基于USLE模型的水土流失特征研究
--以畢節(jié)市為例

白 易,徐慢慢

(1.貴州師范學院地理與資源學院,貴州 貴陽 550018;2.貴州省流域地理國情監(jiān)測重點實驗室,貴州 貴陽 550018)

0 引言

水土流失是指在水力、風力、重力及凍融等自然營力和人類活動作用下,水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失[1]。水土流失是全球生態(tài)環(huán)境難題之一。它不僅會造成生態(tài)和經(jīng)濟損失,也給生物多樣性和生態(tài)平衡帶來不可逆轉(zhuǎn)的破壞。畢節(jié)市位于貴州西北部,是典型的喀斯特水土流失區(qū)。水土流失問題影響了該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,政府亟需采取措施,開展相關(guān)問題的研究和治理工作。然而,從何種角度構(gòu)建水土流失評價模型能夠有效反應研究區(qū)域水土流失情況?如何將水土流失情況進行定量分析?如何動態(tài)探析區(qū)域水土流失變化并提出相應的水土保持建議?本研究結(jié)合大扶貧、大生態(tài)戰(zhàn)略行動的要求,探析畢節(jié)市水土流失變化的內(nèi)在時空特征,具有一定的研究價值和實踐意義。

古代中國水土流失研究可以追溯到公元300年前,當時將水土流失中土壤的侵蝕描述得相當詳盡,10世紀西周時還提出了“平治水土”的概念[2]。中國現(xiàn)代水土流失的研究工作開始于20世紀20年代[3]。1953年提出了度坡面侵蝕量的運算公式,其中最為典型和廣泛使用的是劉寶元提出的中國土壤流失方程[4]。21世紀10年代開始,遙感技術(shù)、ArcGIS等地理信息處理軟件和土壤侵蝕模型的結(jié)合,為實現(xiàn)土壤侵蝕的監(jiān)測評價提供了新的方法[5]。國外水土流失研究中重點考慮了定量關(guān)系,如1940年 Zingg A W發(fā)表的“坡度坡長因子與水土流失之間的定量關(guān)系”奠定了世界上最早的水土流失定量化研究模型[6]。1965年W.Wsehmeier和D.Smith研究得出通用土壤流失方程(即Universal Soil Loss Equation模型,簡稱USLE)[7]。USLE是第一個綜合考慮降水侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、坡長因子L、坡度因子S、植被覆蓋度因子C和水土保持措施因子P的侵蝕模型,得到國內(nèi)外的廣泛借鑒及使用。

由于USLE模型是依據(jù)試驗觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合統(tǒng)計分析來對水土流失影響因子進行量化,故其可以建立定量預報土地年平均土壤流失量的經(jīng)驗性方程;且USLE模型的數(shù)學表達式為一系列簡化變量相乘的方程形式,能夠有效地進行計算和統(tǒng)計分析。因此,本研究采用USLE模型,通過對土地利用數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)、土壤數(shù)據(jù)、降水量、植被覆蓋度等的分析,結(jié)合地理信息技術(shù)對畢節(jié)市2000、2010、2020年3期的水土流失量進行計算,對該地區(qū)的水土流失狀況進行定性和定量的分析研究,探討研究區(qū)水土流失變化特征,以期為該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供量化依據(jù)。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 USLE模型

USLE模型表達的是坡地土壤流失量與其主要影響因子間的定量關(guān)系。表達式為:

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中,A指任一坡耕地在特定的降雨、作物管理制度及所采用的水土保持措施下,單位面積年平均土壤流失量。六個因子已在引言中說明?；诘乩硇畔⒓夹g(shù)ArcGIS軟件和USLE模型,對研究區(qū)六個因子進行柵格乘積運算,可得到水土流失A值計算結(jié)果。

1.1.1 降水侵蝕力因子R

降水是水土保持的重要動態(tài)因子,降水侵蝕力能反映土壤在降雨過程中受到影響而發(fā)生水土流失的潛在可能。降水的強度越大,其沖刷力越大,R值反映了降水對水土流失的影響。本研究采用周伏建[8]等提出的適合中國南方地區(qū)的簡易計算公式計算降水侵蝕力R。

R值計算公式如下:

(2)

公式(2)中,R為降水侵蝕因子,Pi為多年平均月降水量,單位為mm。

1.1.2 土壤可蝕性因子K

K表示土壤對侵蝕過程中的敏感度,K越高,抗蝕力越弱。研究借鑒Williams1990年建立的水土流失-生產(chǎn)力評估模式(EPIC)中可蝕系數(shù)K的估算方法[9],此研究方法使用廣泛。

