基于RUSLE的大通河流域土壤侵蝕估算研究

沈晨++萬大娟++尹輝++楊龍++周慧++熊玲

摘要：對大通河流域的土壤侵蝕進行估算和定量評價，以期為該流域的水土保持和生態(tài)環(huán)境保護工作提供科學合理的依據(jù)?；谛拚耐ㄓ猛寥懒魇Х匠蹋≧USLE），運用遙感和地理信息技術，對大通河流域土壤侵蝕狀況進行估算，并探討了不同土地利用類型和不同坡度下土壤侵蝕的差異性。結果表明，大通河流域土壤侵蝕總面積為12 683.66 km2，占流域總面積的83.83%，年均侵蝕模數(shù)為6 274.76 t/km2。侵蝕強度整體表現(xiàn)為微度侵蝕和輕度侵蝕。土壤侵蝕主要集中在草地，侵蝕面積占比高達55.50%，灌木林次之。在0～25°坡度范圍內(nèi)，侵蝕面積隨著坡度的增大呈先增加后逐漸減少的趨勢，但在>25°時達到最大侵蝕面積。微度侵蝕主要發(fā)生在0～10°坡度范圍內(nèi)，中度以上侵蝕等級的侵蝕面積均在>25°坡度范圍時達到最大值。林草過牧濫伐、城鎮(zhèn)無序擴張等不合理的人類活動是引起土壤侵蝕的主要原因，適度控制人類活動、提高植被覆蓋率，是流域內(nèi)今后土壤侵蝕治理及水土流失防治的重點。

關鍵詞：土壤侵蝕；修正的通用土壤流失方程；估算；大通河流域

中圖分類號：S157.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）08-1453-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.08.014

Study on Estimating Soil Erosion in Datong River Basin Based on RUSLE

SHEN Chen1，WAN Da-juan1，YIN Hui2，YANG Long3，ZHOU Hui2，XIONG Ling1

（1.Collge of Resources and Environment Science， Hunan Normal University， Changsha 410081，China；2.Department of Tourism，Huizhou University，Huizhou 516007，Guangdong，China；3.Qinghai Province Key Laboratory of Phycical Geography and Environment Process，Qinghai Normal University，Xining 810008，China）

Abstract： The soil erosion in Datong River basin was estimated and quantitatively evaluated in order to provide a scientific and rational basis for soil and water conservation and environmental protection of the basin. Based on the revised universal soil loss equation（RUSLE）， supported by remote sensing and geographical information system techniques， the situation of soil erosion in Datong River basin was estimated， and the differences in soil erosion under different land use types and different slope was discussed. The results showed that the erosion area in Datong River basin was 12 683.66 km2， accounting for 83.83% of the total basin area， and the annual mean soil erosion modulus was 6 274.76 t/km2. The erosion intensity was overall dominated by micro and slight degree erosion. Soil erosion was mainly concentrated in the grassland， whose erosion area accounting was up to 55.50%， followed by shrubbery. In the range of 0～25° slope， the soil erosion area increase with the increase of slope gradient until to a certain value， after which the erosion area decreased， but reaching the maximum value when the slope gradient greater than 25°. The micro degree erosion occurs mainly in the range of 0～10° slope， and the area of moderate erosion and above all reached the maximum value when the slope gradient greater than 25°. Irrational human activities， such as excessive deforestation， overgrazing and urban sprawl were the main cause of soil erosion. And to moderately control human activities and to improve vegetation coverage were the focus of future water loss and soil erosion prevention in Datong River basin.

