北京市山區小流域治理前后土壤侵蝕強度及空間格局分析

趙猛，姚吉利，*，王建，胡信志，王家暉，張超，李彩林

1. 山東理工大學建筑工程學院，山東淄博 255049

2. 北京市水土保持工作總站，北京 100036

0 前言

北京山區作為首都重要的生態屏障，土壤侵蝕的防治問題不容忽視。北京山區坡度在10°以上的區域約占山區總面積的3/4，傳統的坡度坡長因子計算中只分了三個區間，而對于坡度在 10°以上的區域并未充分考慮區間性。小流域梯田的水土保持措施因子也受到地形因子的影響，須得出適合于該小流域梯田的水土保持措施因子值。繼 USLE[1]和RUSLE[2-3]提出后，國內外學者對流域坡面土壤侵蝕開展了大量探索性試驗和深入研究，取得了一些顯著性的研究成果: Kheir等[4]提出結合土壤可蝕性、地形特征、土地覆蓋/利用、降雨侵蝕力與GIS技術開發區域侵蝕模型。唐磊等[5]應用景觀生態學理論與 USLE分析岷江上游雜古腦流域 1990年和2015年的景觀格局變化與土壤侵蝕變化。張養安等[6]基于GIS和RS技術，運用USLE評估楊凌區土壤侵蝕強度以及楊凌區土壤侵蝕的時空變異性。溫莉等[7]以RS、GIS、e Cognition、SPSS 等軟件為平臺，將基于 RUSLE模型計算得到的年水土流失量數據與官方公布數據進行回歸分析，建立重慶市土壤侵蝕模型。劉寶元等[8]結合北京山區土壤侵蝕發生的特點，建立了用于評價坡面土壤流失量、評價水土保持措施效益及其環境影響的北京土壤流失方程BJSLE。此外小流域水土保持效益的評價多依賴于實地考察取樣分析，時間較長浪費人力物力，而基于遙感數據的快速效益評價較少[9]。

本文以中心村小流域水土保持措施本底調查為基礎，通過利用高分辨率遙感影像，結合實地調查，選用像元二分模型[10]和K均值算法分別獲取中心村小流域綜合治理前后的植被覆蓋、土地利用狀況，結合這些基礎數據，在BJSLE的基礎上，改進了地形因子LS的計算方法，推算出中心村小流域梯田的水土保持工程措施因子P，定量評價中心村小流域治理前后(2015年、2017年)的土壤侵蝕狀況，并分區進行對比分析與評價，得出水土保持措施效益情況。

1 研究區概況

中心村小流域位于北京市平谷區東北部(117°17'—117°21'E，40°12'—40°17'N，圖 1)，隸屬金海湖鎮，流域面積 22.49 km2，項目區治理面積 10 km2；小流域屬于燕山山脈，總體地勢北高南低，東高西低，流域內以片麻巖、硅質白云巖、碎硝巖、碳酸鹽巖類構成的單面山、饅頭山為主，土壤以褐土為主，海拔在138 m—947 m之間。中心村小流域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風區，多年平均降水量644 mm，降水年際變化大，時空分布極不均勻，降水多集中在 7、8、9三個月，汛期降水量占年降水的 83%左右。多年平均蒸發量1425 mm，平均氣溫11.6℃，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫－26.6℃。

2 研究方法

2.1 研究數據

圖1 研究區位置及概況Figure 1 Location of the study region

本次研究使用的數據主要包括: 2015年7月和2017年7月的GF2號1米全色、4米多光譜影像數據一景，用于獲取覆蓋與管理因子和水土保持工程措施因子；中心村小流域綜合治理狀況基礎數據、中心村小流域土壤質地資料、中心村小流域降雨資料，土壤質地資料結合全國二次普查結果獲取土壤可蝕性因子，結合ArcGIS中的克里格插值法獲取降雨侵蝕力因子。中心村小流域 DEM 數據通過北京市10米DEM數據裁剪獲得，用于提取地形因子。

2.2 土壤侵蝕量的估算方法

本研究基于劉寶元[8]等提出的北京土壤流失方程BJSLE(Beijing soil loss equation)，在此基礎上發展了適用于中心村小流域的土壤流失方程。其形式為:

式中，A為土壤侵蝕模數，t·(hm2·a)-1；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h·(hm2·MJ·mm)-1；L為坡長因子，無量綱(0—1)；S為坡度因子，無量綱(0—1)；C為覆蓋與管理因子，無量綱(0—1)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·(hm2·h·a)-1；P為水土保持措施因子，無量綱(0—1)。

