基于GIS和CSLE的土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)

樊彥國(guó)+韓志聰+李倩倩

摘要：為了解及評(píng)估山東省臨沂地區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀，在地理信息系統(tǒng)（geographic information system，簡(jiǎn)稱GIS）技術(shù)支持下，應(yīng)用中國(guó)土壤侵蝕方程（Chinese soil loss equation，簡(jiǎn)稱CSLE）模型，中分辨率成像光譜儀[moderate-resolution imaging spectroradiometer，簡(jiǎn)稱MODIS（250 m）]與航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪[shuttle radar topography mission，簡(jiǎn)稱SRTM（90 m）]影像，測(cè)量研究區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)降水量數(shù)據(jù)及土壤類型圖等數(shù)據(jù)，結(jié)合臨沂地區(qū)特征，定量估算了研究區(qū)土壤侵蝕量。結(jié)果表明：（1）研究區(qū)土壤的微度侵蝕占總面積的80.83%，輕度侵蝕占15.62%；（2）在地形起伏較大的山區(qū)、丘陵地帶存在非常明顯的中、強(qiáng)度侵蝕，土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在山區(qū)周圍，平原地區(qū)侵蝕強(qiáng)度較輕；（3）山區(qū)周圍的侵蝕以山腳為主，越往上的區(qū)域，侵蝕程度越低。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕；CSLE模型；GIS技術(shù)；臨沂地區(qū)；定量評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： S127；S157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0439-04

土壤侵蝕作為一場(chǎng)“蠕動(dòng)的災(zāi)難”，是當(dāng)今全球人類共同面臨的一種最普遍、持續(xù)性最強(qiáng)的地質(zhì)性災(zāi)害[1]。土壤侵蝕是指在地表內(nèi)外營(yíng)力和人為作用力的影響下，土壤顆粒及各種構(gòu)成等遭到破壞，包括剝離、輸移和沉積等全部過程[2]。山東省臨沂地區(qū)土壤侵蝕面積大、侵蝕模數(shù)高，尤其是低山丘陵區(qū)土壤侵蝕非常嚴(yán)重，是山東省土壤侵蝕的主要地區(qū)之一。自Meyer提出對(duì)土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)研究[3]以來，土壤侵蝕領(lǐng)域掀起了土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)模型的研究熱潮，國(guó)內(nèi)外學(xué)者投身于模型研究中，具有代表性的有USLE[4]/RUSLE[5-6]、WEPP/GeoWEPP[7-8]、LISEM[9]、CSLE[10]等，其中大部分模型都是在土壤流失模型（USLE）的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際問題修改形成的。CSLE是在USLE和RUSLE基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)特殊自然地理環(huán)境改進(jìn)后的適用于我國(guó)土壤侵蝕特征的土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)模型。

隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（geographic information system，簡(jiǎn)稱GIS）、遙感（remote sensing，簡(jiǎn)稱RS）等技術(shù)被廣泛應(yīng)用到土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)研究中，為模型因子的獲取提供了新途徑。程琳等利用CSLE模型和專題測(cè)圖儀（thematic mapper，簡(jiǎn)稱TM）數(shù)據(jù)對(duì)陜西省土壤侵蝕進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)[11]，孫禹等利用GIS技術(shù)對(duì)黑龍江省克山縣的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行了計(jì)算[12]，王凱等利用CSLE模型和高分辨率影像對(duì)孤山川流域土壤侵蝕進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)[13]。本研究在GIS技術(shù)支持下，借助CSLE模型，對(duì)山東省臨沂地區(qū)的土壤侵蝕量進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，并量化研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)、編制臨沂地區(qū)土壤侵蝕等級(jí)圖，為該地區(qū)土壤侵蝕的研究提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

臨沂地區(qū)位于山東省東南部，魯南與蘇北的交界處，地跨34°22′～36°13′N、117°24′～119°11′E，是山東省中南部低山丘陵區(qū)域東南部和山東東部丘陵區(qū)域南部的結(jié)合區(qū)域，地勢(shì)西北高東南低，為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為14.1 ℃，年均降水量為849 mm。土壤類型主要有潮土、褐土、淋溶褐土、棕壤、棕壤性土、潮褐土、潛育水稻土和砂姜黑土8種，其中棕壤性土占地面積最多，其次是淋溶褐土和潛育水稻土。地表土層淺薄、土質(zhì)疏松、夾雜土石大顆粒、土壤滲透性差、水土流失現(xiàn)象明顯。

2 研究方法

2.1 模型選擇與數(shù)據(jù)處理

2.2.2 土壤可蝕性因子K 土壤可蝕性因子K是指標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)內(nèi)單位降水量所引起的年土壤侵蝕率，是1個(gè)模擬試驗(yàn)值。它主要通過侵蝕動(dòng)力對(duì)土壤顆粒的分散、搬運(yùn)等來影響土壤侵蝕程度。在土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)中，土壤因子作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)與其他因子共同影響土壤侵蝕的全過程。研究表明，土壤的物理化學(xué)性質(zhì)及土壤中有機(jī)質(zhì)的含量對(duì)K值影響很大。

