基于RUSLE的祖厲河上游會師流域土壤侵蝕及敏感性分析

柴亞昕，胡彥婷，張富，高凡潔，包炳琛，蔣承洋

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

土壤侵蝕致使土地資源破壞、荒漠化加劇、生產(chǎn)力降低等，對我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)造成嚴(yán)重影響，是我國嚴(yán)重的環(huán)境問題之一［1-2］。據(jù)2019年全國水土保持公報顯示，水土流失面積為271.08萬km2，其中輕度水土流失面積為170.55萬km2、中度46.36萬km2、強烈20.46萬km2、極 強 烈15.97萬km2、劇 烈17.74萬km2［3］。分布范圍較廣且嚴(yán)重，因此，防治土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展任務(wù)刻不容緩［4］。

土壤侵蝕敏感性指在自然狀況下發(fā)生土壤侵蝕的潛在可能性及其程度，對區(qū)域土壤侵蝕的防治具有指導(dǎo)意義［5］。目前，國外土壤侵蝕研究應(yīng)用較為廣泛的方法為Wischmeier和Smith提出的通用土壤流失方程（RUSLE）模型，該模型適應(yīng)大多數(shù)地理背景下的土壤侵蝕評價，國內(nèi)劉寶元等［6］在RUSLE的基礎(chǔ)上，將耕作因子（T）、生物因子（B）和工程因子（E）引入，建立了中國土壤流失方程。王禮先等［7］依據(jù)陡坡坡面的特點，得到了有關(guān)陡坡的坡面侵蝕模型。趙明月［8］、張乃夫等［9］依據(jù)RUSLE方程，結(jié)合ArcGIS等軟件技術(shù)對青海湖流域、安徽新安江流域依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)進行了流域尺度上的土壤侵蝕敏感性評價，得到不同土壤侵蝕敏感性分區(qū)并提出防治對策及建議，對土壤侵蝕的預(yù)防治理提供了參考依據(jù)。由此可見，采用RUSLE模型進行土壤侵蝕分析具有適用性廣、結(jié)果較為準(zhǔn)確等優(yōu)點，為區(qū)域土壤侵蝕評價提供了有效的方法。

祖厲河流域為典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地形破碎，溝壑縱橫，水資源稀缺，生態(tài)環(huán)境惡劣，水土流失嚴(yán)重，研究其侵蝕現(xiàn)狀對黃土高原干旱半干旱區(qū)的侵蝕規(guī)律具有一定的代表意義。目前對祖厲河流域的土壤侵蝕相關(guān)研究較為缺乏，焦金魚、貴立德［10-11］對祖厲河流域的土壤侵蝕治理模式及時空分異等進行了研究，但現(xiàn)有成果缺乏對祖厲河流域土壤侵蝕敏感性的評價。本研究采用較為成熟的RUSLE模型對祖厲河上游流域進行土壤侵蝕及其敏感性分析，為今后流域內(nèi)土壤侵蝕預(yù)防治理提供科學(xué)依據(jù)，進一步為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

祖厲河是黃河上游的一級支流［12］，處于黃土高原西部、甘肅省中部，為隴中黃土高原的一部分，地理位置E 104°12'～105°33'，N 35°18'～36°34′，流域 總面積10 653 km2［13］。研究區(qū)位于祖厲河上游、會寧縣南部包括會師鎮(zhèn)、丁家溝鎮(zhèn)、西鞏驛鎮(zhèn)、中川鎮(zhèn)、華家?guī)X鎮(zhèn)、新添堡回族鄉(xiāng)、翟家所鄉(xiāng)、侯家川鎮(zhèn)、八里灣鄉(xiāng)、老君坡鄉(xiāng)、太平店鎮(zhèn)和黨家峴鄉(xiāng)12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為983.86 km2，氣候?qū)侔霛駶櫹虬敫珊颠^渡地帶，空氣干燥，降水量少且分布不均，年平均降水量400 mm，年均氣溫6～8 ℃，土壤類型以黃綿土、灰鈣土和灰褐土為主，為生態(tài)脆弱區(qū)［14-15］。土地利用方式以耕地、草地和林地為主。地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 材料和方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源研究采用的降水量數(shù)據(jù)來自甘肅省水文站，為研究區(qū)內(nèi)及周圍紅土、中川、太平店、會寧、西鞏驛、甘溝驛、大溝、老莊、黃家灣、黨家峴和邵家溝11個雨量站點的月均降水量和年均降水量；土壤類型數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫（http://westdc.westgis.ac.cn/）；2019年DEM數(shù)據(jù)和Landsat8 OLI/TIR衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載（http://www.gscloud.cn），分辨率為30 m；2019年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采用ENVI、eCognition、ArcGIS等技術(shù)手段對30 m分辨率的Landsat8 OLI/TIRS影像進行處理，并進行人工校核與對比得到土地利用數(shù)據(jù)，精度為95%以上。

