基于USLE的西盟縣土壤侵蝕特征分析

高翔宇，王　剛，顧澤賢，趙筱青

(1.云南大學 資源環境與地球科學學院，云南 昆明 650091；

2.昆明南方地球物理技術開發有限公司，云南 昆明 650231)

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基于USLE的西盟縣土壤侵蝕特征分析

高翔宇1，王剛2，顧澤賢1，趙筱青1

(1.云南大學 資源環境與地球科學學院，云南 昆明 650091；

2.昆明南方地球物理技術開發有限公司，云南 昆明 650231)

[關鍵詞]USLE；土壤侵蝕；時空變化特征；西盟縣

[摘要]為研究西盟縣土壤侵蝕對當地自然環境的影響，以通用土壤流失方程(USLE)為模型，運用ArcGIS軟件，綜合分析了研究區土壤侵蝕時空變化特征和不同環境因子梯度下的土壤侵蝕狀況。結果表明：①西盟縣2000年和2010年的平均土壤侵蝕模數分別為39.75和39.04 t/hm2，均屬中度侵蝕；2000—2010年劇烈侵蝕和極強烈侵蝕面積分別減少了16.49%和4.64%，中度侵蝕面積增加了1 479 hm2。②空間分布方面，西盟縣土壤侵蝕基本都是東北部相對較輕，中部、西南部和東南部較嚴重，2000—2010年土壤侵蝕空間分布整體變化不大；各鄉鎮中勐梭鎮的土壤侵蝕面積和侵蝕面積變化量最大，岳宋鄉的土壤侵蝕程度最嚴重，新廠鄉和中課鄉土壤侵蝕程度相對較輕。③土壤侵蝕主要發生在5°～35°的區域，坡度≥15°的旱地、草地和灌木林的土壤侵蝕程度較嚴重，必須針對不同土地利用類型因地制宜采取措施加以治理。

土壤侵蝕是危及人類生存與發展的重要環境問題之一[1]。人類對土地的利用，特別是對水土資源不合理的開發和經營，使土壤表面覆蓋物遭破壞，裸露的土壤受水力沖蝕，最終導致土壤環境惡化。國內外學者針對土壤侵蝕問題進行了大量研究工作，其中土壤侵蝕預報研究已成為土壤侵蝕學科的前沿領域和土壤侵蝕過程定量研究的有效手段。以通用土壤流失方程[2](USLE)為代表的經驗性預報模型，是一種用于定量預報農地或草地坡面多年平均土壤流失量的模型。相比于其他模型，如RUSLE[3]、WEPP[4]、EUROSEM[5]、GUEST[6]、LISEM[7]等，USLE模型應用較廣泛，并且全面地考慮了影響土壤侵蝕的自然因素，所需數據量少，結構簡單，結果可靠，在定量評價土壤侵蝕強度、土地資源合理利用等方面起到了重要的作用。

云南省西盟佤族自治縣近年來人類經濟活動強度加大，土壤侵蝕問題加劇，但關于當地土壤侵蝕評估的研究成果較少。本研究運用USLE方程和ArcGIS軟件對西盟縣土壤侵蝕進行定量分析，研究土壤侵蝕的分布情況，希望能為當地水土保持措施的制定提供參考。

1研究區概況

西盟縣地處99°18′～99°42′E、22°27′～22°56′N，位于云南省西南部普洱市境內，是云南省佤族聚居邊境縣，下轄2鎮(勐梭鎮、勐卡鎮)、5鄉(翁嘎科鄉、岳宋鄉、力所鄉、中課鄉、新廠鄉)，土地總面積1 256.31 km2。西盟縣地處怒山山脈南段，屬中高山峽谷地帶，地形復雜，境內除了1%的河谷川壩，其余99%均為山區。境內最高海拔2 458.9 m，最低海拔590.0 m，屬南亞熱帶山地濕潤季風氣候，受云南省南部暖濕氣流影響，降水呈現季節性、集中且強度較大的特點，年均降水量2 758.3 mm。境內河流屬怒江水系，有大小河流80條。地帶性土壤有磚紅壤、赤紅壤、紅壤和黃棕壤，非地帶性土壤主要有石灰土、水稻土等。植被復雜多樣，主要有季節性雨林、季雨林、季風常綠闊葉林和中山濕性常綠闊葉林，以及橡膠、茶樹、咖啡、桉樹、思茅松和竹林等人工林。

