周湘山，孫保平，李錦榮，趙 巖，鐘曉娟，王引乾，馮磊，邱一丹

(北京林業(yè)大學水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083)

土壤侵蝕已成為全球性的環(huán)境問題之一，引起了世界各國的廣泛關注。我國是世界上土壤侵蝕問題最嚴重的國家之一，其范圍遍及全國各地，主要發(fā)生在黃河中上游黃土高原地區(qū)、東北黑土地區(qū)和長江中上游丘陵地區(qū)。土壤侵蝕是土地退化、河道和湖泊淤積的主要原因，也是導致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素。對區(qū)域土壤侵蝕類型和過程研究是一項基礎性的工作。然而，傳統(tǒng)的土壤侵蝕研究方法難以進行大尺度區(qū)域的土壤侵蝕狀況的調(diào)查與分析。20世紀80年代以來，GIS開始被引入與通用土壤流失方程(USLE)結(jié)合進行流域土壤侵蝕量的預測和估算。90年代初至今，二者的集成被廣泛地應用于土壤侵蝕的風險評價、關鍵源區(qū)的識別、不同水土保持方案的模擬評價以及流域的管理規(guī)劃等，有效地提高了土壤侵蝕量的預測效率和結(jié)果的顯示度[1]。USLE作為使用最廣泛的土壤侵蝕模型，已經(jīng)發(fā)展成為一個相對標準化的方法，在我國得到廣泛的推廣應用。例如，蔡崇法等[2]依據(jù)實地調(diào)查資料，建立了典型小流域地理數(shù)據(jù)庫，并在地理信息系統(tǒng)IDRISI支持下，采用USLE土壤侵蝕預測模型預測了小流域土壤侵蝕量;洪華生等人[3]基于GIS和 USLE對下莊小流域開展土壤侵蝕量的預測研究，實現(xiàn)了土壤侵蝕量估算和土壤侵蝕關鍵源區(qū)的標識。楊娟[4]等人基于GIS和USLE的臥龍地區(qū)小流域土壤侵蝕預報，分析小流域的土壤侵蝕強度的空間分布格局，以及土地利用/覆蓋對流域土壤侵蝕的影響?；诖耍运拇ㄊ『檠趴h為研究區(qū)域，選取合適的因子算法，定量確定了土壤侵蝕因子指標。在ArcGIS的支持下，建立空間數(shù)據(jù)庫，根據(jù)土壤侵蝕預測模型對數(shù)據(jù)庫進行圖形運算，實現(xiàn)了對洪雅縣土壤侵蝕強度的分等定級，并根據(jù)洪雅縣的土地利用情況與經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃模擬了水土保持的治理措施，為開展縣域水土保持規(guī)劃工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

洪雅縣位于四川盆地西南邊緣，地理位置跨東經(jīng)102°49′-103°32′，北緯 29°24′-30°00′。斜置于峨眉山、大相嶺和總崗山之間，形如啞鈴。全縣幅員面積1 896.49 km2，其中耕地 27 987 hm2，林地 139 117.27 hm2，牧草地4 196.08 hm2。洪雅縣位于中亞熱帶濕潤季風氣候北緣的山地平原交錯帶，地理環(huán)境復雜，生態(tài)條件多樣。氣候、土地、生物和水等農(nóng)業(yè)自然資源豐富，年均溫 16.8℃，無霜期 304 d，≥0℃積溫6 149.2℃，≥10℃積溫 5 309.6℃，多年平均降水量1 493.8 mm。洪雅地處四川盆地和涼山山原的過渡地帶，具有平壩、丘陵和山地等地貌類型，土地資源以林地為主(占總面積的68.8%，人均5.05 hm2)。該縣農(nóng)耕地以水稻土、紫色土為主，林地以山地黃棕壤為主。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的圖形數(shù)據(jù)庫包括:土地利用類型圖、土壤類型圖、地形圖、流域數(shù)字高程模型(DEM)等。其中土地利用圖根據(jù)2009年的Landsat/TM影像，TM影像為 LANDSAT7波段遙感數(shù)據(jù)，其地面分辨率為30 m×30 m，根據(jù)不同土地利用類型的光譜反映特征建立解譯標志，采用目視解譯法識別影像的特征屬性，并結(jié)合野外資料對影像進行監(jiān)督分類，得到遙感分類圖。土壤數(shù)據(jù)來自全國第二次土壤普查圖件及各地土壤志。其精度為1∶100萬，包括土壤類型矢量數(shù)據(jù)以及黏粒(%)、粉砂(%)、砂粒(%)、有機質(zhì)(%)等數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)包括:洪雅縣1998-2007年的氣象數(shù)據(jù)。