1.2.2研究方法土壤侵蝕現(xiàn)狀研究 土壤侵蝕敏感性的評價方法采用RUSLE土壤侵蝕模型［16］，計算公式為：

式中：A為年土壤流失量，單位為t/（hm2·a）；R為降水侵蝕力因子，單位為MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，單位為t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；S、L為土壤所處地面的坡度與坡長；C為植被覆蓋管理因子；P為水土保持措施因子。

（1）降水侵蝕力因子（R）

本研究采用月均降水和年均降水的Ganasri B P［17］模型，公式為：

式中：R表示降水侵蝕力因子，單位為（MJ·m）/（hm2·h·a）；P表示年均降水量，單位為（mm）；Pi表示月均降水量，單位（mm）。

（2）土壤可蝕因子（K）

研究采用Williams［18］等提出的EPIC模型中的計算方法獲得K值大小，計算式如下：

式中：SAN表示土壤中砂粒量（單位：%）；SIL表示土壤中粉粒含量（單位：%）；CLA表示為土壤中粘粒含量（單位：%）；C為有機碳的含量（單位：%）；其中SN1=1-SAN/100。

（3）坡度坡長因子（LS）

坡度因子S的計算采用Desmet［19］等提出的公式：

坡長因子L的計算采用Mccool［20］等提出的公式：

式中：θ為利用DEM提取的坡度，單位為°；λ為坡長，單位為m；m為坡長指數(shù)。

（4）植被覆蓋與管理因子（C）

本研究采用蔡崇法［21］等提出的C值模型，C值在0到1之間，C值越大，代表植被覆蓋越低，土壤侵蝕越嚴(yán)重。公式為：

式中：c為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVImax和NDVImin代表研究區(qū)植被歸一化指數(shù)最大值和最小值。

（5）水土保持措施因子（P）

水土保持措施因子P表示了采用特定措施后土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失量之間的比值，其大小決定了水土保持措施采取的強弱，通常在0到1之間［22］，1代表未采取任何水土保持措施的土地利用區(qū)域，包括坡耕地、裸地，建筑用地，0代表不會發(fā)生土壤侵蝕的土地利用區(qū)域，如水域。通過參考張富等［23］對黃土高原丘陵溝壑區(qū)第5副區(qū)典型小流域的調(diào)查研究，結(jié)合前人P值的確定方法，對會師流域梯田、灌木林地值取為0.01、林地為0.17、草地為0.3、水澆地為0.35。

1.2.3土壤侵蝕敏感性評價標(biāo)準(zhǔn)（1）土壤侵蝕敏感性評價依據(jù)

依據(jù)國家環(huán)保總局發(fā)布的《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》土壤侵蝕敏感性的分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)實際情況，采用自然間斷法對各土壤侵蝕因子的敏感性進行分級賦值，見表1。

表1 土壤侵蝕敏感性評價指標(biāo)及分級賦值Table 1 Evaluation index of soil erosion sensitivity and classification assignment

（2）土壤侵蝕敏感性綜合評價方法

將以上各因子進行空間疊加，利用土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)公式進行評價，可綜合反映土壤侵蝕敏感性發(fā)生的規(guī)律，其公式為［24］：

