基于GIS和RUSLE的洱海流域土壤侵蝕空間特征分析

王衛(wèi)林 葉燎原 楊昆 王桂林 蘇飛

摘要：土壤侵蝕空間分布特征是進(jìn)行土壤侵蝕防治規(guī)劃、實(shí)踐的重要基礎(chǔ)與依據(jù)?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)（RS），提取了洱海流域降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長、地表覆蓋、水土保持措施5個(gè)主要影響水土流失因子，采用修正的通用土壤流失模型（RUSLE）估算土壤侵蝕量，并運(yùn)用GIS空間統(tǒng)計(jì)分析功能，分析了土壤侵蝕在海拔、坡度與土地利用類型等方面的空間分布特征。結(jié)果表明，洱海流域年平均土壤侵蝕模數(shù)為64.68 t/（hm2·a），屬于強(qiáng)度侵蝕，土壤侵蝕面積1 404.279 km2，占總流域面積的61.12%，2 000～2 500 m高程帶、15°～45°坡度帶，以及未利用土地區(qū)域是研究區(qū)土壤侵蝕防治的重點(diǎn)地區(qū)。

關(guān)鍵詞：洱海流域；修正的通用土壤侵蝕方程；地理信息系統(tǒng)；水土流失；空間分布特征

中圖分類號：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）13-3108-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.010

Analysis on Spatial Characteristics of Soil Erosionin Erhai River Basin

Based on GIS and RUSLE

WANG Wei-lin1a，1b，YE Liao-yuan2，YANG Kun1a，2，WANG Gui-lin1b，2，SU Fei1b，2

（1a.School of Information Science and Technology； 1b.School of Tourism and Geographic Sciences， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China；2.GIS Technology Research Center of Resource and Environment in Western China， Ministry of Education， Kunming 650500， China）

Abstract：The spatial distribution characteristics are important basis for the planning and application of soil erosion prevention. Based on geographic information systems（GIS） and remote sensing（RS）， five primary factors affecting soil erosion in the ErHai Lake basin were extracted，i.e.，rainfall erosivity， soil erodibility， terrain， vegetation coverage and soil and water conservation measures. Meanwhile， the amount of soil erosion was estimated using the revised universal soil loss equation （RUSLE） model. Furthermore， the spatial distribution characteristics were also analyzed with the application of GIS in the view of elevation， slope and land use types. The results showed that the soil erosion modulus were 64.68t/（hm2·a），which belonged to the grade of intensity erosion， and a erodible area of 1404.279km2（61.12% of the whole area）.The results also revealed that soil erosion ，especially soil erosion with high grade， mostly distributed in the following areas， that is elevation area from 2000 to 2500 meters， slope area from 15 to 45 degree， and unused land. Those areas were the key zone for soil erosion.

Key words： Erhai river basin； revised universal soil loss equation （RUSLE）； geographic information systems （GIS）； soil erosion； spatial distribution characteristics

土壤侵蝕是世界上的主要生態(tài)破壞現(xiàn)象之一[1]，它是危及人類生存和發(fā)展的重要環(huán)境問題之一。

土壤侵蝕的研究始于19世紀(jì)晚期，1887年德國土壤學(xué)家Bwald Wollny進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，只限于表面現(xiàn)象的觀察和定性描述[2]。從20世紀(jì)20年代開始，有不少學(xué)者開始進(jìn)行相關(guān)的定量研究，但直到60年代，此類研究基本上仍是經(jīng)驗(yàn)所得。隨著相鄰學(xué)科的發(fā)展、測驗(yàn)方法的改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，逐步建立了一些模擬侵蝕物理過程的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)入80年代，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益完善，侵蝕產(chǎn)沙的研究迅速發(fā)展，大量研究成果問世。特別到了90年代后，RS和GIS的發(fā)展和廣泛應(yīng)用為人們進(jìn)一步研究提供了有力的工具，模型的研究也開始由集總式向分布式過渡，國內(nèi)外學(xué)者提出了大量的土壤侵蝕模型[3]。

中國是世界上水土流失較強(qiáng)烈的國家之一，定期調(diào)查并公告全國土壤侵蝕及其治理狀況，是客觀反映水土保持治理成效、評估治理效益編制治理規(guī)劃的基礎(chǔ)[4]。國內(nèi)外對于區(qū)域土壤侵蝕綜合評價(jià)和制圖方法，可以歸納為4種方法，包括常規(guī)地理制圖法、坡面土壤侵蝕模型與GIS集成法、區(qū)域土壤侵蝕模型方法和抽樣調(diào)查方法[5，6]。中國比較常用的方法是依據(jù)水利部頒布的土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)[7]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

