基于RUSLE模型的東北黑土區(qū)土壤侵蝕研究

鄭秋宇 趙光影 楊 萍 王 輝

哈爾濱師范大學地理科學學院，黑龍江 哈爾濱 150025

0 引言

土壤侵蝕是全球面臨的重大環(huán)境問題，其不僅導致土地退化、荒漠化、生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境惡化，隨徑流泥沙運移也會使污染物進入河道，造成水體污染，對人類的生存發(fā)展及生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅［1-2］。因此，加強水土保持工作，控制土壤侵蝕十分必要。

1965 年，美國農(nóng)業(yè)學者構(gòu)建了通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）。該模型精度高、參數(shù)明確且數(shù)據(jù)獲取容易，得到廣泛應用。但USLE模型是基于特定研究區(qū)域模擬建構(gòu)的，存在一定的誤差。在此基礎上，后來出現(xiàn)的修正的通用土壤流失模型（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE）精度高，被廣泛應用于流域及區(qū)域尺度的土壤侵蝕評估研究。例如，胡剛等［3］借助RUSLE 模型對臥虎山水庫流域土壤侵蝕特征進行評價，并驗證總結(jié)其變化規(guī)律。任坤等［4］采用RUSLE 模型定量評估珊溪水庫流域土壤侵蝕現(xiàn)狀，并分析土壤侵蝕強度與土地利用之間的關系。

東北黑土區(qū)長期以來都是我國重要的工業(yè)和商品糧生產(chǎn)基地，但因受到高強度墾荒和人們對土地資源不合理利用的影響，東北黑土區(qū)的黑土資源正受到侵蝕的嚴重威脅，區(qū)域水土流失現(xiàn)象嚴重［5］。為改變東北黑土區(qū)長期受到水土流失問題困擾的現(xiàn)狀，筆者對2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕進行定量分析，探究土壤侵蝕時空分異特征及土壤侵蝕強度變化，為東北黑土區(qū)水土保持工作提供數(shù)據(jù)支持和一定的科學參考。

1 研究區(qū)概況

東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，但不同學者對于東北黑土區(qū)的劃定有不同的表述。筆者所研究的東北黑土區(qū)（北緯41°17′～53°17′、東經(jīng)116°21′～134°46′），主要為黑土土壤所在區(qū)域涉及的地級市，包括黑龍江省黑河市、齊齊哈爾市、綏化市、大慶市、哈爾濱市、伊春市、鶴崗市、雙鴨山市、七臺河市、佳木斯市，吉林省白城市、松原市、長春市、吉林市、四平市，遼寧省鐵嶺市，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市、興安盟、赤峰市、通遼市等20 個盟市。研究區(qū)地形三面環(huán)山，坡度平緩，但坡面較長，匯水面積大，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，年降水量為400～700 mm［6］。

2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)降雨資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）；1∶100 萬土壤數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心基于世界土壤數(shù)據(jù)庫的中國土壤數(shù)據(jù)集；數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，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，經(jīng)影像鑲嵌、裁剪得到研究區(qū)的數(shù)字高程影像；歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km；土地利用數(shù)據(jù)源于Yang 等［7］的研究。將各因子數(shù)據(jù)投影坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為UTM_Zone_53N，柵格分辨率統(tǒng)一為90 m×90 m。

3 研究方法

3.1 RUSLE模型

筆者采用RUSLE 模型，對2010—2020 年東北黑土區(qū)的水土流失量進行定量估算。RUSLE 模型是在USLE 的基礎上修正后的土壤流失模型，適用于大尺度地區(qū)的定量評估。RUSLE模型計算公式為

式（1）中：A為土壤侵蝕模數(shù)，表示單位面積土壤年平均流失量，單位為t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子，單位為（MJ·mm）/（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，單位為（t·hm2·h）/（MJ·mm·hm2）；L為坡長因子，S為坡度因子，C為植被覆蓋與管理因子，P為水土保持措施因子，均無量綱。

