基于RUSLE模型的2000-2010年長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕評(píng)價(jià)

王 萌, 劉 云, 宋 超, 李春蕾, 肖文發(fā)

(1.北京農(nóng)學(xué)院 北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 102206;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)與環(huán)境保護(hù)研究所, 北京 100000)

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融或重力等外營(yíng)力作用下，被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程[1]。作為全球最大的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，理化性質(zhì)變差，土地荒漠化，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，河流、湖泊泥沙淤積等諸多環(huán)境問(wèn)題[2]。中國(guó)由于人口眾多，地質(zhì)條件和地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土壤侵蝕已嚴(yán)重威脅著人類生存與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為21世紀(jì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)之一[3]。

修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE模型),是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部在通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)的基礎(chǔ)上修正而成的[4]。RUSLE模型因其簡(jiǎn)潔的計(jì)算公式和較低的數(shù)據(jù)需求已成為全球應(yīng)用廣泛的土壤侵蝕定量估算模型[5]。在模型使用的過(guò)程中，往往忽略植被覆蓋的季節(jié)動(dòng)態(tài)性和降水的季節(jié)不均勻性，采用年總降水計(jì)算的降水侵蝕力因子和單一的植被覆蓋因子參與運(yùn)算。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，快速獲取陸地植被覆蓋狀態(tài)成為可能，因此充分考慮植被覆蓋的季節(jié)變化特征與降水組合具有可行性。中國(guó)學(xué)者也運(yùn)用該模型做了大量研究：許月卿等[6]對(duì)貴州貓?zhí)恿饔虻耐寥狼治g量進(jìn)行了計(jì)算；彭建等[7]對(duì)云南麗江的土壤侵蝕特征進(jìn)行了分析；蔣春麗等[8]對(duì)黑龍江省土壤保持量多年的空間分布特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)；李天宏等[9]對(duì)延河流域多年的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究,等等。這些研究結(jié)果對(duì)管理部門采取相關(guān)措施，減少土壤侵蝕，推動(dòng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

三峽庫(kù)區(qū)東起湖北宜昌，西至重慶江津，地理位置為東經(jīng)105°50′—111°40′，北緯28°31′—31°44′，包括湖北省和重慶市共20個(gè)區(qū)、縣，總面積約為5.78×104km2。庫(kù)區(qū)屬于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫17～19 ℃，年降水量為1 000～1 200 mm。地貌以山地、丘陵為主；土壤類型以紫色土、石灰土、黃壤、黃棕壤為主；土地利用類型包括林地、灌叢、草地、果園、耕地、水體和城鎮(zhèn)建設(shè)用地等。自庫(kù)區(qū)建成以來(lái)，土地利用和植被覆蓋發(fā)生巨大變化，加劇了土壤侵蝕的發(fā)生。由于生態(tài)環(huán)境的脆弱性及其作為長(zhǎng)江中下游生態(tài)安全屏障的重要地位，三峽庫(kù)區(qū)成為中國(guó)水土保持工作的重點(diǎn)地區(qū)[11]。三峽工程實(shí)施后，國(guó)家采取了一系列的封山育林措施，評(píng)估三峽大壩建成后的土壤侵蝕情況，可以間接評(píng)估三峽庫(kù)區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能是否得到提升。

本文應(yīng)用擬GIS和RS技術(shù)，基于多源數(shù)據(jù)，采用RUSLE模型計(jì)算長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)2000，2005，2010年的土壤侵蝕量，分析該地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分布特點(diǎn)，評(píng)價(jià)三峽庫(kù)區(qū)建成后的10 a間土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)變化，以期為區(qū)域土壤侵蝕合理化治理提供依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 RUSLE模型

修正通用土壤流失方程(RUSLE)的表達(dá)式為:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A——年平均土壤侵蝕量；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕性因子；LS——坡長(zhǎng)、坡度因子；C——植被覆蓋與管理因子；P——水土保持措施因子。RUSLE模型的應(yīng)用，關(guān)鍵在于R，K，LS，C，P這些因子的確定和求算。