K值計算公式如下:

(3)

K=(-0.01383+0.51575KEPIC)×0.1317

(4)

式中,K為土壤可蝕性因子,SAN為砂粒含量(%),SIL為粉粒含量(%),CLA為黏粒含量(%),C為有機碳含量(%)。

1.1.3 坡長因子L

坡長、坡度因子又稱為地形因子,計算公式采用劉寶元等[10]提出的公式,它的特點在于是反映其他侵蝕條件,在不同海拔地勢下產(chǎn)生的互相影響。其中坡長因子計算公式如下:

(5)

(6)

L表示坡長因子;γi和γi-1分別為第i個和第i-1個坡段的坡長;m為坡長指數(shù),隨坡度θ而變。

1.1.4 坡度因子S

為更好地反映地形總體狀態(tài),地形因子也可以用坡度因子替代,表示起伏度。坡度因子計算公式如下:

(7)

S表示為坡度因子,θ為坡度。

1.1.5 植被覆蓋度因子C

植被是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。植被覆蓋能夠有效地防止水土流失,減少徑流對土壤的沖刷,增強土地的自身抗侵蝕能力,同時還能調(diào)節(jié)小氣候和水文狀況,反映氣候和人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響,因此植被覆蓋度因子成為了評價水土流失強度的重要參數(shù)因子。植被覆蓋因子主要是結(jié)合蔡崇法所提出的C值計算模型進行計算[11]。C取值在0～1之間,一般而言,植被覆蓋度越高,水土流失強度就越小,相反,地表裸露程度越大,水土流失就越嚴重。計算公式如下:

(8)

(9)

式中:FFVC指植被覆蓋度;C為植被覆蓋度因子;NDVI為歸一化植被覆蓋指數(shù);NDVImin代表裸地或無植被覆蓋地的覆蓋指數(shù);NDVImax代表全植被覆蓋地的覆蓋指數(shù)。

1.1.6 水土保持措施因子P

土壤保持措施因子能較好反應水土流失防治效果。數(shù)值在0到1區(qū)間內(nèi),是一個較為客觀的評估指標。在P為1時,表明該區(qū)未采取土壤保護措施;若P為0時,說明該區(qū)已采取防治水土流失的措施。到目前為止土壤侵蝕模型中還沒有統(tǒng)一的P值計算公式,通常都取經(jīng)驗值,將土地利用類型近似看作土壤保持措施,根據(jù)文獻資料[12],結(jié)合畢節(jié)市具體情況,對畢節(jié)市土地利用類型進行了不同土壤保持措施因子的賦值。如表1所示:

表1 不同土地利用類型P值

表2 研究數(shù)據(jù)來源

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所有數(shù)據(jù)均來源于畢節(jié)市統(tǒng)計年鑒及國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心、地理空間數(shù)據(jù)云、國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心、中科院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心等官方平臺。數(shù)據(jù)可信度較高,研究具有可行性。

2 研究區(qū)域水土流失因子分析

2.1 研究區(qū)域概況

畢節(jié)處于黔西北部,位于東經(jīng)103°36'-106°44',北緯26°21'-27°47'。畢節(jié)屬于典型的喀斯特地貌區(qū),生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)條件基礎差,地質(zhì)構(gòu)造復雜,褶皺斷裂交錯,巖溶地貌形態(tài)多樣,地勢西高東低。平均海拔1400米,全市最高點海拔2900.6米,最低處海拔457米;境內(nèi)氣候夏無酷暑、冬無嚴寒,季風氣候明顯,降雨充沛,立體氣候突出;年平均溫度14.6℃,平均總降水量1047.7mm,海拔高,相對高差大,垂直氣候變化尤為明顯。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

為滿足研究模型計算和準確度的需要,須將具有空間屬性的數(shù)據(jù)進行整合和調(diào)整,具體包括:

(1)數(shù)字高程模型(DEM)的生成。運用ArcGIS10.5軟件對研究區(qū)域DEM進行鑲嵌,按掩膜提取,坐標轉(zhuǎn)換等預處理;然后根據(jù)USLE模型計算畢節(jié)市坡長因子L、坡度因子S值,處理成30m×30m分辨率圖像。

(2)降水侵蝕力因子R值計算。將研究區(qū)域3期1km逐月降水數(shù)據(jù),根據(jù)USLE模型進行計算、裁剪、重采樣,最后將加工后的數(shù)據(jù)處理成30m×30m分辨率圖像。

