基于USLE和GIS／RS的滇池流域土壤侵蝕研究

董 磊，彭明春，王崇云，杜建海，陳振亮，孔維琳

（1.云南大學(xué) 生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所，昆明650091；2.云南秀川環(huán)境工程技術(shù)有限公司，昆明650021）

土壤侵蝕是地球表面的一種自然現(xiàn)象，是指地球表面的土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外力的作用及人為因素影響下發(fā)生的各種破壞、分離、搬運(yùn)和沉積的現(xiàn)象［1］。土壤流失與水土保持定量評(píng)價(jià)在研究尺度上可概括為3個(gè)層次：地塊—小流域—區(qū)域（或國(guó)家）［2］。土壤侵蝕預(yù)報(bào)是有效監(jiān)測(cè)水土流失和評(píng)價(jià)水保措施效益的手段，侵蝕模型則是進(jìn)行土壤流失監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的重要工具。常用的土壤侵蝕模型包括通用土壤流失方程式（USLE）［3］、修正通用土壤流失方程式 （RUSLE）［4］等，以 及劉寶元等人［5］在USLE和RUSLE方程式的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)改進(jìn)提出的中國(guó)土壤流失方程式（CSLE）。用常規(guī)方法研究水土流失需要大量的野外調(diào)查并且周期長(zhǎng)、區(qū)域小。若在RS和GIS技術(shù)的支持下，不僅可以節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，而且還能及時(shí)掌握水土流失狀況，以進(jìn)行區(qū)域合理規(guī)劃［6］。本文通過(guò)GIS與USLE相結(jié)合的方法并運(yùn)用GIS的柵格數(shù)據(jù)分析功能，預(yù)測(cè)土壤侵蝕量。USLE中的C因子為植被覆蓋與作物管理因子，國(guó)內(nèi)C值的研究缺乏可比性，主要原因是方法不統(tǒng)一，另外C因子值的研究周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力、物力［7－8］。本文采用RS技術(shù)，進(jìn)行基于植被覆蓋度的C值計(jì)算，以確定引起水土流失的這一關(guān)鍵因子，將為流域內(nèi)土壤侵蝕現(xiàn)狀提供最新的資料，為土地資源評(píng)價(jià)和管理利用、面源污染控制、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)與決策。

1 研究區(qū)概況

滇池流域位于云貴高原中部，是昆明市人口最多，社會(huì)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域。2010年末，流域內(nèi)常住人口達(dá)348.62萬(wàn)人。生產(chǎn)總值達(dá)到1 632.82億元，約占昆明市的80%。同時(shí)，滇池流域也是昆明市工農(nóng)業(yè)和生活用水的主要水源地。流域地理位置處于24°28′—25°28′N，102°30′—103°00′E，地處長(zhǎng)江、珠江和紅河三大水系分水嶺地帶，南北長(zhǎng)約109km，東西寬約52km，面積約2 900km2［9］。整個(gè)流域處于干濕季分明的亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為14.5℃，平均降水量為1 035mm，地帶性植被類型是亞熱帶半濕潤(rùn)常綠闊葉林，但目前以針葉林、灌叢及稀樹(shù)灌木草叢為主［10］。

USLE方程廣泛應(yīng)用于較大區(qū)域的土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)［10－11］。目前，CSLE模型的應(yīng)用還不是很成熟，其參數(shù)的正確性與模擬精度還需進(jìn)一步說(shuō)明［12］，且該模型的應(yīng)用主要集中在中國(guó)北方，尤其是黃土高原地區(qū)，該地區(qū)植被覆蓋度低，風(fēng)蝕、水蝕嚴(yán)重［13－14］。本文選取通用土壤流失方程（USLE），作為預(yù)測(cè)面蝕和溝蝕引起的年平均土壤流失量的方法，公式如下：