2研究方法

2.1　數據收集和預處理

本研究中使用的數據包括西盟縣境內7個氣象站點2009—2013年月降水量數據、地形數據、土壤類型圖、土地利用類型圖和土地覆被類型數據。所有數據的統一投影為UTM投影，WGS1984坐標。

地形數據來源于地理空間數據云的西盟縣30 m×30 m DEM數據，經過對坡度和坡長的提取計算，最終生成30 m柵格數據。土壤類型圖來自全國第二次土壤普查數據庫。土地覆被和土地利用類型數據來自2000年3月和2010年3月的分辨率為30 m的landsat TM衛星遙感數據。通過實地考察采樣，結合土地變更數據與第二次全國土地調查數據進行影像解譯，并以《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2007)為依據，再結合西盟縣土地利用現狀，建立兩期土地利用數據庫。研究區的土地利用類型主要分為桉樹林、草地、茶園、灌木林、旱地、建設用地、水田、水域、橡膠林、有林地(主要為常綠闊葉林和思茅松林)共10類。將7個站點的氣象數據在ArcGIS 10.1中采用克里格插值法(Kriging)進行插值生成柵格數據。為了便于面積的計算，柵格數據輸出像元大小統一為30 m。

2.2　土壤侵蝕模型和參數

通用土壤流失方程(USLE)是基于小區域的長期觀測數據而總結出的計算坡面空間尺度多年平均土壤侵蝕量的統計模型，其計算公式為

A=RKLSCP

(1)

式中：A為平均土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

(1)降雨侵蝕力因子。降雨侵蝕力因子(R)是評價引起土壤侵蝕潛在能力的一個動力指標[8]。考慮到研究區的實際情況，采用楊子生[9]提出的計算模型，即

R=0.444 88 p0.969 82

(2)

式中：p為年平均降雨量，mm。

西盟縣歷年降雨呈現明顯的季節性特征，降雨集中在每年的5—10月，期間降雨量占全年降雨量的85%以上，因此用5—10月的多年平均降雨量來計算降雨侵蝕力。

(2)土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子(K)反映了土壤對侵蝕的敏感性及降水所產生的徑流量與徑流速率的大小。土壤侵蝕性因子與土壤質地、土壤有機質含量有較高的相關性[10]。其計算公式為

(3)式中：Sa為砂粒質量分數，%；Si為粉粒質量分數，%；Cl為黏粒質量分數，%；CO為有機質質量分數，%；Sn=1-Sa/100。

(3)地形因子。坡長因子(L)和坡度因子(S)是研究土壤侵蝕問題必須考慮的重要地形因子，綜合測算較單因子更為方便[9]。本研究計算公式采用江忠善等[11]、黃金良等[12]的研究結果，即

L=(λ/22.1)m

(4)

式中：λ為柵格單元投影長度；m為坡長效應指數。

(5)

式中：θ為坡度，(°)。

(4)植被覆蓋因子與水土保持措施因子。植被覆蓋因子(C)是指在相同的土壤、坡度和降雨條件下，某一特定作物或植被的土壤流失量與耕種過后連續休閑地的土壤流失量的比值。植被有固定土體的作用，有植被的土體不易被雨水沖刷[13]，因此植被覆蓋度與水土流失存在一定的定量關系[14]。根據蔡崇法等[15]的研究成果，基于NDVI計算植被覆蓋度(fg)，則C值計算公式為

(6)

式中：fg為植被覆蓋度，%。

水土保持措施因子(P)反映了水土保持措施對坡地土壤流失量的控制作用，其大小介于0～1之間，即根本不發生侵蝕的地區取0，而未采取任何保護措施的地區取1[16]。西盟縣為山區，旱地均為坡耕地，坡度<15°時P值賦值為0.55，≥15°時賦值為0.75[2]。其他土地利用類型的P值結合土地利用現狀并參考前人研究結果[10,17-18]得出，如：橡膠林有部分為梯地(梯地寬度較小)，有部分區域為坡地，因此其P值在梯地與坡地之間，賦值為0.60；桉樹林種植后很少采取保護措施，其P值賦值為0.80；荒草地和其他林地P值賦值為1，詳見表1。

