基于USLE的延安市水土流失敏感性評價

韓株桃

(陜西省長安大學土地工程學院，陜西 西安 710000)

引言

隨著我國推進新時代生態文明建設步伐的加快，平衡好生態環境與經濟發展之間的關系，推動我國經濟高質量發展成為我國現階段最重要的任務之一。在當前我國面臨的生態環境治理問題中，水土流失依然是制約我國經濟高質量發展的一個重要難題。水土流失敏感性，是指區域生態系統水土流失生態過程發生的可能性以及程度[1]。我國地域廣闊，經緯跨度大，無論是從氣候、地形、植被和土壤等自然條件，還是從人口密度、經濟發展等社會條件上講，區域與區域間的差異都十分巨大。因此，在進行水土流失敏感性評價時，就要做到對水土流失通用方程的靈活運用，結合我國國情，對評價因子進行合理選擇。鑒于此，本文以水土流失通用方程(USLE)為基礎，根據陜北黃土高原延安市的地域特征，選擇適合該地區的水土流失敏感性評價因子并對各個因子的水土流失敏感性進行等級劃分，再根據各因子在水土流失過程中的實際影響程度大小，確定各因子在區域綜合水土流失敏感性評價中的權重占比，建立水土流失敏感性評價指標體系，利用GIS軟件的空間分析和數據處理功能，通過多因素綜合評價的方法，實現對延安市的水土流失敏感性評價。根據評價結果，分析出延安市的水土流失敏感性程度以及其在空間上的分布規律，并據此針對該區域的水土流失方面的防范和治理提出合理、科學的參考建議。

1 研究區概況

延安市位于陜西省北部、陜北黃土高原丘陵溝壑區，總面積約為3.7037萬km2，約占陜北黃土高原面積的40%，共管轄2區11縣。地形以黃土高原和丘陵為主，在經歷了長時間的自然侵蝕以及受到人類活動影響的雙重作用下，該地區逐漸演變成黃土塬、梁、峁與溝壑縱橫的地貌景觀。全區地勢西北高東南低，平均海拔1200m左右。延安市屬于黃河水系，全區年平均清水徑流總量為13.38億m3。該區域屬高原大陸性季風氣候，其北部大部分屬半干旱地區，南部基本上為半濕潤地區。延安市的土壤類型主要有黃綿土、粘化黑壚土、淤沙土、鹽堿土、灰褐森林土、褐土等。延安市有著豐富的礦產資源，是我國重要的能源基地之一。根據延安市統計局公布的數據，截至2018年，延安市累計實施退耕還林面積71.83萬hm2，延安森林覆蓋率大于46%。整體看來，延安市的植被覆蓋較好，但南北部以及中南部的植被覆蓋則比較差，土地利用類型以耕地為主。

2 數據來源與處理

2.1 數據來源

本文中的高程數據和歸一化植被指數，從地理空間數據云下載；土壤數據，由寒區和旱區科學數據中心數據庫提供；遙感影像和土地利用現狀數據，來源于中科院資源與環境科學數據中心；氣象數據由中國氣象科學數據共享服務提供；其它統計數據來源于延安市人民政府官網、延安市自然資源局官網以及延安市統計局官網。

2.2 數據處理

以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯得到土地利用數據；使用DEM數據提取坡度、斜坡長度等地形數據；根據每個氣象點的緯度和經度信息,利用ArcGIS的克里金空間插值方法將研究區域的氣象數據轉化為柵格圖像數據；在ArcGIS中將所有柵格數據統一為30m大小的分辨率。

3 水土流失敏感性評價

3.1 水土流失單因子敏感性評價

根據水土流失通用方程(USLE)的研究思路，考慮到延安市的基本情況，本文選擇降水侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、地形坡度因子LS、溝壑密度、坡耕地因子和土地利用/覆被因子C共計6個因子為評價指標、以30m×30m的柵格為評價單元對延安市水土流失敏感性單因子進行評價。

3.1.1 降水侵蝕力因子

降水作為引起水土流失的主要氣候因素，是造成水土流失的主要驅動力。本文收集2017年延安市13個氣象站的逐月降水統計資料，通過研究王萬忠、焦菊英的《中國的土壤侵蝕因子定量評價研究》[2]，比對文中所討論的多種對降雨侵蝕力的計算方法，本文選擇劉秉正所提出的渭北地區年R的估算公式[3]：

(1)

根據所得的延安市13個氣象站所測得的逐月降水量得出降水侵蝕力R值，通過克里金空間內插法，制作出延安地區降水侵蝕力R值空間分布圖。

3.1.2 土壤可蝕性因子

在水土流失敏感性評價中，對土壤可蝕性因子的研究方法主要有2種，基于土壤類型的可蝕性計算方法，基于土壤質地的土壤可蝕性的簡易評估[4]。本文通過Williams提出的K值計算公式[5]，以收集到的延安市土壤類型及土壤屬性數據資料為基礎數據，通過ArcGIS生成延安市土壤可蝕性K值柵格圖層，制作延安市土壤可蝕性空間分布圖。

