基于USLE的敖漢旗土壤侵蝕空間分異特征研究

樊向國，王巖松，劉建祥，范昊明

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866； 2.水利部 松遼水利委員會(huì)，吉林 長春 130000)

土壤侵蝕是各種自然因素和人類活動(dòng)共同作用下土壤物質(zhì)被剝離、遷移、沉積的過程，會(huì)導(dǎo)致土壤退化、土地生產(chǎn)力降低，是全球最為嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]。傳統(tǒng)的土壤侵蝕量調(diào)查方法耗時(shí)多、周期長，幾乎無法確定中等尺度流域的土壤侵蝕量[3-4]。USLE模型法分析了土壤侵蝕與各種自然和人文因子的關(guān)系，其計(jì)算方法簡單、所需數(shù)據(jù)量少且結(jié)果通用性強(qiáng)[5-7]，已被應(yīng)用于農(nóng)學(xué)、土壤學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域，尤其在土壤侵蝕相關(guān)研究中應(yīng)用最為廣泛[8-10]，但是目前大多數(shù)研究成果集中于對(duì)土壤侵蝕量和土壤侵蝕強(qiáng)度的探討，缺少對(duì)侵蝕成因的分析。

基于上述研究背景，本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗為研究區(qū)，應(yīng)用USLE模型法，結(jié)合 GIS 和RS技術(shù)，估算其土壤侵蝕量及侵蝕強(qiáng)度，分析土壤侵蝕強(qiáng)度空間分異特征及影響因素，以期為敖漢旗合理布設(shè)水土保持措施、改善生態(tài)環(huán)境提供理論支持和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

敖漢旗地處努魯爾虎山脈北麓、科爾沁沙地南緣，屬燕山山地向西遼河平原過渡地帶，土地總面積8 247.04 km2，境內(nèi)低山丘陵起伏，地形由東南向西北逐漸傾斜，由南到北依次為南部努魯爾虎山石質(zhì)低山丘陵區(qū)、中部黃土丘陵區(qū)和北部沙質(zhì)沱甸區(qū)。地處中溫帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量為310～460 mm，由南向北逐漸減少，降水時(shí)間集中；境內(nèi)雨熱同期，大陸性氣候特征顯著，日照充足且晝夜溫差較大，積溫有效性高；四季分明，冬季漫長而寒冷，春季回暖快，夏季短而酷熱，秋季氣溫驟降。土壤類型有棕壤、褐鈣土、草甸土、潮土、沼澤土及風(fēng)沙土等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

Wischmeier et al.[11]在1965年提出的通用土壤流失方程(USLE)基本形式為A=R·K·LS·C·P，其中A為土壤侵蝕量，R為降雨侵蝕力因子，K為土壤可蝕性因子，LS為地形因子，C為植被覆蓋因子，P為水土保持措施因子。該方程考慮的因素全面，在目前土壤侵蝕量估算模型中使用最為廣泛。本研究收集研究區(qū)各氣象站點(diǎn)近30年的降雨觀測資料，通過Fournier 指數(shù)計(jì)算年平均降雨侵蝕力R值；利用第二次全國土壤普查資料獲得土壤可蝕性因子K值；LS因子通過研究區(qū)1∶5萬DEM提取；植被覆蓋因子和水土保持措施因子通過對(duì)不同土地利用類型、水土保持措施賦值得到。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL 190—2007)》確定土壤侵蝕分級(jí)指標(biāo)，得到侵蝕強(qiáng)度分布圖。其具體計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 土壤侵蝕量估算流程

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕量及強(qiáng)度等級(jí)分布

(1)土壤侵蝕因子的計(jì)算與因子圖的生成。通用土壤流失方程(USLE)將自然因素和人類活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的影響綜合體現(xiàn)在降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被覆蓋因子和水土保持措施因子中。其中，降雨侵蝕力是土壤侵蝕的動(dòng)力因子[12]，土壤可蝕性因子反映了土壤遭受降雨侵蝕的難易程度[13]，地形因子通過影響地表植被的形成與發(fā)展決定地表徑流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向[14]，植被覆蓋因子和水土保持措施因子通過影響地表植被分布狀況和人類活動(dòng)活躍程度，直接或間接影響土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展。根據(jù)侵蝕量計(jì)算流程，計(jì)算得到各侵蝕因子見圖2。

