耦合RUSLE和景觀阻力的北部灣流域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李 彪，盧 遠(yuǎn)，許貴林，何 文，蒙良莉

(1.廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院/北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)海洋研究院,廣西 南寧 530001)

?

耦合RUSLE和景觀阻力的北部灣流域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李 彪1，盧 遠(yuǎn)1，許貴林2，何 文1，蒙良莉1

(1.廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院/北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)海洋研究院,廣西 南寧 530001)

土壤侵蝕；RUSLE模型；景觀阻力；北部灣流域

以北部灣流域?yàn)檠芯繀^(qū)，考慮景觀阻滯作用進(jìn)行土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，采用遙感影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合RUSLE模型，計(jì)算得到北部灣流域的土壤侵蝕模數(shù)，利用土壤侵蝕影響強(qiáng)度和土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別表示土壤侵蝕對(duì)目標(biāo)水體的泥沙輸移風(fēng)險(xiǎn)和土壤流失風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果顯示：在北侖河流域的西北部、東南部地區(qū)，防城江流域的西北部地區(qū)和南流江流域的局部地區(qū)現(xiàn)狀土壤侵蝕較嚴(yán)重；土壤流失風(fēng)險(xiǎn)高的地方位于南流江流域(六萬(wàn)大山和大容山交界的局部區(qū)域)和鐵山港濱海平原盆地的西南部地區(qū)。

水土流失是全球性的重大環(huán)境問(wèn)題之一，嚴(yán)重的水土流失會(huì)導(dǎo)致土地資源破壞、土地生產(chǎn)力降低、洪澇干旱災(zāi)害加劇，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水質(zhì)和環(huán)境構(gòu)成很大威脅。為優(yōu)化水土資源利用和指導(dǎo)水土保持規(guī)劃，各國(guó)學(xué)者常采用預(yù)測(cè)估算的方法對(duì)土壤侵蝕量進(jìn)行研究。土壤侵蝕是一個(gè)受多種因素驅(qū)動(dòng)作用的自然過(guò)程，自然環(huán)境中景觀的作用對(duì)土壤侵蝕的影響很大。景觀是具有不同水土保持功能景觀單元的空間鑲嵌體，植被斑塊抑制土壤侵蝕，非植被斑塊促進(jìn)土壤侵蝕的發(fā)生和泥沙的輸移過(guò)程?；谏鲜鲈恚狙芯狂詈蟁USLE模型和景觀阻力對(duì)土壤侵蝕的影響，模擬了土壤侵蝕強(qiáng)度，將植被覆蓋度和地形坡度作為景觀阻滯作用的兩個(gè)因素，定量表征了北部灣流域的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究區(qū)概況

北部灣位于我國(guó)南海的西北部，地理坐標(biāo)為北緯21°24′20″～22°01′20″、東經(jīng)107°56′30″～109°40′00″，是由中國(guó)的廣西沿海、廣東雷州半島、海南西部，以及越南的東北部所圍成的天然半封閉淺水海灣[1]。研究區(qū)為我國(guó)廣西北部灣流域，包括欽江流域、大風(fēng)江流域、防城江流域、黃竹江流域、南流江流域、九曲江流域、北侖河流域等。該區(qū)土地總面積23 277.8 km2，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，全年陽(yáng)光充足，雨量充沛，年均氣溫22.0～23.4 ℃，年均降水量1 297～3 512 mm；山地、丘陵、盆地組合分布，地形起伏較大；屬喀斯特地區(qū)，石漠化嚴(yán)重，不合理的人類活動(dòng)導(dǎo)致土壤流失加??；植被覆蓋度較高，生物多樣性豐富；土壤類型主要有紅壤、赤紅壤、紫色土等。

2 研究方法

基于RS與GIS 技術(shù)，在合理計(jì)算各土壤侵蝕影響因子的基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)北部灣流域土壤侵蝕現(xiàn)狀，并以此為基礎(chǔ)研究景觀阻力與土壤侵蝕的關(guān)系。