1.2 RUSLE模型各因子的計(jì)算

1.2.1 降雨侵蝕因子R的估算 降水是引起土壤侵蝕的重要原因之一，主要是由降雨雨滴所攜帶的動(dòng)能對(duì)土粒產(chǎn)生沖擊而引發(fā)土壤侵蝕。R值是降雨能量和強(qiáng)度的函數(shù)，在實(shí)際研究工作中一般用來(lái)反映降雨對(duì)土壤侵蝕的影響[10]。國(guó)內(nèi)，章文波等[11]利用日降雨量建立的中國(guó)降雨侵蝕力模型得到了廣泛應(yīng)用，王明曉[12]結(jié)合章文波和其他學(xué)者的降雨侵蝕力模型，以長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)近40 a來(lái)的降雨資料為基礎(chǔ)，通過(guò)差值計(jì)算和回歸分析，得到了適用于長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)的降雨侵蝕力R值簡(jiǎn)便算法，計(jì)算公式為：

(2)

式中：R——年降雨侵蝕力；Pi(≥12mm，否則以0計(jì)算)為月降雨量(mm)。

1.2.2 土壤可蝕性因子K的估算 在眾多影響土壤侵蝕的因素中，土壤自身的抗侵蝕能力也是不可忽略的，國(guó)際上通常用土壤可蝕性K值來(lái)衡量[13]。K值大小表示土壤被侵蝕的難易程度，反映土壤對(duì)侵蝕外營(yíng)力剝蝕和搬運(yùn)的敏感性，是進(jìn)行土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)[14]。土壤可蝕性作為土壤特性，可蝕性K值具有唯一性，即一種土壤只能有一個(gè)值[15]。本研究選用吳昌廣等結(jié)合前人研究成果經(jīng)過(guò)計(jì)算、實(shí)測(cè)和驗(yàn)證得到的三峽庫(kù)區(qū)各土類土壤可蝕性K值[16]見(jiàn)表1。

1.2.3 坡度坡長(zhǎng)因子LS的估算LS因子反映了地形地貌特征中坡長(zhǎng)與坡度對(duì)土壤侵蝕的影響，二者是降雨侵蝕動(dòng)力的加速因子。地形因子通過(guò)影響坡面徑流的流速和流量，進(jìn)而影響水流的攜沙能力和土壤侵蝕強(qiáng)度。坡度因子S是指標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下，任意坡度下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下的單位面積土壤流失量之比值。同樣，坡長(zhǎng)L因子是指在其他條件相同的情況下，任意坡長(zhǎng)的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下單位面積土壤流失量之比值。坡度因子采用Nearing等[17]提出的坡度因子連續(xù)函數(shù)回歸方程估算，公式為：

(3)

式中：θ——坡度(°)，該方程綜合考慮了緩坡和陡坡的影響，適用于各種坡度因子計(jì)算。

坡長(zhǎng)因子采用Moore等[18]提出的RUSLE坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式：

(4)

式中:λ——水平坡長(zhǎng)(m)；m——坡長(zhǎng)指數(shù)；22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長(zhǎng)(m)，其中m取值如下：

(5)

1.2.4 植被覆蓋與管理因子C的估算 植被覆蓋與管理因子C反映的是覆蓋和管理對(duì)土壤侵蝕的影響，定義為在一定條件下有植被覆蓋坡地的土壤流失量與同等條件下適時(shí)翻耕、連續(xù)休閑對(duì)照地上的土壤流失量之比。它是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，其值變化范圍在0～1之間。C因子評(píng)價(jià)的是所有與覆蓋有關(guān)的變量對(duì)土壤侵蝕的綜合作用，是侵蝕動(dòng)力的抑制因子。為解決遙感應(yīng)用的局限性，部分學(xué)者嘗試?yán)脷w一化植被指數(shù)提取區(qū)域尺度上的C值。Lin等[19]建立的C因子與NDVI的非線性回歸方程適用廣泛。

C=〔(1-NDVI)/2〕1+NDVI

(6)

本文以2000，2005，2010年30 d合成的MODIS-NDVI(MOD13A3)產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，利用公式(6)計(jì)算得到三峽庫(kù)區(qū)的C值。

