基于CSLE模型的神木市土壤侵蝕模數(shù)計算

游浩妍，黃曦濤，陳 瑞

(1.自然資源部 陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054； 2.自然資源部 第一地理信息制圖院，陜西 西安710054)

神木市隸屬于陜西省榆林市，位于陜甘寧蒙晉五省區(qū)交界地帶，地理位置重要，礦產(chǎn)資源豐富，是正在建設(shè)的國家能源重化工基地之一，同時神木市又位于內(nèi)蒙古毛烏素沙地和黃土丘陵溝壑區(qū)的過渡區(qū)，部分地區(qū)長期存在的土壤侵蝕會影響經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，本研究選擇神木市為研究對象，基于GIS、RS平臺，采用中國土壤流失方程(CSLE)研究土壤侵蝕的時間和空間變化特征，并利用水文觀測站實測輸沙模數(shù)、陜西省水資源公報輸沙量數(shù)據(jù)等對計算的土壤侵蝕模數(shù)進行對比驗證，以期合理評價區(qū)域水土流失分布規(guī)律，為水土流失治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

神木市位于109.66°～110.92°E、38.23°～39.45°N之間，總面積7 484.29 km2，南北長138 km，東西寬113 km，是陜西省面積最大的縣級市；屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均日照時數(shù)2 876 h，年無霜期 169 d，年均氣溫8.5 ℃，年均降水量440. 8 mm；位于森林草原向典型草原和干旱草原過渡帶，主要土地利用類型為草地、耕地和林地[1]；降水資源短缺，但地下水資源相對豐富，西北部有46個內(nèi)陸湖泊，其中塞上明珠紅堿淖總面積 54 km2、儲水8億m3，是中國最大的沙漠淡水湖；主要土壤類型為風(fēng)沙土和黃綿土，還有淡栗鈣土和黑壚土交錯分布。

2 研究數(shù)據(jù)

本研究采集數(shù)據(jù)包括：全國氣象站網(wǎng)2001—2017年日降雨數(shù)據(jù)，來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心；1∶50萬神木市土壤屬性空間分布圖及工程措施數(shù)據(jù)，來源于陜西水土保持研究所；神木市分辨率10 m DEM數(shù)據(jù)，來源于陜西測繪地理信息局；2010、2015、2017年神木市土地利用現(xiàn)狀和植被覆蓋度數(shù)據(jù)，分別來源于陜西測繪地理信息局1∶5萬DLG數(shù)據(jù)(2010年)、地理國情普查(2015年)和基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測(2017年)地表覆蓋分類數(shù)據(jù)，以及2010、2015、2017年7月神木市Landsat影像；還有位于神木市西南的孤山川高石崖控制站2010年實測輸沙模數(shù)，以及陜西省水利廳發(fā)布的各年水資源公報輸沙量數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 CSLE模型

CSLE模型的基本形式為

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L、S分別為坡長、坡度因子，無量綱；B為生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

3.2 模型因子取值

(1)降雨侵蝕力因子。根據(jù)全國氣象站網(wǎng)2001—2017年日降雨數(shù)據(jù)，采用監(jiān)測年份前10年降雨數(shù)據(jù)(2010年采用2001—2010年數(shù)據(jù)，2015年采用2006—2015年數(shù)據(jù)，2017年采用2008—2017年數(shù)據(jù))計算2010、2015、2017年各個站點半月降雨侵蝕力，由此計算得到半月平均、月平均、逐年、年平均降雨侵蝕力，然后采用簡單克里金內(nèi)插方法進行降雨侵蝕力空間插值，得到研究區(qū)降雨侵蝕力分布。降雨侵蝕力計算公式[2]分別為

(2)

(3)

β=0.836 3+18.144/Pd12+24.455/Py12

(4)

α=27.815β-7.189 1

(5)

