基于RS和GIS的陜北黃土高原退耕還林區土壤侵蝕定量評價

王 娟， 卓 靜

(陜西省農業遙感信息中心, 陜西 西安 710014)

基于RS和GIS的陜北黃土高原退耕還林區土壤侵蝕定量評價

王 娟， 卓 靜

(陜西省農業遙感信息中心, 陜西 西安 710014)

摘要：[目的] 分析陜北黃土高原退耕還林區2000，2007和2012年土壤侵蝕量時空變化特征，為該地區開展退耕還林(還草)工程提供參考。[方法] 在GIS和RS的技術支持下，以陜北黃土高原退耕還林區為研究區域，應用美國通用土壤流失預報方程(RUSLE模型)為評價模型，利用ArcGIS 9.2的柵格數據空間分析功能，對研究區域2000，2007和2012年土壤侵蝕強度進行了估算，在此基礎上分析了其時空變化特征。[結果] 陜北黃土高原退耕還林區2000—2012年土壤侵蝕量呈下降趨勢，2012年較2000年下降了1 162 t/(km2·a)；以子長縣為例，2000年土壤侵蝕模數在2 500 t/(km2·a)以下的面積僅占區域總面積的0.1%，2012年上升為55.2%；2000年研究區主要土壤侵蝕強度為中度侵蝕，2012年為輕度侵蝕，變化劇烈的區域主要集中在黃土高原丘陵溝壑區的子長、安塞、志丹等縣。[結論] 植被覆蓋因子是影響區域內土壤侵蝕的最主要因素，由此可見大力開展退耕還林(還草)工程可以有效抑制區域內土壤侵蝕狀況。

關鍵詞：陜北; 黃土高原; 退耕還林區; 土壤侵蝕; 定量分析

土壤侵蝕是當今世界各國的主要環境問題，它嚴重威脅著人類的生存和發展,它不但破壞了生態環境平衡，還能加劇干旱、洪澇等氣象災害的發生。黃土高原退耕還林區由于其形成的自然條件，極易發生水土流失等一系列的環境災害，是中國水土流失最為嚴重的地區。目前在該地區實施14 a之久的退耕還林(還草)工程為抑制侵蝕、減少水土流失提供有效措施。退耕還林(還草)工程使植被覆蓋、土地利用狀況發生改變，土壤侵蝕有所減輕[1]，黃河中游地區經過十幾年的水土流失治理，使黃河輸沙量平均每年減少3.00×108t[2]。近些年，隨著遙感(RS)和地理信息系統(GIS)技術的發展，在世界許多國家廣泛應用土壤流失預報方程估算土壤侵蝕及其時空變化[3]。在中國對土壤流失預報方程的研究與應用起步較晚，研究主要集中在流域內的土壤侵蝕的時空變化[4]及土地利用類型與土壤侵蝕的時空變化之間的關系等方面[5]，對大面積區域的土壤侵蝕的時空變化及影響因子研究較少。

為了反映退耕還林(還草)工程十幾年來取得的成效，本文利用通用土壤流失方程(RUSLE)，以陜北黃土高原退耕還林區為研究區域，對該地區2000，2007和2012年3 a的水土流失強度及其時空特征進行分析討論。

1研究區概況與數據

1.1　研究區概況

黃土高原是中華文明的發祥地，是梁峁丘陵溝壑發達的典型區域，陜北退耕還林區位于延安市北部地區和榆林市南部地區，共轄20個縣(區)，總面積達45 257.60 km2,總人口約為400萬人；土壤類型以黃綿土為主；地表被流水侵蝕切割得支離破碎，相對高差多在100～150 m，坡度以15°~20°最為普遍；研究區屬于干旱季風氣候，降水年際變化大，多年平均降雨量478.3 mm，7—9月降水量可占年均降雨量的62.4%，且強度集中。受到地形破碎、土質疏松、降雨集中等自然因素和亂砍亂伐、過度放牧、陡坡開墾等人為因素的影響，區域內主要的侵蝕類型為水力侵蝕。陜北退耕還林區水土流失嚴重，是目前水土保持的重點治理區域。

1.2　數據來源

本研究采用的數據包括：黃土高原退耕還林區85 m分辨率DEM；2009年發布的基于世界土壤數據庫的中國土壤數據集(V1.1)，空間分辨率1 000 m；由中國科學院遙感所提供的2000年分辨率為1 km土地利用數據；研究區及其附近周邊區域的20個氣象站1997—2012年的日降雨資料；MOD13 Q12000—2012年數據集，其空間分辨率為250 m×250 m，時間分辨率為16 d；為了便于各要素圖層間的運算，所有的圖層都將投影轉換成Transverse Mercator橫軸墨卡托投影，各圖層柵格尺寸為85 m。