洱海流域位于瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶，屬瀾滄江—湄公河水系，流域面積2 565 km2，地理坐標(biāo)在東經(jīng)100°05′-100°17′、北緯25°36′-25°58′之間。洱海地處云南省大理白族自治州境內(nèi)，是云南省第二高原淡水湖泊，風(fēng)光明媚，素有“高原明珠之稱”。洱海流域?qū)俚途暥雀咴瓉啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，干濕分明，氣候溫和，日照充足。流域內(nèi)的地帶性土壤為紅壤，隨著海拔的變化，由低到高依次為紅壤、黃紅壤、黃棕壤、暗棕壤、亞高山草甸及高山草甸土等。

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括遙感、專題圖件和實(shí)測數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)為2012年洱海流域30分辨率的Landsat TM多光譜影像。專題圖件數(shù)據(jù)包括矢量流域邊界圖、數(shù)字高程模型（DEM）以及土壤類型數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)來源于國家1∶5 000數(shù)字高程模型，分辨率為25，土壤矢量類型數(shù)據(jù)來自國家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”。實(shí)測數(shù)據(jù)為洱海流域6個(gè)氣象站點(diǎn)1997～2010年日降雨數(shù)據(jù)，來源于云南省水文水資源局和中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

2 模型與方法

2.1 修正通用土壤侵蝕模型

Wischmeier在20世紀(jì)60年代提出的通用土壤流失方程（universalsoillossequation，USLE）是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8]。修正通用土壤侵蝕方程（reviseduniversalsoillossequation，RUSLE）從技術(shù)性和確定因子的算法上對USLE進(jìn)行了改進(jìn)，因而應(yīng)用范圍更廣，預(yù)測精度更高。此方程形式簡單，所需的參數(shù)較易獲取，且各因子具有物理意義，被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的評估分析[9，10]。在參照國內(nèi)外專家土壤侵蝕研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合洱海流域的自然環(huán)境特征，決定采用修正的通用土壤流失方程對洱海流域的土壤進(jìn)行分析，其模式為：

A=R×K×L×S×C×P

式中，A為年單位面積的土壤侵蝕量（t/hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子（MJ·mm/hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子（t·h/MJ·mm）；L為坡長因子（m）；S為坡度因子（%）；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

2.1.1 降雨侵蝕力因子（R） 降雨侵蝕力主要衡量雨滴沖擊的動(dòng)能，反映降雨這一氣候因素對土壤侵蝕的潛在作用能力。降雨侵蝕力計(jì)算利用日雨量采用下列計(jì)算公式計(jì)算降雨侵蝕力[11，12]。

R=0.444 88P0.969 82

式中，R為降雨侵蝕力系數(shù)，單位為（MJ·mm）/（hm2·h·a）；P為年平均降雨量，單位為mm。

本研究利用公式（2），根據(jù)洱海流域各氣象站點(diǎn)1997～2010年觀測資料，逐年計(jì)算各站點(diǎn)的年平均降雨量，利用ArcGIS中的IDW插值得到洱海流域降雨侵蝕力表面模型（圖1）。

2.1.2 土壤可蝕性因子（K） 土壤可蝕性因子K反映土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)的難易程度。本研究結(jié)合土壤類型數(shù)據(jù)，在相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上[13，14]，近似確定出研究區(qū)不同類型土壤可蝕性因子K，并將該值輸入到土壤類型矢量圖中，通過矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲取洱海流域可蝕性因子K值得分布范圍（圖2）。

2.1.3 地形因子（LS） 地形地貌特征對土壤侵蝕的影響集中表現(xiàn)在坡長與坡度兩方面，因此，一般用坡長（L）與坡度（S）因子估算地形因素對土壤侵蝕的影響。目前，在DEM上進(jìn)行坡長計(jì)算的方法按原理有非累積流量的直接計(jì)算法、累積流量的單位匯水面積計(jì)算法和水流強(qiáng)度指數(shù)的間接計(jì)算法[15]，本研究坡度坡長因子LS采用彭建等[12]的計(jì)算方式獲得。

本研究以洱海流域25 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，獲取洱海流域可蝕性因子LS得分布范圍（圖3）。

2.1.4 植被與經(jīng)營管理因子（C） 植被與經(jīng)營管理因子C反映的是有關(guān)植被覆蓋和管理對土壤侵蝕的綜合作用，其值介于0～1之間[16]。本研究以2012年的TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，在ENVI4.8遙感圖像處理軟件支持下，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，并參考GoogleEarth影像、地形地貌以及土壤類型等資料，采用監(jiān)督分類的方法，進(jìn)行人工交互解譯，得到洱海流域土地利用類型數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要，土地利用類型主要分為林地、草地、水田、園地、濕地、居民點(diǎn)、水域、未利用地八大類。根據(jù)洱海流域土地利用以及實(shí)際經(jīng)營情況，并參考美國農(nóng)業(yè)手冊537號[17]以及相關(guān)研究[18，19]的基礎(chǔ)上，對各種土地利用類型賦予不同的C值（表1）。

