基于水土流失經(jīng)驗?zāi)Ｐ?RUSLE模型)的黃河中游典型小流域水土流失特征分析

孫從建，林若靜，鄭振婧，王佳瑞，孫九林，2

(1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

【研究意義】土壤侵蝕是土壤及其母質(zhì)在水力、重力等作用下，發(fā)生破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1]，是當前黃河中游地區(qū)最為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[2]。嚴重的土壤侵蝕導(dǎo)致黃河中游土壤肥力急劇下降、地表植被退化、土地生產(chǎn)力降低，已嚴重威脅到區(qū)域生態(tài)安全[3]。近年來，受氣候變化和人類無序開發(fā)的聯(lián)合影響，黃河中游地區(qū)土壤侵蝕面積高達21.37萬km2，占土地總面積的37.19%；日益嚴峻的土壤侵蝕問題已成為制約區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的桎梏[4]。2019年9月，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上指出——“黃河中游地區(qū)的發(fā)展應(yīng)以生態(tài)保護和治理為前提，控制區(qū)域水土流失是當前黃河中游生態(tài)恢復(fù)的重要舉措，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，著力加強生態(tài)保護治理，實現(xiàn)黃河中游的生態(tài)恢復(fù)”，這需要進一步加強對區(qū)域土壤侵蝕規(guī)律的認識?！厩叭搜芯窟M展】我國土壤侵蝕研究始于20世紀中葉[5]，朱顯漠及黃秉維等[6-7]對我國部分典型區(qū)域的土壤侵蝕類型進行了分類，為土壤侵蝕的定量研究奠定了基礎(chǔ)；其后，在水土流失嚴重的黃土丘陵溝壑區(qū)，江忠善[8-9]基于長期溝道小流域?qū)崪y資料，建立了未治理流域暴雨產(chǎn)沙預(yù)報模型，有效提高了區(qū)域水土流失防治能力；此后，數(shù)值模型法在黃河流域得到了較為廣泛的應(yīng)用。近年來，宏觀產(chǎn)沙模型、環(huán)境同位素示蹤模型以及基于觀測數(shù)據(jù)的CSLE模型，都被用在黃河中小流域的研究中，但由于上述方法數(shù)據(jù)收集難、空間實用性相對較差等原因，并未得到廣泛推廣[10-12]。隨著遙感影像分辨率的提高、GIS分析手段的發(fā)展，基于GIS技術(shù)的土壤侵蝕經(jīng)驗統(tǒng)計模型逐漸成為土壤侵蝕研究的重要途徑。由美國農(nóng)業(yè)部于1997年發(fā)布并修正的土壤流失經(jīng)驗?zāi)Ｐ?RUSLE模型)是目前應(yīng)用最廣、使用最便捷的土壤侵蝕模型[13]。與其他方法相比，該方法不僅具有使用便捷、效率高、精度高、可視化等特征，而且可實現(xiàn)大尺度土壤侵蝕時空動態(tài)監(jiān)測，因此得到的較好的推廣[14]?；贕IS和RUSLE模型，部分研究者系統(tǒng)分析了典型區(qū)域的土壤侵蝕特征及規(guī)律。Panagos等[15]運用RUSLE模型分析了歐洲范圍內(nèi)的土壤侵蝕強度；Gansri等[16]結(jié)合GIS技術(shù)通過RUSLE模型對印度西南部Nethravathi盆地的土壤侵蝕現(xiàn)狀進行了評估；張恩偉等[17]基于GIS和RUSLE模型對滇池流域土壤侵蝕進行分析，指出滇池流域土壤侵蝕敏感性正呈下降趨勢；李賽賽等[18]基于該模型對太子河流域的土壤侵蝕時空分布狀況開展了系統(tǒng)評價。在黃土高原地區(qū)，部分研究者基于RUSLE模型及GIS技術(shù)開展了陜北及甘肅地區(qū)土壤侵蝕特征的定量化研究，并取得了較好的研究效果[19]?！颈狙芯壳腥朦c】目前，針對黃河以東的丘陵溝壑區(qū)的土壤侵蝕特征及其規(guī)律研究較少。黃河以東的丘陵溝壑區(qū)水土流失嚴重，是黃河中游土壤侵蝕最為嚴重的地方，以往研究偏重于土壤侵蝕治理措施的研究(植物保護、工程保護)，缺少針對不同等級土壤侵蝕量時空分布的合理分析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為了加強黃河丘陵溝壑區(qū)典型小流域土壤侵蝕規(guī)律的認識，選取黃河中游典型小流域(鄂河流域)作為研究區(qū)，利用RUSLE模型，基于多期遙感影像數(shù)據(jù)，定量分析黃河中游典型小流域土壤侵蝕的時空分布規(guī)律，篩選出區(qū)域土壤侵蝕敏感區(qū)域，其研究結(jié)果將為區(qū)域水土流失防治、黃河中游生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與治理提供重要的理論支撐。

