基于RUSLE模型的河南省登封市土壤侵蝕定量評估研究

張郝哲,許圣強,彭 妮,宋鵬飛,趙 博,蘆 普

(河南省地質(zhì)局 礦產(chǎn)資源勘查中心,河南 鄭州 450006)

土壤侵蝕是土地資源退化的主要特征,社會高速發(fā)展過程中的人類開發(fā)行為進一步加劇了土壤侵蝕。當前,土壤侵蝕已成為影響生態(tài)文明建設、制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。對土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認識,是科學治理水土流失的基礎,開展土壤侵蝕研究可以為水土流失綜合治理、智慧水土保持建設,以及健全水土保持政策體制機制提供一定的理論依據(jù)。構建土壤侵蝕模型的方法眾多,總體分為基于統(tǒng)計的模型和基于物理成因的模型兩大類。統(tǒng)計模型主要從構建的因子入手,在長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上,通過統(tǒng)計分析,揭示侵蝕量與降雨量、土壤質(zhì)地、地形等因子的關系。在諸多統(tǒng)計模型中,RUSLE模型應用較廣泛,該模型可系統(tǒng)研究土壤侵蝕強度與土地利用類型、坡度、植被覆蓋三者之間的關系。前人使用“3S”技術和RUSLE模型做了許多土壤侵蝕方面的研究,有的以流域為單元對不同時期土壤侵蝕特征進行研究[1-3],有的對山區(qū)的土壤侵蝕特征進行研究[4-5],有的對省、市、縣不同行政單元尺度下土壤侵蝕特征進行研究[6-8],有的對人為因素影響下的土壤侵蝕情況進行研究[9-10]。前人的研究多關注于流域等大尺度區(qū)域,缺少對局部小區(qū)域的精細化研究。

本研究通過采用較長時限、高精度的數(shù)據(jù),分析登封市坡度、土地利用類型、植被覆蓋等土壤侵蝕因子,揭示登封市土壤侵蝕特征,為行業(yè)主管部門和有關單位水土保持決策與規(guī)劃、流域綜合治理等提供依據(jù),同時為豫西伏牛山區(qū)和豫東平原區(qū)開展水土保持研究提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

登封市位于河南省中西部,地理坐標為北緯34°15′～34°35′、東經(jīng)112°49′～113°19′,地處伏牛山區(qū)向豫東平原區(qū)過渡地帶,地勢南北高、中間低,北部嵩山和南部箕山山脈呈東西向展布,登封市高程及氣象站點分布情況見圖1。區(qū)內(nèi)地層類型齊全,除志留、泥盆及侏羅系,自太古界至新生界地層均有出露,呈現(xiàn)“五代同堂”。根據(jù)地貌形態(tài)特征、成因類型,登封市分為侵蝕剝蝕中低山、構造剝蝕丘陵及沖洪積平原和河谷三種地貌類型。其中,中山區(qū)面積占6.43%,低山區(qū)面積占40.27%,丘陵區(qū)面積占40.39%,沖洪積平原及河谷區(qū)面積占12.91%。土壤類型以壤土和黏土為主。據(jù)登封市國家站降雨觀測資料,1992—2021年,年平均降水量為597.3 mm,最大降水量為1 228.4 mm(2021年),最小降水量為343.3 mm(1997年)。特殊的地質(zhì)構造背景和自然地理環(huán)境,加上區(qū)內(nèi)第四系松散層覆蓋較厚,降雨相對集中,人類活動強烈,綜合作用下容易引起土壤侵蝕。

圖1 登封市高程及氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

針對RUSLE模型的5個因子,本研究選用的主要數(shù)據(jù)種類和來源見表1。各數(shù)據(jù)通過矢量轉柵格、柵格重采樣和重分類形成統(tǒng)一的12.5 m空間分辨率數(shù)據(jù),坐標系統(tǒng)為CGCS2000。

表1 本研究數(shù)據(jù)及其來源信息

1.3 研究方法

本次研究基于RUSLE模型開展。該模型各因子含義規(guī)范明確,計算過程簡明。計算公式為

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A為土壤侵蝕模數(shù),單位t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子,單位MJ·mm/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性因子,單位t·h/(MJ·mm);LS為坡長、坡度因子,無量綱;C為植被覆蓋與管理因子,無量綱,取值范圍0～1;P為水土保持措施因子,無量綱,取值范圍0～1。

1.3.1 降雨侵蝕力因子(R)

