李 婷，張世熔，廖明輝，唐麗梅

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，四川 雅安 625014；2.四川省地震局測繪工程院，四川 雅安 625000）

土壤侵蝕是土地退化的根本原因，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素［1－2］。土壤侵蝕可導(dǎo)致土壤和養(yǎng)分的流失、土層變薄、土地貧瘠、宜耕地減少；流失土壤的堆積，可使河道水庫淤塞，加劇洪澇災(zāi)害的威脅，其攜帶的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)還可加劇水體的富營養(yǎng)化；長期的水土流失還會(huì)使裸巖荒山不斷增多，引發(fā)石漠化問題。我國對土壤侵蝕強(qiáng)度的評價(jià)研究多集中在西北黃土高原［3］、東北黑土區(qū)［4－6］、云貴高原［7－10］和南方紅壤區(qū)［11］。而對人口密集、土地利用強(qiáng)度高的紫色土丘陵區(qū)的土壤侵蝕研究相對比較薄弱［12］。

沱江流域中游位于四川盆地中部紫色土丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)雨量豐沛，人口密集，土地開發(fā)利用強(qiáng)度高，是我國主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，但由于區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱、墾殖率高、坡耕地多等特點(diǎn)，水土流失較嚴(yán)重，使得該區(qū)的生態(tài)環(huán)境日益惡化，土地退化、水土流失等現(xiàn)象日益突出。因此，本文針對沱江流域中游的土壤侵蝕問題，運(yùn)用3S技術(shù)結(jié)合通用水土流失方程（USLE），對其土壤侵蝕進(jìn)行定量評價(jià)，分析土壤侵蝕現(xiàn)狀及其空間分布特征，以期為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、合理利用水土資源、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)、開展水土保持等政府宏觀決策行為提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沱江中游，地理位置介于東經(jīng)104°44′48.10″－104°46′34.20″，北緯30°30′23.08″－30°31′28.76″，面積為 1164 .98km2，海拔 385.7～1010 .7m。區(qū)內(nèi)地形中間高四周低，以丘陵地貌為主。區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤，屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候。全年光熱資源充足，日照時(shí)數(shù)為1298 .2h，年積溫6220 ℃，年均溫16.6℃，年均降雨量874.7mm，降雨集中在6－8月，無霜期285d。由于該區(qū)跨盆中和盆西兩大褶皺帶，地貌類型多樣，山、丘、壩皆有，呈典型的三分性，西北部屬于平壩淺丘區(qū)，東南部屬于丘陵區(qū)，中西部則系龍泉山脈低山地帶。土壤類型以水稻土、紫色土、沖積土為主。土地利用方式除未利用地、建設(shè)用地之外，以耕地、林地和園地為主。植被類型以常綠針葉林為主，柏樹分布較多。研究區(qū)內(nèi)流域面積大于50km2的河流有13條，均屬沱江水系。

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)主要包括2006年的Landsat／TM影像（空間分辨率30m）。采用遙感圖像與野外GPS相結(jié)合的交互檢驗(yàn)方法，選取17個(gè)均勻分布的野外樣點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)，在遙感圖像處理軟件ERDAS 8.6平臺(tái)支持下，最終將誤差精度減小為RMS＜0.05，同時(shí)將投影方式由地理經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成UTM投影下的WGS84坐標(biāo)系。在專家參與下，根據(jù)影像光譜特征，結(jié)合野外實(shí)測資料，同時(shí)參照有關(guān)地理圖件，對地物的幾何形狀，顏色特征、紋理特征和空間分布情況進(jìn)行分析，建立統(tǒng)一的判讀標(biāo)志，在ERDAS 8.6軟件環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)交互判讀解譯。最終形成2006年的土地利用圖。提取的土地利用信息，參考國內(nèi)外全球變化（包括LUCC）研究中土地利用分類體系，結(jié)合研究目的，數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)和研究區(qū)狀況，將研究區(qū)分為水田、旱地、有林地、荒草地、水體、裸地、農(nóng)村居民點(diǎn)、果園和建設(shè)用地等9類。

DEM數(shù)據(jù)采用1∶1萬地形圖生成，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步生成坡度、坡長等要素圖件。

降雨數(shù)據(jù)使用自1989－2006年金堂縣的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。

