基于GIS的太原市土壤侵蝕定量研究

鹿晨昱，張 琳，2，薛 冰，張子龍，逯承鵬，李勇進

（1.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.中國科學(xué)院 沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽110016；3.蘭州大學(xué) 中國西部循環(huán)經(jīng)濟研究中心，甘肅 蘭州730000）

土壤侵蝕是土地退化的根本原因，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素。對土壤侵蝕進行定量研究，能夠為區(qū)域土地的持續(xù)利用提供科學(xué)決策依據(jù)。太原市地處山西省腹部，地形以山地、丘陵為主，中南部為汾河沖積扇平原，地勢平坦，土壤肥沃，灌溉方便，農(nóng)業(yè)發(fā)達。

太原市是山西省農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)，隨著區(qū)域人口的增加和社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類加大了對土地資源開發(fā)的力度，引起土地利用景觀格局發(fā)生變化，對土地資源過度或無科學(xué)指導(dǎo)的利用，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，產(chǎn)生了諸如土地退化、水土流失等嚴重問題。本研究選取太原市區(qū)作為研究區(qū)，在行政區(qū)劃上包括杏花嶺、小店、迎澤、尖草坪、萬柏林、晉源6個區(qū)，基于GIS與RS技術(shù)，進行土壤侵蝕定量評價及分析，研究太原市土壤侵蝕分布格局，以期能為區(qū)域土地的持續(xù)利用提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究方法

土壤侵蝕計算模型的選擇正確與否直接關(guān)系到計算結(jié)果的科學(xué)性，到目前為止最為廣泛應(yīng)用的計算模型是通用土壤流失方程（USLE），但其是在美國國情的基礎(chǔ)上研究得到的。后來科學(xué)家在全面考慮各影響因子的基礎(chǔ)上，提出了修正的土壤流失方程（RUSLE），該模型是建立在土壤侵蝕理論及大量實地觀察數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，形式簡單、使用方便、易于推廣接收。因此，本文采用RUSLE模型進行研究。其表達式為:

式中:A——年土壤侵蝕量；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕性因子；L——坡長因子；S——坡度因子；C——植被覆蓋因子；P——水土保持措施因子。

1.2 技術(shù)路線

基于RS和GIS空間分析平臺，采用RUSLE模型，在對區(qū)域土壤侵蝕影響因子進行分析的基礎(chǔ)上，對太原市2010年土壤侵蝕進行定量研究，并根據(jù)土壤侵蝕強度進行分級。

（1）降雨侵蝕力因子R。主要依據(jù)現(xiàn)有的降雨資料，計算得到太原市所轄各區(qū)的降雨侵蝕力。（2）植被因子C。基于Landsat－TM影像計算的植被覆蓋度（NDVI），參考 DeJong［1］在歐洲土壤侵蝕研究中提出的利用NDVI計算C值的方法，計算太原市的C值。（3）地形因子LS。選擇基于SRTM－DEM的坡度坡長因子LS的計算方法［2］，在ArcGIS平臺下計算，獲取太原市的地形因子值。（4）土壤可蝕性因子K。主要參考中國科學(xué)院水土保持研究所關(guān)于太原土壤特性的研究成果，在此基礎(chǔ)上進行提取。（5）水土保持因子P。由于土地利用/土地覆被能夠基本反映植被覆蓋率的高低與水土保持措施的差異，因此依據(jù)土地利用類型賦值的方法來加以確定。

2 土壤侵蝕影響因子分析

2.1 降雨因子R

2.1.1 降雨侵蝕力 降雨是引起土壤侵蝕最直接的驅(qū)動因素。降雨時雨滴所攜帶的動能對土壤顆粒進行沖擊，產(chǎn)生擊濺侵蝕，而后還產(chǎn)生徑流，沖刷地表，導(dǎo)致土壤侵蝕的發(fā)生。降雨侵蝕力就是反映降雨對土壤剝離及搬運的動力指標。降雨侵蝕力與降雨量、降雨動能、降雨強度、降雨歷時、雨型等因素有關(guān)，是降雨物理性質(zhì)的函數(shù)［3］。

