基于LUCC的冀北土石山區東北溝流域土壤侵蝕時空變化分析

呂明權，王繼軍，2?，江青龍，張懷，郝曉東

(1西北農林科技大學資源環境學院，712100，陜西楊凌;2中國科學院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;3河北省承德市水土保持科學研究所，067000，河北承德)

土地利用/覆蓋變化可引起許多自然現象和生態過程的變化，而土壤侵蝕則是引起土地利用/覆被變化的主要環境效應之一［1］。土地利用/覆蓋變化可以影響土壤物理、化學性質和植物根部的固結作用，進而改變土壤的抗侵蝕能力［2-3］。土地利用方式的變化也可以通過改變植被覆蓋影響徑流和土壤侵蝕的變化［1］，即土地利用與土壤侵蝕關系密切，這也是近年來土地利用/土地覆被變化、土壤侵蝕等領域研究的熱點問題［1，4］。

在土地利用與土壤侵蝕交叉研究領域，最早的研究主要是在坡面尺度上通過徑流小區試驗對比不同土地利用方式的土壤侵蝕效應。例如:符素華等［5］選用北京山區坡面徑流試驗小區的野外觀測結果，分析不同土地利用方式下的相對土壤侵蝕率及其區域差異;蔡強國等［6］探討紫色土陡坡地不同土地利用對水土流失過程的影響。擴展到流域尺度，這方面的研究則主要借助土壤侵蝕模型。傅伯杰等［7］采用在流域出口建壩觀測和樣地實測的方法，在校正LISEM模型的基礎上模擬了不同土地利用方案的水土流失效應。倪晉仁等［8］和李輝霞等［9］直接利用土地利用結構來預測土壤侵蝕狀況。隨著GIS和RS技術的發展，定量研究不同土地利用背景下的土壤侵蝕空間分布規律更為方便，岷江上游、黃河流域和瀾滄江流域等地區的研究［10-12］有見報道。

冀北土石山區近20年來土地利用發生了較大變化，土壤侵蝕強度正逐漸減小;但在該區域土地利用/覆被變化與土壤侵蝕關系研究滯后，在這方面東北溝流域具有典型的代表性:所以，選擇該流域為研究區域，分析近20年土地利用變化過程，運用通用土壤侵蝕方程(RUSLE)模擬其近20年的土壤侵蝕動態變化，并進一步對不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況進行分析，以期為當地進一步做好水土流失的防治工作提供有益的參考。

1 研究區概況

東北溝小流域位于河北省承德市平泉縣西部(圖1)，屬燕山山脈中低區，地理坐標為E 118°33'9″～118°37'9″、N 41°3'7″～41°6'19″，由東溝和北溝2條溝組成，流域總面積19.4 km2。流域內最高山峰海拔1 179 m，最低處海拔593 m。屬于流入潘家口水庫的灤河水系。該流域為暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.1℃，無霜期135 d，多年平均降雨量為540.8 mm，約80%集中在6—9月份。土壤類型有褐土、棕壤、石質土、新積土、粗骨土和黃綿土，土層厚度30～60 cm。1991年全流域范圍內實施了封山禁牧之后，植被逐漸得以恢復。2003—2006年累積退耕96 hm2。

圖1 東北溝流域所在位置Fig.1 Location of Dongbeigou Watershed

2 數據來源

采用的數據主要包括分辨率為5 m的DEM，全色波段分辨率0.61 m的影像(成像時間是2009年)，1990和2009年流域2個時期土地利用圖，其中1990年的土地利用圖來自當時承德市水土保持研究所對東北溝流域進行水土保持治理時土地現狀調查，2009年土地利用數據基于高清遙感影像進行小班劃分后進行野外實地調查獲得。土壤的物理性狀數據由流域采集的土壤樣品實驗分析所得。1980—2009年的月降雨數據來自平泉縣氣象站。承德市徑流小區監測資料和1990年流域植被覆蓋度數據來源于承德市水土保持研究所，2009年植被蓋度數據是小班劃分基礎上的野外實地調查所得。