式中：SSj指的是i空間單元土壤侵蝕敏感性指數(shù)，Ci指i因素敏感性所占等級值。

土壤侵蝕潛在危險指數(shù)（SEPDI）可對水土流失潛在危險性大小進行評價，其計算公式為［25］：

式中：M1為不敏感區(qū)面積；M2為輕度敏感區(qū)面積；M3為中度敏感區(qū)面積；M4為重度敏感區(qū)面積；M5為極度敏感區(qū)面積。SEPDI值在1到9之間，值越大表明該區(qū)域或地類水土流失潛在危險度越大。

2 結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)在ArcGIS中通過柵格計算器，采用普通克里金插值法計算出的降水侵蝕力進行空間插值，得到研究區(qū)降雨侵蝕力大小在1 464.41～2 011.88 MJ·mm/（hm2·h·a）；土 壤 可 蝕 性 在0.224 6～0.303 7 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；坡度坡長值在0～18.44；植被覆蓋與管理因子大小在0～1之間。

2.1 土壤侵蝕現(xiàn)狀

參考SL190-2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》中的“水力侵蝕強度分級標(biāo)準(zhǔn)”，得到祖歷河上游會師流域土壤侵蝕現(xiàn)狀表（表2）和空間分布圖（圖2）。祖歷河上游會師流域土壤侵蝕模數(shù)為37.37 t/（km2·a），各侵蝕強度的面積從大到小依次為微度＞輕度＞中度＞強烈＞極強烈＞劇烈，年均侵蝕模數(shù)分別為184.1、1 025.29、3 414.45、6 281.63、10 331.70和39 540.50 t/（km2·a）。年 均 土 壤 侵 蝕 量 分 別 為16.54、7.29、2.93、2.11、1.86和3.08萬t/a。祖歷河上游流域土壤侵蝕強度等級為強烈及以上主要為海拔高、坡度陡，植被覆蓋度較低的區(qū)域，極易發(fā)生水土流失。可以得出，研究區(qū)土壤侵蝕強度增加，侵蝕模數(shù)變大，但面積降低，其年均土壤侵蝕量也降低。

圖2 土壤侵蝕強度空間分布Fig.2 Spatial distribution map of soil erosion intensity

表2 會師流域土壤侵蝕現(xiàn)狀Table 2 Current status of soil erosion in Huishi watershed

2.2 土壤侵蝕敏感性評價

2.2.1單因子土壤侵蝕敏感性評價依據(jù)土壤侵蝕敏感性評價指標(biāo)，得到會師流域單因子土壤侵蝕敏感性狀況（表3）。其中，R對土壤侵蝕的敏感性主要為極敏感，面積211.72 km2，占比為21.52%；K對土壤侵蝕的敏感性以輕度和中度敏感為主，面積為796.14 km2，占比為80.91%；LS主要為不敏感，面積892.05 km2，占比90.67%；C主要為高度敏感，面積350.14 km2，占比35.59%；P以中度敏感為主，面積為797.05 km2，占比81.01%。影響土壤侵蝕敏感性的主要為R和P因子，說明降水的大小和水土保持措施的布設(shè)情況對土壤侵蝕敏感性起著主導(dǎo)作用。

表3 單因子土壤侵蝕敏感性評價結(jié)果表Table 3 Results of single-factor soil erosion sensitivity evaluation

2.2.2土壤侵蝕敏感性綜合評價在ArcGIS軟件中采取自然間斷法進一步對祖歷河上游會師流域的土壤侵蝕敏感性等級進行劃分，得到不敏感、低度、中度、高度和極敏感5個敏感等級（圖3），分別占總面積的27.61%、49.00%、20.75%、2.23%、0.42%，以低度敏感為主（表4）。分析可知，土壤侵蝕敏感性空間分布總體呈南部高，北部低的趨勢。敏感性較高地區(qū)主要分布在地形溝壑密度較大、坡度較陡、降雨侵蝕力較高的區(qū)域，空間分布明顯，多為未采取合理水土保持措施的草地、林地和耕地，受人為擾動面積大，發(fā)生土壤侵蝕潛在可能性高，需做好水土流失發(fā)生發(fā)展預(yù)防工作。

