沂蒙山區(qū)費(fèi)縣祊河流域土壤侵蝕初步研究

董 群，徐玉新，蔣高明，程珊珊，唐海龍，張 琦

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安271018;2.中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100093)

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外營(yíng)力和人類活動(dòng)作用下被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程［1］，它影響和改變著地表形態(tài)和地貌發(fā)育，是全球最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，也是國(guó)內(nèi)外土地整治的主要目標(biāo)和任務(wù)［2］。我國(guó)是世界上土壤侵蝕最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，根據(jù)水利部第二次遙感普查結(jié)果，全國(guó)水土流失面積達(dá)367萬(wàn)km2，占國(guó)土總面積的38.2%。水土流失已經(jīng)成為我國(guó)重要的環(huán)境問(wèn)題，科學(xué)預(yù)測(cè)土壤流失是當(dāng)前我國(guó)水土保持界的一個(gè)重要課題［3］。

山東省水土流失面積44300 km2，占全省山地、丘陵面積的79.3%，以沂蒙山區(qū)流失最為嚴(yán)重［4］。20世紀(jì)80年代，山東大學(xué)周光裕教授等從沂蒙山區(qū)的水土流失成因、水質(zhì)污染的來(lái)源等方面，研究了沂蒙山區(qū)土壤侵蝕的危害和防治對(duì)策，其后近30年未見(jiàn)有新的研究進(jìn)展，而對(duì)于在GIS、RS技術(shù)支持下的土壤侵蝕定量估測(cè)則更少涉及［5］。鑒于此，為了更直觀、更明白地弄清該區(qū)水土流失現(xiàn)狀，進(jìn)一步了解沂蒙山區(qū)的土壤流失量及水土保持工作成效，急需運(yùn)用現(xiàn)代科技手段對(duì)該區(qū)水土流失現(xiàn)狀進(jìn)行研究。本研究以沂蒙山區(qū)費(fèi)縣祊河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選取合適的因子算法，定量確定了土壤侵蝕因子指標(biāo)，在ArcGIS的支持下建立信息數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行圖形運(yùn)算，并對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)修正，估算了研究區(qū)土壤流失量，從而得到了土壤流失量空間分布圖，旨在為沂蒙山區(qū)開(kāi)展水土保持工作提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

費(fèi)縣位于山東省沂蒙山區(qū)南部，地處蒙山之陽(yáng)、溫河上游，距臨沂市40 km;屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，人口密度為476人/km2。祊河流域?qū)俚蜕角鹆陞^(qū)，植被以森林覆蓋為主，全縣森林覆蓋率為22.1%。山體表面風(fēng)化嚴(yán)重，水土易流失，不利植物生長(zhǎng);山地多為裸露的頁(yè)巖，青石戴帽，利于滯含水分供植物生長(zhǎng);耕地資源較少，農(nóng)業(yè)人均耕地僅0.0713 hm2。

1.2 參數(shù)選擇

研究中采用Wischmeier于20世紀(jì)60年代提出的通用土壤流失方程(USLE)［6］。該方程是目前預(yù)測(cè)土壤流失使用最為廣泛的方法，其表達(dá)式為

式中:A為年土壤流失量，t/km2;R為降雨侵蝕力因子，J·cm/(hm2·h);K為土壤可侵蝕因子;LS為坡度和坡長(zhǎng)因子;C為植被與經(jīng)營(yíng)管理因子;P為水土保持措施因子。

1.3 侵蝕強(qiáng)度

運(yùn)用ARC/INFO8.3的空間數(shù)據(jù)管理分析功能，建立流域數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類型圖、植被覆蓋分布圖等矢量數(shù)據(jù)圖，對(duì)其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼操作，并將其柵格化(Grid格式)，求得各參數(shù)值的因子圖。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)USLE方程的形式，將各因子值相乘，獲得流域土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖。

1.4 通用土壤流失方程

在分析研究區(qū)地理?xiàng)l件、生態(tài)狀況、土地利用現(xiàn)狀及環(huán)保管理水平的基礎(chǔ)上，計(jì)算研究區(qū)降雨侵蝕力因子R、坡度和坡長(zhǎng)因子LS、植被與經(jīng)營(yíng)管理因子C、土壤可侵蝕因子K和水土保持措施因子P。

