基于GIS和RUSLE烏裕爾河流域土壤侵蝕定量評價*

鄂立思，孫 麗，李 苗，李 瑩

(哈爾濱師范大學;黑龍江省普通高等學校地理環境遙感監測重點實驗室)

0 引言

土壤侵蝕是指地球表面的土壤及其母質受水力、風力、凍融、重力等外力的作，在各種自然因素和人為因素的影響下發生的各種破壞、分離、搬運和沉積的現象［1］.土壤侵蝕破壞土地資源，造成淤積、干早、洪澇等災害，引起生態環境惡化，嚴重地威脅著人類的生存和發展.東北松嫩平原黑土丘陵漫崗區是我國的六大水力侵蝕區之一［3］，由于黑土區獨特的土壤地理環境和人類活動的強烈干擾，它已經變成了中國潛在侵蝕危險的地區［4］.近年來，黑土的侵蝕退化問題得到了政府、科學家甚至農民的普遍重視.

關于土壤侵蝕的研究大多是基于土壤流失方程，近年來，國內外很多學者將 USEL/RUSLE與GIS的結合來估算土壤侵蝕及其空間分布.烏裕爾河流域是黑土丘陵漫崗區典型的農業區，水土流失較嚴重，運用GIS結合修正通用水土流失方程(RUSLE)，對烏裕爾河流域的土壤侵蝕進行定量評價，分析土壤侵蝕現狀以及其與坡度和土地利用的關系，以期為該區生態退耕、發展可持續農業、開展水土保持等政府宏觀決策行為提供科學依據.

1 研究區概況與數據獲取

1.1 研究區概況

烏裕爾河是嫩江水系的一級支流，發源于黑龍江省北安市小興安嶺西麓山區，干流流經黑龍江省北安、克山、克東、依安、富裕等市縣，最終流入扎龍濕地，中上游海拔高度145～410 m，流域面積12475.9 km2.本流域位于松嫩平原西部大陸性季風盛行區，年降水量為496.7 mm，年蒸發量為1110～1780 mm，年內降水分布極為不均勻，主要集中在汛期6～9月份，占全年降水量的80%.地貌波狀起伏、丘崗錯落，主要土壤為黑土、草甸黑鈣土、潛育草甸土、暗棕壤、草甸沼澤土及沼澤土，富含有機質，適合于農業生產.由于土地的過度開墾和其它不合理利用，該流域對水土流失十分敏感［5］.

1.2 數據獲取

該研究采用的數據主要包括2010年Landsat/TM影像，1:10萬地形圖，經過幾何精校正和影像解譯，形成土地利用/覆被數據，根據研究目的、研究區狀況及數據源的特點，制定了耕地、林地、草地、水域、居民地、沼澤濕地、未利用地7類一級類及16個二級類的土地利用分類體系.30m分辨率的DEM數據，經過圖幅拼接和格式處理轉換，用以提取坡度坡長因子.降雨量數據使用烏裕爾河流域內及臨近縣市11個氣象觀測點的逐月降水數據.土壤數據來自1:100萬的中國土壤類型圖，結合全國第二次土壤普查及相關研究，獲取研究區土壤類型矢量數據.

2 研究方法

2.1 模型選擇

通用土壤流失方程(RUSLE)是目前最常用的估算土壤侵蝕的模型方法之一，在世界很多地區得到了廣泛的應用［5］.黑龍江省水土保持研究所于1985年－1992年在黑龍江省的克山和賓縣進行土壤侵蝕徑流小區的試驗研究［6］，獲得了適合東北黑土區的一些因子算法，并經過徑流小區實測檢驗，驗證了因子取值的合理性.因此，本文應用遙感和GIS技術在烏裕爾河流域進行土壤侵蝕量的估算具有良好的研究基礎.RUSLE的模型表達式是由6個因子連乘的形式組成:

式中:A為年土壤流失量，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;L和S分別為坡度因子和坡長因子，無量綱;C為植被與經營管理因子，無量綱;P為水土保持措施因子，無量綱.

2.2 RUSLE各因子的確定

2.2.1 降雨侵蝕力因子R值的估算

該文采用FAO建立的通過修訂Fournier指數求算R值的方法［7］，該方法既考慮年降水總量，又考慮降水的逐月分布，數據較容易獲取，其公式為:

式中:i是月份;Pi是月降水量;P是年降水量.然后建立R與該指數的關系為:

式中:a、b取決于氣候條件.根據研究區流域氣候條件與世界其他地區的類似分析，a與b的取值分別4.17和–152.利用烏裕爾河流域內及臨近的共11個雨量站近5年的年平均降雨量和各月平均降雨量，根據公式(3)，推算出各站點的降雨侵蝕力，在Arcgis中利用普通克里金插值法進行降雨侵蝕力的插值計算，得到研究區降雨侵蝕力R值空間分布圖(所圖1所示).

