基于GIS和USLE模型的安徽舒城縣土壤侵蝕空間分析

彭麗蓉，李洪建

(山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原 030006)

基于GIS和USLE模型的安徽舒城縣土壤侵蝕空間分析

彭麗蓉，李洪建

(山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原 030006)

基于通用土壤侵蝕模型(USLE)，利用安徽舒城縣逐月降雨數(shù)據(jù)、土地利用圖、土壤類型圖、DEM，通過確定土壤侵蝕方程中各因子，在GIS平臺(tái)上對(duì)研究區(qū)2010年土壤侵蝕量和空間分布特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：舒城縣的年平均土壤侵蝕模數(shù)為303.89 t·km-2·a-1，侵蝕強(qiáng)度為輕度。區(qū)域土壤侵蝕在輕度以下的面積占研究區(qū)面積的97.98%。區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕的空間分布差異較大，不同侵蝕等級(jí)零散分布；東北部平原地帶土壤侵蝕不明顯，中南部低丘陵山區(qū)及西南部大別山區(qū)土壤侵蝕較嚴(yán)重，尤其是龍河口水庫區(qū)域土壤侵蝕狀況嚴(yán)重。通過以上研究分析，以期為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展及土地利用規(guī)劃提供參考。

土壤侵蝕；USLE；空間分析；舒城縣

土壤侵蝕是指土壤或成土母質(zhì)在外力作用下被破壞剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程。土壤侵蝕不僅破壞土壤資源，降低土壤肥力和質(zhì)量，破壞水利、交通工程設(shè)施，而且會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化，是世界范圍內(nèi)重要的環(huán)境問題之一[1]，嚴(yán)重威脅人類的生存和發(fā)展。

土壤侵蝕模型是監(jiān)測和預(yù)報(bào)土壤侵蝕的重要工具。通用土壤流失方程(The Universal Soil Loss Equation，簡稱USLE)是美國農(nóng)業(yè)部(USDA)于20 世紀(jì)中葉開發(fā)的一個(gè)主要用于估算坡地土壤流失量與其主要影響因子間定量關(guān)系的侵蝕數(shù)學(xué)模型，基于大量小區(qū)觀測資料和人工模擬降雨試驗(yàn)資料建立了著名的通用土壤流失方程。20世紀(jì)80年代以后，國外的專家學(xué)者對(duì)通用土壤流失方程不斷進(jìn)行修正，使模型得到了完善。與其他模型相比，如ANGPS[2]等，USLE結(jié)構(gòu)簡單，適用廣，數(shù)據(jù)易獲取，實(shí)用性強(qiáng)，在世界范圍內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。因此，USLE在定量評(píng)價(jià)土壤侵蝕強(qiáng)度、土地資源合理利用和水土保持規(guī)劃等方面具有重要的作用。我國學(xué)者[3,4]在上個(gè)世紀(jì)80年代，利用USLE模型與本國實(shí)際相結(jié)合，取得了重要的成果。本文依據(jù)USLE和國內(nèi)學(xué)者[5,6]針對(duì)中國各區(qū)域?qū)嶋H提出的修正意見，對(duì)舒城縣土壤侵蝕影響各因子值的算式算法進(jìn)行率定，建立舒城縣土壤水蝕模型，旨在探求舒城縣土壤侵蝕量及其空間分布狀況，為舒城縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展及土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

舒城縣隸屬于我國安徽省六安市，位于安徽省中部、大別山東麓、巢湖之濱、江淮之間，東靠廬江縣，南與桐城市、潛山縣為鄰，西與岳西縣、霍山縣相接，北與省會(huì)合肥相倚，瀕長江黃金水道，東臨全國五大淡水湖之一的巢湖[7]。屬于亞熱帶溫潤性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫15.6℃，降雨量1100 mm，無霜期224 d。地理坐標(biāo)界于北緯31°01′～31°34′、東經(jīng)116°26′～117°15′之間，全縣呈橄欖形，南北寬49 km，東西長86 km，轄區(qū)國土面積2092 km2。地理概貌為西高東低, 西南為大別山余脈，最高點(diǎn)萬佛山峰海拔1539 m。山地面積約占全縣52%，中部是丘陵崗區(qū)；丘陵面積約占全縣20%；東部屬?zèng)_積平原，最低點(diǎn)舒三海拔7 m?？h內(nèi)主要河流有9條，其中杭埠河和豐樂河為兩大骨干河流。大小水庫62座，其中有以世界第一大人工土壩而名聞遐邇的龍河口水庫(萬佛湖)。人口分布特點(diǎn)呈現(xiàn)西部稀疏東部密集,經(jīng)濟(jì)狀況為西部困難東部繁榮,自然格局呈現(xiàn)為五山一水二分田,二分道路及莊園,是一個(gè)山、丘、圩兼?zhèn)?集山區(qū)、庫區(qū)、老區(qū)、貧困區(qū)為一體的縣份。

