不同坡度及坡向條件下的土壤侵蝕特征研究

吳楠楠等

摘要：借助RS和GIS技術(shù)獲取研究區(qū)土壤侵蝕的相關(guān)影響因子，運用RUSLE土壤侵蝕模型，計算研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，進行侵蝕強度分級，并探討不同坡度和坡向條件下的土壤侵蝕特征。結(jié)果表明，研究區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為1 173.755 t/（km2·a），年侵蝕總量約9.56×107 t；約96%的區(qū)域為微度侵蝕；輕度以上侵蝕主要發(fā)生在西部和北部的低山丘陵區(qū)，侵蝕土壤面積占總面積的3.32%，但泥沙流失量的比重為72.024%，是防治水土流失的關(guān)鍵區(qū)域；隨著坡度的增加，侵蝕面積呈先減小后增大而后又減小的趨勢，8°～15°坡度帶是土壤侵蝕狀況的轉(zhuǎn)折點；不同坡向條件下，土壤侵蝕面積由大到小的順序為半陽坡、陽坡、陰坡和平地，半陽坡侵蝕面積約占總侵蝕面積的50%。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕；坡度；坡向；低山丘陵區(qū)；淮河

中圖分類號：S714.7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）16-3755-05

Abstract： Based on to RS and GIS techniques， the primary factors affecting the soil erosion were calculated through the RUSLE model of soil erosion. The total amount and degree of soil erosion together with the analysis of different slope gradients and aspects were studied. The results showed that annual average soil erosion modulus was 1 173.755 t/（km2·a） and the erosion amount was 9.56×107 t， with 96% study area in tiny degree erosion. The light or high degree eroded area was mainly distributed in the low mountain and western and northern hilly areas， occupying only 3.32% of total study area with 72.024% of sediment losing. It was key area for protecting soil erosion. With the increase of slope gradient， the erosion area was reduced firstly， then increased and decreased finally. The slope gradient of 8° to 15° was the turning point for the soil erosion. Under different slope aspects， the soil erosion areas from high to low were half sunny slope， sunny slope， shady slope and flat slope. The erosion area of half sunny was 50% of total eroded area.

Key words： soil erosion； slope； aspect； the low mountain and hilly areas； Huaihe river

土壤侵蝕是土地退化的根本原因，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素之一。它是指地球表面的土壤及其母質(zhì)受水力、風(fēng)力、凍融、重力等外力的作用，在各種自然因素和人為因素的影響下發(fā)生的各種破壞、分離、搬運和沉積的現(xiàn)象[1]。自然因素是土壤侵蝕發(fā)生和發(fā)展的潛在條件，主要有氣候、土壤、地形、地質(zhì)和植被等。植被的多少控制著土壤侵蝕的強弱。地貌制約著土地利用方式和水土流失程度。陡坡耕種是人為加速土壤侵蝕的重要原因之一[2]。已有人對坡度與土壤侵蝕的關(guān)系進行了深入的研究，如李秀霞等[3]對黃河流域土壤侵蝕影響因子的空間相關(guān)性進行了分析；楊存建等[4]借助GIS技術(shù)分析了不同坡度等級下的土壤侵蝕特征；曹文洪[5]通過徑流小區(qū)試驗和標樁觀測試驗剖析了坡度坡長與土壤侵蝕率之間的關(guān)系，建立了福建省土壤侵蝕預(yù)報模型；崔吉林等[6]對不同坡度及坡向的松花壩流域土壤侵蝕特征進行了相關(guān)研究。以上研究采用不同的方法，對不同區(qū)域土壤侵蝕與地形因子的規(guī)律性進行了探討，但是目前對淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕與坡度、坡向相互關(guān)系的研究比較少。