Key words： soil erosion； revised universal soil loss equation； estimation； Datong River basin

土壤侵蝕是土壤及其母質(zhì)在水力、風力、凍融、重力等外力作用下被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程，是當今人類面臨的一種普遍、持續(xù)性強的地質(zhì)災害[1]。流域內(nèi)的土壤侵蝕會帶來一系列嚴重后果，極易造成土地資源的破壞，增加河流輸沙量，造成河流水量和水質(zhì)的變化，最終引起生態(tài)環(huán)境惡化。大通河是黃河的二級支流，湟水河的一級支流，發(fā)揮著涵養(yǎng)水源及調(diào)控黃河源生態(tài)系統(tǒng)的重要作用。近年來，由于人類活動的強烈干擾，加之該流域獨特的土壤地理環(huán)境，導致其土壤侵蝕程度不斷加劇，迫切需要對流域內(nèi)土壤侵蝕進行科學的估算和評價，為水土流失防治提供依據(jù)。

定量評估區(qū)域土壤侵蝕、分析土壤侵蝕空間分布特征是防治區(qū)域水土流失的基礎[2]。傳統(tǒng)的土壤侵蝕分析及預測方法需要大量的時間及人力物力投入，為有效開展土壤侵蝕預測及水土保持防治工作，國內(nèi)外學者結合各自所在地區(qū)的實際情況提出了不同的預報模型，如美國的WEEP[3]（Water erosion prediction project）、歐洲的EUROSEM[4]（European soil erosion model）、荷蘭的LISEM[5]（Limburg soil erosion model）等。修正的通用土壤流失方程[6]（Revised universal soil loss equation，RUSLE）是基于通用土壤流失方程[7]（USLE）所提出，針對USLE模型中的不足加以重新評估，使其具有更高的準確度和更強的實用性，是目前國內(nèi)外應用最廣泛的土壤侵蝕模型。近年來，國內(nèi)學者將該模型廣泛地應用在中國土壤侵蝕和水土流失的預測及治理工作中，取得了豐碩的成果[8，9]。在借鑒前人經(jīng)驗的基礎上，基于修正的通用土壤流失方程（RUSLE），依據(jù)大通河流域的現(xiàn)狀選擇合理的方法計算RUSLE中各個因子值，運用遙感和地理信息技術，對大通河流域的土壤侵蝕進行估算和定量評價，以期為該流域的水土保持和生態(tài)環(huán)境保護工作提供科學合理的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

大通河位于青藏高原東北部，發(fā)源于青海省天峻縣托勒南山，流域范圍介于98°30′-103°15′E， 36°30′-38°25′N之間，流域面積15 130 km2，干流全長560.7 km，自西北向東南依次流經(jīng)青海省的天俊、祁連等11個縣（區(qū)），與湟水匯合后最終注入黃河，是華熱藏族地區(qū)最大的河流之一。大通河流域深居西北內(nèi)陸，冬長夏短，氣候嚴寒，冰凍期較長，屬典型的大陸高原性氣候，年平均降水量300～600 mm，年內(nèi)降水主要集中在6～9月，占年降水量的70%左右，10月至翌年5月為旱季[10]。地勢總體西北高、東南低，海拔在2 122～5 232 m之間；流域內(nèi)的地貌類型主要有冰蝕構造高山、侵蝕構造中山、構造剝蝕低山丘陵、冰川冰水堆積臺地及堆積平原[11]；主要土地利用類型有建筑用地、林地、灌木林、草地、旱地、裸地、水域等，主要土壤類型有高山石質(zhì)土、山地棕褐土、黑鈣土、栗鈣土、草甸土、沼澤土等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用的數(shù)據(jù)有1993～2012年大通河流域及其周邊共5個氣象站點的月降雨量，來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)氣候資料月值數(shù)據(jù)集；大通河流域30 m×30 m分辨率數(shù)字高程模型（DEM）；2011年美國陸地衛(wèi)星Landsat/TM影像，空間分辨率為30 m×30 m；土壤數(shù)據(jù)選自青海省土壤圖，來自第二次土壤普查；土地利用數(shù)據(jù)選自青海省2010年土地利用現(xiàn)狀圖。

2 研究方法

對大通河流域土壤侵蝕量估算研究采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE），該方程全面地考慮了自然要素對土壤侵蝕的作用機制，并綜合體現(xiàn)在降雨侵蝕力、土壤可蝕性等多個不同的因子上，具有較強的科學性和廣泛的實用性。其一般表達式為：