1 研究區(qū)概況

本文選取黃河中游典型的殘塬溝壑區(qū)—鄂河流域作為典型研究區(qū)(圖1)，顎河全長71.1 km，為黃河中游左岸一級支流，主要流經(jīng)山西省鄉(xiāng)寧縣、吉縣[20]，流域面積761.84 km2。該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶詺夂?，年均氣溫約10 ℃，年降雨量約600 mm，春季多風，夏季炎熱，秋季爽涼，冬季寒冷[21]。主要樹種有油松(PinustabuliformisCarr)、側(cè)柏[Platycladusorientalis(L.) Franco]、白皮松(P.bungeanaZucc)；灌木林樹種主要有黃刺梅(RosaxanthinaLindl)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)、荊條(VitexnegundoL)、酸棗(ZiziphusjujubaMill)等。主要種植小麥(Triticumaestivuml)、玉米(Zeamays)、谷子(Setariaitalica)、黍(Panicummiliaceum)等農(nóng)作物。研究區(qū)煤炭資源較為豐富[22]，礦產(chǎn)資源的開發(fā)和無序的人為活動也是該地區(qū)土壤侵蝕日益嚴重的重要原因。2017年水利部將該地區(qū)納入黃土高原水土流失重點保護區(qū)域。

2 材料與方法

2.1 RUSLE模型

RULSE模型(The Revised Universal Soil Loss Equation)是美國農(nóng)業(yè)部于1997年在通用土壤流失模型USLE (The Universal Soil Loss Equation)基礎(chǔ)上修訂實施的一種適用范圍更廣的修正模型[13]。RUSLE模型目前已在國內(nèi)外的土壤侵蝕預(yù)測研究中廣泛應(yīng)用[23-24]。

圖1 研究區(qū)(鄂河流域)空間分布Fig.1 The information of study area

表1 數(shù)據(jù)及其來源

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中，A為年土壤侵蝕量，R為降水侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]，K為土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]，LS為坡長坡度因子，C為覆蓋與管理因子，P為水土保持因子。本研究基于2000年以來的降雨量數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，遙感影像為基礎(chǔ)(表1)，通過對數(shù)據(jù)的計算與分析，提取出影響土壤侵蝕的各個因子，系統(tǒng)地分析研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)模數(shù)及強度等級。

2.2 土壤侵蝕估算模型因子

2.2.1 降水侵蝕力因子(R) 降水侵蝕力因子是指由降水引起的土壤侵蝕的潛在能力[25]，是一項反映降雨對土壤侵蝕影響的重要指標，是進行土壤侵蝕預(yù)報的重要因子。本文選取章文波等[26]修正的Richardson日降水侵蝕力估算模型計算降水侵蝕力。

(2)

式中，R半月為第i個半月時段的降水侵蝕力R值，k為某半月內(nèi)侵蝕性降水時間(d)；pk為半月內(nèi)第k天≥12 mm的日雨量；α、β為模型參數(shù)。