上四式中：R半月i為第i個半月時段的降雨侵蝕力，MJ·mm/(km2·h)；k為該半月內(nèi)侵蝕性降雨日數(shù)，d，k=1,2,…,m；Pk為該半月內(nèi)第k天的日雨量，mm，Pk≥12 mm，否則以0計；R年為多年平均降雨侵蝕力，MJ·mm/(km2·h·a)；Pd12為一年內(nèi)侵蝕性降雨日雨量的平均值，即一年中大于等于12 mm日雨量的總和與相應(yīng)日數(shù)的比值，mm；Py12為侵蝕性降雨年總量的多年平均值，即大于等于12 mm日雨量年累加值的多年平均，mm；α、β均為參數(shù)。

(2)土壤可蝕性因子。本研究僅考慮土壤水蝕作用，采用1∶50萬神木市土壤屬性空間分布圖及工程措施數(shù)據(jù)計算土壤可蝕性因子。計算公式[3]為

(6)

式中：K為土壤可蝕性因子，thm2h/(hm2MJm)；SAN、SIL、CLA、C分別為砂粒、粉粒、黏粒和有機碳含量，%；SN1=1-SAN/100。

(3)坡度、坡長因子。借助神木市分辨率10 m的DEM數(shù)據(jù)，采用符素華等[4]提出的公式計算坡度、坡長因子，計算公式分別為

(7)

(8)

上式中：S為坡度因子；θ為坡度，(°)；L為坡長因子；λ為坡長，m；m為坡長指數(shù)。

(4)生物措施、工程措施、耕作措施因子。根據(jù)2010、2015、2017年神木市土地利用現(xiàn)狀、植被覆蓋度數(shù)據(jù)及Landsat影像，采用符素華等[4]的研究成果，對CSLE模型中的生物、工程、耕作措施因子進行賦值或計算，結(jié)果見表1、2。工程措施因子計算公式[5-6]為

(9)

式中：St為梯田面積，km2；Sd為淤地壩控制面積，km2；S為土地面積，km2；α、β分別為梯田和淤地壩的減沙系數(shù)，α=0.764，β=1。

表1 神木市不同地表覆蓋類型的B值

表2 神木市不同坡度條件的T值

3.3 模型驗證

采用CSLE模型，通過計算各因子值，計算得到神木市孤山川高石崖控制站2010年土壤侵蝕模數(shù)為185.37 t/(km2·a)，而水文觀測站實測輸沙模數(shù)為98.2 t/(km2·a)，兩結(jié)果均屬微度侵蝕，可以認(rèn)為CSLE模型及上述參數(shù)取值適用于當(dāng)?shù)氐耐寥狼治g評價，可以應(yīng)用于全市土壤侵蝕模數(shù)估算。此外，據(jù)陜西省水利廳發(fā)布的各年水資源公報，2010、2015、2017年黃河流域輸沙量分別為10 214萬、4 075萬、12 147萬t，呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢，這同本研究采用CSLE模型計算得到的神木市土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢一致。輸沙是一個極其復(fù)雜的過程，暴雨洪水、人類活動等都會引起輸沙量的變化，雖然不完全等同于土壤侵蝕，但其趨勢對于土壤侵蝕評價有參考意義，也輔助證明了本研究計算得到的土壤侵蝕模數(shù)變化規(guī)律的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)果與分析

4.1 土壤侵蝕模數(shù)

運用CSLE模型，計算得到神木市2010、2015、2017年土壤侵蝕模數(shù)分別為1 252.55、1 216.68、1 976.07 t/(km2·a)，呈先減后增的變化趨勢，不同侵蝕強度土地面積及比例見表3。

4.2 土壤侵蝕與植被的關(guān)系

將研究區(qū)植被分級數(shù)據(jù)與2010、2015、2017年3期土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)進行疊加，分析不同時段不