1.2.5 水土保持措施因子P的估算 水土保持措施P因子是指采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量，比值介于0～1。水土保持措施主要包括耕作措施和工程措施兩大類，如等高耕作，帶狀耕作，修筑梯田等達(dá)到保水保土保肥，減少?gòu)搅髁?，以達(dá)到保持土壤的目的.本研究參考三峽庫(kù)區(qū)土地利用圖及相關(guān)研究成果和參考文獻(xiàn)[20-21]，確定P值(表2)，土地利用圖由TM影像獲取。

表2 不同土地利用類型的水土保持措施因子

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽庫(kù)區(qū)2000-2010年土壤侵蝕強(qiáng)度分析

應(yīng)用RUSLE模型計(jì)算2000，2005和2010年土壤侵蝕模數(shù)，根據(jù)水利部頒發(fā)的SL190-2007《土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[22]，將庫(kù)區(qū)的土壤侵蝕劃分為微度侵蝕〔<5 t/(hm2·a)〕、輕度侵蝕〔5～25 t/(hm2·a)〕、中度侵蝕〔25～50 t/(hm2·a)〕、強(qiáng)度侵蝕〔50～80 t/(hm2·a)〕、極強(qiáng)度侵蝕〔80～150 t/(hm2·a)〕和劇烈侵蝕〔>150 t/(hm2·a)〕6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(表3)，制作三峽庫(kù)區(qū)2000，2005和2010年的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)空間分布圖(附圖3)。

由附圖3可以看出：2000年，三峽庫(kù)區(qū)除上段河流地帶外，其他地區(qū)土壤侵蝕較為嚴(yán)重，尤其是三峽庫(kù)區(qū)中段大部分地區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)度以上等級(jí)。隨著時(shí)間的推移，土壤侵蝕在一定程度上得到改善，強(qiáng)度等級(jí)減弱，尤其是三峽庫(kù)區(qū)的河流上段和中段地區(qū)。進(jìn)一步比較2000，2005，2010年3個(gè)年份三峽庫(kù)區(qū)河流沿岸的土壤侵蝕情況，表現(xiàn)為以劇烈侵蝕和極強(qiáng)度侵蝕等級(jí)為主。分析其原因，可能是自三峽工程開(kāi)展以來(lái)，庫(kù)區(qū)移民、城鎮(zhèn)擴(kuò)建、毀林開(kāi)荒等活動(dòng)對(duì)地表植被造成破壞，引起長(zhǎng)江沿岸土壤侵蝕等級(jí)強(qiáng)度惡化。

對(duì)比三峽庫(kù)區(qū)2000—2010年的土壤侵蝕具體情況(見(jiàn)表3)，可見(jiàn)三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕狀況在2000—2010年得到一定程度的改善。主要體現(xiàn)在：強(qiáng)度以上等級(jí)(即強(qiáng)度，極強(qiáng)度和劇烈3個(gè)等級(jí))土壤侵蝕面積大幅減少。面積由2000年的1.71×106hm2下降為2010年的6.82×105hm2，侵蝕比例由2000年的29.57%下降為2010年的11.80%；微度、輕度、中度侵蝕面積逐漸增加，由2000年的4.07×107hm2上升為2010年的5.11×107hm2，侵蝕比例由2000年的70.44%上升為2010年的88.21%。

表3 2000，2005和2010年三峽庫(kù)區(qū)各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的土壤侵蝕面積和比例

三峽庫(kù)區(qū)2000—2010年各區(qū)縣的土壤侵蝕模數(shù)見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，2000年三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)開(kāi)縣和云陽(yáng)的平均土壤侵蝕模數(shù)最高，達(dá)到60～75 t/(hm2·a)，巫溪、巫山、奉節(jié)、萬(wàn)州和秭歸等區(qū)縣平均土壤侵蝕模數(shù)次之，為45～60 t/(hm2·a), 其他各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)都小于45 t/(hm2·a)。2005年各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)一步減少，均小于45 t/(hm2·a)，平均土壤侵蝕模數(shù)比較大的區(qū)縣僅有7個(gè)(開(kāi)縣、萬(wàn)州、云陽(yáng)、奉節(jié)、巫溪、巫山和興山)，為30～45 t/(hm2·a)，其他各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)均小于30 t/(hm2·a)。到2010年，所有區(qū)縣平均土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)一步減少，僅有5個(gè)(開(kāi)縣、巫溪、巫山、巴東和秭歸)的平均土壤侵蝕模數(shù)為30～45 t/(hm2·a)，其它各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)均小于30 t/(hm2·a)。