土壤樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)是根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況并充分考慮其代表性，采用隨機(jī)采樣和重點(diǎn)抽樣相結(jié)合的方法，既遵照按成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用方式等資料布設(shè)樣點(diǎn)的原則，又滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的抽樣要求。野外采樣時(shí)取0－20cm的表層土壤，每一采樣點(diǎn)周圍取3個(gè)點(diǎn)，混合土樣，四分法取樣。采樣的同時(shí)，利用GPS獲取土壤樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)，于2007年8－10月在區(qū)域內(nèi)水稻和玉米收獲后共采集土樣317個(gè)。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法進(jìn)行測定，土壤機(jī)械組成采用吸管法測定。

2.2 模型選擇

目前用來評估土壤侵蝕量的模型有很多，其中最早建立且較為成熟的侵蝕預(yù)報(bào)模型是美國 W.H.Wischmeier等1965年提出的通用土壤流失方程USLE（Universal Soil Loss Equation）［13］，我國自20世紀(jì)80年代以來，開始引進(jìn)通用土壤流失方程，根據(jù)實(shí)地觀測參數(shù)，對通用土壤流失方程進(jìn)行修訂，其核心內(nèi)容是6個(gè)因子的計(jì)算。

式中:A——侵蝕模數(shù)［（t／（km2·a）］；R——降雨和徑流因子［MJ·mm／（km2·h·a）］:K——土壤可蝕性因子［（t·h／（MJ·mm））；LS——坡長坡度因子，無量綱；C——植被與經(jīng)營管理因子，無量綱；P——水土保持因子，無量綱。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨徑流因子的估算

降雨侵蝕因子R值與降雨量、降雨強(qiáng)度、歷時(shí)、雨滴的大小以及雨滴下降的速度有關(guān)，它反映了降雨對土壤的潛在侵蝕能力。降雨侵蝕力難以直接測定，大多用降雨參數(shù)，如雨強(qiáng)、雨量等來估算降雨侵蝕力。Wischmeier提出的EI模式方法由于需要詳細(xì)的降雨時(shí)序的雨量和雨強(qiáng)資料難以得到滿足，因而未能廣泛采用［14］；Arnoldus提出了一種簡便的R值計(jì)算方法，采用研究區(qū)的月降水和年降水資料來修訂Fournier指數(shù)（MFI），然后利用一個(gè)普遍使用的R因子方程來計(jì)算R值［15］。該公式同時(shí)考慮了年降水量和降水的分布，數(shù)據(jù)較為容易獲得。其公式為

式中:i——月份；ji——降水量（mm）；J——年降水量（mm）。R與該指數(shù)的關(guān)系為

依據(jù)金堂縣1989－2006年的各月降雨資料，計(jì)算得出年降雨侵蝕因子R值的平均值為3861 （MJ·mm）／（km2·h·a）。

3.2 土壤可侵蝕因子的估算

K值反映了在其它影響因子不變時(shí)，不同類型土壤所具有的不同侵蝕速度。土壤的物理特性，如土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)的大小及穩(wěn)定性、黏粒類型、土壤的滲透性、有機(jī)質(zhì)含量和土壤厚度等影響著土壤的侵蝕速度。本文采用Williams等在EPIC模型提出的計(jì)算方法［16］，根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤機(jī)械組成資料估算土壤可蝕性因子K，其計(jì)算公式如下:

式中:Sd——沙粒含量（%）；Si——粉粒含量（%）；Ci——黏粒含量（%）；C——有機(jī)質(zhì)含量（%），公式結(jié)果需乘以常量224.2轉(zhuǎn)化英制單位為公制單位。

將野外測量的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采用上述公式計(jì)算各個(gè)采樣點(diǎn)的侵蝕性因子K，采用克里格插值法得到流域的K因子?xùn)鸥駡D（圖1）。

3.3 坡度坡長因子的確定

運(yùn)用ArcInfo建立沱江流域的數(shù)字高程模型，然后運(yùn)用3D分析工具將地形圖轉(zhuǎn)化為TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再生成Grid格式的DEM數(shù)據(jù)。然后根據(jù)Gregory等（1973）建立的以下方程，獲得了地形因子LS（LS為L及S的綜合）的值［17］。其公式如下:

圖1 研究區(qū)K因子圖

式中:λ——坡長（m）；θ——傾斜角；S——百分比坡度，得到區(qū)域LS因子圖（圖2）。

3.4 植被與經(jīng)營管理因子的確定

C因子反映的是所有覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用等。C因子作為度量土壤侵蝕量的一個(gè)重要參數(shù)，其值變化于0～1之間。基本沒有土壤侵蝕危險(xiǎn)的地區(qū)被賦予0；1值被賦予給那些很容易受到侵蝕的地區(qū)［18］。本研究利用ERDAS 8.6對遙感影像圖進(jìn)行非監(jiān)督分類，再根據(jù)解譯出來的土地利用類型和植被覆蓋度，參照其他類似的研究成果［19－21］，對研究區(qū)不同土地利用對應(yīng)的C值進(jìn)行賦值（表1）。

圖2 研究區(qū)LS因子圖

表1 沱江流域不同土地利用類型的CP因子賦值

3.5 水土保持因子P值的確定

水土保持因子P是表示采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值，一般無任何水土保持措施的土地類型P值為1，其他情況P值在0～1之間，參照有關(guān)研究結(jié)果［19－21］，本文根據(jù)解譯出來的土地利用類型對P值進(jìn)行賦值（表1）。將CP值添加到土地利用類型屬性表，轉(zhuǎn)換圖層，得到區(qū)域CP因子圖（圖3）。

利用ArcGIS 9.2的空間分析模塊，執(zhí)行圖形疊加運(yùn)算功能，預(yù)測土壤侵蝕量，得到各個(gè)網(wǎng)格單元的侵蝕模數(shù)A，并生成土壤侵蝕量圖層。在柵格土壤流失量圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，對柵格土壤流失量進(jìn)行分類，將侵蝕量在同一侵蝕等級的柵格進(jìn)行合并，得到沱江流域中游土壤侵蝕強(qiáng)度分級表（表2）和流域土壤侵蝕強(qiáng)度圖（圖4）。

對像元土壤侵蝕強(qiáng)度圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:沱江流域中游雨量充沛，良好的植被覆蓋使得該地區(qū)年均土壤侵蝕模數(shù)為1543 t／（km2·a），侵蝕強(qiáng)度為輕度，但仍大于水利部頒發(fā)的西南土石山區(qū)土壤允許流失量500t／（km2·a）。區(qū)域內(nèi)中度侵蝕以上主要分布在坡度較大的區(qū)域，特別是坡度大于25°的坡度帶，如圖4中的中西部地帶，該區(qū)屬于龍泉山脈低山地帶，也是侵蝕最為強(qiáng)烈的區(qū)域。不同的土地利用類型土壤侵蝕量的差異也較大，沱江流域中游土地利用除未利用地、建設(shè)用地之外，以耕地、林地和園地為主。區(qū)域中旱地，建設(shè)用地侵蝕較強(qiáng)，中度侵蝕主要分布在荒草地和疏林地，而輕度侵蝕主要分布在坡度較緩的林地。

圖3 研究區(qū)CP因子圖

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級統(tǒng)計(jì)表

圖4 研究區(qū)土壤侵蝕等級圖

4 結(jié)論

（1）沱江流域中游平均侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)為輕度，研究區(qū)西北部雖為平壩淺丘區(qū)，但在流域附近由于居民點(diǎn)、各種建筑設(shè)施集中，人為影響較大，所以侵蝕較嚴(yán)重。中西部低山地帶因?yàn)榈匦螐?fù)雜，侵蝕強(qiáng)度也較東南丘陵區(qū)強(qiáng)。

（2）土壤侵蝕與地形、土地利用類型相關(guān)性大，區(qū)域內(nèi)中西部地區(qū)屬于龍泉山脈低山地帶，其坡耕地侵蝕嚴(yán)重。因此，坡度大于25°的坡度帶，以及旱地區(qū)域是該區(qū)土壤侵蝕防治的重點(diǎn)地區(qū)，采取造林種草、封山育林、坡改梯田、等高耕作以及設(shè)置前置庫等措施調(diào)節(jié)地表徑流、提高土壤持水能力、在坡耕地上開挖截流溝、攔截坡面徑流等一系列有利措施，使高等級的土壤侵蝕降低，低等級的土壤侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)闊o侵蝕，使生態(tài)系統(tǒng)朝良性方向循環(huán)。

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