綏中縣寬邦鎮(zhèn)大栗小流域土壤侵蝕特征研究

劉 偉

(綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125200)

目前，主要有侵蝕針?lè)ā⒑怂厥聚櫡?、徑流小區(qū)觀測(cè)法以及人工模擬降雨法等土壤侵蝕研究方法[1-6]。然而，這些方法主要局限于較小范圍，投入的人力、時(shí)間和資金較多，推廣使用難度較大。因此，許多方程和模型逐漸被應(yīng)用于水土流失、土壤侵蝕評(píng)價(jià)，如RUSLE方程、USLE方程及CSLE方程等，物理模型有水土評(píng)價(jià)模型、水蝕預(yù)報(bào)項(xiàng)目以及歐洲土壤侵蝕模型等[7]。但是，物理模型的參數(shù)計(jì)算復(fù)雜，所需數(shù)據(jù)較多，而RUSLE/USLE模型的數(shù)據(jù)易獲取且機(jī)制較簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究應(yīng)用較多，如楊任翔等[8]通過(guò)徑流小區(qū)觀測(cè)探討了赤紅壤坡面土壤侵蝕受高頻次、高強(qiáng)度降雨下甘蔗種植模式的影響特征；謝如林等[9]應(yīng)用田間監(jiān)測(cè)法揭示出不同施肥模式下，旱坡地地表徑流造成的氮、磷流失及土壤侵蝕特征；朱青等[10]利用隨機(jī)森林法和RUSLE模型，定量研究了影響土壤侵蝕的因子及其程度；Lu等[11]將GIS、RS技術(shù)和USLE方程相結(jié)合，探討了亞馬遜流域的土地覆蓋、土地利用與土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，結(jié)果表明土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的增加主要與森林向其它土地覆蓋的轉(zhuǎn)變有關(guān)；Sinha等[12]采用USLE方程估算了耕地土壤流失現(xiàn)狀，結(jié)果顯示土壤流失受人類活動(dòng)即作物因素的影響顯著。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，利用土壤侵蝕方程和GIS技術(shù)等定量估算土壤侵蝕速率、侵蝕特征的研究還鮮有報(bào)道。因此，文章以綏中縣寬邦鎮(zhèn)大栗小流域?yàn)槔?，將RUSLE方程和GIS技術(shù)相結(jié)合定量估算了其平均土壤侵蝕速率，確定不同子流域的土壤侵蝕狀況和等級(jí)，探討土壤侵蝕強(qiáng)度與土地利用類型、不同坡度的關(guān)系，旨在為科學(xué)防治遼西低山丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕提供一定指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

大栗小流域位于綏中縣寬邦鎮(zhèn)境內(nèi)，屬六股河下游，介于E120°3′51″-120°8′43″、N40°32′59″-40°37′10″之間，總面積31.08km2，可劃分成DS1、DS2、DS3三個(gè)子流域，所對(duì)應(yīng)的面積分別為5.30km2、14.94km2、10.84km2。流域內(nèi)地形以丘陵地貌為主，氣候?qū)贉貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量620.80mm，年內(nèi)分配不均勻，多集中在7、8、9三個(gè)月。土壤類型以棕壤土為主，pH值接近6.3，樹(shù)種以人工林為主，灌木樹(shù)種主要有紫穗槐、荊條、棉槐，刺槐等，經(jīng)濟(jì)林主要有白梨、蘋(píng)果，林木成材率較低，林草植被覆蓋率67.13%。

大栗小流域土地總面積3107.50hm2，其中耕地737.71hm2(占比23.74%)，經(jīng)濟(jì)林155.90hm2(占比5.02%)，設(shè)施農(nóng)用地6.65hm2(占比0.21%)，林地1910.13hm2(占比61.47%)，荒地62.10hm2(占比2.00%)，村鎮(zhèn)及工礦用地145.62hm2(占比4.69%)，果園20.00hm2(占比0.64%)，河灘地69.39hm2(占比2.23%)。農(nóng)、林、果用地比例為1∶2.59∶0.24，農(nóng)業(yè)用地中，坡耕地259.70hm2，坡度集中在3-15°，占總耕地的35.20%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文章所用數(shù)據(jù)主要有：①2020年月尺度和年降雨量，流域內(nèi)降雨數(shù)據(jù)由雨量監(jiān)測(cè)站提供；②流域內(nèi)土壤屬性和類型數(shù)據(jù)來(lái)源于1:100萬(wàn)中國(guó)土壤類型數(shù)據(jù)庫(kù)，土壤理化性質(zhì)由野外實(shí)測(cè)確定；③流域內(nèi)數(shù)字高程模型DEM來(lái)源于測(cè)繪所得數(shù)據(jù)，空間分辨率5m；④2020年土地利用圖由無(wú)人機(jī)航拍影像圖測(cè)定；⑤以植物生長(zhǎng)期無(wú)人機(jī)拍攝的四景可見(jiàn)光正射影像圖提供2020年流域植被覆蓋度數(shù)據(jù)來(lái)源。