圖1 烏裕爾河流域降雨侵蝕力因子R值插值圖

2.2.2 土壤可蝕性因子K值的估算

土壤可蝕性因子K值反映出土壤被降雨侵蝕力分離、沖勢和搬運的難易程度.根據1∶100萬土壤類型分布圖，歸并出烏裕爾河流域的土壤大類型有黑土、黑鈣土、草甸土、暗棕壤和水稻土.

高德武［8］等相關研究試驗區設在本文研究區內的克山縣，因此參考相關K值，近似確定出研究區的土壤類型可蝕性因子K值，取黑土K值為0.2283，黑鈣土K值為0.2306，草甸土K值為0.2942，暗棕壤K值為 0.2733，水稻土K值為0.2721.

2.2.3 地形因子(LS)的獲取

地形地貌特征對土壤侵蝕的影響集中表現在坡長與坡度兩方面，一般用坡長(L)與坡度(S)因子估算地形因素對土壤侵蝕的影響.張憲奎［6］等以克山為試驗區，推導出全省LS因子的計算公式:

式中:λ為坡長(m);θ為坡度(°);m為坡長指數，取值為0.18;n為坡度指數，取值為1.3.

在GIS環境中，坡長坡度LS因子的具體實現是以DEM為基礎數據進行提取，利用柵格計算器，根據上述公式獲得地形因子LS的柵格圖.

2.2.4 植被與經營管理因子C的獲取

植被覆蓋和經營管理因子C值是表示在其他條件相同情況下，耕作農地上土壤流失量與同等條件下適時翻耕的連續休閑對照地上的土壤流失量之比，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用等.取值范圍在0～1，C值的取值主要與植被覆蓋和土地利用類型有關.根據烏裕爾河流域土地利用現狀及植被覆蓋度的調查結果，參考我國學者張憲奎［6］和蔡崇法［9］求取C值所做工作，獲得該次項目中不同土地利用類型的年平均C值見表1.

表1 烏裕爾河流域C值

2.2.5 水土保持措施P值獲取

它的值是有水土保持措施與沒有水土保持措施時土壤流失量的比值，一般在0～1.當地面沒有任何措施時P等于1，水土保持措施得當時P等于0，基本沒有土壤侵蝕發生.本研究由于沒有設小區實驗，主要參照美國農業部手冊703號和解譯出的土地利用現狀圖及相關的文獻［6，9，10］，得出研究區水土保持措施因子P值，研究區水田多為水平梯田，其P值取0.03，旱地據野外考察居多是坡耕地，其P值取0.352;其他自然植被區和用地類型，P值取1.

2.3 土壤侵蝕量的計算

在GIS軟件支持下，將獲取的各個因子圖進行連乘柵格運算，得到土壤侵蝕量圖.根據SL190－96的分級標準，對研究區進行土壤侵蝕強度分級，結合烏裕爾河流域的實際情況，進一步將輕度侵蝕分為輕 Ⅰ 型侵蝕(侵蝕模數(200～800)t/(km2·a))，輕Ⅱ型侵蝕(侵蝕模數(800～1500)t/(km2·a))，輕Ⅲ型侵蝕(侵蝕模數(1500～2500)t/(km2·a)).運用ArcGIS對柵格土壤侵蝕量進行重分類，合并在同一級別的柵格，得到2010年坡面土壤侵蝕強度分級圖(如圖2所示).

圖2 烏裕爾河流域土壤侵蝕強度分級圖

3 結果與分析

3.1 烏裕爾河流域土壤侵蝕現狀

根據2010年土壤侵蝕統計結果(見表2)，烏裕爾河流域土壤侵蝕總面積10387 km2，占土地總面積的85.25%.除極強度侵蝕外，從輕度侵蝕到強度侵蝕，侵蝕面積隨強度等級的增加而減少，其中輕度侵蝕面積8116.16 km2，占土地總面積的65.05%，中度侵蝕面積為1394.82 km2，占土地總面積的 11.2%，強度侵蝕面積為495.2 km2，占土地總面積的 3.96%，極強度侵蝕面積為291.85 km2，占土地總面積的2.34%.

