基于RUSLE模型的2000-2010年長江三峽庫區土壤侵蝕評價

王 萌, 劉 云, 宋 超, 李春蕾, 肖文發

(1.北京農學院 北京林果業生態環境功能提升協同創新中心, 北京 102206;2.中國林業科學研究院 森林生態與環境保護研究所, 北京 100000)

土壤侵蝕是指土壤及其母質在水力、風力、凍融或重力等外營力作用下，被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1]。作為全球最大的生態環境問題之一，土壤侵蝕會導致土壤質量下降，理化性質變差，土地荒漠化，降低農業生產力，河流、湖泊泥沙淤積等諸多環境問題[2]。中國由于人口眾多，地質條件和地形結構復雜，土壤侵蝕已嚴重威脅著人類生存與社會經濟發展，成為21世紀人類社會可持續發展的重大挑戰之一[3]。

修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE模型),是由美國農業部在通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)的基礎上修正而成的[4]。RUSLE模型因其簡潔的計算公式和較低的數據需求已成為全球應用廣泛的土壤侵蝕定量估算模型[5]。在模型使用的過程中，往往忽略植被覆蓋的季節動態性和降水的季節不均勻性，采用年總降水計算的降水侵蝕力因子和單一的植被覆蓋因子參與運算。隨著遙感技術的發展，快速獲取陸地植被覆蓋狀態成為可能，因此充分考慮植被覆蓋的季節變化特征與降水組合具有可行性。中國學者也運用該模型做了大量研究：許月卿等[6]對貴州貓跳河流域的土壤侵蝕量進行了計算；彭建等[7]對云南麗江的土壤侵蝕特征進行了分析；蔣春麗等[8]對黑龍江省土壤保持量多年的空間分布特征進行了評價；李天宏等[9]對延河流域多年的土壤侵蝕動態變化進行了研究,等等。這些研究結果對管理部門采取相關措施，減少土壤侵蝕，推動區域可持續發展具有重要意義。

三峽庫區東起湖北宜昌，西至重慶江津，地理位置為東經105°50′—111°40′，北緯28°31′—31°44′，包括湖北省和重慶市共20個區、縣，總面積約為5.78×104km2。庫區屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫17～19 ℃，年降水量為1 000～1 200 mm。地貌以山地、丘陵為主；土壤類型以紫色土、石灰土、黃壤、黃棕壤為主；土地利用類型包括林地、灌叢、草地、果園、耕地、水體和城鎮建設用地等。自庫區建成以來，土地利用和植被覆蓋發生巨大變化，加劇了土壤侵蝕的發生。由于生態環境的脆弱性及其作為長江中下游生態安全屏障的重要地位，三峽庫區成為中國水土保持工作的重點地區[11]。三峽工程實施后，國家采取了一系列的封山育林措施，評估三峽大壩建成后的土壤侵蝕情況，可以間接評估三峽庫區森林水源涵養功能是否得到提升。

本文應用擬GIS和RS技術，基于多源數據，采用RUSLE模型計算長江三峽庫區2000，2005，2010年的土壤侵蝕量，分析該地區土壤侵蝕強度分布特點，評價三峽庫區建成后的10 a間土壤侵蝕的動態變化，以期為區域土壤侵蝕合理化治理提供依據。

1 計算方法

1.1 RUSLE模型

修正通用土壤流失方程(RUSLE)的表達式為:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A——年平均土壤侵蝕量；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕性因子；LS——坡長、坡度因子；C——植被覆蓋與管理因子；P——水土保持措施因子。RUSLE模型的應用，關鍵在于R，K，LS，C，P這些因子的確定和求算。

1.2 RUSLE模型各因子的計算

1.2.1 降雨侵蝕因子R的估算 降水是引起土壤侵蝕的重要原因之一，主要是由降雨雨滴所攜帶的動能對土粒產生沖擊而引發土壤侵蝕。R值是降雨能量和強度的函數，在實際研究工作中一般用來反映降雨對土壤侵蝕的影響[10]。國內，章文波等[11]利用日降雨量建立的中國降雨侵蝕力模型得到了廣泛應用，王明曉[12]結合章文波和其他學者的降雨侵蝕力模型，以長江三峽庫區近40 a來的降雨資料為基礎，通過差值計算和回歸分析，得到了適用于長江三峽庫區的降雨侵蝕力R值簡便算法，計算公式為：

(2)