(3)土壤可蝕性因子K值計算。分別賦值計算出沙粒含量、粉沙含量、粘粒含量、有機碳含量,計算Kepic,最后算出K值,再進行重采樣,處理為30m×30m分辨率圖像。

(4)植被覆蓋度因子C值計算。將研究區(qū)域3期的數(shù)據(jù),歸一化處理為植被指數(shù)(NDVI)影像,并處理為30m×30m分辨率圖像。

(5)土地利用數(shù)據(jù)分析。將研究區(qū)域3期的數(shù)據(jù)運用地理信息軟件ArcGIS進行復制柵格、鑲嵌至新柵格、按掩膜提取、賦值等預處理。

2.3 水土流失因子及其空間分布分析

2.3.1 坡長、坡度因子值及其空間分布分析

坡長因子反映以坡長為變量前提下,不同坡長的水土流失量與標準坡長的水土流失量之比;同理,坡度也是反映水土流失量的比值。一般而言,地形坡度越陡,坡長越長,水土流失性則越強。在坐標配準后,在ArcGIS10.5中生成畢節(jié)市的DEM圖層,如圖1所示。畢節(jié)市整體地勢高低起伏變化大,地形特征有明顯分界,西部受烏蒙山山脈影響、西南部受老王山山脈影響,整體西高東低。

圖1 研究區(qū)高程圖

基于DEM高程數(shù)據(jù),按照公式(5)、(6)、(7)計算,得到相應L、S值,從而得到研究區(qū)坡長因子和坡度因子空間分布圖,柵格圖層像元大小為30m×30m,格式為TIF,如圖2所示。

圖2 研究區(qū)L、S值空間分布圖

由于坡長、坡度因子數(shù)值結(jié)果是基于DEM高程數(shù)據(jù)計算,由圖2可見其分布規(guī)律和數(shù)值空間變化情況與DEM高程數(shù)據(jù)基本保持一致。

2.3.2 降水侵蝕力R值及其空間分布

畢節(jié)市氣候?qū)儆诒眮啛釒駶櫦撅L氣候,受氣候的影響降水充沛。降雨由于重力下落對地表造成擊濺,同時在降雨量增大時,雨水匯聚形成地表徑流,對地表形成沖刷,造成水土流失。降雨體現(xiàn)在R值的大小變化上,最終對地區(qū)侵蝕強度產(chǎn)生影響。研究收集了畢節(jié)市2000年、2010年、2020年逐月平均降雨數(shù)據(jù),每年1-12月,共36個月。運用ArcGIS計算研究典型研究區(qū)的降水侵蝕力因子R值及空間分布。并進行重采樣,生成30m×30m格式為TIF的分布圖,分析結(jié)果見圖3。

圖3 研究區(qū)3期降水侵蝕力因子R值空間分布圖

從圖3可以看出降雨侵蝕空間分布不均。2000年降雨侵蝕分布分散,東部和西部各有局部區(qū)域降雨侵蝕較強。2010年、2020年降雨侵蝕集中在東部,R值大小證明了東部較西部地區(qū)更易受降雨侵蝕,西部R值普遍偏大,由西往東逐漸增加,在東南部達到最大。原因在于畢節(jié)市地勢起伏大,易受地形因素影響,同時東部由于冷暖空氣影響,降雨呈現(xiàn)東部多西部少,形成了侵蝕力的空間差異。

2.3.3 土壤可侵蝕性K值及其空間分布

在USLE模型中,K值是關(guān)鍵參數(shù),在模型中占據(jù)重要地位,是評價研究區(qū)侵蝕狀況的依據(jù)。研究使用的是在世界土壤數(shù)據(jù)庫下載的土壤數(shù)據(jù),計算獲得本研究區(qū)土壤可蝕性因子K值柵格數(shù)據(jù)。研究區(qū)可蝕性因子K值及空間分布如圖4所示,柵格圖層像元大小為30m×30m,格式為TIF。

圖4 研究區(qū)土壤可蝕性因子K值空間分布圖

K值總范圍在11367～11929之間,可見畢節(jié)市水土流失力K值分布規(guī)律與河流軌跡保持一致,西部地區(qū)可蝕性較東部更強,K值由東向西可蝕程度逐漸加深。這可能是因為西部地區(qū)河流環(huán)繞威寧縣,土質(zhì)松軟,含水率高,西部高聳山區(qū)相較東部地區(qū)可供侵蝕的環(huán)境增加。

