基于GIS與RUSLE的土壤侵蝕研究

張洪鑫

摘 要： 對遼寧省土壤侵蝕進(jìn)行數(shù)據(jù)量化研究，成為國土空間規(guī)劃決策提供理論依據(jù)。在GIS技術(shù)的支持下，利用降雨量、土壤成分、土地分類、高程、NDVI等數(shù)據(jù)，結(jié)合修正后RUSLE模型估算研究區(qū)土壤侵蝕。研究表明土壤侵蝕的產(chǎn)生是由于地形、土壤、氣候、植被覆蓋等自然因素以及土地開發(fā)模式等人為活動的作用結(jié)果。研究區(qū)土壤侵蝕的主要空間分布為研究區(qū)西部和東部。

關(guān)鍵詞： 土壤侵蝕;RUSLE;GIS;遼寧省

【中圖分類號】S714 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.30.237

遼寧省地貌變化不一，部分土質(zhì)單一、土質(zhì)松散、暴雨經(jīng)時短、強(qiáng)度較大等特點(diǎn)，各類人工活動較強(qiáng)，土壤侵蝕較為嚴(yán)重。土壤侵蝕的危害能讓土壤肥力下降、加速減化、危及農(nóng)業(yè)，且湖河等水資源的質(zhì)量明顯下潛以及水的災(zāi)害加重，這些都損害了生態(tài)環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，這也成為國土空間規(guī)劃不可不考慮的因素。不合時宜的土地利用增強(qiáng)了土壤侵蝕的發(fā)生。如果對土壤侵蝕定量研究和評價，明白其土壤侵蝕導(dǎo)致的強(qiáng)度和區(qū)域，為有效遏制土壤侵蝕和改善土地利用方式提供重要的科學(xué)參考價值。但是傳統(tǒng)的土壤侵蝕調(diào)查有時間長、成本高，故并不能有效運(yùn)用。21世紀(jì)GIS和RS技術(shù)發(fā)展迅速能夠大量應(yīng)用于土壤侵蝕研究?，F(xiàn)在已經(jīng)形成了許多土壤侵蝕評價模型，通過大量資料分析表明，RUSLE模型操作簡單、時間短。RUSLE模型能從定性轉(zhuǎn)變到定量的研究。本文在GIS和RS以及RUSLE模型的操作下，對遼寧省土壤侵蝕進(jìn)行了定量研究，為國土空間規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省坐落我國東北地區(qū)的南部。地理坐標(biāo)介于東經(jīng)118°53′至125°46′，北緯38°43′至43°26′之間在全省陸地總面積中，山地占59.5%;平地占32.4%;水域和其他占8.1%。地形大體為從北到南，從東西兩側(cè)向中部傾斜，丘陵與山地分布東西兩側(cè)，中部平原較低，大體向渤海灣傾斜。省內(nèi)有大小河流320多條，主要有遼河、渾河以及界河鴨綠江等，形成遼寧省的主要水系。遼寧地處中緯度的南半部，歐亞大陸東岸，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，光照豐碩，四季分明。遼寧省土壤分布：有棕壤、潮棕壤、褐土、潮土、草甸土、沼澤土、泥炭土、水稻土等類型。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：遼寧省的30m分辨率數(shù)DEM，數(shù)據(jù)來源NASA的earthdata;全國787個國家氣象站點(diǎn)2015— 2020年日均降雨數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng);2018年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，基于遙感解譯制作而成，空間分辨率為10m;2018年 MODIS合成NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為 250m;聯(lián)合國糧農(nóng)組織 （FAO）和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（HASA）構(gòu)建的1km分辨率世界土壤特征數(shù)據(jù)（HWSD）。為了方便計算，最終利用ArcGIS軟件重采樣，統(tǒng)一為為30m分辨率，精度一致。

2.2 土壤侵蝕模型

本研究采用美國土壤水土保持局提出的修正土壤流失方程RUSLE模型進(jìn)行模擬研究，方程表達(dá)程式為：

A=R×K×L×S×（1-C）（1）

（1）式中：A——年均土壤侵蝕量〔t/（km2？a）〕;

R——降雨侵蝕因子[MJ？mm/（hm2？h？a）];

K——土壤可侵蝕因子[t？hm2？h/（MJ？mm？hm2）];

L——坡長因子;

S——坡度因子;

C——耕作管理植被覆蓋因子。

2.2.1 降雨侵蝕力R因子計算

雨水量是誘導(dǎo)土壤發(fā)生侵蝕重要因素之一，能夠表示對土壤的侵蝕能量大小，降雨的分布空間特征不同程度決定了土壤侵蝕的規(guī)律分布。目前很多學(xué)者提出了多種基于月平均降雨量計算R的公式，由于遼寧省空間趨勢特征，本研究選用自然資源部關(guān)于《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價指南（試行）》中的辦法以下簡稱“雙評價”，此公式適合中國大部分地區(qū)。降雨侵蝕力R方程表達(dá)式為：

R=∑24k=1R半月k=1n

∑ni=1∑mi=0αP1.7265i，j，k

（2）

（2）式中：R半月k為第K個半月的降雨侵蝕力，為一年的24個月;

i為所用降雨資料的年份;

j為第i年第k個半月侵蝕性降雨日的天數(shù);

Pi，j，k為第i年第k半月第j個侵蝕性降雨量，

a為參數(shù)無量綱，暖季時取值為0.3937，冷季為0.3101。

2.2.2 ?土壤可侵蝕性因子計算

土壤可侵蝕性因子K是反應(yīng)土壤中顆粒能夠被水的能量分離和搬運(yùn)的難易程度，主要與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土體結(jié)構(gòu)、滲透性等土壤理化性質(zhì)有關(guān)。本研究通過世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）和EPIC模型公式計算 K值。選自于自然資源部關(guān)于“雙評價”中辦法，其中土壤侵蝕性因子方程表達(dá)式：

K=[-0.01383+0.51575Kepic]×0.1317

Kepic={0.2+0.3exp[-0.0256ms（1-msilt/100）]}×

[msilt/（mc+msilt）]0.3×

{1-0.25orgC[orgC+exp（3.72-2.95orgC）]}×

{1-0.7（1-ms/100）/{（1-ms/100）+