2.1.5 水土保持措施因子（P） P因子也稱為侵蝕防治措施因子，是指特定保護(hù)措施下的土壤流失量與未實(shí)施保護(hù)措施之前相應(yīng)地地順坡耕作時(shí)的土壤流失量之比值。其值介于0～1之間[20]。通常，包含于這一因子中的侵蝕控制措施有調(diào)整水體形態(tài)、斜坡坡度等，通過改變小地形、攔蓄地表徑流、增加降雨入滲等手段減少土壤侵蝕[21]。本研究區(qū)主要以林地、水田為主，根據(jù)研究區(qū)特殊的地形環(huán)境，參照美國農(nóng)業(yè)部手冊537號[17]以及相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[22，23]，對各種土地利用類型賦予不同的P值（表1），生成CP因子的分布圖（圖4）。

2.2 研究方法

本研究以遙感影像為信息源，地理信息系統(tǒng)為分析工具，依據(jù)遙感、降水、土壤、數(shù)字高程模型等資料，運(yùn)用修正通用土壤侵蝕模型（RUSLE），生成土壤侵蝕主要因子圖層，然后利用ArcGIS軟件，將R、K、L、S、C和P各因子圖層轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一坐標(biāo)系，像元大小為30 m×30 m進(jìn)行疊加相乘處理，得到流域土壤侵蝕模數(shù)，形成洱海流域土壤侵蝕強(qiáng)度柵格分布圖[t/（hm2·a）]，并依據(jù)水利部水土保持司的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)（SL190-1996）》，并考慮到研究區(qū)土壤侵蝕量的實(shí)際分布特征，得到洱海流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖（圖5）。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土壤侵蝕量與土壤侵蝕強(qiáng)度

通過計(jì)算得到洱海流域土壤侵蝕面積1 404.279 km2，占總面積的61.12%，土壤侵蝕總量為1 685.3×105 t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)64.68 t/（hm2·a），屬于強(qiáng)度侵蝕。并對土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，得到洱海流域各土壤侵蝕強(qiáng)度等級平均土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量（表2）。

從表2可以看出，盡管極劇烈侵蝕面積比例不到6%，但其土壤侵蝕量比重卻達(dá)到80%以上，其他土壤侵蝕強(qiáng)度等級占的比重較低，因此，極劇烈侵蝕是研究區(qū)土壤侵蝕防治的重點(diǎn)。

3.2 洱海流域土壤侵蝕空間特征分析

3.2.1 土壤侵蝕的海拔分布特征 從洱海流域不同海拔帶的平均土壤侵蝕模數(shù)（表3）可以看出，盡管土壤侵蝕與海拔具有較大的相關(guān)性，但土壤侵蝕強(qiáng)度與海拔無直接的線性關(guān)系。除<2 000 m、>3 500 m高程帶其值較低外，其余各高程帶上的土壤侵蝕模數(shù)均較大，且差異顯著，其中，2 000～2 500 m高程帶的平均土壤侵蝕模數(shù)較高，屬極強(qiáng)度侵蝕，其他高程帶的土壤侵蝕分屬于強(qiáng)度、中度侵蝕。平均土壤侵蝕模數(shù)之所以在不同高程帶呈現(xiàn)不同的分布特征主要緣于研究區(qū)高程的空間分布以及植被覆蓋率的差異，即海拔在2 000 m以下高程帶，大多數(shù)屬于平原地帶，坡度較低，土地類型多為田地、濕地以及少量的草地，對水土的保持能力相對較強(qiáng)；而2 000～2 500 m高程帶占研究區(qū)近50%的土地面積，大多山高坡陡，土地類型多為水田、未利用土地、居民點(diǎn)以及少量的園地和草地，人為活動(dòng)強(qiáng)烈，破壞性相對較大，因而，對水土保持能力相對較低；而2 500～3 000 m高程帶是洱海流域林地、其他林地等高植被覆蓋地類的集中分布區(qū)，因而，對水土流失有一定的保持能力；而3 000～3 500 m高程帶主要以林地、草地為主，但大部分區(qū)域坡度較低，其平均土壤侵蝕模數(shù)相對較低；而大于3 500 m高程帶主要以低矮的草甸為主，雖然坡度較高，但常年以低溫為主，加之凍土的作用，對水土流失起到了積極的保持作用。

由洱海流域不同高程帶的土壤侵蝕量（表3）可以看出，2 000～2 500 m高程帶其土壤侵蝕量占了土地總面積的70%左右，而2 500～3 000 m高程帶的土壤侵蝕量比例也遠(yuǎn)高于其他高程帶比例，因此，2 000 m～2 500 m高程帶是研究區(qū)土壤侵蝕治理的重點(diǎn)地區(qū)，2 500 m～3 000 m高程帶上的土壤侵蝕也應(yīng)引起重視。