運用ArcGIS的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能，建立流域的數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類型圖等矢量圖，對其屬性數(shù)據(jù)進行相應的數(shù)據(jù)編碼操作，再借助ArcGIS將上述各圖柵格化(Grid格式)，考慮到縣域尺度和計算精度，柵格大小為10 m×10 m，獲得USLE方程的因子圖，再通過ArcGIS將各因子圖連乘，獲得洪雅縣的土壤侵蝕強度等級圖。

2.2 USLE模型

通用土壤流失方程(USLE)由Wischemier和Smith[5]于1958年提出，為提高各因子計算的通用性，美國農(nóng)業(yè)部又提出了修正方程RUSLE。本研究采用這一模型，其數(shù)學表達式為:

式中:A——單位面積上年平均土壤流失量;R——降雨侵蝕力因子;K——土壤可蝕性因子;L——坡長因子;S——坡度因子;C——植被覆蓋和管理因子;P——土壤保持措施因子。

2.2.1 R值計算 降雨侵蝕力因子是評價降雨引起土壤分離和搬運的潛在動力指標，雖然一些基于小區(qū)實驗的回歸方程給出了降水因子組合算法，但是這些相對精準算法的數(shù)據(jù)往往難以獲得，所以國內(nèi)外的很多研究人員都偏向于采用一些降水侵蝕因子R的簡易算法，其中應用比較多的就是Wischmeier提出的直接利用多年各月平均降量的經(jīng)驗公式。Wischmeier經(jīng)驗公式，既考慮了年總降雨量，又考慮了降雨的年內(nèi)分布，比較準確地反映出區(qū)域降雨對土壤侵蝕的貢獻率。本研究R值的計算采用Wischmeier經(jīng)驗公式[6]:

式中:Pi——第i月的平均降雨量(mm);P——全年或多年平均降雨量(mm);i=1，2，…，12。Pi和P 來自洪雅縣氣象站的降雨資料。

2.2.2 K值計算 依據(jù)Ei-Swaify等的研究，K值的大小與土壤質(zhì)地有較高的相關性。目前土壤可蝕因子K值的求法主要有:直接測定法、諾謨圖法、公式法[7]。直接測定K值法被認為最符合田間實際土壤對侵蝕力的敏感尺度，但是直接測定K值所需的時間較長，經(jīng)費較多;諾謨圖法不僅需要較多參數(shù)，特別是土壤結(jié)構(gòu)級別和土壤滲透級別很難準確獲得;公式法則比較快捷，也較為準確。美國通用土壤流失方程USLE及其修正模型RUSLE中K值的確定方法，與諾謨圖法一樣，需要的指標不容易確定。因此，本研究，運用Williams等人在EPIC模型中發(fā)展的土壤可蝕性因子K的估算方法進行計算[8](圖1)。

式中:Sa——砂粒(0.1～2 mm)含量(%);Si——粉粒(0.002～0.1 mm)含量(%);Ci——黏粒(＜0.002 mm)含量(%);C——有機碳含量(%);Sn=1-Sa/100。