1.4.1 R 因子

式中:R為降雨侵蝕力因子，J·cm/(hm2·h);Pi為某月的降雨量，mm;P為年降雨量，mm。

1.4.2 LS 因子

式中:L 為坡長(zhǎng)，m;θ為坡度，(°)。

2 研究結(jié)果

2.1 R 因子

降雨侵蝕力因子(R)與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、雨滴大小和下降速度有關(guān)，它反映了降雨對(duì)土壤的潛在侵蝕能力［7］。本研究采用費(fèi)縣1999—2009年的降雨資料，利用GIS進(jìn)行空間插值計(jì)算得到研究區(qū)的降雨侵蝕力因子(R)分布圖(圖1)。

圖1 研究區(qū)降雨侵蝕力因子分布圖

2.2 C 因子

植被與經(jīng)營(yíng)管理因子(C)，表示植被覆蓋和作物栽培措施對(duì)防止土壤流失的綜合效益，該因子考慮了地表覆蓋、土地情況以及一般管理措施對(duì)侵蝕速度的影響［8］?，F(xiàn)實(shí)存在的種植管理體制有多種多樣，所以C因子的評(píng)價(jià)估算比較困難。大量的研究證明，在所有的土壤侵蝕因子中，地表覆蓋狀況對(duì)侵蝕量的影響最大。我國(guó)的幾位研究者通過(guò)建立植被因子與植被覆蓋度的關(guān)系［9］求C值，當(dāng)?shù)孛嫱耆懵稌r(shí)C值為1.0，當(dāng)?shù)孛姹Ｗo(hù)良好時(shí) C=0.001，所以 C 值在0.001～1.0之間。

植被與經(jīng)營(yíng)管理因子根據(jù)表1計(jì)算，研究區(qū)C因子取值結(jié)果見(jiàn)表2。運(yùn)用ARC/INFO8.3將C值按表2賦值給相應(yīng)土地利用類型并轉(zhuǎn)化為柵格圖的形式，得到研究區(qū)植被與經(jīng)營(yíng)管理因子(C)分布圖(圖2)。

表1 USLE中不同植被覆蓋度的C值

表2 研究區(qū)各土地類型C值

圖2 研究區(qū)植被與經(jīng)營(yíng)管理因子分布圖

2.3 P因子

根據(jù)文獻(xiàn)［10］提供的資料，不同耕作措施的水土保持措施因子(P)值見(jiàn)表3。坡面侵蝕量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，如以自然植被和坡耕地P因子為1，灌木叢為0.8，農(nóng)耕地為0.35，水稻田是修筑最好的一種梯田，借用其他資料將其P值定為0.15(表4)。將土地利用類型屬性項(xiàng)與P值記錄項(xiàng)進(jìn)行鏈接，將P值賦值給相應(yīng)土地利用類型并轉(zhuǎn)化成柵格圖形式，得到水土保持措施因子(P)分布圖(圖3)。

表3 不同水土保持措施因子(P)值

表4 研究區(qū)各土地類型P值

圖3 研究區(qū)水土保持措施因子分布圖

2.4 K 因子

土壤可侵蝕因子(K)反映了土壤對(duì)侵蝕的敏感性及降水所產(chǎn)生的徑流量與徑流速率的大小。K值的大小與土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量有較高的相關(guān)性［11］。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)獲得各類土壤的質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量，查找Wischmeier等建立的土壤可侵蝕因子K值的諾謨圖，近似地確定出不同類型土壤的土壤可侵蝕因子(K)值。將現(xiàn)有的土壤類型經(jīng)ARC/INFO8.3軟件生成土壤可侵蝕因子(K)分布圖(圖4)。

圖4 研究區(qū)土壤可侵蝕因子分布圖

2.5 LS因子

研究區(qū)內(nèi)坡長(zhǎng)L與坡度S組成的復(fù)合參數(shù)LS，代表著地形條件變化產(chǎn)生侵蝕的主要水力因素。研究中利用ARC/INFO8.3軟件的表面分析功能，在已生成數(shù)字高程模型(DEM)的基礎(chǔ)上，利用軟件表面分析功能得到坡長(zhǎng)和坡度。同樣，利用ArcGIS得到研究區(qū)坡長(zhǎng)和坡度因子(LS)分布圖(圖5)。

圖5 研究區(qū)坡長(zhǎng)和坡度因子分布圖

2.6 土壤流失量和侵蝕模數(shù)