2.3 各因子提取方法

(1)降雨侵蝕力因子(R)

降雨是引起土壤侵蝕最直接的外部驅動因素[11-12]。降雨時雨滴所攜帶的動能對土壤顆粒進行沖擊，產生擊濺侵蝕，而后還產生徑流，沖刷地表，再次導致土壤侵蝕的發生。R因子反映降雨引起土壤流失的潛在能力。R因子由小流域降雨量數據提取。本研究采用劉寶元等提出的北京土壤流失方程中建立的月降雨侵蝕力的估算公式[8]

式中，Pm為多年月平均降雨量，mm；r為回歸方程決定系數。

(2)土壤可蝕性因子(K)

K因子是衡量土壤抗侵蝕性的指標，用于反映土壤對侵蝕的敏感性。影響K因子的因素是多方面的，一般說來，質地越粗或越細的土壤有較低的K值，而質地適中的反而有較高的K值[13]。結合土壤質地數據，K值估算采用 Williams等在EPIC 模型中的方法，從土壤質地數據提取，根據全國二次普查結果和中心村小流域的土壤質地狀況得出中心村小流域主要土屬土壤可蝕性因子K，見下表:

(3)地形因子(LS)

地形因子是影響土壤侵蝕的基本自然地理要素，是形成有侵蝕能力的徑流的最主要因素。LS因子表示在其他條件不變的情況下，某給定坡長和坡度的坡面上土壤流失量與標準徑流小區典型坡面上土壤流失量的比值，對土壤侵蝕起加強作用[14]。L因子從DEM數據中提取，其計算公式采用劉寶元[8]等提出的適用于北京山區的坡長因子修正公式:

表1 中心村小流域主要土屬土壤可蝕性因子KTable 1 The main soil erosive factorKof the Zhongxin Village small watershed

式中，λ為像元坡長，m為坡長指數，隨坡度發生變化，取值如下:m= 0 .2，θ＜ 0 .5°；m= 0 .3，0.5° ≤θ＜1.5°；m= 0 .4，1.5° ≤θ＜3°；m= 0 .5，3°≤θ。因子從DEM數據中提取，由于中心村小流域的坡度在 10°以上的區域所占比例為 75.59%，其計算公式采用劉濱濤[15]等修正的劉寶元算法，修正的坡度因子計算公式為:

(4)覆蓋與管理因子(C)

中心村小流域的植被覆蓋度估算的數據源選用GF2衛星遙感影像，遙感植被指數選用歸一化差異植 被 指 數 (Normal Differential Vegetation Index，NDVI)，方法選用像元二分模型[10]。

植被是土壤侵蝕的主要抑制因素，C因子是這種抑制作用的定量化表達指標之一。C因子指一定植被覆蓋條件耕作農地上的土壤流失量與同等條件下實施清耕的連續休閑地的土壤流失量之比，其值大小變化于0—1之間，C值越大，說明對應的土地利用類型的土壤侵蝕越嚴重[17]，其計算公式采用蔡崇法[18]等的研究結果

式中，VFC為植被覆蓋度。

(5)水土保持工程措施因子(P)

P因子是采取水保措施后，土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值，其值大小變化于 0—1之間[19]。在大尺度的土壤侵蝕研究中，通常采用結合實地考察給不同的土地利用類型賦予不同的P因子值。

中心村小流域在本次治理的水土保持工程措施中，梯田是北京山區最有效的水土保持措施之一，中心村小流域梯田整修共有兩處: 中心村村南梯田10.86 hm2；中心村村西梯田，面積 6.59 hm2，共17.45 hm2，兩處全部為石埂梯田。中心村村南梯田面凈寬10—40m，田坎高度約為 0.6m—1.0m，坡度5°—8°。中心村村西梯田田面凈寬3 m—12 m，田坎高度約為1 m—1.5 m，坡度10°—12°。由于該區域缺少實測資料，本研究將基于北京2004—2014年各坡面徑流小區的實測資料，計算出適用于該區域梯田的水土保持工程措施因子。計算公式為

式中:Pm為措施小區的水土保持工程措施因子；Ac為對照小區的有效降雨年侵蝕量；Am為措施小區的有效降雨年侵蝕量。由于中心村小流域整修的梯田與北京山區的坡面徑流小區的坡度坡長有所差異，需要根據公式將梯田的水土保持措施因子推算到該治理區域中，用下式