A=R×K×L×S×C×P

式中，A為年土壤侵蝕量（t/km2）；R為年降雨侵蝕力因子（MJ·mm/hm2·h）；K為土壤可蝕性因子[t·h/（MJ·mm）]；L為坡長因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子（L、S、C、P均無量綱）。

2.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力是降水及其產(chǎn)生的徑流所具有的引起土壤侵蝕的潛在能力，是土壤的水蝕動力[12]，其因子（R）與降雨量、降雨強度、降雨歷時、雨滴的大小以及雨滴下降速度有關，但由于降雨過程等資料實地監(jiān)測和數(shù)據(jù)獲取難度較大，因而國內(nèi)外學者提出了各種基于降雨量指標計算R的簡易算法[13，14]。采用FAO通過改進Fournier[15]提出的流域降雨侵蝕力指數(shù)的方法來計算R，該方法綜合考慮了年降水量和逐月降水量，且數(shù)據(jù)獲取較為容易。其表達式如下：

F=■■

式中，pi為第i月降雨量，p為年降雨量。建立R與該指數(shù)的線性關系式：

R=a×F+b （1）

式中，R為降雨侵蝕力因子，a、b為常數(shù)，其數(shù)值取決于氣候條件。根據(jù)大通河流域的氣候條件以及國內(nèi)外其他相似地區(qū)的類比分析，確定a與b的取值分別為4.17和-152。選取大通河流域及其周邊5個站點1993～2012年的降雨數(shù)據(jù)，通過各個站點的年降雨量及各月降雨量，利用關系式（1）計算R。

根據(jù)多年平均R計算結果，通過對不同插值法的比較分析，在ArcGIS中選取精度較高的反距離權重法進行插值，得到流域降雨侵蝕力因子的空間分布圖。

3 結果與分析

3.1 大通河流域土壤侵蝕現(xiàn)狀分析

由表3可知，大通河流域土壤侵蝕總面積為12 683.66 km2，占流域總面積的83.83%，年均侵蝕模數(shù)為6 274.76 t/km2。從輕度侵蝕到劇烈侵蝕， 其面積分別為4 914.48、3 229.24、1 450.57、872.82、952.11、1 264.44 km2，占流域侵蝕總面積比分別為38.75%、25.46%、11.44%、6.87%、7.51%、9.97%，侵蝕面積先逐漸減少，后有小幅度增加。流域內(nèi)侵蝕整體表現(xiàn)為以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，二者侵蝕面積占比高達64.21%；中度等級以上侵蝕面積共4 539.94 km2，占侵蝕總面積比例為35.79%，其中劇烈侵蝕主要集中在流域下游及環(huán)流域邊緣的裸地分布區(qū)，侵蝕面積所占比例為9.97%。

3.2 大通河流域土壤侵蝕隨土地利用類型的分布特征

不同土地利用類型對土壤侵蝕的影響主要表現(xiàn)在植被覆蓋度、植被類型及水土保持措施等因子的差異上。根據(jù)大通河流域不同土地利用類型下土壤侵蝕面積統(tǒng)計結果（表4），土壤侵蝕主要集中在草地，侵蝕面積為7 039.44 km2，占流域侵蝕面積比高達55.50%，從大通河流域土地利用構成上看，草地是流域內(nèi)主要的土地利用類型，加之盲目挖金采藥、過度放牧導致的草場退化，可能是造成流域內(nèi)土壤侵蝕面積集中在草地的原因。灌木林侵蝕面積為2 512.34 km2，僅次于草地，占侵蝕總面積的19.81%。雖然侵蝕面積大，但由于灌木林和草地植被覆蓋度高，因此土壤侵蝕總量并不大。建筑用地和水域的侵蝕面積極少，僅分別占流域侵蝕總面積的0.45%、0.76%。裸地侵蝕面積占比為12.51%，由于植被覆蓋度低，缺乏完善的水土保持措施，該區(qū)域也是土壤侵蝕的主要地帶。

