基于GIS和RUSLE烏裕爾河流域土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)*

鄂立思，孫 麗，李 苗，李 瑩

(哈爾濱師范大學(xué);黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引言

土壤侵蝕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，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(yùn)和沉積的現(xiàn)象［1］.土壤侵蝕破壞土地資源，造成淤積、干早、洪澇等災(zāi)害，引起生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重地威脅著人類的生存和發(fā)展.東北松嫩平原黑土丘陵漫崗區(qū)是我國的六大水力侵蝕區(qū)之一［3］，由于黑土區(qū)獨(dú)特的土壤地理環(huán)境和人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，它已經(jīng)變成了中國潛在侵蝕危險(xiǎn)的地區(qū)［4］.近年來，黑土的侵蝕退化問題得到了政府、科學(xué)家甚至農(nóng)民的普遍重視.

關(guān)于土壤侵蝕的研究大多是基于土壤流失方程，近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者將 USEL/RUSLE與GIS的結(jié)合來估算土壤侵蝕及其空間分布.烏裕爾河流域是黑土丘陵漫崗區(qū)典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，水土流失較嚴(yán)重，運(yùn)用GIS結(jié)合修正通用水土流失方程(RUSLE)，對(duì)烏裕爾河流域的土壤侵蝕進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，分析土壤侵蝕現(xiàn)狀以及其與坡度和土地利用的關(guān)系，以期為該區(qū)生態(tài)退耕、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)、開展水土保持等政府宏觀決策行為提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

烏裕爾河是嫩江水系的一級(jí)支流，發(fā)源于黑龍江省北安市小興安嶺西麓山區(qū)，干流流經(jīng)黑龍江省北安、克山、克東、依安、富裕等市縣，最終流入扎龍濕地，中上游海拔高度145～410 m，流域面積12475.9 km2.本流域位于松嫩平原西部大陸性季風(fēng)盛行區(qū)，年降水量為496.7 mm，年蒸發(fā)量為1110～1780 mm，年內(nèi)降水分布極為不均勻，主要集中在汛期6～9月份，占全年降水量的80%.地貌波狀起伏、丘崗錯(cuò)落，主要土壤為黑土、草甸黑鈣土、潛育草甸土、暗棕壤、草甸沼澤土及沼澤土，富含有機(jī)質(zhì)，適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn).由于土地的過度開墾和其它不合理利用，該流域?qū)λ亮魇置舾校?］.

1.2 數(shù)據(jù)獲取

該研究采用的數(shù)據(jù)主要包括2010年Landsat/TM影像，1:10萬地形圖，經(jīng)過幾何精校正和影像解譯，形成土地利用/覆被數(shù)據(jù)，根據(jù)研究目的、研究區(qū)狀況及數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，制定了耕地、林地、草地、水域、居民地、沼澤濕地、未利用地7類一級(jí)類及16個(gè)二級(jí)類的土地利用分類體系.30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖幅拼接和格式處理轉(zhuǎn)換，用以提取坡度坡長因子.降雨量數(shù)據(jù)使用烏裕爾河流域內(nèi)及臨近縣市11個(gè)氣象觀測(cè)點(diǎn)的逐月降水?dāng)?shù)據(jù).土壤數(shù)據(jù)來自1:100萬的中國土壤類型圖，結(jié)合全國第二次土壤普查及相關(guān)研究，獲取研究區(qū)土壤類型矢量數(shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 模型選擇

通用土壤流失方程(RUSLE)是目前最常用的估算土壤侵蝕的模型方法之一，在世界很多地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用［5］.黑龍江省水土保持研究所于1985年－1992年在黑龍江省的克山和賓縣進(jìn)行土壤侵蝕徑流小區(qū)的試驗(yàn)研究［6］，獲得了適合東北黑土區(qū)的一些因子算法，并經(jīng)過徑流小區(qū)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，驗(yàn)證了因子取值的合理性.因此，本文應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)在烏裕爾河流域進(jìn)行土壤侵蝕量的估算具有良好的研究基礎(chǔ).RUSLE的模型表達(dá)式是由6個(gè)因子連乘的形式組成:

式中:A為年土壤流失量，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;L和S分別為坡度因子和坡長因子，無量綱;C為植被與經(jīng)營管理因子，無量綱;P為水土保持措施因子，無量綱.

2.2 RUSLE各因子的確定

2.2.1 降雨侵蝕力因子R值的估算

該文采用FAO建立的通過修訂Fournier指數(shù)求算R值的方法［7］，該方法既考慮年降水總量，又考慮降水的逐月分布，數(shù)據(jù)較容易獲取，其公式為:

式中:i是月份;Pi是月降水量;P是年降水量.然后建立R與該指數(shù)的關(guān)系為:

式中:a、b取決于氣候條件.根據(jù)研究區(qū)流域氣候條件與世界其他地區(qū)的類似分析，a與b的取值分別4.17和–152.利用烏裕爾河流域內(nèi)及臨近的共11個(gè)雨量站近5年的年平均降雨量和各月平均降雨量，根據(jù)公式(3)，推算出各站點(diǎn)的降雨侵蝕力，在Arcgis中利用普通克里金插值法進(jìn)行降雨侵蝕力的插值計(jì)算，得到研究區(qū)降雨侵蝕力R值空間分布圖(所圖1所示).