本研究借助RS和GIS技術(shù)，依據(jù)全國統(tǒng)一的土壤侵蝕強度分級標準[7]，以縣級行政區(qū)域為評價單元，選取土壤侵蝕的影響因子，利用RUSLE模型估算土壤侵蝕模數(shù)，對研究區(qū)內(nèi)不同坡度、不同坡向的土壤侵蝕特征進行分析，從小尺度上探討土壤侵蝕與坡度坡向之間的空間關(guān)系，為水土流失的科學(xué)防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位置如圖1所示，淮河北部支流低山丘陵區(qū)位于淮河流域西北、河南省的中偏西南部，地處東經(jīng)111°42′30″-114°14′15″，北緯32°16′52″-34°35′39″，覆蓋河南省的17個縣市區(qū)域，轄區(qū)總面積25 281 km2，地貌類型多樣，山地丘陵約占49%，海拔高度相差懸殊，年平均氣溫14～16 ℃，多年平均降水量在700 mm以上，河流主要有淮河一級支流沙潁河和洪汝河，二級支流北汝河、澧河、南汝河、紅河、臻頭河，此外還有石漫灘、白龜山等28個大中型水庫。土壤類型復(fù)雜，主要有黃棕壤、棕壤、褐土、潮土、沙姜黑土、水稻土、紅粘土、石質(zhì)土等。另外，西北部伏牛山分布區(qū)土壤呈現(xiàn)出復(fù)雜的垂直帶性分布，由上至下依次分布著草甸土、棕壤、黃棕壤、褐土。研究區(qū)地形錯綜復(fù)雜，加上近幾十年不合理的開發(fā)利用，森林植被大肆砍伐，造成水土流失不斷加劇。

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源 ①研究區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)字高程圖（http：//datamirror.csdb.cn/index.jsp），用于提取坡度、坡向及坡長信息。②1∶20萬河南省土壤質(zhì)地圖（河南大學(xué)提供），該研究區(qū)有壤土、壤粘土、砂土、砂壤土、砂粘壤土、粉壤土、粉砂粘土、粉粘壤土和粘壤土共9類土壤質(zhì)地類型。③河南省氣象數(shù)據(jù)庫（1964-2009年），包含研究區(qū)17個縣市的降雨量、溫度、日照等數(shù)據(jù)。④第123行37列、124行36列、124行37列、125行36列和125行37列的Landsat4-5 TM 2009年7-9月有效時相遙感影像。本研究主要參照《全國土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2007），結(jié)合研究區(qū)土地覆蓋特點和遙感信息的可判性，在實際調(diào)查基礎(chǔ)上，將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用用地6個一級類型和15個二級類型，得到覆蓋研究區(qū)的土地利用類型現(xiàn)狀圖。

1.2.2 坡度的分級統(tǒng)計 依據(jù)《全國土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007），一般將坡度分為如下的7個等級：0°～5°為1級、5°～10°為2級、10°～15°為3級、15°～20°為4級、20°～25°為5級、25°～35°為6級、>35°為7級。按照《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范坡耕地治理技術(shù)》（GB/T 16453.1-2008）水土保持的要求，坡耕地水土流失的治理主要依據(jù)流域的坡度不同分別采取不同的措施進行防治：對坡度>25°的耕地實行退耕還林還草，坡度在5°～25°的耕地主要改造成梯田，坡度在5°以下主要通過改變微地形、增加地面植被、增加土壤入滲、減少土壤蒸發(fā)等保土耕作的方式防治水土流失。

根據(jù)上述規(guī)范及不同坡度治理措施的要求，參照崔吉林等[6]的坡度等級劃分，將本研究區(qū)內(nèi)的坡度按照0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6個等級?；贒EM數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)，提取研究區(qū)的坡度信息并分析統(tǒng)計，分級的統(tǒng)計結(jié)果見表1。

利用ArcGIS 10.0軟件統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的最大坡度約60°，平均值達5.68°，以平緩坡為主要地貌類型，坡度在25°以上的面積占很小比例，而坡度在5°～25°的土地資源不可小視。