3 研究方法

3.1 土地利用變化分析

土地利用分類參考劉紀遠［13］提出的分類系統，根據研究區實際情況，將其土地利用類型劃分為6個一級類型:耕地、林地、草地、溝道水域、居民用地和未利用土地。其中草地分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地，林地分為有林地、疏林地、灌木林地和經濟林地。未利用地指風化巖祼露的難利用土地。

在ArcGIS 9.2平臺下，對調查得到的東北溝流域1990和2009年2個時期的土地利用圖數字化，利用軟件里spatial analyst tools-zonal-tabulate area工具獲得研究區1990—2009年的土地利用轉移矩陣，運用Excel軟件對土地利用變化的屬性數據進行統計，分析土地利用的時空變化特征。

3.2 土壤侵蝕的模擬

采用在我國水蝕預報模型中應用最廣泛的修正通用土壤侵蝕模型，該模型是1965年Wischmeier等基于大量小區觀測資料和人工模擬降雨試驗資料建立的通用土壤流失方程(USLE)的基礎上對一些參數進行修正得來，其形式［1，14］為

式中:A為土壤侵蝕模數，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力模數，MJ·mm/(hm2·h·a);K 為土壤可蝕性系數，t·h/(MJ·mm);LS 為地形因子，量綱為 1，其中 L為坡長因子，S為坡度因子;C為地表覆蓋與管理因子，量綱為1;P為水土保持措施因子，量綱為1。

3.2.1 降雨侵蝕力因子 降雨侵蝕力因子R指在降雨和其產生的徑流2種作用力下引起土壤侵蝕的潛在能力［14］。降雨侵蝕力的計算方法是將降雨總動能E和最大30 min降雨強度I30的乘積EI30作為降雨侵蝕力指標［15］，但流域詳細降雨資料的缺乏，本文采用基于逐月降雨數據的降雨侵蝕力模型，公式為

式中:pi為多年逐月平均降雨量，mm，p為逐年平均降雨量，mm。利用1980—2009年的降雨資料計算了流域范圍內的降雨侵蝕力，1980—1989年降雨侵蝕力為 176.49 MJ·mm/(hm2·h·a)，1990—1999 年降雨侵蝕力為 165.02 MJ·mm/(hm2·h·a)，2000—2009 年降雨侵蝕力為 133.05 MJ·mm/(hm2·h·a)，近30年來降雨侵蝕力逐漸變小。

3.2.2 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性因子K指單位降雨侵蝕力在標準小區上造成的土壤流失量［14］，標準小區指坡長22.1 m，均一坡度9%，順坡犁耕的連續休閑地的小區。土壤可蝕性K通過小區測定得到，但這種方法繁瑣，本文利用EPIC模型［16-17］，其具體形式為

式中:Sd為砂粒質量分數，%;Si為粉粒質量分數，%;Cl為黏粒質量分數，%;C為有機碳質量分數，%。

采用上式求K值，不同土壤類型的K值分別為:褐土 0.237 t·h/(MJ·mm)，棕壤 0.172 t·h/(MJ·mm)，石質土 0.172 t·h/(MJ·mm)，新積土 0.154 t·h/(MJ·mm)，粗骨土 0.302 t·h/(MJ·mm)，黃綿土 0.332 t·h/(MJ·mm)。

3.2.3 地形因子 地形因子包括坡長因子L和坡度因子S，指在其他條件相同的情況下，某一給定坡長和坡度的坡面上，土壤流失量與標準徑流小區典型坡面土壤流失量的比值［18］。LS因子在高程模型DEM上，利用劉寶元等［19］提出LS因子公式提取得到。具體的提取算法見張宏鳴等［20］基于此公式開發的算法。

式中:θ為坡度，(°);λ為坡長，m;m為坡長指數。當 θ＜1°時，m=0.2;當 1°≤θ＜30時，m=0.3;當3°≤θ＜5°時，m=0.4;當 θ≥5°時，m=0.5。LS 最小值為1，最大值為44.5，平均值為7.39。