3.1.3 坡耕地因子

水土流失通用方程(USLE)：

A=R·K·LS·C·P[6]

(2)

式中，C為是作物經營管理因子，P為水土保持措施因子。

其對水土流失機制研究的思路可提示，將耕地僅作為土地利用/覆被類型下的一個類型因子去對一個區域的水土流失情況進行評價是不全面的，因為耕地及其形式是人類活動和自然條件相互影響下產生的，不能只從人為因素的角度上將其用作水土流失評價的一個因子，還應該表現出其自然屬性的一面。因此，本文將坡耕地作為一個單獨的評價因子，對其在水土流失過程中的影響程度進行研究分析。本文依據中國農業區劃委員會提出的《土地利用現狀調查技術規程》對坡耕地在水土流失方面的分類依據,結合延安市DEM數據提取出的坡度信息，建立延安市坡耕地因子敏感性評價分級標準并制作出延安市坡耕地空間分布圖。

3.1.4 坡度坡長因子

從水土流失的定義來看，降水是水土流失的觸發因子，降水侵蝕能力與降雨徑流的動能密切相關，徑流動能又被地形所影響。坡度和坡長2個因子能夠對地形地貌進行較為準確地描述。在對地形因子進行研究時，將坡度和坡長2個參數綜合在一起，能夠更好地對地形因子進行評價。本文選擇張科利等以坡長20m、寬度5m、坡度10°為標準小區進行研究所提出的LS簡便計算公式[7]：

(3)

以延安市的DEM數據為基礎，利用ArcGIS的空間分析功能提取出坡度和坡長，在柵格計算器中計算出LS，生成延安市地形因子空間分布圖。

3.1.5 溝壑密度因子

在對延安市的水土流失敏感性進行評價時，溝壑密度是不可忽視的一個地形因素。目前，對溝壑密度的調查方法主要有方格網法、小班號法和水文網絡法。本文使用基于DEM的水文坡面流模擬方法[8]，根據溝壑密度的計算公式；

(4)

利用ArcGIS軟件以延安市DEM數據為基礎數據，對延安市的溝壑密度值進行提取計算，將提取所得的延安地區13個縣區的溝壑密度數據利用空間內插的方法，制作出延安市溝壑密度空間分布圖。

3.1.6 土地利用/覆被類型因子

在水土流失通用方程中，C表示的是作物經營管理因子。根據定義，C值表示的是在特定條件下耕種作物土地與連續休閑的標準小區上水土流失量的比值。考慮到研究數據和方法的局限性以及研究的可行性，同時聯想到不同土地利用/地表覆被與水土流失的關系，結合相關文獻，本文將作物經營管理因子C引申為土地利用/地表覆被因子。在現實生活中，水土流失的程度不僅與自然狀態下植被的類型有關，還和人類活動造成的地表覆蓋(土地利用)類型有關，以上2種因素皆可對土壤的結構和形態產生影響，從而改變水土流失程度。將2017年延安市土地利用/覆被類型按照各類型對水土流失的相對影響程度大小進行分級，制作出延安市土地利用/覆被類型敏感性空間分布圖。

通過對R、K、LS、溝壑密度因子的計算結果并依據相關經驗和標準建立各單因子評價分級標準[9]，得到延安市水土流失敏感性評價指標分級標準見表1。根據分級結果制作出各影響因子的敏感度空間分布圖，如圖1。

表1 水土流失敏感性單因子分級標準

圖1 水土流失單因子敏感性空間分布圖

3.2 水土流失敏感性綜合性評價

考慮到在水土流失過程中，各個影響因子對該過程產生的影響大小存在差異，還需要科學合理地確定各個影響因子對于敏感性的權重。本文采用AHP層次分析法，通過邁實層次分析法軟件，計算出各個單因子對水土流失程度造成的影響中的權重大小。

以延安市水土流失敏感性評價指標體系為目標層A，氣候、土壤、地形、土地利用/覆被為4個指標層，降雨侵蝕力R、土壤可蝕性K、坡度和坡長LS、溝壑密度、坡耕地、地表覆被為措施層，如圖2。根據指標相對重要性進行兩兩比較，建立評價因子比較矩陣，計算得出各單因子權重大小，見表2。

圖2 延安市水土流失敏感性評價指標體系

表2 單因子權重大小

將各個單因子敏感性評價的結果通過ArcGIS軟件的柵格計算功能，按照各個因子在水土流失過程中對水土流失強度影響的大小(權重)進行疊加計算，計算結果為延安市水土流失綜合敏感性指數，其計算公式為[10]：