2研究方法

2.1　計算模型

考慮到研究者目前對該區水土保持基礎數據的占有情況和研究時段長短的基本一致，選擇了2000，2007和2012年的數據進行研究。

本文根據修正后的通用土壤流失預報方程(RUSLE)[6]并且根據研究區特點確定不同因子的算法，最后估算退耕還林區的土壤侵蝕量。公式如下：

A=K·R·L·S·C·P

(1)

式中：A——年均土壤流失量〔t/(hm2·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔t·h/(MJ·mm)〕；R——降雨侵蝕因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；LS——地形因子；L——坡長因子；S——坡度因子；C——植被覆蓋因子；P——水土保持措施因子。除K因子和R因子外，其他因子均為無量綱因子[7]。

2.2　研究方法

2.2.1土壤可蝕性因子(K)估算RUSLE中，K因子是土壤性質對由降雨、坡度坡長、植被覆蓋等各個因素所產生的侵蝕力敏感程度的指標，受土壤類型、結構和土壤剖面滲透力等各方面因素影響。本研究采用Williams等[8]在EPIC模型中提出的K值估算方法，其計算式如下：

(2)

式中：tsd——土壤沙粒質量分數；tst——土壤粉粒質量分數；tcy——土壤黏粒質量分數；toc——有機碳質量分數(%)；tn=1-tsd/100。

采用中國科學院寒區旱區研究所數據中心下載的2009年基于世界土壤數據庫的中國土壤數據集(V1.1)，由公式(2) 可計算得出K因子柵格圖層，K值介于0.008 9～0.046 3 。

2.2.2降雨侵蝕力因子(R)的計算降雨侵蝕力反映由降雨因素產生的土壤侵蝕力，該因子與降雨量、降雨強度、降雨類型等有關，RUSLE中經典算法是以次降雨資料為基礎，利用30 min最大降雨強度和動能相乘得到降雨侵蝕力[9-10]。由于本研究中氣象資料缺少雨強和降雨次數等資料，采用基于日降雨統計資料來評估計算降雨侵蝕力。

(3)

(4)

α=21.586β-7.1891

(5)

利用降雨侵蝕力的計算模型及研究區及其附近周邊區域的20個氣象站15 a的日降雨資料，分別計算各站點各年的降雨侵蝕力，通過克里金內插法獲得流域各年R值圖。2000年，區域內降雨侵蝕力最大值，最小值及平均值分別為1 712.91，239.31及640.00 MJ·mm/(hm2·h·a)，2007年分別為3 228.82，714.56及1 487.13 MJ·mm/(hm2·h·a)，2012年分別為3 092.10，1 329.42及2 056.78 MJ·mm/(hm2·h·a)。由結果可以看出，2012年年均R值要高于其他兩年，降雨侵蝕力呈逐年上升趨勢。

2.2.3坡度坡長因子(LS)的計算地形因子屬于土壤侵蝕的加速因子，利用區域DEM數據采用RUSLE中的計算方法[12]，可求得流域LS專題層。

(6)

(7)

利用陜西省85 m分辨率DEM，在ArcGIS中進行投影轉換及掩膜裁剪，并生成區域坡度圖，利用公式(6)，(7)，計算得出LS圖層。

2.2.4植被覆蓋因子(C)的計算C因子指在其他條件都相同時，某一特定作物或植被下的土壤流失量與持續休閑的土壤流失量的比值；是土壤侵蝕的抑制因素之一，與土壤侵蝕量成反比。在沒有受到任何土壤侵蝕時為0，而土地利用類型為裸地時值為1。

本文采用MODIS數據產品MOD13 Q12000—2012年數據集，應用ERDAS軟件建模進行最大值合成，得到退耕還林區2000，2007和2012年3 a的NDVI值，并根據公式計算該區域植被覆蓋度[13]，最后應用植被覆蓋因子的擬合公式[14]：

C=1-Fc+ε

(8)

式中：ε——一正小常數,取0.001。計算得到3 a的C因子圖層；Fc——植被覆蓋度(%)。

2.2.5水土保持措施因子(P)的計算P因子是土壤侵蝕動力的抑制因子，可反映出植被以及相應管理措施對土壤流失量的影響，P因子值在0～1之間，由于缺少作物水土保持方面的數據，因此假定：森林、草地、未利用地、城鎮建設用地的P值為1，沒有侵蝕的地區為0，平原及沒有坡度的農田取值為0.1,其他用坡度值換算[13]。