1.2.3 坡向的分級統(tǒng)計 坡向通過影響土壤水分和日照時數(shù)從而對土壤侵蝕產(chǎn)生作用，是引起土壤侵蝕的一個重要因子[8]。以DEM為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用ArcGIS 10.0軟件表面分析工具集下的坡向工具，對研究區(qū)的坡向信息進行提取，并使用重分類工具對坡向進行分級統(tǒng)計，每一坡向所占比例和面積見表2。對比分析表2中各種坡向類型的面積值，呈現(xiàn)出半陽坡>陽坡>陰坡>平地的分布特征。

1.2.4 土壤侵蝕模型的建立 關(guān)于土壤侵蝕計算方法，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多估算模型，例如USLE、RUSLE、WEPP、PSL和ANSWERS等[9，10]，其中RUSLE模型以形式簡單、使用方便，受到普遍使用。因此本研究也采用RUSLE模型，該模型方程表達式為：

A=R×K×LS×C×P （1）

其中，A為土壤侵蝕模數(shù)；R為降雨侵蝕力因子，從河南省氣象數(shù)據(jù)庫獲??；K為土壤可侵蝕因子，可由1∶20萬河南省土壤質(zhì)地圖推算求出；LS為坡長坡度因子，基于DEM數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.0軟件提取；C為植被覆蓋因子，P為水土保持因子，二者是在土地利用類型現(xiàn)狀圖基礎(chǔ)上計算得到。

另外依據(jù)《全國土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007），借助GIS技術(shù)，將同一侵蝕強度的像元歸并，形成土壤侵蝕強度等級分布，統(tǒng)計得到研究區(qū)的不同侵蝕等級的土壤面積和比例（表3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕狀況分析

從不同侵蝕等級的土壤情況統(tǒng)計表中（表3）可以看出，淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕以微度侵蝕為主，占土地總面積的96.681%，且隨著侵蝕等級的增加面積不斷縮小。研究區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為1 173.755 t/（km2·a），年侵蝕總量為95 648 740 t；微度侵蝕等級的土壤面積占很大比重，泥沙流失量占研究區(qū)總流失量的27.976%；輕度侵蝕的土壤面積占總面積的3.233%，但泥沙流失量比重為51.181%；中度以上侵蝕面積占總面積的比重僅有0.087%，而泥沙流失量比重卻達20.843%。因此，輕度以上侵蝕區(qū)域是預(yù)防和加強水土流失治理的重點區(qū)域。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤侵蝕的空間分布特征：微度侵蝕、輕度侵蝕主要分布在中部、東部的平原和丘陵的耕作區(qū)；中度以上侵蝕則主要分布在西部和北部坡度較大、植被覆蓋率較低的低山丘陵區(qū)。

2.2 不同坡度土壤侵蝕分布特征

利用ArcGIS 10.0軟件的空間分析工具，對土壤侵蝕圖與坡度圖進行疊加和統(tǒng)計，得出研究區(qū)土壤侵蝕與坡度對應(yīng)關(guān)系。從表4可以看出，研究區(qū)微度侵蝕主要分布在坡度小于5°和8°～15°的坡度帶；輕度侵蝕在0°～35°之間均有分布，其中以8°～15°分布最大；中度以上侵蝕主要集中于8°～15°。

從整體土壤侵蝕面積來看，主要有以下特征：隨著坡度的增加，侵蝕面積呈現(xiàn)出先降低再升高后又降低的趨勢；8°～15°的坡度帶是研究區(qū)土壤侵蝕狀況的轉(zhuǎn)折點。因此8°～15°坡度等級是淮河北部支流低山丘陵區(qū)主要的土壤流失治理與防治的關(guān)鍵區(qū)域。