式中:Lm Sm為措施小區的坡長坡度因子；Lp Sp為治理區的坡長坡度因子。其中坡長坡度因子的計算方法同公式(3)、(4)。

其他水土保持措施中，村莊美化、擋土墻等措施也能夠有效地減少小流域內的水土流失，參考前人研究[20-21]得出其他水土保持措施保土效益為: 村莊美化的年保土量為 18 t·(km2)-1；擋土墻的年保土量為 0.2 t·m-1。

中心村小流域其他不同土地利用類型的P值結合前人研究[22-23]整理見表2。

2.4 土壤侵蝕模數計算

基于 ArcGIS軟件，利用土壤侵蝕因子計算值，運用北京土壤流失方程，對降雨侵蝕力R、土壤可蝕性因子K、地形因子LS、覆蓋與管理因子C、水土保持措施因子P，進行圖層柵格乘積運算。獲取優于 10 m空間分辨率的土壤侵蝕模數計算值柵格圖層。

3 結果與分析

3.1 中心村小流域綜合治理前后土壤侵蝕強度分級

按照《北方土石山區水土流失綜合治理技術標準》(SL665—2014)等技術標準，判斷出每個土壤侵蝕地塊的土壤侵蝕強度等級，北方土石山區容許土壤流失量定為 200 t·(km2·a)-1。統計微度(＜200)、輕度(200—1000)、中度(1000—2500)、強烈(2500—4000)、極強烈(4000—6000)和劇烈(＞6000)(分級單位t·(km2·a)-1)各級土壤侵蝕強度的面積，再計算其水土流失面積。中心村小流域治理前和治理后土壤侵蝕強度分級如圖2。

表2 不同土地利用類型P值Table 2 P value of different land use types

中心村小流域治理前和治理后，對不同等級土壤侵蝕強度的侵蝕面積、侵蝕總量和侵蝕模數指標進行對比，見表3和圖3。

治理前(2015年)，中心村小流域土壤侵蝕總量為 12565.36 t，平均侵蝕模數為 558.71 t·(km2·a)-1，屬于輕度侵蝕。從侵蝕量上來看，輕度侵蝕和中度侵蝕所產生的侵蝕量較大，分別占土壤侵蝕總量的44.59%和 44.71%；其次是強烈侵蝕和微度侵蝕，分別占土壤侵蝕總量的5.40%和4.92%；極強烈侵蝕所產生的侵蝕量最小，占比為0.39%。從侵蝕面積上來看，輕度侵蝕面積最大，占小流域總面積的 45.47%；緊隨其后的是微度侵蝕面積，占小流域總面積的35.88%；中度侵蝕面積、強烈侵蝕面積和極強烈侵蝕面積較小，分別占比為17.56%、1.02%、0.07%。從侵蝕分布上來看，微度侵蝕主要分布在坡度較小的河流流經處的平坦地帶；輕度侵蝕主要分布在植被覆蓋度較高的低海拔山坡，山谷和山口處；中度和強烈侵蝕則主要分布在植被覆蓋度較低的高海拔地帶和溝道分布較多的小流域西北部。

圖2 中心村小流域治理前和治理后土壤侵蝕強度分級Figure 2 Grading of soil erosion intensity before and after treatment in the small watershed of the Zhongxin Village

表3 中心村小流域治理前和治理后不同等級土壤侵蝕強度對比Table 3 Comparison of soil erosion intensity of different grades before and after treatment in small watershed of Zhongxin Village

圖3 不同等級土壤侵蝕強度面積比率和侵蝕量比率對比Figure 3 Comparison of soil erosion intensity area ratio and erosion ratio of different grades

治理后(2017年)，中心村小流域土壤侵蝕總量為 11167.85 t，平均侵蝕模數為 496.57 t·(km2·a)-1，屬于輕度侵蝕，達到了治理目標。從侵蝕量上來看，輕度侵蝕所產生的侵蝕量最大，占土壤侵蝕總量的50.26%；中度侵蝕量較其他等級侵蝕量也比較大，占比為 41.12%，其次是微度侵蝕和強烈侵蝕，分別占土壤侵蝕總量的5.80%和2.72%；極強烈侵蝕所產生的侵蝕量最小，占比為0.10%。從侵蝕面積上來看，輕度侵蝕面積最大，占小流域總面積的 45.85%，主要分布在坡度較小的河流流經處的平坦地帶；緊隨其后的是微度侵蝕面積，占小流域總面積的 38.57%，主要分布在植被覆蓋度較高的低海拔山坡、山谷和山口處；中度侵蝕面積、強烈侵蝕面積和極強烈侵蝕面積較小，分別占比為 14.94%、0.63%、0.01%，主要分布在植被較稀疏的高海拔地帶。