本文根據土地利用類型圖對相應類型進行賦值(表1)[15]。得到區域內P因子圖層。

表1　陜北黃土高原退耕還林區耕地不同坡度下耕作措施因子值

3分析與討論

3.1　土壤侵蝕模數分析

利用RUSLE方程計算各個因子，并將各個因子圖層進行疊加相乘，便可計算出2000，2007年和2012年流域土壤侵蝕量(附圖12—15)，計算結果表明：

(1) 區域內2000年較2012年土壤侵蝕估算量大，2000年區域內平均侵蝕模數為3 336 t/(km2·a)，2007年為2 174 t/(km2·a)，2012年為2 097 t/(km2·a)；使用簡單差值法將2012及2000年柵格圖像進行相減，生成了13 a陜北退耕還林區土壤侵蝕模數變化特征空間分布圖(圖4)，變化主要集中在-3 000~0 t/(km2·a)之間，表明，研究區域內2012年土壤侵蝕模數較2000年土壤侵蝕模數小，2012年區域內土壤侵蝕情況較2000年得到較好的抑制。

(2) 由圖4可看出，近10 a變化最大的區域主要集中在府谷、安塞、志丹、吳起及子長等縣，這些地區地形破碎、溝壑發育、水土流失極其嚴重，生態環境極其脆弱，但經過退耕還林還草工程后，大部分地區差值在-4 000 t/(km2·a)以上，可見，這些區域在退耕還林(還草)工程下，植被覆蓋度大幅增加，水土保持措施得當，侵蝕量大幅下降，水土流失情況得到很好的抑制，生態環境得到很大改善；應用陜西省邊界矢量數據在ArcGIS中掩膜提取各縣土壤侵蝕模數，得到區域內各縣的逐年土壤侵蝕模數圖。例如子長縣，2000年土壤侵蝕模數平均值為4 936 t/(km2·a)，而2012年平均土壤侵蝕模數降低到2 208 t/(km2·a)，10 a間降幅達到50%以上，2000年時土壤侵蝕模數在2 500 t/(km2·a)以下的面積僅占總面積的0.1%，2012年已占總面積的55.2%；2000年侵蝕量在5 000 t/(km2·a)以上的面積達到總面積的42%，2012年土壤侵蝕模數均在5 000 t/(km2·a)以下。

3.2　土壤侵蝕強度分析

按照水利部頒發的土壤侵蝕強度等級劃分標準對土壤侵蝕量進行重分類，得到陜北黃土高原退耕還林區土壤侵蝕強度等級分級表(表2)。

表2　陜北黃土高原退耕還林區土壤侵蝕強度所占面積比

結果表明：2000—2012年退耕還林區微度侵蝕所占面積顯著增加，強烈侵蝕所占面積在大幅減少。2000年主要土壤侵蝕等級為中度侵蝕，且強烈侵蝕面積占區域面積的9%，2012年主要侵蝕等級為輕度侵蝕，占區域面積的68%；子長縣尤為明顯，退耕還林工程開展之前，輕、中度侵蝕所占面積占區域總面積的58%，強烈侵蝕占區域總面積的9%，2012年區域內土壤侵蝕情況得到了很好的抑制，強烈侵蝕等級已經消失，中度侵蝕面積占區域總面積的68%，區域內生態環境正朝良性發展。

3.3　降雨、植被覆蓋度及水土保持措施對土壤侵蝕量的影響

由土壤侵蝕方程可以看出，土壤侵蝕估算量是由多因素共同作用而得到的，僅看某一自然因素或某一人為因素都無法正確的表述土壤侵蝕的程度。本文分別模擬在不同條件下2012年的土壤侵蝕情況。結果表明：

(1) 應用土壤侵蝕方程計算出2000與2012年的土壤侵蝕量，分別為3 336和2 174 t/(km2·a)。

(2) 只改變降雨侵蝕力因子，其他因子不變的情況下，應用2000年降水侵蝕力計算2012年土壤侵蝕量為1 806 t/(km2·a)，較實際估算值減少了17%。

(3) 只考慮植被覆蓋管理因子，其他因子不變的情況下，應用2000年植被覆蓋度計算2012年土壤侵蝕量為3 302 t/(km2·a)，較實際計算量增加了52%。