圖2 研究區(qū)土壤侵蝕因子分布

圖3 研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分布

(2)土壤侵蝕量及強(qiáng)度等級(jí)空間差異性。研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布見圖3。研究區(qū)年土壤侵蝕量高達(dá)183萬t，土壤侵蝕模數(shù)為697 t/(km2·a)，屬輕度侵蝕區(qū)。研究區(qū)各侵蝕強(qiáng)度面積及年侵蝕量見圖4。由圖4知，研究區(qū)土壤侵蝕面積為2 627.29 km2，占土地總面積的31.86%，相比第一次全國水利普查時(shí)(土壤侵蝕面積為2 316.66 km2)增加了310.63 km2。輕度侵蝕區(qū)面積為1 548.26 km2，占侵蝕總面積的58.93%，較大的侵蝕面積導(dǎo)致輕度侵蝕對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為20.23%；中度侵蝕區(qū)面積為514.79 km2，占侵蝕總面積的19.59%，對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為18.68%；強(qiáng)烈及以上侵蝕區(qū)面積相對(duì)較小，占侵蝕總面積的21.48%，但對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率高達(dá)61.09%，其中38.06%的侵蝕量來自占侵蝕總面積8.99%的劇烈侵蝕區(qū)。敖漢旗土壤侵蝕量空間差異性大，土地利用類型、地形起伏變化、人類活動(dòng)等都會(huì)對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響，因此探索土壤侵蝕量空間分布差異是合理布設(shè)水土保持措施、防治土壤侵蝕的關(guān)鍵。

2.2 不同影響因素下土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性分析

(1)土地利用類型對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性的影響。土地利用類型對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性的影響主要體現(xiàn)在地表植被覆蓋度和植被類型的差異上，分析比較不同土地利用類型與土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性的關(guān)系，對(duì)尋求更合理的土地利用結(jié)構(gòu)、減少區(qū)域土壤侵蝕具有重要的作用。利用ArcGIS的屬性查詢功能獲得不同土地利用類型下的土壤侵蝕面積、土壤侵蝕模數(shù)和年土壤侵蝕量，見表1。各土地利用類型中，耕地的植被覆蓋度較低、人類活動(dòng)最為活躍，土壤侵蝕模數(shù)為820.19 t/(km2·a)，年土壤侵蝕量為179萬t，占研究區(qū)侵蝕總面積83.00%的耕地對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率高達(dá)97.61%，說明耕地是敖漢旗各土地利用類型中土壤侵蝕最嚴(yán)重的地類，也是今后需要重點(diǎn)預(yù)防治理的區(qū)域。林地坡度大，植被類型單一，有效植被覆蓋度低，土壤侵蝕面積為360.03 km2，占研究區(qū)侵蝕總面積的13.70%，侵蝕模數(shù)為88.15 t/(km2·a)，對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為1.73%。草地、居民點(diǎn)及工礦交通用地、水域及水利設(shè)施用地和未利用土地侵蝕面積占研究區(qū)侵蝕總面積的3.30%，對(duì)研究區(qū)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率不足1%。

表1 不同土地利用類型下的土壤侵蝕情況

(2)坡度對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性的影響。坡度的起伏變化引起的土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性主要體現(xiàn)在研究區(qū)西北高、東南低，中低山、丘陵和沖積平原交錯(cuò)的地形地貌上。運(yùn)用ArcGIS的空間分析功能和研究區(qū)DEM將研究區(qū)坡度劃分為6個(gè)等級(jí)，與侵蝕數(shù)據(jù)疊加提取不同坡度上的土壤侵蝕情況，見表2。分析不同坡度土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量發(fā)現(xiàn)，隨著坡度的增大，土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量均呈先增大后減小的趨勢，二者最大值均出現(xiàn)在8°～15°，這與潘美慧等[15]研究地形坡度對(duì)土壤侵蝕空間差異性影響的結(jié)果基本一致。