2.2 RUSLE模型因子

大栗小流域土壤侵蝕速率利用RUSLE方程來(lái)估算，其表達(dá)式為：

A=R×K×S×L×C×P

(1)

式中：A為土壤侵蝕速率，t/hm2·a；R為降雨侵蝕力因子，[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K為土壤可蝕性因子，[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]；S為坡度因子(無(wú)量綱)；L為坡長(zhǎng)因子(無(wú)量綱)；C為地表覆蓋與作物管理因子(無(wú)量綱)；P為水保措施因子(無(wú)量綱)，無(wú)量綱因子的取值區(qū)間為0-1。

1)采用降雨侵蝕力因子R反映降雨對(duì)土壤侵蝕的影響，文章利用Wischmeier[13]所給出的簡(jiǎn)化算法計(jì)算R因子值，即：

(2)

式中：P為年降水量，mm；Pi為月降水量，mm。將大栗小流域2020年月降雨量和年降雨量數(shù)據(jù)代入公式，經(jīng)反距離和加權(quán)內(nèi)插運(yùn)算生成流域內(nèi)年降雨侵蝕力圖。

2)采用土壤可蝕性因子K描述土壤對(duì)侵蝕的敏感程度，文章利用Williams[14]所提出的有機(jī)碳含量和土壤機(jī)械組成公式計(jì)算K因子值，即：

(3)

式中：SAN為0.050-2.000mm的沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；SIL為0.002-0.050mm黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；其中SN1=1-SAN/100；C為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；CLA為<0.002mm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

采用Arc GIS軟件和1∶100萬(wàn)土壤類型數(shù)據(jù)，從綏中縣土壤類型中裁剪出大栗小流域的土壤類型，并結(jié)合野外調(diào)查實(shí)測(cè)的土壤理化性質(zhì)和土壤數(shù)據(jù)庫(kù)找到綏中縣的土種，確定大栗小流域土壤類型及其有機(jī)碳、黏粒、粉粒、沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式求出K因子值。

3)坡度、坡長(zhǎng)因子SL。文章利用Mc Cool的緩坡坡度公式、劉保元[15]的陡坡坡度公式和Desmet的經(jīng)典公式計(jì)算坡度因子S、坡長(zhǎng)因子L值，即：

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°
S=16.8sinθ-0.50；5°≤θ<10°
S=21.91sinθ-0.96；θ≥10°

(4)

L=(λ/22.1)n

(5)

(6)

式中：n為坡長(zhǎng)指數(shù)(量綱1)；θ為坡度，°；λ為坡長(zhǎng)，m。在Arc GIS軟件中輸入分辨率5m的DEM數(shù)據(jù)，從而提取坡度θ、坡長(zhǎng)λ值，將提取數(shù)據(jù)代入以上公式求出坡度坡長(zhǎng)因子SL值。

4)植被覆蓋與管理因子C。采用植物生長(zhǎng)期無(wú)人機(jī)拍攝的四景可見(jiàn)光正射影像圖和ENVI、Arc GIS軟件[16]，結(jié)合蔡崇法等[17]建立的覆蓋度與C值的關(guān)系以及像元二分法模型求解的流域植被覆蓋度來(lái)計(jì)算C因子值，即：

ExG-ExR=3×G-2.4×R-B

(7)

式中：ExG-ExR為過(guò)綠減過(guò)紅植被指數(shù)；B、G、R為藍(lán)、綠、洪3波段像元值，利用ENVI軟件的波段計(jì)算器處理流域的正射影像圖，即可求出植被覆蓋度f(wàn)c，即：

(8)

式中：b1、bmax、bmin為植被指數(shù)值及其最大、最小值，用過(guò)綠減過(guò)紅植被指數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖和ENVI軟件確定純裸地、純植被的值，最大值bmax、最小值bmin取植被指數(shù)頻率的累計(jì)95%和5%所對(duì)應(yīng)值[18]，具體如下：

C=1；(fc=0)
C=0.6508-0.34361gfc；(0C=0；(fc≥78.3%)

(9)

5)水保措施因子P。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)道和大栗小流域水土保持實(shí)地調(diào)查現(xiàn)狀，針對(duì)不同用地類型賦予相應(yīng)的P因子值，水保措施因子P的賦值表，見(jiàn)表2。

表2 水保措施因子P的賦值表

3 結(jié)果分析

3.1 土壤侵蝕分布特征

依據(jù)RUSLE方程中各因子的運(yùn)算關(guān)系獲取土壤侵蝕影響因子格柵圖，在同一坐標(biāo)下利用Arc GIS軟件轉(zhuǎn)化成0.5m×0.5m的像元，經(jīng)疊加計(jì)算確定相應(yīng)的土壤侵蝕量，然后按照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》生成大栗小流域土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖。土壤侵蝕特征統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表3。