研究區(qū)的土壤主要為潮土、褐土、淋溶褐土、棕壤、棕壤性土、潮褐土、潛育水稻土和砂姜黑土。本研究根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查資料，參照門明新等研究方法[15]，計(jì)算研究區(qū)土壤可蝕性因子K。

2.2.3 坡長(zhǎng)、坡度因子LS 地形作為展現(xiàn)區(qū)域地勢(shì)走向的基本自然地理要素，對(duì)土壤侵蝕的形成和發(fā)展起著關(guān)鍵作用，在諸多表征地形特征的要素中，坡長(zhǎng)、坡度對(duì)土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展起著主要作用。

坡度因子S是任意坡度下單位面積土壤侵蝕量與同等條件下標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下單位面積土壤侵蝕量之比。坡長(zhǎng)因子L是指任意坡長(zhǎng)下單位面積土壤侵蝕量與同等條件下標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長(zhǎng)下單位面積土壤侵蝕量的比值。

（2）耕作措施因子T。本研究區(qū)為多山區(qū)，高差顯著、等高耕作是普遍采用的一種高效耕作措施。對(duì)研究區(qū)耕作措施因子的賦值計(jì)算主要考慮等高耕作，具體賦值方法以不同坡度條件下等高耕作減少的土壤侵蝕量確定[10]（表2）。

（3）工程措施因子E。E指在一定工程措施的土地上土壤侵蝕量與同等條件下連續(xù)休閑土地上的土壤侵蝕量之比，無量綱，取值0～1之間。本試驗(yàn)根據(jù)張憲奎等的研究[20]確定梯田、地埂、等高壟作的E值（表3）。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究結(jié)果

根據(jù)上述研究方法，分別計(jì)算出臨沂地區(qū)各因子值，繪制柵格圖（圖1）?；贏rcGIS柵格分析，利用CSLE模型計(jì)算研究區(qū)土壤侵蝕量，如圖2所示。根據(jù)水利部頒布的土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]，在ArcGIS中對(duì)土壤侵蝕圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與重分類得到研究區(qū)土壤侵蝕各等級(jí)面積比（表4）和研究區(qū)土壤侵蝕量與分類等級(jí)（圖2）。

3.2 結(jié)果分析

從圖2-a中可以直接看出研究區(qū)土壤侵蝕量最大值為212，最小值為0，平均值為42.96。不同強(qiáng)度的土壤侵蝕所占的面積比例差異顯著。將各圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖1-c中坡度值較低的區(qū)域?qū)?yīng)圖2-b中的微度侵蝕區(qū)，而圖1-c中坡度值高的區(qū)域?qū)?yīng)圖2-b中侵蝕程度較重的區(qū)域，說明坡度對(duì)土壤侵蝕程度影響較大。整個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在山區(qū)周圍，平原地區(qū)很少，分析原因可能是海拔較高，坡度較大，有利于侵蝕性徑流的形成，并且該地區(qū)的侵蝕狀況有惡化的趨勢(shì)；山區(qū)周圍的侵蝕又以山腳為主，越往上的區(qū)域，海拔越高，同時(shí)坡度較大，人為影響較小，侵蝕程度較低。因此，在日常的水土保持與土壤侵蝕治理工作中，山區(qū)周圍應(yīng)為重點(diǎn)治理區(qū)域。

綜上可知，研究區(qū)80%以上的土地處于微度土壤侵蝕狀態(tài)，即存在較明顯的土壤侵蝕現(xiàn)象；輕度侵蝕面積占比較大，已占研究區(qū)總面積的15.62%；在地形起伏較大的山區(qū)、丘陵地帶存在著非常明顯的中強(qiáng)度侵蝕。整體來說，研究區(qū)的土壤土質(zhì)已遭受全面破壞，如不及時(shí)采取有效的水土保持措施，微度土壤侵蝕將迅速大面積地轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，有效的土壤保持措施是緩解研究區(qū)土壤侵蝕以及避免侵蝕危害進(jìn)一步破壞的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

（1）山東省臨沂地區(qū)總體土壤侵蝕程度為輕度，且侵蝕

區(qū)主要集中在西北山區(qū)丘陵周圍，地形條件尤其是坡度對(duì)土壤侵蝕程度影響較大。

（2）通過對(duì)比臨沂市遙感普查土壤侵蝕面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果[22]，本研究與普查數(shù)據(jù)基本一致，研究區(qū)中部偏南，即臨沂市區(qū)輕度侵蝕有較大程度的擴(kuò)張。因此，本研究選用我國(guó)土壤侵蝕研究方程進(jìn)行臨沂地區(qū)土壤侵蝕的定量評(píng)價(jià)是可行的。

（3）本研究對(duì)各影響因子的提取、算法是科學(xué)可靠的，這對(duì)臨沂地區(qū)、沂蒙山區(qū)土壤侵蝕治理和水土保持工作，同時(shí)對(duì)研究山東省土壤侵蝕提供了可行的研究方案。

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