)果相對(duì)較大也是情理之中，結(jié)果有一定的可信度。

流域內(nèi)微度侵蝕的面積為 7.64 km2，占整個(gè)流域的 32.89%；輕度侵蝕的面積為 7.13 km2，占整個(gè)流域的 30.69%；兩者所占比例之和超過了 63%，但這兩個(gè)等級(jí)對(duì)流域土壤侵蝕量的貢獻(xiàn)率僅為 8.8%，為 8 940 t。極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕面積分別占總面積的 8.39% 和 7.92%，兩者占的總比例為 16.31%；但是兩者的侵蝕總量分別占總侵蝕量的 21.18% 和49.01%，兩者所占的比例之和超過了 70%，為 70 794 t，是微度侵蝕和輕度侵蝕的侵蝕量的 7.9 倍。總體而言，流域內(nèi)以微度和輕度侵蝕面積較大，但是產(chǎn)生的侵蝕量較?。欢鴺O強(qiáng)度和劇烈侵蝕雖然所占面積較小，但卻產(chǎn)生了大部分的侵蝕量。

2.2 不同土地利用方式的土壤侵蝕狀況及分析

土壤侵蝕強(qiáng)度與土地利用類型具有一定相關(guān)性，龍墩水庫(kù)流域各土地利用類型的土壤侵蝕量見表 3。流域內(nèi)以旱田、林地、水田為主，占到了整個(gè)流域面積的的 78.7%，其中旱田面積最大，為 8.87 km2，占到了整個(gè)流域面積的 33.6%。旱田和水田交錯(cuò)分布在水庫(kù)東部大部分區(qū)域，林地主要分布在南、北兩端及東部邊界區(qū)域。不同土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)及侵蝕量的差異較大。除了建設(shè)用地及水體的侵蝕模數(shù)及侵蝕量為 0 外，林地的侵蝕模數(shù)相對(duì)較小，為680.37 t/km2，旱田的侵蝕模數(shù)最大，為 9 138.31 t/km2，為林地的 13 倍，已經(jīng)達(dá)到了極強(qiáng)烈侵蝕級(jí)別。侵蝕模數(shù)從大到小的順序依次為旱田＞草地＞水田＞林地。侵蝕量最大的土地利用類型為旱田，年侵蝕量為81 056.81 t，其次水田和草地，分別為 9 152.04 t 和6 464.52 t，林地的土壤侵蝕量較小，為 4 102.63 t，僅為旱田的 5%。不管是土壤侵蝕模數(shù)還是侵蝕量，旱田都是最大，是該流域土壤侵蝕的主要來源。

圖2 研究區(qū)域土壤侵蝕因子空間分布及侵蝕分級(jí)圖Fig. 2 Spatial distribution of soil erosion factors and classification in the study area

表2 小流域土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)表Table2 Grades of soil erosion intensity in the watershed

在各種土地利用類型中，不同侵蝕等級(jí)侵蝕量所占的比例也不盡相同，草地以劇烈侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和強(qiáng)度侵蝕為主，三者占了草地總侵蝕量的 73%；水田以微度和輕度侵蝕為主，占到了水田總侵蝕量的61%；林地侵蝕量以輕度侵蝕為主，占到了總侵蝕的54%，微度侵蝕和中度侵蝕都占了約 20%；而旱田侵蝕量以劇烈侵蝕為主，其次為及強(qiáng)度侵蝕，分別占到了旱田侵蝕總量的 55% 和 23%?？傮w來講，草地和旱地的高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)產(chǎn)生了較多的侵蝕量，而水田和林地的侵蝕量還主要來自較低侵蝕等級(jí)。

表3 不同土地利用類型土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)Table3 Summary data for soil erosion of different land use types

圖3 不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度Fig. 3 Grades of soil erosion intensity of different land use types

2.3 不同子流域的土壤侵蝕狀況及分析

為了便于后期監(jiān)管，將整個(gè)流域劃分為 13 個(gè)子流域。由表 4 可知，所有子流域中，子流域 4 的土壤侵蝕模數(shù)最大，為 5 201.79 t/km2，其次為子流域5，侵蝕模數(shù)為 5 120.15 t/km2，兩者都屬?gòu)?qiáng)烈侵蝕區(qū)域。子流域 13 的土壤侵蝕模數(shù)最小，為 2 244.88 t/km2，屬輕度侵蝕區(qū)域。除子流域 4、5 和子流域 13 外，其他子流域都屬于中度侵蝕等級(jí)，侵蝕模數(shù)的范圍在3 026.07 ～ 4 989.4 t/km2，其中子流域 10 侵蝕模數(shù)相對(duì)較大一些，超過了 4 500 t/km2。13 個(gè)子流域中，年侵蝕總量最大的為子流域 10，其次為子流域 1、9和12，這 4 個(gè)子流域雖然侵蝕模數(shù)屬于中等侵蝕等級(jí)，但是面積比其他子流域大得多，所以侵蝕總量也相對(duì)較大一些。子流域 13 大部分區(qū)域是林地，除了LS 值較大外，K 值、C 值以及 P 值都相對(duì)較小，面積也相對(duì)較小，因此土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量都是最低的。子流域 4、5、10 土壤侵蝕模數(shù)值最高，主要是因?yàn)樵撟恿饔騼?nèi)大部分是旱田，C 值與 P 值都比較高。綜合侵蝕模數(shù)與侵蝕量結(jié)果，子流域 4、5、10 為流域內(nèi)土壤侵蝕的關(guān)鍵源區(qū)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整種植方式，退耕還林或者利用地埂種植技術(shù)、生物籬技術(shù)、混農(nóng)林技術(shù)等生物措施以及徑流控制凈化等工程措施控制土壤侵蝕，加強(qiáng)這些子流域的植被保護(hù)工作并提高水土保持措施，以降低土壤侵蝕模數(shù)。子流域 10 侵蝕模數(shù)和侵蝕量都比較大，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注；而子流域 1和 12 由于侵蝕總量較大，也應(yīng)該保持一定的關(guān)注。