2.1 土壤侵蝕量計(jì)算

考慮到研究區(qū)石漠化狀況嚴(yán)重，在RUSLE模型中引入石漠化因子，與其他因子結(jié)合計(jì)算土壤侵蝕量。加入石漠化因子的RUSLE模型計(jì)算公式為

A=RKLSCP(1-ω)

(1)

式中：A為年平均土壤侵蝕量，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·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為地形因子；C為植被與作物管理因子；P為水土保持措施因子；ω為石漠化因子。

(1)降雨侵蝕力因子R。R值與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、雨滴大小、雨滴下降速度等有關(guān)，它反映了降雨對(duì)土壤的潛在侵蝕能力[2]。采用章文波等[3]提出的利用日雨量數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力的方法，即根據(jù)半月內(nèi)日雨量不小于12 mm的降雨記錄，計(jì)算半月降雨侵蝕力、多年平均半月降雨侵蝕力、多年平均年降雨侵蝕力，然后利用普通克里金法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值計(jì)算，得到研究區(qū)的降雨侵蝕力分布圖。

(2)土壤可蝕性因子K。K值是用于反映不同類型的土壤在相同條件下抗侵蝕能力的指標(biāo)[4]。采用Williams 等建立的侵蝕-生產(chǎn)力影響模型EPIC中土壤可蝕性的計(jì)算方法[5]，得到研究區(qū)的K值。

(3)地形因子LS。地形因子是坡度和坡長(zhǎng)因子的總稱，利用坡度因子L和坡長(zhǎng)因子S作為地形復(fù)合因子值表示給定坡度和坡長(zhǎng)情況下的土壤流失量比率。根據(jù)劉斌濤等[6]提出的南方土石山區(qū)土壤侵蝕方程修正算法編寫AML語(yǔ)言，在ArcGIS 10.0的workstation中實(shí)現(xiàn)地形因子的提取。

(4)植被與作物管理因子C。利用研究區(qū)Landsat TM遙感影像，計(jì)算該地區(qū)的歸一化植被指數(shù)(NDVI)值，根據(jù)像元二分模型原理[7]計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度，并參考USLE手冊(cè)和張巖等[8-10]關(guān)于C值的研究成果，結(jié)合植被覆蓋度圖和土地利用類型圖計(jì)算研究區(qū)的C值。

(5)水土保持措施因子P。水土保持措施因子是指在其他條件相同的情況下，布設(shè)水保措施的坡耕地土壤侵蝕量與無(wú)任何水保措施的坡耕地土壤侵蝕量的比值[11-12]，它反映了水土保持措施對(duì)土壤侵蝕的抑制作用。根據(jù)研究區(qū)的土地利用類型判斷，并采取賦值定量的方法表示。P值介于0～1之間，即：P=0，表示該地區(qū)采取了相應(yīng)的水土保持措施使得土壤侵蝕量為0；P=1表示該地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，并沒(méi)有采取水土保持措施抑制土壤侵蝕的發(fā)生。

(6)石漠化因子?？紤]到研究區(qū)石漠化現(xiàn)狀，對(duì)石漠化因子進(jìn)行量化作為土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)因子參與計(jì)算。在RUSLE模型中引入石漠化因子ω，使評(píng)價(jià)結(jié)果更貼近喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的客觀實(shí)際。本研究通過(guò)研究區(qū)TM影像計(jì)算得到基巖裸露率并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，確定研究區(qū)的ω值。

2.2 耦合景觀阻力的土壤侵蝕量預(yù)測(cè)

(1)潛在土壤流失風(fēng)險(xiǎn)。潛在土壤流失風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算公式[13]為

(2)

