基于USLE的延安市水土流失敏感性評(píng)價(jià)

韓株桃

(陜西省長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

引言

隨著我國(guó)推進(jìn)新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快，平衡好生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展成為我國(guó)現(xiàn)階段最重要的任務(wù)之一。在當(dāng)前我國(guó)面臨的生態(tài)環(huán)境治理問(wèn)題中，水土流失依然是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要難題。水土流失敏感性，是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水土流失生態(tài)過(guò)程發(fā)生的可能性以及程度[1]。我國(guó)地域廣闊，經(jīng)緯跨度大，無(wú)論是從氣候、地形、植被和土壤等自然條件，還是從人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等社會(huì)條件上講，區(qū)域與區(qū)域間的差異都十分巨大。因此，在進(jìn)行水土流失敏感性評(píng)價(jià)時(shí)，就要做到對(duì)水土流失通用方程的靈活運(yùn)用，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行合理選擇。鑒于此，本文以水土流失通用方程(USLE)為基礎(chǔ)，根據(jù)陜北黃土高原延安市的地域特征，選擇適合該地區(qū)的水土流失敏感性評(píng)價(jià)因子并對(duì)各個(gè)因子的水土流失敏感性進(jìn)行等級(jí)劃分，再根據(jù)各因子在水土流失過(guò)程中的實(shí)際影響程度大小，確定各因子在區(qū)域綜合水土流失敏感性評(píng)價(jià)中的權(quán)重占比，建立水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用GIS軟件的空間分析和數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)多因素綜合評(píng)價(jià)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)延安市的水土流失敏感性評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，分析出延安市的水土流失敏感性程度以及其在空間上的分布規(guī)律，并據(jù)此針對(duì)該區(qū)域的水土流失方面的防范和治理提出合理、科學(xué)的參考建議。

1 研究區(qū)概況

延安市位于陜西省北部、陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，總面積約為3.7037萬(wàn)km2，約占陜北黃土高原面積的40%，共管轄2區(qū)11縣。地形以黃土高原和丘陵為主，在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的自然侵蝕以及受到人類(lèi)活動(dòng)影響的雙重作用下，該地區(qū)逐漸演變成黃土塬、梁、峁與溝壑縱橫的地貌景觀。全區(qū)地勢(shì)西北高東南低，平均海拔1200m左右。延安市屬于黃河水系，全區(qū)年平均清水徑流總量為13.38億m3。該區(qū)域?qū)俑咴箨懶约撅L(fēng)氣候，其北部大部分屬半干旱地區(qū)，南部基本上為半濕潤(rùn)地區(qū)。延安市的土壤類(lèi)型主要有黃綿土、粘化黑壚土、淤沙土、鹽堿土、灰褐森林土、褐土等。延安市有著豐富的礦產(chǎn)資源，是我國(guó)重要的能源基地之一。根據(jù)延安市統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，截至2018年，延安市累計(jì)實(shí)施退耕還林面積71.83萬(wàn)hm2，延安森林覆蓋率大于46%。整體看來(lái)，延安市的植被覆蓋較好，但南北部以及中南部的植被覆蓋則比較差，土地利用類(lèi)型以耕地為主。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文中的高程數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)，從地理空間數(shù)據(jù)云下載；土壤數(shù)據(jù)，由寒區(qū)和旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)提供；遙感影像和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，來(lái)源于中科院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)提供；其它統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于延安市人民政府官網(wǎng)、延安市自然資源局官網(wǎng)以及延安市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過(guò)人工目視解譯得到土地利用數(shù)據(jù)；使用DEM數(shù)據(jù)提取坡度、斜坡長(zhǎng)度等地形數(shù)據(jù)；根據(jù)每個(gè)氣象點(diǎn)的緯度和經(jīng)度信息,利用ArcGIS的克里金空間插值方法將研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格圖像數(shù)據(jù)；在ArcGIS中將所有柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一為30m大小的分辨率。

3 水土流失敏感性評(píng)價(jià)

3.1 水土流失單因子敏感性評(píng)價(jià)

根據(jù)水土流失通用方程(USLE)的研究思路，考慮到延安市的基本情況，本文選擇降水侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、地形坡度因子LS、溝壑密度、坡耕地因子和土地利用/覆被因子C共計(jì)6個(gè)因子為評(píng)價(jià)指標(biāo)、以30m×30m的柵格為評(píng)價(jià)單元對(duì)延安市水土流失敏感性單因子進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1.1 降水侵蝕力因子

