基于GIS和RUSLE的玉溪市土壤侵蝕研究

孫詠琦，李建華，劉士鑫，付景

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，a.水利學(xué)院；b.資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

土壤作為關(guān)乎人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)與自然資源，具有不可再生的屬性，土壤侵蝕不僅因有機質(zhì)流失而引起土地退化、土壤肥力下降，還會因泥沙攜帶氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)和其他污染物進入河道系統(tǒng)而造成水環(huán)境惡化［1］。土壤侵蝕直接影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，成為各國普遍關(guān)注的重要環(huán)境問題之一。近些年來，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和遙感進行空間分析的手段日益成熟，結(jié)合RS/GIS技術(shù)和修正通用土壤流失方程（Universal soil loss equation，RUSLE）的區(qū)域土壤侵蝕定量評估，顯著提高了監(jiān)測及預(yù)測效率和空間可視化能力［2，3］，在世界中小流域或區(qū)域的土壤流失研究中得到了廣泛應(yīng)用［4］。

通過閱讀文獻了解到，國內(nèi)外學(xué)者自19世紀就開始對土壤侵蝕進行研究［5-9］。隨著研究的深入，基于經(jīng)驗的土壤侵蝕模型RUSLE逐漸被眾人認可。該模型因操作簡單計算方便，加之RS和GIS的迅猛發(fā)展，已被廣泛地應(yīng)用在一些區(qū)域的土壤侵蝕的相關(guān)研究，成為主流的土壤侵蝕研究方法［10］。Roberto等［11］利用RUSLE模型計算了位于越南北部地區(qū)的Lo River流域的懸移質(zhì)；Tran等［12］利用基于模糊邏輯的模型改良了RUSLE模型；怡凱等［13］綜合利用RUSLE模型研究遼寧省朝陽市2001—2010年的土壤侵蝕時空分異特征。

2020年1月，習(xí)近平總書記再次來到云南，心系云南生態(tài)環(huán)境保護。而玉溪市正處云貴高原西部的滇中高原區(qū)，是滇中城市經(jīng)濟圈南大門；玉溪市水系發(fā)達，且土壤侵蝕主要為水力侵蝕（水土流失等），玉溪市部分地區(qū)由于自然因素以及人為因素的影響，導(dǎo)致自然災(zāi)害頻發(fā)（主要為滑坡、泥石流等），因此，基于玉溪市優(yōu)質(zhì)的地理環(huán)境條件以及土壤和水資源條件，根據(jù)重點開發(fā)的政策導(dǎo)向和整體的土壤侵蝕情況開展土壤侵蝕研究工作，綜合玉溪市土壤侵蝕分布情況以及造成土壤侵蝕主要因素，可以對該地區(qū)土地利用規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境工程管理政策的制定提供一定的科學(xué)依據(jù)，為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

玉溪市位于云南省滇中地區(qū)，地勢西北高、東南低，哀牢山脈為境內(nèi)主要山峰，其斜貫新平縣與元江縣，呈西北向東南走向。全市最高點大雪鍋山海拔為3 137 m，最低點海拔約為327 m，平均海拔在1 500?1 800 m。

1.2 研究過程與方法

考慮到玉溪市的基本情況，本研究采用修正的通用土壤侵蝕方程計算，公式：

式中，A為現(xiàn)實土壤侵蝕量［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）］；LS為地形坡度因子；C為地表植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

1.2.1 降雨侵蝕力因子降水作為引起水土流失的主要氣候因素，是造成土壤侵蝕的主要因素。考慮到模型的適用性以及考慮更容易獲得氣象因子數(shù)據(jù)，本研究采用Arnoldus在1977年提出的簡易計算方法，該公式只考慮了年降雨量以及月降水量，具有一定代表性而且應(yīng)用范圍較廣，公式：

式中，R為年降雨侵蝕力［（MJ·mm）/（hm2·h·a）］，P為年平均降水量（mm），Pj為第j月降水量（mm）。降水量數(shù)據(jù)在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得，計算得到玉溪市及周邊各氣象站點的年降雨侵蝕力，通過在Arc-GIS軟件中進行克里金插值，得到流域年降雨侵蝕力柵格圖，其中部分月份結(jié)果如圖1所示。

圖1 玉溪市單數(shù)月平均降水量

1.2.2 地形坡度因子地形坡度因子測算主要應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)。閱讀文獻可知，目前對于地形坡度因子已經(jīng)有大量學(xué)者進行研究，本研究選用具有一定代表性且具有一定普適性的公式進行計算，利用DEM數(shù)據(jù)通過坡度提取、柵格計算器計算得到坡度因子（S），計算公式如下。

坡長因子表達式：

式中，L代表標準化坡長上的土壤侵蝕量；m代表坡長因子指數(shù)；θ為坡度（°）。地形坡度因子計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 地形坡度因子

