趙海兵，安裕倫，夏品華，林 陶，白鵬福

（貴州師范大學(xué) 地環(huán)學(xué)院 貴州山地資源與環(huán)境遙感實(shí)驗(yàn)室 山地環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽550001）

喀斯特區(qū)域地形復(fù)雜，植被、土壤、土地利用方式差異很大，造成土壤侵蝕的空間變化很大［1］。加之喀斯特區(qū)域水文條件復(fù)雜，地上地下二元結(jié)構(gòu)顯著，應(yīng)用傳統(tǒng)的土壤侵蝕調(diào)查方法對(duì)于喀斯特區(qū)域流域的土壤侵蝕調(diào)查有比較大的難度［2］。

GIS技術(shù)為土壤侵蝕的調(diào)查、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、模型構(gòu)建提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。土壤流失方程USLE和GIS的集成是目前中小尺度土壤侵蝕量預(yù)測(cè)和估算的主要方法，廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、標(biāo)識(shí)關(guān)鍵源區(qū)、模擬評(píng)價(jià)不同水土保持方案等。相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式方法進(jìn)行土壤侵蝕量的預(yù)測(cè)，這種分布式方法運(yùn)用GIS的柵格數(shù)據(jù)分析功能，可預(yù)測(cè)出每個(gè)柵格的土壤侵蝕量，便于管理者找出較為嚴(yán)重的土壤侵蝕區(qū)以針對(duì)性提出最佳的管理措施。

采用適宜喀斯特流域土壤侵蝕模型因子合適算法的前提下，運(yùn)用Arc GIS建立流域的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，生成USLE的各因子圖，并借助Arc GIS GRID模塊進(jìn)行圖像運(yùn)算，估算貴陽麥西河流域土壤侵蝕量和土壤侵蝕強(qiáng)度，并對(duì)其各子流域土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分異進(jìn)行分析。

1 麥西河流域概況

麥西河流域位于貴州省貴陽市金陽新區(qū)西部、清鎮(zhèn)市東北部，主要為低中槽谷地區(qū)，屬于季風(fēng)濕潤(rùn)型氣候區(qū)，年降雨量100～1 300 mm，年平均氣溫13．5～14．5℃，多年來平均降雨量為961．4 mm，多年平均氣溫14℃，年最大降雨量1 158．5 mm，年最小降雨量729．6 mm，年降雨在時(shí)間上分布不均勻，主要集中在5－9月，約占全年降雨量的72%。

該流域是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)景觀與工業(yè)城市景觀過渡的小流域，旱地和水田是流域內(nèi)兩種主要的農(nóng)業(yè)耕作景觀，旱坡地由于經(jīng)常耕作和使用農(nóng)藥化肥，是流域內(nèi)主要的非點(diǎn)源污染源地。麥西河流域居民主要為農(nóng)業(yè)人口，交通條件較好，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，經(jīng)濟(jì)有典型的郊區(qū)特征。

2 數(shù)據(jù)來源及USLE各因子值確定

2．1 USLE模型

本文選用修正的通用土壤流失方程（RUSLE）預(yù)測(cè)麥西河流域年均土壤流失量，其基本形式為：

A＝P·K·LS·C·P （1）

式中：A——土壤侵蝕量［t／（h m2·a）］；R——降雨侵蝕力因子［（MJ·mm）／（h m2·a）］；K——土壤可侵蝕性因 子 ［（t·h m2·h）／（h m2· MJ· mm）］；LS——坡長(zhǎng)、坡度因子（無量綱）；C——覆蓋與管理因子（無量綱）；P——水土保持措施因子（無量綱）。

應(yīng)用GIS和RUSLE模型預(yù)測(cè)土壤侵蝕的關(guān)鍵是各指標(biāo)值的確定和各因子圖的生成［3］，針對(duì)RUSLE模型的5個(gè)因子，收集到研究區(qū)地形圖、土壤圖、土地分等數(shù)據(jù)庫(kù)、降雨數(shù)據(jù)及土壤志等文獻(xiàn)及相關(guān)資料。在Arc GIS、Arcview等軟件支持下，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具體操作步驟如下：

（1）圖層的建立和數(shù)字化。在Arcview和Arc－GIS軟件支持下，對(duì)研究區(qū)1∶50 000地形圖的等高線進(jìn)行數(shù)字化，生成數(shù)字高程模型DEM，進(jìn)而獲取坡度圖。同樣在Arc GIS軟件支持下對(duì)土地分等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和提取，提取出土壤類型圖、土地利用現(xiàn)狀圖，為土壤侵蝕定量計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)利用地形圖和遙感影像提取流域河流、道路、居民點(diǎn)等輔助信息。

（2）各類圖層的空間校正和更新。應(yīng)用GIS軟件，使用統(tǒng)一的投影方式，將整理出的圖層進(jìn)行校正和投影變換，實(shí)現(xiàn)各類圖層的空間疊加。應(yīng)用Google eart h高分辨率遙感影像對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