表3 土壤侵蝕特征統(tǒng)計(jì)表

2020年大栗小流域?qū)儆谳p度侵蝕，平均土壤侵蝕速率22.87t/(hm2·a)達(dá)到規(guī)定允許流失量5t/(hm2·a)的4.6倍。從侵蝕面積占比上，輕度及以下侵蝕等級(jí)所占比例達(dá)到78.33%，中度及以上侵蝕等級(jí)所占比例達(dá)到21.66%，表明大栗小流域以輕度侵蝕為主；從侵蝕量占比上，中度及以上侵蝕等級(jí)的侵蝕量占比為82.07%，相當(dāng)于輕度及以下侵蝕等級(jí)侵蝕量占比的4.58倍，說(shuō)明大栗小流域局部侵蝕較為嚴(yán)重，應(yīng)該加強(qiáng)土壤侵蝕治理。

各子流域土壤侵蝕速率特征，見(jiàn)表4。結(jié)果顯示從低到高土壤侵蝕速率排序?yàn)镈S1

表4 各子流域土壤侵蝕特征

3.2 土壤侵蝕與坡度的關(guān)系

土壤侵蝕與坡度密切相關(guān)，故防治大栗小流域土壤侵蝕的關(guān)鍵是揭示不同坡度下的土壤侵蝕變化規(guī)律。根據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照0°-5°、5°-8°、8°-15°、15°-25°、25°-35°將流域坡度重分類，通過(guò)空間疊加分析土壤侵蝕速率圖與分類后的坡度等級(jí)圖生成各坡度級(jí)別的土壤侵蝕分布特征，不同坡度上的土壤侵蝕特征統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表5。

表5 不同坡度上的土壤侵蝕特征統(tǒng)計(jì)表

從表5可以看出，大栗小流域的土壤侵蝕速率隨著坡度的不斷增加而增大，總體處于5.63-112.28/t(hm2·a1)范圍。坡度為8-15°時(shí)，大栗小流域土壤侵蝕量和侵蝕面積均最高，所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為為6521.49t/a和229.35hm2，按等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到中度侵蝕；坡度為25-35°時(shí)，大栗小流域土壤侵蝕量和侵蝕面積均最低，所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為190.91t/a和1.70hm2，按等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到極強(qiáng)烈侵蝕。土壤侵蝕主要集中于5-25°坡度上，5-25°坡度范圍內(nèi)的土壤侵蝕量占比達(dá)到92.36%，應(yīng)作為小流域土壤侵蝕重點(diǎn)預(yù)防和治理區(qū)，必須采取有效的整治措施。不同坡度土壤侵蝕等級(jí)面積占比，見(jiàn)圖1。

圖1 不同坡度土壤侵蝕等級(jí)面積占比

從圖1可以看出，各個(gè)坡度級(jí)別的侵蝕量占比在不同侵蝕強(qiáng)度下具有明顯差異，對(duì)各個(gè)坡度等級(jí)上微度侵蝕量所占比例整體呈下降趨勢(shì)，而其它侵蝕強(qiáng)度則呈現(xiàn)上升后下降的變化趨勢(shì)，表明坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)能夠有效區(qū)分不同坡度與侵蝕等級(jí)之間的關(guān)系。

3.3 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

在Arc GIS軟件中疊加分析流域土地利用類型圖與土壤侵蝕強(qiáng)度圖，從而揭示各用地類型的土壤侵蝕分布特征和土壤侵蝕量，不用用地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度，見(jiàn)表6；不同用地類型的土壤侵蝕量，見(jiàn)表7。

表6 不用用地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度

從表6可以看出，道路、林地、坡耕地的土壤侵蝕主要集中于輕度和微度侵蝕等級(jí)，而溝渠以微度侵蝕為主。

表7 不同用地類型的土壤侵蝕量

從表7可以看出，坡耕地的土壤侵蝕面積比例最高達(dá)到82.85%，溝渠和林地的土壤侵蝕面積比例為0.77%、10.98%，從低到高土壤侵蝕速率排序?yàn)闇锨?坡耕地<道路<林地，林地的土壤侵蝕速率53.67t/(hm2·a1)為溝渠、坡耕地、道路的25.80倍、2.81倍、2.56倍，坡耕地的土壤侵蝕量最高為9371.98t/a，為溝渠、道路、林地988.61倍、13.95倍、2.69倍。

4 結(jié) 論

文章以綏中縣寬邦鎮(zhèn)大栗小流域?yàn)槔肦USLE方程和GIS技術(shù)定量分析了土壤侵蝕及其影響因素，主要結(jié)論如下：

1)2020年大栗小流域土壤侵蝕速率為22.87t/(hm2·a)，以輕度侵蝕為主，小流域局部侵蝕較為嚴(yán)重，應(yīng)該加強(qiáng)土壤侵蝕治理。

2)流域內(nèi)土壤侵蝕主要集中于5-25°坡度上，應(yīng)作為小流域土壤侵蝕重點(diǎn)預(yù)防和治理區(qū)，采取有效的整治措施。

3)林地的土壤侵蝕速率53.67t/(hm2·a1)為溝渠、坡耕地、道路的25.80倍、2.81倍、2.56倍，應(yīng)合理規(guī)劃利用流域內(nèi)的道路、林地、坡耕地等用地類型，為有效遏制土壤侵蝕應(yīng)采取有效的水保措施。