基于RUSLE模型的程海流域土壤侵蝕研究

中圖分類號：F301 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2025）增-0064-06

0 引言

一般來說，在純粹自然狀態(tài)下，由氣候變化、新構(gòu)造運動等自然因素所導(dǎo)致的自然侵蝕很慢，常與成土過程處于動態(tài)平衡，故通常不會由自然因素破壞水土資源，土壤資源處于動態(tài)穩(wěn)定當中[1]。但人類活動，如墾殖、建筑、砍伐森林等，對土壤侵蝕的影響不斷加強，常導(dǎo)致土壤侵蝕過程出現(xiàn)加速侵蝕現(xiàn)象[2]。土壤侵蝕問題，不僅因土壤物質(zhì)被剝蝕而導(dǎo)致土壤退化，影響水土資源的開發(fā)，同時還使得如腐殖酸、氮磷化合物等土壤中的物質(zhì)進入水體3造成江河湖泊的水質(zhì)惡化。

由于我國面積廣闊、氣候多樣，植被類型與土地類型齊全，故土壤侵蝕面積廣、種類多；且歷史上人為的對土地資源的破壞性開發(fā)利用，加劇了土地的土壤侵蝕，使中國成為世界上土壤侵蝕最為嚴重的國家之一[4]。在我國土壤侵蝕敏感性的區(qū)劃研究當中，云貴高原地區(qū)由于地形起伏大、降水量較高，被認為是對土壤侵蝕最為敏感的區(qū)域之一[5]。程海是云南省的重點高原湖泊之一，其流域內(nèi)的土壤侵蝕情況對臨近縣鎮(zhèn)的社會與經(jīng)濟生活影響重大。

在土壤侵蝕研究領(lǐng)域，遙感定量法通過搜集往年的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠方便地通過模型計算出土壤侵蝕量，研究速度快。同時由于可以通過遙感衛(wèi)星方便地獲取流域整體歷年的觀測影像，故可在短時間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，進一步加快研究的速度，能夠研究的空間、時間范圍更廣，所需的人力與精力更少[6-8]。因此，本文使用遙感定量的研究方法，分析程海流域的土壤侵蝕情況。

本文以程海流域作為研究對象，使用RUSLE模型分別對其2000年、2005年、2011年、2016年、2021年的土壤侵蝕狀況進行了估算，分析其時間變化趨勢與空間分布特征，并初步推測導(dǎo)致其變化的可能原因。為程海流域的水土保持工作提供參考。

1研究背景

1.1 研究區(qū)域

程海位于中國云南省麗江市永勝縣中部，一般水位為 1503m ，湖面共長 18km ，寬約 4.5km ，水域總面積 78.8km^2[9] 。湖面呈現(xiàn)狹長形、南連期納河谷，北臨三川盆地。流域處在干熱河谷地帶，屬典型的高原季風氣候，較為干熱，流域蒸發(fā)量是降水量約3倍[13]。由于封閉、干熱，程海湖流域的生態(tài)脆弱性較強。且隨著流域內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展、人口增多，人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響日益增強，導(dǎo)致近年來程海湖面臨一系列的生態(tài)環(huán)境問題[10]

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所使用的數(shù)據(jù)來源如下：DEM數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)來自地理空間云（http：//www.gscloud.cn），氣象觀測數(shù)據(jù)來自國家氣象科學數(shù)據(jù)中心（https：//data.cma.cn/），土壤類型數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）。

2模型與方法

本文采用目前應(yīng)用最廣泛的修正土壤流失方程（RULSE）進行程海流域土壤侵蝕的計算，該模型為美國農(nóng)業(yè)局和土壤保持局聯(lián)合其它單位在1991年提出的對通用土壤流失方程（USLE）的修正結(jié)果[1]。其具體公式如下：

A=R×K×LS×C×P

式中： A -年單位面積的土壤侵蝕量， R 一降雨侵蝕力因子， MJ?mm?hm^-2?h^-1?a^-1 ；K一土壤可蝕性因子， ： L 一坡長因子；S—坡度因子； c 一植被覆蓋因子； P 一耕作措施因子。

3結(jié)果與討論

3.1土壤侵蝕量的計算

3.1.1 降雨侵蝕力因子 （R ）

基于麗江市氣象基準站所觀測的自2000一2021年的逐年平均降水量觀測數(shù)據(jù)，計算并得到了流域內(nèi)2000、2005、2011、2016、2021年的R值（表1）。

3.1.2土壤可蝕性因子（K）

以土壤類型圖為數(shù)據(jù)源，通過確定區(qū)域土壤類型分布，對每種土壤利用類型分別賦值（表2）。

3.1.3 坡長與坡度因子（LS）

以程海湖流域的DEM數(shù)據(jù)，基于在云南地區(qū)的地形因子研究[12]，以柵格長度、坡向、坡度余弦為自變量，坡長為因變量，建立坡長的函數(shù)表達式，依照柵格逐一計算并提取出了坡長數(shù)據(jù)。