降水作為引起水土流失的主要?dú)夂蛞蛩?，是造成水土流失的主要?qū)動(dòng)力。本文收集2017年延安市13個(gè)氣象站的逐月降水統(tǒng)計(jì)資料，通過(guò)研究王萬(wàn)忠、焦菊英的《中國(guó)的土壤侵蝕因子定量評(píng)價(jià)研究》[2]，比對(duì)文中所討論的多種對(duì)降雨侵蝕力的計(jì)算方法，本文選擇劉秉正所提出的渭北地區(qū)年R的估算公式[3]：

(1)

根據(jù)所得的延安市13個(gè)氣象站所測(cè)得的逐月降水量得出降水侵蝕力R值，通過(guò)克里金空間內(nèi)插法，制作出延安地區(qū)降水侵蝕力R值空間分布圖。

3.1.2 土壤可蝕性因子

在水土流失敏感性評(píng)價(jià)中，對(duì)土壤可蝕性因子的研究方法主要有2種，基于土壤類(lèi)型的可蝕性計(jì)算方法，基于土壤質(zhì)地的土壤可蝕性的簡(jiǎn)易評(píng)估[4]。本文通過(guò)Williams提出的K值計(jì)算公式[5]，以收集到的延安市土壤類(lèi)型及土壤屬性數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS生成延安市土壤可蝕性K值柵格圖層，制作延安市土壤可蝕性空間分布圖。

3.1.3 坡耕地因子

水土流失通用方程(USLE)：

A=R·K·LS·C·P[6]

(2)

式中，C為是作物經(jīng)營(yíng)管理因子，P為水土保持措施因子。

其對(duì)水土流失機(jī)制研究的思路可提示，將耕地僅作為土地利用/覆被類(lèi)型下的一個(gè)類(lèi)型因子去對(duì)一個(gè)區(qū)域的水土流失情況進(jìn)行評(píng)價(jià)是不全面的，因?yàn)楦丶捌湫问绞侨祟?lèi)活動(dòng)和自然條件相互影響下產(chǎn)生的，不能只從人為因素的角度上將其用作水土流失評(píng)價(jià)的一個(gè)因子，還應(yīng)該表現(xiàn)出其自然屬性的一面。因此，本文將坡耕地作為一個(gè)單獨(dú)的評(píng)價(jià)因子，對(duì)其在水土流失過(guò)程中的影響程度進(jìn)行研究分析。本文依據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)提出的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》對(duì)坡耕地在水土流失方面的分類(lèi)依據(jù),結(jié)合延安市DEM數(shù)據(jù)提取出的坡度信息，建立延安市坡耕地因子敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并制作出延安市坡耕地空間分布圖。

3.1.4 坡度坡長(zhǎng)因子

從水土流失的定義來(lái)看，降水是水土流失的觸發(fā)因子，降水侵蝕能力與降雨徑流的動(dòng)能密切相關(guān)，徑流動(dòng)能又被地形所影響。坡度和坡長(zhǎng)2個(gè)因子能夠?qū)Φ匦蔚孛策M(jìn)行較為準(zhǔn)確地描述。在對(duì)地形因子進(jìn)行研究時(shí)，將坡度和坡長(zhǎng)2個(gè)參數(shù)綜合在一起，能夠更好地對(duì)地形因子進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文選擇張科利等以坡長(zhǎng)20m、寬度5m、坡度10°為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)進(jìn)行研究所提出的LS簡(jiǎn)便計(jì)算公式[7]：

(3)

以延安市的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS的空間分析功能提取出坡度和坡長(zhǎng)，在柵格計(jì)算器中計(jì)算出LS，生成延安市地形因子空間分布圖。

3.1.5 溝壑密度因子

在對(duì)延安市的水土流失敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，溝壑密度是不可忽視的一個(gè)地形因素。目前，對(duì)溝壑密度的調(diào)查方法主要有方格網(wǎng)法、小班號(hào)法和水文網(wǎng)絡(luò)法。本文使用基于DEM的水文坡面流模擬方法[8]，根據(jù)溝壑密度的計(jì)算公式；

(4)

利用ArcGIS軟件以延安市DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)延安市的溝壑密度值進(jìn)行提取計(jì)算，將提取所得的延安地區(qū)13個(gè)縣區(qū)的溝壑密度數(shù)據(jù)利用空間內(nèi)插的方法，制作出延安市溝壑密度空間分布圖。