1.2.3 土壤可侵蝕因子土壤可侵蝕因子計算模型一般用EPIC模型，該模型主要參數(shù)為土壤的粉粒、沙粒、黏粒含量與土壤有機碳含量。在世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）中下載全球土壤數(shù)據(jù)，利用柵格計算器根據(jù)已有公式計算出土壤可侵蝕因子（K）。計算公式：

式中，S1為砂粒含量（%）；S2為粉粒含量（%）；n為黏粒含量（%）；C為有機碳含量（%）。土壤可侵蝕因子計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 玉溪市土壤可侵蝕因子分布

1.2.4 植被覆蓋管理因子主要利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）來計算植被覆蓋因子（C），再通過投影、重采樣和掩膜提取這些準備工作之后，利用公式計算植被覆蓋度和植被覆蓋因子。植被覆蓋管理因子如圖4所示。

圖4 玉溪市植被覆蓋管理因子分布

式中，ρNIR為近紅外波段，ρR為紅波段，NDVIMIN為NDVI的最小值，NDVIMAX為NDVI的最大值，f為植被覆蓋度，C為植被覆蓋管理因子。

1.2.5 水土保持措施因子水土保持措施因子（P因子）是采取水保措施后的土壤流失量與未實施水保措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比。提取玉溪市內(nèi)耕地、林地、草地、裸地和建設(shè)用地、水體和濕地共6種類別，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)由DEM生成坡度信息，參照方廣玲等［14］的研究成果對P因子賦值，取值范圍為0?1，0代表不會發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)，1代表未采取任何控制措施的地區(qū)。賦值如表1所示，水土保持措施因子計算結(jié)果如圖5所示。

表1 不同土地利用類型P因子值

圖5 水土保持措施因子分布圖

1.3 數(shù)據(jù)收集

本研究主要采用玉溪市的降雨、土壤、DEM、植被和土地利用數(shù)據(jù)。在國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載玉溪市及周邊縣區(qū)月均降雨量數(shù)據(jù)，在世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）中獲取土壤數(shù)據(jù)；在地理空間數(shù)據(jù)云中下 載90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，并且 以Landsat 8的玉溪市遙感影像計算植被指數(shù)，土地利用數(shù)據(jù)則采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心中提供的數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)上述方法代入公式，利用ArcGIS軟件進行處理，并計算得到RUSLE模型所需的因子空間分布的30 m×30 m柵格數(shù)據(jù)，最終得到研究區(qū)土壤侵蝕強度空間分布情況。

2 結(jié)果與分析

將各土壤侵蝕因子的柵格數(shù)據(jù)的分辨率統(tǒng)一定為30 m。根據(jù)修正的通用土壤侵蝕方程計算土壤侵蝕程度，并乘以美制轉(zhuǎn)公制常數(shù)100，將單位t/（hm2·a）轉(zhuǎn)換為t/（km2·a），得出研究區(qū)土壤侵蝕量柵格數(shù)據(jù)。玉溪市地處西南地區(qū)，并且以紅壤為主，因此參照水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標準（SL 190—2007），該市的土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈6個級別，分級標準如表2所示。

表2 土壤侵蝕強度分級標準

通過計算最終得出研究區(qū)土壤侵蝕的分布情況（圖6），研究區(qū)內(nèi)平均土壤侵蝕量為1 043.03 t/（km2·a），其中級別為微度的面積為863 497.62 hm2，占該市總面積的57.844%，級別為輕度的面積為499 884.03 hm2，占該市總面積的33.486%，級別為中度的面積為112 005.72 hm2，占該市總面積的7.503%，級別為強烈的面積為14 646.96 hm2，占該市總面積的0.981%，土壤侵蝕強度級別為極強烈及以上的區(qū)域面積為2 772.63 hm2，占該市總面積的0.186%。因此通過分析可知，玉溪市的土壤侵蝕主要表現(xiàn)為大部分區(qū)域輕度、微度侵蝕，局部區(qū)域強烈和極強烈等特征。

圖6 玉溪市土壤侵蝕強度分布特征

2.1 不同行政區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕特征分析

根據(jù)表3分析玉溪市各縣的土壤侵蝕量以及不同等級土壤侵蝕在各行政單元的分布情況，全市內(nèi)主要土壤侵蝕級別為微度和輕度，玉溪市整體土壤侵蝕嚴重區(qū)域集中分布在西南部以及東南部，主要在元江、綠汁江以及曲江流域附近，由于哀牢山國家自然保護區(qū)位于新平縣，且該地正處于東亞季風(fēng)熱帶、南亞季風(fēng)熱帶和青藏橫斷山系三大自然地理區(qū)域的交匯處，當(dāng)氣流運動到這里后，氣溫降低，有利于凝結(jié)降水，因此容易發(fā)生水土流失，新平縣的平均土壤侵蝕量為799.079 8 t/（km2·a），其土壤侵蝕中度及以上占全縣的6.720 6%，而元江縣的平均土壤侵蝕量為969.908 7 t/（km2·a），全縣內(nèi)土壤侵蝕級別大多數(shù)為微度和輕度。玉溪市水系發(fā)達，縱觀整體可知該市的土壤侵蝕較為嚴重的區(qū)域集中分布在各大河流附近，例如新平縣的土壤侵蝕中度以上區(qū)域主要分布在漠沙江附近，易門縣、峨山縣土壤侵蝕中度以上區(qū)域主要集中在綠汁江流域，根據(jù)《截至2015年底云南省礦產(chǎn)資源儲量簡表》可知，玉溪市礦山主要分布在易門縣以及華寧縣，而礦山的開采破壞土壤結(jié)構(gòu)，因此，易門縣和華寧縣的土壤侵蝕量相對較高，分別為571.142 1 t/（km2·a）和777.671 2 t/（km2·a）。