3.2.4 覆蓋與管理因子 覆蓋與管理因子C是指一定條件下有植被覆蓋或實施田間管理的土地土壤流失總量與同等條件下實施清耕的連續休閑地土壤流失總量的比值，介于0～1之間［21］。C因子受到諸多因素的影響，如植被、作物種植順序、生產力水平、生長季長短、栽培措施、作物殘余物管理、降雨分布等，這使得對C因子值的直接計算很困難［21］，我國在應用C值時主要考慮植被覆蓋度，從植被覆蓋度與土壤侵蝕量間的定量關系入手。本文應用在覆蓋與管理因子計算比較廣泛的方法［17］，其表達式為

式中c為植被覆蓋度，通過流域的小班野外調查獲得。耕地的C值借鑒張巖等［21］的結果。

3.2.5 水土保持措施因子 水土保持措施因子P反映水土保持措施對坡面土壤流失量的控制作用。東北溝流域在20世紀90年代初期經過了治理，采取了一些水土保持措施;但經過實地調查發現這些措施現在都沒有發揮作用，魚鱗坑和水平溝都已經於滿或不復存在，故對林地、草地、未利用地和其他用地的P值取為1，耕地一律用坡度值換算出P值［18］。

表1 坡耕地坡度值與P值換算關系Tab.1 Conversion between cultivated land and P value

4 結果與分析

4.1 土地利用變化

在ArcGIS工作環境中，用1990年和2009年土地利用圖疊加分析得到東北溝流域1990—2009年的土地利用轉移矩陣(表2)，可以看出，土地利用發生了較大的變化。其中變化最明顯的是林地和草地，林地由占流域面積的38.56%上升到55.83%，草地從29.23%減少到18.92%，耕地也減少了3.49%，未利用土地與耕地減少程度相當，居住用地和溝道水域用地變化不大。從土地利用轉移矩陣中可以看出，林地中有林地增加了184.23 hm2，2009年的疏林地比1990年減少了162.14 hm2，有林地的增加主要是從疏林地變化而來的;因為1991年開始東北溝流域封山禁牧，疏林地通過自我生態修復植被覆蓋度增加郁閉度提高變成有林地，灌木林增加了256.84 hm2，變化最為明顯，其中222.9 hm2灌木林由草地變化而來，有35 hm2的坡耕地通過退耕還林變為灌木林，還有一部分的坡耕地退耕變為經濟林，經濟林增加不明顯。草地減少的部分主要變為林地，草地內部不同覆蓋度之間的草地也有變化，1990年草地的面積566.87 hm2，其中以低覆蓋度草地為主有341.65 hm2，有209.68 hm2低覆蓋度的草地因為人為干擾減少得以自我恢復變為中覆蓋度的草地。耕地減少的主要類型是坡耕地。1990—2009年難利用土地從占流域面積的17.11%減少到13.64%，難利用土地主要轉化為中覆蓋度草地。

4.2 土壤侵蝕分析

根據RUSLE模型中各因子取值，得到各因子柵格圖層，利用ArcGIS的柵格數據疊加運算功能，將各因子圖層相乘，得到每個柵格年土壤流失量。根據水利部SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》將流域的土壤侵蝕進行強度劃分得到流域侵蝕強度分級圖(圖2)，統計得1990和2009年各侵蝕等級所占的面積(表3)。1990年流域大部分區域的侵蝕強度均在中度及其以上，占67.06%，2009流域大部分區域的侵蝕強度均在中度及其以下，占86.60%。經統計分析得出:1990年流域的土壤侵蝕模數是5 136.13 t/(km2·a)，2009年流域的土壤侵蝕模數是1 823.30 t/(km2·a)。