2．2 麥西河流域的提取

利用提取的DEM數(shù)據(jù)和河流數(shù)據(jù)，在Arc View軟件的水文分析模塊（hydro）支持下進(jìn)行流域的匯水線、匯水邊界提?。ㄒ姼綀D6）。對(duì)結(jié)果進(jìn)行人工歸類，進(jìn)而計(jì)算出流域的總面積和各支流的匯水面積，見附圖7。通過上述分析可以得出麥西河流域面積為31．38 k m2，全流域根據(jù)水文狀況由計(jì)算機(jī)輔助劃分為7個(gè)子流域，匯水面626個(gè)。其中1，2，3，4號(hào)子流域?yàn)楠?dú)立子流域；5號(hào)黃土坡子流域?qū)儆诘叵掳岛酉到y(tǒng)；6，7號(hào)子流域?yàn)閰R水區(qū)。各子流域情況表1所示。

表1 麥西河子流域劃分及面積

2．3 RUSLE各因子值的確定和因子圖層的生成

2．3．1 降雨侵蝕力因子R值的估算 降雨侵蝕因子R與降雨量、降雨強(qiáng)度、歷時(shí)、雨滴的大小以及雨滴下降速度有關(guān)，它反映了降雨對(duì)土壤的潛在侵蝕能力。降雨侵蝕力難以直接測(cè)定，大多用降雨參數(shù)，如強(qiáng)度、雨量等來估算降雨分侵蝕能力，進(jìn)行R的敏感性分析。本文采用R值的簡(jiǎn)便算法計(jì)算，即Wish meier年降雨侵蝕力經(jīng)驗(yàn)公式［4］：

式中：Pi——月降雨量（mm）；P——年降雨量（mm）；R——全年的降雨侵蝕力。本文收集了貴陽市2004－2009年共6 a的月平均降雨量數(shù)據(jù)，分別求解年均降雨量，然后代入公式（2），進(jìn)行計(jì)算得出流域降雨侵蝕力因子R 值為160．613 6（MJ·mm）／（h m2·a）。由于流域面積較小，加之氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取困難，因此全流域使用一個(gè)R值。

2．3．2 土壤可蝕性因子K值的估算 K因子反映了土壤對(duì)侵蝕的敏感性及降水所產(chǎn)生的徑流量與徑流速率的大小。K的大小與土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量有較高的相關(guān)性。根據(jù)土地分等數(shù)據(jù)庫(kù)成果和《貴州省土壤志》［5］，獲得麥西河流域各類土壤的質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量，參考Wisch meier等建立的土壤可蝕性K 因子圖，并參閱相關(guān)文獻(xiàn)［6－10］，根據(jù)楊廣斌等2006年土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量確定K的方法［11］，近似確定出麥西河流域不同土壤類型的可蝕性因子K值（表2），并以土種為成圖單元，生成K值分布圖（附圖8）。

表2 麥西河流表層土壤質(zhì)地及K值

2．3．3 坡長(zhǎng)、坡度因子LS值的估算 LS因子反映地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響。LS表示在其他條件相同的情況下，某一給定坡度和坡長(zhǎng)的坡面上，土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值，是侵蝕動(dòng)力的加速因子。本文采用 Wisch meier提出的LS因子計(jì)算方法，利用流域5 m×5 m的DEM數(shù)據(jù)，在Arc GIS中的Spatial Analyst模塊下計(jì)算坡度，分別計(jì)算基于角度Degree和百分比Percent的運(yùn)算，得到兩個(gè)坡度圖層（圖1）。根據(jù)湯國(guó)安等關(guān)于坡長(zhǎng)因子提取的算法（湯國(guó)安等Arc View空間分析原理），通過水文分析模塊計(jì)算各像元坡長(zhǎng)L因子值和L圖層。再將計(jì)算好的角度坡度因子代入λ；將計(jì)算好的百分比坡度因子按照公式（4），重分類得到各像元m值和圖層（附圖9）。

圖1 麥西河流域不同因子分布

根據(jù)公式：

式中：L——坡長(zhǎng)因子；λ——坡長(zhǎng)（m）；m——坡長(zhǎng)指數(shù)；θ——百分比坡度。其取值范圍如下：

使用上述公式來計(jì)算每個(gè)像元的坡長(zhǎng)、坡度因子LS值和圖層（圖1）。

2．3．4 覆蓋與管理因子C值的估算 作物管理因子C是在相同的土壤、坡度和降雨條件下，某一特定作物或植被情況時(shí)的土壤流失量與耕種過后連續(xù)休閑地的土壤流失量的比值。植被覆蓋和經(jīng)營(yíng)管理C因子為侵蝕動(dòng)力的抑制因子，其值小于或等于1。C因子反映的是有關(guān)覆蓋度和管理變量對(duì)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的取值主要與植被覆蓋和土地利用類型有關(guān)。根據(jù)Wich meier等［4］，并結(jié)合流域土地利用，獲得麥西河流域不同土地利用方式下的C因子值（表3）。

