基于3S和USLE的沱江流域中游土壤侵蝕定量評價

李 婷，張世熔，廖明輝，唐麗梅

（1.四川農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，四川 雅安 625014；2.四川省地震局測繪工程院，四川 雅安 625000）

土壤侵蝕是土地退化的根本原因，也是導致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素［1－2］。土壤侵蝕可導致土壤和養(yǎng)分的流失、土層變薄、土地貧瘠、宜耕地減少；流失土壤的堆積，可使河道水庫淤塞，加劇洪澇災害的威脅，其攜帶的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)還可加劇水體的富營養(yǎng)化；長期的水土流失還會使裸巖荒山不斷增多，引發(fā)石漠化問題。我國對土壤侵蝕強度的評價研究多集中在西北黃土高原［3］、東北黑土區(qū)［4－6］、云貴高原［7－10］和南方紅壤區(qū)［11］。而對人口密集、土地利用強度高的紫色土丘陵區(qū)的土壤侵蝕研究相對比較薄弱［12］。

沱江流域中游位于四川盆地中部紫色土丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)雨量豐沛，人口密集，土地開發(fā)利用強度高，是我國主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，但由于區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱、墾殖率高、坡耕地多等特點，水土流失較嚴重，使得該區(qū)的生態(tài)環(huán)境日益惡化，土地退化、水土流失等現(xiàn)象日益突出。因此，本文針對沱江流域中游的土壤侵蝕問題，運用3S技術結(jié)合通用水土流失方程（USLE），對其土壤侵蝕進行定量評價，分析土壤侵蝕現(xiàn)狀及其空間分布特征，以期為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、合理利用水土資源、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)、開展水土保持等政府宏觀決策行為提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沱江中游，地理位置介于東經(jīng)104°44′48.10″－104°46′34.20″，北緯30°30′23.08″－30°31′28.76″，面積為 1164 .98km2，海拔 385.7～1010 .7m。區(qū)內(nèi)地形中間高四周低，以丘陵地貌為主。區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤，屬典型亞熱帶季風氣候。全年光熱資源充足，日照時數(shù)為1298 .2h，年積溫6220 ℃，年均溫16.6℃，年均降雨量874.7mm，降雨集中在6－8月，無霜期285d。由于該區(qū)跨盆中和盆西兩大褶皺帶，地貌類型多樣，山、丘、壩皆有，呈典型的三分性，西北部屬于平壩淺丘區(qū)，東南部屬于丘陵區(qū)，中西部則系龍泉山脈低山地帶。土壤類型以水稻土、紫色土、沖積土為主。土地利用方式除未利用地、建設用地之外，以耕地、林地和園地為主。植被類型以常綠針葉林為主，柏樹分布較多。研究區(qū)內(nèi)流域面積大于50km2的河流有13條，均屬沱江水系。

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)主要包括2006年的Landsat／TM影像（空間分辨率30m）。采用遙感圖像與野外GPS相結(jié)合的交互檢驗方法，選取17個均勻分布的野外樣點作為地面控制點，在遙感圖像處理軟件ERDAS 8.6平臺支持下，最終將誤差精度減小為RMS＜0.05，同時將投影方式由地理經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成UTM投影下的WGS84坐標系。在專家參與下，根據(jù)影像光譜特征，結(jié)合野外實測資料，同時參照有關地理圖件，對地物的幾何形狀，顏色特征、紋理特征和空間分布情況進行分析，建立統(tǒng)一的判讀標志，在ERDAS 8.6軟件環(huán)境下進行人機交互判讀解譯。最終形成2006年的土地利用圖。提取的土地利用信息，參考國內(nèi)外全球變化（包括LUCC）研究中土地利用分類體系，結(jié)合研究目的，數(shù)據(jù)源的特點和研究區(qū)狀況，將研究區(qū)分為水田、旱地、有林地、荒草地、水體、裸地、農(nóng)村居民點、果園和建設用地等9類。

