基于USLE模型的大方縣1990-2015年土壤侵蝕變化分析

楊 建 周秋文 韋小茶 楊 娟

（貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

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(wèn)題，已經(jīng)影響到地球上1/3的農(nóng)業(yè)土壤，嚴(yán)重威脅到人類的生存和發(fā)展，以及全球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。

目前，美國(guó)修訂的通用水土流失方程是目前世界上應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕模型，并在我國(guó)黃土高原地區(qū)應(yīng)用廣泛[1]。例如，查良松等基于USLE模型研究了土壤侵蝕的時(shí)空變化特征[2]。趙海兵等以貴陽(yáng)麥西河流域?yàn)槔龑?duì)土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行估算[3]；孫德亮等以貴州省為例研究了該區(qū)2010年的土壤侵蝕模數(shù)以及空間分布特征[4]；曾凌云等以紅楓湖流域?yàn)槔盅芯苛嗽摿饔蛲寥狼治g的時(shí)空分布特征[5]。但是，趙海兵等學(xué)者對(duì)喀斯特土壤侵蝕研究?jī)H為為定量與定性研究，曾凌云等學(xué)者雖進(jìn)行了動(dòng)態(tài)研究，但其僅選擇3年的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。

因此，本文選取1990-2015年大方縣的氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等土壤侵蝕相關(guān)數(shù)據(jù)。采取USLE模型估算該區(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)并分析土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為大方縣水土保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

大方縣位于貴州省西北部，地處 105°15′47″～106°08′04″E，26°50′02″～27°36′04″N 之間。 全縣 總 面 積 為3505.29km2，地處云貴高原向黔中山原丘陵過(guò)渡斜坡地帶，平均海拔為1650m。地勢(shì)中部和東北高，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫在11.8℃左右，雨量充沛，年平均降水量為1155mm。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，NDVI數(shù)據(jù)由1990-2015年TM/ETM+/Landsat8遙感影像反演獲得，土地利用類型數(shù)據(jù)由1993年、2000年和2010年3期遙感影像監(jiān)督分類獲得；氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于貴州省19個(gè)氣象觀測(cè)站1990-2015年20-20時(shí)降雨量數(shù)據(jù)日值數(shù)據(jù)集查詢表層土壤機(jī)械組成以及有機(jī)碳含量得到土壤數(shù)據(jù)。

2.2 USLE模型及其因子計(jì)算方法

2.2.1 通用土壤流失方程(USLE)

本文采用的USLE模型如下：

由Wischemier和Smith于1958年提出，美國(guó)農(nóng)業(yè)部又提出了修正。

式中：A-單位面積上年平均土壤流失量;R—降雨侵蝕力因子；K—土壤可蝕性因子；LS地形因子；C—植被覆蓋和管理因子；P—土壤保持措施因子。

2.2.2 降雨侵蝕力因子(R)

降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生最為重要的因子之一，它表示降水對(duì)土壤的侵蝕能力大小，其時(shí)空分布在一定程度上決定了土壤侵蝕的空間分布規(guī)律。

式中，Pi為月降水量,單位為 mm。

用克里金法對(duì)貴州省19個(gè)氣象站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)使用進(jìn)行插值處理，疊加計(jì)算后得到降雨侵蝕力因子R值空間分布，研究區(qū)多年平均降雨侵蝕力在157.415-177.216之間。

2.2.3 土壤可侵蝕性K因子獲取

K值反映了土壤被降雨侵蝕力分離和搬運(yùn)的難易程度,主要由土壤類型決定。土壤可侵蝕（K）值越大，土壤受侵蝕的可能性越大，反之可能性越小。

通過(guò)HWSD土壤數(shù)據(jù)庫(kù)提取相應(yīng)土壤類型的數(shù)據(jù)，計(jì)算出 K值，k值在 0.224472-0.327417之間。

K值計(jì)算公式： 式中：SD—土壤砂粒含量 （%）；Si—土壤粉粒含量（%）;Ci—土壤黏粒含量（%）；Cor—有機(jī)碳含量（%）。

2.2.4 坡長(zhǎng)坡度因子LS獲取

地形地貌對(duì)土壤的侵蝕主要在坡長(zhǎng)與坡度兩個(gè)方面影響，LS計(jì)算公式：

表2 不同坡度土壤侵蝕狀況

式中，λ為像元坡長(zhǎng)，m為坡長(zhǎng)指數(shù);θ為坡度。

2.2.5 地表植被覆蓋因子估算

植被覆蓋多少對(duì)土壤有著重要影響,C是土壤侵蝕模型中的抑制因子，C值與植被覆蓋度有著較強(qiáng)的相關(guān)性。C的取值范圍在 0～1，而研究區(qū)植被覆蓋C因子值在0.016-1之間。