3.2 中心村小流域綜合治理前后土壤侵蝕強度變化及空間格局分析

通過對比治理前和治理后中心村小流域土壤侵蝕量(表3)，治理后的中心村小流域的土壤侵蝕總量比治理前減少了1397.51 t，綜合治理前年平均土壤侵蝕模數為 558.71 t·(km2·a)-1，綜合治理后年平均土壤侵蝕模數為 496.57 t·(km2·a)-1，年平均土壤侵蝕模數減小了 62.14 t·(km2·a)-1。從各級侵蝕量角度來看，綜合治理后的微度侵蝕量和輕度侵蝕量較綜合治理前有所增加，分別增加了 29.81 t、9.99 t；而中度侵蝕量、強烈侵蝕量和極強烈侵蝕量有所減少，其中中度侵蝕量減少幅度最大，減少了 1026.08 t。從各級侵蝕面積來看，治理后微度侵蝕面積和輕度侵蝕面積都有增加；中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕面積均有減小。通過對綜合治理前后各等級侵蝕面積結果進行轉移矩陣(表4)分析，侵蝕等級正逐步由高向低過渡。由此可見通過綜合治理后的中心村小流域土壤侵蝕狀況正在逐步改善，侵蝕量減少。

中心村小流域綜合治理前后的土壤侵蝕量的變化跟植被覆蓋度有較大的關系，按照植被覆蓋度分級標準將小流域的植被覆蓋度情況劃分為五個等級(表5)，各級覆蓋面積對比情況見圖4，由圖4可以看出，低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋所占得面積相對于治理前都有所減少，中高覆蓋和高覆蓋所占面積有所增加，其中中高覆蓋面積增加顯著，由治理前的4.31 km2增加到治理后的7.88 km2。從空間分布上來看，小流域坡中、坡下部和坡腳地區的植被覆蓋度變化明顯，有利于減少此地區的土壤流失量，植被覆蓋度的變化也影響了覆蓋與管理因子C的分布與大小。

在中心村小流域的土地利用類型中，林地所占面積最大，耕地、建筑用地等主要分布在流域河道兩側。通過中心村小流域治理前后土地利用結果對比可以看出，小流域經過綜合治理，該流域建筑用地、交通運輸用地和水體面積保持不變，林地面積有所增加，增加了 0.50 km2；但裸地面積和耕地面積分別減少了0.09 km2和0.34 km2。通過對兩期土地利用結果進行矩陣分析(表 6)，可以看出: 綜合治理前的耕地，有0.50 km2轉化成了林地，有0.18 km2經過修筑和整治轉化成了梯田；而裸地則主要轉化為了耕地。由此可以看出，土地利用現狀的轉化也影響了水土保工程持措施因子 P，特別是耕地的轉化與整治，很大程度上減少了水土的流失。

表4 中心村小流域綜合治理前后侵蝕等級面積轉移矩陣Table 4 Erosion level transfer matrix before and after comprehensive management of small watershed in Zhongxin Village

表5 植被覆蓋度等級劃分Table 5 Vegetation coverage classification

圖4 中心村小流域治理前后植被覆蓋度面積Figure 4 Vegetation coverage area before and after treatment of small watershed in Zhongxin Village

