基于RUSLE的藉河示范區(qū)土壤侵蝕時空動態(tài)特征研究

楊孟豪，姚志宏，曹連海，黃 杰，王詩星，閆 安

(華北水利水電大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院, 鄭州 450046)

0 引 言

土壤侵蝕是世界上發(fā)生范圍最廣、影響最為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[1]，是土地退化的主要表現(xiàn)形式，一直是全球?qū)W者研究的重點課題[2-4]。我國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一[5]，據(jù)2013年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國土壤侵蝕總面積達到294.91 萬km2，占國土面積的30.72%[6]，因土壤侵蝕而造成的耕地土層變薄、土地生產(chǎn)力減退、江河湖庫淤積和加劇洪澇災(zāi)害等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著我國的生態(tài)安全、糧食安全和社會的可持續(xù)發(fā)展[7-9]，已成為我國的頭號環(huán)境問題[10]。黨的十九大提出要開展國土綠化行動，推進荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理。因此，明晰土壤侵蝕狀況、了解其時空變化規(guī)律對于評價水土治理以及深入指導(dǎo)水土保持建設(shè)意義重大。

采用模型的方法定量測度土壤侵蝕是最常用手段之一[11]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對土壤侵蝕模型方面展開了大量的研究，并形成了適應(yīng)不同地區(qū)的一系列模型，總體可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⑽锢砟Ｐ秃头植际侥Ｐ蚚12]。其中物理模型以美國的WEPP[13]、荷蘭的LISEM[14]和歐洲的EUROSEM[15]等模型為典型，分布式模型以SHE[16]模型最具代表性，但因物理模型和分布式模型在應(yīng)用時所需參數(shù)過多，且獲取難度較大，而實用性受限，因此，以USLE[17]、RUSLE[18]、CSLE[19]等經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用最為廣泛。土壤侵蝕的時空變化作為水土保持建設(shè)的成果體現(xiàn)，基于USLE、RUSLE及CSLE模型的區(qū)域土壤侵蝕時空變化特征研究受到了國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注，形成了大量的研究成果[11,20,21]，但關(guān)于藉河示范區(qū)土壤侵蝕的評價研究還較少[8,22]，特別是將研究期擴展到近期的研究更為鮮見。眾所周知，藉河示范區(qū)地處甘肅省天水市郊，屬于黃河三級支流藉河流域。該區(qū)水土流失具有范圍廣、面積大、侵蝕類型較復(fù)雜、方式多樣、過程集中、強度較大等特點。為遏制藉河示范區(qū)水土流失態(tài)勢，改善生態(tài)環(huán)境，黃河水利委員會分別于1998-2004年、2008-2011年開展了兩期水土流失治理項目。通過11年的治理，該區(qū)水土流失問題是否解決，治理效果究竟如何，亟須采用科學(xué)的手段對兩期工程治理前后土壤侵蝕的變化進行對比評價。

鑒于此，本文利用RUSLE模型計算藉河示范區(qū)1997年(一期工程實施前)、2005年(一期工程實施后、二期工程實施前)、2010年(二期工程實施中)和2015年(二期工程實施后)的土壤侵蝕模數(shù)，進而探討藉河示范區(qū)土壤侵蝕的時間變化規(guī)律及空間分布特征，可為科學(xué)的評價藉河示范區(qū)水土流失治理成效提供參考，同時可為明曉后續(xù)水土保持建設(shè)的工作方向提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

藉河示范區(qū)位于甘肅省天水市郊，地理位置為105°07′50″～106°00′45″E和34°20′19″～34°38′59″N之間(圖1)，屬于黃土丘陵溝壑第三副區(qū)，是黃河水利委員會在“十五”期間立項實施的第一個大型水土保持生態(tài)示范工程。藉河示范區(qū)位于暖溫帶半濕潤半干旱過渡地帶，多年平均氣溫10.8 ℃，多年平均降水量為566.8 mm，降雨年際變化大，最大年降水量809 mm(2003年)，最小年降水量321.8 mm(1996年)。降水在年內(nèi)分布不均，主要集中在7-9月，占年降水量的75%以上，多年平均汛期(5-10月)降水量500.0 mm，占年降水量的89.5%。研究區(qū)屬高強度暴雨多發(fā)地區(qū)之一，暴雨一般發(fā)生在7-8月份。研究區(qū)植被主要以暖溫帶落葉闊葉林為主。地貌類型主要為黃土丘陵地貌、紅土丘陵地貌、土石山區(qū)侵蝕地貌和河谷階地地貌。土壤類型主要是黑爐土、褐色土、紅土、黃綿土、淀淤土等，黃土層深厚，垂直節(jié)育發(fā)育，質(zhì)地疏松，遇水崩解速度較快，其抗蝕性很弱，紅土及雜色土成分復(fù)雜，土層薄厚不均，巖性松軟，易風(fēng)化剝落。