坡度小于5°區(qū)域侵蝕面積占研究區(qū)侵蝕總面積的59.42%，土壤侵蝕模數(shù)為377.72 t/(km2·a)，對(duì)研究區(qū)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為32.19%；坡度大于25°區(qū)域侵蝕面積占研究區(qū)侵蝕總面積的1.96%，土壤侵蝕模數(shù)為861.35 t/(km2·a)，對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為2.42%；坡度5°～25°區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)1 180.91 t/(km2·a)，侵蝕面積占研究區(qū)侵蝕總面積的38.62%，產(chǎn)生的土壤侵蝕總量為200萬t，對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率高達(dá)65.39%，是研究區(qū)土壤侵蝕發(fā)生的主要坡度區(qū)域。對(duì)于坡度大于5°的坡地應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況合理發(fā)展經(jīng)濟(jì)林；當(dāng)坡度大于25°時(shí)要實(shí)行退耕還林；對(duì)于坡度小于5°、以輕度侵蝕為主的地區(qū)，為防止侵蝕程度進(jìn)一步惡化，應(yīng)采取合理的水土保持措施(等高耕作等)防治水土流失。

表2 不同地形坡度下的土壤侵蝕情況

(3)坡向?qū)ν寥狼治g強(qiáng)度空間差異性的影響。坡向?qū)ν寥狼治g強(qiáng)度空間差異性的影響與陰、陽坡熱量和水分分布情況有關(guān)。利用ArcGIS空間分析功能將研究區(qū)劃分為9個(gè)不同的坡向，與侵蝕強(qiáng)度空間分布疊加提取不同坡向土壤侵蝕情況，見表3。對(duì)不同坡向下土壤侵蝕情況分析表明，陽坡土壤侵蝕較陰坡嚴(yán)重，但二者差距不明顯，此研究結(jié)果與韓富偉等[16]研究的不同坡向下土壤侵蝕結(jié)果基本一致。

表3 不同地形坡向下的土壤侵蝕情況

由表3可以看出，平坡區(qū)域侵蝕面積占研究區(qū)侵蝕總面積的6.29%，土壤侵蝕模數(shù)為781.88 t/(km2·a)，對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為7.05%；以陽坡為主的東坡、南坡、東南坡和西南坡土壤侵蝕面積占研究區(qū)侵蝕總面積的45.45%，平均土壤侵蝕模數(shù)為726.75 t/(km2·a)，對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為47.36%；以陰坡為主的北坡、西坡、東北坡和西北坡平均土壤侵蝕模數(shù)為658.71 t/(km2·a)，土壤侵蝕面積占研究區(qū)侵蝕總面積的48.26%，對(duì)研究區(qū)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為45.59%。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是陽坡較陰坡日照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)，短時(shí)間地表溫度變化大，表層土壤凍融循環(huán)作用明顯，致使表層土壤質(zhì)地疏松，易產(chǎn)生土壤侵蝕。上述結(jié)果表明，與土地利用、坡度對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕空間差異性的影響相比，不同地形坡向土壤侵蝕模數(shù)空間差異性不明顯。

3 結(jié) 論

運(yùn)用USLE模型，結(jié)合GIS和RS技術(shù)，估算了敖漢旗土壤侵蝕量，探討了土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性及其影響因素。主要結(jié)論如下：

(1)敖漢旗年土壤侵蝕總量達(dá)183萬t，土壤侵蝕模數(shù)為697.38 t/(km2·a)，土壤侵蝕面積為2 627.29 km2，占研究區(qū)總面積的31.86%，以輕度侵蝕為主；占侵蝕總面積8.99%的劇烈侵蝕區(qū)對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為38.06%，而61.09%的侵蝕量來自占研究區(qū)侵蝕總面積21.48%的強(qiáng)烈及以上侵蝕區(qū)。

(2)敖漢旗耕地土壤侵蝕模數(shù)最大，為820.19 t/(km2·a)，年土壤侵蝕量為179萬t，占研究區(qū)侵蝕總面積83.00%的耕地對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率高達(dá)97.61%，侵蝕最為嚴(yán)重，是今后水土流失預(yù)防治理工作的重點(diǎn)。