SSj=∑CijWi

(5)

式中，SSj表示的是空間單元j上的綜合水土流失敏感性指數，Cij表示的是空間單元j上第i類評價因子的敏感性賦值，Wi表示第i類水土流失評價因子的權重，其中i的取值為1～6(共有6個評價因子)。

根據得到的計算結果，參考相關規范以及先前的研究成果建立延安市水土流失敏感性評價分級指標體系，對綜合水土敏感性指數進行等級劃分并賦值，見表3，制作出延安市水土流失敏感性綜合評價圖，如圖3。

表3 水土流失綜合敏感性分級標準

圖3 水土流失綜合敏感性

4 結果分析與建議

4.1 水土流失敏感性空間格局分析

從空間分布上看，延安市北部和南部的局部地區水土流失敏感性等級較高，東南和西南部分水土流失敏感性等級較低,中度敏感區域所占面積最大，大部分地區不同水平的水土流失敏感性交織分布。北部地區受到自然因素影響較高，包括植被覆蓋度不如南部地區、地形起伏較大、土壤可蝕性較高等，水土流失敏感性較南部地區高，應該重點保護。中度敏感區域、高度敏感和極敏感區域主要集中在洛川縣、延長縣、安塞區、寶塔區和子長縣的北部；輕度敏感區域主要分布在富縣、甘泉縣黃陵縣、黃龍縣和宜川縣；不敏感區域則以位于東南部的黃龍縣分布最為廣泛。

4.2 水土流失潛在危險度評價

水土流失潛在危險度主要用于衡量在生態系統平衡被破壞后出現的土壤侵蝕的危險程度。其對水土流失危險程度的描述有2個方面：通過計算水土流失區域當前侵蝕速率，預測該區域土壤層承受的侵蝕年限(抗蝕年限),實現對水土流失造成的土壤和土地資源的破壞嚴重性的評估和預測；評估和預測研究區域被侵蝕區域侵蝕強度加重的可能性大小和未被(無明顯)侵蝕區域出現水土流失的可能性大小。因此，對延安市進行水土流失潛在危險度進行研究和評價，有利于及時發現該地區潛在的水土流失問題，對維持或恢復地區生態平衡具有重要意義。

根據水土流失潛在危險度計算公式[11]：

(6)

式中，SEPDI為水土流失潛在危險程度，M為全區域不同敏感性等級的面積，從1～5分別對應不敏感區域面積、輕度敏感區域面積、中度敏感區域面積、高度敏感區域面積和極敏感區域面積。計算結果一般在1～9，SEPDI的值越大，說明該地區的水土流失潛在危險程度越高。

根據式(6)，延安市水土流失潛在危險程度的值約為3.045，計算結果表明，受自然地理因素的影響延安市的水土流失潛在危險程度較高。

4.3 水土流失治理意見

本文根據延安市水土流失敏感性綜合評價的結果，提出以下水土流失治理意見。

對于水土流失敏感性等級較高的區域，如子長縣、安塞區、寶塔區北部、延川縣和延長縣的西側、黃龍縣的南部等地區，各有關部門、企業在經濟開發和項目建設時，要遵循生態優先的原則，充分考慮對周圍水土保持的影響。

在坡耕地因子水土流失敏感性較高地區中，坡耕地面積較大的子長縣、志丹縣、安塞區、寶塔區、富縣，水土流失的治理應該根據坡耕地的類型進行差別治理。在坡耕地較為平緩的地區，可以推行繼續耕作的相關措施。如，選擇種植秸稈類可以有效改善土壤質量的農作物，改坡耕地為梯田等；在坡度較大的坡耕地區域，可實行等高耕作，壟溝種植等措施，此外，在該類區域，退耕還林措施較難施行，可選擇種植草坪、果樹，或是輔以培地埂，挖水平溝，修水平臺地等工程強化措施后再進行造林。

在溝壑密度敏感性較高、地表較為破碎的區域，如志丹縣、安塞區、延長縣、洛川縣和吳旗縣等地區，可采取相應的固溝、護坡和保塬措施，如建壩、修建水庫、營造防護林、封坡育草等。

自20世紀末開始，延安市積極響應國家號召，實施退耕還林還草等工程。實踐證明，通過實施該項工程，延安市的植被指數得到顯著提高，生態環境狀況逐漸提升，水土流失綜合治理程度提高25%以上[12]。但由于城市化進程的加快，以延安市市區為代表的部分地區的植被有一定程度退化[13]。因此，為了保障高水平的人民生活和高質量的經濟發展，還需將各項生態恢復工程作為長期堅持的工作。