由不同高程帶上土壤侵蝕強(qiáng)度等級的面積比例構(gòu)成（表4）可以看出，洱海流域不同海拔帶上的土壤侵蝕強(qiáng)度特征各異，各海拔帶上以微度、輕度侵蝕侵蝕強(qiáng)度等級占絕對比例（67%～97%），強(qiáng)度、極強(qiáng)度侵蝕以及劇烈侵蝕占的面積比例普遍偏低。此外，中度侵蝕在2 500～2 500 m以及2500～300 m高程帶上占一定比例，2 000～2 500 m以及2 500～ 3 000 m高程帶上極劇烈侵蝕的面積比例也較高。

3.2.2 土壤侵蝕的坡度分布特征 由洱海流域不同坡度帶的平均土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量（表5）可以看出：①研究區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈顯著正相關(guān)。其中，0°～6°坡度帶平均土壤侵蝕模數(shù)最低，屬微度侵蝕，6°～15°、15°～25°坡度帶屬強(qiáng)度侵蝕，>25°坡度帶屬于極強(qiáng)度侵蝕；②盡管15°～45°坡度帶占全縣面積的53%，其土壤侵蝕量卻占了總侵蝕量的78%以上。因此，15°～45°坡度帶是洱海流域土壤侵蝕防治的重點(diǎn)區(qū)域，其中，以15°～35°坡度帶上的土壤侵蝕治理最為關(guān)鍵。

由不同坡度帶土壤侵蝕強(qiáng)度等級面積比例構(gòu)成（表6）可以看出，不同土壤侵蝕強(qiáng)度等級在各坡度帶上均有分布，但其面積構(gòu)成有較大的差異：①0°～6°坡度帶上，微度侵蝕占絕對比重（87%），其他侵蝕強(qiáng)度等級比例較低；②6°～15°、15°～25°坡度帶仍以微度、輕度侵蝕為主（72%～80%），中度侵蝕、極劇烈侵蝕占了一定比例，其他侵蝕強(qiáng)度等級較低；③25°～35°、35°～45°、>45°坡度帶上的侵蝕強(qiáng)度等級比例分布特征基本相似，都以微度、輕度、中度侵蝕為主（76%～80%），強(qiáng)度、極劇烈侵蝕次之（13%～15%），其他侵蝕強(qiáng)度等級比例較低。

3.2.3 土壤侵蝕的土地利用類型分布特征 由洱海流域不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)（表7）可以看出，未利用土地的平均土壤侵蝕模數(shù)是其他土地利用類型的30倍以上（0除外）。同時(shí)，盡管未利用土地不足研究區(qū)土地面積的10%，其侵蝕量卻占到全縣土壤侵蝕總量的83%左右，林地、草地、水田與園地的土壤侵蝕量比例遠(yuǎn)小于其土地總面積比重，因此，未利用土地是研究區(qū)土壤侵蝕防治的重點(diǎn)土地利用類型。

由洱海流域不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度等級面積比例構(gòu)成（表8）可以看出：①林地、草地及園地以微度、輕度侵蝕為主（80%～83%），中度侵蝕也占一定比例（12%～14%），以及總面積比例不超過5%～6%的強(qiáng)度、極強(qiáng)度侵蝕，極少劇烈、極劇烈侵蝕（0.1%～3%）；②水田以微度侵蝕為主（58%），輕度（16%）、中度侵蝕（10%）次之，強(qiáng)度、極強(qiáng)度侵蝕也占一定比例（12%），其他侵蝕強(qiáng)度等級面積比例不足2%；③未利用土地分布在各個(gè)侵蝕強(qiáng)度等級，但以極劇烈侵蝕為主（54%），微度侵蝕次之（28%），其他侵蝕強(qiáng)度等級面積比例相差不大，均在1%～5%之間。

4 結(jié)論

采用RUSLE模型估算洱海流域年平均土壤侵蝕量，結(jié)果表明，洱海流域年平均土壤侵蝕模數(shù)為64.68 t/（hm2·a），屬強(qiáng)度侵蝕；而土壤侵蝕的空間特征表明，2 000～2 500 m高程帶、15°～45°坡度帶，以及未利用土地區(qū)域是研究區(qū)土壤侵蝕防治的重點(diǎn)地區(qū)，相關(guān)部門應(yīng)采取相關(guān)措施以減少土壤流失量。其中2 000～2 500 m高程帶的防治重點(diǎn)在于維持原生植被的自然演替、退耕還林還草，15°～45°坡度帶宜開展坡改梯、等高耕作等生物、工程措施以保持水土，未利用土地防治的基本方向則是積極引導(dǎo)其向有林地、草地等環(huán)境友好型土地利用/土地覆被類型的轉(zhuǎn)型[12]。

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