降雨是引起土壤侵蝕的主要驅動力,降雨侵蝕力是降雨引起土壤流失的潛在能力[11],降雨侵蝕力因子是RUSLE方程最重要的基礎因子。目前我國多采用年降雨量或月降雨量對R因子值進行估算。本研究基于多年平均降雨侵蝕力計算公式[12]進行計算,該方法在淮河流域伏牛山區(qū)土壤侵蝕研究中應用較多且效果較好。公式為

(2)

式中:pi為第i月多年降雨量均值,單位mm。

根據(jù)長期的降雨觀測數(shù)據(jù),采用式(2)計算登封市30個氣象站點的降雨侵蝕力,經(jīng)克里金法插值計算,得出降雨侵蝕力因子空間分布情況,見圖2。

1.3.2 土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性是評價土壤遭受降雨侵蝕難易程度的重要指標,土壤侵蝕程度受不同土壤質(zhì)地影響。土壤K值反映了土壤抵抗水蝕能力和不同土壤的侵蝕率。土壤K值越大,土壤抵抗水蝕能力越弱,越易受侵蝕;反之亦然[13]。本研究中K值采用Sharpley建立的侵蝕力/生產(chǎn)力影響模型(EPIC)[14],取值根據(jù)已公布的試驗成果[15-16]并結合2014年登封市1∶5萬地質(zhì)災害詳查項目、2021年登封市1∶5萬地質(zhì)災害調(diào)查評價項目勘查數(shù)據(jù)及最新耕地資源質(zhì)量分類數(shù)據(jù)綜合確定。登封市土壤可蝕性因子空間分布情況見圖3。

圖3 土壤可蝕性因子(K)空間分布

1.3.3 坡長和坡度因子(LS)

坡長和坡度是基本的地形因素,其中坡長是指坡面上從產(chǎn)生地表徑流的起點至徑流匯集到溝谷位置的距離[17],值越大代表匯流量越大,侵蝕力就越強;坡度指地表某點的傾斜程度,坡度通過影響水流的速度進而影響滲透率、徑流量及對土壤的沖刷量,是水土流失評價中微觀尺度的最佳指標[18]。L、S因子能較好地反映地形對降雨侵蝕的影響作用。本研究利用DEM數(shù)據(jù)提取L、S。

L值的表達式[19]為

L=(λ/22.13)m

(3)

式中:λ為水平投影坡長,單位m;m為坡長指數(shù),根據(jù)坡度θ取值,θ為根據(jù)DEM計算的坡度值,當θ≤1°時m=0.2,當1°<θ≤3°時m=0.3,當3°<θ≤5°時m=0.4,當θ>5°時m=0.5。

S值的計算根據(jù)坡度情況分段計算,10°以下采用MCCOOL et al.[20]建立的公式計算,10°以上采用陡坡情況下S因子的計算公式[21],公式為

(4)

式中:S為坡度因子;θ為坡度,單位(°)。

研究區(qū)坡長坡度因子空間分布情況見圖4。

圖4 坡長坡度因子(LS)空間分布

1.3.4 植被覆蓋管理因子(C)

植被覆蓋管理因子(C)是影響土壤侵蝕強度的重要因素,其值是既定植被覆蓋管理下土壤侵蝕與裸地土壤侵蝕之比,取值范圍0～1。該因子主要表現(xiàn)為對土壤侵蝕的抑制,其值越小表明抗蝕能力越高,土壤侵蝕越輕微[22]。獲取C值最常用的方法是基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計算。本研究采用的C值計算公式[23]為

F=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(5)

(6)

式中:F為植被或作物覆蓋度,單位%;NDVI為像元的歸一化植被指數(shù)數(shù)值;NDVImin為裸土像元NDVI值;NDVImax為純植被覆蓋像元NDVI值。

研究區(qū)植被覆蓋管理因子空間分布情況見圖5。

圖5 植被覆蓋管理因子(C)空間分布

1.3.5 水土保持措施因子(P)