圖1 藉河示范區(qū)位置Fig. 1 Location of Ji river demonstration zone

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：①降雨數(shù)據(jù)。利用研究區(qū)及周邊觀測點的日降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合降雨侵蝕力算法和ArcGIS軟件地統(tǒng)計工具，實現(xiàn)研究區(qū)降雨侵蝕力的計算與空間插值；②土壤數(shù)據(jù)。結(jié)合研究區(qū)數(shù)字化1∶40萬的土壤類型圖及土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，實現(xiàn)研究區(qū)土壤可蝕性因子的計算；③地形數(shù)據(jù)?；贏rcGIS軟件以及LS_TOOL[23]軟件操作平臺，結(jié)合研究區(qū)水文關(guān)系正確的DEM數(shù)據(jù)，完成對土壤侵蝕預(yù)報模型中LS因子的提取；④遙感數(shù)據(jù)。結(jié)合研究區(qū)TM遙感影像，利用ENVI和ArcGIS軟件對遙感影像進行解譯，得到研究區(qū)植被蓋度圖和土地利用圖?；A(chǔ)數(shù)據(jù)具體情況見表1。

表1 藉河示范區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及用途Tab.1 Basic data and uses of Ji river demonstration zone

1.3 研究方法

RUSLE模型在黃土高原多個流域?qū)崿F(xiàn)了很好的應(yīng)用[11,24]，本文同樣采用RUSLE模型評價藉河示范區(qū)土壤侵蝕狀況，模型公式如下[18]：

A=RKLSCP

(1)

式中：A為單位面積的土壤侵蝕量，t/(hm2·a)，本文乘以100將單位換算為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·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為坡長坡度因子，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)

降雨侵蝕力是降雨對土壤侵蝕的潛在能力，是土壤侵蝕發(fā)生的主要驅(qū)動因素。本文采用章文波等[25]提出的日降雨侵蝕力模型進行計算。該模型主要是基于日降雨量數(shù)據(jù)對年降雨侵蝕力進行計算，已在全國多數(shù)地區(qū)進行應(yīng)用，計算結(jié)果誤差小精度高。公式如下：

(2)

(3)

式中：Rj為第j個半月的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)；Pi為第i天的降雨量，mm，當(dāng)Pi>12 mm時，取Pi=0；α、β為模型參數(shù)；m為半月的天數(shù)，取每月的前15天為上半月，其他時間為下半月；Pd12、Py12分別為日降雨量≥12 mm時的日均降雨量和年均降雨量，mm。

結(jié)合公式(2)、(3)求得不同觀測點1997年、2005年、2010年和2014年的降雨侵蝕力值，并在ArcGIS軟件平臺下用反距離權(quán)重插值法(IDW)生成連續(xù)分布的研究區(qū)降雨侵蝕力空間分布圖(圖2)。

1.3.2 土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性因子是評價土壤被侵蝕難易程度的指標(biāo)，反映土壤性質(zhì)對侵蝕外營力的敏感性。本文采用Williams等[26]提出的已被廣泛推廣應(yīng)用的EPIC土壤可蝕性因子計算模型，模型公式如下：

(4)

式中：Sd為砂粒含量，%；Si為粉粒含量，%；CL為黏粒含量，%；C為有機碳含量，%；Sn=1-Sd/100；將K乘以0.1317實現(xiàn)由美制單位向國際制單位轉(zhuǎn)換。

