基于RUSLE模型的延安市土壤侵蝕分析

史飛航 張悅

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054)

21世紀以來土地退化問題已成為全球學者研究土地變化的重要難點，而土壤侵蝕是引起土地退化的主要方式之一[1,2]。為了治理嚴重的水土流失，國家在延安市實施了一系列生態工程，對水土流失控制、生態環境改善等均取得了顯著成效，縱觀國內外關于土壤侵蝕與水土保持的研究進展[3-7]，如何更好地保障土地資源的可持續利用是進一步需要研究的方向。在此背景下針對土地利用與土壤侵蝕變化研究還比較缺乏，本文基于多序列遙感影像、數字高程模型(DEM)、氣象、土壤質地等數據，綜合運用GIS、RUSLE模型等方法，研究了不同時期不同土地利用與土壤侵蝕時空動態變化，為黃土高原水土保持和生態環境建設提供科學依據。

1 研究區概況

延安市位于陜西省北部地區，黃土高原中南部地區，北接榆林，南到渭河北山，西到甘肅，東接黃河，地理范圍為E107°41～110°31′，N35°21′～37°31′,總面積約為37037km2，屬于典型的黃土丘陵溝壑區，是我國退耕還林的重點區域，也是黃河下游粗泥沙集中來源區。

2 研究方法

采用修正通用土壤流失方程模型(RUSLE)，并根據延安市地理環境特點和數據獲取條件確定各因子算法，模型表達式：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中，A為單位面積土壤侵蝕模數，t·(hm2·h·a)-1；R為降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)·(hm2·h·a)-1；K為土壤可蝕性因子，(t·hm2·h)·(hm2·MJ·mm)-1；LS為坡長坡度因子；C為地表植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

2.1 降雨侵蝕力

降雨變化作為重要的侵蝕變化影響因素，本文選用章文波[8-10]提出的降雨侵蝕力模型計算降雨侵蝕力較為精確。

(2)

α=21.568β-7.1891

(3)

(4)

式中，Mi表示第i個半月時段的降雨侵蝕力(MJ·mm)·(hm2·h·a)-1；Dj為半月內第j天的日雨量≥12mm；k為時段內的侵蝕性降雨天數；Pd12為日雨量≥12mm的日平均雨量；Py12為≥12mm日雨量總和相加的平均值；α、β為模型參數。

2.2 土壤可蝕性因子

土壤類型圖數據為基礎采用EPIC模型[11]進行計算不同類型土壤的K值。

(5)

式中，SAN、SIL、CLA和C分別代表砂粒、粉粒、黏粒和有機碳含量，其中，SN1=1-SAN/100。

2.3 地形因子

地形是誘導土壤侵蝕發生的重要因素，采用劉寶元[11]在CSLE模型中提出的地形因子算法：

LS=L×S

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，S為坡度因子；L為坡長因子；θ為坡度；λ為坡長；m為坡長指數。

2.4 水土保持措施因子

水土保持措施因子的取值參考前人的研究成果以及結合研究區的實際情況進行賦值，主要參照郭思琪等[5]相關研究。

表1 不同土地利用類型的水土保持措施因子

2.5 植被覆蓋與管理因子

水土保持研究中用C來反映植被情況對水土流失的效應。采用的算法是參考蔡崇法[11]等研究提出的計算因子的算法，公式：

(11)

(12)

式中，NDVI為歸一化植被指數,NDVIsoil為最小值，NDVImax為最大值。

2.6 轉移矩陣

利用轉移矩陣研究不同地類和土壤侵蝕強度1990—2020年的流入與流出情況。

式中，M代表類型面積，n為轉移前、后的類型的總數，i、j為轉移前、后的類型情況。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空變化