圖1 洪雅縣土壤可蝕性K值

2.2.3 LS因子計算 在小流域和區(qū)域尺度上，坡度和坡長很難通過實地測量獲得，因此，長期以來缺少坡度和坡長等地形指標的估算方法。國內(nèi)外研究學者對LS因子計算原理和關鍵技術的研究仍顯薄弱。目前運用較為廣泛的就是通過數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model DEM)對LS因子進行提取。

(1)L坡長因子。運用ArcGIS建立洪雅縣數(shù)字高程模型，利用 ArcGIS的 GRID模塊進行基于DEM的地形特征分析，提取坡度坡長圖(圖2)。用通用土壤流失方程中的坡長指數(shù)L的計算方法計算坡長因子。

式中:λ——坡長(m);m——坡長效應指數(shù)，當坡度＜l%時 ，m=0.2;坡度 1%～ 3%，m=0.3;坡度 3%～5%，m=0.4;坡度＞5%，m=0.5[9]。

(2)S坡度因子的計算。緩坡上選用McCool等(1987年)研究的坡度公式;在陡坡上采用劉寶元的坡度公式[10]:

式中:S——坡度因子;θ——坡度。

2.2.4 C作物管理及植被蓋度因子的確定

(1)植被蓋度的提取。植被蓋度的計算現(xiàn)在大多數(shù)是利用遙感提取植被指數(shù)，利用植被指數(shù)與外業(yè)調(diào)查的植被蓋度建立相關關系，最終得到植被蓋度圖。而最常用的就是利用植被NDVI指數(shù)，來估算植被蓋度。

圖2 洪雅縣坡度坡長因子LS值

根據(jù)安培浚等[11]在西北干旱區(qū)利用NDVI所建立的植被指數(shù)與植被覆蓋度的關系來確定植被覆蓋度c。

其中:NDVI——所求像元的歸一化植被指數(shù)。NDVImin，NDVImax——研究區(qū) NDVI的最小值和最大值。

(2)C因子的確定。C值主要受植被覆蓋度和土地利用現(xiàn)狀的制約，蔡崇法等[12]通過建立坡面產(chǎn)沙量與植被覆蓋度的數(shù)學模型得到了C因子值與植被覆蓋度之間的關系。本次研究參考Wischmeier的原始C因子取值對照表的定義及相關研究文獻，結(jié)合洪雅縣的實際情況，利用式(7)計算各地類年均C因子(圖3)。

圖3 洪雅縣作物管理及植被蓋度因子C值

2.2.5 P保護措施因子的確定 水土保持措施因子P是采用專門措施后土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值，反映植被的管理措施差異引起的土壤流失量差別，其范圍在0～1之間。本次研究主要參照美國農(nóng)業(yè)部手冊703號和洪雅縣2009年TM遙感衛(wèi)片解譯出的土地利用現(xiàn)狀圖及相關的文獻來進行P值的確定[13](圖4)。

圖4 洪雅縣保護措施因子P值

3 結(jié)果分析

3.1 計算結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1.1 RUSLE各要素的計算結(jié)果 運用Matlab數(shù)學軟件對洪雅縣土壤粒徑進行3次樣條的插值，用蘇聯(lián)制為基礎進行插值，轉(zhuǎn)換得出美國制、國際制的主要有效粒徑對應的土壤顆粒累積百分含量。再用ArcGIS對土壤屬性數(shù)據(jù)處理得到洪雅縣土壤可蝕性K值圖;利用遙感提取植被指數(shù)，算出植被覆蓋度c。用ArcGIS對植被覆蓋度c進行計算得出洪雅縣作物管理及植被蓋度因子C值圖;運用ArcGIS建立洪雅縣數(shù)字高程模型，計算得出洪雅縣坡度坡長因子LS值圖;運用遙感采用目視解譯法識別影像的特征屬性并結(jié)合野外資料對影像進行監(jiān)督分類，得到遙感分類圖。用ArcGIS對遙感分類圖進行賦值運算得到洪雅縣保護措施因子P值圖。考慮到縣域尺度和計算精度，柵格大小為10 m×10 m，將得出的USLE方程的因子圖，通過ArcGIS將各因子圖連乘，獲得洪雅縣的土壤侵蝕強度等級分布圖(圖5)。