式中：Lij為第i行第j列柵格單元的潛在土壤流失風(fēng)險(xiǎn)；b為曲線參數(shù)，按照坡面產(chǎn)沙量和植被覆蓋度的關(guān)系計(jì)算出坡面產(chǎn)沙量，再利用土壤流失量與坡面產(chǎn)沙量的關(guān)系建立回歸曲線y=e-bx；cij為第i行第j列柵格單元的植被覆蓋度。

(2)景觀阻力。在給定的景觀位置，植被覆蓋度和坡度是影響土壤流失的主要地表因素，因此植被覆蓋度和坡度的結(jié)合可表征景觀阻力(rij)，即景觀對(duì)泥沙輸移的阻滯作用，其計(jì)算公式為

(3)

式中：rij為第i行第j列柵格單元的景觀阻力；Sij為第i行第j列柵格單元的坡度；其余符號(hào)意義同上。

(3)土壤侵蝕影響強(qiáng)度。在土壤侵蝕過(guò)程中，單個(gè)柵格產(chǎn)生的泥沙進(jìn)入水體的可能性與其遇到的阻力有關(guān)，可用泥沙運(yùn)移路徑上的土壤流失風(fēng)險(xiǎn)表示，即泥沙每經(jīng)過(guò)一個(gè)柵格均會(huì)產(chǎn)生土壤流失風(fēng)險(xiǎn)，某柵格上產(chǎn)生的泥沙進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)是泥沙到水體的路徑上所經(jīng)過(guò)柵格產(chǎn)生的土壤流失風(fēng)險(xiǎn)之和[14]。利用單流向算法(假定每個(gè)柵格的水只流向相鄰柵格中最低的一個(gè))，可用FL(r)表示某柵格上泥沙輸移過(guò)程中受到的阻滯作用，土壤侵蝕過(guò)程中某柵格對(duì)目標(biāo)水體的泥沙輸出強(qiáng)度取決于該柵格上產(chǎn)生泥沙的強(qiáng)度(即侵蝕強(qiáng)度)與泥沙沿著水流路徑輸出至河道的風(fēng)險(xiǎn)(與水流加權(quán)路徑長(zhǎng)度成反比)，則土壤侵蝕影響強(qiáng)度I的計(jì)算公式為

(4)

式中：I為土壤侵蝕影響強(qiáng)度，無(wú)量綱；A為平均土壤流失量，t/(hm2·a)；FL(r)為某柵格上泥沙向河道輸送過(guò)程中受到的阻滯作用。

(4)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。就北部灣流域而言，劉宇等[14]的研究結(jié)果表明，流域的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(LI)與平均植被覆蓋度、景觀阻力、流域輸沙模數(shù)有顯著的指數(shù)回歸關(guān)系，說(shuō)明LI能很好地描述景觀特征下的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此本研究選用LI來(lái)表征流域的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式為

(5)

式中：LI為土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，其值介于0～1之間，數(shù)值越小表示土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)越小，數(shù)值越大表示土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)越大；Lcal為沿水流方向的逐步累積匯流算法計(jì)算的景觀滲透值；Lmin、Lmax分別為最小和最大景觀滲透值；k為土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)與植被覆蓋度回歸曲線的斜率。

3 結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)實(shí)與潛在土壤侵蝕量

基于ArcGIS平臺(tái)，將RUSLE模型6個(gè)因子圖層統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為同一坐標(biāo)系下的30 m×30 m像元大小的柵格圖層，利用柵格計(jì)算器將各圖層相乘，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007)得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖。研究區(qū)現(xiàn)實(shí)、潛在土壤侵蝕量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕主要是微度和輕度侵蝕，分別占到研究區(qū)總面積的62.13%和20.13%，強(qiáng)烈侵蝕以上面積較少，僅占11.85%；潛在土壤侵蝕則以劇烈侵蝕為主，占到總面積的58.12%，表明在地理環(huán)境和人為因素的影響下，研究區(qū)土壤侵蝕程度將呈明顯加劇趨勢(shì)?？臻g分布：現(xiàn)狀土壤侵蝕，北侖河流域的西北部、東南部地區(qū)，以及防城江流域的西北部地區(qū)和南流江流域的局部地區(qū)土壤侵蝕較嚴(yán)重，其余大部分地區(qū)屬于微度、輕度侵蝕；潛在土壤侵蝕，除了鐵山港濱海平原盆地區(qū)屬于輕度和微度侵蝕，其余絕大多數(shù)地區(qū)為劇烈侵蝕。將現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量相減，即得到植被覆蓋和水土保持措施對(duì)土壤侵蝕的影響。