2.3 不同坡向土壤侵蝕強度分異規(guī)律

坡向表示地面任意點高程變化值的最大方向，坡向影響著日照時數(shù)、太陽輻射量、空氣濕度、土壤分布、植被種類等，進而影響著土壤侵蝕方式和侵蝕量。借助GIS技術(shù)，通過對研究區(qū)土壤侵蝕圖與坡向圖進行疊加和統(tǒng)計，得到不同坡向土壤侵蝕面積狀況（表5）。從表5可以看出，微度侵蝕主要發(fā)生在半陽坡，其次是陽坡和陰坡；輕度至極強度侵蝕主要發(fā)生在半陽坡，且陽坡侵蝕面積略大于陰坡侵蝕面積；劇烈侵蝕也主要分布在半陽坡，但侵蝕面積陽坡小于陰坡?？傮w上看，研究區(qū)土壤侵蝕面積從大到小的順序為半陽坡、陽坡、陰坡和平地；半陽坡侵蝕面積占總侵蝕面積的近50%。由此，半陽坡是淮河北部支流低山丘陵區(qū)泥沙流失防治主要區(qū)域。

3 小結(jié)

1）淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕以微度侵蝕為主，占研究區(qū)土地總面積的96.681%，且隨著侵蝕等級的增加面積不斷縮小。輕度以上侵蝕的土壤面積占總面積的3.32%，但泥沙流失量比重為72.024%，是預(yù)防和加強水土流失治理的重點區(qū)域。

2）研究區(qū)土壤微度和輕度侵蝕主要發(fā)生在中部、東部的平原和丘陵的農(nóng)耕區(qū)；中度以上侵蝕則主要分布在坡度較大、植被覆蓋率較低的西部及北部低山丘陵區(qū)。

3）從坡度與土壤侵蝕相關(guān)性可以看出，隨著坡度的增加，侵蝕面積呈現(xiàn)先減少后增大而后又降低的趨勢；8°～15°坡度帶是土壤侵蝕狀況的轉(zhuǎn)折點，是淮河北部支流低山丘陵區(qū)主要的土壤流失治理與防治的關(guān)鍵區(qū)域。

4）從坡向與土壤侵蝕相關(guān)性可知，研究區(qū)土壤侵蝕面積從大到小的順序為半陽坡、陽坡、陰坡、平地的現(xiàn)象；半陽坡侵蝕面積占總侵蝕面積的近50%，是淮河北部支流低山丘陵區(qū)泥沙流失防治主要區(qū)域。

5）針對淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀，提出以下防護對策：對坡度小于25°的坡耕地，建設(shè)具有一定蓄水能力的臨時性地塊，采取深耕、密值、間作套種等農(nóng)耕措施；坡度大于25°的耕地，采取生物措施，進行退耕還林還草，保護林草資源，大力發(fā)展生態(tài)林和經(jīng)濟林，提高植被覆蓋率；在極強度和劇烈侵蝕區(qū)，加強水土保持工程措施。

參考文獻：

[1] 劉寶元，謝 云，張科利.土壤侵蝕預(yù)報模型[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[2] 李 勇，張建輝，楊俊誠，等.陜北黃土高原陡坡耕地土壤侵蝕變異的空間格局[J].水土保持學(xué)報，2000，14（4）：17-21.

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[4] 楊存建，劉紀遠，張增祥，等.GIS支持下不同坡度的土壤侵蝕特征分析[J].水土保持學(xué)報，2002，16（6）：46-49.

[5] 曹文洪.土壤侵蝕的坡度界限研究[J].水土保持通報，1993，13（4）：1-5.

[6] 崔吉林，陳 麗，方向京.松花壩流域不同坡度及坡向土壤侵蝕的特征研究[J].西部林業(yè)科學(xué)，2012，41（6）：63-67.

[7] 水利電力部.水利電力部頒發(fā)關(guān)于土壤侵蝕類型區(qū)劃分和強度分級標準的規(guī)定（試行）[J].中國水土保持，1984，4（10）：17-19.

[8] 查 軒，黃少燕，陳世發(fā).退化紅壤地土壤侵蝕與坡度坡向的關(guān)系—基于GIS的研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2010，19（2）：32-39.

[9] 蔡強國，劉紀根.關(guān)于我國土壤侵蝕模型研究進展[J].地理科學(xué)進展，2003，22（3）：242-250.