計算研究區(qū)各種類型土壤的可蝕性因子值，并結(jié)合ArcGIS軟件對其可視化表達如圖3所示。

1.3.3 坡度坡長因子LS

坡長坡度因子反映了地形對土壤侵蝕的影響，?；贒EM進行坡度坡長的提取。本文依據(jù)RUSLE的坡長因子算法和劉寶元采用黃土高原水土保持站的天然徑流小區(qū)的觀測資料改進的坡度因子的算法[27]，計算坡度坡長因子，公式如下：

L=(λ/22.13)m

(5)

(6)

圖2 1997-2015年藉河示范區(qū)降雨侵蝕力分布Fig.2 Distribution of rainfall erosivity of Ji river demonstration zone in 1997-2015

圖3 藉河示范區(qū)土壤可蝕性因子分布Fig.3 Distribution of soil erodibility factor of Ji river demonstration zone

(7)

式中：L為坡長因子；S為坡度因子；θ、λ分別為由 DEM 提取為坡度值和坡長值；22.13為RUSLE采用的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長，m；m為坡長指數(shù)，根據(jù)坡度不同取不同值。

通過運行地形因子計算工具LS_TOOL[23]，提取藉河示范區(qū)地形因子如圖4所示。比較發(fā)現(xiàn)坡長坡度因子圖的空間結(jié)構(gòu)與坡度因子圖極相似，而與坡長因子圖差別較大，這在一定程度上說明了坡度是影響該區(qū)土壤侵蝕的主要地形因子。

圖4 藉河示范區(qū)地形因子分布Fig.4 Distribution of terrain factor of Ji river demonstration zone

1.3.4 植被覆蓋與管理因子C

植被覆蓋與管理因子和植被覆蓋之間有很好的相關(guān)性，因此，本文參考RUSLE手冊，根據(jù)前人對黃土高原地區(qū)植被覆蓋與管理因子的研究成果[28-30]，結(jié)合藉河示范區(qū)土地利用類型和植被蓋度對植被覆蓋與管理因子進行賦值(表2)。

表2 不同土地利用類型和植被蓋度下的C值Tab.2 C value of different types of land use and vegetation coverage

1.3.5 水土保持措施因子P

水土保持措施因子是反映水土保持措施對土壤侵蝕速率影響的定量指標(biāo)，通常情況下，實地調(diào)查或遙感影像都很難獲得研究區(qū)水土保持措施因子。因此，本文根據(jù)以往研究[20,31,32]，并結(jié)合藉河示范區(qū)實際土地利用情況對水土保持措施因子賦值。其中建設(shè)用地、林地、草地及未利用地的水土保持措施因子賦值為1；水體的賦值為0；對于耕地，通常坡度越大，其水土保持措施的效果越明顯，因此參考表3按照坡度對耕地進行分級賦值。

表3 不同坡度下的P值Tab.3 P value of different slope

2 結(jié)果與分析

基于本文所選擇的土壤侵蝕模型和獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算得到藉河示范區(qū)1997-2015年的土壤侵蝕狀況，本次研究結(jié)果與野外實地調(diào)查結(jié)果相符；同時與其他同類研究如姚志宏[33]在GIS支持下模擬了藉河示范區(qū)2005年的土壤侵蝕模數(shù)為2 978 t/(km2·a)的結(jié)果基本一致。以上結(jié)論可說明在藉河示范區(qū)采用RUSLE模型所計算的土壤侵蝕數(shù)據(jù)值得進一步分析。

2.1 土壤侵蝕時間變化分析

根據(jù)前述得到的土壤侵蝕各因子值，結(jié)合公式(1)，在ArcGIS軟件中通過地圖代數(shù)運算得到藉河示范區(qū)各時期土壤侵蝕模數(shù)圖層，按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)進行分級制圖，得到藉河示范區(qū)土壤侵蝕等級分布如圖5所示。研究區(qū)1997年、2005年、2010年和2015年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 326.18、2 790.39、2 025.23和1 366.32 t/(km2·a)，1997-2005年增幅為110.41%，2005-2015年降幅為51.03%，可見，研究區(qū)土壤侵蝕在1997-2005年呈現(xiàn)加劇趨勢，2005年以后呈現(xiàn)改善趨勢。

統(tǒng)計藉河示范區(qū)研究期內(nèi)各侵蝕等級的面積百分比見表4，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤侵蝕整體上以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，兩者面積占比之和在63.62%～87.50%之間。此外，隨著時間的變化，輕度侵蝕和中度侵蝕呈降低趨勢，微度侵蝕、強烈及以上侵蝕等級呈波動增加趨勢，說明研究期內(nèi)土壤侵蝕有向兩極轉(zhuǎn)移的趨勢。