(3)敖漢旗土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕總量隨坡度的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，二者最大值均出現(xiàn)在8°～15°；坡度5°～25°區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)達(dá)1 180.91 t/(km2·a)，侵蝕面積占侵蝕總面積的38.62%，對(duì)土壤侵蝕總量貢獻(xiàn)率高達(dá)65.39%，是土壤侵蝕發(fā)生的主要坡度區(qū)域。

(4)敖漢旗陽坡土壤侵蝕較陰坡嚴(yán)重，二者土壤侵蝕模數(shù)分別為726.75、658.71 t/(km2·a)，對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率分別為47.36%和45.59%；與土地利用、坡度對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕空間差異性的影響相比，坡向?qū)ν寥狼治g空間差異性的影響不顯著。

(5)土地利用和地形坡度是影響敖漢旗土壤侵蝕的最主要因素；人類活動(dòng)最頻繁的耕地土壤侵蝕最為嚴(yán)重，因此采取合理的耕作制度(等高耕作等)和土地利用方式顯得尤為重要；結(jié)合地形坡度對(duì)侵蝕的影響，坡度大于5°的坡地應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況發(fā)展以鄉(xiāng)土樹種為主的經(jīng)濟(jì)林，坡度大于25°的坡地要實(shí)施退耕還林還草。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張燕,彭補(bǔ)拙,高翔,等.人類干擾對(duì)土壤侵蝕及土壤質(zhì)量的影響——以蘇南宜興低山丘陵區(qū)為例[J].地理科學(xué),2002,22(3):336-341.

[2] QIAO Y L,QIAO Y.Fast soil erosion investigation and dynamic analysis in the Loess Plateau of China by using information composite technique[J].Advances in Space Research,2002,29(1):85-88.

[3] 黃金良,洪華生,張路平,等.基于GIS和USLE的九龍江流域土壤侵蝕量預(yù)測研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(5):75-79.

[4] 蔡崇法,丁樹文,史志華,等.應(yīng)用USLE模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測小流域土壤侵蝕量的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(2):19-24.

[5] 余叔同,鄭粉莉,張鵬.基于插件技術(shù)和GIS的坡面土壤侵蝕模擬系統(tǒng)[J].地理科學(xué),2010,16(3):441-445.

[6] DIODATO N,BELLOCCHI G.Estimating monthly (R)USLE climate input in a Mediterranean region using limited data[J].Journal of Hydrology,2007,345(3-4):224-236.

[7] MENG L,FENG Q Y,WU K,et al.Quantitative evaluation of soil erosion of land subsided by coal mining using RUSLE[J].International Journal of Mining Science and Technology,2012,22(1):7-11.

[8] VRIELING A,STERK G,VIGIAK O.Spatial evaluation of soil erosion risk in the West Usambara Mountains, Tanzania[J].Land Degradation and Development,2006,17(3):301-319．

[9] 張喜旺,周月敏,李曉松,等.土壤侵蝕評(píng)價(jià)遙感研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào),2010,41(4):1010-1017.

[10] 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):1164-1175.

[11] WISCHMEIER W H,JOHNSON C B,CROSS B V.Soil erodibility nomographfarmland and construction sites[J].Journal of Soil and Water Conservation,1971,26(5):189-193.

[12] AMOLDUS H M J.Methodology used to determine the maximum potential average annual soil loss due to sheet and rill erosion in Morocco[J].Nature,1977,414(6862):39-51．

[13] 陳明華,周伏建,黃炎和.土壤可蝕性因子的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1995,9(1):19-24．

[14] HICKEY R.Slope angle and slope length solutions for GIS[J].Cartography,2000,29(1):1-8.

[15] 潘美慧,伍永秋,任斐鵬,等.基于USLE的東江流域土壤侵蝕量估算[J].自然資源學(xué)報(bào),2012,25(12):2154-2164.

[16] 韓富偉,張柏,宋開山,等.長春市土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)及侵蝕背景的空間分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2007,21(12):39-43.

[作者簡介] 樊向國(1990—)，男，甘肅平?jīng)鍪腥耍T士研究生，從事土壤侵蝕機(jī)理研究；通信作者范昊明(1972—)，男，吉林白山市人，教授，博士，從事流域侵蝕、產(chǎn)沙與水土保持規(guī)劃研究。

[收稿日期] 2017-08-15