α=21.586×β-7.1891

(3)

(4)

式中，pd12為日雨量≥12 mm 的日平均雨量 (mm)；py12為日雨量≥12 mm 的年平均雨量[27]。利用上式計算逐年各半月的降水侵蝕力，經(jīng)匯總可得到月降水侵蝕力、年降水侵蝕力和多年平均降水侵蝕力。

2.2.2 坡長坡度因子LS的計算 坡長坡度是影響區(qū)域土壤侵蝕的重要因素，是土壤侵蝕模型構(gòu)建過程中的必要輸入?yún)?shù)，本文基于區(qū)域DEM高程圖提取獲得區(qū)域坡長坡度的信息[27]，具體公式如下：

L=(λ/22.3)α

(5)

式中，L為標準化到22.13 m坡長上的土壤侵蝕量；λ為坡長，表示為：

λ=a×b

(6)

式中，a為上坡來水流入該像元的總像元數(shù)，由ArcGIS中Toolbox中水文分析模塊得出，b是像元的邊長。

α為坡長因子指數(shù)，其表達式為：

a=m/(1+m)

(7)

m=(sinθ/0.0896)(3.0 sinθ0.8+0.56)

(8)

式中，θ為坡度，可通過ArcGIS中3D Analysis中柵格表面分析得出。在這里θ角度轉(zhuǎn)化為弧度計算，其表達式為：

θ=(Slope×π)/180

(9)

坡度因子S采用分段計算[26]，其表達式為：

(10)

使用上述方法提取研究區(qū)的LS地形因子，計算結(jié)果如圖2-a所示。

2.2.3 土壤可侵蝕性因子 土壤可侵蝕因子K值是衡量土壤抗蝕性的指標，指單位侵蝕力所產(chǎn)生的土壤侵蝕量，反映土壤對侵蝕的敏感性，它與土壤質(zhì)地、土壤組成、土壤滲透性等因素有關(guān)[28]，是土壤抵抗侵蝕能力的綜合體現(xiàn)。本文通過1∶100萬的土壤數(shù)據(jù)庫，提取表層土壤的砂粒，粉砂，粘粒，有機碳的含量，以Williams等發(fā)展的僅有土壤顆粒和有機碳組成數(shù)據(jù)來估算K值[29]，其表達式為：

K=K1×K2×K3

(11)

圖2 研究區(qū)各個因子值空間分布Fig.2 The spatial distribution of value in the study area

(12)

(13)

(14)

(15)

式中，Sd為沙粒含量，Si為粉粒含量，Ci為黏粒含量，Cor為表層土壤有機碳含量，計算結(jié)果如圖2-b所示。

2.2.4 植被覆蓋與管理因子C植被覆蓋與管理因子C指在其他因子相同的條件下，在某一特定作物或植被覆蓋下的土壤流失量與耕種后的連續(xù)休閑地的流失量的比值[30]，它與植被覆蓋度和土地利用密切相關(guān)，其值在0～1，本文采用蔡崇法等[31]的方法，C的表達式為：

(16)

其中,fc的表達式[28]為:

(17)

式中，fc為植被覆蓋度(%)，INDV為歸一化植被指數(shù)，INDV，min，INDV，max為分別為研究區(qū)INDV的最小值和最大值，選取5%、95%處為最小值最大值。

2.2.5 水土保持因子P水土保持因子P指水土保持措施，是采取水土保持措施后的土壤流失量與順坡種植土壤流失量的比值[32]。其值一般在0～1，1為未采取任何水土措施的地區(qū)，0為不會發(fā)生侵蝕的地區(qū)。本文根據(jù)傅世鋒等[33]按照土地利用方式確定水土保持因子，采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的辦法，對研究區(qū)土地利用進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕模數(shù)的時間變化