在ARC/INFO的支持下計(jì)算土壤流失量，計(jì)算中將各因子圖(Grid數(shù)據(jù))進(jìn)行連乘，得到流域年土壤流失量(A)空間分布圖(圖6)，根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了分級(jí)(表5)。

圖6 年土壤流失量空間分布圖

表5 研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

根據(jù)侵蝕強(qiáng)度得到研究區(qū)土壤侵蝕分級(jí)表，可知研究區(qū)以微度侵蝕的土地所占比例最大，占土地總面積的79.57%，而輕度和中度侵蝕的土地面積分別占總面積的15.84%和2.14%，微度、輕度和中度侵蝕量分別占年侵蝕總量的2.84%、36.40%和11.70%。流域年平均土壤侵蝕模數(shù)為638.44 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)近年來(lái)，隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水土資源的開(kāi)發(fā)力度越來(lái)越大，不合理的人為活動(dòng)對(duì)水土流失的影響越來(lái)越明顯，再加上毀壞林草、陡坡墾種、濫用除草劑和開(kāi)礦、修路等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)亂傾亂倒，造成了新的嚴(yán)重的水土流失。針對(duì)此現(xiàn)狀，應(yīng)采取積極的措施進(jìn)行治理。

(2)近30年來(lái)，沂蒙山區(qū)各個(gè)縣市積極開(kāi)展了水土保持綜合治理工作，對(duì)比周光裕教授和其他專家對(duì)沂蒙山區(qū)的相關(guān)研究情況可以看出，整個(gè)研究區(qū)的土壤侵蝕面積、侵蝕模數(shù)、侵蝕量均呈減小的趨勢(shì)，這表明研究區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)已取得成效。從水土保持的角度看，由于沂蒙山區(qū)的大部分土地分布在山高坡陡、土層瘠薄、交通不便的偏遠(yuǎn)山區(qū)，治理難度較大，治理速度較慢，生態(tài)環(huán)境依然較為脆弱，部分地區(qū)抗御自然災(zāi)害的能力不強(qiáng)。因此，應(yīng)加快治理進(jìn)度、提高治理標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)監(jiān)督管理、增加資金投入，有力推進(jìn)沂蒙山區(qū)的水土保持工作。

(3)本研究在GIS技術(shù)的支持下，基于山東沂蒙山區(qū)費(fèi)縣祊河流域水土流失實(shí)際，應(yīng)用USLE快速提取研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕各因子，計(jì)算了其土壤流失量，提高了預(yù)測(cè)土壤侵蝕的效率，其研究成果可為沂蒙山區(qū)開(kāi)展水土保持工作提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

［1］王劍，徐美，曾和平，等.基于RS和GIS的漾濞江流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化分析［J］.水土保持研究，2010，17(5):134－137.

［2］韓富偉，張柏，宋開(kāi)山，等.長(zhǎng)春市土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)及侵蝕背景的空間分析［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，21(1):39－43.

［3］葛方龍，張建輝，蘇正安，等.坡耕地紫色土養(yǎng)分空間變異對(duì)土壤侵蝕的響應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(2):459 －464.

［4］周光裕.山東省沂蒙山區(qū)蒙陰縣植被與水土保持的關(guān)系［J］.植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)叢刊，1983，7(1):67 －73.

［5］Lufafa A，Tenywa M M，Isabirye M，et al.Prediction of soil erosion in a Lake Victoria basin catchment using GIS-based Uni-versal Soil Loss model［J］.Agricultural Systems，2003，76(3):883－984.

［6］Wischmeier W H，et al.A soil erodibility nom or graph farm land and construction sites［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1971，26:189 －193.

［7］Yu B，Hashim G M，Eusof Z.Estimating the R-factor with limited rainfall data:a case study form peninsular malaysia［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2001，56(2):101 －105.

［8］張有全，宮輝力，趙文吉，等.基于GIS和USLE的密云縣土壤侵蝕評(píng)價(jià)及空間特征研究［J］.水土保持研究，2007，14(3):358－364.

［9］孫保平，趙廷寧，齊實(shí).USLE在西吉縣黃土丘陵溝壑區(qū)的應(yīng)用［J］.水土保持研究，1990(2).

［10］Renard K G，F(xiàn)oster G R，Weesies G A，et al.Predicting soil erosion by water:a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation［J］.Agriculture Handbook，1997(703):367 －384.

［11］卜兆宏，孫金莊.水土流失定量遙感方法及其應(yīng)用的研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，1997，34(3):235 －245.