4.3 不同土地利用方式下的土壤侵蝕變化

將不同年份土地利用圖分別與土壤侵蝕分級圖和土壤侵蝕圖疊加，統計不同土地利用方式的土壤侵蝕等級面積比例(表4)和不同土地利用方式的土壤侵蝕背景值(表5)，可知，各土地利用類型的土壤侵蝕強度均減弱較大，輕度侵蝕范圍明顯擴大，其侵蝕模數減小幅度較大。1990年大部分林地的土壤侵蝕強度屬于中度，林地的土壤侵蝕模數是3 875.48 t/(km2·a)，到 2009 年占流域 8.18 km2面積的輕度侵蝕區的土地利用類型主要是林地，它的整體侵蝕模數已下降到361.69 t/(km2·a)。難利用土地的土壤侵蝕強度變化也較明顯，主要從強烈和極強烈侵蝕類型向中輕度侵蝕類型過渡，侵蝕模數由1990年的8 871.82 t/(km2·a)下降到 2009年5 342.97 t/(km2·a)。坡耕地的土壤侵蝕模數從1990年的4 505.20 t/(km2·a)降低至 2009年的3 370.90 t/(km2·a)，平耕地的土壤侵蝕變化不大。耕地的總體侵蝕模數也由3 642.53 t/(km2·a)減小到2 785.66 t/(km2·a)，其主要誘因是將坡度較陡易發生土壤侵蝕的坡耕地退耕還林。草地的侵蝕模數在這期間減少了2 153.32 t/(km2·a)。土壤侵蝕模數普遍減小的原因:一方面是因為降雨侵蝕力的減少，1980—1989年的降雨侵蝕力為179.69 MJ·mm/(hm2·h·a)，2000—2009 年的降雨侵蝕力 133.05 MJ·mm/(hm2·h·a);另一方面是因為到2009年植被經

過近15年的自然封育植被恢復良好土壤侵蝕的控制性因子提高，植被覆蓋度的提高和生態的恢復也使土地利用類型之間發生轉化。土地利用類型的轉化也對控制侵蝕發揮了一定的作用，易發生侵蝕的土地利用類型向土壤侵蝕模數小的土地利用方式變化，如耕地變為林地，草地變為林地，疏林地變為有林地。

表2 1990—2009年東北溝流域土地利用轉移矩陣Tab.2 Land use transfer matrix of Dongbeigou Watershed from 1990 to 2009 hm2

圖2 1990和2009年東北溝流域土壤侵蝕強度圖Fig.2 Soil erosion classes in Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009

表3 不同侵蝕強度的侵蝕面積及土壤侵蝕量Tab.3 Area and amount for different soil erosion intensity

表4 1990和2009年東北溝流域不同土地利用類型的土壤侵蝕等級面積比例Tab.4 Area ratio of different ranks of soil erosion intensity of land use types of Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009 %

表5 1990和2009年東北溝流域不同土地利用類型的土壤侵蝕模數Tab.5 Modulus of soil erosion of different land use types in Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009

4.4 模型的驗證

通用土壤侵蝕方程是一個經驗方程，該方程計算的結果需要驗證。想獲得實際土壤侵蝕量最基本的方法是卡口站觀測徑流和泥沙的數據得到。理論計算的侵蝕量是基于坡面模型的每個單元侵蝕量的簡單求和，而沒有考慮每個柵格侵蝕量是否發生沉積。東北溝流域即沒有泥沙監測數據也不知道泥沙輸移比，因此，本文計算的結果通過小區觀測的方法來驗證。研究區內徑流小區觀測場還沒得到足夠的數據，用文中估算侵蝕的方法來計算處于同一類型區的的圍場、豐寧和灤平徑流觀測小區的土壤侵蝕量，將計算結果與實測值進行對比，以判斷所選參數的合理性。圍場、豐寧、灤平與本文的研究區都屬于冀北土石山區［13］，該區域的土壤類型、植被、地形地貌和降雨特征都具有很大的相似性;因此，利用同一類型區的徑流小區觀測值來驗證本文計算結果的準確性。將計算值和實測值比較(表6)，可知除梯田小區以外，其他小區的計算誤差均保持在30%以內，研究區內不涉及到梯田所以不會對整體的計算結果造成影響。

表6 冀北山區徑流小區計算侵蝕量和實測侵蝕量比較Tab.6 Comparison of erosion quantity between observed value and calculated value forplots in northern mountainous area，Hebei Province

5 結論

1)1990—2009年東北溝流域土地利用類型發生了較明顯的變化，這種大類的土地利用方式的變化如草地和林地，耕地與林地之間的轉化，主要是人為的生態環境建設所為，土地利用方式內部的變化則是封山禁牧使植被得以恢復，促使了這種變化。