表4 土壤侵蝕敏感性綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of soil erosion sensitivity

圖3 土壤侵蝕敏感性空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil erosion sensitivity

土壤侵蝕潛在危險指數(shù)（SEPDI）的值為2.05，為低度敏感，與祖歷河上游會師流域土壤侵蝕敏感性統(tǒng)計結(jié)果一致。

2.2.3不同坡度影響下土壤侵蝕與敏感性分析坡度是影響土壤侵蝕的主要地形因素，將坡度分為0°～5°、0°～5°、0°～5°、0°～5°、＞35°5個等級，面積分別為106.34、461.60、338.83、71.28和8.50 km2。研究區(qū)不同坡度范圍內(nèi)都以微度侵蝕為主，在小于5°區(qū)域，輕度及以上侵蝕面積相對較高，比例較大，5°以上范圍內(nèi)輕度及以上侵蝕比例隨坡度增大而逐漸增大（圖4）。研究區(qū)在不同坡度范圍內(nèi)土壤侵蝕敏感性都以微度和輕度為主，且隨著坡度上升，不敏感區(qū)比例降低，中度及以上敏感區(qū)總面積比例升高（圖5）。整體上土壤侵蝕和其敏感性狀況都隨坡度的增加而出現(xiàn)加劇的現(xiàn)象。

圖4 不同坡度土壤侵蝕強度Fig.4 Soil erosion intensity map of different slopes

圖5 不同坡度土壤侵蝕敏感性Fig.5 Soil erosion sensitivity map of different slopes

2.2.4不同土地利用影響下土壤侵蝕強度與敏感性分析研究區(qū)主要土地利用類型為耕地、草地、林地、建筑用地、水域及水利設(shè)施用地、交通運輸用地和其他用地，面積分別為616.11、162.94、118.11、27.33、6.79、19.85和6.43 km2。不同土地利用類型土壤侵蝕都以微度侵蝕為主，侵蝕程度較高的為草地、建筑用地和其他用地，輕度及以上侵蝕面積占比分別為12.15%、13.74%和13.86（圖6）。不同土地利用下土壤侵蝕敏感性都以低度敏感為主，敏感性較高的地區(qū)集中在耕地、草地、建設(shè)用地和其他用地上（圖7）。

圖6 不同土地利用類型土壤侵蝕強度Fig.6 Soil erosion intensity of different land uses

圖7 不同土地利用土壤侵蝕敏感性Fig.7 Soil erosion sensitivity of different land uses

2.2.5土壤侵蝕與敏感性關(guān)系分析土壤侵蝕敏感性對未來土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展方向有一定影響，微度侵蝕隨著敏感性增強，面積比例呈降低趨勢，但在極敏感處有升高；輕度侵蝕隨敏感性增強呈下降趨勢；中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕隨敏感性增強總體呈現(xiàn)先降低，后升高趨勢，在中度敏感處發(fā)生轉(zhuǎn)折（表5）。總體來說，在敏感性較高的區(qū)域，土壤侵蝕強度有所升高，土壤侵蝕敏感性與土壤侵蝕有著一定的相互促進關(guān)系。

表5 會師流域土壤侵蝕狀況與土壤侵蝕敏感性情況Table 5 Soil erosion status and soil erosion sensitivity in Huishi watershed

極度敏感區(qū)面積較小，土地利用類型主要為一些未利用的土地和裸地以及一些施工場地，分布較零散，人類活動頻繁，采取水土保持措施少，土壤侵蝕的防護能力差，可制定合理的水土保持措施，控制工程施工，對土壤侵蝕敏感性高的地區(qū)進行治理。高度和中度敏感區(qū)主要土地利用類型為耕地、林地、草地和未采取合理水土保持措施的建設(shè)用地，水土保持措施以梯田為主，應(yīng)以預(yù)防為主，加強區(qū)域水土保持監(jiān)測，完善各項水土保持措施，采取相應(yīng)的坡改梯、老舊梯田改造等工程，加強封禁治理、營造水土保持林等，提高植被覆蓋，控制水土流失發(fā)生發(fā)展。低度敏感區(qū)土壤侵蝕發(fā)生潛力較小，應(yīng)加強生態(tài)建設(shè)，完善水土保持工程體系。不敏感區(qū)域則主要以預(yù)防為主。

