基于GIS與RUSLE模型的畢節(jié)市土壤侵蝕動態(tài)變化

張思琪，翁應(yīng)芳

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 引言

我國喀斯特地貌分布面積廣，景觀類型豐富，其中西南喀斯特地區(qū)是全球三大喀斯特集中分布區(qū)中連片裸露碳酸鹽巖面積最大[1]，巖溶發(fā)育最強烈的地區(qū)[2]。畢節(jié)市作為貴州省典型喀斯特地貌發(fā)育的代表性區(qū)域，由于特殊的地質(zhì)背景和強烈的巖溶作用，以及當(dāng)?shù)厝嗣癫缓侠淼耐恋乩梅绞?，加劇了區(qū)內(nèi)石漠化問題和貧困問題，激發(fā)生態(tài)環(huán)境保護與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾，使當(dāng)?shù)赝寥狼治g現(xiàn)狀惡化，嚴(yán)重制約了該區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展[3～5]。因此，研究畢節(jié)市土壤侵蝕的時空變化規(guī)律對開展水土保持工作和改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要意義。

當(dāng)前關(guān)于土壤侵蝕的研究以1997年由美國土壤水土保持局提出的修正通用土壤流失方程RUSLE模型應(yīng)用最為廣泛[6]。例如，孫德亮等以貴州省為例研究該區(qū)2010年的土壤侵蝕模數(shù)以及空間分布特征[7]，胡先培等基于RUSLE模型對盤州市土壤侵蝕動態(tài)變化進行了研究[8]，謝穎穎等對畢節(jié)實驗區(qū)山區(qū)土地利用變化與土壤侵蝕的耦合關(guān)系進行了研究[9]，李月[10]基于GIS和RUSLE模型對喀斯特土壤侵蝕時空演變規(guī)律進行了探究，周秋文[11]對喀斯特地區(qū)土壤可蝕性因子空間估算方法進行總結(jié)。由于畢節(jié)市地質(zhì)地貌的特殊性，生態(tài)環(huán)境的脆弱性且當(dāng)前對該區(qū)開展的土壤侵蝕研究較少。因此，本文以畢節(jié)為研究區(qū)域，基于GIS和RUSLE模型對畢節(jié)市2002～2016年土壤侵蝕時空變化特征以及影響因子進行定量研究，以期為土壤侵蝕治理和水土保持工作提供參考。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處北緯26°21′～27°46′，東經(jīng)103°36′～106°43′，位于貴州省西北部，是烏江、赤水河、北盤江的發(fā)源地。全區(qū)總面積26848.5 km2，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺斷裂交錯發(fā)育。巖溶地貌形態(tài)多樣，在區(qū)內(nèi)分布次序為：東部峰林、谷地、峰叢、緩丘、洼地—中部峰叢、槽谷、丘陵洼地—西部高原、巖溶、緩丘、盆地。地勢西高東低，最高海拔2900.6 m，最低海拔457 m。境內(nèi)氣候夏無酷暑、冬無嚴(yán)寒，季風(fēng)氣候比較明顯，降雨量較為充沛，立體氣候突出。年平均溫度14.6 ℃，年平均總降水量1047.7 mm，年日照時數(shù)1096～1769 h，無霜期245～290 d，海拔相對高差大，垂直氣候變化尤為明顯。

圖1 研究區(qū)位圖

3 數(shù)據(jù)來源和方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：DEM數(shù)據(jù)；2010年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)；降水?dāng)?shù)據(jù)在http://worldclim.org /version2下載全球多年月平均降水?dāng)?shù)據(jù)獲??；NDVI數(shù)據(jù)是在地理空間數(shù)據(jù)云MODIS中國合成產(chǎn)品下載MYDND1M中國500M NDVI月合成產(chǎn)品2002、2005、2010、2016年5月份的數(shù)據(jù)進行獲取；土壤類型數(shù)據(jù)在1 km分辨率世界土壤特征數(shù)據(jù)庫(HWSD)下載。