3.2 RUSLE模型各因子計算

3.2.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力是定量評估土壤侵蝕的首要影響因子，是降雨所引起的土壤分離和搬運的動力指標，與降雨量、降雨動能、降雨歷時等因素緊密相關。筆者利用Wischmeier等［8］提出的經(jīng)驗公式對2010—2020年東北黑土區(qū)降雨侵蝕力進行計算，并采用普通克里金插值模型完成其空間插值。其表達式為

式（2）中：R為年降雨侵蝕力值［（MJ·mm）/（hm2·h·a）］，Pi為月平均降雨量（mm），i為月序，P為年平均降雨量（mm）。

3.2.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性是指不同空間位置土壤本身的理化結(jié)構(gòu)抵抗侵蝕的能力的空間差異，是評價土壤對侵蝕敏感程度的重要定量化參數(shù)。筆者采用當前廣泛使用的Sharply等［9］和Williams等［10］提出的土壤侵蝕和生產(chǎn)力影響估算模型（Erosion Productivity Impact Calculator，EPIC）計算方法，再根據(jù)張科利等［11］提出的中國區(qū)域土壤可蝕性因子修正算法計算研究區(qū)土壤可蝕性因子（K），計算公式為

式（3）（4）（5）中：Kepic為修正前的土壤可蝕性因子，SAN為砂粒質(zhì)量分數(shù)（%），SIL為粉粒質(zhì)量分數(shù)（%），CLA為黏粒質(zhì)量分數(shù)（%），C為土壤中的有機碳質(zhì)量分數(shù)（%）。因計算獲取的K值為美制單位，需乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.131 7，轉(zhuǎn)換為國際制單位（t·hm2·h）/（MJ·mm·hm2）。

3.2.3 地形因子

地形因子包括坡長因子（L）和坡度因子（S），體現(xiàn)了地形地貌特征對土壤侵蝕造成的影響。通常采用DEM 數(shù)據(jù)提取坡度、坡長因子，與土壤侵蝕強度呈正相關。筆者采用Liu 等［12］提出的坡度、坡長因子計算公式進行計算，表達式為

式（6）（7）（8）中：S為坡度因子，L為坡長因子，λ為坡長（m），θ為坡度（°），m為可變的坡長指數(shù)。

3.2.4 植被覆蓋與管理因子

植被覆蓋與管理因子（C）一般通過計算法、實驗法及賦值法得到。筆者采用蔡崇法等［13］提出的計算公式進行計算，計算公式如（9）（10）所示。C值為0～1，C值越接近0，表示地面植被覆蓋度越高；C值越接近1，表示地面越接近裸露；C值越大，表明土壤侵蝕越嚴重。

式（9）（10）中：C為植被覆蓋與管理因子，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVImax和NDVImin代表研究區(qū)歸一化植被指數(shù)最大值和最小值。

3.2.5 水土保持措施因子

水土保持措施因子（P）是由土地利用數(shù)據(jù)進行賦值確定的，P值為0～1。當P值為0 時，表示土地不發(fā)生侵蝕；當P值為1 時，表示土地未采取任何水土保持措施。目前，已有較多研究對P進行賦值［14-17］，筆者根據(jù)有關研究成果及東北黑土區(qū)的實際情況對P賦值，結(jié)果如表1所示。

表1 研究區(qū)水土保持措施因子值

4 結(jié)果與分析

4.1 土壤侵蝕時間變化特征

2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)如表2所示。由表2 可知，2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)先下降再上升后下降的變化趨勢，2010 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大，2016 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最小；2010—2011 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)下降幅度最大（45.13%）；2016—2017 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)上升幅度最大（112.32%）。與2010 年相比，2020 年土壤侵蝕模數(shù)下降了57.61%，可見東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)整體呈下降趨勢。