A＝R·K·LS·C·P （1）

式中：A——年 平均土壤流失量 ［（t／（hm2·a）］；R——降雨和徑流侵蝕因子［（MJ·mm）／（hm2·h·a）］；K——土壤可蝕性因子［（t·hm2·h）／（hm2·MJ·mm）］；LS——地形因子；C——植被覆蓋與作物管理因子；P——水土保護(hù)措施因子，其中L，S，C，P為無(wú)量綱因子。

1.1 流域數(shù)據(jù)庫(kù)建立

圖形數(shù)據(jù)庫(kù)包括1∶5萬(wàn)數(shù)字高程模型（DEM）空間分辨率為25m，流域土壤圖，植被／土地利用現(xiàn)狀圖。植被／土地利用現(xiàn)狀圖由SPOT5影像（全色波段分辨率5m，2009年12月14日、2010年1月30日和2010年5月19日共三景）解譯獲得。土壤圖以土種類型作為成圖單元。圖形庫(kù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一為1∶5萬(wàn)比例尺，以矢量和柵格圖層建庫(kù)。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包括土壤屬性、土地利用屬性、植被類型屬性等。

1.2 降雨侵蝕因子R

本文采用Wischmeier的經(jīng)典算法來(lái)計(jì)算R因子，該公式既考慮年降水總量，又考慮降水的年內(nèi)分布：

R＝∑｛1.735exp［1.5lg（P2i／P）－0.8188］｝ （2）

式中：Pi——月降雨量（mm）；P——年降雨量（mm）。

降雨量數(shù)據(jù)分別來(lái)自呈貢縣、晉寧縣、太華山和昆明市4個(gè)氣象站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這4個(gè)站點(diǎn)分別位于滇池流域的東、南、西、北4個(gè)方向，具有一定代表性。其中，數(shù)據(jù)又有豐水年（1997年）、平水年（2002年）和枯水年（2009年）之分。對(duì)4個(gè)站點(diǎn)不同年份的R值求平均，以代表該地區(qū)的R值水平。

1.3 土壤可蝕性因子K

土壤可蝕性因子是反映土壤抗侵蝕的能力，與土壤類型有關(guān)，指的是在其他條件相同時(shí)，由于土壤性質(zhì)不同所引起的侵蝕量的差異。參照楊樹(shù)華等［9］的研究給出滇池流域土壤K值（表1），并以土壤類型為成圖單元，生成因子?xùn)鸥駡D，從而得到K值的空間分布。

表1 滇池流域常見(jiàn)土壤類型的可蝕性因子值

1.4 坡長(zhǎng)坡度因子LS

L因子和S因子合稱為L(zhǎng)S地形因子，根據(jù)劉寶元等［15－16］的研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算：

式中：L——坡長(zhǎng)因子；l——像元坡長(zhǎng)；m——坡長(zhǎng)指數(shù)。

式中：S——坡長(zhǎng)因子；θ——坡度。

1.5 植被覆蓋與作物管理因子C

植被覆蓋與作物管理因子（C）是USLE方程中最重要的參數(shù)。在一定條件下，決定土壤侵蝕強(qiáng)度的大小，反映出不同植被和管理措施對(duì)土壤侵蝕的效果。C因子值的大小受多種因素影響，同時(shí)計(jì)算也較為復(fù)雜，可通過(guò)小區(qū)觀測(cè)和人工模擬降水模擬獲取。C值的大小取決于植被類型、植被長(zhǎng)勢(shì)和植被覆蓋度［17］。植被歸一化指數(shù)（NDVI）能綜合地反映單位像元內(nèi)的植被類型、覆蓋形態(tài)和生長(zhǎng)狀況，它與地表植被覆蓋度有密切關(guān)系［18］。采用密度模型［19］，利用SOPT5遙感影像獲取的NDVI值計(jì)算植被覆蓋度，公式如下：

C因子值分布范圍為0（純植被覆蓋）到1（裸巖、土壤等無(wú)植被覆蓋），植被覆蓋度范圍為0（裸巖、土壤等無(wú)植被覆蓋）到1（純植被覆蓋）。C值的計(jì)算參照公式（6），從而得到C值的空間分布。

