基于RULSE 方程的承德市土壤侵蝕空間分布研究

史璐瑤

（河北省承德水文勘測研究中心，河北 承德067000）

北方土石山區域面積達75.4萬km2， 其中有12.8萬km2遭受水土流失，是我國水力土壤侵蝕典型區之一［1］。 該地區為農牧交錯帶、干旱與半干旱過渡區，人為活動強烈、地表覆被程度較低，加之夏季暴雨集中，極易產生水土流失。近40年來區域實施了“三北”防護林建設、退耕還林還草工程，使得生態環境有一定恢復，土壤侵蝕程度得到有效遏制［2-3］。 在區域尺度上定量估算土壤侵蝕量與解析其空間分布特征是促進水土保持治理的關鍵。 本研究擬以多源環境數據為基礎， 定量揭示承德市土壤侵蝕模數及其強度分布，以期為區域國土資源管理提供參考依據。

1 研究區概況

承德市地處我國華北平原向內蒙古高原過渡帶，屬于農牧交錯區，地理坐標為北緯40°12′～42°37′E，東經115°54′～119°15′E，區域面積3.97萬km2。 該市地勢自北向南傾斜，依次是燕山山地、海河平原，海拔介于200～2118m，地勢相差較大。 區域為溫帶大陸性季風氣候，四季分明、雨熱同期，夏季降水量集中，多年平均降水量539mm，氣溫9 ℃。 該市土壤侵蝕類型有風力、水力、凍融侵蝕3種，其中風力侵蝕主要分布在西北部裸露土石山區， 凍融侵蝕以北部山地區為主，水力侵蝕則廣泛分布。

2 RULSE原理與研究數據

2.1 RULSE模型原理

通用土壤流失方程 （RUSLE） 是美國學者Wischmeier［3］于20世紀60年代通過試驗總結而提出，且經國內外學者校正后而廣泛應用于估算土壤模數的經驗模型。 該模型綜合考慮了土壤侵蝕發生的動力來源、受體防護、土壤性質、地形等侵蝕環境因子，將土壤侵蝕量描述如下［4-5］：

式中 A為年侵蝕模數 （t·km-2a-1）；R為降雨侵蝕動力因子（MJ·mm/（hm2·h·a）），計算如式（2）；K為土壤可蝕性因子（t·hm2·h/（hm2·MJ·mm））；計算如式（3）；LS為坡長及坡度因子，計算如式（4）～（5）；C為植被覆蓋和作物管理因子；P為水土保持措施因子，林地、草地為1，旱地0.4，果園0.7，城鎮道路為0，未利用地為1。

式中 Pi為月平均降雨量（mm），P為年平均降雨量（mm），i=1，2…12；SAN、SIL、GLA分別為砂粒、粉砂、黏粒含量百分比；C為有機質含量百分比；SN=1-SAN/100。

2.2 數據來源與處理

基于RULSE方程，選取對侵蝕發育敏感的環境因子作為侵蝕程度預測模型的輸入變量。 具體數據如下：

表1 土壤侵蝕敏感性環境因子數據集

使用ENVI 5.5處理landsat8 OLI影像，經輻射定標、地形校正后提取植被指數。 其他圖件資料和柵格化數據通過ArcGIS10.6平臺進行空間處理計算。將上述環境因子統一坐標、分辨率（30m），利用柵格計算器與重分類工具進行土壤侵蝕建模與侵蝕強度分級［5］。

3 結果與分析

3.1 承德市RULSE各因子空間分布

提取RULSE各因子是估算土壤侵蝕模數的關鍵。 圖1為基于遙感和GIS技術的承德市土壤侵蝕環境因子空間分布圖。

圖1 承德市RULSE各因子空間分布

如圖1所示， 研究區降雨侵蝕力介于1390～2465（MJ·mm/（hm2·h·a））之間，平均值為1865（MJ·mm/（hm2·h·a）），呈現自南向北減少分布，這與區域降雨量分布特征一致。C因子（圖1（a））值介于0.34～1.00之間，北部土石山區植被生長狀況較差，因而C因子為低值，東南大部分地區為園地、耕地、建設用地，該地C 不能反映真實的植被管理狀況，因而該地C因子可能被高估。 P因子（圖1（b））空間分布與C因子分布相逆，具有相似空間特征，其值介于0.12～1.00。S因子（圖1（c））呈斑塊狀分布，與L因子格局近似。 K因子（圖1（f））值域為0.16～0.83，空間分布受DEM、河流影響。