3.1.4植被覆蓋與管理因子（ c ）

基于Landsat系列遙感數(shù)據(jù)。在ENVI對各年份的遙感數(shù)據(jù)先后進行裁剪、空間校正、輻射定標、大氣糾正后，得到了流域內(nèi)各年份的NDVI柵格數(shù)據(jù)。再基于NDVI計算出C因子的數(shù)值，并去除部分異常值。

3.1.5 耕作措施因子（ ）

基于研究流域內(nèi)的土地利用類型，參照相關(guān)研究為不同的土地類型分別賦P值（表3）。

3.1.6 侵蝕模數(shù)及強度分級

基于得到的各侵蝕因子圖層，利用ArcGIS進行疊置分析，將各因子相乘，得到了土壤侵蝕模數(shù)（圖1）。并根據(jù)《SL190—2007土壤侵蝕分類分級標準》[13]中的土壤水力侵蝕分級標準，將土壤侵蝕強度分為不同等級（表4），并分類設(shè)色，形成了土壤侵蝕強度等級的分布（圖2）。

3.2土壤侵蝕狀況的時間特征

基于計算所得土壤侵蝕模數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，獲取了2000一2021年程海湖流域的平均土壤侵蝕模數(shù)，再將該值與流域面積相乘，得到了各年份內(nèi)流域的土壤侵蝕總量（表5、圖3）。程海流域的土壤侵蝕狀況在2000一2005年內(nèi)呈上升趨勢，由中度侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)閺娏仪治g，土壤侵蝕狀況嚴重。隨后在2005—2021年土壤侵蝕狀況明顯改善，由2005年的強烈侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度或中度侵蝕，呈現(xiàn)出下降的趨勢，并在2011一2021年保持了較小的波動，表現(xiàn)為大致穩(wěn)定的狀態(tài)。這一趨勢變化可能與早期對植被的破壞，以及此后推行退耕還林還草還湖和其他生態(tài)保護舉措有關(guān)。

根據(jù)不同年份各個土壤侵蝕強度等級的侵蝕量（表6）與占比（表7、圖4），可以看出在2011年之前，輕度侵蝕及以上的土壤侵蝕強度在土壤侵蝕總量中占較大比例，在2005年與2011年，輕度侵蝕及以上的侵蝕強度占比超過 50% 。尤其是在2011年，中度侵蝕及以上的侵蝕強度占比超 50% ，其中劇烈侵蝕的占比超過了 8.5% ，可見土壤侵蝕的狀況十分嚴重。而在2011年及后續(xù)年份，土壤侵蝕以微度侵蝕為主，微度侵蝕的土壤侵蝕量占土壤侵蝕總量的半數(shù)以上，中度侵蝕及以上的強度依照各年份平均情況其占比低于三分之一，強烈侵蝕及以上的強度始終在 25% 以下，而劇烈侵蝕的占比則保持在 0.6% 以下。由此可見，在2011年之后，程海流域的土壤侵蝕狀況不但在侵蝕總量上明顯減小，并且在強度等級的結(jié)構(gòu)上，也表現(xiàn)出明顯的改善。造成這一改善的原因可能為：隨著生態(tài)保護措施以及退耕還林、還草、還湖等政策的實施，部分耕地，特別是坡耕地已轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地，這使得流域植被覆蓋狀況得到了改善。隨著覆被狀況的改善，植被可以充分發(fā)揮水土保持功能，減弱土壤侵蝕作用。此外，由于植被覆蓋狀況和用地類型的改善，流域的局部微氣候和微地形可能也發(fā)生了良性變化，減少了土壤侵蝕總量，從而改善了流域土壤侵蝕情況。

由程海流域不同年份土壤侵蝕量與相關(guān)因子變化率（表8、圖5）可以看出，在2000—2021年間，各因子中變化率最大的為C因子，其余因子的變化率較小。土壤侵蝕變化率的曲線與C因子變化率的曲線最為相近，其變化情況大致同步。而土壤侵蝕變化率的曲線與其他因子變化率的曲線則沒有如此明顯的同步變化。故而可以推斷，植被覆蓋因子（C因子）應(yīng)為2000—2021年程海流域土壤侵蝕狀況變化的主導(dǎo)因子。這同時也映證了之前對于流域土壤侵蝕狀況改善可能原因的猜測，即流域土壤侵蝕狀況的改善，是與流域植被覆蓋情況的改善同步的，植被覆蓋的改善，很可能是造成流域土壤侵蝕改善的主要原因。