2.3.4 植被覆蓋度因子C值空間分布

植被覆蓋因子,即作物覆蓋和管理因子,通常定義為一定條件下有植被覆蓋的坡面土壤流失量與同等條件下連續(xù)休耕裸露坡面土壤流失量之比。將植被指數(shù)(NDVI)進行歸一化處理,采用參數(shù)修正方法修正。運用ArcGIS對下載的2000年、2010年、2020年NDVI數(shù)據(jù)進行歸一化處理,得到研究區(qū)植被覆蓋度因子C值空間分布圖,柵格圖層像元大小為30m×30m,格式為TIF,如圖5所示。

由圖5可見,2000年植被覆蓋度與管理因子C值最高且空間分布均勻,2010年C值有所下降,到了2020年C值普遍偏低。由于C值不僅反映植被減緩侵蝕的效果,更反映了對地表生物的管理措施對水土流失的抑制作用?？梢钥闯?植被覆蓋度越來越低,侵蝕強度也越來越強,說明此間水土流失加劇。

3 研究區(qū)水土流失結(jié)果分析

3.1 水土流失強度與空間分布分析

研究使用ArcGIS柵格計算器將上文分析的6個因子(其中因子P取值見表1)的柵格數(shù)據(jù)按照公式(1)中USLE模型表達式相乘,算出研究區(qū)A值,數(shù)值越大,侵蝕程度越嚴重,土壤流失量也就越高;反之則越小;0為未發(fā)生侵蝕。如表3所示,依據(jù)水土流失強度分級標準,將研究區(qū)的侵蝕程度分為微度、輕度、中等、強烈、極強烈、劇烈6個級別,得到畢節(jié)市的侵蝕程度分布圖和分布面積,見圖6及表4。

表3 水土流失強度分級標準

由圖6可知,從時空分布來看,2000年畢節(jié)市西部、西南部侵蝕較為嚴重,其他縣屬于輕度侵蝕等級。2010年水土流失面積增加,其中,中部和南部地區(qū)侵蝕較為嚴重。2020年水土流失由中部地區(qū)向東北方向延伸。

表4 研究區(qū)土壤侵蝕強度 (面積:hm2)

表4中,“微度”表示侵蝕強度最輕微,“極強烈”和“劇烈”表示最嚴重的侵蝕強度。為更好地表達面積較小區(qū)域的土壤侵蝕情況,采用公頃(hm2)為單位。從表4可以看出侵蝕總面積呈減少的趨勢。從具體等級中可以看出,2000年,微、輕和中度侵蝕程度較明顯,微度最高,強烈和極強烈輕微,劇烈侵蝕很少。2010年,微度侵蝕較明顯,劇烈侵蝕幾乎沒有。2020年,微度侵蝕程度有所減少,輕度、中度和強烈程度侵蝕加劇,強烈和極強烈的侵蝕程度比例增大。結(jié)合上文對C值空間分布的分析,這可能是隨著畢節(jié)城市化進程加快,人口密集活動頻繁、土地利用結(jié)構(gòu)單一造成的。

3.2 不同土地利用類型水土流失特征分析

水土流失和土地利用方式密切相關(guān),不合理的土地利用會導致土地退化和流失。例如,對林地、草地等土地類型的過度利用會直接導致水土流失和生態(tài)系統(tǒng)失衡。自然條件下不同土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)變也會對水土流失造成影響。因此,分析土地利用與水土流失之間的關(guān)系,對后期更好地防止和治理畢節(jié)市水土流失有一定的參考意義。

研究參照GlobeLand30分類系統(tǒng),這是一種針對特定地域的定位精確性更高的土地利用分類系統(tǒng),把研究區(qū)土地分為十種利用類型,分別是耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。采用GlobeLand30分類系統(tǒng)進行賦值分類,利用ArcGIS進行疊加分析得出研究區(qū)各土地利用類型下不同侵蝕類型的面積,如表5所示:

表5 不同土地利用類型下土壤侵蝕狀況 (面積:hm2)

從表5可以看出,耕地土壤侵蝕面積最多,2000年占侵蝕總量的48.23%、2010年占46.57%、2020年占45.31%。其次為林地,2000年所占比例為33.62%、2010年所占比例為34.43%、2020年所占比例為34.08%,濕地和水域的水土流失面積相對較少。在不同年份下,各個土地利用類型的水土流失情況會有所變化。例如,耕地的水土流失面積在2000年為侵蝕最明顯的區(qū)域之一,但到了2010年后,面積卻迅速下降,可以推測是相關(guān)治理措施的效果。