2)東北溝流域1990—2009年土壤侵蝕強度減小，土壤侵蝕模數從5 136.13 t/(km2·a)減小到1 823.30 t/(km2·a)。土地利用類型對土壤侵蝕影響明顯，1990—2009年各土地利用類型的平均土壤侵蝕模數下降幅度都較大，其中發生在難利用土地的土壤侵蝕減少量最大(3 528.85 t/(km2·a))，其次為林地，草地的侵蝕模數減小也較為明顯。不同土地利用類型的土壤侵蝕模數差距較大;因此，土地利用類型的轉化對土壤侵蝕強度變化有影響，易產生水土流失的土地利用類型減少土壤侵蝕強度弱的土地利用類型增加對控制流域土壤侵蝕會產生明顯的成效。

［1］趙文武，傅伯杰，呂一河.多尺度土地利用與土壤侵蝕［J］. 地理科學進展，2006，25(1):24-33

［2］傅伯杰，陳利頂，王軍，等.土地利用結構與生態過程［J］.第四紀研究，2003，23(3):247-255

［3］邱揚，傅伯杰，王勇.土壤侵蝕時空變異及其與環境因子的時空關系［J］.水土保持學報，2002，16(1):108-111

［4］吳秀芹，蔡運龍.土地利用/覆蓋變化與土壤侵蝕關系研究進展［J］.地理科學進展，2003，22(3):576-584

［5］符素華，段淑懷，李永貴，等.北京山區土地利用對土壤侵蝕的影響［J］.自然科學進展，2001，12(1):108-112

［6］蔡強國，吳淑安.紫色土陡坡地不同土地利用對水土流失過程的影響［J］.水土保持通報，1998，18(2):1-8

［7］傅伯杰，陳利頂，馬克明.黃土丘陵區小流域土地利用變化對生態環境的影響:以延安市羊圈溝流域為例［J］.地理學報，1999，54(3):241-246

［8］倪晉仁，李英奎.基于土地利用結構變化的水土流失動態評估［J］.地理學報，2001，56(5):611-621

［9］李輝霞，劉淑珍，何曉蓉.基于土地利用結構特征的土壤侵蝕強度預測研究:以四川省為例［J］.中國生態農業學報，2006，14(1):93-95

［10］王思遠，王光謙，陳志祥.黃河流域土地利用與土壤侵蝕的耦合關系［J］.自然災害學報，2005，14(1):32-37

［11］姚華榮，崔保山.瀾滄江流域云南段土地利用及其變化對土壤侵蝕的影響［J］.環境科學學報，2006，26(8):1362-1371

［12］劉艷鋒，陳學華，賀秀斌，等.岷江上游土壤侵蝕與土地利用的耦合關系研究.西北林學院學報，2010，29(11):1451-1456

［13］劉紀遠.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究［M］.北京:中國科學技術出版社，1996

［14］Wischmeier W H，Smith D D.Predicting rainfall erosion losses-A guide to conservation planning with the Universal Soil Loss Equation(USLE).Agriculture Handbook No.537，United States Department of Agriculture，Springfield，USA，1978

［15］王萬忠，焦菊英，郝小品，等.中國降雨侵蝕力R值的計算與分布［J］.水土保持學報，1995，9(4):5-18

［16］范麗麗，沈珍瑤，劉瑞民.基于GIS的大寧河流域土壤侵蝕評價及其空間特征研究［J］.北京師范大學學報:自然科學版，2007，43(5):563-566

［17］蔡崇法，丁樹文，史志華.應用USLE模型與地理信息系統IDRISI預測小流域土壤侵蝕量的研究［J］.水土保持學報，2000，14(2):19-24

［18］周平，蒙吉軍.鄂爾多斯市1988—2000年土壤水力侵蝕與土地利用時空變化關系［J］.自然資源學報，2009，24(10):1706-1707

［19］Liu B Y，Near M A，Risse L M.Slope gradient effects on soil loss for steep slopes［J］.Transactions of the ASAE，1994，37(6):1835-1840

［20］張宏鳴，楊勤科，劉晴蕊，等.基于GIS的區域坡度坡長因子提取算法［J］.計算機工程，2010，36(9):246-248

［21］張巖，袁建平，劉寶元.土壤侵蝕預報模型中的植被覆蓋與管理因子研究進展［J］.應用生態學報，2002，13(8):1033-1036