圖5 洪雅縣2009年土壤侵蝕強度分布

3.1.2 土壤侵蝕強度統(tǒng)計分析 通過圖5統(tǒng)計得到表1，可以得出洪雅縣土壤侵蝕強度以中度以下等級為主，其中中度以下侵蝕強度面積共170 115.15 hm2，占土地總面積的89.7%;中強度侵蝕面積共19 533.85 hm2，占土地總面積的10.3%。

表1 洪雅縣2009年土壤侵蝕強度分級面積

3.1.3 土地利用類型統(tǒng)計分析 運用遙感采用目視解譯法識別影像的特征屬性并結(jié)合野外資料對影像進行監(jiān)督分類，得到遙感分類圖，運用ArcGIS對遙感分類圖進行處理得出洪雅縣2009年土地利用類型圖(圖6)。

圖6 洪雅縣2009年土地利用類型

表2 洪雅縣2009年土地利用類型分類面積統(tǒng)計

通過圖6和表2可以得出洪雅縣土地利用類型中耕地面積 27 726.68 hm2，占土地總面積的14.62%;灌木林地面積17 523.57 hm2，占土地總面積的9.24%;有林地面積123 404.6 hm2，占土地總面積的65.07%;水域面積7 301.49 hm2，占土地總面積的3.85%;城鎮(zhèn)村及工礦用地面積9 463.49 hm2，占土地總面積的4.99%;草地面積4 229.17 hm2，占土地總面積的2.23%。洪雅縣土地利用類型主要以耕地和林地為主，耕地和林地一共168 654.85 hm2，占全縣土地總面積的88.93%。

表3 洪雅縣2009年土地利用類型的侵蝕強度的面積百分比 %

根據(jù)表3可以得出洪雅縣各土地利用類型的侵蝕強度分布中:耕地和草地主要以中度以下侵蝕為主，其中無明顯侵蝕面積分別占20.95%和32.34%，微度侵蝕面積分別占21.59%和24.53%，輕度侵蝕面積分別占48.79%和36.26%，中強度侵蝕面積分別共占8.67%和6.87%。灌木林地和有林地中無明顯侵蝕均占有較大比例，分別為50.67%和57.35%，其次是微度和輕度侵蝕面積，分別共占有41.29%和36.65%，中強度侵蝕面積最小，分別共占8.04%和6%。水域和城鎮(zhèn)村及工礦用地中度侵蝕和輕度侵蝕占有較大面積，分別共占84.01%和82.31%，相比其他土地利用類型，水域和城鎮(zhèn)村及工礦用地中的強度侵蝕面積占有比例相對過高，分別為 4.39%和9.81%，微度侵蝕和無明顯侵蝕面積占有比例顯著減少，分別共占11.6%和7.88%。洪雅縣土地利用單元的侵蝕強度存在顯著差異，不同的土地利用類型跟土壤侵蝕強度高低有著較為密切的聯(lián)系。

3.2 土壤侵蝕強度分區(qū)

結(jié)合圖5的洪雅縣2009年土壤侵蝕強度分布情況，圖6的洪雅縣2009年土地利用類型狀況和洪雅縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界確定洪雅縣土壤侵蝕強度三區(qū)分區(qū)邊界，得到洪雅縣土壤侵蝕強度分區(qū)分布圖(圖7)。

圖7 洪雅縣土壤侵蝕強度分區(qū)分布

表4 各區(qū)土壤侵蝕強度分級面積及平均侵蝕模數(shù)

根據(jù)洪雅縣的土壤侵蝕強度分布情況、土地利用類型分布情況和鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布情況，大致將可以將洪雅縣分為以下3個區(qū)域(圖7)。