DEM數(shù)據(jù)采用1∶1萬地形圖生成，在此基礎上，進一步生成坡度、坡長等要素圖件。

降雨數(shù)據(jù)使用自1989－2006年金堂縣的逐月降水數(shù)據(jù)。

土壤樣點的設計是根據(jù)研究區(qū)的實際情況并充分考慮其代表性，采用隨機采樣和重點抽樣相結(jié)合的方法，既遵照按成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用方式等資料布設樣點的原則，又滿足統(tǒng)計學的抽樣要求。野外采樣時取0－20cm的表層土壤，每一采樣點周圍取3個點，混合土樣，四分法取樣。采樣的同時，利用GPS獲取土壤樣點的地理坐標，于2007年8－10月在區(qū)域內(nèi)水稻和玉米收獲后共采集土樣317個。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法進行測定，土壤機械組成采用吸管法測定。

2.2 模型選擇

目前用來評估土壤侵蝕量的模型有很多，其中最早建立且較為成熟的侵蝕預報模型是美國 W.H.Wischmeier等1965年提出的通用土壤流失方程USLE（Universal Soil Loss Equation）［13］，我國自20世紀80年代以來，開始引進通用土壤流失方程，根據(jù)實地觀測參數(shù)，對通用土壤流失方程進行修訂，其核心內(nèi)容是6個因子的計算。

式中:A——侵蝕模數(shù)［（t／（km2·a）］；R——降雨和徑流因子［MJ·mm／（km2·h·a）］:K——土壤可蝕性因子［（t·h／（MJ·mm））；LS——坡長坡度因子，無量綱；C——植被與經(jīng)營管理因子，無量綱；P——水土保持因子，無量綱。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨徑流因子的估算

降雨侵蝕因子R值與降雨量、降雨強度、歷時、雨滴的大小以及雨滴下降的速度有關，它反映了降雨對土壤的潛在侵蝕能力。降雨侵蝕力難以直接測定，大多用降雨參數(shù)，如雨強、雨量等來估算降雨侵蝕力。Wischmeier提出的EI模式方法由于需要詳細的降雨時序的雨量和雨強資料難以得到滿足，因而未能廣泛采用［14］；Arnoldus提出了一種簡便的R值計算方法，采用研究區(qū)的月降水和年降水資料來修訂Fournier指數(shù)（MFI），然后利用一個普遍使用的R因子方程來計算R值［15］。該公式同時考慮了年降水量和降水的分布，數(shù)據(jù)較為容易獲得。其公式為

式中:i——月份；ji——降水量（mm）；J——年降水量（mm）。R與該指數(shù)的關系為

依據(jù)金堂縣1989－2006年的各月降雨資料，計算得出年降雨侵蝕因子R值的平均值為3861 （MJ·mm）／（km2·h·a）。

3.2 土壤可侵蝕因子的估算

K值反映了在其它影響因子不變時，不同類型土壤所具有的不同侵蝕速度。土壤的物理特性，如土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)的大小及穩(wěn)定性、黏粒類型、土壤的滲透性、有機質(zhì)含量和土壤厚度等影響著土壤的侵蝕速度。本文采用Williams等在EPIC模型提出的計算方法［16］，根據(jù)土壤有機質(zhì)含量和土壤機械組成資料估算土壤可蝕性因子K，其計算公式如下:

式中:Sd——沙粒含量（%）；Si——粉粒含量（%）；Ci——黏粒含量（%）；C——有機質(zhì)含量（%），公式結(jié)果需乘以常量224.2轉(zhuǎn)化英制單位為公制單位。

將野外測量的采樣點數(shù)據(jù)采用上述公式計算各個采樣點的侵蝕性因子K，采用克里格插值法得到流域的K因子柵格圖（圖1）。

3.3 坡度坡長因子的確定

運用ArcInfo建立沱江流域的數(shù)字高程模型，然后運用3D分析工具將地形圖轉(zhuǎn)化為TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再生成Grid格式的DEM數(shù)據(jù)。然后根據(jù)Gregory等（1973）建立的以下方程，獲得了地形因子LS（LS為L及S的綜合）的值［17］。其公式如下:

圖1 研究區(qū)K因子圖

式中:λ——坡長（m）；θ——傾斜角；S——百分比坡度，得到區(qū)域LS因子圖（圖2）。

3.4 植被與經(jīng)營管理因子的確定

C因子反映的是所有覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用等。C因子作為度量土壤侵蝕量的一個重要參數(shù)，其值變化于0～1之間?；緵]有土壤侵蝕危險的地區(qū)被賦予0；1值被賦予給那些很容易受到侵蝕的地區(qū)［18］。本研究利用ERDAS 8.6對遙感影像圖進行非監(jiān)督分類，再根據(jù)解譯出來的土地利用類型和植被覆蓋度，參照其他類似的研究成果［19－21］，對研究區(qū)不同土地利用對應的C值進行賦值（表1）。

圖2 研究區(qū)LS因子圖

表1 沱江流域不同土地利用類型的CP因子賦值

3.5 水土保持因子P值的確定

水土保持因子P是表示采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值，一般無任何水土保持措施的土地類型P值為1，其他情況P值在0～1之間，參照有關研究結(jié)果［19－21］，本文根據(jù)解譯出來的土地利用類型對P值進行賦值（表1）。將CP值添加到土地利用類型屬性表，轉(zhuǎn)換圖層，得到區(qū)域CP因子圖（圖3）。

利用ArcGIS 9.2的空間分析模塊，執(zhí)行圖形疊加運算功能，預測土壤侵蝕量，得到各個網(wǎng)格單元的侵蝕模數(shù)A，并生成土壤侵蝕量圖層。在柵格土壤流失量圖的基礎上，根據(jù)水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強度等級劃分標準，對柵格土壤流失量進行分類，將侵蝕量在同一侵蝕等級的柵格進行合并，得到沱江流域中游土壤侵蝕強度分級表（表2）和流域土壤侵蝕強度圖（圖4）。

對像元土壤侵蝕強度圖進行統(tǒng)計結(jié)果表明:沱江流域中游雨量充沛，良好的植被覆蓋使得該地區(qū)年均土壤侵蝕模數(shù)為1543 t／（km2·a），侵蝕強度為輕度，但仍大于水利部頒發(fā)的西南土石山區(qū)土壤允許流失量500t／（km2·a）。區(qū)域內(nèi)中度侵蝕以上主要分布在坡度較大的區(qū)域，特別是坡度大于25°的坡度帶，如圖4中的中西部地帶，該區(qū)屬于龍泉山脈低山地帶，也是侵蝕最為強烈的區(qū)域。不同的土地利用類型土壤侵蝕量的差異也較大，沱江流域中游土地利用除未利用地、建設用地之外，以耕地、林地和園地為主。區(qū)域中旱地，建設用地侵蝕較強，中度侵蝕主要分布在荒草地和疏林地，而輕度侵蝕主要分布在坡度較緩的林地。

圖3 研究區(qū)CP因子圖

表2 土壤侵蝕強度分級統(tǒng)計表

圖4 研究區(qū)土壤侵蝕等級圖

4 結(jié)論

（1）沱江流域中游平均侵蝕強度表現(xiàn)為輕度，研究區(qū)西北部雖為平壩淺丘區(qū)，但在流域附近由于居民點、各種建筑設施集中，人為影響較大，所以侵蝕較嚴重。中西部低山地帶因為地形復雜，侵蝕強度也較東南丘陵區(qū)強。

（2）土壤侵蝕與地形、土地利用類型相關性大，區(qū)域內(nèi)中西部地區(qū)屬于龍泉山脈低山地帶，其坡耕地侵蝕嚴重。因此，坡度大于25°的坡度帶，以及旱地區(qū)域是該區(qū)土壤侵蝕防治的重點地區(qū)，采取造林種草、封山育林、坡改梯田、等高耕作以及設置前置庫等措施調(diào)節(jié)地表徑流、提高土壤持水能力、在坡耕地上開挖截流溝、攔截坡面徑流等一系列有利措施，使高等級的土壤侵蝕降低，低等級的土壤侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)闊o侵蝕，使生態(tài)系統(tǒng)朝良性方向循環(huán)。

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