式中：R——年降雨侵蝕力；Pi(≥12mm，否則以0計算)為月降雨量(mm)。

1.2.2 土壤可蝕性因子K的估算 在眾多影響土壤侵蝕的因素中，土壤自身的抗侵蝕能力也是不可忽略的，國際上通常用土壤可蝕性K值來衡量[13]。K值大小表示土壤被侵蝕的難易程度，反映土壤對侵蝕外營力剝蝕和搬運的敏感性，是進行土壤侵蝕定量評價的重要參數[14]。土壤可蝕性作為土壤特性，可蝕性K值具有唯一性，即一種土壤只能有一個值[15]。本研究選用吳昌廣等結合前人研究成果經過計算、實測和驗證得到的三峽庫區各土類土壤可蝕性K值[16]見表1。

1.2.3 坡度坡長因子LS的估算LS因子反映了地形地貌特征中坡長與坡度對土壤侵蝕的影響，二者是降雨侵蝕動力的加速因子。地形因子通過影響坡面徑流的流速和流量，進而影響水流的攜沙能力和土壤侵蝕強度。坡度因子S是指標準小區條件下，任意坡度下的單位面積土壤流失量與標準小區坡度下的單位面積土壤流失量之比值。同樣，坡長L因子是指在其他條件相同的情況下，任意坡長的單位面積土壤流失量與標準小區條件下單位面積土壤流失量之比值。坡度因子采用Nearing等[17]提出的坡度因子連續函數回歸方程估算，公式為：

(3)

式中：θ——坡度(°)，該方程綜合考慮了緩坡和陡坡的影響，適用于各種坡度因子計算。

坡長因子采用Moore等[18]提出的RUSLE坡長因子計算公式：

(4)

式中:λ——水平坡長(m)；m——坡長指數；22.13為標準小區的坡長(m)，其中m取值如下：

(5)

1.2.4 植被覆蓋與管理因子C的估算 植被覆蓋與管理因子C反映的是覆蓋和管理對土壤侵蝕的影響，定義為在一定條件下有植被覆蓋坡地的土壤流失量與同等條件下適時翻耕、連續休閑對照地上的土壤流失量之比。它是一個無量綱數，其值變化范圍在0～1之間。C因子評價的是所有與覆蓋有關的變量對土壤侵蝕的綜合作用，是侵蝕動力的抑制因子。為解決遙感應用的局限性，部分學者嘗試利用歸一化植被指數提取區域尺度上的C值。Lin等[19]建立的C因子與NDVI的非線性回歸方程適用廣泛。

C=〔(1-NDVI)/2〕1+NDVI

(6)

本文以2000，2005，2010年30 d合成的MODIS-NDVI(MOD13A3)產品為數據源，利用公式(6)計算得到三峽庫區的C值。

1.2.5 水土保持措施因子P的估算 水土保持措施P因子是指采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量，比值介于0～1。水土保持措施主要包括耕作措施和工程措施兩大類，如等高耕作，帶狀耕作，修筑梯田等達到保水保土保肥，減少徑流量，以達到保持土壤的目的.本研究參考三峽庫區土地利用圖及相關研究成果和參考文獻[20-21]，確定P值(表2)，土地利用圖由TM影像獲取。

表2 不同土地利用類型的水土保持措施因子

2 結果與分析

2.1 三峽庫區2000-2010年土壤侵蝕強度分析

應用RUSLE模型計算2000，2005和2010年土壤侵蝕模數，根據水利部頒發的SL190-2007《土壤侵蝕強度分類分級標準》[22]，將庫區的土壤侵蝕劃分為微度侵蝕〔<5 t/(hm2·a)〕、輕度侵蝕〔5～25 t/(hm2·a)〕、中度侵蝕〔25～50 t/(hm2·a)〕、強度侵蝕〔50～80 t/(hm2·a)〕、極強度侵蝕〔80～150 t/(hm2·a)〕和劇烈侵蝕〔>150 t/(hm2·a)〕6個標準(表3)，制作三峽庫區2000，2005和2010年的土壤侵蝕強度等級空間分布圖(附圖3)。

由附圖3可以看出：2000年，三峽庫區除上段河流地帶外，其他地區土壤侵蝕較為嚴重，尤其是三峽庫區中段大部分地區表現為強度以上等級。隨著時間的推移，土壤侵蝕在一定程度上得到改善，強度等級減弱，尤其是三峽庫區的河流上段和中段地區。進一步比較2000，2005，2010年3個年份三峽庫區河流沿岸的土壤侵蝕情況，表現為以劇烈侵蝕和極強度侵蝕等級為主。分析其原因，可能是自三峽工程開展以來，庫區移民、城鎮擴建、毀林開荒等活動對地表植被造成破壞，引起長江沿岸土壤侵蝕等級強度惡化。