(1)北部輕度侵蝕區(qū)。本區(qū)包括漢王、中山、洪川 、余坪 、中保 、止戈 、將軍 、三寶 、東岳等鄉(xiāng)鎮(zhèn) ，面積約665.54 km2，占全縣的 35.09%，人口 24.8萬人，占全縣總?cè)丝诘?4.97%。該區(qū)土地利用類型以耕地、水域、城鎮(zhèn)村及工礦用地為主。該區(qū)地貌以沿江河谷沖積平原、臺地、丘陵為主，水、熱、氣條件好，人口密度大，人均耕地少，能源、交通條件較好，又是全縣農(nóng)、工綜合開發(fā)區(qū)，經(jīng)濟最發(fā)達。該區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為2 118.20 t/(km2?a)，土壤侵蝕強度以輕度為主。

(2)中部微度侵蝕區(qū)。本區(qū)包括花溪、柳江、高廟、桃源等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積約 491.69 km2，占全縣的25.93%。人口5.2萬人，占全縣總?cè)丝?15.72%。該區(qū)土地利用類型以耕地、林地和水域為主。該區(qū)地貌以中山為主兼有低山，氣候呈立體分布人口稀少，山地宜林宜牧面積大，飼草充足，礦物貯量較豐富，是全縣林、藥、土特產(chǎn)的主要生產(chǎn)基地。該區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為1 055.30 t/(km2?a)，土壤侵蝕強度以微度為主。

(3)西南部無明顯侵蝕區(qū)。本區(qū)包括瓦屋山、張村等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全區(qū)幅員面積約739.25 km2，占全縣總面積的 38.98%。人口 3.08萬人，占全縣總?cè)丝?.31%。該區(qū)土地利用類型主要包括:林地、草地和水域。區(qū)內(nèi)地處縣境西南部，絕大多數(shù)為國有林地，有國家級森林公園瓦屋山，是人煙稀少的天然林區(qū)。由于山峰高聳，河谷深切，氣候寒冷，人跡罕至，所以本區(qū)生態(tài)環(huán)境尚屬天然或原始狀態(tài)。加之位于青衣江流域上游，對水源涵養(yǎng)和生態(tài)平衡具有重要作用。該區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為498.82 t/(km2?a)，土壤侵蝕強度以無明顯侵蝕為主，瓦屋山水庫等局部地區(qū)伴有中強輕度侵蝕。

3.3 土壤侵蝕強度分區(qū)治理措施

根據(jù)洪雅縣的土壤侵蝕強度分布情況、土地利用類型分布情況和鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布情況， 可以知道洪雅縣土壤侵蝕強度三區(qū)各區(qū)的生產(chǎn)方式和社會經(jīng)濟功能， 從而界定三區(qū)的水土流失主要方式和原因，做出針對性和準確性的分區(qū)治理措施。

(1)北部輕度侵蝕區(qū)。該區(qū)域包括洪雅縣城區(qū)及其它7個主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地勢較為平坦，人口密集，交通、能源條件好，是全縣的農(nóng)工綜合開發(fā)區(qū)和糧食作物耕作區(qū)。造成該區(qū)域水土流失的主要因素包括城鎮(zhèn)、工礦等項目的開發(fā)建設，不合理的耕作方式和沿江流域的水力侵蝕。

該區(qū)應加強城市水土流失預防監(jiān)督工作，認真貫徹水土保持相關法律法規(guī)，督促開發(fā)建設項目業(yè)主認真履行水土流失防治義務，按相關法律法規(guī)明確水土流失防治責任，確定水土流失防治方案和措施。工業(yè)園區(qū)、商業(yè)貿(mào)易區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、文化娛樂區(qū)、生活居住區(qū)等，根據(jù)不同的開發(fā)建設目標，采取與之相適應的水土保持措施，同時城區(qū)的水土保持措施與城市水系布局、河道整治、排洪工程結(jié)合，提高水系綠化指數(shù)和城市雨洪調(diào)蓄能力，減輕因水土流失而產(chǎn)生的洪澇災害和城市水源污染[14]。在人口相對密集的平壩、丘陵等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，結(jié)合農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加強控制化肥農(nóng)藥的使用，發(fā)展與水源保護相適應的生態(tài)農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)，積極發(fā)展城郊型農(nóng)業(yè)服務基地，減少面源污染。加強小型水利水保設施建設，改善生產(chǎn)條件，因地制宜在村莊及旅游景點等人類活動和聚居區(qū)加強農(nóng)村污水垃圾處理，改善人居環(huán)境。