2.1.2 降雨侵蝕力計算 降雨侵蝕力反映了降雨對土壤侵蝕的影響。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于降雨侵蝕力做了大量的研究工作，總體來說有經(jīng)典算法和簡易算法兩種計算方法。采用的數(shù)據(jù)源為6個雨量站點的月降雨量數(shù)據(jù)，由于雨量站有限，因此采用章文波、付金生［4］提出的利用逐月雨量估算降雨侵蝕力的簡易算法。計算公式為:

式中:Pij——第i年j月的降雨量（mm）；N——年數(shù)（a）；R——降雨侵蝕力﹝MJ·mm/（hm2·h·a）﹞；α，β——模型參數(shù)。α＝0.183 3，β＝1.995 7。

降雨侵蝕力是反映降雨對土壤流失的影響，降雨侵蝕力越大的地方，土壤流失相對越嚴重。根據(jù)公式（3）計算太原市所轄各區(qū)的年降雨侵蝕力，可以得出，晉源區(qū)的降雨侵蝕力最大﹝289.097MJ·mm/（hm2·h·a）﹞，其次是萬柏林區(qū)﹝267.742MJ·mm/（hm2·h·a）﹞，杏花嶺區(qū)﹝233.665MJ·mm/（hm2·h·a）﹞、迎澤區(qū)﹝225.253MJ·mm/（hm2·h·a）﹞和尖草坪區(qū)﹝223.031MJ·mm/（hm2·h·a）﹞降雨侵蝕力相仿，小店區(qū)﹝178.634 MJ·mm/（hm2·h·a）﹞的降雨侵蝕力最小。

2.2 地形因子LS及其計算

地形因子是影響土壤侵蝕的基本自然驅(qū)動要素，在RUSLE及其它許多土壤侵蝕模型中，坡度和坡長是度量地形因子對土壤侵蝕影響的主要指標，通常用LS來表示。在RUSLE中，坡度因子被定義為某一坡度的單位面積土壤流失量與坡度為5.130，其它條件都一致的坡面產(chǎn)生的單位面積土壤流失量之比率；坡長因子被定義為某一坡面的單位面積土壤流失量與坡長為22.13m，其它條件都一致的坡長產(chǎn)生的土壤流失量之比值；LS因子則是指某一坡面的土壤流失量與坡度為5.130，坡長為22.13m，其它條件都一致的坡面所產(chǎn)生的土壤流失量之比值［5－6］。

傳統(tǒng)坡面尺度上的土壤侵蝕評價，其坡度和坡長因子可以靠野外實測來計算，但是在區(qū)域尺度上，這種方法是不現(xiàn)實的，其地形指標要通過DEM來提取。因此，選擇能夠較為真實地表達研究區(qū)實際地形的DEM，是提取地形因子的基礎(chǔ)［7］。

關(guān)于利用DEM來提取LS因子，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，其中 Hickey［8］和 VanRemortel［9］提出了在ArcGIS下計算LS值的算法，而國內(nèi)學(xué)者的研究則主要是對LS算法進行修正，以使其適用于我國不同的區(qū)域。

本文在ArcGIS軟件柵格模塊的支持下，利用柵格計算器，實現(xiàn)LS值的自動生成。算法為:

式中:S——坡度因子；θ——由ArcGIS提取的坡度值；L——坡長因子；λ——由 DEM 提取的坡長；α——坡長指數(shù)；β——參數(shù)。計算得到太原市坡度坡長因子。分析可知，坡度越大，徑流能量越大，對坡面的沖刷能力越強，土壤侵蝕就越嚴重；坡長與土壤侵蝕的關(guān)系雖較為復(fù)雜，但也表現(xiàn)出坡長增加，徑流量增大，侵蝕作用加強的趨勢。太原處于盆地地帶，西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，形成從中部延伸到南部的汾河流域，汾河作為具有較強侵蝕能力的徑流，對周圍土壤進行長期侵蝕。在地形背景的影響下，中部和南部的坡長、坡度是土壤侵蝕的最主要影響因素。由計算結(jié)果可知，市區(qū)中部和南部的坡度坡長因子較高，表明該區(qū)域的土壤侵蝕相對較為嚴重。

2.3 土壤可蝕性因子K

土壤是指陸地表層具有一定的肥力并且能夠生長植物的疏松表層，它是土壤侵蝕發(fā)生的主體，是被侵蝕的對象。土壤受侵蝕的影響主要是由其各種理化特性決定的［10］。土壤可蝕性K定義為標準小區(qū)單位降雨侵蝕力引起的年土壤流失率。本研究利用Wiiliams［11］提出的土壤可蝕性因子K與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系式確定土壤因子K值:

式中:Sa——砂粒含量（%）；Si——粉砂含量（%）；Cl——黏粒含量（%）；C——有機碳含量（%）；Sn＝（1－Sa）/100。

參照《太原市土壤志》，根據(jù)研究區(qū)各種土壤的機械組成、粒級含量和有機質(zhì)含量，利用公式計算出不同土類的可蝕性因子K值（表1）。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)中國科學(xué)院水土保持研究所關(guān)于太原市土壤特性的研究成果，在土壤類型圖上進行賦值，得到土壤可蝕性因子。

表1 太原市土壤性質(zhì)及K值

由表1可知，太原市土壤可蝕性K值分布于0.35～0.42（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm）。K值越大，土壤抗蝕性越差，反之亦然。太原市區(qū)K值最大約為0.42（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm），主要分布在太原市中南部地區(qū)。該地帶處于河谷平原，土壤類型以廣泛分布在河漫灘地的潮土為主，而潮土結(jié)構(gòu)疏松，遇水易分解，抗蝕性差，因此K值較高。北部及西部的土壤可蝕性K值次之，約為0.38（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm）。其余區(qū)域的可蝕性K值相對最低，約為0.35（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm）。

2.4 植被覆蓋與管理因子C及其計算

植被是土壤侵蝕的主要抑制因素。應(yīng)用廣泛的通用土壤流失方程中的植被覆蓋與管理因子C（在1965年版的USLE方程中被稱為種植管理因子）是這種抑制作用的定量化表達指標之一。C因子指一定植被覆蓋條件下，耕作農(nóng)地上的土壤流失量與同等條件下實施清耕的連續(xù)休閑地的土壤流失量之比，為一無量綱參數(shù)，其值大小變化介于0～1［12］。C值越大，意味著與其對應(yīng)的地域的土壤侵蝕越嚴重。

目前已有的40多種植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)NDVI是水土流失預(yù)測和研究中應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)［6］。一般來講，通用土壤侵蝕模型計算C值的方法是通過建立植被指數(shù)與C值的關(guān)系來實現(xiàn)的，其計算公式為:

式中:N——NDVI數(shù)值；α，β——決定NDVI與C關(guān)系曲線的參數(shù)，較合理的設(shè)置是α＝2，β＝1。

計算得到太原市植被因子。總體上看，西南部的植被覆蓋與管理因子C值相對較高，表明該區(qū)域的土壤侵蝕程度相對較為嚴重；東北部的植被覆蓋與管理因子C值相對較低，說明該區(qū)域的土壤侵蝕程度相對較輕。

2.5 水土保持因子P

水土保持措施因子P是指特定水保措施下的土壤流失量與相應(yīng)未實施水保措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比。P值范圍在0～1之間，0代表根本不發(fā)生侵蝕的地區(qū)，而1值代表未采取任何控制措施的地區(qū)。

根據(jù)太原市水土保持試驗站資料以及縣志資料，并結(jié)合當?shù)赝恋乩眉稗r(nóng)事活動情況，通過賦值法確定太原市不同土地利用類型的P值。其中按土地利用類型劃分，林地是指生長喬木、竹類、灌木、沿海紅樹林的土地，此類區(qū)域不采取控制措施，因此將P值賦為1；建設(shè)用地是指建有建筑物、構(gòu)筑物的土地，此類區(qū)域的土地利用率最大，因此將P值賦為0；研究區(qū)的水體是由貫穿太原市區(qū)的汾河及部分人工水庫組成的，該類區(qū)域P值也賦為0；耕地中，由于坡耕地是山區(qū)泥沙來源的策源地，因此將坡耕地的P值賦為0.5，梯田及其它耕地的P值賦為0.4；將未利用地（包括荒草地、鹽堿地、裸巖石礫地）P值賦為0.7。通過對太原市的Landsat TM遙感影像進行非監(jiān)督分類與監(jiān)督分類，得到太原市土地利用類型圖，經(jīng)驗證分類的精度可達90%以上。之后，將相應(yīng)的P值賦給不同的土地利用類型，得到水土保持措施因子。由結(jié)果可知，太原市由南向北P值逐漸升高，南部的P值相對較低，意味著土壤侵蝕較輕或不發(fā)生土壤侵蝕。其中東部和西部的邊緣地帶多為以梯田為代表的耕地，因此這些地帶土壤侵蝕程度較中部和北部要輕?？傮w上看，采取水土保持控制措施的面積約占總面積的2/3。