表1 研究區(qū)現(xiàn)實(shí)和潛在土壤侵蝕量 t/a

3.2 流域景觀阻力與土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)

研究區(qū)現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕影響強(qiáng)度較低的地方主要位于欽江流域的東北部和西南部、鐵山港濱海平原盆地(六萬(wàn)大山一帶)、南流江流域東北部區(qū)域(大容山山脈一帶)，這些地區(qū)原生植被保存相對(duì)完整，植被覆蓋度較高，而且地形坡度較小，泥沙輸移過(guò)程中遇到的阻滯作用較大，土壤侵蝕程度較弱。潛在土壤侵蝕影響強(qiáng)度較高的地方主要位于北侖河流域、防城江流域的西北部，以及南流江流域東北部的山區(qū)，這些地方普遍地形坡度較大，容易誘發(fā)土壤侵蝕。

景觀阻滯作用受到多種因素的影響，主要影響因素是植被覆蓋度和坡度，即坡度越大、植被覆蓋度越低，景觀阻滯作用越小。在北侖河流域、欽江流域、大風(fēng)江流域、九州江流域的大部分地區(qū)和南流江流域的中部地區(qū)，由于植被覆蓋度較高，泥沙運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中景觀阻滯作用增大，泥沙輸移的可能性減小，因此在很大程度上減輕了土壤侵蝕。在鐵山港濱海平原盆地和南流江流域的北部，坡耕地大量分布并且植被覆蓋度低，是北部灣流域劇烈侵蝕的集中分布區(qū)。

圖1為研究區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布情況。由圖1可以看出，研究區(qū)大部分地區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LI值較低，如十萬(wàn)大山山脈、六萬(wàn)大山山脈等地區(qū)；LI值較高的地方主要位于南流江流域(六萬(wàn)大山和大容山交界的局部區(qū)域)及鐵山港濱海平原盆地的西南部地區(qū)。根據(jù)土地利用調(diào)查結(jié)果，具有較高土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LI值的區(qū)域土地利用類型主要為耕地、建設(shè)用地或植被覆蓋度較低地類，這些地區(qū)泥沙輸移過(guò)程中所受的阻力小，更容易被輸送到水體中，因此土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)更高。

圖1 北部灣流域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布

4 結(jié) 論

(1)采用RUSLE模型進(jìn)行研究區(qū)土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)時(shí)，充分考慮廣西北部灣流域土壤侵蝕特點(diǎn)，以及喀斯特巖溶地區(qū)土壤侵蝕的特殊性、復(fù)雜性，引入石漠化因子ω對(duì)RUSLE模型進(jìn)行修正，有助于更加準(zhǔn)確地反映北部灣流域土壤侵蝕現(xiàn)狀和分布特征。

(2)現(xiàn)狀土壤侵蝕在北侖河流域的西北部、東南部地區(qū)，以及防城江流域的西北部地區(qū)和南流江流域的局部地區(qū)比較嚴(yán)重；潛在土壤侵蝕除了鐵山港濱海平原盆地區(qū)，其余絕大多數(shù)地區(qū)屬于劇烈侵蝕。