將研究區(qū)2000年以來的降雨侵蝕力因子、土壤可侵蝕因子、坡長坡度因子、植被覆蓋與管理因子及水土保持因子進行乘法運算，計算出2000年以來研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，并統(tǒng)計研究區(qū)的平均侵蝕模數(shù)(圖3)。研究區(qū)侵蝕模數(shù)大小整體呈“增加—減少—增加”的趨勢， 2005，2010，2018年土壤侵蝕模數(shù)相較于前一階段分別增加22.53%、44.75%、28.17%，2015年土壤侵蝕模數(shù)最低，為1200.87 t/(km2·a)，但2018年土壤侵蝕模數(shù)出現(xiàn)反彈，與 2000年侵蝕模數(shù)相比，2018年土壤侵蝕模數(shù)較小，即土壤侵蝕總體呈下降趨勢。從土壤侵蝕模數(shù)空間分布來看，2000年以來的土壤侵蝕區(qū)域大部分集中于流域的河流溝道密集區(qū)(圖4)。

3.2 土壤侵蝕強度的空間變化

土壤侵蝕分級標準參照SL190—2007《土壤侵蝕分類標準》[35]在ArcMap中對研究區(qū)2000年以來土壤侵蝕進行重分類得到各級土壤侵蝕強度，并求出研究區(qū)不同侵蝕強度所占的面積和百分比(表2)。研究區(qū)侵蝕強度大部分為微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕，其次為強烈與極強烈侵蝕，土壤劇烈侵蝕所占面積最少。微度侵蝕所占的面積由2000年70.02%下降到2010年64.33%，2015年以后又呈現(xiàn)上升趨勢，即研究區(qū)微度侵蝕面積呈先下降后上升趨勢。研究區(qū)輕度侵蝕面積也呈先下降后上升再下降的趨勢，2000—2010年，研究區(qū)輕度侵蝕面積下降，但自2015年開始出現(xiàn)大幅度增加(占比達到28.35%)，2015—2018年間輕度侵蝕面積有所下降。與前2種變化不同的是，研究區(qū)中度侵蝕面積呈現(xiàn)“上升—下降—上升”的變化趨勢，2000—2005年中度侵蝕所占面積上升，此后中度侵蝕面積由2010年的10.47%下降至2015年的4.39%，2018年侵蝕面積占比上升為7.77%。強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕所占比重在過去20年間呈現(xiàn)顯著的下降趨勢?？傮w上，研究區(qū)土壤侵蝕強度變化總趨勢由高等級侵蝕強度向低等級侵蝕強度轉(zhuǎn)變，但微度和中度侵蝕轉(zhuǎn)化相對活躍。

圖3 研究區(qū)各年份平均土壤侵蝕模數(shù)Fig.3 The trend of the average soil erosion index of study area

圖4 研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)空間分布Fig.4 The spatial distribution of the average soil erosion index

3.3 土壤侵蝕強度的空間分布

為系統(tǒng)分析不同強度土壤侵蝕在研究區(qū)的空間分布變化特征，將研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)按照土壤侵蝕分類標準進行重分類，得到研究區(qū)各年土壤模數(shù)強度等級時空變化(圖5)。2000—2005年，微度侵蝕和輕度侵蝕呈由北向南減少的趨勢。2015年

表2 研究區(qū)各侵蝕強度等級的土壤侵蝕面積

a:微度侵蝕；b：輕度侵蝕；c：中度侵蝕；d：強烈侵蝕；e：極強烈侵蝕；f：劇烈侵蝕a: Micro-erosion；b: Mild erosion；c: Moderate erosion；d: Intense erosion；e: Extremely intense erosion；f: Intense erosion圖5 研究區(qū)各年土壤模數(shù)強度等級時空變化Fig.5 Spatiotemporal variation of soil modulus strength grade in each year of the study area

