基于RUSLE模型的黃土高原土壤侵蝕變化分析

梁鈺 汪洋

摘 要：土壤侵蝕是影響黃土高原生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素。為研究延安地區(qū)土壤侵蝕的時空變化，本文基于RUSLE模型并借助Arcgis10.2，以延安地區(qū)2012年、2015年和2018年的LandsatTM影像、DEM數(shù)據(jù)、日降水量數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和NDVI數(shù)據(jù)，得出延安地區(qū)各年土壤侵蝕模數(shù)并劃分土壤侵蝕等級。結(jié)果表明：延安地區(qū)2012—2018年，土壤侵蝕情況有所下降，特別是在2015—2018年，土壤侵蝕劇烈等級顯著降低。北部地區(qū)的土壤侵蝕等級較高，南部地區(qū)土壤侵蝕等級較低。黃河流域的土壤侵蝕等級隨時間變化較大，7年間土壤侵蝕強(qiáng)度明顯減弱，延安市的土壤侵蝕程度明顯改善。侵蝕強(qiáng)度的降低主要與當(dāng)?shù)貙嵤┑耐烁€林、治溝造地和打壩淤地等水土保持措施有關(guān)，本研究可為當(dāng)?shù)氐乃帘３止ぷ魈峁┛茖W(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕;RUSLE;時空變化;黃土高原;延安市

中圖分類號：S157 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0121-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.028

Abstract： Soil erosion is an important factor affecting the ecological environment quality of the Loess Plateau. In order to study the spatial-temporal changes of soil erosion in Yan 'an Region， based on RUSLE model and Arcgis10.2， this paper used LandsatTM images， DEM data， daily precipitation data， land use data， soil type data and NDVI data in Yan 'an region in 2012， 2015 and 2018. The soil erosion modulus and soil erosion grade in Yan 'an area were obtained. The results showed that the degree of soil erosion in Yan 'an area decreased from 2012 to 2018， especially during 2015 to 2018， the severity level of soil erosion decreased significantly. The grade of soil erosion is higher in the northern region and lower in the southern region. The soil erosion level of the Yellow River basin changed greatly over time， the intensity of soil erosion was obviously weakened， and the soil erosion degree of Yan 'an city was obviously improved. The decrease of erosion intensity is mainly related to the local soil and water conservation measures such as returning farmland to forest， constructing ditches for land and dredging for dam. This study is helpful to provide scientific basis for local soil and water conservation work.

Keywords： soil erosion; RUSLE; space-time change; Loess Plateau; Yan 'an

0 引言

黃土高原地區(qū)是目前世界上土壤侵蝕強(qiáng)烈、侵蝕危害嚴(yán)重的地區(qū)之一，嚴(yán)重的水土流失問題致使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，制約了社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。此外黃土高原土壤侵蝕導(dǎo)致大量流失的泥沙淤積在干支流河道，對黃河中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了諸多不利影響[1]。土壤侵蝕極易造成土壤養(yǎng)分流失、土地生產(chǎn)能力退化，導(dǎo)致該地區(qū)的耕地質(zhì)量下降，危害當(dāng)?shù)氐募Z食生產(chǎn)安全;同時，土壤的流失也造成植被生長環(huán)境變壞，破壞當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有裕o當(dāng)?shù)貛砭薮蟮纳鷳B(tài)安全隱患[2]。因此，研究黃土高原的土壤侵蝕情況對科學(xué)判別該地區(qū)的生態(tài)安全具有重要意義。當(dāng)前，國內(nèi)外定量地評估土壤侵蝕等相關(guān)研究已經(jīng)較為成熟，大多數(shù)研究主要借助修正過的通用土壤流失方程（RUSLE）對某一區(qū)域的土壤侵蝕狀況進(jìn)行研究[3-6]。近幾年隨著國家治理對策的精準(zhǔn)實施，該地區(qū)的土壤侵蝕狀況有所改善[7]。筆者以陜西省延安市為研究區(qū)，借助RUSLE模型探究延安市土壤侵蝕的空間格局及其動態(tài)變化，希望能為該地區(qū)的水土治理提供科學(xué)的基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省延安市位于黃土高原中南部，地域遼闊，總面積為37 037 km2。其地勢西北高東南低，海拔普遍較高，當(dāng)?shù)卮硇缘牡孛差愋椭饕屈S土高原和丘陵溝壑。延安市的氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，因受季風(fēng)的影響，季節(jié)降水差異明顯，降水多集中夏季，且多暴雨，降水強(qiáng)度大，年均夏季降水量310 mm左右，占年總量的57%。當(dāng)?shù)厮亮魇л^嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國退耕還林還草的重點區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用的2012年、2015年和2018年的LandsatTM影像及DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）空間分辨率為30 m。日降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象共享網(wǎng)（http：//www.resdc.cn/）。延安市土壤類型相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于中科院南京土壤所1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫。延安市土地利用類型數(shù)據(jù)（2012年、2015年、2018年）和延安市NDVI數(shù)據(jù)（2012年、2015年、2018年7月）均來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）。