(3)考慮到植被覆蓋度和地形坡度兩個(gè)因素對(duì)土壤侵蝕的影響，計(jì)算了北部灣流域景觀對(duì)泥沙輸移的阻滯作用(土壤侵蝕影響強(qiáng)度)，以及整個(gè)北部灣流域的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)高的地方位于南流江流域(六萬(wàn)大山和大容山交界的局部區(qū)域)，以及鐵山港濱海平原盆地的西南部地區(qū)。耦合RUSLE模型和景觀阻力的作用可以更準(zhǔn)確地計(jì)算北部灣流域的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。

(4)結(jié)合RUSLE模型和景觀阻力對(duì)北部灣流域進(jìn)行土壤侵蝕評(píng)價(jià)，得出的結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的土壤侵蝕狀況定性結(jié)果對(duì)比，基本符合該地區(qū)的實(shí)際。但研究中還存在一些不足，比如在土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算過(guò)程中土壤類型分布圖的分辨率較低，統(tǒng)計(jì)資料不夠完善，以及地形因子計(jì)算公式的適用性問(wèn)題，此外在景觀阻力的應(yīng)用過(guò)程中沒(méi)有考慮地表水分條件、植被冠層結(jié)構(gòu)特征等對(duì)景觀阻滯作用造成的影響，再有就是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)景觀指數(shù)與土壤流失量的定量研究，這些問(wèn)題有待進(jìn)行更深入的研究。

[1] 蘇志,余緯東,黃理,等.北部灣海岸帶的地理環(huán)境及其對(duì)氣候的影響[J].氣象研究與應(yīng)用,2009,30(3):44-47.

[2] 陸建忠,陳曉玲,李輝,等.基于GIS/RS和USLE鄱陽(yáng)湖流域土壤侵蝕變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(2):337-344.

[3] 章文波,謝云,劉寶元,等.中國(guó)降雨侵蝕力空間變化特征[J].山地學(xué)報(bào),2003,21(1):33-40.

[4] 姚妤.基于RUSLE和景觀安全格局研究——以甘肅省甘南藏族自治州迭部縣為例[J].水土保持通報(bào),2011,31(3):161-167.

[5] Wischmeier W H,Johnson C B,Cross B V.A soil erodibility nomograph farm land and construction sites[J].Journal of Soil and Water Conservation,1971,26(5):189-193.

[6] 劉斌濤,宋春風(fēng),史展,等.西南土石山區(qū)土壤流失方程坡度因子修正算法研究[J].中國(guó)水土保持,2015(8):33-35.

[7] 李苗苗.植被覆蓋度的遙感估算方法[D].北京:中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,2002:45-49.

[8] 程琳,楊勤科,王春梅,等.基于GIS和CSLE的陜西省土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)方法研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(5):61-66.

[9] 李銳,楊勤科,趙永安.水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀與問(wèn)題[J].中國(guó)水土保持,1999(11):31-33.

[10] 張巖,劉寶元,史培軍,等.黃土高原土壤侵蝕作物覆蓋因子計(jì)算[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21(7):1050-1056.

[11] 蔡崇法,丁樹(shù)文,史志華,等.應(yīng)用 USLE 模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI 預(yù)測(cè)小流域土壤侵蝕量的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(2):19-24.

[12] 范萌萌.基于USLE的圖們江流域土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)[D].長(zhǎng)春:東北師范大學(xué),2010:27-31.

[13] Borselli L,Cassi P,Torri D.Prolegomena to sediment and flow connectivity in the landscape:A GIS and field numerical assessment [J].Catena,2008,75(3):268-277.

[14] 劉宇,吳炳方,曾源,等.耦合過(guò)程和景觀格局的土壤侵蝕水環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2013,24(9):2581-2589.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015GXNSFAA139234)

S157.1

A

1000-0941(2016)10-0053-04

李彪(1992—)，男，山西呂梁市人，在讀碩士，研究方向?yàn)镚IS與RS在水土保持中的應(yīng)用；通信作者盧遠(yuǎn)(1971—)，男，廣西南寧市人，教授，博士，主要從事生態(tài)遙感與土壤侵蝕研究工作。

2016-01-11