以后，微度侵蝕向流域西部和南部擴散明顯，這與流域河道分布較相似，過去幾年的鄉(xiāng)村土建可能是這一變化的主要原因。輕度侵蝕在研究區(qū)內(nèi)有所增加，但在流域邊緣呈減弱趨勢。2000—2010年，中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕在流域各個區(qū)域均有分布，表明這一時間段流域土壤侵蝕較為嚴重；2015年以后3種侵蝕等級面積大幅度減少，呈點狀零散地分布在流域溝道地區(qū)；近年來，中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕面積又有所增加，中度侵蝕呈點狀分布在研究區(qū)各個區(qū)域，強烈侵蝕和極強烈侵蝕呈點狀和帶狀分布于流域溝道集中區(qū)。

3.4 土壤侵蝕時空格局演變

為了研究該地區(qū)在2000—2018年土壤侵蝕強度分級轉(zhuǎn)變特征，本文分析了該地區(qū)的等級升降變化，從時間上看，2000—2005年降級區(qū)面積占14.21%(表3)，升級區(qū)面積占17.52%；2005—2010年降級區(qū)面積占9.96%，升級區(qū)占21.80%，說明2000—2010年侵蝕面積增加，侵蝕等級上升，且增幅大于降幅，表明水土流失加??；2010—2015年降幅明顯大于增幅，劇烈、極強烈、強烈侵蝕降為中度、輕度或微度侵蝕，說明水土流失情況明顯好轉(zhuǎn)，但2015—2018年升區(qū)面積明顯增加，占總面積32.93%，其平衡面積增加為487.36 km2。總的來說，該地區(qū)在研究期內(nèi)土壤侵蝕總量相對穩(wěn)定，水土保持質(zhì)量呈先增后減的趨勢，但仍需要加強生態(tài)保護，建立可持續(xù)生態(tài)恢復(fù)措施。

表3 2000—2018年土壤侵蝕等級變化

從空間上看，土壤侵蝕平衡區(qū)主要集中在研究區(qū)的東北部和西部小部分區(qū)域(圖6)，升級區(qū)大多集中在研究區(qū)中部、北部及南部大部分區(qū)域。2010—2015年，土壤侵蝕升級區(qū)主要集中在流域溝壑處。因此，研究區(qū)中部、北部及南部是水土保持的重點區(qū)域，尤其流域溝壑是生態(tài)修復(fù)最為重要的區(qū)域。

4 討 論

黃河中游其他區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)介于76 570.8～1299.3 t/(km2·a)(表4)，這與本研究結(jié)果較為相似，進一步表明本研究的可信度較高。過去20年來黃河中游大部分土壤侵蝕模數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢，說明區(qū)域土壤侵蝕防治成效顯著。對比黃河中游不同區(qū)域發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域平原區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)遠低于丘陵溝壑區(qū)，且丘陵溝壑區(qū)年際間波動較大，表明丘陵溝壑地區(qū)是黃河中游水土流失防治的重要區(qū)域，亦是黃河中游生態(tài)恢復(fù)的主戰(zhàn)場。20世紀90年代以后，黃河中游開展了“淤地壩建設(shè)工程”生態(tài)恢復(fù)工程措施勢，并集中于2008年以后建成，土壤侵蝕狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，土壤侵蝕模數(shù)在2010年有明顯的下降趨勢，但值得注意的是，2015—2018年研究區(qū)土壤侵蝕表現(xiàn)出惡化的趨勢，這可能與淤地壩經(jīng)過多年運行，許多壩體工程因設(shè)施老化，存在不同程度的毀損，部分淤地壩已喪失繼續(xù)攔泥和防洪的能力有較大關(guān)系。研究區(qū)煤礦資源豐富，其城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展給該區(qū)域帶來了巨大的環(huán)境壓力，礦產(chǎn)的開采活動加劇使得該區(qū)域局部侵蝕的加劇，該地區(qū)在2006年以來推進生態(tài)建設(shè)，生態(tài)工程的建設(shè)能都改善土壤侵蝕情況，不同生態(tài)工程保護側(cè)重點不同導(dǎo)致土壤侵蝕強度改善程度不同，從而使得研究區(qū)微度侵蝕，輕度侵蝕和中度侵蝕有所增加，并且研究區(qū)山巒起伏，溝壑縱橫，人類活動劇烈的擾動下，會使得流域溝壑區(qū)土壤侵蝕加劇。