3.3 大通河流域土壤侵蝕隨坡度的分布特征

坡度是影響土壤侵蝕的主要因子之一，不同地形起伏下的土壤侵蝕面積和強度呈現(xiàn)出一定的差異性。根據(jù)大通河流域不同坡度下土壤侵蝕面積的統(tǒng)計（表5），在0～25°坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增大，各坡度范圍的侵蝕面積分別為1 704.90、2 652.56、 2 051.97、1 625.87、1 274.37 km2，侵蝕面積呈先增加后逐漸減少的趨勢，在>25°坡度范圍內(nèi)的侵蝕面積達到最大值3 369.75 km2。在0～10°坡度范圍內(nèi)，微度侵蝕到劇烈侵蝕的面積逐漸減小，在>15°坡度范圍內(nèi)，微度侵蝕到劇烈侵蝕的面積先逐漸減小，在強烈侵蝕處達到侵蝕面積最小值，后逐漸增大。從坡度與侵蝕等級的相關性上來看，微度侵蝕主要發(fā)生在0～10°坡度范圍內(nèi)，其侵蝕面積占微度侵蝕總面積的52.7%；中度以上侵蝕等級的侵蝕面積均在>25°坡度范圍內(nèi)達到最大值；隨著坡度的增大，劇烈侵蝕的面積隨之增加，在坡度>25°時達到劇烈侵蝕最大面積689.53 km2，占劇烈侵蝕總面積的53.5%。

4 小結與討論

在地理信息系統(tǒng)技術的支持下，基于修正的通用土壤流失方程（RUSLE），通過合理選取模型中各因子的計算方法，估算了大通河流域土壤侵蝕狀況，并探討了不同土地利用類型和不同坡度下土壤侵蝕的差異性。主要結論如下：

1）總體上看，大通河流域土壤侵蝕總面積為12 683.66 km2，占流域總面積的83.83%，年均侵蝕模數(shù)為6 274.76 t/km2。侵蝕強度整體表現(xiàn)為以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，劇烈侵蝕所占比例為9.97%。從大通河流域土壤侵蝕強度分級圖中可以看出，劇烈侵蝕主要集中在流域中下游及環(huán)流域邊緣的裸地分布區(qū)，其中不合理的人類活動諸如林草過牧濫伐、城鎮(zhèn)無序擴張等，加之裸地植被覆蓋度低，缺乏有效的水土保持措施，是造成流域劇烈侵蝕的主要原因。賈俊姝等[22]關于大通縣1995、2005年土壤侵蝕量估算研究中所得年侵蝕模數(shù)分別為6 855、5 183 t/km2，相比較之下，本研究估算的年均侵蝕模數(shù)與其相差并不大，目前流域內(nèi)的侵蝕強度呈增強的趨勢。

2）從大通河流域土地利用結構上看，草地是流域內(nèi)主要的土地類型，土壤侵蝕也集中發(fā)生在草地，其侵蝕面積占比高達55.50%。雖然草地植被覆蓋度較高，但由于存在退化，加之過度放牧、濫挖亂采等現(xiàn)象，草地的土壤保持和涵養(yǎng)水源的能力也會逐漸降低，出現(xiàn)大面積的土壤侵蝕和水土流失，侵蝕等級也會逐漸增加。因此，在流域內(nèi)通過封禁修復、植樹種草等措施提高植被覆蓋度，減輕人類活動的不利影響，是區(qū)域土壤侵蝕防治的重點。

3）從不同坡度上的土壤侵蝕分異特征來看，微度侵蝕和輕度侵蝕主要發(fā)生在0～10°坡度范圍內(nèi)，各坡度范圍的侵蝕總面積在>25°時達到最大值，中度以上侵蝕等級的侵蝕面積也均在>25°時達到最大值，結合其他地區(qū)的研究結果，坡度在25°以上的區(qū)域是土壤侵蝕易發(fā)生的地區(qū)，故針對>25°坡度范圍的土壤侵蝕防治也是流域內(nèi)土壤侵蝕預防及治理工作的重點。

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