在不同子流域中，不同侵蝕等級(jí)侵蝕量所占的比例相差較大，主要以劇烈侵蝕為主，占到了各自子流域的 35% ～ 54%，其中子流域 10 最高，子流域 2最低；而微度侵蝕所占的比例非常得低，最大不超過7%，其他侵蝕等級(jí)分別占了各自子流域的 3% ～20%?？傮w來講，所有子流域土壤侵蝕量主要來自高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)，其中以劇烈侵蝕為主。因此對(duì)土壤侵蝕控制的重心應(yīng)該是在高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)，通過恢復(fù)植被、調(diào)節(jié)坡面徑流等措施，降低土壤侵蝕等級(jí)，從而進(jìn)一步達(dá)到減少土壤侵蝕。

表4 不同子流域的土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)Table4 Summary data for soil erosion in different sub-watersheds

圖4 不同子流域的土壤侵蝕強(qiáng)度Fig. 4 Grades of soil erosion intensity in different sub-watersheds

3 結(jié)論

本研究利用 GIS 強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理能力，通過 USLE 模型實(shí)現(xiàn)了龍墩水庫(kù)小流域土壤侵蝕量的預(yù)測(cè)并進(jìn)行了空間分析及統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：龍墩水庫(kù)流域年均土壤侵蝕模數(shù)為 4 343.46 t/km2，侵蝕強(qiáng)度總體屬中度侵蝕。整個(gè)流域微度和輕度侵蝕所占面積比例相對(duì)較大，但產(chǎn)生的侵蝕量較??；極強(qiáng)度和劇烈侵蝕雖然所占面積較小，但卻產(chǎn)生了大部分的侵蝕量，兩者所占侵蝕量比例之和超過了 68%，因此對(duì)土壤侵蝕控制的重心應(yīng)該是在高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)。

從土地利用方式來看，不管是土壤侵蝕模數(shù)還是侵蝕量，旱田都是最大，是該流域土壤侵蝕的主要來源，而林地的侵蝕量相對(duì)較小，僅為旱田的 5%。草地和旱地的高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)產(chǎn)生了較多的侵蝕量，而水田和林地的侵蝕量還主要來自較低侵蝕等級(jí)。旱田由于耕作強(qiáng)度較大，植被覆蓋率低等原因，更容易產(chǎn)生侵蝕，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

從子流域來看，13 個(gè)子流域中，子流域 4、5、10 土壤侵蝕模數(shù)較大，為流域內(nèi)土壤侵蝕的關(guān)鍵源區(qū)，子流域 10 侵蝕模數(shù)和侵蝕量都比較大，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注，主要是因?yàn)檫@些子流域內(nèi)大部分是旱田；而子流域 1、9 和 12 由于侵蝕總量較大，也應(yīng)該保持一定的關(guān)注。所有子流域土壤侵蝕量都主要來自高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)，其中以劇烈侵蝕為主。通過分區(qū)可以更加明確地了解區(qū)域侵蝕狀況，便于后期的監(jiān)管和防治。

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Evaluation of Soil Erosion in Longdun Reservoir Watershed Based on GIS and USLE Model

CHEN Yudong， CHEN Mei， SUN Xu， LIU Chenwei， ZHANG Longjiang， SU Lianghu*
（Nanjing Institute of Environmental Science， Ministry of Environmental Protection， Nanjing 210042， China）

Universal Soil Loss Equation （USLE） model and GIS were used to evaluate soil erosion in Longdun Reservoir watershed of Nanjing. The results showed that Longdun Reservoir watershed was moderately eroded， and the average soil erosion modulus was 4 343.46 t/km2. More than 63% of the watershed area was at the level of micro or slight erosion. The watershed area with severe erosion was very small， but it contributed to more than 70% of soil erosion amount. Soil erosion in this watershed varied with land use types， and the annual average soil erosion modulus followed the order： upland field ＞ grass ＞ paddy field ＞forest land， and the soil erosion amount followed the order： upland field ＞ paddy field ＞ grass ＞ forest land. The watershed was divided into 13 sub-watersheds by GIS. The sub-watersheds 4， 5 and 10 were the areas with large soil erosion modulus， and the more attentions need to be paid to the sub-watershed 10 because of its large soil erosion modulus and soil erosion amount. The sub-watersheds 1， 9 and 12 should also be taken care of due to their large soil erosion amounts. Soil erosion amount in all sub-watersheds mainly came from the areas with high erosion grades and severe erosion. Therefore， the more attentions should be paid to the areas with high erosion potentials when the control measures are taken to inhibit soil erosion in future.

Geographic Information System（GIS）； Universal Soil Loss Equation （USLE）； Soil erosion； Small watershed

S157.1

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.024

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201309035）、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（2016）、國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2014ZX07101-012）資助。

*通訊作者（sulianghu@nies.org）

陳玉東（1984—），男，江蘇響水人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)田磷素循環(huán)及農(nóng)村面源污染控制研究。E-mail： dongzi1225@ sina.com