3.1.6 土地利用/覆被類(lèi)型因子

在水土流失通用方程中，C表示的是作物經(jīng)營(yíng)管理因子。根據(jù)定義，C值表示的是在特定條件下耕種作物土地與連續(xù)休閑的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上水土流失量的比值。考慮到研究數(shù)據(jù)和方法的局限性以及研究的可行性，同時(shí)聯(lián)想到不同土地利用/地表覆被與水土流失的關(guān)系，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，本文將作物經(jīng)營(yíng)管理因子C引申為土地利用/地表覆被因子。在現(xiàn)實(shí)生活中，水土流失的程度不僅與自然狀態(tài)下植被的類(lèi)型有關(guān)，還和人類(lèi)活動(dòng)造成的地表覆蓋(土地利用)類(lèi)型有關(guān)，以上2種因素皆可對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和形態(tài)產(chǎn)生影響，從而改變水土流失程度。將2017年延安市土地利用/覆被類(lèi)型按照各類(lèi)型對(duì)水土流失的相對(duì)影響程度大小進(jìn)行分級(jí)，制作出延安市土地利用/覆被類(lèi)型敏感性空間分布圖。

通過(guò)對(duì)R、K、LS、溝壑密度因子的計(jì)算結(jié)果并依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)建立各單因子評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9]，得到延安市水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。根據(jù)分級(jí)結(jié)果制作出各影響因子的敏感度空間分布圖，如圖1。

表1 水土流失敏感性單因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 水土流失單因子敏感性空間分布圖

3.2 水土流失敏感性綜合性評(píng)價(jià)

考慮到在水土流失過(guò)程中，各個(gè)影響因子對(duì)該過(guò)程產(chǎn)生的影響大小存在差異，還需要科學(xué)合理地確定各個(gè)影響因子對(duì)于敏感性的權(quán)重。本文采用AHP層次分析法，通過(guò)邁實(shí)層次分析法軟件，計(jì)算出各個(gè)單因子對(duì)水土流失程度造成的影響中的權(quán)重大小。

以延安市水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為目標(biāo)層A，氣候、土壤、地形、土地利用/覆被為4個(gè)指標(biāo)層，降雨侵蝕力R、土壤可蝕性K、坡度和坡長(zhǎng)LS、溝壑密度、坡耕地、地表覆被為措施層，如圖2。根據(jù)指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，建立評(píng)價(jià)因子比較矩陣，計(jì)算得出各單因子權(quán)重大小，見(jiàn)表2。

圖2 延安市水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 單因子權(quán)重大小

將各個(gè)單因子敏感性評(píng)價(jià)的結(jié)果通過(guò)ArcGIS軟件的柵格計(jì)算功能，按照各個(gè)因子在水土流失過(guò)程中對(duì)水土流失強(qiáng)度影響的大小(權(quán)重)進(jìn)行疊加計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為延安市水土流失綜合敏感性指數(shù)，其計(jì)算公式為[10]：

SSj=∑CijWi

(5)

式中，SSj表示的是空間單元j上的綜合水土流失敏感性指數(shù)，Cij表示的是空間單元j上第i類(lèi)評(píng)價(jià)因子的敏感性賦值，Wi表示第i類(lèi)水土流失評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，其中i的取值為1～6(共有6個(gè)評(píng)價(jià)因子)。

根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果，參考相關(guān)規(guī)范以及先前的研究成果建立延安市水土流失敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)體系，對(duì)綜合水土敏感性指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分并賦值，見(jiàn)表3，制作出延安市水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)圖，如圖3。

表3 水土流失綜合敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 水土流失綜合敏感性

4 結(jié)果分析與建議

4.1 水土流失敏感性空間格局分析

從空間分布上看，延安市北部和南部的局部地區(qū)水土流失敏感性等級(jí)較高，東南和西南部分水土流失敏感性等級(jí)較低,中度敏感區(qū)域所占面積最大，大部分地區(qū)不同水平的水土流失敏感性交織分布。北部地區(qū)受到自然因素影響較高，包括植被覆蓋度不如南部地區(qū)、地形起伏較大、土壤可蝕性較高等，水土流失敏感性較南部地區(qū)高，應(yīng)該重點(diǎn)保護(hù)。中度敏感區(qū)域、高度敏感和極敏感區(qū)域主要集中在洛川縣、延長(zhǎng)縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)和子長(zhǎng)縣的北部；輕度敏感區(qū)域主要分布在富縣、甘泉縣黃陵縣、黃龍縣和宜川縣；不敏感區(qū)域則以位于東南部的黃龍縣分布最為廣泛。