圖5 1997-2015年藉河示范區(qū)土壤侵蝕等級分布Fig.5 Distribution of soil erosion grades of Ji river demonstration zone in 1997-2015

表4 1997-2015年藉河示范區(qū)不同土壤侵蝕等級面積比例 %

為進一步探討不同侵蝕等級隨時間變化的內(nèi)部轉(zhuǎn)移特征，對不同侵蝕等級的面積數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，制作土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣如表5所示。1997-2005年，研究區(qū)各個土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移明顯且向更高等級土壤侵蝕轉(zhuǎn)移，微度侵蝕中35.39%轉(zhuǎn)移為更高等級土壤侵蝕，輕度侵蝕中58.96%轉(zhuǎn)移為更高等級土壤侵蝕，中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕中分別有59.63%、62.04%、44.96%轉(zhuǎn)移為更高等級土壤侵蝕。2005-2010年和2010-2015年土壤侵蝕在微度侵蝕等級上有較高的保存率(82.55%、89.80%)，在其他侵蝕等級上轉(zhuǎn)移較明顯，且多轉(zhuǎn)移為更低等級的土壤侵蝕類型，其中，輕度侵蝕分別有59.74%和69.79%轉(zhuǎn)移為微度侵蝕，中度侵蝕分別有68.19%和79.39%轉(zhuǎn)移為更低等級土壤侵蝕，且轉(zhuǎn)移部分分別有48.70%和63.91%轉(zhuǎn)移為微度侵蝕，強烈侵蝕中分別有79.77%和83.38%轉(zhuǎn)移為更低等級土壤侵蝕，極強烈侵蝕中分別有85.02%和91.87%轉(zhuǎn)移為更低等級土壤侵蝕，劇烈侵蝕的保存率僅為12.99%和5.85%，即有高達87.01%和94.15%的侵蝕轉(zhuǎn)移為更低等級的土壤侵蝕?？梢姡?005年之前研究區(qū)土壤侵蝕以向更高等級轉(zhuǎn)移為主，即呈現(xiàn)加劇趨勢，之后土壤侵蝕以向更低等級轉(zhuǎn)移為主，即呈現(xiàn)明顯改善趨勢。

2.2 不同坡度上土壤侵蝕空間變化特征

根據(jù)藉河示范區(qū)地形地貌特征，將研究區(qū)坡度劃分為≤5°、5°～15°、15°～25°、25°～35°、35～45°、>45°等6個等級，進而統(tǒng)計不同坡度等級上的土壤侵蝕分布情況，如表6。可以看出，藉河示范區(qū)不同等級的土壤侵蝕在不同坡度范圍內(nèi)的分布特征差異顯著。整個研究期內(nèi)，微度侵蝕主要分布在5°～15°和15°～25°的坡度等級上，其面積所占的比例分別為27.52%～37.87%和21.14%～29.44%；輕度侵蝕、中度侵蝕和強烈侵蝕主要分布在15°～25°和25°～35°的坡度等級上，其面積比例分別為54.14%～74.19%、57.96%～79.84%和63.92%～76.47%；極強烈侵蝕和劇烈侵蝕主要分布在25°～35°和35～45°的坡度等級上，各等級面積比例分別為38.20%～69.87%和56.62%～78.01%；在≤5°的坡度等級上幾乎無劇烈侵蝕發(fā)生且其他類型侵蝕發(fā)生的面積相對較少；在>45°的坡度等級上，因其傾向于發(fā)生高強度侵蝕，研究區(qū)加大了此類地形上水土保持工作的力度，成效顯著，而且此類地形面積較小，因此在此坡度等級上反而出現(xiàn)了高強度侵蝕很少發(fā)生的現(xiàn)象?？傊?，研究區(qū)的土壤侵蝕強度分布總體上表現(xiàn)為隨著坡度的增加，土壤侵蝕先趨于嚴(yán)重后趨于緩和。

表5 1997-2015年藉河示范區(qū)不同土壤侵蝕等級面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Area transfer matrix of different soil erosion grade of Ji river demonstration zone in 1997-2015