式中：C—植被覆蓋因子；α、β為無(wú)量綱參數(shù)分別取值2和1,NDVI為歸一化植被指數(shù)。

2.2.6 水土保持實(shí)施因子P獲取

貴州位于喀斯特山區(qū)，海拔落差較大，坡度較陡，水土保持措施往往與土地利用類型緊密相關(guān)。因此本文參考孫德亮與趙海兵的研究成果[5]，將各土地利用類型的保持措施因子P賦值如表1所示。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型及其不同植被蓋度下p值

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕等級(jí)評(píng)價(jià)

土壤侵蝕度在一定程度上是土壤侵蝕實(shí)際強(qiáng)度與潛在風(fēng)險(xiǎn)的綜合，是當(dāng)前土壤侵蝕現(xiàn)狀的表征，研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度呈帶狀，線狀分布。根據(jù)USLE方程將各個(gè)因子進(jìn)行乘積運(yùn)算，并按照國(guó)家水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-96)）土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行重分類，根據(jù)土壤侵蝕的成因，將侵蝕量在同一等級(jí)的象元進(jìn)行合并，分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕6個(gè)等級(jí)，得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度。

從空間上看，研究區(qū)1995年小于容許土壤流失量(500t·m-2·a-1)的 土 地 面 積 達(dá) 874km2，占 全 縣 侵 蝕 總 面積的50.37%，輕度侵蝕面積為497km2，占比達(dá)28.64%，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈土壤侵蝕量強(qiáng)度較小，占土壤侵蝕量總強(qiáng)度的20.99%。

3.2 不同坡度下土壤侵蝕特征

將土壤侵蝕強(qiáng)度圖與坡度圖進(jìn)行疊加分析，按照水利部土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將坡度劃分，統(tǒng)計(jì)不同坡度下的土壤侵蝕狀況（如表2所示）。從整體上看，坡度是影響土壤侵蝕的最為主要的地形因子，與研究區(qū)土壤侵蝕量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，在不同的坡度等級(jí)土壤侵蝕中，輕度侵蝕侵蝕總量的31.91%以上，而極強(qiáng)度以上侵蝕面積占侵蝕總量1.34%以下。

圖1 大方縣1990-2015年年均土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢(shì)圖

根據(jù)土壤侵蝕變化趨勢(shì)圖，總體上來(lái)看，在2000年以前土壤侵蝕變化不大，在2000—2005年間侵蝕急劇變小，情況得到好轉(zhuǎn)，但 2005—2015年 10年之間土壤侵蝕情況是此起彼伏。

4 結(jié)論

基于GIS/ENVI技術(shù)和方法，結(jié)合USLE土壤侵蝕模型，估算大方縣1990-2015年的土壤侵蝕模數(shù)。得出以下結(jié)論：

（1）1995 年小于 容許土 壤流失 量(500t·m-2·a-1)的土地面積達(dá) 874km2，占全縣侵蝕總面積的 50.37%，輕度侵蝕面積為 497km2，占比達(dá)28.64%，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈土壤侵蝕占土壤侵蝕量總強(qiáng)度的20.99%。輕度侵蝕侵蝕總量的31.91%，極強(qiáng)度以上侵蝕面積占侵蝕總量1.34%；

（2）大方縣1990-2015年的土壤侵蝕量模數(shù)總體成上升趨勢(shì)，且在1990-2000年間增長(zhǎng)緩慢，2000-2005年間土壤侵蝕量有所緩解，但2005-2015年10年間先是陡增，然后銳減，再是陡增，波動(dòng)較大。

［1］李天宏，鄭麗娜.基于 RUSLE模型的延河流域 2001-2010年土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化[J],自然資源學(xué)報(bào)，2012,27(7)：1164-1173.

［2］查良松，鄧國(guó)徽，谷家川.1992-2013年巢湖土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化[J].地理 學(xué)報(bào)，2015，70(11)：1708-1719.

［3］趙海兵，安裕倫，夏品華，等.基于喀斯特流域土壤侵蝕模數(shù)估算—以貴陽(yáng)麥西河流域?yàn)槔?[J].水土保持研究，2011，18(5)：99-103.

［4］孫德亮,趙衛(wèi)權(quán),李威,等.基于 GIS與 RUSLE模型的喀斯特地區(qū)土壤侵蝕研究_以貴州省為例 [J].水土保持通報(bào)，2016，36(3)：271-283.

［5］卜兆宏,董勤瑞,周伏建,等.降雨侵蝕力因子新算法的初步研究[J].土壤學(xué)報(bào),1992,29(4):408-418.