(2)中部微度侵蝕區(qū)。該區(qū)地貌以中山為主兼有低山，土地利用類型包括耕地、林地和水域。其中耕地以坡耕地為主，坡耕地改造工程已成為水土保持生態(tài)建設的重中之重。水土保持法規(guī)定25°以上的坡耕地退耕還林還草，25°以下的坡耕地要采取相應的水土保持措施方可耕作。坡耕地治理措施的主要通過改變坡面小地形的方法防止坡地水土流失，將雨水及融雪水就地攔蓄，使其滲入地下，減少或防止形成坡面徑流，保持土壤養(yǎng)分，增加農(nóng)作物可利用的土壤水分，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎條件，提高土地生產(chǎn)能力。天然溝壑及其兩側(cè)山坡地形成的小流域，需因地制宜地采取工程措施、植物措施和保護性耕作等措施，進行坡耕地和溝道水土流失綜合治理。河道兩側(cè)的水土流失治理應保育植被，恢復濕地，清理河道垃圾、障礙物，恢復景觀生態(tài)，有效發(fā)揮灌木和水生植物的水質(zhì)凈化功能，維護河道及湖庫周邊生態(tài)平衡。

(3)西南部無明顯侵蝕區(qū)。該區(qū)屬青衣江流域上游，是四川省西南山地重要的生物基因庫，也是國家寶貴的生物種源基地。區(qū)內(nèi)有瓦屋山國家級森林公園和瓦屋山水庫，生態(tài)環(huán)境尚屬天然或原始狀態(tài)，對水源涵養(yǎng)和生態(tài)平衡具有重要作用。

該區(qū)應加強預防監(jiān)督管護，封山禁牧、禁伐、禁墾，保天然原始森林存量和保護次生林恢復森林植被，充分發(fā)揮植被特別是灌草植被的生態(tài)功能，在流域上游形成一道生態(tài)防線，以達到涵養(yǎng)水源、保持水土的目的。加強小型水庫等水資源保護與開發(fā)建設，為下游生產(chǎn)和生活蓄積和提供水源。由于該區(qū)地勢海拔較高，容易形成泥石流、滑坡等災害，當?shù)貞扇”O(jiān)測、徑流排導、削坡減載、支擋固坡、修建攔擋工程等措施，建立監(jiān)測、預報、預警體系。

4 結(jié)語

研究利用ArcGIS強大的空間數(shù)據(jù)管理能力，進行USLE方程各因子參數(shù)的輸入和運算，實現(xiàn)對洪雅縣土壤侵蝕強度的初步定量分析，給水土保持規(guī)劃治理的提供了較為可靠的依據(jù)。相對于傳統(tǒng)的集中式方法進行土壤侵蝕強度預測，這種分布式方法由于運用GIS的柵格數(shù)據(jù)分析功能，可預測出每個柵格的土壤侵蝕量，便于管理者找出較為嚴重的土壤侵蝕區(qū)，并針對性提出最佳治理措施。不過目前的預測模型和侵蝕因子的算式算法大多是借鑒原有的技術和國內(nèi)外相關的方法與成果來確定的，在以后的工作中，還應根據(jù)研究區(qū)水土流失實測結(jié)果，進行校準、改進各因子的算式算法，深入了解區(qū)域土壤、地形、覆被等影響因素的變化，加強對未來各侵蝕因子變化的定量分析，以提高預測的可靠性、準確性和突出區(qū)域特色[15]。

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