2000—2010年這10 a間，僅秭歸縣的平均侵蝕模數(shù)變化異常，2000—2005年期間，秭歸縣的平均侵蝕模數(shù)由45～60 t/(hm2·a)減少為15～30 t/(hm2·a)，而2005—2010年期間，秭歸縣的平均侵蝕模數(shù)由15～30 t/(hm2·a)增加為30～45 t/(hm2·a)，其他區(qū)縣的平均侵蝕模數(shù)在2000—2010年的10 a間均在逐漸減少。總體上來(lái)看，2000,2005,2010年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為36.75,26.00,22.79 t/(hm2·a),平均侵蝕模數(shù)呈下降趨勢(shì)。

圖1 2000,2005和2010年三峽庫(kù)區(qū)各區(qū)縣土壤侵蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕

2.2 三峽庫(kù)區(qū)2000-2010年土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化

計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度的面積轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表4。由表4可以看出：2000—2005年,侵蝕強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生變化的面積為3.53×106hm2,占庫(kù)區(qū)總面積的61.14%.侵蝕強(qiáng)度增強(qiáng)的面積為2.01×105hm2，占庫(kù)區(qū)總面積的3.48%。侵蝕強(qiáng)度降低的面積為2.04×106hm2，占庫(kù)區(qū)總面積的35.38%。高強(qiáng)度侵蝕級(jí)別向低于其1～2級(jí)的侵蝕級(jí)別轉(zhuǎn)移趨勢(shì)明顯。

2005—2010年土壤侵蝕強(qiáng)度的面積轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表5。由表5可以看出：侵蝕強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生變化的面積為4.14×106hm2，占庫(kù)區(qū)總面積的71.71%。侵蝕強(qiáng)度增強(qiáng)的面積為4.60×105hm2，占庫(kù)區(qū)總面積的7.97%。侵蝕強(qiáng)度降低的面積為1.17×106hm2，占庫(kù)區(qū)總面積的20.32%。高強(qiáng)度侵蝕級(jí)別向低于其1級(jí)的侵蝕級(jí)別轉(zhuǎn)移趨勢(shì)明顯。

比較2個(gè)階段(2000—2005年期間，2005—2010年期間)，土壤侵蝕等級(jí)減弱的面積總體增加,但第1階段土壤侵蝕減弱的比例高于第2階段。

表4 2000-2005年土壤侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)換矩陣 102 hm2

表5 2005-2010年土壤侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)換矩陣 102 hm2

3 討論與結(jié)論

(1) 三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕情況時(shí)間和區(qū)域特點(diǎn)明顯，2000—2005年期間，三峽庫(kù)區(qū)河流中段大部分地區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)度以上等級(jí)，而在2005—2010年期間，該區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)減弱；相對(duì)而言，10 a期間，庫(kù)區(qū)河流其他區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)比較弱。

(2) 三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕狀況在2000—2010年間得到一定程度的減弱，強(qiáng)度以上土壤侵蝕面積由2000年的1.71×106hm2下降為2010年的6.82×105hm2；庫(kù)區(qū)內(nèi)平均侵蝕模數(shù)由2000年的36.75 t/(hm2·a)下降為2010年的22.79 t/(hm2·a)。

(3) 三峽庫(kù)區(qū)經(jīng)過(guò)多年侵蝕治理，強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈侵蝕面積逐漸減少的同時(shí)，輕度、中度土壤侵蝕面積在逐漸增加并逐漸成為侵蝕情況的主流；但部分區(qū)縣的平均侵蝕模數(shù)和輕度侵蝕以上面積占比都有小幅度的增加，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)輕度、中度土壤侵蝕的治理。

