基于RUSLE模型的加納水土流失定量模擬研究

莊園 劉友兆

【摘 要】文章以位于非洲西部的加納為研究區(qū)，基于基礎(chǔ)地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和遙感解譯、反演數(shù)據(jù)成果，應(yīng)用GIS技術(shù)和修正水土流失通用方程（RUSLE），對加納水土流失狀況進(jìn)行了定量評估，重點分析了加納國家尺度上的水土流失驅(qū)動因子和水土流失強(qiáng)度的空間分布規(guī)律，并對模型模擬的不確定性進(jìn)行了分析。研究表明：①加納平均土壤侵蝕模數(shù)為2.23 t·ha-1·y-1，全國每年土壤流失總量約為5 140.8萬t，總體土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主；②全國土壤侵蝕強(qiáng)度總體呈現(xiàn)中部盆地地區(qū)低、周圍高原山地高的空間分布格局，其中Volta、Western和Ashanti 3個省的水土流失情況最嚴(yán)重，而Central、Brong-Ahafo和Upper West等省份水土流失情況最輕微；③水土流失主要發(fā)生在闊葉林混合林地、裸地和灌木林地，熱帶草原和耕地的水土流失率分別為1.58 t·ha-1·y-1和2.18 t·ha-1·y-1。

【關(guān)鍵詞】水土流失；模型模擬；RUSLE；GIS；RS

【中圖分類號】S157 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0091-02

0 引言

水土流失會引起原位土壤退化、土地生產(chǎn)力降低，同時土壤侵蝕和泥沙搬運還使得土壤有機(jī)C、N的含量和組分產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響到全球C、N、P、S循環(huán)乃至全球氣候變化[1-4]。全球約有38%的農(nóng)地由于水土流失而退化，非洲地區(qū)水土流失面積比例則為65%。非洲總體潛在侵蝕率為510 m3·km-2·y-1，是歐洲大陸的9倍，世界總體水平的10倍。

在非洲加納，盡管此前有少量的粗分辨率的、全球性的水土流失研究覆蓋了加納區(qū)域，同時也有一些更精細(xì)尺度的坡面和小流域水土流失研究。但總體來說，在加納國家尺度上的定量水土流失估算研究尚沒有系統(tǒng)、可靠的結(jié)果?？紤]到近20年來加納受到人口增長的壓力，地區(qū)土地覆被和土地利用發(fā)生了重大變化，由此導(dǎo)致區(qū)域水土流失風(fēng)險日益加劇。為此，本研究目標(biāo)如下：{1}根據(jù)衛(wèi)星遙感解譯、反演和其他地理空間數(shù)據(jù)，對影響水土流失的關(guān)鍵因子進(jìn)行分析；{2}應(yīng)用修正水土流失通用方程，完成對加納國家尺度上的水土流失定量評估。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

加納地處非洲西部、幾內(nèi)亞灣北岸，位于4°45'N～11°N、1°15'E～3°15'W，西鄰科特迪瓦，北接布基納法索，東毗多哥，南瀕大西洋，國土面積為23.9萬km2。加納整體地勢西北高，東南低；境內(nèi)中部為盆地，周圍有高原山地，50%以上領(lǐng)土屬于白沃爾特河盆地。最大河流為沃爾特河，在加納境內(nèi)長1 100 km。博蘇姆推湖是加納唯一的內(nèi)陸湖，位于庫瑪西地區(qū)，由火山噴發(fā)或隕石沖擊而成。

1.2 RUSLE模型

在RUSLE模型中，土壤侵蝕量由降雨侵蝕因子、土壤抗蝕因子、坡長坡度因子、覆被管理因子和水土保持措施因子的乘積決定。具體公式為A=R×K×LS×C×P。

上式中，A為年平均土壤流失量（t·ha-1·y-1），R為降雨侵蝕因子（MJ·mm·ha-1·h-1·y-1），K為土壤抗蝕因子（t·ha·h·ha-1·MJ-1·mm-1），LS為坡長坡度因子，C為覆被管理因子，P為水土保持措施因子。