水土保持措施能降低土壤侵蝕強度,P值是指采用特殊侵蝕控制措施后的土壤侵蝕量與采用順坡種植土壤侵蝕量的比值[24]。取值范圍為0～1,0代表根本不會發(fā)生土壤侵蝕的區(qū)域,1代表無水保措施的區(qū)域。以往研究表明,水土保持措施因子與土地利用類型相關性較為顯著,可通過對土地利用類型賦值得到研究區(qū)的水土保持措施因子[25]。本研究充分利用國土三調(diào)數(shù)據(jù),避免了從遙感影像解譯土地利用類型帶來的不確定性。為便于研究,對國土三調(diào)數(shù)據(jù)中的一級地類適當歸并,參照我國水土保持措施P值表[26-27],草地、林地及未利用地取值為1,水體、建筑用地及裸巖取值為0,各地類P值見表2。研究區(qū)水土保持措施因子空間分布情況見圖6。

表2 各地類水土保持措施因子(P)值

圖6 水土保持措施因子(P)空間分布

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕空間分布特征

本研究運用ArcGIS的Spatial Analyst功能,進行矢量轉柵格、重分類、柵格計算等步驟,對各成果的柵格值進行統(tǒng)計分析。按照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 196—2007),土壤侵蝕強度分6類:微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈。

經(jīng)計算,登封市降雨侵蝕力因子取值范圍在147～192 MJ·mm/(hm2·h·a)之間,各侵蝕強度面積情況見表3。由表3可知,登封市總體土壤侵蝕強度較小,微度、輕度侵蝕區(qū)的面積合計為1 175.82 km2,占96.61%;中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕區(qū)面積合計為41.26 km2,占3.39%,其中又以中度侵蝕為主。由圖7可知,微度、輕度侵蝕區(qū)主要分布于以登封盆地為主的中部侵蝕剝蝕低山丘陵區(qū);中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕區(qū)主要分布于以北部嵩山和南部箕山為主的侵蝕剝蝕中山區(qū)。

表3 登封市土壤侵蝕情況統(tǒng)計

2.2 土壤侵蝕影響因子

2.2.1 土壤侵蝕與坡度關系

將土壤侵蝕強度圖層和坡度圖層疊加分析,各坡度區(qū)間不同侵蝕強度面積占比見表4。微度侵蝕的87.5%位于15°以下區(qū)域;輕度侵蝕的83.7%位于>5°～25°區(qū)域,峰值區(qū)間為>5°～10°,占比27.6%;中度侵蝕的83.9%位于>10°～40°區(qū)域,峰值區(qū)間>15°～20°,占比為18.3%;強烈侵蝕的83.1%位于20°以上區(qū)域,峰值區(qū)間(>40°)占比30.4%;極強烈侵蝕的82.7%位于30°以上區(qū)域,峰值區(qū)間(>40°)占比52.8%;劇烈侵蝕的80.6%位于35°以上區(qū)域,峰值區(qū)間(>40°)占比64.0%。隨著坡度的增加,微度侵蝕面積呈減少趨勢,輕度、中度侵蝕面積呈先增加后減少趨勢,強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積呈增加趨勢。

表4 各坡度區(qū)間不同侵蝕強度面積占比

2.2.2 土壤侵蝕與土地利用類型的關系

各侵蝕強度在不同地類中的占比見表5。通過對比分析,其他土地與其余地類侵蝕特征有所不同,其他土地以中度及以上侵蝕為主,占該地類面積的60.2%;其余地類以輕度及以下侵蝕為主,其中,草地的輕度及以下侵蝕面積占該地類面積的88.7%,剩余各地類的輕度及以下侵蝕面積占相應地類面積的比例均在95%以上。其他土地包括空閑地、裸土地、裸巖石礫地3個二級地類,開發(fā)利用程度低、水土保持措施欠缺、植被覆蓋少致使該地類土壤侵蝕明顯。

表5 各侵蝕強度在不同地類中的占比

2.2.3 土壤侵蝕與植被覆蓋管理因子(P)的關系

表6為各侵蝕強度在不同植被覆蓋管理因子條件下面積占比。由表6可知,P因子值在0.7以上的全部為微度侵蝕;各侵蝕強度中面積占比排前兩位的區(qū)間均在>0.4～0.6范圍內(nèi),排第三位的區(qū)間均為>0.3～0.4,微度侵蝕的63.2%、輕度侵蝕的85.9%、中度侵蝕的82.4%、強烈侵蝕的76.5%、極強烈侵蝕的71.4%、劇烈侵蝕的62.1%均在>0.3～0.6范圍內(nèi),不同土壤侵蝕強度在植被覆蓋管理因子分級中表現(xiàn)較為一致,對土壤侵蝕的區(qū)別有限。

