基于GIS和RS的小流域土壤侵蝕時(shí)空變化研究
——以三川河為例

劉陽，閆雙堆，任倩

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

基于GIS和RS的小流域土壤侵蝕時(shí)空變化研究
——以三川河為例

劉陽，閆雙堆，任倩

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

快速獲取和監(jiān)測小流域土壤侵蝕的時(shí)空變化是綜合治理和改善生態(tài)環(huán)境狀況的重要研究內(nèi)容。以三川河為研究區(qū)，結(jié)合遙感和地理信息系統(tǒng)為主要方法，采用RUSLE經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瞳@取土壤侵蝕模數(shù)，并結(jié)合子流域和自然環(huán)境對(duì)小流域尺度下黃土高原區(qū)小流域土壤侵蝕狀況進(jìn)行研究。結(jié)果表明，1990—2010年，三川河流域整體土壤侵蝕狀況逐步變好，土壤侵蝕強(qiáng)度正在沿著劇烈—極強(qiáng)烈—強(qiáng)烈—中度—輕度—微度的方向轉(zhuǎn)變；子流域的研究結(jié)果表明，中度以下的土壤侵蝕主要分布在東川河和北川河流域的東部山區(qū)，強(qiáng)度以上的侵蝕主要分布在三川河的干流區(qū)域；土地覆蓋分布的關(guān)系表明，1990—2010年土壤侵蝕主要發(fā)生在草地及未利用地區(qū)域。

土壤侵蝕；時(shí)空變化；遙感；地理信息系統(tǒng)

近年來由于土壤侵蝕問題導(dǎo)致的自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)全球環(huán)境變化的危害日益嚴(yán)重，已成為當(dāng)代科學(xué)研究的首要內(nèi)容[1]。黃土高原區(qū)位于我國的中西部地區(qū)，是我國最大的土壤侵蝕區(qū)域，嚴(yán)重的土壤侵蝕導(dǎo)致了研究區(qū)社會(huì)屬性和自然屬性之間的矛盾日益尖銳[2]。小流域是通過土壤侵蝕來改善生態(tài)環(huán)境狀況的基本單元，本研究選取三川河為研究區(qū)，如何快速地獲取和監(jiān)測該流域的土壤侵蝕，對(duì)研究黃土高原區(qū)小流域的生態(tài)環(huán)境的急劇惡化和改善具有重要的意義[3]。

在100 a來土壤侵蝕的研究中，隨著研究手段的不斷豐富、研究范圍和內(nèi)容的不斷擴(kuò)大和深入，人們對(duì)土壤侵蝕的認(rèn)識(shí)也越來越深入。常用的土壤侵蝕的研究方法主要分為傳統(tǒng)土壤侵蝕模型、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型和物理過程模型。其中，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型最早是由MILLER[4]于20世紀(jì)初提出來的。后來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，WISCHMEIER等[5-9]于1978年提出USLE模型，并在1997年綜合考慮土壤可蝕性因子、降雨侵蝕力因子、作物經(jīng)營管理因子、地形和水土保持因子等5大因子，將USLE模型進(jìn)行修正為RUSLE模型，并迅速發(fā)展。

本研究采用三川河周圍站點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)、第2次土壤調(diào)查數(shù)據(jù)、ASTER-GDEM高程數(shù)據(jù)和TM影響數(shù)據(jù)，并以此作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取RUSLE模型的降雨量侵蝕因子、土壤可蝕性因子、坡度坡長因子、植被管理措施因子和水土保持因子。然后通過ArcGIS的柵格計(jì)算器對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，得到研究區(qū)1990，2010年的土壤侵蝕狀況分布圖。最后利用TM影像通過遙感解譯獲取土地利用覆蓋圖，利用ASTER-GDEM通過ArcGIS的水文分析獲取三川河子流域，并分別研究了土壤侵蝕與不同土地覆蓋和子流域下的分布狀況。