式中：Fg——植被覆蓋度。城鎮(zhèn)的下墊面性質(zhì)已發(fā)生改變，因此不考慮城鎮(zhèn)用地和水域?qū)η治g的影響，其C值為0。

1.6 水土保持措施因子P

水土保持措施因子（P）是采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)土壤流失量的比值，反映了水土保持措施對(duì)于坡地土壤流失量的控制，通常采用的侵蝕控制措施有：等高耕作、條帶種植、梯田等。由于資料缺乏，滇池流域內(nèi)P因子值為1［20］。

1.7 土壤侵蝕量估算

各因子計(jì)算過(guò)程在ArcMAP 9.2軟件中進(jìn)行，把滇池流域劃分成25m×25m的單元格進(jìn)行計(jì)算，各因子計(jì)算結(jié)果生成因子圖層，再將各因子圖層進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到土壤侵蝕量圖。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190—2007）確定土壤侵蝕分級(jí)，進(jìn)行再分類，得到流域的土壤侵蝕強(qiáng)度圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕計(jì)算結(jié)果

本研究將USLE模型和3S技術(shù)結(jié)合對(duì)滇池流域2010年水土流失進(jìn)行了估算，結(jié)果顯示滇池流域平均土壤侵蝕模數(shù)為802.22t／（km2·a），土壤侵蝕總量為2.34×106t。對(duì)不同侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的侵蝕量和侵蝕面積統(tǒng)計(jì)后（表2）表明，占流域面積94.56%的微度及輕度侵蝕區(qū)域?qū)α饔蛲寥狼治g量的貢獻(xiàn)率為73.27%，而流域26.72%的土壤侵蝕量來(lái)自于僅占流域面積5.43%的中度及以上侵蝕區(qū)域。土壤侵蝕以中、輕度侵蝕為主，強(qiáng)烈及以上侵蝕較弱。

表2 滇池流域不同侵蝕強(qiáng)度的侵蝕狀況

2.2 坡度與侵蝕的關(guān)系

根據(jù)DEM數(shù)據(jù)得到流域內(nèi)的坡度信息，將坡度柵格圖層重分類為6個(gè)坡度等級(jí)，然后統(tǒng)計(jì)得到每個(gè)等級(jí)的侵蝕模數(shù)（表3）。研究發(fā)現(xiàn)，滇池流域侵蝕量并不是隨著坡度的增加而增加，坡度與侵蝕模數(shù)之間并非線性關(guān)系，當(dāng)坡度到達(dá)35°時(shí)，土壤侵蝕模數(shù)略有下降的趨勢(shì)，但總體上侵蝕模數(shù)隨坡度的增加而增大（35°坡度以下）。坡度分布在8°～35°的區(qū)域，土壤侵蝕量占流域總侵蝕量的78.2%，侵蝕貢獻(xiàn)量最大的為15°～25°的區(qū)域。

表3 滇池流域不同坡度等級(jí)的侵蝕狀況

2.3 土地利用類型與侵蝕的關(guān)系

在滇池流域的土地利用類型中，不同類型侵蝕模數(shù)差異較大，侵蝕模數(shù)由大到小依次為：灌木林地、坡耕地、有林地、園地和平耕地（表4）。流域土壤侵蝕最嚴(yán)重的類型是灌木林地，侵蝕模數(shù)為1 575.06 t／（km2·a）。流域內(nèi)灌木林地以暖溫性灌叢為主，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且分布坡度范圍主要集中在8°～35°，植被覆蓋度較低，植被對(duì)降雨的截留效果較差，枯落物較少，地面裸露程度大，同時(shí)植被對(duì)土壤的改造較弱，水土流失較為嚴(yán)重。坡耕地和平耕地面積相差不大，但坡耕地侵蝕量卻是平耕地的2倍。因此，在今后的政府工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)耕地水土保持措施的推廣。有林地的土壤侵蝕量也較大，流域內(nèi)有林地目前以針葉林為主［9］，其林冠層對(duì)降雨截留的作用較弱；同時(shí)有林地中人工純林的比例較大，其水土保持功能低下。園地和平耕地侵蝕模數(shù)相對(duì)較小，土壤侵蝕主要發(fā)生在坡度8°～25°的區(qū)域，但其受人為擾動(dòng)影響較大，屬于輕度侵蝕強(qiáng)度。