3.2 土壤流失方程

本文采用的RUSLE模型方程表達(dá)為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式(1)中，A為年均土壤侵蝕量[t/ ( km2·年)]；R為降雨侵蝕因子[MJ ·mm/(hm2·h·年)]；K為土壤可侵蝕因子[t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]；LS為地形因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為水土保持措施因子。

3.2.1 降雨侵蝕力因子R

R表示降水對土壤的侵蝕能力大小，其時空分布在一定程度上決定了土壤侵蝕的空間分布規(guī)律。本研究采用周伏建等[12]提出的適合中國南方地區(qū)的簡易計算公式計算降雨侵蝕力R。

(2)

式(2)中，Pi為多年平均月降水量，單位為mm，R的取值范圍為130.407～186.081。

3.2.2 土壤可侵蝕性K因子獲取

K值是反映土壤對降雨滲透能力及其對降雨和徑流剝蝕、搬運敏感程度的一個重要指標(biāo)，K值越大，土壤受侵蝕的可能性越大，反之越小。通過土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)提取研究區(qū)土壤類型數(shù)據(jù)計算K值。K值在0.0687434～0.0981527之間，公式如下：

(3)

式(3)中，SD為土壤砂粒含量(%)；Si為土壤粉粒含量(%)；Ci為土壤黏粒含量(%) ；Cor為有機碳含量(%)。

3.2.3 地形因子LS獲取

LS是影響土壤侵蝕和水土保持措施的重要參數(shù)，本研究中計算LS的計算公式如下所示。

(4)

式(4)中，A代表匯流累計量，θ代表坡度。

3.2.4 地表植被覆蓋因子(C )估算

植被覆蓋對于防治土壤侵蝕具有重要作用，C值的大小能較好的反應(yīng)土壤侵蝕的空間分布，其取值范圍為0～1，如圖5所示。計算公式為：

(5)

式(5)中α取值為2，β取值為1，NDVI為月合成數(shù)據(jù)。

3.2.5 水土保持實施因子(P)

P表示采取水土保持措施后，研究區(qū)土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量比值，其值介于0到1之間，0表示不會發(fā)生水土流失的區(qū)域，1表示未采取水土保持措施的區(qū)域。結(jié)合土地利用信息根據(jù)表1進行賦值。

表1 不同土地利用類型P值

4 結(jié)果分析

4.1 土壤侵蝕的時空變化特征

如圖2所示，從空間上看，全區(qū)主要發(fā)生輕度土壤侵蝕，占國土面積98%以上，土壤侵蝕呈現(xiàn)塊狀和條帶狀特征。侵蝕較為嚴(yán)重的主要是西部、西南和東部地區(qū)。2002到2006土壤侵蝕模數(shù)先增后減，說明國家及政府采取的各項水土保持措施治理效益良好。按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007))進行重分類(見表2)，對研究區(qū)土壤侵蝕量和侵蝕強度等級圖進行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。研究區(qū)主要以小于500 t/(km2·年)的微度侵蝕為主，2002年輕度侵蝕面積最大，達(dá)25512.34 km2。2010年侵蝕程度最為嚴(yán)重，輕度侵蝕面積為2454.43 km2，中度侵蝕面積為405.6318 km2，強度侵蝕面積為106.3692 km2，極強度侵蝕面積為63.9009 km2，劇烈侵蝕面積為16.6698 km2。就研究區(qū)內(nèi)各縣區(qū)而言，威寧、黔西土壤侵蝕最為嚴(yán)重。

表2 水土流失強度分級標(biāo)準(zhǔn)

4.2 土地利用類型對土壤侵蝕的影響

如表4所示，土地利用類型對土壤侵蝕具有顯著的影響。從侵蝕面積上來看，土地利用類型的面積越大，相應(yīng)的土壤侵蝕面積也越大，其中耕地的土壤侵蝕面積較大，占土壤侵蝕總量的40.09%，其次為林地，所占比例為25.11%，草地及未利用地占比大致相等，分別為14.40%和14.60%，其他的土地利用類型發(fā)生土壤侵蝕的面積較少，占總土壤侵蝕面積的5.8%。