[10] 楊勤科，李 銳，曹明明.區(qū)域土壤侵蝕定量研究的國內(nèi)外進展[J].地球科學(xué)進展，2006，21（8）：849-856.

（責(zé)任編輯 彭西甜）

3 小結(jié)

1）淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕以微度侵蝕為主，占研究區(qū)土地總面積的96.681%，且隨著侵蝕等級的增加面積不斷縮小。輕度以上侵蝕的土壤面積占總面積的3.32%，但泥沙流失量比重為72.024%，是預(yù)防和加強水土流失治理的重點區(qū)域。

2）研究區(qū)土壤微度和輕度侵蝕主要發(fā)生在中部、東部的平原和丘陵的農(nóng)耕區(qū)；中度以上侵蝕則主要分布在坡度較大、植被覆蓋率較低的西部及北部低山丘陵區(qū)。

3）從坡度與土壤侵蝕相關(guān)性可以看出，隨著坡度的增加，侵蝕面積呈現(xiàn)先減少后增大而后又降低的趨勢；8°～15°坡度帶是土壤侵蝕狀況的轉(zhuǎn)折點，是淮河北部支流低山丘陵區(qū)主要的土壤流失治理與防治的關(guān)鍵區(qū)域。

4）從坡向與土壤侵蝕相關(guān)性可知，研究區(qū)土壤侵蝕面積從大到小的順序為半陽坡、陽坡、陰坡、平地的現(xiàn)象；半陽坡侵蝕面積占總侵蝕面積的近50%，是淮河北部支流低山丘陵區(qū)泥沙流失防治主要區(qū)域。

5）針對淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀，提出以下防護對策：對坡度小于25°的坡耕地，建設(shè)具有一定蓄水能力的臨時性地塊，采取深耕、密值、間作套種等農(nóng)耕措施；坡度大于25°的耕地，采取生物措施，進行退耕還林還草，保護林草資源，大力發(fā)展生態(tài)林和經(jīng)濟林，提高植被覆蓋率；在極強度和劇烈侵蝕區(qū)，加強水土保持工程措施。

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（責(zé)任編輯 彭西甜）

3 小結(jié)

1）淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕以微度侵蝕為主，占研究區(qū)土地總面積的96.681%，且隨著侵蝕等級的增加面積不斷縮小。輕度以上侵蝕的土壤面積占總面積的3.32%，但泥沙流失量比重為72.024%，是預(yù)防和加強水土流失治理的重點區(qū)域。

2）研究區(qū)土壤微度和輕度侵蝕主要發(fā)生在中部、東部的平原和丘陵的農(nóng)耕區(qū)；中度以上侵蝕則主要分布在坡度較大、植被覆蓋率較低的西部及北部低山丘陵區(qū)。

3）從坡度與土壤侵蝕相關(guān)性可以看出，隨著坡度的增加，侵蝕面積呈現(xiàn)先減少后增大而后又降低的趨勢；8°～15°坡度帶是土壤侵蝕狀況的轉(zhuǎn)折點，是淮河北部支流低山丘陵區(qū)主要的土壤流失治理與防治的關(guān)鍵區(qū)域。

4）從坡向與土壤侵蝕相關(guān)性可知，研究區(qū)土壤侵蝕面積從大到小的順序為半陽坡、陽坡、陰坡、平地的現(xiàn)象；半陽坡侵蝕面積占總侵蝕面積的近50%，是淮河北部支流低山丘陵區(qū)泥沙流失防治主要區(qū)域。

5）針對淮河北部支流低山丘陵區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀，提出以下防護對策：對坡度小于25°的坡耕地，建設(shè)具有一定蓄水能力的臨時性地塊，采取深耕、密值、間作套種等農(nóng)耕措施；坡度大于25°的耕地，采取生物措施，進行退耕還林還草，保護林草資源，大力發(fā)展生態(tài)林和經(jīng)濟林，提高植被覆蓋率；在極強度和劇烈侵蝕區(qū)，加強水土保持工程措施。

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（責(zé)任編輯 彭西甜）