對比三峽庫區2000—2010年的土壤侵蝕具體情況(見表3)，可見三峽庫區土壤侵蝕狀況在2000—2010年得到一定程度的改善。主要體現在：強度以上等級(即強度，極強度和劇烈3個等級)土壤侵蝕面積大幅減少。面積由2000年的1.71×106hm2下降為2010年的6.82×105hm2，侵蝕比例由2000年的29.57%下降為2010年的11.80%；微度、輕度、中度侵蝕面積逐漸增加，由2000年的4.07×107hm2上升為2010年的5.11×107hm2，侵蝕比例由2000年的70.44%上升為2010年的88.21%。

表3 2000，2005和2010年三峽庫區各侵蝕強度等級的土壤侵蝕面積和比例

三峽庫區2000—2010年各區縣的土壤侵蝕模數見圖1。由圖1可見，2000年三峽庫區內開縣和云陽的平均土壤侵蝕模數最高，達到60～75 t/(hm2·a)，巫溪、巫山、奉節、萬州和秭歸等區縣平均土壤侵蝕模數次之，為45～60 t/(hm2·a), 其他各區縣的平均土壤侵蝕模數都小于45 t/(hm2·a)。2005年各區縣的平均土壤侵蝕模數進一步減少，均小于45 t/(hm2·a)，平均土壤侵蝕模數比較大的區縣僅有7個(開縣、萬州、云陽、奉節、巫溪、巫山和興山)，為30～45 t/(hm2·a)，其他各區縣的平均土壤侵蝕模數均小于30 t/(hm2·a)。到2010年，所有區縣平均土壤侵蝕模數進一步減少，僅有5個(開縣、巫溪、巫山、巴東和秭歸)的平均土壤侵蝕模數為30～45 t/(hm2·a)，其它各區縣的平均土壤侵蝕模數均小于30 t/(hm2·a)。

2000—2010年這10 a間，僅秭歸縣的平均侵蝕模數變化異常，2000—2005年期間，秭歸縣的平均侵蝕模數由45～60 t/(hm2·a)減少為15～30 t/(hm2·a)，而2005—2010年期間，秭歸縣的平均侵蝕模數由15～30 t/(hm2·a)增加為30～45 t/(hm2·a)，其他區縣的平均侵蝕模數在2000—2010年的10 a間均在逐漸減少。總體上來看，2000,2005,2010年的平均土壤侵蝕模數分別為36.75,26.00,22.79 t/(hm2·a),平均侵蝕模數呈下降趨勢。

圖1 2000,2005和2010年三峽庫區各區縣土壤侵蝕模數〔t/(hm2·a)〕

2.2 三峽庫區2000-2010年土壤侵蝕動態變化

計算土壤侵蝕強度的面積轉移矩陣見表4。由表4可以看出：2000—2005年,侵蝕強度沒有發生變化的面積為3.53×106hm2,占庫區總面積的61.14%.侵蝕強度增強的面積為2.01×105hm2，占庫區總面積的3.48%。侵蝕強度降低的面積為2.04×106hm2，占庫區總面積的35.38%。高強度侵蝕級別向低于其1～2級的侵蝕級別轉移趨勢明顯。

2005—2010年土壤侵蝕強度的面積轉移矩陣見表5。由表5可以看出：侵蝕強度沒有發生變化的面積為4.14×106hm2，占庫區總面積的71.71%。侵蝕強度增強的面積為4.60×105hm2，占庫區總面積的7.97%。侵蝕強度降低的面積為1.17×106hm2，占庫區總面積的20.32%。高強度侵蝕級別向低于其1級的侵蝕級別轉移趨勢明顯。

比較2個階段(2000—2005年期間，2005—2010年期間)，土壤侵蝕等級減弱的面積總體增加,但第1階段土壤侵蝕減弱的比例高于第2階段。

表4 2000-2005年土壤侵蝕強度面積轉換矩陣 102 hm2

表5 2005-2010年土壤侵蝕強度面積轉換矩陣 102 hm2

3 討論與結論

(1) 三峽庫區土壤侵蝕情況時間和區域特點明顯，2000—2005年期間，三峽庫區河流中段大部分地區表現為強度以上等級，而在2005—2010年期間，該區域土壤侵蝕強度等級減弱；相對而言，10 a期間，庫區河流其他區域的土壤侵蝕強度等級比較弱。