表4 黃河中游土壤侵蝕模數(shù)對比

為了進一步研究區(qū)域土壤侵蝕的敏感性影響因子，本研究開展了研究區(qū)主要土壤侵蝕影響因子對區(qū)域土壤侵蝕波動影響的敏感性分析，分析結(jié)果顯示，幾種因子中，降雨侵蝕力因子(R)與研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)聯(lián)程度最大，為0.80，植被覆蓋因子(C)次之，為0.67，水土保持因子關(guān)聯(lián)程度最小，為0.64，表明降雨強度是該地區(qū)土壤侵蝕加劇的重要驅(qū)動因子。侵蝕性降水是區(qū)域土壤侵蝕的最主要誘因，隨著近年來區(qū)域氣候變化的影響、極端降水事件頻次的增加，導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)在2015年之后有所反彈。在水土保持工作中，需結(jié)合當?shù)貙嶋H狀況因地制宜地采取相應(yīng)的水土保持措施，合理利用自然資源，盡可能減少降雨沖擊力，同時通過植樹造林、退耕還林等措施對該區(qū)域水土流失進行改善度。水土保持需要綜合考慮多個因素，單從某個方面采取保持措施可收獲甚微。

5 結(jié) 論

本研究利用RS和GIS技術(shù)，以鄂河流域作為研究區(qū)，結(jié)合修正后的土壤侵蝕模型(RUSLE)分析了2000，2005，2010，2015及2018年土壤侵蝕的時空變化特征，并得出以下結(jié)論。

(1)區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)過去20年來呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，但整體上呈下降趨勢，2010年前呈上升趨勢，平均侵蝕模數(shù)由2000年2938.06 t/(km2·a)上升到2010年的5359.81 t/(km2·a)，2010年后呈下降趨勢，其中2015年侵蝕模數(shù)達到最低，水土流失程度減弱，土壤侵蝕呈良性發(fā)展。

(2)過去20年研究區(qū)土壤侵蝕分布狀況呈變好趨勢，除輕度侵蝕面積上升外，其余各等級侵蝕面積均呈下降趨勢，土壤侵蝕強度逐步由強烈向微弱轉(zhuǎn)移，但微度侵蝕和中度侵蝕變化幅度較大，需要在水土保持工作中加強重視，以防其向惡性狀態(tài)發(fā)展。

(3)研究區(qū)土壤侵蝕主要集中分布在流域的溝道集中地區(qū)，在土壤侵蝕發(fā)生過程中，侵蝕首先發(fā)生在河流兩側(cè)，隨之向人類活動地區(qū)擴散，因此水土流失防治措施中，該區(qū)域應(yīng)列為水土保持的重點區(qū)域，防止土壤侵蝕程度加劇。

(4)該地區(qū)在研究期內(nèi)土壤侵蝕總量相對穩(wěn)定，水土保持質(zhì)量呈先增后減的趨勢，且惡化區(qū)大多集中在研究區(qū)中部、北部及南部大部分區(qū)域，因此，研究區(qū)中部，北部及南部是水土保持的重點區(qū)域，尤其是流域溝壑是生態(tài)修復(fù)最為重要區(qū)域。

2000年以來，經(jīng)過水土保持工作，如植樹造林、退耕還林、淤地壩修建等措施，鄂河流域土壤侵蝕的狀況略有好轉(zhuǎn)，但在2015年出現(xiàn)了反彈，并且在流域溝谷地區(qū)侵蝕變化明顯。因此，急需加強黃土高原的水土保持力度，大力開展水土保持工作，同時流域內(nèi)溝谷地區(qū)應(yīng)作為土壤侵蝕重點防治單位，如繼續(xù)建立及修復(fù)淤地壩等以促進水土保持。