2．3．5 水土保持措施因子P值的估算 水土保持措施因P是采取水保措施后，土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值。侵蝕防治措施因子P是采用專門措施之后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值，通常的侵蝕控制措施有：等高耕作、修梯田等。由于沒有實(shí)驗(yàn)資料，主要參照美國(guó)農(nóng)業(yè)部手冊(cè)703號(hào)和在亞熱帶區(qū)域、福建地區(qū)的相關(guān)研究［6］對(duì)P進(jìn)行率定（表3）。

表3 麥西河流域C、P因子取值

然后將土地利用的類型以及對(duì)應(yīng)的P、C值進(jìn)行鏈接，并在Arc GIS軟件下進(jìn)行矢柵轉(zhuǎn)換處理，以便于進(jìn)行GRID運(yùn)算；從而得到P、C圖層，詳見附圖10－11。

2．4 土壤侵蝕量估算

將上述各因子圖層均轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一坐標(biāo)系下像元大小為5 m×5 m的柵格圖，在Arc GIS軟件支持下，將各因子圖（GRID格式）進(jìn)行連乘，得到各像元年土壤流失量A值（圖2）。根據(jù)水利部頒布的《水土保持技術(shù)規(guī)范》SD2382－28和《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》SL190－2007侵蝕強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)確定土壤侵蝕分級(jí)指標(biāo)，并生成研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖（附圖12）。將上述成果，按照各子流域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出不同子流域、不同侵蝕強(qiáng)度下的侵蝕模數(shù)，結(jié)果見表4。

圖2 麥西河流域各像元年土壤流失量A值分布

表4 麥西河各子流域土壤侵蝕模數(shù)及分級(jí)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

（1）麥西河流域面積為31．38 k m2，全區(qū)域按照分水嶺可以分為7各子流域，匯水面626個(gè)，確定了流域的實(shí)際范圍；匯水線的計(jì)算可以作為重要的污染物流入通道，為治污工程布置提供位置參考；（2）麥西河流域年均土壤侵蝕速率為1 230．81 t／（h m2·a），侵蝕強(qiáng)度類型以微度和輕度為主。這與區(qū)域地形起伏較為緩和有關(guān)；（3）中度以上侵蝕類型主要發(fā)生在坡度大于25°，植被覆蓋較差的山體位置，尤其是旱地類型。從子流域上看麥乃7號(hào)子流域土壤流失較為嚴(yán)重。

值得探討的問題：（1）DEM的數(shù)據(jù)精度問題。使用1∶5萬的地形圖對(duì)于小流域水文分析有些粗略，匯水線的計(jì)算存在一定的誤差。（2）關(guān)于喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有所不同，由于缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這里使用的標(biāo)準(zhǔn)可能不太符合區(qū)域現(xiàn)實(shí)，有待在進(jìn)一步的研究中確立針對(duì)喀斯特流域的土壤侵蝕模數(shù)的估算模型；（3）流域涉及巖溶溶蝕，這里沒有考慮，有待進(jìn)一步研究中加以充實(shí)。

［1］ 曹建華，蔣忠誠(chéng)，楊德生，等．我國(guó)西南巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6（6）：1－7．

［2］ 蔡雄飛，王濟(jì)，雷麗，等．中國(guó)西南喀斯特山區(qū)土壤侵蝕研究進(jìn)展［J］．貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（3）：81－84．

［3］ 蔡崇法，丁樹文，史志華，等．應(yīng)用ULSE模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測(cè)小流域土壤侵蝕量的研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（2）：19－24．

［4］ Wisch meier W H，Smith D D．Agriculture Handbook No．537，Predicting rainfall erosion losses：A guide to conservation planning with the Universal Soil Loss Equation（USLE）［M］．Springfield United States Department of Agriculture，USA：1978．

［5］ 貴州省土地普查辦公室．貴州省土壤［M］．貴陽：貴州科技出版社，1989．

［6］ 洪華生，黃金良，曹文志，等．九龍江流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染機(jī)理與控制研究［M］．北京：科學(xué)出版社，2008．

［7］ 卜兆宏，李全英．土壤可蝕性（K）值圖編制方法的初步研究［J］．農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，1995，11（1）：51－59．

［8］ 周斌，楊柏林，洪業(yè)湯，等．基于GIS的巖溶地區(qū)水土流失遙感定量監(jiān)測(cè)研究［J］．礦物學(xué)報(bào)，2000，20（1）：132－221．

［9］ 胥彥玲，李懷恩，倪永明，等．基于USLE的黑河流域非點(diǎn)源污染定量研究［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（3）：138－142．

［10］ 許月卿，邵曉梅．基于GIS和RUSLE的土壤侵蝕量計(jì)算：以貴州省貓?zhí)恿饔驗(yàn)槔跩］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（4）：67－71．

［11］ 楊廣斌，李亦秋，安裕倫．基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的貴州土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)及其空間分異［J］．中國(guó)巖溶，2006，25（1），74－78．