康平縣趙家小流域土壤侵蝕特征分析

胥桂梅

(康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心，沈陽(yáng) 110500)

對(duì)定量評(píng)價(jià)土地資源合理利用、土壤侵蝕特征、水土保持規(guī)劃等土壤侵蝕模型具有較強(qiáng)的適用性，并以USLE經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型最為典型，因存在參數(shù)易獲取、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便等特點(diǎn)逐漸得到應(yīng)用。美國(guó)農(nóng)業(yè)部最初提出的USLE模型，后經(jīng)修訂調(diào)整形成了最新的RUSLE模型，由于其優(yōu)點(diǎn)明顯被廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。

20世紀(jì)80年代，我國(guó)開始研究應(yīng)用RUSLE模型，對(duì)指導(dǎo)土壤侵蝕模型的研發(fā)及水土資源評(píng)價(jià)具有重要作用。如劉保元等結(jié)合我國(guó)水土流失現(xiàn)狀，對(duì)USLE模型提出了改進(jìn)的CSLE模型，并在全國(guó)水土保持普查中起到了關(guān)鍵作用[3]。目前，RS與GIS技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了以更加直觀的圖形形式輸出模型結(jié)果，為空間尺度上分析土壤侵蝕特征提供了技術(shù)支持。最初設(shè)計(jì)的USLE模型比較適用于坡面尺度，而現(xiàn)階段在流域尺度上RUSLE模型的適用性更強(qiáng)。雖然，特定的地理環(huán)境不再作為USLE模型應(yīng)用的條件，但使用過(guò)程中仍存在一定的約束條件，即模型的應(yīng)用條件必須能夠準(zhǔn)確的估算出各項(xiàng)因子，且符合可靠性要求。所以，充分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C是保證模型輸出結(jié)果可靠度的重要條件。

然而，對(duì)于缺乏實(shí)測(cè)資料的地區(qū)，通常難以科學(xué)驗(yàn)證與準(zhǔn)確估算模型因子，大多以土壤侵蝕數(shù)據(jù)驗(yàn)證USLE模型的因子值。例如，潘美慧等通過(guò)對(duì)比分析與前人的結(jié)論，驗(yàn)證了各侵蝕等級(jí)的面積比例；文雅等以烏陂河流域?yàn)槔ㄟ^(guò)對(duì)比USLE模型計(jì)算數(shù)據(jù)與水土流失實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)USLE可以達(dá)到83.5%的模擬精度[4-5]。因USLE模型運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜、涉及因子較多，直接使用時(shí)往往難以驗(yàn)證其準(zhǔn)確度，導(dǎo)致實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果偏差較大，甚至?xí)霈F(xiàn)不同量級(jí)的侵蝕強(qiáng)度差別。鑒于此，文章以康平縣趙家小流域?yàn)槔谌嫣接慠USLE模型LS因子算法的情況下，通過(guò)河道淤積實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與RUSLE模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠度與可行性，并進(jìn)一步探討了流域的侵蝕分布特征。

1 流域概況

趙家小流域位于康平縣柳樹鄉(xiāng)中部，流域面積31.5km2，北部屬于土石質(zhì)低山丘陵區(qū)，南部屬于平原沙化區(qū)。趙家小流域海拔高程70-170m，相對(duì)高差100m，海拔100m以上的山頭有14座，坡度范圍0°-15°，分布有溝壑3條，溝壑密度0.21km/km2，最長(zhǎng)溝壑主溝長(zhǎng)5700m。土壤多為棕壤土和褐土，全區(qū)土壤均為“中下”和“瘠薄”級(jí)，主要植被是旱田農(nóng)作物、荒山草地、楊、柳、松林等。該小流域?qū)贉睾桶敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年降水量513.4mm，汛期降雨(6-9月份)約占全年總量的75%，且多以大雨、暴雨出現(xiàn)[6-7]。

流域內(nèi)土地資源面積3150hm2，其中農(nóng)業(yè)用地2291hm2，林業(yè)用地407.3hm2，荒山荒坡94.9hm2，水域及村屯道路等非生產(chǎn)用地356.6hm2，占全區(qū)比例為72.74%、12.90%、3.01%、11.32%，人均耕地0.46hm2。

2 研究方法

2.1 RUSLE模型

文章利用適用性較強(qiáng)的RUSLE模型計(jì)算分析小流域土壤侵蝕特征，其表達(dá)式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/，hm2·h·a；K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm·a)；L、S、C、P為坡長(zhǎng)、坡度、作物與覆蓋、水保措施因子，無(wú)量綱；A為單位面積細(xì)溝侵蝕與坡地坡面侵蝕的年均侵蝕量，即土壤侵蝕量t/(hm2·a)。