烏裕爾河流域以輕度侵蝕為主，其面積占侵蝕總面積的78.14%，進一步分析可以看出，輕Ⅰ型侵蝕占烏裕爾河流域總面積的32.61%，占全區土壤侵蝕總面積的39.17%，占輕度侵蝕面積的50.13%;輕Ⅱ型侵蝕占烏裕爾河流域總面積的 19.57%，占全區土壤侵蝕總面積的23.51%，占輕度侵蝕面積的30.09%，說明整個烏裕爾河流域以輕Ⅰ型侵蝕和輕Ⅱ型侵蝕為主.

3.2 土壤侵蝕與土地利用的關系

從表3可以看出，烏裕爾河流域土壤侵蝕主要集中在旱田，面積為10444.51 km2，占輕度土壤侵蝕面積的97.2%，草地及其他土地利用類型所占比例為2.8%，水田所發生的輕度侵蝕極少，只有0.26 km2.中度侵蝕也以旱田為主，其次為未利用地.強度與極強度侵蝕也是以旱田為主，但土壤侵蝕面積明顯減少，未利用地中中度以上土壤侵蝕的面積是除旱地以外最大的.林地、草地和居民地以輕度侵蝕為主.

表2烏裕爾河流域2010年土壤侵蝕面積統計結果

表3 烏裕爾河流域不同土地利用類型土壤侵蝕狀況統計 km2

3.3 土壤侵蝕的坡度分異特征

基于DEM提取研究區坡度數據，并按照0～3°、3 ～ 8°、8 ～ 15°、15 ～ 30°和 ＞ 30°對坡度進行重分類，與研究區土壤侵蝕圖進行疊加分析，求得烏裕爾河流域不同坡度下不同土壤侵蝕強度的侵蝕面積.從圖3可以看出，烏裕爾河流域輕度侵蝕在0～3°坡度時的侵蝕面積為4824.71 km2，在3－8°坡度時侵蝕面積為 3256.81 km2，在0－15°坡度范圍內，輕度侵蝕面積呈現逐漸減小趨勢;中度侵蝕在3～8°坡度時的侵蝕面積為1071.47km2，達到中度侵蝕最大面積，在8 ～15°坡度范圍內侵蝕面積呈現逐漸減小趨勢;輕度侵蝕和中度侵蝕在坡度達到15°時侵蝕面積趨近于0.強度侵蝕和極強侵蝕，在坡度為8～15°時達到最大侵蝕面積，分別為485.18 km2和205.87 km2.由此可以得出烏裕爾河流域坡度大于8°的土地利用類型是產生強度侵蝕的源區.因此，當坡度大于8°時，應該盡量減少坡耕地數量，發展林業.而對于坡度低于8°的地區，雖然侵蝕強度為輕度，但是侵蝕面積卻很大，對于旱地應實行等高耕作等措施.

圖3 烏裕爾河流域不同坡度級土壤侵蝕面積

4 結束語

該文基于GIS平臺，結合RUSLE模型，通過合理的選取模型中土壤侵蝕因子的計算方法，評估了烏裕爾河流域的土壤侵蝕狀況，為該區域的土壤侵蝕治理提供一定的依據.

(1)從侵蝕狀況來看，烏裕爾河流域土壤侵蝕面積10387 km2，占土地總面積的85.25%.說明研究區內大部分地區都受到不同程度的土壤侵蝕，但以輕度侵蝕為主，輕度侵蝕面積8116.16 km2，占土地總面積的65.05%，中度侵蝕面積為1394.82 km2，占土地總面積的11.2%，強度侵蝕以上占研究區總面積的6.3%，面積較小.

(2)從土壤侵蝕強度的空間分布來看，全區均有土壤侵蝕發生，且輕度侵蝕集中連片分布，而中度以上侵蝕主要集中在坡度較大區域.

(3)從土地利用類型與土壤侵蝕強度的關系來看，旱地所發生的土壤侵蝕最為嚴重，面積最大，林地和草地主要以輕度侵蝕為主，未利用地侵蝕程度主要集中于中度侵蝕以上.

(4)從土壤侵蝕的坡度分異特征來看，在0～15°坡度范圍內，輕度侵蝕面積最大，隨坡度增大呈現逐漸減小趨勢;中度侵蝕在3～8°坡度時的侵蝕面積為1071.47 km2，達到中度侵蝕最大面積;強度侵蝕和極強侵蝕，在坡度為8～15°時達到最大侵蝕面積，分別為485.18 km2和205.87 km2.

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