2 資料來源及研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來源包括舒城縣1∶25萬數(shù)字高程模型(DEM)、土壤類型分布圖、土地利用圖、逐月降雨數(shù)據(jù)等。其中DEM數(shù)據(jù)由安徽省自然災(zāi)害過程與防控研究省級(jí)實(shí)驗(yàn)室(Anhui Key Laboratory of Natural Disaster Process and Prevention)提供并分析得到(圖1)；土壤類型分布圖取自安徽省土壤類型數(shù)據(jù)庫(2010年)；降雨數(shù)據(jù)由國家氣象資料室提供(站號(hào)：58316)，時(shí)間段為1981-2010年。

圖1 研究區(qū)數(shù)字高程圖

2.2 土壤流失方程及因子確定

土壤流失方程。將眾多影響土壤侵蝕速率的互相聯(lián)系的物理和管理因素歸納為六個(gè)主要的因子，這些因子在不同地區(qū)的值可以數(shù)量化表示。通用土壤流失方程為：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為單位面積上的土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子,即降雨侵蝕力指數(shù)的數(shù)值再加上表示因融雪或外加水量而產(chǎn)生的徑流因子;K為土壤可蝕性因子，即在標(biāo)準(zhǔn)單位上測得的特定土壤在單位降雨侵蝕力作用下的土壤流失速率;L為坡長因子，即在其它條件相同的情況下，某一長度的坡面上的土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)長坡面上的流失量的比值;S為坡度因子，即在其它條件相同的情況下，某一坡度的坡面上的土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)坡度的坡面上流失量的比值;C為植被覆蓋管理因子，即在一定的覆蓋和管理措施下，一定面積土地上的土壤流失量與采取連續(xù)清耕、休閑處理的相同面積土地上的流失量的比值;P為水土保持措施因子。

2.2.1 降雨侵蝕力因子R

降雨量的大小及降水形式與土壤的侵蝕程度有著密切的聯(lián)系，降雨侵蝕力因子R是評(píng)價(jià)降雨對(duì)土壤侵蝕作用的大小程度，反映降雨對(duì)土壤潛在的侵蝕能力[8]。R難以直接測量，多數(shù)情況下采用降雨量參數(shù)來估計(jì)。吳素業(yè)[9]采用1984-1992年安徽省岳西縣水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的降雨觀測數(shù)據(jù)，建立了降雨量與土壤侵蝕力因子R之間的相互關(guān)系，得到大別山區(qū)降雨侵蝕力的簡化公式：

(2)

式中：R為年降雨侵蝕力；Pi為當(dāng)月降雨總量。

因舒城縣與岳西縣毗鄰，研究區(qū)域大部屬大別山區(qū)，故此次研究R因子計(jì)算方法采用吳素業(yè)的研究結(jié)果，多年平均降水量按世界氣象組織(WMO)規(guī)定為30年降水平均值，選取舒城縣1981-2010年共30 a的降雨數(shù)據(jù)，代入公式(2)分別計(jì)算得到每年降雨侵蝕力值(表1)，R值在138.80～730.63之間，平均值為337.39 J·m-2。