表4 不同土地利用類型的侵蝕狀況

3 結(jié)論與討論

本文以滇池流域?yàn)槔?，利用USLE與3S技術(shù)相結(jié)合的方法研究了其2010年土壤侵蝕狀況，與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究有一定差別，如與李建國(guó)等人［21］根據(jù)流域內(nèi)6個(gè)徑流小區(qū)實(shí)地觀測(cè)的283.1萬(wàn)t水土流失量相比，流域內(nèi)侵蝕量減少了17.4%，這主要是在“十一五”期間，政府加強(qiáng)了對(duì)流域內(nèi)生態(tài)防護(hù)的建設(shè)，如滇池面山綠化項(xiàng)目（2003年）、松華壩水源保護(hù)區(qū)規(guī)劃（2006年）以及2009年全面開(kāi)展的滇池湖濱“四退三還一護(hù)”生態(tài)建設(shè)工程等。丁劍宏等人［22］以2009年ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)及流域內(nèi)1∶1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)，研究了滇池流域土壤侵蝕的空間結(jié)構(gòu)特征。研究表明，滇池流域輕度及以上土壤侵蝕面積占流域面積的24.60%，本文則為43.72%，這可能與影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)分辨率和侵蝕計(jì)算方法不同有關(guān)。

通常C值是由小區(qū)觀測(cè)得出的經(jīng)驗(yàn)方程求得，如楊子生［8］連續(xù)3a根據(jù)6個(gè)徑流小區(qū)實(shí)驗(yàn)，得到了坡耕地不同作物類型的C值?；谥脖桓采w度的回歸方程法，可對(duì)大區(qū)域不同土地利用類型的C值進(jìn)行快速估算。

通過(guò)模型模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度＜35°時(shí)，土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度的增加而增加，當(dāng)坡度＞35°時(shí)，土壤侵蝕模數(shù)略有下降的趨勢(shì)，說(shuō)明該區(qū)域土壤侵蝕過(guò)程中存在臨界坡度值。不同土地利用方式的侵蝕模數(shù)空間差異性較大，侵蝕模數(shù)大小為灌木林地＞坡耕地＞有林地＞園地＞平耕地。為了減少流域內(nèi)土壤流失量，可以對(duì)灌木林地生態(tài)功能進(jìn)行提升，摒棄以往種植人工純林的局面，以針闊混交林種植為主；對(duì)于有林地而言，對(duì)低效林和純林進(jìn)行生態(tài)疏伐，補(bǔ)植闊葉類林種，促進(jìn)其向頂極群落演替。對(duì)于流域內(nèi)坡度＞25°的區(qū)域，應(yīng)鞏固退耕還林政策實(shí)施的成果，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)灌木林地的植被優(yōu)化，以減少流域侵蝕的發(fā)生。

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口的迅速增加，滇池流域水質(zhì)污染已成為制約昆明市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。滇池是國(guó)家重點(diǎn)治理的“三河三湖”之一，面源污染逐漸成為滇池水污染的主要來(lái)源。水土流失是引起面源污染的重要?jiǎng)恿椭饕d體之一，土壤侵蝕本身就是一個(gè)大范圍的面源污染［22］。因此，對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的研究，也是面源污染研究的一個(gè)重要方面。按照新昆明建設(shè)“一湖四片”的規(guī)劃，滇池流域土地利用將發(fā)生很大的改變，如何對(duì)其進(jìn)行科學(xué)管理并減少流域內(nèi)新增土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，并有效控制非點(diǎn)源污染將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，加強(qiáng)滇池流域的水土流失監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

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