2.2 因子計(jì)算

2)土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性是引起土壤侵蝕的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因素，它反映了土壤被降雨侵蝕力沖蝕、分離、搬運(yùn)的難易程度。K因子是指單位降雨侵蝕指數(shù)造成的坡度為9°坡面上連續(xù)耕作條件下的土壤流失率，其中代表性的K因子計(jì)算方法有EPIC估算法、Shirazi數(shù)學(xué)法和諾模圖法等。

從土壤亞類的角度上，康平縣趙家小流域主要有石灰性褐土、棕壤性土、褐土、潮土、棕壤5種，鑒于該區(qū)的土壤屬性及其類型與北方土石山區(qū)的河北省存在一定相似性，借鑒其K因子值確定趙家小流域5種土壤的K因子如表1所示。

表1 土壤可蝕性K值

3)地形因子LS。鑒于趙家小流域坡度超過(guò)8°的坡面所占比較高(60.25%)的實(shí)際，文章結(jié)合劉保元等提出的陡坡坡度公式計(jì)算流域內(nèi)不同坡度的因子值，其表達(dá)式為：

(2)

針對(duì)LS因子的計(jì)算，本研究以細(xì)溝侵蝕比率中等的情形進(jìn)一步利用坡長(zhǎng)指數(shù)(m)設(shè)計(jì)AML公式，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出坡長(zhǎng)值。坡面上細(xì)溝與細(xì)溝侵蝕的比率β與坡長(zhǎng)指數(shù)的大小直接相關(guān)，可以用下式求解：

m=β/(1+β)

(3)

式中：β為值反映了細(xì)溝侵蝕與土壤的敏感性特征，考慮小流域土地利用、降水、土壤、植被等情況取土壤對(duì)細(xì)溝間、細(xì)溝侵蝕敏感性適中的β值，其表達(dá)式為：

β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

(4)

式中：θ為坡度。

3)植被覆蓋因子C。該因子是指在地形、降雨、土壤類型相同情況下耕作某特征作物或植被與連續(xù)不種植作物空白土地的土壤流失量之比，其變化區(qū)間為0-1，無(wú)量綱。C因子反映了對(duì)侵蝕速率管理、耕作措施的抑制作用，一般用于保護(hù)規(guī)劃各種管理措施的相對(duì)影響比較。C因子和接下來(lái)的P因子對(duì)水土保持可以起到有利作用，都能在一定程度上降低侵蝕動(dòng)力，且不同的C因子估算方法其適用范圍、尺度都存在較大差異，也存在各自的缺陷和優(yōu)勢(shì)。文章結(jié)合前期提取的高分辨率林草覆蓋/土地利用類型數(shù)據(jù)，借鑒相關(guān)研究資料選用直接賦值的方法。

4)土壤保持措施因子P。P因子值是指相同塊地順坡耕作條件下特定水保措施與未實(shí)施水保措施的土壤流失量之比，通過(guò)表面流的匯流方向、斜坡坡度和水流形態(tài)的調(diào)整，土壤保持措施可降低徑流速率、減少?gòu)搅髁?，從而發(fā)揮減輕土壤侵蝕的作用。一般地，梯田修筑、高耕作、谷坊修建、坡改梯等屬小流域常見的水保措施。設(shè)1、0代表未實(shí)行任何保護(hù)措施和無(wú)侵蝕的地區(qū)，結(jié)合相關(guān)資料和研究小流域土石質(zhì)山區(qū)實(shí)際情況，按照表2賦予不同用地類型的P值。

表2 趙家小流域的C、P因子值

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)疊加處理RUSLE模型中的各因子值，利用地理信息系統(tǒng)平臺(tái)輸出趙家小流域土壤侵蝕模數(shù)平均值405.11t/km2·a，最大值21428.57t/km2·a，標(biāo)準(zhǔn)差845t/km2·a?，F(xiàn)階段，關(guān)于康平縣土石質(zhì)低山丘陵區(qū)和平原沙化區(qū)的水土流失實(shí)證分析相對(duì)較少，土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)利用原型USLE模型計(jì)算時(shí)，其結(jié)果差別較大。因此，在缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，可對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度利用泥沙淤積資料來(lái)估算，這也是一種行之有效的方法[8]。

康平縣趙家小流域水保治理工程、河道淤積測(cè)量資料等，為模型驗(yàn)證及其淤積測(cè)算提供了數(shù)據(jù)支撐。文章結(jié)合河流淤積量、泥沙攔截量、攔沙率等數(shù)據(jù)，充分該小流域地貌形態(tài)、人類活動(dòng)、植被覆蓋等因素，利用沙量平衡理論和比重加權(quán)求和法計(jì)算趙家小流域年均土壤侵蝕模數(shù)為386.1t/km2·a，這與RUSLE模型輸出的405.11t/km2·a基本相同，考慮到南部現(xiàn)有平原沙化區(qū)和北部土石質(zhì)低山丘陵區(qū)，以及所用格柵精度為30m的實(shí)際，可以認(rèn)為RUSLE模型所涉及的各項(xiàng)因子算法及其賦值滿足精準(zhǔn)度、可靠性要求。