(2) 三峽庫區土壤侵蝕狀況在2000—2010年間得到一定程度的減弱，強度以上土壤侵蝕面積由2000年的1.71×106hm2下降為2010年的6.82×105hm2；庫區內平均侵蝕模數由2000年的36.75 t/(hm2·a)下降為2010年的22.79 t/(hm2·a)。

(3) 三峽庫區經過多年侵蝕治理，強度、極強度、劇烈侵蝕面積逐漸減少的同時，輕度、中度土壤侵蝕面積在逐漸增加并逐漸成為侵蝕情況的主流；但部分區縣的平均侵蝕模數和輕度侵蝕以上面積占比都有小幅度的增加，需要進一步加強對輕度、中度土壤侵蝕的治理。

本研究仍存在一定的不足，在運用RUSLE模型進行各因子的計算過程中，利用了國內外已有的研究方法和相關地區的研究成果，由于不同地域差別的影響以及各數據精度的限制，導致結果出現一定的偏差。今后的研究需要重點關注如何提高數據精度，同時結合實地考察來驗證結果的準確性、可靠性。

[1] 段煉.三峽區域新人居環境建設研究[M].南京:東南大學出版社,2011.

[2] 汪濤.三峽庫區土壤侵蝕遙感監測及其尺度效應[D].武漢:華中農業大學,2011.

[3] 齊述華,蔣梅鑫,于秀波.基于遙感和ULSE模型評價1995—2005年江西土壤侵蝕[J].中國環境科學,2011,31(7):1197-1203.

[4] 陳正發.基于RUSLE模型的重慶市土壤流失方程研究[D].重慶:西南大學,2011.

[5] 吳昌廣,呂華麗,汪濤,等.三峽庫區土壤侵蝕空間分布特征[J].中國水土保持科學,2012,10(3):15-21.

[6] 許月卿,邵曉梅.基于GIS和RUSLE的土壤侵蝕量計算:以貴州省貓跳河流域為例[J].北京林業大學學報,2006,28(4):67-71.

[7] 彭建,李丹丹,張玉清.基于GIS和RUSLE的滇西北山區土壤侵蝕空間特征分析:以云南省麗江縣為例[J].山地學報,2007,25(5):548-556.

[8] 蔣春麗,張麗娟,張宏文,等.基于RUSLE模型的黑龍江省2000—2010年土壤保持量評價[J].中國生態農業學報,2015,23(5):642-649.

[9] 李天宏,鄭麗娜.基于RUSLE模型的延河流域2001—2010年土壤侵蝕動態變化[J].自然資源學報,2012,27(7):1164-1175.

[10] 王春菊,湯小華,鄭達賢.GIS支持下的土壤侵蝕敏感性評價研究[J].水土保持通報,2005,25(1):68-74.

[11] 章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學,2002,22(6):705-711.

[12] 王明曉.三峽庫區降雨侵蝕力研究[D].武漢:華中農業大學,2011.

[13] 梁音,史學正.長江以南東部丘陵山區土壤可蝕性K值研究[J].水土保持研究,1999,6(2):47-52.

[14] 張科利,彭文英,楊紅麗.中國土壤可蝕性值及其估算[J].土壤學報,2007,44(1):7-13.

[15] 張科利,蔡永明,劉寶元,等.黃土高原地區土壤可蝕性及其應用研究[J].生態學報,2001,21(10):1687-1695.

[16] 吳昌廣,曾毅,周志翔,等.三峽庫區土壤可蝕性K值研究[J].中國水土保持科學,2010,8(3):8-12.

[17] Nearing M A. A single, continuous function for slope steepness influence on soil loss[J]. Soil Science Society of Ameriea Journal, 1997,61(3):917-919.

[18] Moore L D, Wilson J P, CHEN Qibo. 坡長、坡度因素的簡單計算方法(Ⅰ)[J].水土保持科技情報,1995(2):30-33.

[19] Lin Chaoyuan, Lin Wentzu, Chou Wenchieh. Soil erosion prediction and estimation: The Taiwan experience [J]. Soil & Tillage Research, 2002,68(2):143-152.

[20] 許月卿,彭建.貴州貓跳河流域土地利用變化及其對土壤侵蝕的影響[J].資源科學,2003,30(8):1218-1225.

[21] 范建容,劉飛,郭芬芬,等.基于遙感技術的三峽庫區土壤侵蝕量評估及影響因子分析[J].山地學報,2011,29(3):306-311.

[22] 中華人民共和國水利部.SL190-2007土壤侵蝕分類分級標準[M].北京:中國標準出版社,2008.