3 太原市土壤侵蝕評價

3.1 基于RUSLE的土壤侵蝕評價

在ArcGIS軟件中利用地圖代數(shù)的計算方法運行RUSLE模型進行太原市土壤侵蝕評價，并參考水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》，結(jié)合研究區(qū)土壤侵蝕量的實際分布特征，確定具有區(qū)域特色的土壤侵蝕強度分級標準。最終將太原市土壤侵蝕等級分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕5個等級（表2），并得到2010年太原市土壤侵蝕模數(shù)圖（圖1）。

圖1 太原市土壤侵蝕模數(shù)圖

表2 太原市土壤侵蝕程度分級

3.2 土壤侵蝕空間分布規(guī)律

由表2及圖1可知，太原市不同等級的土壤侵蝕具有一定的空間分布規(guī)律:（1）極強度侵蝕分布在市區(qū)的邊緣地帶，約占侵蝕面積的2%，該地帶的土地類型為未利用地，呈零星狀。其主要影響因素是地形因素，太原市發(fā)源于河谷平原，由于地形導(dǎo)致邊緣的坡面較大，在一定程度上土壤流失量與坡面呈正相關(guān)，故侵蝕程度最大；其次是水土保持因素，該區(qū)域土地質(zhì)量較差，多為荒廢地，相關(guān)部門對此地帶的管理程度較為欠缺，因此加重了土壤侵蝕程度。（2）強度侵蝕主要集中分布于東北部山地和西部零散地區(qū)，約占侵蝕面積的21%，此地帶的土地類型為未利用地。首先，太原市的地形是北高南低呈簸箕形，因此地形因素為主要影響因素；其次，該區(qū)域土質(zhì)的植被覆蓋極少，屬于荒廢地，荒漠化嚴重，儲水能力極低，故侵蝕強度較大。（3）中度侵蝕主要分布在中部的建設(shè)用地和水體周邊（以汾河流域、晉陽湖附近區(qū)域為主），以及呈零星分布狀的坡耕地，約占侵蝕面積的22%。首先，晉陽湖位于晉源區(qū)，該地區(qū)的降雨侵蝕力相對最高，居6個區(qū)之首，因此降雨因素對土壤侵蝕的影響較大；其次，太原市地形是北高南低，這種地形特點也是一個重要影響因素。（4）輕度侵蝕主要集中分布在東部和南部的以梯田為代表的耕地地帶（坡耕地除外），約占侵蝕面積的25%。此地區(qū)土質(zhì)為潮土，由于其結(jié)構(gòu)疏松，遇水易分解，抗蝕性差，因此土壤可蝕性對土壤侵蝕有一定影響；但該區(qū)域地形相對平緩，土壤有機質(zhì)含量較高，此種情況下不易發(fā)生土壤侵蝕，故該區(qū)域?qū)儆谳p度侵蝕。（5）微度侵蝕主要分布在中南部的林地地區(qū)，約占侵蝕面積的30%，在侵蝕分類等級中所占侵蝕面積最大、侵蝕程度最低。該區(qū)域地勢低，土壤肥沃，植被覆蓋大，各侵蝕因子的影響均較小，因此屬于微度侵蝕。

4 結(jié)論

（1）太原市土壤侵蝕以微度和輕度所占比例最大，主要分布在中南部的林地，以及東部和南部的以梯田為代表的耕地地帶（坡耕地除外），約占市區(qū)總面積的1/2以上，土壤侵蝕較嚴重的地帶主要分布在北部以及邊緣地帶?？傮w上看，太原市大部分地區(qū)的土壤侵蝕程度相對較低、土地利用相對較充分，但亦有一部分地區(qū)的土壤侵蝕較為嚴重，盡管所占面積較小，但不可忽視。

（2）總體上看，荒草地、裸巖石礫地等未利用地的侵蝕強度最大，這類區(qū)域的植被覆蓋少，荒漠化嚴重，水土保持措施不到位，故侵蝕強度最為強烈；其次是建設(shè)用地、水體和耕地，侵蝕強度次之，處于中間層次；林地的侵蝕強度最小。

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