圖1 烏裕爾河流域降雨侵蝕力因子R值插值圖

2.2.2 土壤可蝕性因子K值的估算

土壤可蝕性因子K值反映出土壤被降雨侵蝕力分離、沖勢(shì)和搬運(yùn)的難易程度.根據(jù)1∶100萬土壤類型分布圖，歸并出烏裕爾河流域的土壤大類型有黑土、黑鈣土、草甸土、暗棕壤和水稻土.

高德武［8］等相關(guān)研究試驗(yàn)區(qū)設(shè)在本文研究區(qū)內(nèi)的克山縣，因此參考相關(guān)K值，近似確定出研究區(qū)的土壤類型可蝕性因子K值，取黑土K值為0.2283，黑鈣土K值為0.2306，草甸土K值為0.2942，暗棕壤K值為 0.2733，水稻土K值為0.2721.

2.2.3 地形因子(LS)的獲取

地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響集中表現(xiàn)在坡長與坡度兩方面，一般用坡長(L)與坡度(S)因子估算地形因素對(duì)土壤侵蝕的影響.張憲奎［6］等以克山為試驗(yàn)區(qū)，推導(dǎo)出全省LS因子的計(jì)算公式:

式中:λ為坡長(m);θ為坡度(°);m為坡長指數(shù)，取值為0.18;n為坡度指數(shù)，取值為1.3.

在GIS環(huán)境中，坡長坡度LS因子的具體實(shí)現(xiàn)是以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，利用柵格計(jì)算器，根據(jù)上述公式獲得地形因子LS的柵格圖.

2.2.4 植被與經(jīng)營管理因子C的獲取

植被覆蓋和經(jīng)營管理因子C值是表示在其他條件相同情況下，耕作農(nóng)地上土壤流失量與同等條件下適時(shí)翻耕的連續(xù)休閑對(duì)照地上的土壤流失量之比，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用等.取值范圍在0～1，C值的取值主要與植被覆蓋和土地利用類型有關(guān).根據(jù)烏裕爾河流域土地利用現(xiàn)狀及植被覆蓋度的調(diào)查結(jié)果，參考我國學(xué)者張憲奎［6］和蔡崇法［9］求取C值所做工作，獲得該次項(xiàng)目中不同土地利用類型的年平均C值見表1.

表1 烏裕爾河流域C值

2.2.5 水土保持措施P值獲取

它的值是有水土保持措施與沒有水土保持措施時(shí)土壤流失量的比值，一般在0～1.當(dāng)?shù)孛鏇]有任何措施時(shí)P等于1，水土保持措施得當(dāng)時(shí)P等于0，基本沒有土壤侵蝕發(fā)生.本研究由于沒有設(shè)小區(qū)實(shí)驗(yàn)，主要參照美國農(nóng)業(yè)部手冊(cè)703號(hào)和解譯出的土地利用現(xiàn)狀圖及相關(guān)的文獻(xiàn)［6，9，10］，得出研究區(qū)水土保持措施因子P值，研究區(qū)水田多為水平梯田，其P值取0.03，旱地?fù)?jù)野外考察居多是坡耕地，其P值取0.352;其他自然植被區(qū)和用地類型，P值取1.

2.3 土壤侵蝕量的計(jì)算

在GIS軟件支持下，將獲取的各個(gè)因子圖進(jìn)行連乘柵格運(yùn)算，得到土壤侵蝕量圖.根據(jù)SL190－96的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)，結(jié)合烏裕爾河流域的實(shí)際情況，進(jìn)一步將輕度侵蝕分為輕 Ⅰ 型侵蝕(侵蝕模數(shù)(200～800)t/(km2·a))，輕Ⅱ型侵蝕(侵蝕模數(shù)(800～1500)t/(km2·a))，輕Ⅲ型侵蝕(侵蝕模數(shù)(1500～2500)t/(km2·a)).運(yùn)用ArcGIS對(duì)柵格土壤侵蝕量進(jìn)行重分類，合并在同一級(jí)別的柵格，得到2010年坡面土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖(如圖2所示).

圖2 烏裕爾河流域土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 烏裕爾河流域土壤侵蝕現(xiàn)狀

根據(jù)2010年土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表2)，烏裕爾河流域土壤侵蝕總面積10387 km2，占土地總面積的85.25%.除極強(qiáng)度侵蝕外，從輕度侵蝕到強(qiáng)度侵蝕，侵蝕面積隨強(qiáng)度等級(jí)的增加而減少，其中輕度侵蝕面積8116.16 km2，占土地總面積的65.05%，中度侵蝕面積為1394.82 km2，占土地總面積的 11.2%，強(qiáng)度侵蝕面積為495.2 km2，占土地總面積的 3.96%，極強(qiáng)度侵蝕面積為291.85 km2，占土地總面積的2.34%.