表3 2010、2015、2017年神木市不同侵蝕強度土地面積及比例

同植被覆蓋度下的土壤侵蝕分布，結(jié)果見表4。隨植被覆蓋度增加，3期不同植被覆蓋度區(qū)域侵蝕模數(shù)和侵蝕量均呈先增后減的變化趨勢。分析其變化原因：植被覆蓋度≤20%區(qū)域多集中在西部地勢平坦的沙丘區(qū)，受地形影響，侵蝕模數(shù)相對較低；植被覆蓋度40%～60%區(qū)域多集中在東部地形破碎、海拔1 150 m以上的草地，受雨水沖刷影響明顯，侵蝕模數(shù)較高；植被覆蓋度>60%區(qū)域，植被覆蓋度較高，抗蝕作用強，加之土地面積較小，因此侵蝕模數(shù)較低，侵蝕量也較小。

表4 研究區(qū)2010、2015、2017年不同植被覆蓋度的土壤侵蝕分布

4.3 土壤侵蝕的地形分布特征

(1)不同海拔的土壤侵蝕分布。將研究區(qū)地形圖與3期土壤侵蝕空間分布圖疊加，分析不同海拔的土壤侵蝕分布，結(jié)果見表5。隨區(qū)域內(nèi)海拔逐漸升高，3期不同高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)均呈逐漸減小趨勢，即海拔越高侵蝕強度越低。隨時間演進，>1 050 m高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)呈先減后增趨勢；在≤1 050 m高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)呈增加趨勢。在≤950 m高程帶內(nèi)，3期侵蝕模數(shù)均為各高程帶內(nèi)最大值。≤950 m高程帶區(qū)域主要分布在研究區(qū)東南部，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫、地形破碎、坡度較陡，劇烈侵蝕區(qū)域所占比例較大，因此侵蝕模數(shù)較大。

表5 研究區(qū)2010、2015、2017年不同海拔的土壤侵蝕分布

(2)不同坡度的土壤侵蝕分布。將研究區(qū)坡度等級圖與3期土壤侵蝕空間分布圖疊加，分析不同坡度級別的土壤侵蝕分布，結(jié)果見表6。從表6中可以看出：隨著坡度增加，3期不同坡度級別區(qū)域侵蝕模數(shù)均大致呈增加趨勢；隨時間演進，除25°～35°坡度級別外，相同坡度級別內(nèi)侵蝕模數(shù)和侵蝕量均呈現(xiàn)先減后增的趨勢。

表6 研究區(qū)2010、2015、2017年不同坡度的土壤侵蝕分布

4.4 土壤侵蝕與降雨的關(guān)系

降雨是影響土壤侵蝕的重要自然因素，尤其是暴雨對土壤侵蝕影響巨大。神木市2017年土壤侵蝕程度增加明顯，在一定程度上是受降水增加的影響。神木市2017年降水量554.14 mm，比2010年降水量400.23 mm增加了38.46%；2017年降雨侵蝕力為2 141.91 MJ·mm/(hm2·h·a)，比2010年降雨侵蝕力1 089.31 MJ·mm/(hm2·h·a)增加了96.63%。因此，在神木市開展水土流失防治時應(yīng)增加應(yīng)對暴雨的措施。

5 結(jié) 論

(1)采用CSLE模型對神木市2010、2015、2017年土壤侵蝕模數(shù)進行定量分析，用境內(nèi)實測站點輸沙量數(shù)據(jù)和水資源公報輸沙量數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明估算結(jié)果合理，說明CSLE模型作為經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂捎糜谏衲臼型寥狼治g定量研究。

(2)2010—2017年神木市土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢。同時，隨植被覆蓋度增加，不同植被覆蓋度區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量先增后減；隨海拔升高，不同高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)逐漸減小，在≤950 m高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)出現(xiàn)最大值；隨著坡度增加，不同坡度級別區(qū)域侵蝕模數(shù)大致呈增加趨勢；此外，暴雨是導(dǎo)致神木市土壤侵蝕增加的重要原因，因此在水土保持工作中應(yīng)增加應(yīng)對暴雨的措施。