基于USLE模型的大小涼山地區(qū)土壤侵蝕定量研究

胡云華, 劉斌濤, 宋春風, 賀秀斌

(1.四川省第三測繪工程院, 四川 成都 610500; 2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041)

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基于USLE模型的大小涼山地區(qū)土壤侵蝕定量研究

胡云華1, 劉斌濤2, 宋春風2, 賀秀斌2

(1.四川省第三測繪工程院, 四川 成都 610500; 2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041)

[目的] 對四川省涼山地區(qū)土壤水力侵蝕狀況進行定量研究，為該區(qū)水土流失調查提供數(shù)據(jù)支持。 [方法] 利用四川省地理國情普查數(shù)據(jù)，基于對USLE模型的本土化研究成果進行分析和研究。 [結果] 涼山彝族自治州平均土壤侵蝕模數(shù)為1 207.67 t/(km2·a)，土壤侵蝕面積為15 221 km2，占該區(qū)土地總面積的25.19%。從空間分布上看其中金沙江沿岸是涼山彝族自治州土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū)，其次是安寧河流域和黑水河流域。 [結論] 涼山州目前水土流失面積較大，水土流失治理的形勢依然嚴峻。

大小涼山地區(qū); USLE; 土壤侵蝕

文獻參數(shù)： 胡云華, 劉斌濤, 宋春風, 等.基于USLE模型的大小涼山地區(qū)土壤侵蝕定量研究[J].水土保持通報，2016,36(4)：232-235.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.041

大小涼山地區(qū)由于植被破壞，暴雨集中等特點，成為中國水土流失特別嚴重的地區(qū)之一[1-2]，《四川省國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中明確要求要加強大小涼山水土保持及生物多樣性重點生態(tài)功能區(qū)建設。水土流失和生態(tài)環(huán)境修復問題是大小涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設的重中之重，但由于涼山州幅員面積較大，大部分地區(qū)屬于經濟欠發(fā)達，水土流失長期缺乏監(jiān)測資料，相關的水土流失研究工作也開展的很少[3-5]。為全面掌握四川省地理國情現(xiàn)狀，服務經濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設，四川省于2013年啟動第一次地理國情普查項目。本研究充分利用四川省地理國情普查成果，以涼山彝族自治州為研究區(qū)，在通用水土流失方程的基礎上，建立涼山州水土流失模型，為當?shù)厮亮魇д{查提供數(shù)據(jù)支持，也為基于地理國情數(shù)據(jù)開展水土流失監(jiān)測提供理論支持。

1　研究區(qū)概況

涼山彝族自治州位于四川省西南部，幅員面積6.04×104km2，境內以山地地貌為主，多為高山和中山，約占幅員面積的70%，山原次之，其余的山間谷地等不到總面積的10%。地勢西北高，東南低，起伏巨大，地勢最高點位于海拔5 958 m的木里縣恰朗多吉峰，最低點位于雷波縣大巖洞金沙江谷底305 m，相對高差達5 653 m。全區(qū)大部位于金沙江下游，該地區(qū)是中國水土流失極為嚴重的地區(qū)之一，當?shù)剌斏衬?shù)為金沙江和長江上游流域平均輸沙模數(shù)的4倍[6]。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)1∶5萬DEM數(shù)據(jù)為2000國家大地坐標系，空間分辨率25 m，1985國家高程基準，高斯—克呂格投影，6°分帶，數(shù)據(jù)成圖時間為2013年。2014年地表覆蓋分類數(shù)據(jù)基于融合后的涼山州2014年Landsat 8影像遙感解譯獲得，屬于“四川省地理省情監(jiān)測”數(shù)據(jù)成果，空間分辨率15 m，包含了耕地、林地、草地、水域濕地、建設用地及未利用地等6大地表覆蓋類型。涼山彝族自治州1∶100萬土壤類型圖來源于南京土壤所制作的全國1∶100萬土壤類型圖。涼山彝族自治州內及其周邊17國家氣象站1981—2014年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要用于涼山彝族自治州地區(qū)降雨侵蝕力的計算。