1 研究區(qū)概況

三川河位于山西省呂梁市境內(nèi)，由北川、東川、南川匯流而成，故名三川河。河道全長176 km，入黃口高程624 m，流域面積4 161 km2。三川河流域位于暖溫帶的半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱少雨多風(fēng)沙，夏秋季較炎熱多雨，冬季寒冷干旱。流域內(nèi)氣候呈現(xiàn)降雨量地域分布不均勻的主要特征，全流域多年平均降雨量497 mm，集中在6—9月，約占總降雨量的74%。流域內(nèi)因水土流失嚴(yán)重導(dǎo)致土地貧瘠、植被稀少、農(nóng)業(yè)水平發(fā)展較低[10]。因每年都有大量的泥沙輸入黃河干道，被列為全國水土保持8個(gè)重點(diǎn)治理流域之一[11]。

根據(jù)三川河流域和地貌特征，將其劃分為三川河干流、南川河支流、東川河支流和北川河支流等4個(gè)水文小區(qū)[11]（圖1）。

2 數(shù)據(jù)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源和預(yù)處理

通過地理空間數(shù)據(jù)云下載研究區(qū)1990，2010年的Landsat 4-5，并在ENVI 5.0中對(duì)TM數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、幾何校正、影像拼接和裁剪等預(yù)處理，然后利用監(jiān)督分類和波段運(yùn)算獲取研究區(qū)的土地利用覆蓋和植被覆蓋度，最后獲取RUSLE模型中的植被管理措施因子C和水土保持因子P。在地理空間數(shù)據(jù)云中獲取ASTER-GDEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中利用RUSLE_LS_4_PC.AML方法獲取坡度坡長因子LS；最后通過日降雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法，在中國氣象局的科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載三川河附近的中國地面資料國際交換站的氣象數(shù)據(jù)，得到1990，2010年的降雨量數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取降雨量侵蝕因子，經(jīng)過克里格插值后裁剪得到三川河流域的氣象侵蝕因子R；利用諾模方程和EPIC（侵蝕/生產(chǎn)力）方程提取小流域K值，并通過我國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載第2次全國土壤調(diào)查的土壤數(shù)據(jù)，在ArcGIS中利用柵格計(jì)算器的方法計(jì)算得到1990，2010年的土壤侵蝕模數(shù)。

2.2 研究方法

2.2.1 RUSLE模型本研究采用WISCHMEIER等[5]的RUSLE模型獲取土壤侵蝕。

式中，A為年均土壤流失量（t/（hm2·a）），R為年均降雨侵蝕因子（（MJ·mm）/（hm2·h·a）），K為土壤可蝕性因子（（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm）），LS為DEM獲取的坡度坡長因子，C為年植被覆蓋與管理因子，P是年水土保持措施因子。

2.2.2 RUSLE模型中各因子值的確定

2.2.2.1 降雨侵蝕力因子R的獲取本研究采用土壤侵蝕調(diào)查中常用的日降雨量計(jì)算降雨侵蝕力估算模型[12-13]。

式中，M表示以15 d為時(shí)間段的侵蝕力值（（MJ·mm）/（hm2·h·a））；α和β為待定參數(shù)。章文波等[14]將全年劃分為24個(gè)半月時(shí)段，其中，K為半月的15 d，要求半月內(nèi)j日降雨量大于等于12 mm，如果小于12 mm以0計(jì)算；最后匯總可以得到需要的年侵蝕力值。

式中，Py12和Pd12分別是日降雨量大于等于12 mm的年平均降雨量和日平均雨量。

2.2.2.2 坡度坡長因子LS的獲取地形變化作為小流域內(nèi)土壤侵蝕狀況分布的主要影響因素，主要體現(xiàn)在坡度、坡長，其中，坡度越來越陡，水流越來越快，土壤潛在侵蝕力越來越高；坡長越來越長，表面匯水面積越來越大，土壤侵蝕越來越嚴(yán)重。本研究采用的是華盛頓大學(xué)HICKEY等[15-16]提供的基于ARCINFO下的AML代碼獲取的LS。通過地理空間數(shù)據(jù)云中下載三川河流域的ASTER-GDEM數(shù)據(jù)，在Arc Workstation中利用相關(guān)代碼獲取30 m×30 m的坡度坡長因子LS。