3.3土壤侵蝕狀況的空間特征

以2021年為研究年份，經(jīng)統(tǒng)計分析，得到程海流域內(nèi)各高程帶土壤侵蝕量及占比（表9）。從表中可見， 1600m 以下的高程帶為輕度侵蝕，1600～2400m 的高程帶為中度侵蝕，2400m以上的高程帶又為輕度侵蝕。各高程帶之間土壤侵蝕狀況差異懸殊，其中 1600～2000m 的高程帶土壤侵蝕狀況最為惡劣，其面積不過總面積 40% ，但侵蝕量卻占侵蝕總量的 60% 以上。并且， 1600～2400m 這兩個高程帶的土壤侵蝕量之和占總量的 90% 以上。這種空間分異性，可能由以下原因?qū)е拢旱秃０蔚貐^(qū)由于坡度較緩，且臨近村鎮(zhèn)建成區(qū)，地面多已固化，故侵蝕程度較輕；中海拔地區(qū)植被較為稀疏、生態(tài)環(huán)境較為脆弱，整體坡度較大，故侵蝕程度較強；高海拔地區(qū)，隨坡度較陡，但植被受人類活動影響較小，植被覆蓋率較高，故侵蝕程度較輕?？偠灾诔毯Ａ饔騼?nèi)，海拔在 1600～2400m 的地區(qū)為土壤侵蝕的主要產(chǎn)生區(qū)，應(yīng)是土壤侵蝕治理的重點區(qū)域。

由于坡度會影響地表徑流的流量流速以及地表風速，其對土壤侵蝕的強度有著重要影響。同樣以2021年為研究年份，根據(jù)程海流域各坡度帶土壤侵蝕量及占比（表10）可以看出， 15^° 以下的坡度帶為輕度侵蝕， 15～45^° 的坡度帶為中度侵蝕， 45^° 以上的坡度帶為強烈侵蝕。不同坡度帶的王壤侵蝕模數(shù)隨坡度增加呈現(xiàn)線性增長的趨勢。但與高程帶不同的是，不同坡度帶的土壤侵蝕模數(shù)與其土壤侵蝕量之間并非呈線性關(guān)系。按土壤侵蝕量由大到小對各坡度帶進行排序，則依次為15～25^° 、 25～35^° 、 8～15^° 、 35～45^° 、 8^° 以下與 45^° 以上。 45^° 以上的坡度帶的土壤侵蝕量占總比僅為5% 左右，而 8～45^° 的坡度帶占總量近 90% ，其中15～35^° 的坡度帶最為主要，占總量 50% 以上。由此可見，程海流域內(nèi)， 8～45^° 的坡度帶是土壤侵蝕的主要產(chǎn)生區(qū)，其中又以 15～35^° 的坡度帶最為重要，應(yīng)將這一坡度帶列為土壤侵蝕治理的重點關(guān)注區(qū)。

地表植被可以減緩風速與徑流流速，攔截一部分降雨，其根系也可以固定表層土壤，因此植被覆蓋度對土壤侵蝕亦有重要影響。根據(jù)2021年程海流域各NDVI帶土壤侵蝕量及占比（表11），0以下的NDVI帶為輕度侵蝕，0＼～0.75的NDVI帶為中度侵蝕，0.75＼～1的NDVI帶為微度侵蝕。與坡度類似，NDVI帶的王壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量之間不呈線性關(guān)系。按土壤侵蝕量由大到小對各NDVI帶進行排序，依次為0.25＼～0.5、0.5＼～0.75、0.75＼～1、0＼～0.25、0以下。其中0.25＼～0.75的NDVI帶的土壤侵蝕量占總量 90% 以上。由此可見，NDVI在 0.25～0.75 的植被稀疏或不甚茂密的地帶應(yīng)是程海流域土壤侵蝕的主要產(chǎn)生區(qū)，應(yīng)在土壤治理中著重關(guān)注裸露、植被稀疏或植被不甚茂密的地帶。

從2021年程海流域各土地利用帶土壤侵蝕量及占比（表12）中可以看出，水田、建成區(qū)、水面為微度侵蝕，旱地、林地或草地為中度侵蝕，裸地為強烈侵蝕。由于林地與草地的占地面積較大，盡管其土壤侵蝕模數(shù)并不過高，但其土壤侵蝕量卻占總量的 50% 以上。此外，裸地的占地面積不到 20% ，但土壤侵蝕量占比卻高達 45% 以上。由此可知，在程海流域內(nèi)裸地、林地與草地是土壤侵蝕的主要發(fā)生區(qū)，其中裸地占地面積雖小，卻貢獻了大量的土壤侵蝕，故在土壤侵蝕治理中，應(yīng)當重點關(guān)注裸地的土壤侵蝕治理。造成裸地土壤侵蝕強度較大的原因可能有以下幾點：由于裸地植被覆蓋度較小甚至幾乎無植被覆蓋，其表層王壤因無植物根系等固定較為松散，且缺乏植被對降水以及風的阻擋，更易受流水、風力作用影響導(dǎo)致出現(xiàn)土壤侵蝕；部分土地由于坡度太大，在開墾后因難以利用被棄置為裸地，受坡度影響其表層土壤更易被侵蝕。