2.3　土壤侵蝕量估算和等級劃分

根據《土壤侵蝕分級分類標準》(SL 190—2007)[19]，將土壤侵蝕程度劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕六級。在ArcGIS 10.1中將各因子計算結果生成的圖層進行疊加運算，得到土壤侵蝕量圖，并運用重分類工具得到2000、2010年的土壤侵蝕分布圖(圖1)、土壤侵蝕面積及其動態變化表(表2)。

表1　西盟縣不同土地利用類型P值

3結果與分析

3.1　土壤侵蝕時間變化特征

由表2知，2000和2010年西盟縣中度及其以上的土壤侵蝕面積分別占52.54%和52.84%，平均土壤侵蝕模數分別為39.75、39.04 t/hm2，均屬于中度侵蝕。西盟縣99%的面積為山區，山高坡陡，溝谷縱深，地形變化劇烈，風化強烈，坡體穩定性差，雨季降雨強度大，坡地土壤侵蝕嚴重，加之部分山區村民耕作方式落后，在坡耕地上開墾種地，基本不施肥，不進行輪作，致使土壤養分得不到補充，肥力、地力下降，土壤利用率很低，進而導致土壤侵蝕加劇。10年間土壤侵蝕強度分布發生了一些變化：一方面極強烈侵蝕面積減少了748 hm2，劇烈侵蝕面積減少了482 hm2，可能是因為2010年橡膠園大面積種植取代旱地、桉樹林的大規模引種和生態保護政策的實施，當地植被覆蓋度增加，人為破壞得到了一定控制；另一方面微度侵蝕面積減少了1 549 hm2，中度侵蝕面積卻增加了1 479 hm2，這說明土壤侵蝕強度在局部地區有加劇升級的趨勢。

圖1　2000、2010年研究區各鄉鎮土壤侵蝕分布

土壤侵蝕程度2000年面積(hm2)占總面積比例(%)2010年面積(hm2)占總面積比例(%)2000—2010年面積(hm2)變化比例(%)微度侵蝕2714121.602559220.37-1549-5.71輕度侵蝕3248625.863365826.7911723.61中度侵蝕2722721.672870622.8514795.43強烈侵蝕1974815.721987615.821280.65極強烈侵蝕1610612.821535812.23-748-4.64劇烈侵蝕29232.3324411.94-482-16.49

3.2　土壤侵蝕空間變化特征

從整體上看(圖1)，西盟縣2000、2010年的土壤侵蝕是東北部相對較輕微，中部、西南部和東南部較嚴重，土壤侵蝕空間分布變化不大。從鄉鎮分布來看，2010年勐梭鎮的土壤侵蝕面積最大，占全縣總侵蝕面積的20.01%，岳宋鄉土壤侵蝕面積最小，僅占7.39%。勐卡鎮、新廠鄉、勐梭鎮、翁嘎科鄉、力所鄉、岳宋鄉和中課鄉的中度及其以上侵蝕面積分別占各自鄉(鎮)總侵蝕面積的49.48%、38.58%、61.73%、52.88%、59.88%、69.30%和40.26%，其中岳宋鄉土壤侵蝕最為嚴重，新廠鄉和中課鄉則相對較輕。勐梭鎮各侵蝕強度土壤侵蝕面積變化量總計達到3 275 hm2，變化最大，力所鄉的變化最小(見圖2)。

3.3　土壤侵蝕在主要因子梯度下的特征

(1)坡度與土壤侵蝕的關系。將坡度圖層和土壤侵蝕空間分布圖層進行疊加，分析不同坡度梯度下土壤侵蝕量的分布特征。以2010年的土壤侵蝕空間分布圖為底圖，按照5°、8°、15°、25°、35°將坡度劃分為6個等級，分析結果見圖3。如圖3所示，在其他條件相同的情況下，西盟地區土壤侵蝕量在坡度15°～35°下變化明顯。坡度在0°～25°時，土壤侵蝕量隨坡度的增大明顯增加，特別是在15°～25°時，各級別土壤侵蝕量均達到峰值；當坡度大于25°后，各級別土壤侵蝕量又有所減小。這說明研究區土壤侵蝕量并不完全是隨著坡度的增加而增加的，即坡度與侵蝕量之間并非線性關系，當坡度達到35°及以上時，土壤侵蝕量呈明顯下降趨勢。