(4) 只考慮水土保持措施因子，其他因子不變的情況下，應用2000年水土保持措施因子，計算2012年土壤侵蝕量為2 432 t/(km2·a)，較實際值增加了12%。

通過對結果比較分析，2000年降雨侵蝕力小于2012年，這是由于2012年區域內降雨強度和降雨量都大于2000年，降雨侵蝕力是土壤侵蝕方程中的加劇因子，因此應用2000年的降雨侵蝕力計算2012年土壤侵蝕量較實際值偏小；植被覆蓋因子是土壤侵蝕中的抑制因子，2000年該地區植被覆蓋度明顯低于2012年，因此計算出模擬值明顯高于實際值，水土保持措施使該區域土壤侵蝕情況得到了抑制，因此應用2000年的水土保持措施因子計算出的模擬值較實際值偏大；降雨侵蝕力、植被覆蓋度、水土保持措施三因子均對土壤侵蝕有所影響，三因子共同作用時土壤侵蝕量較實際值增大了47%，其中只考慮植被管理因子計算得出的土壤侵蝕量較實際值增加了52%，對土壤侵蝕量的變化影響最大。因此，大力發展退耕還林(還草)工程，改變區域內植被覆蓋狀況，可大大改善退耕還林區水土流失狀況及生態環境。

4結 論

通過運用修正后的通用土壤流失預報方程(RUSLE)估算研究區各個因子及土壤侵蝕量，并分析了土壤侵蝕量的時空變化及各因子的影響。研究表明退耕還林(還草)工程開展的十幾年間，陜北黃土高原退耕還林區土壤侵蝕量呈下降趨勢，區域內主要侵蝕等級由中度侵蝕下降為輕度侵蝕；降雨、植被覆蓋管理因子及水土保持措施因子均對土壤侵蝕產生影響，但植被覆蓋管理因子對土壤侵蝕量變化影響最大；由于研究區域土壤侵蝕的主要原因包括強季風對覆被狀況較差的地表引起的風蝕和暴雨流水對黃土高原的沖刷及切割的水力侵蝕，因此，通過退耕還林(還草)工程改善地表覆被狀況，逐漸改變區域內耕種習慣，都會使研究區域的水土流失狀況及生態環境得到很大改善。

本研究的不足之處在于計算中使用的土地利用數據為2000年數據，由于近十幾年來陜北退耕還林區土地利用變化較大，2007和2012年土壤侵蝕值可能偏大，沒有充分地反映退耕還林工程所取得的成效。

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Quantitative Assessment of Soil Erosion in Areas Under Grain for Green Project in Loess Plateau of Northern Shaanxi Province Based on GIS and RS

WANG Juan， ZHUO Jing

(RemoteSensingInformationCenterforAgricultureinShaanxiProvince,Xi’an,Shaanxi710014,China)

Abstract：[Objective] To analyze the temporal and spatial variability of soil erosion intensity in Loess Plateau of Northern Shaanxi Province in 2000, 2007 and 2012, and to provide the support for the implementation of grain for green project in this region.[Methods] With the support of GIS and RS technology, we conducted a quantitative research based on the RUSLE model and ArcGIS 9.2 and analyzed the temporal and spatial variability of soil erosion intensity in Northern Shaanxi in 2000, 2007 and 2012.[Results] During the 13 years, soil erosion tended to decrease over time, and the soil erosion in 2012 dropped by 1 162 t/(km2·a) compared with 2000. Compared with the 2% of the total area in 2000, the area with an erosion modulus less than 2 500 t/(km2·a) in Zichang County accounted for 26% in 2012. The soil erosion was moderate in 2000, but was slight in 2012 in most areas. The drastic change mainly occurred in the hilly areas in Zichang, Ansai and Zhidan Counties.[Conclusion] Vegetation coverage was the main factor affecting the soil erosion, and conversion of slope cropland to forest or pasture is playing an important role in decreasing soil loss.

Keywords:Northern Shaanxi Province; Loess Plateau; grain for green area; soil erosion; quantitative assessment

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0220-04

中圖分類號：S157.1

通信作者：卓靜(1978—)，女(漢族)，陜西省西安市人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為衛星遙感應用。E-mail：79506610@qq.com。

收稿日期：2013-12-19修回日期：2014-01-29

資助項目：陜西省氣象局研究型業務重點科研項目“GIS和RS支持下的陜北地區生態環境脆弱性評價”(2013z-7)

第一作者：王娟(1981—),女(滿族),陜西省西安市人,碩士研究生,工程師,研究方向為衛星遙感應用。E-mail:wangj_81@126.com。