4結(jié)論

（1）程海流域自2000一2021年，土壤侵蝕強度經(jīng)過了由中度侵蝕到強烈侵蝕再到輕度侵蝕的變化，截至2021年，程海流域的土壤侵蝕模數(shù)為25.3023t?hm^-2?a^-1 ，總量為 5.77478×10⁵t ，平均土壤侵蝕強度為中度侵蝕

（2）程海流域的土壤侵蝕情況經(jīng)過了先惡化，后改善的過程，近10年來趨于穩(wěn)定，影響其時間變化的因素主要應(yīng)為植被覆蓋因素。

（3）影響土壤侵蝕空間分異的因素主要有地形因素、植被覆蓋與土地利用方式，土壤侵蝕的空間分異特征顯示：高程在 1600～2000km 、坡度在 15～35^° 、NDVI在0.25＼～0.75、土地利用類型為裸地的地帶是土壤侵蝕的主要產(chǎn)生區(qū)域。也就是說，坡度陡峭且植被破壞嚴重的山腰地帶，是為土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū)。

參考文獻：

[1]李天杰，趙燁，張科利.土壤地理學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]唐克麗.中國土壤侵蝕與水土保持學的特點及展望[J].水土保持研究，1999（2）：3-8.

[3]WARNOCKRE，GIESKESWWC，VANLAARS.RegionalandseasonaldifferencesinlightabsorptionbyyellowsubstanceintheSouthernBightoftheNorthSea[J/OL].JournalofSeaResearch，1999，42（3）： 169-178.

[4]李智廣，曹煒，劉秉正，等.我國水土流失狀況與發(fā)展趨勢研究[J/OL].中國水土保持科學，2008（1）：57-62.

[5]王效科，歐陽志云，肖寒，等.中國水土流失敏感性分布規(guī)律及其區(qū)劃研究[J].生態(tài)學報，2001（1）：14-19.

[6]南秋菊，華珞.國內(nèi)外土壤侵蝕研究進展[J/OL].首都師范大學學報（自然科學版），2003（2）：86-95.

[7]楊勤科，李銳，曹明明.區(qū)域土壤侵蝕定量研究的國內(nèi)外進展[J].地球科學進展，2006（8）：849-856.

[8]卜兆宏，孫金莊，周伏建，等.水土流失定量遙感方法及其應(yīng)用的研究[J].土壤學報，1997（3）：235-245.

[9]云南省永勝縣志編纂委員會.永勝縣志[M].昆明：云南人民出版社，1989.

[10]楊彪.程海流域生態(tài)保護及綜合管理對策[J/OL].綠色科技，2020（22）：32-35.

[11]RENARDKG.PredictingSoilErosionbyWater：AGuideto Con-servation Planningwith theRevised Universal SoilLoss Equation（RUSLE）[M].U.S.DepartmentofAgriculture，Agricultural Re-search Service，1997.

[12]楊子生.滇東北山區(qū)坡耕地土壤侵蝕的地形因子[J].山地學報，1999（S1）：17-19.

[13]中華人民共和國水利部.土壤侵蝕分類分級標準：SL190—2007[S].2007.

Research on Soil Erosion in Chenghai Basin Based on the RUSLE Model

XIANGZai-wo，TUhu-yu，UNYi，HUANGue （School ofEarth Sciences，Yunnan University，Kunming 65o5oo，China）

Abstract：ThispaperusestheRUSLEmodeltocalculate thesoilerosionsituationintheChenghaiBasin from2Ooto2021，nd analyzes thesoilerosionsituationwithinthebasinbasedonthecalculationresults.Theanalysisshowsthatasof2O21，theaverage soilerosionintensityintheChenghaiBasinismoderateerosion.Intermsoftime，thesoilerosionsituationintheChenghaiBasin firstdeterioratedandthenimproved，andhasbenstablesince2l1.Themainfactorafectingitshangeisvegetationcoverage. Intermsofspaceareaswithlargeslopes，mediumaltitudes，andlowvegetationcoveragehavemoreseveresoilerosion.Themain factorsaffectingspatialdierentiationaretopographegetationcoverage，andlandusepaters.Basedonthecompreensive researchresults，thispaperbelievesthatthemountainwaistareawithsteepslopesandseverevegetationdamageisthemostseverely eroded area in the basin.

KeyWords：Soil erosion; Spatio-temporal distribution characteristics;RUSLE model; Chenghai Basin