3 討論

會師流域為祖厲河上游侵蝕監(jiān)測的重要區(qū)域，本研究在RUSLE模型計算土壤侵蝕的基礎(chǔ)上，進一步開展了土壤侵蝕敏感性的評價，結(jié)合了人類活動的影響，分析研究區(qū)侵蝕現(xiàn)狀及其發(fā)生發(fā)展的潛在可能性，能對土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展方向進行預(yù)測，可更加精準(zhǔn)開展土壤侵蝕預(yù)防治理。

祖歷河上游會師流域在5°以上區(qū)域隨坡度的增加出現(xiàn)侵蝕強度加劇、侵蝕敏感性增強的現(xiàn)象，這與前人的研究具有一致性［26-27］，但在0°～5°土壤侵蝕輕度及以上，侵蝕敏感性低度及以上面積占比都相對較高，主要為祖歷河上游會師流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)，5°以下區(qū)域分布相對較少，地形平坦，存在未采取有效水土保持措施的旱平地和建設(shè)用地，植被覆蓋度低，受人類活動的影響大［28］，易發(fā)生水土流失。在不同的土地利用下草地、建設(shè)用地和其它用地的土壤侵蝕強度和侵蝕敏感性都相對較高，由于這些區(qū)域多為未能有效治理的坡耕地、裸露的荒地、水流匯集地和建設(shè)用地等，土壤質(zhì)地松軟，植被覆蓋程度較低，保土保肥能力較差，在降水的驅(qū)動下易沖刷引起土壤侵蝕，發(fā)生土壤侵蝕的潛在可能性大，未來需進一步做好增加植被覆蓋面積工作，優(yōu)化水土保持措施，減少水土流失。

土壤侵蝕是多項因子共同作用的結(jié)果［17］，研究土壤侵蝕敏感性時基于較為成熟的RUSLE模型，但對不同影響因子敏感性的分級賦值受一定主觀因素的影響，在不同地區(qū)，氣候、地貌、植被和土壤等自然因素的差異對土壤侵蝕敏感性的影響不同，其賦值依據(jù)研究區(qū)實際情況而定，本研究參考了大量前人的分級賦值方法，結(jié)合研究區(qū)的特點，對影響土壤侵蝕敏感性的因子進行分級，使結(jié)果更具有一定的準(zhǔn)確性。此外，在計算影響土壤侵蝕的各因子時，由于獲取因子數(shù)據(jù)的精度不同，可采取的計算公式各有差異，對所得的結(jié)果造成一定的誤差，在今后可更加深入研究，建立更加適宜于研究區(qū)土壤侵蝕的計算模型。

4 結(jié)論

本研究采用RUSLE模型，結(jié)合ArcGIS技術(shù)，定量與定性地分析了祖厲河上游流域土壤侵蝕及其敏感性狀況，研究表明：

（1）祖歷河上游會師流域土壤侵蝕主要以微度和輕度侵蝕為主，占研究區(qū)總面積的92.49%。侵蝕量占比最大的為輕度侵蝕，占總侵蝕量的31.44%。土壤侵蝕敏感性主要為低度敏感，面積為482.14 km2，占研究區(qū)總面積的49.00%，總體敏感性較低，發(fā)生土壤侵蝕的潛在可能性較小。

（2）在坡度分布上，5°以上祖歷河上游會師流域土壤侵蝕及其敏感性較高，且隨著坡度增大，土壤侵蝕加劇，在坡度25°以上區(qū)域應(yīng)加大土壤侵蝕的預(yù)防和治理；在不同土地利用下，坡耕地、裸地及一些未利用地的土壤侵蝕和敏感性程度較高。

（3）祖歷河上游會師流域土壤侵蝕敏感性較高的地區(qū)，土壤侵蝕強度相對較大，可對敏感性較高地區(qū)重點監(jiān)測，布設(shè)合理措施，提前做好土壤侵蝕預(yù)防，減少土壤侵蝕惡化。