3.1.1 土地利用類型結構變化特征

延安市隸屬于黃河流域，較長時間處于土地超載利用，大量土地覆被遭受到破壞，改變了土地利用格局，不同的土地利用格局對于土壤侵蝕的影響也有較大差異。

圖1 延安市不同時期土地利用圖

對延安4個時段土地利用類型的數量變化進行統計分析，得到顯著的土地利用結構特征及變化趨勢。1990—2020年延安市土地利用類型主要以耕、草地為主，耕地面積由11485.44km2減少為9348.22km2，草地面積由16221.25km2增加到17284.73km2，變化率分別為-18.61%和6.56%，其中，2000—2010年時段內耕、草地面積變化最大，1990年間耕、草地占延安總面積74.81%，到2020年占總面積71.91%，30a間還是相對穩定保持了農牧占絕對主體的土地利用結構特征。1990年延安地區林草覆蓋率為68.23%，其中林地覆蓋率僅為24.43%，直到2020年間林草植被覆蓋率增加到73.47%，林地和草地分別占比26.80%和46.67%，1990—2020年林、草地的變化率分別為9.69%和6.56%，面積分別增加了876.71km2和1063.48km2，多年間林地和草地的面積和占比都實現了較大的增長，其中2000—2010年間林地的變化率達到了9.36%，草地的變化率也達到了8.57%，這個時段分別是林、草地增長最快的時期。這與國家1999年以來全國(特別是黃土高原地區)大規模實施退耕還林和封山禁牧等林業生態工程有著密不可分的關系。同時耕地、林、草地增幅較大、建設用地急速擴張、水域維持穩定的土地利用結構變化情況，這與生保工程實施后土地覆被重建密切相關。建設用地的增加面積為163.59km2，變化率高達139.42%，變化相對劇烈，這與近30a來城市化高速發展密切相關。截至2020年，延安耕、草、林地面積分別為為9348.22km2、9926.70km2和17284.73km2，占地區總面積的25.24%、26.80%和46.67%，耕林草地總面積占區98.71%，其共同構成以耕為主，農、林、牧生態優先的土地利用格局。

表2 1990—2020年不同土地利用類型變化

3.1.2 土地利用轉移變化過程特征

1990—2020年延安市主要地類轉移變化過程呈現出耕、林、草地類之間流入和流出，耕地流向其它地類的面積為3116.79km2，其中95.56%流向林、草地，同時有9202.70km2的草、林地流入為耕地，導致2020年耕地面積與1990年相比減少了2139.28km2；草地減少主要流入到耕地和少部分林地，面積為1384.09km2，同時由耕、林地流入到草地的面積為2502.61km2，使得草地面積略微增加；林地減少主要流入到耕、草地，面積為429.98km2，同時從耕、草地發展為林地的面積為1328.65km2，林地面積也保持了相對增加；水域維持了上下波動的規律，這與氣候的變化密切相關，建設用地大幅度增長也主要與耕、草及未利用地的流入有關。

表3 1990—2020年延安市土地利用變化轉移矩陣

3.2 土壤侵蝕時空動態變化

為更清楚研究延安市30a來的土壤侵蝕情況，合理規避間隔年過大而導致偶然性誤差，本文將1990—2020年按間隔10a的方式共劃分為4個時段。降雨侵蝕力分別利用4個時段前后的多年平均值，利用計算得到的影響土壤侵蝕的各個因子利用RUSEL模型來計算各個時間段的土壤侵蝕模數，從而更準確地研究延安市水土流失的防治情況。

根據水利部頒布的土壤侵蝕分級標準，對各個時段的土壤侵蝕模數進行侵蝕強度分級。結果表明延安市30a間年均土壤侵蝕強度減幅巨大，其中各個時段年平均土壤侵蝕模數如下：時段1990年平均土壤侵蝕模數為2406.48t·(km2·a)-1，時段2000年為2171.80t·(km2·a)-1，時段2010年為747.51t·(km2·a)-1，時段2020年為234.16t·(km2·a)-1，侵蝕模數呈現先增加后急劇降低的規律，且減幅巨大，時段2000—2010年平均土壤侵蝕模數降低最為顯著。根據土壤侵蝕動態演變的情況，證明了20世紀末以來延安地區開始實施的封山禁牧和退耕還林等生保措施已經取得了顯著的成效，2010—2020年土壤侵蝕強度降低較為明顯主要與延安市在2016年響應國家號召進一步加強統籌山水林田湖草沙治理密切相關。