從空間分布格局來看，綜合治理將小流域劃分為生態修復區、生態治理區和生態保護區。通過對比分析(圖5)生態修復區的侵蝕量由治理前的10207.55 t減小到治理后的 9260.91 t，年平均侵蝕模數由 689.70 t·(km2·a)-1減小到 625.74 t·(km2·a)-1，生態修復區主要位于小流域的山頂和坡上部，坡度一般都在25°以上，面積為14.80 km2，占小流域總面積的65.81%，該區域主要實施封山育林治理，因為該區域人類活動較少，沒有開發建設及大規模的農業生產活動等人為干擾，通過封山育林能將人類活動趨近于 0，靠自然修復達到水土保持效果。生態治理區的侵蝕量由治理前的2046.00 t減小到治理后的1836.88 t，年平均侵蝕模數由277.61 t·(km2·a)-1減小到 249.24 t·(km2·a)-1，生態治理區主要位于坡中、坡下部和坡腳地區，坡度在 25°以下，面積為7.73 km2，占小流域總面積的32.77%，該區域人類活動頻繁，生態環境干擾、破壞程度相對較大，此為小流域綜合治理的重點區域，該區域治理的主要實施包括梯田整修、節水灌溉、擋土墻、村莊美化、田間生產道路治理，通過數據對比分析，該區域的治理措施成效顯著，梯田整修能進一步的減少水土流失，提高農田的保土能力；節水灌溉能減少因灌溉帶來的泥土沖刷；擋土墻能夠有效的遏制裸露邊坡坍塌，減少水土流失；村莊美化和田間生產道路的整修也有效的減少了水土流失。生態保護區的侵蝕量由治理前的76.61 t減小到治理后的 70.07 t，年平均侵蝕模數由239.40 t·(km2·a)-1減小到 218.96 t·(km2·a)-1，該區域主要位于河道周邊地帶，面積為 0.32 km2，占小流域總面積的 1.42%，河道周邊實施防護措施，能減少河道沖刷帶走的泥沙量。

4 討論

坡度是地貌形態特征的主要要素，是影響坡面土壤侵蝕的重要因素[24]，北京山區不同坡度的侵蝕量存在一定的差異，但總體上表現出隨著坡度的增加而增大的趨勢，這是因為在相同的條件下，隨著地面坡度增加，徑流速度加快，徑流在坡面滯留時間變短，使得入滲量減少，坡面徑流量增加，加劇了土壤侵蝕過程[25]。這與本文研究結果類似，中心村小流域的坡度在 10°以上的區域所占比例為75.59%，坡度相差較大，由圖2可知，中度及以上侵蝕大都分布在坡度較大的區域，并且隨著坡度的增大，侵蝕強度也隨之增大，再者生態修復區主要位于小流域的山頂和坡上部，坡度一般都在 25°以上，治理前后的侵蝕量均占總侵蝕量的 80%以上，更能說明研究區坡度的增加侵蝕過程也隨之加劇。坡面土地利用方式及水土保持綜合措施的合理布置是控制水土流失最重要的影響因素，通過合理的土地利用方式與適當的坡面水土保持措施可以有效地防治土壤侵蝕[25-26]。中心村小流域的治理措施成效顯著，各項措施都發揮了應有的作用，梯田作為北京山區最有效的水土保持措施之一，在中心村小流域綜合治理中發揮作用最大。本文研究結果從總體上來看，侵蝕量和侵蝕面積的變化并不是很大，究其原因，本研究是基于治理后一年來進行分析評價，各項措施完成時間較短，只體現短期效益，并沒有發揮治理措施的長遠效益，所以應當對治理區進行長期的觀測與評價，才能體現綜合治理措施最終的效益狀況。

表6 中心村小流域綜合治理前后土地利用轉移矩陣Table 6 Land use transfer matrix before and after comprehensive management of Zhongxin Village small watershed

圖5 中心村小流域三區劃分治理前后平均侵蝕模數Figure 5 The average erosion modulus before and after the division of the three districts in the Zhongxin Village

5 結論

本文在北京土壤流失方程(BJSLE)的基礎上，通過改進地形因子(LS)、梯田的水土保持工程措施因子(P)的計算方法，結合 GIS、RS，定量的評價了中心村小流域綜合治理前后的土壤侵蝕狀況，并從植被覆蓋度、土地利用現狀和三區劃分的角度對綜合治理前后土壤侵蝕時空變化格局進行了探討，最后得出以下結論:

(1)中心村小流域綜合治理前后年平均土壤侵蝕模數分別為 558.71 t·(km2·a)-1、496.57 t·(km2·a)-1，屬于輕度侵蝕。小流域治理前后大部分的侵蝕量均來源于輕度侵蝕和中度侵蝕，分別達到總侵蝕量的89.30%和90.58%，所以應該進一步加強對該侵蝕區域的治理。

(2)中心村小流域綜合治理前后的土壤侵蝕量有一定的變化，土壤的侵蝕級別正在從高級別向低級別轉化，特別是強烈侵蝕和極強烈侵蝕的侵蝕量減少了治理前的一半以上。

(3)中心村小流域三區劃分治理，因地制宜，不同治理區的侵蝕量均有較大變化，治理措施的效益達到了預期的效果。