4.2 水土流失潛在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

水土流失潛在危險(xiǎn)度主要用于衡量在生態(tài)系統(tǒng)平衡被破壞后出現(xiàn)的土壤侵蝕的危險(xiǎn)程度。其對(duì)水土流失危險(xiǎn)程度的描述有2個(gè)方面：通過(guò)計(jì)算水土流失區(qū)域當(dāng)前侵蝕速率，預(yù)測(cè)該區(qū)域土壤層承受的侵蝕年限(抗蝕年限),實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失造成的土壤和土地資源的破壞嚴(yán)重性的評(píng)估和預(yù)測(cè)；評(píng)估和預(yù)測(cè)研究區(qū)域被侵蝕區(qū)域侵蝕強(qiáng)度加重的可能性大小和未被(無(wú)明顯)侵蝕區(qū)域出現(xiàn)水土流失的可能性大小。因此，對(duì)延安市進(jìn)行水土流失潛在危險(xiǎn)度進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)潛在的水土流失問(wèn)題，對(duì)維持或恢復(fù)地區(qū)生態(tài)平衡具有重要意義。

根據(jù)水土流失潛在危險(xiǎn)度計(jì)算公式[11]：

(6)

式中，SEPDI為水土流失潛在危險(xiǎn)程度，M為全區(qū)域不同敏感性等級(jí)的面積，從1～5分別對(duì)應(yīng)不敏感區(qū)域面積、輕度敏感區(qū)域面積、中度敏感區(qū)域面積、高度敏感區(qū)域面積和極敏感區(qū)域面積。計(jì)算結(jié)果一般在1～9，SEPDI的值越大，說(shuō)明該地區(qū)的水土流失潛在危險(xiǎn)程度越高。

根據(jù)式(6)，延安市水土流失潛在危險(xiǎn)程度的值約為3.045，計(jì)算結(jié)果表明，受自然地理因素的影響延安市的水土流失潛在危險(xiǎn)程度較高。

4.3 水土流失治理意見(jiàn)

本文根據(jù)延安市水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，提出以下水土流失治理意見(jiàn)。

對(duì)于水土流失敏感性等級(jí)較高的區(qū)域，如子長(zhǎng)縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)北部、延川縣和延長(zhǎng)縣的西側(cè)、黃龍縣的南部等地區(qū)，各有關(guān)部門(mén)、企業(yè)在經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，要遵循生態(tài)優(yōu)先的原則，充分考慮對(duì)周?chē)帘３值挠绊憽?/p>

在坡耕地因子水土流失敏感性較高地區(qū)中，坡耕地面積較大的子長(zhǎng)縣、志丹縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)、富縣，水土流失的治理應(yīng)該根據(jù)坡耕地的類(lèi)型進(jìn)行差別治理。在坡耕地較為平緩的地區(qū)，可以推行繼續(xù)耕作的相關(guān)措施。如，選擇種植秸稈類(lèi)可以有效改善土壤質(zhì)量的農(nóng)作物，改坡耕地為梯田等；在坡度較大的坡耕地區(qū)域，可實(shí)行等高耕作，壟溝種植等措施，此外，在該類(lèi)區(qū)域，退耕還林措施較難施行，可選擇種植草坪、果樹(shù)，或是輔以培地埂，挖水平溝，修水平臺(tái)地等工程強(qiáng)化措施后再進(jìn)行造林。

在溝壑密度敏感性較高、地表較為破碎的區(qū)域，如志丹縣、安塞區(qū)、延長(zhǎng)縣、洛川縣和吳旗縣等地區(qū)，可采取相應(yīng)的固溝、護(hù)坡和保塬措施，如建壩、修建水庫(kù)、營(yíng)造防護(hù)林、封坡育草等。

自20世紀(jì)末開(kāi)始，延安市積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，實(shí)施退耕還林還草等工程。實(shí)踐證明，通過(guò)實(shí)施該項(xiàng)工程，延安市的植被指數(shù)得到顯著提高，生態(tài)環(huán)境狀況逐漸提升，水土流失綜合治理程度提高25%以上[12]。但由于城市化進(jìn)程的加快，以延安市市區(qū)為代表的部分地區(qū)的植被有一定程度退化[13]。因此，為了保障高水平的人民生活和高質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還需將各項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)工程作為長(zhǎng)期堅(jiān)持的工作。