表1 舒城縣1981-2010年年降雨量表與年降雨侵蝕力R值

2.2.2 土壤可蝕性因子K

土壤可蝕性是一種復(fù)雜的土壤特性，土壤可蝕性因子是在標(biāo)準(zhǔn)單位上測得的特定土壤在單位降雨侵蝕力作用下的土壤流失速率，是較長時(shí)間段內(nèi)土壤在雨滴擊濺、徑流沖刷，或者兩者共同作用下，被分散、搬運(yùn)難易程度的平均反映[1]。K值的大小直接反映了土壤及土壤坡面對(duì)各種水蝕作用過程的敏感程度，影響K因子大小的原因是多方面的，其中土壤顆粒的組成與有機(jī)質(zhì)的含量是最重要的影響因素，土壤質(zhì)地越細(xì)或越粗，K值越低，相反質(zhì)地適中的土壤K值較高[10]。安徽省土壤類型數(shù)據(jù)庫提供了省內(nèi)各種不同試驗(yàn)條件下土壤類型數(shù)據(jù)，在獲取舒城縣土壤可蝕性因子K值過程中，參照梁音、史學(xué)正[11]對(duì)我國中東部丘陵地區(qū)土壤可蝕性的研究成果。由安徽省土壤類型數(shù)據(jù)庫提供了不同質(zhì)地土壤的K值，本研究通過對(duì)土壤類型圖進(jìn)行數(shù)字化，得到舒城縣土壤可蝕性因子K值分布圖(圖2)。

圖2 研究區(qū)土壤可蝕性因子K值空間分布圖

2.2.3 坡度坡長因子LS

地形對(duì)土壤侵蝕的影響用坡長L和坡度S表示。隨著坡長增加，坡度越陡，徑流能量也越大，對(duì)坡面的沖刷就越嚴(yán)重，侵蝕量也越大。在USLE和RUSLE中，美國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)為坡度為9%，坡長22.1 m，小區(qū)寬2 m，且連續(xù)保持順坡作清耕裸露休閑狀態(tài)。坡長因子L指在其他條件相同的情況下，任意坡長下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長單位面積土壤流失量的比值。用于獲得坡長因子的小區(qū)資料表明，坡長為λ(m)坡地上的平均侵蝕量，并按如下公式變化：

L=(λ/22.1)m

(3)

式中，22.1是USLE中22.1 m的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長，λ是由DEM提取出來的水平投影坡長/m，m是坡度指數(shù)。

坡度因子S指在其他條件相同的情況下，任意坡度下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度單位面積土壤流失量的比值。土壤侵蝕隨坡度的增加而增加，且增加速率加快。但土壤流失量并不是隨著坡度的增大而無限增大。舒城縣地形復(fù)雜，山地、丘陵面積占研究區(qū)域的一半以上，因此本研究基于已經(jīng)數(shù)字化的舒城縣DEM，采用分段的方法考慮坡度對(duì)土壤侵蝕的影響[12]。緩坡上選用McCool等[13]研究的坡度公式，陡坡上采用劉寶元等[5]的研究結(jié)果，具體如下(公式4)：

(4)

式中，S為坡度因子，θ為由DEM提取的坡度值/°。

研究區(qū)坡度坡長因子LS分布圖(圖3)。

2.2.4 植被覆蓋管理因子C和水土保持措施因子P

植被覆蓋管理因子C是在相同的土壤質(zhì)地、相同的坡度和相同的降水條件下，某種特定作物和植被情況下土壤流失總量與實(shí)施清耕后連續(xù)休閑地土壤流失總量的比值。有關(guān)植被覆蓋管理因子對(duì)土壤侵蝕的影響，國內(nèi)的研究成果基本上限于估算主要植被類型C的平均值[12]，很少考慮到不同的耕作條件，耕種方式等管理措施對(duì)于C值的影響。參考蔡崇法等[14]通過坡面產(chǎn)沙量與植被覆蓋度相關(guān)關(guān)系的研究成果，結(jié)合安徽省土地利用及農(nóng)作物經(jīng)營的實(shí)際調(diào)查情況，得出研究區(qū)域的植被覆蓋管理因子(表2)。

水土保持措施因子P是指實(shí)行特定保護(hù)措施后的土壤流失總量與未實(shí)施保護(hù)措施前，相應(yīng)區(qū)域順坡耕作時(shí)的土壤流失量的比值，為無量綱數(shù)，其數(shù)值一般介于0.15～1.00之間[8](表2)。

圖3 研究區(qū)坡度坡長因子LS分布圖

表2 舒城縣不同土地利用類型C因子和P因子值

2.3 土壤侵蝕量計(jì)算

使用ArcGIS軟件對(duì)通用土壤流失方程(A=R·K·L·S·C·P)中降雨侵蝕力因子R，植被覆蓋管理因子C及水土保持措施因子P，土壤可蝕性因子K的柵格圖層及坡度坡長因子LS的柵格圖層，進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)域2010年土壤流失狀況柵格圖(圖4)。