2.2土壤侵蝕模型

目前，土壤侵蝕的評價模型主要是基于通用土壤流失方程(USLE模型)衍生模型及其基于土壤侵蝕過程的物理模型，通用土壤流失方程是美國研制的用于農地和草地坡面多年平均土壤流失量的經驗型模型，該模型所依據(jù)的資料豐富，涉及區(qū)域廣，形式簡單，因而具有較強的實用性，并在世界范圍內得到推廣[7-8]。USLE模型在我國也已經取得廣泛的應用，由于中國西南地區(qū)的地理特殊性，劉斌濤等人對USLE模型的本土化進行了大量研究[9-11]。

本研究借助于涼山彝族自治州及周邊的相關研究成果和實測資料，基于劉斌濤等的研究成果[9-11]，得到涼山彝族自治州土壤流失方程：

A=M·R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A——年土壤流失量〔t/(km2·a)〕；M——修正因子，無量綱單位；R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；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；L，S，C，P均為無量綱單位。

2.2.1降雨侵蝕力因子R降雨侵蝕力因子是降雨導致土壤侵蝕發(fā)生的潛在能力。采用第一次全國水利普查水土保持專項普查使用的降雨侵蝕力估算方程，根據(jù)1981—2014年的逐日降水量資料，剔除日雨量小于12 mm的非侵蝕性降雨后，計算各氣象站多年平均月降雨侵蝕力并進行空間插值。此降雨侵蝕力估算方程由章文波等[12]提出的降雨侵蝕力估算模型改進而來，適用于我國的西南地區(qū)(圖1)。

(2)

(3)

α=21.239β-7.3967

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Rk——第k個月的降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h)〕； N——計算數(shù)據(jù)序列長度； M——第i年第k個月侵蝕性降雨的次數(shù)； Pdikj——第i年第k個月第j次侵蝕性降雨量(mm)，取日降雨量≥12mm作為侵蝕性降雨； α，β——模型參數(shù)，通過公式以上估算； Pd0——侵蝕性降雨的多年平均值(mm)； R——多年平均降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕。

圖1　涼山彝族自治州多年平均降雨侵蝕力分布

2.2.2土壤可蝕性因子K土壤可蝕性是反映土壤對降雨滲透能力及其對降雨和徑流剝蝕、搬運敏感程度的一個重要指標，是影響土壤流失的內在重要因素，K值的大小與土壤質地有較高的相關性。K值的求法主要有：直接測定、諾謨圖法、公式法。直接測定法可信度高但成本高。諾謨圖法需要的參數(shù)較多，而且有些參數(shù)的準確獲取相當困難；公式法簡單方便，本研究采用被廣泛用來進行K值計算的Williams等在EPIC[13]模型中的估算方法計算土壤可蝕性K值。

(8)

式中：Sa——粒徑0.05～2 mm沙粒的百分含量(%)；Si——粒徑0.002～0.05 mm粉砂的百分含量(%)；Ci——粒徑<0.002 mm黏粒的百分含量(%)；C——有機碳的百分含量(%)。

Sn=1-Sa/100

(9)

由于國外土壤可蝕性實測值與中國實測值之間存在明顯的差異，由EPIC模型計算的值通常要比實際的值偏大，因此國外關于土壤可蝕性估算的研究成果不能直接在我國使用。本研究采用張科利[14]實測研究成果(圖2)，修正的土壤可蝕性計算公式為：

Krejst=0.515 7Kepic-0.013 8

(R2=0.613，P=0.106)

(10)

圖2　涼山彝族自治州土壤可蝕性分布

2.2.3坡長坡度因子LS主要采用了楊子生等[15]根據(jù)云南昭通的實測資料發(fā)展和修正而來的模型計算坡長，其計算公式為：

(11)

式中：λ——坡長(m)；λ直接利用ArcGIS水文分析功能計算可得。

(12)