總體上來看，該區(qū)的主要土壤侵蝕類型為輕度侵蝕，只有居民點和未利用地發(fā)生了極強度和劇烈侵蝕。因此，要積極采取措施預(yù)防耕地、林地、草地發(fā)生土壤侵蝕，采取合理的耕作方式，鼓勵退耕還林，加強人們保護土地的意識，有效防止土壤侵蝕現(xiàn)狀的惡化。

圖2 2002～2016研究區(qū)土壤年均侵蝕量

表3 研究區(qū)土壤侵蝕強度面積 km2

表4 不同土地利用類型下土壤侵蝕狀況 km2

4.3 不同高程下土壤侵蝕特征

如表5所示，發(fā)生土壤侵蝕的高程主要為1000～2000 m這個階段，其次為2000～2500 m，土壤侵蝕面積占比分別為69.4%和24.70%。從土壤侵蝕狀況來看，0～500 m高程只發(fā)生微度侵蝕，其面積為3.1752 km2，較高和較低的區(qū)域都不發(fā)生強度以上的土壤侵蝕。隨著高程的增加土壤侵蝕強度呈現(xiàn)先增加然后減少的趨勢，高程在1000～2000 m這個區(qū)域是土壤侵蝕發(fā)生主要區(qū)域，這也是人類活動最為頻繁的區(qū)域。

表5 不同高程下土壤侵蝕特征

4.4 不同坡度下土壤侵蝕特征

如表6所示，坡度與發(fā)生土壤侵蝕的面積密切相關(guān)。總體而言，研究區(qū)發(fā)生微度侵蝕面積占侵蝕總面積的93.71%。從坡度等級分類上來看，<8°、8～15°、15～25°三個坡度等級發(fā)生了極強度以上的土壤侵蝕。整個研究區(qū)坡度在8～45°發(fā)生土壤侵蝕的面積占總面積的83.40%，8～15°這個坡度等級發(fā)生的土壤侵蝕面積最大，達(dá)11914.5411 km2，占國土面積的44.36%，其次為15～25°。全區(qū)發(fā)生土壤侵蝕的面積占國土面積的99.5%，25°以上坡度等級很少發(fā)生極強度的土壤侵蝕，而25°以下發(fā)生土壤侵蝕的面積占比最大。

表6 不同坡度下的土壤侵蝕特征

5 結(jié)論

經(jīng)過以上分析得出以下結(jié)論：研究區(qū)土壤侵蝕的空間分布從2002年到2006年都主要表現(xiàn)為西部和東部較為強烈，威寧和黔西發(fā)生的土壤侵蝕程度較大些。從2002年到2016年土壤侵蝕程度及發(fā)生土壤侵蝕的面積先增大、后減小，2010年土壤侵蝕最為嚴(yán)重，說明近幾年來我國積極采取退耕還林的水土保持措施取得了很好的生態(tài)效應(yīng)。全區(qū)以微度侵蝕為主，其發(fā)生微度侵蝕的面積占國土面積的93%以上。由于研究區(qū)地質(zhì)地貌的特殊性和差異性導(dǎo)致土壤侵蝕的空間異質(zhì)性較大。土地利用類型、高程和坡度是造成這種差異的重要因素。從土地利用上來看，耕地、林地、草地發(fā)生的土壤侵蝕面積大但侵蝕強度等級較低，而未利用地發(fā)生了劇烈侵蝕。從高程上來看，1000～2000 m這個高程發(fā)生的土壤侵蝕最為嚴(yán)重。就坡度而言，8～15°這個坡度等級的土壤侵蝕最為嚴(yán)重，這些區(qū)域是今后水土流失防治的重點地帶。