圖4 舒城縣2010年土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖

3 結(jié)果與分析

根據(jù)2010年舒城縣土地利用狀況，研究區(qū)土壤侵蝕不同等級(jí)的面積及面積比、侵蝕量及侵蝕量比例，如表3。

表3 舒城縣土壤侵蝕登記統(tǒng)計(jì)表

從表3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得，舒城縣多年平均土壤侵蝕量為60.585×104t·a-1，土壤侵蝕模數(shù)為303.89 t·km-2；微度侵蝕區(qū)域面積最大，占區(qū)域侵蝕面積的65.95%，其次是輕度侵蝕，面積為670.17 km2，占總面積的32.03%，近98%的區(qū)域?yàn)檩p度以下侵蝕，2.02%的區(qū)域?qū)儆谥卸然蛑卸纫陨锨治g，劇烈侵蝕的區(qū)域僅為0.02%。總體上看，舒城縣土壤侵蝕狀況為輕度侵蝕，空間分布呈明顯的塊狀分布。東北平原地區(qū)如杭埠鎮(zhèn)、千人橋鎮(zhèn)、柏林鄉(xiāng)等區(qū)域，土地利用類型以農(nóng)耕地為主，土壤侵蝕量小于2 t·hm-2·a-1，屬于微度侵蝕；西南部丘陵地帶，如曉天鎮(zhèn)、河棚鎮(zhèn)等，土壤侵蝕強(qiáng)度在2～50 t·hm-2·a-1，屬于輕度和中度侵蝕區(qū)域；土壤強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域50～80 t·hm-2·a-1和極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域80～150 t·hm-2·a-1分布在中部丘陵地帶和低山區(qū)，如湯池鎮(zhèn)、張母橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，呈帶狀分布；劇烈侵蝕區(qū)域集中分布在龍河口水庫西南部臨近區(qū)域。

4 討論與結(jié)論

綜合以上分析結(jié)果表明，舒城縣2010年土壤侵蝕屬于輕度侵蝕，侵蝕結(jié)果呈現(xiàn)塊狀分布的特征，但中部地區(qū)的龍河口水庫由于人口密度大，加之近幾年對(duì)于水庫的修建，導(dǎo)致農(nóng)耕面積減少，大量開墾陡坡作為農(nóng)用田，侵蝕狀況較為嚴(yán)重；中南部地區(qū)地勢(shì)陡峭，年降雨量較大，水蝕性強(qiáng)，所以土壤侵蝕狀況劇烈。建議通過清除水庫淤塞，大面積退耕還林，減少在陡坡區(qū)域農(nóng)耕面積進(jìn)行水土保持工作，進(jìn)一步減小土壤侵蝕嚴(yán)重程度。

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AnalysisonSoilErosioninShuchengCountyBasedonGISTechniquesandUSLEModel

Peng Lirong，Li Hongjian

(InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030006,China)

Based on the Universal Soil Loss Equation (USLE), the soil erosion and spatial distribution characteristics in Shucheng Anhui in 2010 were analyzed by applying the GIS platform and combining with the monthly rainfall data of Shucheng county, land utilization chart, soil type chart and DEM. The results showed that the annual average soil erosion modulus in this area was 303.89 t·km-2·a-1; and the area with mild erosion intensity accounted for 97.98% of the total research area. The spatial distribution of soil erosion showed a great heterogeneity and erosion grade also revealed a scattered distribution in the basin. The soil erosion condition of the Northeast Plain of the county was not obvious, while in the Central South Low Hills Areas and the Southwest Da Bie Shan Area was more serious, especially in the Long Kou Reservoir Area with the worst damage According to the above research analysis, the findings of this research could provide some implications for the economic development and land planning of the county.

Soil Erosion；USLE；Spatial Analysis；Shucheng County

2014-04-18

2014-05-10

彭麗蓉(1990-)，女(漢)，山西祁縣人，碩士研究生，研究方向:土壤資源。

李洪建，教授，碩士生導(dǎo)師。Tel：13934609026；E-mail: hongli@sxu.edu.cn

S157.1

A

1671-8151(2014)04-0339-06

(編輯：武英耀)