1.3 研究方法

1.3.1 水土流失模型及各因子計算方法。因為USLE模型中各因子參數(shù)較為復(fù)雜，且獲取難度較大，在此主要借鑒具有更高精度的經(jīng)過修正的通用土壤流失方程RUSLE模型[8]，其表達(dá)式為式（1）。

式中：A為年土壤流失量，單位為t·hm-2·a-1，R為降雨和徑流因子;K為土壤可蝕性因子;L為坡長因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子，C與P為無量綱單位。各因子計算方法如下。

①降雨侵蝕力因子R。降雨侵蝕力反映降雨引起土壤分離和搬運(yùn)的動力大小，即降雨產(chǎn)生土壤侵蝕的潛在能力。本研究選用章文波[9]等提出的基于日降雨資料的年降雨侵蝕力簡易算法，公式如（2）（3）（4）。

式中：表示第i個半月時段的降雨侵蝕力;Dj為半月內(nèi)第j天的日雨量≥12 mm;k為時段內(nèi)的侵蝕性降雨天數(shù);Pd12為日雨量≥12 mm的日平均雨量;Py12為≥12 mm日雨量總和相加的平均值;α、β為模型參數(shù)。

②土壤可蝕性因子K。RUSLE模型中將土壤可蝕性定義為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)內(nèi)單位降雨侵蝕力引起的土壤流失率。本研究以土壤類型圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)采用EPIC模型進(jìn)行計算不同類型土壤的K值[10]。

式中：SAN、SIL、CLA和C分別代表砂粒、粉粒、黏粒和有機(jī)碳含量，單位為%，其中SN1=1-SAN/100。

③地形因子LS?？紤]到黃土高原陡坡地較多，借鑒前人的計算方法求坡度坡長因子[11]，公式為（6）（7）（8）（9）（10）。

式中：S為坡度因子;L為坡長因子;θ為坡度;λ為坡長;m為坡長指數(shù)。

在RUSLE模型中用C因子來反映植被覆蓋和管理措施對土壤侵蝕的影響，其取值介于0～1。參考有關(guān)研究成果，賦予研究區(qū)不同土地利用類型和不同蓋度的C值公式如式（11）。

式中：c%為植被覆蓋度，計算c%公式如式（12）。

④水土保持措施因子P。P因子的取值參考前人的研究成果，對研究區(qū)不同土地利用類型進(jìn)行賦值[12]，具體如表1所示。

2 結(jié)果分析

通過利用RUSLE模型計算出延安地區(qū)的土壤侵蝕程度如圖1所示，不難發(fā)現(xiàn)從2012—2018年，土壤侵蝕情況下降明顯，特別是在2015—2018年，土壤侵蝕等級劇烈，等級顯著降低。從空間上看，延安北部地區(qū)的土壤侵蝕等級較高，南部地區(qū)土壤侵蝕等級較低。從土壤侵蝕等級情況圖中可以看出，2012年延安市整體侵蝕較為嚴(yán)重，中部和北部絕大部分地區(qū)的土壤侵蝕程度都處于劇烈、極強(qiáng)烈、強(qiáng)烈的等級，南部地區(qū)也有部分地區(qū)的存在中度到劇烈等不同程度的土壤侵蝕等級，可以明顯看出超過一半以上的區(qū)域的土壤侵蝕問題較為嚴(yán)重;2015年延安市的土壤侵蝕問題得到一定的改善，南部地區(qū)的土壤侵蝕問題改善較為顯著，大部分地區(qū)的土壤侵蝕等級為微度和輕度等級，中部和北部地區(qū)的土壤侵蝕等級由劇烈和強(qiáng)烈轉(zhuǎn)為了中度，土壤侵蝕問題朝良性方向發(fā)展。2018年，經(jīng)過長期大量的水土流失治理工作，能明顯看出延安市的土壤侵蝕問題得到顯著的改善，僅有北部和東北部的少部分地區(qū)仍然較明顯地存在劇烈和極強(qiáng)烈的土壤侵蝕等級，整個市域范圍內(nèi)劇烈侵蝕的面積減少了很多，中北部地區(qū)劇烈和極強(qiáng)烈侵蝕空間分布已經(jīng)由連續(xù)的大面積塊狀變?yōu)橐詳鄶嗬m(xù)續(xù)的小塊狀為主，中部地區(qū)劇烈侵蝕已經(jīng)呈現(xiàn)點狀分布，很多劇烈侵蝕的區(qū)域侵蝕程度明顯降低。從2012年到2018年土壤侵蝕變化最明顯的是延安市北部的黃河流域的土壤侵蝕等級，其隨時間變化較大，土壤侵蝕程度明顯改善。圖1上看出延安市的水土流失治理效果非常明顯，這與延安市實施退耕還林還草和封山禁牧等林業(yè)生態(tài)工程密切相關(guān)。