表6 1997-2015年藉河示范區(qū)不同坡度上不同土壤侵蝕等級面積比例Tab.6 Area ratio of different soil erosion grade on different slope of Ji river demonstration zone in 1997-2015

2.3 不同海拔上土壤侵蝕空間變化特征

在ArcGIS軟件中采用自然斷點法將藉河示范區(qū)的海拔劃分為1 013～1 335、1 335～1 562、1 562～1 782、1 782～2 136、2 136～2 711 m等5個等級，分別對應(yīng)為低海拔區(qū)、中低海拔區(qū)、中海拔區(qū)、中高海拔區(qū)和高海拔區(qū)5個海拔級別，統(tǒng)計4個時期不同海拔區(qū)土壤侵蝕分布情況如表7所示。發(fā)現(xiàn)研究區(qū)不同等級土壤侵蝕隨海拔升高整體呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在中海拔區(qū)和中低海拔區(qū)面積分布最廣(48.01%～79.41%)，其次為低海拔區(qū)(6.50%～34.23%)，在中高海拔區(qū)和高海拔區(qū)上面積分布均較少(<18.32%)。隨著土壤侵蝕等級的增加，各個海拔區(qū)的土壤侵蝕面積所占比例的變化特征存在著明顯差異。其中，在中海拔區(qū)上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，最大值出現(xiàn)在中度侵蝕，最小值出現(xiàn)在劇烈侵蝕；在低海拔區(qū)和高海拔區(qū)上則呈現(xiàn)與中海拔區(qū)相反的趨勢；在中低海拔區(qū)，1997年和2005年呈現(xiàn)增加趨勢，2010年和2015年則先增加后降低，最小值均出現(xiàn)在微度侵蝕，最大值分別出現(xiàn)在劇烈侵蝕和強烈侵蝕?？梢?，1997-2015年藉河示范區(qū)不同海拔上土壤侵蝕分布面積最廣、強度最大的區(qū)域主要集中在中海拔區(qū)和中低海拔區(qū)，究其原因可能與中海拔區(qū)和中低海拔區(qū)人類活動相對密集，對自然環(huán)境的擾動較大有關(guān)。

表7 1997-2015年藉河示范區(qū)不同海拔不同土壤侵蝕類型面積比例Table 7 Area ratio of different soil erosion grade on different altitude of Ji river demonstration zone in 1997-2015

3 結(jié) 論

本文利用RUSLE模型，并結(jié)合GIS和RS技術(shù)，對藉河示范區(qū)1997-2015年間不同等級土壤侵蝕的時間變化、內(nèi)部轉(zhuǎn)移特征以及空間分布特征進行了研究，揭示了藉河示范區(qū)土壤侵蝕的變化規(guī)律和分布特征，結(jié)論如下：(1)1997年、2005年、2010年和2015年，研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)分別為1 326.18、2 790.39、2 025.23和1 366.32，單位為t/(km2·a)，即土壤侵蝕在1997-2005年呈加劇趨勢，2005年之后呈現(xiàn)改善趨勢。研究期內(nèi)，土壤侵蝕整體以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，并存在著侵蝕等級向兩極轉(zhuǎn)移的趨向，其中在2005年之前，土壤侵蝕以向更高侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主，2005年之后以向更低侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主。

(2)研究區(qū)土壤侵蝕隨著坡度的增加先趨于嚴(yán)重后趨于緩和，微度侵蝕主要分布在5°～15°、15°～25°的坡度等級上，輕度侵蝕、中度侵蝕和強烈侵蝕主要分布在15°～25°、25°～35°的坡度等級上，極強烈侵蝕和劇烈侵蝕則主要分布在25°～35°、35°～45°的坡度等級上，≤5°的坡度等級上幾乎無劇烈侵蝕發(fā)生，>45°的坡度上土壤侵蝕得到了有效的控制，高強度侵蝕很少分布。

(3)不同等級土壤侵蝕隨海拔升高整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，土壤侵蝕分布面積最廣、強度最大的區(qū)域主要集中在中海拔區(qū)(1 562～1 782 m)和中低海拔區(qū)(1 335～1 562 m)，這與區(qū)域內(nèi)人類活動日益頻繁，對自然環(huán)境的干擾越來越大關(guān)系密切。

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