3.2 流域總體侵蝕狀況分析

康平縣趙家小流域水土流失面積7.2km2，土壤侵蝕量為2916.8t/a，土壤侵蝕模數(shù)405.11t/km2·a。將土石質(zhì)低山丘陵區(qū)容許土壤流失強(qiáng)度按照土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為200t/km2·a，則趙家小流域土壤侵蝕強(qiáng)度為微度為主，如表3。

表3 郎家山小流域土壤侵蝕分級(jí)

由表3可知，除微度侵蝕強(qiáng)度外趙家小流域土壤侵蝕區(qū)達(dá)到226.7hm2，所占比達(dá)到31.49%。輕度及以上侵蝕強(qiáng)度的侵蝕量和侵蝕面積所占比例，隨著侵蝕級(jí)別的增大呈逐漸減小的特征。其中，輕度侵蝕的侵蝕量所占比例最高達(dá)到55.56%，侵蝕量約為1067.6t，這也是趙家小流域主要產(chǎn)沙來(lái)源，該區(qū)域?qū)儆谒帘３种攸c(diǎn)治理區(qū)。同時(shí)，中度及以上侵蝕強(qiáng)度的面積占比僅有3.73%，但侵蝕量占總的30.06%，表明該區(qū)域應(yīng)引起水保治理的重點(diǎn)關(guān)注。

3.3 不同用地類型土壤侵蝕

圖1反映了不同用地類型的土壤侵蝕面積、侵蝕量與侵蝕模數(shù)。從侵蝕量與侵蝕面積的角度上，侵蝕土地利用類型中旱地面積所占比例最大，達(dá)到35.50%，其侵蝕模數(shù)達(dá)到702.5t/km2·a，與其他土地利用類型相比其年均侵蝕量達(dá)到最高值1795.6t，占總侵蝕量的61.56%；其次，農(nóng)村居民點(diǎn)的面積百分比為15.6%，其侵蝕模數(shù)達(dá)到467.7/km2·a，土壤侵蝕量貢獻(xiàn)率為18.01%。相對(duì)而言，其他用地類型的侵蝕量較少，占流域總侵蝕量之比均在10%以下。從不同侵蝕強(qiáng)度的角度，趙家小流域以輕度侵蝕為主，不同用地類型存在較為明顯的侵蝕強(qiáng)度差異，其中最高的為建設(shè)用地，這里的建設(shè)用地包括交通道路、廠礦、采石場(chǎng)、大型工業(yè)區(qū)和特殊用地等。其中，低覆蓋度草地、中覆蓋度草地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)民居民點(diǎn)以及旱地等用地類型均高于容許土壤侵蝕強(qiáng)度。結(jié)合不同用地類型范圍，從侵蝕強(qiáng)度與侵蝕量的角度上，旱地具有相對(duì)較高的侵蝕強(qiáng)度、侵蝕面積和范圍，因此此用地類型應(yīng)作為水土流失重點(diǎn)治理區(qū)；小流域治理應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)村居民點(diǎn)與中覆蓋草地的治理、預(yù)防，需要進(jìn)一步關(guān)注并預(yù)防土壤侵蝕進(jìn)一步擴(kuò)展的有低覆蓋草地、城鎮(zhèn)用地和其他建設(shè)用地。

圖1 不同土地利用類型下的侵蝕狀況

4 結(jié) 論

1)將康平縣趙家小流域的土壤侵蝕特征利用RUSLE模型計(jì)算分析，其土壤侵蝕模數(shù)405.11t/km2·a，利用沙量平衡理論和比重加權(quán)求和法計(jì)算年均土壤侵蝕模數(shù)為與RUSLE模型輸出基本相同，這表明RUSLE模型所涉及的各項(xiàng)因子算法及其賦值滿足精準(zhǔn)度、可靠性要求。

2)研究小流域水土流失面積為7.2km2，土壤侵蝕量為2916.8tt/年，將土石質(zhì)低山丘陵區(qū)容許土壤流失強(qiáng)度按照土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為200t/km2·a，研究小流域土壤侵蝕強(qiáng)度為微度為主。

3)從侵蝕強(qiáng)度與侵蝕量的角度上，旱地具有相對(duì)較高的侵蝕強(qiáng)度、侵蝕面積和范圍，因此此用地類型應(yīng)作為水土流失重點(diǎn)治理區(qū)；小流域治理應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)村居民點(diǎn)與中覆蓋草地的治理、預(yù)防，需要進(jìn)一步關(guān)注并預(yù)防土壤侵蝕進(jìn)一步擴(kuò)展的有低覆蓋草地、城鎮(zhèn)用地和其他建設(shè)用地。