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

【摘 要】對(duì)貴州省大方縣1990-2015年土壤侵蝕量進(jìn)行研究，為該地的水土保持和石漠化治理等工作提供依據(jù)。基于GIS/ENVI技術(shù)和方法，結(jié)合USLE土壤侵蝕模型，利用1990、2010、2015年的土地利用數(shù)據(jù)、1990-2015年的日降雨量、DEM等數(shù)據(jù)估算大方縣的土壤侵蝕模數(shù)。在研究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%。

【關(guān)鍵詞】USLE模型；土壤侵蝕；大方縣

中圖分類(lèi)號(hào)： S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）02-0018-002

【Abstract】Soil erosion in Dafang County of Guizhou Province from 1990 to 2015 was studied to provide basis for soil and water conservation and desertification control in this area. Based on the GIS/ENVI technology and method， combined with the USLE soil erosion model， the soil erosion modulus of Dafang County was estimated based on the land use data of 1990， 2010 and 2015， daily rainfall of 1990-2015 and DEM. In the study， the area of less than permissible soil loss （500t·m-2·a-1） in 1995 was 874km2， accounting for 50.37% of the total area of erosion in the county and 497km2 in light erosion area， accounting for 28.64% Degree， intense， extremely intense and violent soil erosion intensity is small， accounting for 20.99% of the total intensity of soil erosion.

【Key words】USLE model； Soil erosion； Dafang County

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(lèi)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(lèi)型數(shù)據(jù)由1993年、2000年和2010年3期遙感影像監(jiān)督分類(lèi)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。

A=R×K×LS×C×P（1）

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。

R=■（-1.5527+0.1792Pi）（2）

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(lèi)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(lèi)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：

（4）

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。

C計(jì)算公式：C=exp（-a*■）（5）

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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)，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(lèi)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。

表2 不同坡度土壤侵蝕狀況

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（下轉(zhuǎn)第44頁(yè)）（上接第19頁(yè)）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。

【參考文獻(xiàn)】

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[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)槔齕J].水土保持研究，2011，18（5）：99-103.

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