表4 不同時段土壤侵蝕強度分級及面積統計

圖2 不同時段的土壤侵蝕強度分級圖

延安市30a間土壤侵蝕強度減輕(即侵蝕強度降級)面積遠大于加劇(即侵蝕強度升級)的面積，整個研究區土壤侵蝕在各個縣域均有明顯的減輕，各個縣域土壤侵蝕加劇的面積均小于土壤侵蝕減輕的面積。從土壤侵蝕變化的劇烈程度可以看出，在空間上侵蝕減弱的最明顯的區域主要集中在吳起縣、志丹縣等境內。

基于1990—2020年土壤侵蝕的分析結果，得到研究時間段內的土壤侵蝕強度等級轉移矩陣，研究區內有51.73%的區域土壤侵蝕強度等級未發生變化；侵蝕強度減輕主要是由各級別的侵蝕逐步轉化為微度侵蝕所致，面積占比為35.79%，侵蝕強度由微度變為其它各級別的強度僅占比為0.04%，較高侵蝕等級向較低侵蝕等級轉換的比例也遠遠大于較低侵蝕強度向高侵蝕強度等級轉換的比例，證明1990—2020年期間延安市土壤侵蝕強度不斷改善的同時，也較好地維持了微度侵蝕的穩定，也從側面反映了黃土高原退耕還林還草工程帶來的巨大成效。

表5 1990—2020年延安市土壤侵蝕強度轉移矩陣

通過各時段的土地利用與土壤侵蝕強度結果，疊加分析得到耕、林、草及未利用地的土壤侵蝕特征。主要表現為耕、草地的侵蝕強度從1990年的輕度侵蝕減幅為2020年的微度侵蝕，平均侵蝕模數極劇降低，微度侵蝕增幅面積達到26.64%，而相應的劇烈侵蝕降低到0%。草地平均侵蝕模數減幅高達1367.26t·(km2·a)-1，平均侵蝕模數減小68.32%。林地侵蝕強度由1990年的輕度侵蝕降低為2020年微度侵蝕，平均侵蝕模數減幅最大，高達946.78t·(km2·a)-1，平均侵蝕模數減少占比高達88.96%，微度侵蝕增幅面積達到83.64%。1990—2020年延安市在降雨侵蝕力出現相對增加的情況下，耕、林、草地的平均侵蝕模數不斷減小，并且此3種地類的土壤侵蝕模數減幅巨大。

延安市近30a來土地利用結構布局維持基本穩定，呈現出農、林、牧復合的土地利用格局。不同時段不同土地利用的土壤侵蝕模數差異較大，4個時段主要土地利用類型呈現出耕地>草地>林地的分布規律特征，這主要與耕地的輪番耕作及生態工程的時間成效等有密切的關系。

4 結論

延安市地處黃土高原腹地，是黃河流域的重要區域，是水土流失較嚴重的地區。從20世紀90年代以來，該區境內已經實施了一系列生態保護工程措施，本文研究不同時期不同土地利用與土壤侵蝕變化，為黃土高原水土保持和生態環境建設提供科學依據。

延安市1990—2020年土地利用類型主要以耕、草地為主，共同構成以耕為主，農、林、牧生態優先的土地利用格局，并且該主體的土地利用結構特征保持了相對穩定。耕、林、草、水域和建設用地30a間的變化率為-18.61%、9.69%、6.56%、3.17%、139.42%，地類間的轉移主要呈現耕地流入林、草地和建設用地，集中分布在退耕還林重點縣域內；2000—2010年耕、林和草地的變化率分別為-19.28%、9.36%和8.57%，變化最為劇烈。

延安市1990—2020年土壤侵蝕在各縣域均有明顯的減輕，侵蝕強度減輕面積遠大于加劇面積，在空間上侵蝕減弱的最明顯主要集中在延安市退耕還林重點縣域內，各時段不同土地利用的土壤侵蝕差異較大，平均土壤侵蝕模數呈現隨植被覆蓋度增加而降低，林、草地抑制土壤侵蝕最為顯著，整體對土壤侵蝕得抑制作用呈現出林地>草地>耕地，此規律主要與耕地的輪番耕作及生態工程的時間成效等有密切的關系。