3.3 不同坡度帶水土流失特征分析

坡度是地形特征的重要指標,研究按照《水土保持綜合治理規(guī)劃》,將地表坡劃分為微坡0°～5°、較緩坡5°～8°、緩坡8°～15°、較陡坡15°～25°、陡坡25°～35°、極陡坡>35°六個等級,畢節(jié)市在30m分辨率下坡度為0°～31°,因此分為五個等級。將坡度進行重分類后進行疊加分析,如表6所示:

表6 不同地形坡度帶下土壤侵蝕狀況 (坡度:°,面積:hm2)

從表6可以看出,畢節(jié)市大部分區(qū)域?qū)儆谖⑵潞途徠露鹊燃墶？偟亩?面積占比最大的微坡等級,占比約60%;其次為較緩坡,占比約23%,而較陡坡和陡坡占比微小,沒有極陡坡等級。這20年間,不同坡度下不同程度的水土流失面積發(fā)生了變化。在5°～8°的范圍里,微度水土流失面積先增加后減少,輕度、中度、強烈的水土流失面積先減少后增加,極強烈的水土流失面積略有增加。15°～25°,微度水土流失面積也是先增加后減少,輕度、中度、強烈、極強烈的水土流失面積先減少后增加。在大于25°的地區(qū),微度的侵蝕面積先增加后減少,輕度、中度、強烈和極強烈的水土流失面積先減少后增加?？傮w來看,到2020年,不同坡度下侵蝕程度較輕的水土流失面積較2010年減少,而侵蝕程度較重的水土流失面積則與之相反?？傮w的水土流失面積有所減少,這可能與采取了有效的防治措施有關(guān)。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本研究基于USLE模型,定量分析了畢節(jié)市的水土流失時空變化特征,總體上來看,研究區(qū)以輕度侵蝕為主。具體結(jié)論和建議如下:

(1)土地利用特征:土地利用中耕地、林地、草地土壤侵蝕面積大,濕地、水域和人造地表的土壤侵蝕面積占比較低。就具體土地利用類型來看,2000-2020年這20年間耕地土壤侵蝕面積迅速下降,這與畢節(jié)市對耕地水土保持工作的逐漸重視,并采取了相應的水土保持技術(shù)措施息息相關(guān)。

(2)坡度帶特征:在不同的坡度帶中,水土流失的特征有明顯區(qū)別。坡度小于5°的地形中,微度的水土流失程度先增加后減少,輕度和中度的水土流失程度在2000年至2010年間顯著下降,但在2020年有所反彈;坡度大于25°的地形中,強烈和極強烈等級的水土流失程度呈先減少后增加的趨勢,但整體流失面積不大。這主要是因為在畢節(jié)市地形較高的丘陵和山區(qū),不易受到人類活動影響,土地利用類型以林地為主且相對穩(wěn)定,侵蝕強度較低。而坡度較小的地區(qū),受城市化進程的影響,人們對土地的利用較為單一。

(3)時間分布特征:從2000年至2020年,總體來看水土流失呈減輕的趨勢。其中輕度和中度的水土流失程度呈現(xiàn)下降趨勢,但土地利用強烈和劇烈等級的水土流失程度卻呈上升趨勢,這也與人口密集活動頻繁,土地利用結(jié)構(gòu)單一息息相關(guān)。

(4)空間分布特征:研究區(qū)的水土流失在西部的威寧、赫章,南部的納雍、織金,中部的大方分布較多。這些區(qū)域是今后畢節(jié)市水土流失防治的重點地帶。由于研究區(qū)地質(zhì)地貌的特殊性,導致土壤侵蝕的空間異質(zhì)性較大,因此在具體的水土保持措施時要充分考慮不同區(qū)域的土地利用類型、高程、坡度,防止侵蝕嚴重劇烈化,并優(yōu)化坡面徑流,提高坡面抗沖能力。

4.2 展望

(1)研究數(shù)據(jù)選取的是2000年、2010年、2020年,與當?shù)貒窠?jīng)濟規(guī)劃等重點年份保持了一致。未來還可以進行逐年的土壤侵蝕分析,有助于掌握更為細致的變化趨勢。

(2)研究采用的USLE模型中各因子的選取,充分采用了同類型研究結(jié)果,一定程度上保證了模型的合理性。但是也受制于難以獲得地方土壤侵蝕實測資料以及水土保持措施因子,未來可以通過土壤侵蝕試驗測量法、專家打分法等對此進行進一步拓展和修正。