表2 2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007），將2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕強度劃分為6個等級［18］。由表3可知，2010—2020年，東北黑土區(qū)土壤侵蝕強度等級整體以微度侵蝕和輕度侵蝕為主。2010—2020 年，東北黑土區(qū)土壤微度侵蝕面積先增加后減少，總體仍呈增加趨勢；土壤輕度侵蝕面積總體呈波動增加趨勢；土壤中度侵蝕面積變化較小，總體呈減少趨勢；土壤強烈侵蝕、極強烈侵蝕面積總體呈減少趨勢；土壤劇烈侵蝕面積變化較大，在2010 年達到最高值（15 545.46 km2），此后逐年遞減，至2016 年降至最低值（249.18 km2）?？偟膩碚f，2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤微度侵蝕、輕度侵蝕面積增加，土壤中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積減少，表明2010—2020年東北黑土區(qū)土壤侵蝕程度有所減弱。

表3 2010—2020年東北黑土區(qū)各土壤侵蝕強度等級的土壤侵蝕面積及比例

4.2 土壤侵蝕空間變化特征

2010—2020 年，東北黑土區(qū)土壤侵蝕強度整體呈現(xiàn)由西南向東北地區(qū)逐漸下降的分布格局，西部地區(qū)、西北部地區(qū)土壤侵蝕較為嚴重。其中，劇烈侵蝕土壤主要分布在西南部，且較為聚集；極強烈侵蝕、強烈侵蝕、中度侵蝕土壤主要分布在劇烈侵蝕土壤附近，部分零散分布在東北黑土區(qū)中部，范圍較小。輕度侵蝕土壤在東北黑土區(qū)各地區(qū)均有分布，呈大范圍分散、小范圍集中的空間分布格局，但主要呈現(xiàn)為西部地區(qū)至東部地區(qū)由相對聚集變?yōu)榱闵⒎植?。微度侵蝕為2010—2020 年東北黑土區(qū)主要土壤侵蝕強度，侵蝕面積占比均大于80%，主要呈大面積分布于東北黑土區(qū)東部、北部及東南部。2010—2020年東北黑土區(qū)土壤劇烈侵蝕面積逐漸減少，2010 年劇烈侵蝕土壤主要聚集于東北黑土區(qū)西北部，2020年僅有西部地區(qū)零散分布；2010年極強烈侵蝕和強烈侵蝕土壤分布在東北黑土區(qū)西部、西南部和西北部，2020 年西南部及西北部土壤極強烈侵蝕和強烈侵蝕面積逐漸減少，西部變化較??；土壤中度侵蝕面積的變化主要體現(xiàn)在東北黑土區(qū)西北部，部分中度侵蝕土壤轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度侵蝕和微度侵蝕土壤；東北黑土區(qū)土壤輕度侵蝕面積變化較大，2010—2020 年土壤輕度侵蝕面積增加，由相對聚集變?yōu)榱闵⒎植记页尸F(xiàn)由西部地區(qū)向東部地區(qū)擴散的趨勢。

5 結(jié)論

運用RUSLE 模型計算2010—2020 年東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，并對土壤侵蝕時空變化特征及侵蝕強度進行定量分析，結(jié)論如下。

①2010—2020年，東北黑土區(qū)年平均土壤侵蝕模數(shù)為522.38 t/（km2·a），土壤侵蝕總體變化分析表明，東北黑土區(qū)主要土壤侵蝕類型為微度侵蝕和輕度侵蝕。強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕土壤主要分布在東北黑土區(qū)西南部，且侵蝕強度從西南向東北呈遞減趨勢。

②2010—2020 年，東北黑土區(qū)土壤侵蝕空間分布規(guī)律體現(xiàn)為西部地區(qū)呈聚集狀態(tài)且侵蝕強度較大；中部地區(qū)大部分為微度侵蝕，輕度侵蝕零散分布；東部地區(qū)以微度侵蝕為主。雖然東北黑土區(qū)土壤侵蝕強度有隨時間降低的趨勢，土壤生態(tài)朝良性發(fā)展，但中部及西部地區(qū)土壤微度侵蝕轉(zhuǎn)為輕度侵蝕面積擴大較多且增速較快，也需警惕侵蝕風險，防止水土流失。

③2010—2020 年，東北黑土區(qū)土壤微度侵蝕、輕度侵蝕面積增加，土壤中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積減少，表示土壤侵蝕情況有所改善。從RUSLE模型各因子來看，主要受到降雨侵蝕力因子和植被覆蓋與管理因子的影響。