2012年、2015年和2018年土壤侵蝕統(tǒng)計用修正后的土壤流失模型計算A值，最終得到土壤侵蝕強(qiáng)度，各級侵蝕面積占延安市地區(qū)面積的百分比如表2所示，可以明顯看出研究期間內(nèi)水土流失現(xiàn)象在減少，土壤侵蝕情況下降較快。

基于GIS分析柵格計算器得到不同時段研究區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度等級轉(zhuǎn)移矩陣，如表3、表4、表5所示。

根據(jù)以上3表可知，時段2012—2015年內(nèi)，土壤侵蝕強(qiáng)度減輕（即侵蝕強(qiáng)度降級）和加?。辞治g強(qiáng)度升級）的面積分別占流域總面積的23.66%和1.28%，土壤侵蝕強(qiáng)度沒有變化的為75.06%，水土保持情況基本較好。時段2015—2018年，土壤侵蝕強(qiáng)度減輕的面積占比高達(dá)28.17%，而土壤侵蝕強(qiáng)度加劇的面積占4.92%，土壤侵蝕強(qiáng)度沒有變化的為66.91%。而從2012—2018年，土壤侵蝕強(qiáng)度減輕的面積占比高達(dá)40.18%，而土壤侵蝕強(qiáng)度加劇的面積僅占2.40%，土壤侵蝕強(qiáng)度沒有變化為57.22%。從上述不同時段的變化可以看出，2012—2018年，在空間上侵蝕減弱占比很高，主要以侵蝕強(qiáng)度減輕為主。其中延安市北部、西部以及中部等侵蝕強(qiáng)度嚴(yán)重的地區(qū)在空間上減輕的最為明顯，大部分土壤侵蝕強(qiáng)度為劇烈和極強(qiáng)烈的地區(qū)得到有效治理，主要與國家對黃土高原進(jìn)行退耕還林工程有關(guān)，特別是與延長、志丹等縣域?qū)嵭械闹螠显斓毓こ檀胧╆P(guān)系密切。同時，各個縣域積極實行坡田建設(shè)、於地壩建設(shè)、治溝造地等惠民工程措施，都有效地預(yù)防和減少了水土流失。

土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果顯示，時段2012—2015年內(nèi)有75.06%的區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度等級未發(fā)生變化;流域侵蝕強(qiáng)度減輕，主要是由輕度轉(zhuǎn)微度、中度轉(zhuǎn)輕度、強(qiáng)烈轉(zhuǎn)中度、極強(qiáng)烈轉(zhuǎn)強(qiáng)烈所致，面積占比為0.61%;高侵蝕等級向低侵蝕等級轉(zhuǎn)換的面積比例為23.66%，比低侵蝕強(qiáng)度向高侵蝕強(qiáng)度等級轉(zhuǎn)換的面積比例1.28%高了22.38%，說明在這期間土壤侵蝕強(qiáng)度得到大幅度降低。時段2015—2018年內(nèi)，有66.93%的區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度等級未發(fā)生變化;高侵蝕等級向低侵蝕等級轉(zhuǎn)換的面積占比28.18%，比較低侵蝕強(qiáng)度向高侵蝕強(qiáng)度等級轉(zhuǎn)換的比例4.89%高了近13.29%，期間流域土壤侵蝕強(qiáng)度仍在降低。時段2012—2018年內(nèi)，有57.42%的區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度等級未發(fā)生變化;高侵蝕等級向低侵蝕等級轉(zhuǎn)換的面積比例為40.18%，與較低侵蝕強(qiáng)度向高侵蝕強(qiáng)度等級轉(zhuǎn)換的比例2.40%高了近37.79%，說明這7年期間流域土壤侵蝕強(qiáng)度明顯減少。

3 結(jié)論

①2012—2018年，整體上延安市土壤侵蝕狀況下降顯著，尤其是2015—2018年土壤流失量減少最為劇烈。空間上延安市北部緊鄰的黃河西岸的土壤侵蝕比較嚴(yán)重，延安南部水土保持狀況相對良好。

②延安市2012—2018年土壤侵蝕強(qiáng)度減輕區(qū)域的面積占比為40.18%，加劇僅占2.40%，大部分區(qū)域保持微度侵蝕不變。在空間上以侵蝕強(qiáng)度減輕為主，延安市北部、西部以及中部等侵蝕強(qiáng)度嚴(yán)重的地區(qū)在空間上減輕的最為明顯，土壤侵蝕得到顯著有效的治理。

③延安市近些年來各縣域大規(guī)模實施退耕還林還草和封山禁牧等林業(yè)生態(tài)工程，以及實行坡田建設(shè)、淤地壩建設(shè)、治溝造地等惠民工程措施都對水土流失的降低起到了顯著的效應(yīng)。

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