烏裕爾河流域以輕度侵蝕為主，其面積占侵蝕總面積的78.14%，進(jìn)一步分析可以看出，輕Ⅰ型侵蝕占烏裕爾河流域總面積的32.61%，占全區(qū)土壤侵蝕總面積的39.17%，占輕度侵蝕面積的50.13%;輕Ⅱ型侵蝕占烏裕爾河流域總面積的 19.57%，占全區(qū)土壤侵蝕總面積的23.51%，占輕度侵蝕面積的30.09%，說明整個(gè)烏裕爾河流域以輕Ⅰ型侵蝕和輕Ⅱ型侵蝕為主.

3.2 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

從表3可以看出，烏裕爾河流域土壤侵蝕主要集中在旱田，面積為10444.51 km2，占輕度土壤侵蝕面積的97.2%，草地及其他土地利用類型所占比例為2.8%，水田所發(fā)生的輕度侵蝕極少，只有0.26 km2.中度侵蝕也以旱田為主，其次為未利用地.強(qiáng)度與極強(qiáng)度侵蝕也是以旱田為主，但土壤侵蝕面積明顯減少，未利用地中中度以上土壤侵蝕的面積是除旱地以外最大的.林地、草地和居民地以輕度侵蝕為主.

表2烏裕爾河流域2010年土壤侵蝕面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 烏裕爾河流域不同土地利用類型土壤侵蝕狀況統(tǒng)計(jì) km2

3.3 土壤侵蝕的坡度分異特征

基于DEM提取研究區(qū)坡度數(shù)據(jù)，并按照0～3°、3 ～ 8°、8 ～ 15°、15 ～ 30°和 ＞ 30°對(duì)坡度進(jìn)行重分類，與研究區(qū)土壤侵蝕圖進(jìn)行疊加分析，求得烏裕爾河流域不同坡度下不同土壤侵蝕強(qiáng)度的侵蝕面積.從圖3可以看出，烏裕爾河流域輕度侵蝕在0～3°坡度時(shí)的侵蝕面積為4824.71 km2，在3－8°坡度時(shí)侵蝕面積為 3256.81 km2，在0－15°坡度范圍內(nèi)，輕度侵蝕面積呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì);中度侵蝕在3～8°坡度時(shí)的侵蝕面積為1071.47km2，達(dá)到中度侵蝕最大面積，在8 ～15°坡度范圍內(nèi)侵蝕面積呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì);輕度侵蝕和中度侵蝕在坡度達(dá)到15°時(shí)侵蝕面積趨近于0.強(qiáng)度侵蝕和極強(qiáng)侵蝕，在坡度為8～15°時(shí)達(dá)到最大侵蝕面積，分別為485.18 km2和205.87 km2.由此可以得出烏裕爾河流域坡度大于8°的土地利用類型是產(chǎn)生強(qiáng)度侵蝕的源區(qū).因此，當(dāng)坡度大于8°時(shí)，應(yīng)該盡量減少坡耕地?cái)?shù)量，發(fā)展林業(yè).而對(duì)于坡度低于8°的地區(qū)，雖然侵蝕強(qiáng)度為輕度，但是侵蝕面積卻很大，對(duì)于旱地應(yīng)實(shí)行等高耕作等措施.

圖3 烏裕爾河流域不同坡度級(jí)土壤侵蝕面積

4 結(jié)束語

該文基于GIS平臺(tái)，結(jié)合RUSLE模型，通過合理的選取模型中土壤侵蝕因子的計(jì)算方法，評(píng)估了烏裕爾河流域的土壤侵蝕狀況，為該區(qū)域的土壤侵蝕治理提供一定的依據(jù).

(1)從侵蝕狀況來看，烏裕爾河流域土壤侵蝕面積10387 km2，占土地總面積的85.25%.說明研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)都受到不同程度的土壤侵蝕，但以輕度侵蝕為主，輕度侵蝕面積8116.16 km2，占土地總面積的65.05%，中度侵蝕面積為1394.82 km2，占土地總面積的11.2%，強(qiáng)度侵蝕以上占研究區(qū)總面積的6.3%，面積較小.

(2)從土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布來看，全區(qū)均有土壤侵蝕發(fā)生，且輕度侵蝕集中連片分布，而中度以上侵蝕主要集中在坡度較大區(qū)域.

(3)從土地利用類型與土壤侵蝕強(qiáng)度的關(guān)系來看，旱地所發(fā)生的土壤侵蝕最為嚴(yán)重，面積最大，林地和草地主要以輕度侵蝕為主，未利用地侵蝕程度主要集中于中度侵蝕以上.

(4)從土壤侵蝕的坡度分異特征來看，在0～15°坡度范圍內(nèi)，輕度侵蝕面積最大，隨坡度增大呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì);中度侵蝕在3～8°坡度時(shí)的侵蝕面積為1071.47 km2，達(dá)到中度侵蝕最大面積;強(qiáng)度侵蝕和極強(qiáng)侵蝕，在坡度為8～15°時(shí)達(dá)到最大侵蝕面積，分別為485.18 km2和205.87 km2.

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