2.2.2.3 土壤可侵蝕性因子K的獲取本研究利用第2次全國土壤調(diào)查的1∶400萬比例的土壤圖，采用的是EPIC（侵蝕/生產(chǎn)力）影響模型。

式中，SAN表示沙土的含量，%；SIL表示粉沙的含量，%；SLA表示黏土的含量，%；C表示有機(jī)碳的含量，%；SN1＝1－SAN/100。

2.2.2.4 植被覆蓋與管理因子C的獲取本研究采用的是蔡崇法等[17]提出的植被管理與措施因子模型。

式中，當(dāng)植被覆蓋度f≥78.3%時(shí)，認(rèn)為土壤侵蝕為0，C值為0；當(dāng)f＝0時(shí)，土壤侵蝕為標(biāo)準(zhǔn)狀況，C值為1。

2.2.2.5 水土保持措施因子P的獲取P是指水土保持措施實(shí)施后對(duì)土壤侵蝕的抑制作用，其值反映的是采用特定水土保持措施下治理后的土壤侵蝕狀況與未實(shí)施任何水保措施的關(guān)系。目前，P值范圍介于0～1，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來估算，未采取任何水保措施地區(qū)取值1，不發(fā)生侵蝕的地區(qū)取值0。本研究在結(jié)合三川河實(shí)際情況的基礎(chǔ)上參考一些學(xué)者的研究成果[18-20]，確定出不同土地利用覆蓋的P值如表1所示。

表1 水土保持措施因子

2.2.3 柵格計(jì)算和土壤侵蝕等級(jí)圖的生成在ArcGIS10.0中，首先建立Geodatabase數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理降雨量、土壤可蝕性和坡度坡長等土壤侵蝕因子，利用數(shù)據(jù)管理中的投影和變換工具統(tǒng)一上述因子坐標(biāo)為蘭伯特投影，然后將因子重采樣為30 m× 30 m的柵格圖像，最后用柵格計(jì)算器進(jìn)行疊加相乘，并根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SLI90—2007》對(duì)三川河流域土壤侵蝕狀況進(jìn)行劃分侵蝕等級(jí)，獲得三川河流域土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布圖（圖2）。

3 三川河流域土壤侵蝕特征及其空間分布

3.1 土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化特征

根據(jù)1990，2010年2期土壤侵蝕類型圖，在ArcGIS10.0中運(yùn)用空間分析的功能，獲取三川河流域20 a來的土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣（表2）。

為了分析主導(dǎo)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化的過程，基于對(duì)土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣的分析上，建立土壤侵蝕轉(zhuǎn)換模型。

表2 1990，2010年三川河流域土壤侵蝕狀況轉(zhuǎn)移面積km2

式中，S表示土壤侵蝕類型，i表示轉(zhuǎn)變的土壤侵蝕類型，j表示轉(zhuǎn)變后的土壤侵蝕類型，Lij為土壤侵蝕類型i轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥狼治g類型j的面積。根據(jù)公式（7）計(jì)算出土壤侵蝕轉(zhuǎn)換概率矩陣（表3）。

表3 三川河流域1990，2010年土壤侵蝕轉(zhuǎn)換概率矩陣%

土壤侵蝕動(dòng)態(tài)度不僅可以從定量的角度描述區(qū)域土壤侵蝕變化的速度，而且還對(duì)比較土壤侵蝕變化的區(qū)域差異以及預(yù)測未來土壤侵蝕變化的趨勢都具有一定的作用。

單一土壤侵蝕類型動(dòng)態(tài)度指的是研究區(qū)內(nèi)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土壤侵蝕類型的面積變化情況。

式中，M為研究時(shí)段內(nèi)某一土壤侵蝕類型動(dòng)態(tài)度；Aa為研究期初某一種土壤侵蝕類型的面積；Ab為研究期末某一種土壤侵蝕類型的面積；T為研究時(shí)段，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，M值就是該研究區(qū)某種土壤侵蝕類型的年變化率。根據(jù)公式（8）計(jì)算出三川河流域土壤侵蝕類型的年變化率如表4所示。