表6 各侵蝕強度在不同植被覆蓋管理因子條件下面積占比

2.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕情況

登封市總體土壤侵蝕程度較低,通過分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中不同侵蝕強度面積占比,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)微度和輕度侵蝕面積占比均在92%以上。此外,中度侵蝕區(qū)面積較大的前5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)依次為唐莊鎮(zhèn)、徐莊鎮(zhèn)、白坪鄉(xiāng)、嵩陽街道、少林街道;強烈、極強烈、劇烈侵蝕區(qū)面積之和較大的前5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)依次為嵩陽街道、少林街道、石道鄉(xiāng)、唐莊鎮(zhèn)、大金店鎮(zhèn)。嵩陽街道、少林街道主要因為嵩山區(qū)域基巖出露影響了侵蝕計算的結果,唐莊鎮(zhèn)則因位于登封市東北部,受鄭州輻射影響最強烈,并且有3條高速、1條省道交匯,開發(fā)強度較大,從而導致土壤侵蝕強度相對較高。

3 結論和討論

3.1 結論

本研究利用登封市30個氣象站1992—2020年逐月降雨數(shù)據(jù),估算了多年平均降雨侵蝕力,并插值生成空間分布圖。應用ArcGIS軟件完成RUSLE模型計算,研究了登封市土壤侵蝕的分布特征,分析了坡度、土地利用類型、植被覆蓋管理因子等與土壤侵蝕強度及面積的關系,以及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕狀況,得出以下結論:

1)采用降雨量數(shù)據(jù)計算得到降雨侵蝕力因子R值的數(shù)值,登封市降雨侵蝕力因子R值的范圍在147～192 MJ·mm/(hm2·h·a)之間。

2)登封市總體土壤侵蝕強度不高,微度侵蝕占73.91%,輕度侵蝕占22.70%,中度侵蝕占2.60%,強烈侵蝕占0.47%,極強烈侵蝕占0.26%,劇烈侵蝕占0.06%。其中,微度和輕度侵蝕模數(shù)分別為475、1 601 t/(km2·a)。

3)微度侵蝕區(qū)集中在坡度15°以下區(qū)域,輕度侵蝕區(qū)主要集中在>5～10°的區(qū)域,中度侵蝕區(qū)集中在坡度>10°～40°的區(qū)域,強烈、極強烈及劇烈侵蝕區(qū)主要集中在坡度40°以上的區(qū)域;土地利用類型中的其他土地侵蝕程度較高,中度及以上侵蝕區(qū)占60.2%;植被覆蓋管理因子方面,各侵蝕強度均集中在>0.3～0.6的區(qū)間,其中中度及以上侵蝕在>0.5～0.6內(nèi)占比最高。

4)嵩陽街道、少林街道受基礎地質(zhì)條件影響,唐莊鎮(zhèn)受開發(fā)活動影響,中度及以上侵蝕面積占比高;此外,徐莊鎮(zhèn)、白坪鄉(xiāng)、石道鄉(xiāng)及大金店鎮(zhèn)中度及以上侵蝕面積占比也較高。

3.2 討論

以往對登封市及周邊土壤侵蝕研究較少,根據(jù)杜麗平[5]研究:登封市淮河流域部分(占全市總面積的89%)2006年微度、輕度、中度、強烈侵蝕區(qū)分別占登封市淮河流域部分面積的63.1%、31.7%、5.1%、0.1%。本次研究登封全市2021年微度、輕度、中度、強烈侵蝕區(qū)分別占全市面積的73.91%、22.70%、2.60%、0.47%。2006—2021年,登封市總體土壤侵蝕程度呈降低趨勢。

作為土壤侵蝕計算的經(jīng)典模型,RUSLE模型仍有需要改進和完善的地方:①基于NDVI的植被覆蓋管理因子對侵蝕強度的區(qū)分不明顯;②降雨侵蝕力的值并不能直接用來判定該地區(qū)水土流失潛力大小,還需綜合下墊面和人類活動等因素[28]。

登封市在開展水土保持和生態(tài)修復工作時要注重以下幾點:①加強對坡度35°以上的丘陵、中山區(qū)復綠;②對空閑地、裸土地、裸巖石礫地中可開發(fā)或可復綠的區(qū)域要加大工作力度;③督導唐莊鎮(zhèn)、徐莊鎮(zhèn)、白坪鄉(xiāng)、石道鄉(xiāng)、大金店鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)在經(jīng)濟發(fā)展的同時更加注重水土保持工作,加大水土保持和生態(tài)修復項目投放。