本研究以2000—2014年的降雨量數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、DEM、遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在GIS支持下，首先計算得到上述水土流失各因子的空間分布數(shù)值，然后再估算得到加納共和國土壤侵蝕模數(shù)的空間分布。在估算水土流失量時，事先剔除了不易遭受土壤侵蝕的地表類型（如城市、冰川、濕地和水域）。

1.3 結(jié)果和討論

加納境內(nèi)不易受侵蝕的土壤面積為0.8萬km2，占加納總面積的3.36%，主要為水域、濕地和城鎮(zhèn)；余下的23.1萬km2為水土流失發(fā)生區(qū)。

2014年，加納全國平均土壤侵蝕模數(shù)為2.23 t·ha-1·y-1，土壤損失總量約5 140.8萬t。參考中國水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》[5]可知：土壤侵蝕強(qiáng)度以微度（0～5 t·ha-1·y-1）為主，面積約21萬km2，占研究區(qū)域總面積的93%。此外，輕度侵蝕（5～10 t·ha-1·y-1）面積約9 119 km2（4.03%），中度侵蝕（10～20 t·ha-1·y-1）面積約3 441 km2（1.52%），強(qiáng)度侵蝕（20～50 t·ha-1·y-1）面積約1 885 km2（0.83%），極強(qiáng)（50～100 t·hm-2·y-1）和劇烈侵蝕（>100 t·ha-1·y-1）面積相當(dāng)，分別為678 km2和7.5 km2，均占總研究區(qū)面積的0.3%左右（如圖1所示）。

從空間上看，水土流失強(qiáng)度的空間分布呈現(xiàn)中部盆地地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較低、周圍高原山地地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較高的規(guī)律，水土流失較嚴(yán)重區(qū)域集中在東北部Upper East和northern兩省交界的納潘杜里地區(qū)、東部沃爾特水庫的北部、東部及西南地區(qū)、西部Northern和Brong-Ahafo交界的Bui國家公園地區(qū)及加納西南大部分區(qū)域。

從省域上看，水土流失最嚴(yán)重的省份為Volta，平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到4.82 t·ha-1·y-1；水土流失最輕微的省份為Central，其平均土壤侵蝕模數(shù)僅為0.53 t·ha-1·y-1。土壤侵蝕嚴(yán)重的省份有Volta、Western和Ashanti，這些省份中等及以上強(qiáng)度的水土流失國土面積占本省國土面積比例分別為5.65%、5.36%和5.12%；而Greater Accra、Eastern、Upper East、Northern和Brong-Ahafo 5個省份水土流失狀況一般，中等及以上強(qiáng)度的水土流失國土面積占本省國土面積比例分別為3.89%、3.28%、2.86%、2.18%和1.88%。相較之下，Central和Upper West 2個省份的水土流失最為微弱，中等及以上強(qiáng)度的水土流失國土面積占本省國土面積比例僅為0.72%和0.69%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李占斌，朱冰冰，李鵬.土壤侵蝕與水土保持研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報，2008（5）：802-809.

[2]張燕，彭補(bǔ)拙，高翔，等.人類干擾對土壤侵蝕及土壤質(zhì)量的影響——以蘇南宜興低山丘陵區(qū)為例[J].地理科學(xué)，2002（3）：336-341.

[3]AREKHI S.Evaluating long-term annual sedimentyield estimating potential of GIS interfaced MUSLE model on two micro-watersheds[J].Pakistan Jour-nal of Biological Sciences Pjbs，2008，11（2）：270.

[4]NAHAYO L，LI L，KAYIRANGA A，et al.Agricult-ural impact on environment and counter measures in Rwanda[J].International Journal of Environmental Research & Public Health，2016，11（25）：2205-2212.

[5]SL190—2007，土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]