由表2～4可知，三川河流域20 a來的土壤侵蝕變化過程，總體上研究區(qū)內(nèi)整體土壤侵蝕狀況為中度，該區(qū)土壤侵蝕狀況較差，從表2可以看出，其中土壤侵蝕強(qiáng)度模數(shù)0～2 500 t/（km2·a）的輕度侵蝕面積1990，2010年分別占到了56.99%和57.62%，是主要的侵蝕類型，此外該侵蝕類型空間分布主要位于研究區(qū)的低山丘陵地區(qū)，由于該地區(qū)的植被覆蓋度好，人口稀少，生態(tài)狀況優(yōu)。其次是土壤模數(shù)2 500～5 000 t/（km2·a）的中度侵蝕，這種侵蝕類型極易轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度以上的侵蝕，在1990，2010年所占比例分別是17.64%和15.76%，有所回落，但仍然要引起足夠的重視。最后是5 000～15 000 t/（km2·a）的強(qiáng)度類型以上的土壤侵蝕，所占比例1990，2010年均達(dá)到了25%左右，此種侵蝕主要位于流域的三川河干流內(nèi)，行政區(qū)位于柳林縣，由于人為砍伐森林等非點(diǎn)源侵蝕活動(dòng)和大型基礎(chǔ)建設(shè)或開礦等點(diǎn)源或線源侵蝕形式，導(dǎo)致該區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重且不易恢復(fù)。

3.2 不同土地覆蓋與土壤侵蝕狀況

土壤侵蝕狀況惡劣最主要的影響因素是由于人類對(duì)土地覆蓋類型的不合理開發(fā)和利用等活動(dòng)。在ArcGIS 10.0中，對(duì)三川河的土壤侵蝕狀況分級(jí)圖與1990，2010年的土地覆蓋圖進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)疊加分析，獲取了不同土地覆蓋類型包括林地、耕地、水域、城鎮(zhèn)用地、草地及其未利用地的土壤侵蝕空間分布特征（表5，6）。

表5 1990年土壤侵蝕強(qiáng)度在不同土地覆蓋下的分布狀況

表6 2010年土壤侵蝕強(qiáng)度在不同土地覆蓋下的分布狀況

從表5，6中可以看出，研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕類型面積隨土地利用類型的變化而改變，耕地是土壤侵蝕發(fā)生的主要地帶，侵蝕面積占總面積的比例1990，2010年分別為44.49%和38.40%，2010年相對(duì)于1990年而言，所占面積有所降低；此外，草地及未利用地也是土壤侵蝕的主要地帶，2010年該地帶的土壤侵蝕狀況（34.26%）較1990年（23.46%）有所加重；而水域和城鎮(zhèn)的土壤侵蝕狀況較小。

從土壤侵蝕類型的分布來看，微度侵蝕類型主要分布在林地和耕地地帶，所占侵蝕面積在1990，2000年分別占到了82.51%和68.79%，耕地作為人類活動(dòng)最多的地類，各類侵蝕面積均最大，其中以輕度到強(qiáng)烈侵蝕為主，強(qiáng)烈以上的侵蝕除了耕地之外就是草地及未利用地的侵蝕面積最大，主要是由于該地區(qū)的植被覆蓋度較低，破壞嚴(yán)重容易造成水土流失，同時(shí)該地類也是土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)度最高的地類，是以后水土保持工作中應(yīng)特別注意的地類。

3.3 不同子流域的土壤侵蝕狀況

表7 1990，2010年三川河流域及其子流域的土壤侵蝕總體狀況

按照三川河流域的自然地理環(huán)境和地質(zhì)地貌條件，將流域分為三川河干流、南川河支流、東川河支流和北川河支流的土壤侵蝕類型區(qū)，并且根據(jù)不同子流域的土壤侵蝕的特征和程度，計(jì)算整個(gè)流域分區(qū)的土壤侵蝕總體狀況（表7）和面積分布情況（表8，9）。

