北方土石山區(qū)土壤侵蝕對(duì)典型地形因子的響應(yīng)
——以北京市房山區(qū)為例

郭珂歆， 艾 剛， 馬興祥， 何 鑫

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，100083，北京)

USLE土壤流失方程是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型中出現(xiàn)最早且影響最廣的模型，Wischmeier歸納出通用土壤流失方程USLE[1]，被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕預(yù)測(cè)、土壤侵蝕時(shí)空變化、評(píng)估區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)等領(lǐng)域[2-3]。北京市房山區(qū)現(xiàn)有的土壤侵蝕研究主要集中在水土保持效益評(píng)價(jià)[4]以及不同雨型對(duì)坡面土壤侵蝕的影響分析[5]，欠缺針對(duì)房山區(qū)土壤侵蝕對(duì)典型地形因子響應(yīng)的研究；因此，筆者采用通用土壤流失方程USLE，結(jié)合GIS與RS技術(shù)對(duì)北京市房山區(qū)2013—2018年土壤水力侵蝕進(jìn)行模擬計(jì)算，定量評(píng)估北京市房山區(qū)土壤侵蝕分布格局與動(dòng)態(tài)特征，探索土壤侵蝕與地形因子的關(guān)系，并為研究區(qū)土壤侵蝕防治的重點(diǎn)布局決策提供參考。

1 研究區(qū)概況

北京市房山區(qū)地處華北平原和太行山交界地帶，介于E 115°25′～116°15′，N 39°30′～39°55′之間，總面積2 019 km2。房山區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季特征分明，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，多大到暴雨且雨量集中；多年平均氣溫10.8～11.6 ℃，多年平均降雨量為602.5～645.2 mm。房山區(qū)地貌西北高，東南低，由西北向東南依次為中山、低山、丘陵、崗臺(tái)地、沖(洪)積平原，其中66%的區(qū)域?yàn)樯降厍鹆?；海拔區(qū)間為-8～2 014 m，平均381.92 m。根據(jù)南京土壤所提供的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)分析得知，房山區(qū)土壤類(lèi)型以褐土為主，占全區(qū)面積的51.91%，集中分布于研究區(qū)南部及西部，土壤質(zhì)地以壤質(zhì)為主，其中輕壤質(zhì)占78.80%，中壤質(zhì)和砂壤質(zhì)分別占全區(qū)總面積的6.14%和9.42%。房山區(qū)植物茂盛，種類(lèi)眾多，植物種類(lèi)共137科、545屬、1 064種。區(qū)域內(nèi)土地利用類(lèi)型以農(nóng)用地為主，其中林地占農(nóng)用地總面積的63.24%，分布于全區(qū)的西部和北部山區(qū)，耕地占農(nóng)用地面積的25.50%，分布于東部平原地區(qū)。根據(jù)水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)《全國(guó)水土保持規(guī)劃國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)復(fù)核劃分成果》的通知(辦水保[2013]188號(hào)文)，房山區(qū)為太行山國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)；房山區(qū)屬于全國(guó)水土保持規(guī)劃(2015—2030)中北方土石山區(qū)(北方山地丘陵區(qū))太行山東部山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)，水土流失以微度和輕度水力侵蝕為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

筆者利用GIS，結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)建立土壤侵蝕方程，計(jì)算研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)及侵蝕量，并劃分土壤侵蝕等級(jí)，分析房山區(qū)土壤侵蝕狀況。主要數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1所示。

表1 數(shù)據(jù)及來(lái)源

2.2 土壤侵蝕因子計(jì)算

通用土壤流失方程由6個(gè)影響因子組成[1]，其中降雨侵蝕力因子R由氣象數(shù)據(jù)計(jì)算并插值后得出；土壤可蝕性因子K先根據(jù)土壤屬性劃分出研究區(qū)各土壤類(lèi)型，然后根據(jù)土壤類(lèi)型計(jì)算得出；坡長(zhǎng)、坡度因子LS由數(shù)字高程模型計(jì)算；作物覆蓋和管理因子C由植被指數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算得出；水土保持措施因子P由土地利用數(shù)據(jù)查表得出；最后將6項(xiàng)因子相乘得到土壤侵蝕模數(shù)A，其中各因子含義、計(jì)算公式與單位見(jiàn)表2。

表2 各因子含義、計(jì)算公式與單位

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕總量與等級(jí)變化

根據(jù)土壤流失方程計(jì)算得出2013—2018年房山區(qū)土壤侵蝕量，各年土壤侵蝕總量逐漸減少，從2013年的最高70.694萬(wàn)t降低至2018年的29.082萬(wàn)t，其余各年土壤侵蝕量為：2014年53.138萬(wàn)t、2015年42.699萬(wàn)t、2016年48.504萬(wàn)t、2017年43.509萬(wàn)t(圖1)。根據(jù)SL190—2007《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》將土壤水力侵蝕劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈6個(gè)不同的等級(jí)，微度侵蝕等級(jí)各年平均占比64.13%，其次為輕度侵蝕占比29.99%，其余各更高侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積占比<6%，且各年微度侵蝕面積占比逐步上升，由2013年的55.74%至2018年的71.70%。綜上2013年至2018年間土壤侵蝕強(qiáng)度的變化，表明房山區(qū)土壤侵蝕狀況逐步好轉(zhuǎn)。