表3 各行政單元土壤侵蝕情況

2.2 不同土地利用類型的土壤侵蝕特征分析

結(jié)合遙感影像以及實地調(diào)查，選取玉溪市內(nèi)耕地、林地、草地、工礦用地、水域及水利設(shè)施用地進行研究。由表4可知，玉溪市土壤侵蝕較為嚴重的地區(qū)主要地類為耕地、林地、草地，中度及以上侵蝕面積比例超過35%，玉溪市耕地面積263 804.44 hm2，占玉溪市總面積的17.66%，由于耕地受人類活動干擾頻繁，常年耕作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，作物生長周期的原因?qū)е轮脖桓采w具有季節(jié)變化特征，因此土壤侵蝕也相對嚴重。由于玉溪市局部地區(qū)存在植被退化的現(xiàn)象，嚴重影響了林地以及草地的植被覆蓋，導(dǎo)致了這些區(qū)域的侵蝕強度較高，其中全市林草地中度以上侵蝕面積近30%。玉溪市礦產(chǎn)資源較為豐富，已知礦產(chǎn)有鐵、錳、鉻、銅、鎳、磷、大理石、煤和硅石等23種，其中鐵、銅、磷、鎳4種優(yōu)勢礦產(chǎn)是該區(qū)重要的礦產(chǎn)資源，玉溪市工礦用地占地11 060.78 hm2，其中輕度以上土壤侵蝕占29.24%。由于地區(qū)工業(yè)礦床多且分布廣泛，大量長期的煤礦開采造成表層物質(zhì)松散，土地植被以及地表、地下含水巖層遭到破壞，與其他形式的土地破壞相比，具有形式特殊、數(shù)量大、難補救的特點［13］。

表4 不同土地利用類型土壤侵蝕情況

2.3 不同植被覆蓋度土壤侵蝕狀況

現(xiàn)將植被覆蓋程度分為5個等級，以便于分析玉溪市不同植被覆蓋條件下的土壤侵蝕狀況。由表5可知，植被覆蓋度小于10%的區(qū)域，土壤侵蝕等級主要為微度和輕度，土壤侵蝕程度微度的面積占59.30%，輕度土壤侵蝕的面積占36.34%；植被覆蓋度為10%?30%區(qū)域，土壤侵蝕程度微度的面積占41.45%，輕度土壤侵蝕的面積占48.53%；植被覆蓋度為45%?60%區(qū)域，受土壤侵蝕面積較大的影響，其土壤侵蝕量也不容忽視。對不同植被覆蓋條件下的區(qū)域進行分析（圖7），隨著植被覆蓋度增加，輕度以下侵蝕面積增加，絕大部分中度以上侵蝕發(fā)生在植被覆蓋度低于60%的區(qū)域。

表5 不同植被覆蓋程度土壤侵蝕情況（單位：%）

圖7 不同植被覆蓋度各土壤侵蝕強度等級面積比例

3 小結(jié)與討論

利用GIS與RUSLE模型對玉溪市的土壤侵蝕程度進行研究，結(jié)果表明，研究區(qū)的平均土壤侵蝕量為1 043.03 t/（km2·a），該市土壤侵蝕主要以微度和輕度為主，其所占面積分別為57.844%和33.486%，土壤侵蝕強烈及以上部分主要分布在易門縣、華寧縣以及元江縣。根據(jù)土地利用類型與土壤侵蝕程度結(jié)合分析，玉溪市土壤侵蝕較為嚴重的地類基本分布在耕地、林地以及草地，侵蝕強度為中度及以上的區(qū)域侵蝕面積比例超過35%，雖然林地和草地的植被覆蓋較高也具有一定水土保持作用，但是植被退化導(dǎo)致了局部區(qū)域侵蝕強度較高，全市林草地中度以上侵蝕面積近30%。而玉溪市礦產(chǎn)資源豐富，采礦對土壤的傷害仍不容忽視?，F(xiàn)有的土壤侵蝕預(yù)測模型大多是地方性的，不能用于較大區(qū)域，也很難直接推廣到其他地區(qū)，同時對各侵蝕影響因子尚無系統(tǒng)全面的研究，缺乏足夠的試驗觀測資料，影響了模型的實用性［15］，而本研究缺乏對相關(guān)參數(shù)的實地驗證，在后續(xù)研究中予以完善；另外模型因子計算方法應(yīng)進一步完善，提高精度。