從表7～9可以看出，土壤侵蝕狀況最好是東川河和北川河支流的東部山區(qū)，最差的是三川河干流。通過統(tǒng)計(jì)分析得知，1990年總流域的平均侵蝕模數(shù)為4 709.31 t/（km2·a），2010年總流域的平均侵蝕模數(shù)為4 070.94 t/（km2·a），同比下降了13.6%，說明經(jīng)過多年的水土保持治理，環(huán)境得到了很好的改善，其中，變化最大的是三川河干流子流域，從1990年的8 407.26 t/（km2·a）下降到2010年的6 918.47 t/（km2·a），降低了1 488.79 t/（km2·a），平均每年減少74.44 t/（km2·a），年變化率為0.89%。雖然該區(qū)的土壤侵蝕狀況下降幅度最大，但仍然位于強(qiáng)度以上的侵蝕范圍，水土保持狀況非常惡劣，是重點(diǎn)治理的地區(qū)之一。

表8 1990年子流域土壤侵蝕狀況

表9 2010年子流域土壤侵蝕狀況

4 結(jié)論

本研究以土壤學(xué)、水土保持學(xué)和地理學(xué)為基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，選擇ArcGIS 10.0為軟件平臺(tái)，用遙感和地理信息系統(tǒng)的方法對(duì)三川河流域1990，2010年的土壤侵蝕狀況時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，并結(jié)合土地覆蓋類型和子流域?qū)ρ芯繀^(qū)的土壤侵蝕狀況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，20 a間三川河流域整體土壤侵蝕狀況較小，主要的侵蝕類型為中度侵蝕以下的侵蝕類型，所占面積均超過了70%，且主要分布在植被覆蓋高，人口較少的東部山區(qū)，主要位于方山縣和離石區(qū)縣域內(nèi)。而強(qiáng)度類型以上的土壤侵蝕所占比例達(dá)到了25%左右，此種侵蝕主要位于流域的三川河干流內(nèi)，行政區(qū)位于柳林縣，該區(qū)由于人為砍伐森林等非點(diǎn)源侵蝕活動(dòng)和大型基礎(chǔ)建設(shè)或開礦等點(diǎn)源或線源侵蝕形式，導(dǎo)致該區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重且不易恢復(fù)。總結(jié)轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕強(qiáng)度正沿著劇烈—極強(qiáng)烈—強(qiáng)烈—中度—輕度—微度的方向逐漸轉(zhuǎn)好，說明經(jīng)過20 a的治理，三川河流域的水土保持狀況正在逐步變好。

本研究獲取了研究區(qū)20 a來土壤侵蝕強(qiáng)度在不同土地覆蓋類型和子流域下的分布狀況，結(jié)果表明，土地利用類型為草地及未利用等地區(qū)是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)，從子流域上看土壤侵蝕狀況最小的是東川河和北川河流域的東部山區(qū)，最大的是三川河干流，雖然20 a間該區(qū)的土壤侵蝕狀況有大幅改變，但仍然位于強(qiáng)度以上的侵蝕范圍，水土保持狀況非常惡劣，是重點(diǎn)治理的地區(qū)之一。

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Study on Temporal and Spatial Variation of Soil Erosion in Small Watershed Based on GIS and RS—Taking Sanchuanhe River as a Case

LIUYang，YANShuangdui，RENQian
（College ofResources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

An important research content offast acquisition and monitoringthe temporal and spatial variation ofsoil erosion in small watershed is the comprehensive management and improve the ecological environment.This paper takes Sanchuanhe River as the research area,meantime using remote sensing and geographic information system as the main method,combining the RUSLE empirical model obtain the modulus of soil erosion,and sub basin and the natural environment to carry out research on small watershed scale of small watershed in the Loess Plateau area of soil erosion.The results show that the overall situation of soil erosion in Sanchuanhe River basin from 1990 to 2010 gradually changes for the better.The intensity of soil erosion is changing from severe to extremely strong-intense-moderate-mild-micro.The sub basin shows that soil erosion is the best of Dongchuan River and the Beichuan River basin in the eastern mountain area,the worst is the mainstream of Sanchuanhe.From 1990 to 2010,soil erosion mainly occurrs in the altitude in the land use types ofgrassland and unused areas.

soil erosion;temporal and spatial variation;RS;GIS

S157

A

1002-2481（2017）04-0606-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.29

2016-11-23

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（20142-22）

劉陽（1992-），男，陜西寶雞人，在讀本科生，研究方向：農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。閆雙堆為通信作者。