圖1 房山區(qū)不同年度土壤侵蝕量Fig.1 Soil erosion in different years in Fangshan district

3.2 土壤侵蝕對(duì)典型地形因子的響應(yīng)

3.2.1 高程 高程對(duì)于土壤侵蝕量具有顯著影響，不同高程帶上地貌、降雨、植被類(lèi)型特征均直接影響土壤侵蝕量[11]。根據(jù)研究區(qū)的高程范圍(21～2 019 m)，參考類(lèi)似研究[12]的做法，以區(qū)分高程梯度為目的，將房山區(qū)所涉及高程均分<400 m、[400，800) m、[800，1 200) m、[1 200，1 600) m、≥1 600 m 5個(gè)范圍。并與各年房山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)分布圖進(jìn)行疊加分析，得到不同高程帶的土壤侵蝕特征。

從平均土壤侵蝕模數(shù)來(lái)看(圖2)，各年[400,800) m高程的土壤侵蝕模數(shù)均最高，其次為<400 m高程范圍，[400，1600) m高程范圍平均土壤侵蝕模數(shù)隨高程升高而下降。

圖2 各年各高程帶土壤平均侵蝕量模數(shù)與土壤侵蝕量Fig.2 Soil erosion modulus and soil erosion amount of each elevation grade in each year

土壤侵蝕量方面(圖3)，各高程帶土壤侵蝕量隨著高程升高而減小，40%以上侵蝕量都發(fā)生在<400 m高程一帶，且除<400 m高程帶外，各高程帶的土壤侵蝕量占比總體上逐漸減少，說(shuō)明≥400 m高程帶的土壤侵蝕狀況恢復(fù)較明顯。

圖3 各年各高程帶土壤侵蝕量占比Fig.3 Ratio of soil erosion amount at each elevation grade in each year

3.2.2 坡度 按照GB/T 15772—2008《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》，將地表坡度劃分為微坡[0°，5°)、較緩坡[5°，8°)、緩坡[8°，15°)、較陡坡[15°，25°)、陡坡[25°，35°)、極陡≥35°6個(gè)等級(jí)并與房山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)分布圖進(jìn)行疊加分析，得到不同坡度帶的土壤侵蝕特征。

從土壤侵蝕模數(shù)上來(lái)看(圖4和圖5)，在[0°，25°)坡度等級(jí)，平均土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度增加而增大，坡度越陡的地區(qū)在難以形成植被覆蓋的條件下，潛在的土壤侵蝕量也較大。但在≥25°的坡度等級(jí)下，土壤侵蝕模數(shù)出現(xiàn)了一定程度的下降，其原因是坡度過(guò)陡時(shí)，降水在這一坡度等級(jí)地點(diǎn)停留時(shí)間縮短，快速形成徑流轉(zhuǎn)移至其他地點(diǎn)。在2013年較陡坡平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到各年各坡度等級(jí)最高的841.40 t/(km2·a)，但隨著時(shí)間推移，各坡度帶上的土壤侵蝕模數(shù)都出現(xiàn)逐步下降的情況。

圖4 各年各坡度等級(jí)土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量變化圖Fig.4 Soil erosion modulus and soil erosion amount of each slope grade in each year

圖5 各年各坡度等級(jí)土壤侵蝕量變化圖Fig.5 Soil erosion amount of slope grade in each year

從土壤侵蝕量上來(lái)看，主要的侵蝕量分布于[0°，5°)的微坡等級(jí)區(qū)域，該等級(jí)的土壤侵蝕量占到總侵蝕量>73%，微坡、較緩坡、緩坡等級(jí)在各年的侵蝕量分布都相對(duì)均勻。從各坡度帶侵蝕量占比年際變化上來(lái)看，各年各坡度等級(jí)侵蝕量分布較為均衡，但2018年微坡等級(jí)侵蝕量占比較2013年有一定降低?？傮w上由于微坡等級(jí)面積較大，則微度等級(jí)土壤侵蝕量也較大；其他坡度等級(jí)因面積較小，盡管土壤侵蝕模數(shù)較微坡等級(jí)大，但其土壤侵蝕量小于總量的30%。

4 結(jié)論

1)北京市房山區(qū)的年度土壤侵蝕總量，隨著時(shí)間推移逐漸減少，自2013年至2018年土壤侵蝕總量減少58.86%，研究區(qū)的土壤侵蝕總量明顯降低。

2)在不同侵蝕強(qiáng)度面積中，房山區(qū)以微度侵蝕面積占比最大，各年度微度侵蝕面積占比均在55%以上；隨時(shí)間推移微度侵蝕面積逐漸增加，自2013年55.74%增至2018年71.70%，則研究區(qū)的土壤侵蝕面積明顯減少。

3)在不同高程范圍內(nèi)，以[400，800) m高程區(qū)間的土壤侵蝕模數(shù)較高，以[0，800) m高程區(qū)間的土壤侵蝕量占比較大，各年占比均>60%。

4)在不同坡度范圍內(nèi)，以[15°，25°)較陡坡等級(jí)的土壤侵蝕模數(shù)較高，以[0°，5°)微坡等級(jí)的土壤侵蝕量占比較大，各年微坡等級(jí)的土壤侵蝕量占比>73%。

本研究結(jié)論還局限于基于1 000 m衛(wèi)星影像獲取土地利用等數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，研究區(qū)在更高分辨率(如2 m等)影像下表現(xiàn)的土壤侵蝕分布特征及其與本結(jié)果的差別還需要進(jìn)一步研究。