圖2　2000年和2010年不同鄉鎮的土壤侵蝕情況

圖3　各侵蝕強度等級在不同坡度梯度下的土壤侵蝕量

(2)土地利用類型與土壤侵蝕的關系。結合2010年西盟縣土地利用類型圖層和土壤侵蝕空間分布圖層，分析在不同土地利用類型條件下的土壤侵蝕情況(圖4)。從圖4可以看出，不同土地利用類型之間土壤侵蝕強度差異顯著，其中坡度≥15°的旱地和草地土壤侵蝕最為嚴重。原因可能是：西盟縣的旱地大部分是陡坡耕地，不合理的土地開墾和利用致使大面積坡耕地發展成為強烈、極強烈和劇烈土壤侵蝕區域；草地大部分是荒草地，處于無人管理的狀態，植被覆蓋度很低，加之表層土壤疏松，遇上強降雨，在陡坡上容易快速形成地表徑流，導致土壤侵蝕加劇。灌木林地植被覆蓋率低，土壤流失量較大。橡膠林為人工引種，受人為因素干擾大，林下土壤裸露，保持水土效果較差。有林地(常綠闊葉林和思茅松林)和桉樹林地植被覆蓋度較高，水土保持效果好，土壤侵蝕量較小。建設用地、水田和水域的土壤侵蝕不太明顯。

圖4　不同土地利用類型土壤侵蝕量

4討論與結論

本研究采用USLE模型，結合江忠善等[20]、趙世民等[14]的研究成果，通過計算降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、地形因子(LS)、植被覆蓋因子(C)和水土保持措施因子(P)，估算了西盟縣的土壤侵蝕量。結果表明，2000、2010年西盟縣的平均土壤侵蝕模數分別為39.75和39.04 t/hm2，土壤侵蝕程度均為中度。土壤侵蝕的發生不僅與地形有關，還受人類生產活動等其他條件的影響。2000—2010年極強烈以上侵蝕面積減少，中度侵蝕面積增加，土壤侵蝕仍是威脅當地生態安全的重要因素。從空間分布來看，西盟縣2000、2010年的土壤侵蝕是東北部相對較輕，中部、西南部和東南部較嚴重，10年間土壤侵蝕空間分布變化不大，其中勐梭鎮土壤侵蝕面積占全縣侵蝕面積比例最大，岳宋鄉土壤侵蝕程度最嚴重。根據上述分析，建議根據不同區域的土壤侵蝕狀況，采取相應措施，如退耕還林還草、加強農田水利工程建設、建設雨水集蓄利用工程、實施坡改梯等。

根據徐清艷等[21]、彭建等[22]和傅世鋒等[23]的研究成果，中度及其以上土壤侵蝕面積主要分布在坡度15°～35°的區域。本研究成果與其相似，坡度<25°時土壤侵蝕量隨著坡度的增大而增加，坡度>25°時土壤侵蝕量呈下降趨勢，說明該區域土壤侵蝕過程中存在臨界坡度值[24]。西盟縣不同土地利用類型中，以坡度≥15°的旱地和草地的侵蝕情況最為嚴重，其次是灌木林地，這與一些學者的研究成果類似[25-28]。研究區原有草地大部分是荒草地，植被覆蓋度很低，而新增草地主要來自退化疏林地、其他林地和棄耕旱地，極易發生侵蝕，灌木林的情況也基本類似，因此當地應積極引導荒草地和灌木林地向牧草地和有林地等水土保持效果較好的土地利用類型轉化。旱地作為人們生產生活的主要用地，受人類活動干擾強度大，加之植被覆蓋度較低和地形、降水等因素的影響，土壤侵蝕也比較嚴重。

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(責任編輯李楊楊)

[中圖分類號]S157.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)02-0052-05

[收稿日期]2015-05-25

[作者簡介]高翔宇(1991—)，男，河南南陽市人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕和土地利用優化研究；通信作者趙筱青(1969—)，女，云南大理市人，教授，博士，主要從事生態環境與景觀安全格局研究。

[基金項目]國家自然科學基金項目(41361020、40961031)