S因子，在坡度θ<10°的情況下，通用土壤流失方程的算法在在涼山彝族自治州也仍然可用。劉寶元[16]根據(jù)黃土高原綏德/安塞和天水試驗站的觀測資料建模，修正了10°以上坡度因子的計算方法，S=21.91 sin(θ)-0.96。但西南地區(qū)地形地貌有異于黃土高原，25°以上坡耕地廣泛存在。劉斌濤[9]基于西南土石山區(qū)典型區(qū)域的徑流小區(qū)資料，提出了10°～25°范圍和大于25°范圍的S因子修正公式，本研究基于其研究成果，建立涼山州坡度因子S的計算公式(圖3)。

(13)

式中：S——坡度因子；θ——坡度。

圖3　涼山彝族自治州坡長坡度因子分布

2.2.4地表覆蓋因子C與水土保持措施因子P本研究基于區(qū)域相似性，根據(jù)四川、重慶、云南地區(qū)已有的基礎種植植被類型C值的研究[17-19]結合野外調查單元水土保持措施資料(包括種植制度，植被蓋度、作物種類、土地利用)，確定涼山州各地表覆蓋類型C值經驗值(表1)。參考劉斌濤等[8]西南土石山區(qū)不同利用方式水平梯田P值研究成果，西南土石山區(qū)水田的P值為0.01，水旱輪作田的P值為0.052 8，涼山州水旱輪作比例較高，因此區(qū)水田P值為0.052 8，旱地水土保持措施因子P為0.136 2，園地P值為0.103 5。林地、草地、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水面無水土保持措施，P值取1，硬化地表房屋建筑用地和構筑物P值取0，部分硬化地表交通設施用地P值取0.2(圖4)。

圖4　涼山彝族自治州地表覆蓋和水土保持措施因子分布

編碼地表覆蓋類型CP0110水田0.10.05280120旱地0.450.13620200園地0.450.10350310喬木林0.021.000320灌木林0.051.000330其他林地0.101.000420沼澤草甸0.081.000430人工草地0.081.000440其他草地0.081.000500房屋建筑用地0.100.000600交通設施用地0.200.200700構筑物0.200.000800人工堆掘地1.001.000900荒漠與裸露地表1.001.001010水面0.001.00

2.2.5土壤侵蝕評價分級研究參照《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》將研究區(qū)土壤侵蝕進行分級：<500 t/(km2·a)為微度侵蝕；500～2 500 t/(km2·a)為輕度侵蝕；2 500～5 000 t/(km2·a)為中度侵蝕；5 000～8 000 t/(km2·a)為強度侵蝕；8 000～15 000 t/(km2·a)為極強度侵蝕；≥15 000 t/(km2·a)為劇烈侵蝕。

3　結果與分析

3.1涼山彝族自治州水土流失強度

調查結果表明，涼山彝族自治州平均土壤侵蝕模數(shù)為1 207.67 t/(km2·a)，平均已達到輕度侵蝕級別；在復雜地形條件下，涼山彝族自治州土壤侵蝕的潛在可能性很高，是土壤侵蝕的極度敏感區(qū)。涼山彝族自治州土壤侵蝕面積為15 221.15 km2，占土地總面積的25.19%，其中輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕的面積分別為：5 537，4 997，2 336，1 614和737 km2，分別占土地總面積的9.16%，8.27%，3.87%，2.67%，1.22%。當前涼山州水土流失面積較大，水土流失治理的形勢依然嚴峻。

3.2涼山彝族自治州土壤侵蝕空間分布

表2列出了涼山彝族自治州各縣(市)的土壤侵蝕強度等級面積數(shù)據(jù)。從表中可以看出，涼山彝族自治州各縣(市)中金陽縣的土壤侵蝕情況最為嚴重，其土壤侵蝕面積比例46.53%；其次為普格縣、美姑縣、布拖縣、甘洛縣、昭覺縣，土壤侵蝕面積占全縣國土面積的比例都在35%以上。水土流失面積最大的地區(qū)是鹽源縣，其次依次是會理縣、美姑縣和昭覺縣，水土流失面積都在1 000 km2以上。