3.2 承德市土壤侵蝕分布特征分析

圖3為承德市土壤侵蝕模數空間分級。 統計表明，研究區平均土壤侵蝕模數為2438.69t/（km2·a），表明該地土壤侵蝕相對較輕， 土壤侵蝕總量0.68 億t/a。從空間上看，該市土壤侵蝕強度斑塊呈塊狀分布，其中，微度侵蝕等級以班狀、帶狀分布，在河流上游或溝谷皆有分布； 強度和極強度呈斑點狀離散無序分布，這種分布特征主要由人為活動干擾導致。 輕度、中度侵蝕斑塊呈面狀連續性分布。統計顯示，各侵蝕強度斑塊分布面積依次占： 微度 （20.24%）＞輕度（50.71%）＞中度 （26.07%）＞強度 （2.15%）＞極強（0.83%），以輕度侵蝕為主。

圖2 承德市土壤侵蝕空間分布

3.3 不同土地利用下土壤侵蝕分布特征分析

承德市用地類型中區以建設用地（城鄉建設地、道路、工礦用地）面積最大，占全市總面積的47.21%，其次是園地，達23.00%；植被用地（林地、草地）呈離散分布，占18.85%；耕地面積較少，僅為6.34%，其他用地面積為3.08%。 表1統計了不同土地利用類型下土壤侵蝕強度分布情況。可知，建設用地是區域土壤侵蝕發生的主要用地類型，侵蝕程度以微度、輕度、中度占優，分布面積分別為3791，4888，1960km2。 經實地調查發現，由于承德市土地資源開發強度大、人為活動影響強烈， 許多待建設開發用地地表覆被程度低、水保措施不全，從而易受侵蝕，而其中已建成的建設用地由于地表固結而不易侵蝕。 林草地由于較好的植被條件減弱降雨侵蝕力， 因此大部分地區以微度、輕度侵蝕為主，面積達3791，4888km2。 園地和耕地是區域主要生態農業用地， 這兩種用地類型中強度及其以上的侵蝕面積達249km2， 占該地類面積的6.49%，這是不容忽視的。

表1 不同土地利用類型土壤侵蝕強度面積分布單位：km2

3.4 不同坡度條件下土壤侵蝕分布特征分析

利用ArcGIS平臺的Zonal histogram工具將土壤侵蝕強度圖與坡度分級圖進行疊加統計， 得到不同坡度條件下侵蝕模數分布，結果如表2。 各坡度條件下 侵 蝕 面 積 分 布 依 次 為2°～5°（38.44%）＞0°～2°（28.08%）＞5°～8°（23.00%）＞8°～10°（8.85%）＞10°～17°（1.62%）。 該市大部分地區地形平坦， 陡坡分布較少，緩平地區的土壤侵蝕面積分布最廣泛。 其中0°～2°地帶以輕度侵蝕為主， 約5756km2， 占該坡度面積的52.66%。 2°～5°的坡度帶中， 輕度侵蝕面積達7785km2， 其 次 是 微 度、 中 度 侵 蝕， 分 別 達3032，2388km2。 其他坡度條件下也以輕度侵蝕分布面積最多。 從侵蝕強度來看，微度、輕度乃至及強度侵蝕，均大部分集中于2°～5°的地帶，因此該坡度帶是區域水土保持治理的主要區域。

表2 不同坡度條件下土壤侵蝕強度面積分布單位：km2

4 結語

本文基于多源環境數據，在遙感與GIS技術支持下，利用RULSE 方程估算了承德市土壤侵蝕空間分布。 結論如下：承德市土壤總量為0.68億t/a，平均土壤侵蝕模數為2438.69t/（km2·a）， 土壤侵蝕強度呈斑塊狀分布，以輕度、中度、微度侵蝕為主，強度以上侵蝕面積占10.79%。 在不同坡度帶上，2°～5°是該市侵蝕發生面積最大的坡度帶， 是區域水土流失治理重點區。在各土地利用類型中，侵蝕面積最大的建設用地， 眾多建設用地地類中未采取有效的植被覆蓋管理，加上人為活動破壞地表，導致易于產生侵蝕。