本研究仍存在一定的不足，在運(yùn)用RUSLE模型進(jìn)行各因子的計(jì)算過(guò)程中，利用了國(guó)內(nèi)外已有的研究方法和相關(guān)地區(qū)的研究成果，由于不同地域差別的影響以及各數(shù)據(jù)精度的限制，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。今后的研究需要重點(diǎn)關(guān)注如何提高數(shù)據(jù)精度，同時(shí)結(jié)合實(shí)地考察來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。

[1] 段煉.三峽區(qū)域新人居環(huán)境建設(shè)研究[M].南京:東南大學(xué)出版社,2011.

[2] 汪濤.三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕遙感監(jiān)測(cè)及其尺度效應(yīng)[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[3] 齊述華,蔣梅鑫,于秀波.基于遙感和ULSE模型評(píng)價(jià)1995—2005年江西土壤侵蝕[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2011,31(7):1197-1203.

[4] 陳正發(fā).基于RUSLE模型的重慶市土壤流失方程研究[D].重慶:西南大學(xué),2011.

[5] 吳昌廣,呂華麗,汪濤,等.三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕空間分布特征[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2012,10(3):15-21.

[6] 許月卿,邵曉梅.基于GIS和RUSLE的土壤侵蝕量計(jì)算:以貴州省貓?zhí)恿饔驗(yàn)槔齕J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(4):67-71.

[7] 彭建,李丹丹,張玉清.基于GIS和RUSLE的滇西北山區(qū)土壤侵蝕空間特征分析:以云南省麗江縣為例[J].山地學(xué)報(bào),2007,25(5):548-556.

[8] 蔣春麗,張麗娟,張宏文,等.基于RUSLE模型的黑龍江省2000—2010年土壤保持量評(píng)價(jià)[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,23(5):642-649.

[9] 李天宏,鄭麗娜.基于RUSLE模型的延河流域2001—2010年土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化[J].自然資源學(xué)報(bào),2012,27(7):1164-1175.

[10] 王春菊,湯小華,鄭達(dá)賢.GIS支持下的土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)研究[J].水土保持通報(bào),2005,25(1):68-74.

[11] 章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學(xué),2002,22(6):705-711.

[12] 王明曉.三峽庫(kù)區(qū)降雨侵蝕力研究[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[13] 梁音,史學(xué)正.長(zhǎng)江以南東部丘陵山區(qū)土壤可蝕性K值研究[J].水土保持研究,1999,6(2):47-52.

[14] 張科利,彭文英,楊紅麗.中國(guó)土壤可蝕性值及其估算[J].土壤學(xué)報(bào),2007,44(1):7-13.

[15] 張科利,蔡永明,劉寶元,等.黃土高原地區(qū)土壤可蝕性及其應(yīng)用研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21(10):1687-1695.

[16] 吳昌廣,曾毅,周志翔,等.三峽庫(kù)區(qū)土壤可蝕性K值研究[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2010,8(3):8-12.

[17] Nearing M A. A single, continuous function for slope steepness influence on soil loss[J]. Soil Science Society of Ameriea Journal, 1997,61(3):917-919.

[18] Moore L D, Wilson J P, CHEN Qibo. 坡長(zhǎng)、坡度因素的簡(jiǎn)單計(jì)算方法(Ⅰ)[J].水土保持科技情報(bào),1995(2):30-33.

[19] Lin Chaoyuan, Lin Wentzu, Chou Wenchieh. Soil erosion prediction and estimation: The Taiwan experience [J]. Soil & Tillage Research, 2002,68(2):143-152.

[20] 許月卿,彭建.貴州貓?zhí)恿饔蛲恋乩米兓捌鋵?duì)土壤侵蝕的影響[J].資源科學(xué),2003,30(8):1218-1225.

[21] 范建容,劉飛,郭芬芬,等.基于遙感技術(shù)的三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕量評(píng)估及影響因子分析[J].山地學(xué)報(bào),2011,29(3):306-311.

[22] 中華人民共和國(guó)水利部.SL190-2007土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.