圖5為涼山彝族自治州土壤侵蝕強度的空間分布格局。從圖5可以看出，金沙江沿岸(雷波、金陽、布拖、寧南、會東、會理)是涼山彝族自治州土壤侵蝕較為強烈的地區(qū)。同時，由于該地區(qū)也是金沙江下游重力侵蝕最為嚴重的地區(qū)之一[6]，在未來的治理過程中，應結合地質災害防治特點，推廣相應的坡面治理工程、溝道治理工程和泥石流灘地綜合利用等治理工程，有效防治水土流失。安寧河流域(喜德、冕寧、西昌、德昌)和黑水河流域(普格、寧南)，土壤侵蝕強度基本在輕度以上，地勢相對較緩，但農業(yè)生產發(fā)達，坡耕地廣泛分布，在未來治理過程中，應重視坡面防護及坡耕地水土保持。安寧河谷和鹽源盆地雖然耕地面積大，但由于地勢平坦，農業(yè)生產條件好，土壤侵蝕強度較低。涼山彝族自治州西部的木里和冕寧縣西部由于森林覆蓋度高，土壤侵蝕強度較低，該地區(qū)水土流失治理應以生態(tài)環(huán)境保護為主，盡量減少人類活動對地表的擾動。

圖5　涼山彝族自治州土壤侵蝕現(xiàn)狀圖

行政區(qū)劃行政面積/km2水蝕面積/km2水蝕面積比例/%各級土壤侵蝕面積/km2輕度中度強烈極強烈劇烈西昌市265590333.9929127617310657木里縣132539327.033033448995101鹽源縣8407169320.1372852425312364德昌縣228453723.50137204765664會理縣4522161635.7345645735730343會東縣322489027.592892832009621寧南縣166755733.40217177108478普格縣190583643.8924021421313237布拖縣168564338.1828421394448金陽縣158673846.532572713611857昭覺縣2699102237.8728035218512778喜德縣220573233.211722711289665冕寧縣442285719.3951822285266越西縣225771631.72268304784521甘洛縣215682038.06329301896537美姑縣2573108842.2744233413311464雷波縣293264221.8932625038198合計604321522125.195537499723361614737

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Soil Erosion Estimation in Liangshan Mountain Areas of Sichuan Province Based on USLE Model

HU Yunhua1, LIU Bintao2, SONG Chunfeng2, HE Xiubin2

(1.TheThirdSurveyingandMappingEngineeringInstituteinSichuanProvince,Chengdu，Sichuan610500,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China)

[Objective] The quantitative study of soil hydraulic erosion in Liangshan area of Sichuan Province was conducted to provide data support for the investigation of soil erosion in this area. [Methods] Data of geographic conditions in Sichuan Province were obtained from previous provincial investigation and then processed based on the localization research of USLE model. [Results] Annual average amount of soil erosion in Liangshan Region is 1 207.67 t/(km2·a). Soil erosion area is 15 221 km2, accounting for 25.19% of this area. Area around Jinsha River is the most serious soil erosion areas, followed by Anning River basin and Heishui River basin. [Conclusion] Soil erosion area is still large, and the situation of soil erosion is still grim in this place.

Liangshan mountain areas of Sichuan Province; USLE; soil erosion

2015-08-31

2015-11-03

四川省地理國情監(jiān)測工程技術研究中心開放基金項目“基于多源遙感影像數(shù)據(jù)的大小涼山地區(qū)森林資源動態(tài)監(jiān)測”(GC201507); 2014年度地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目(201419)

胡云華(1988—),男(漢族),四川省自貢市人,碩士研究生,助理工程師,主要從事地理信息系統(tǒng)與水土保持方面的研究工作。E-mail:huyunhua1@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0232-05

S157.1