李雪瑩, 楊 俊, 溫海明, 姚 云, 薛忠躍, 魏志明

(北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

基于RUSLE模型的土壤侵蝕量估算——以遼寧省阜新市為例

李雪瑩, 楊 俊, 溫海明, 姚 云, 薛忠躍, 魏志明

(北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

摘要：[目的] 準(zhǔn)確掌握遼寧省阜新市的土壤侵蝕狀況,為政府制定土地和經(jīng)濟(jì)方面的相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 基于修正的土壤流失方程(RUSLE),運(yùn)用RS和GIS等技術(shù)和方法,對(duì)阜新市的土壤侵蝕狀況進(jìn)行分析和研究。[結(jié)果] 阜新市年均土壤侵蝕量為1.99×107t,土壤侵蝕模數(shù)為19.18 t/(hm2·a)。土壤侵蝕強(qiáng)度在中度以下的區(qū)域占研究區(qū)總面積的77.01%,對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕量的貢獻(xiàn)率為12.57%,而中度以上侵蝕區(qū)域占研究區(qū)總面積的22.99%,對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕量的貢獻(xiàn)率高達(dá)87.43%。[結(jié)論]5°~25°為研究區(qū)主要侵蝕坡度段,裸土地、湖泊和農(nóng)村居民點(diǎn)為研究區(qū)主要侵蝕地帶,應(yīng)將其列為水土保持重點(diǎn)治理對(duì)象。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕; RUSLE; GIS; 阜新市

土壤侵蝕是由水力和風(fēng)力作用引起的土壤顆粒的分離與搬運(yùn)過程，土壤侵蝕嚴(yán)重破壞了土地資源，導(dǎo)致土地干旱、退化、洪澇等災(zāi)害問題，引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化[1-2]。土壤侵蝕已成為當(dāng)今世界主要的環(huán)境問題之一[3-4]，區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕可以導(dǎo)致土壤流失和土地沙漠化，造成當(dāng)?shù)丨h(huán)境惡化。土壤侵蝕是影響區(qū)域內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境的重要因素，因此對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕量的估算具有重要意義[5-6]。

阜新市是遼寧省糧食主產(chǎn)區(qū)之一，擔(dān)負(fù)著國(guó)家糧食安全的重大責(zé)任。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展，人口增長(zhǎng)，導(dǎo)致土地利用過度、土壤流失嚴(yán)重、土壤肥力下降等問題。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提高土地利用率，我們應(yīng)該更加科學(xué)合理地利用土地資源。土壤侵蝕作為破壞土地結(jié)構(gòu)的重要因素，對(duì)阜新市土壤侵蝕進(jìn)行定量估算及其分等定級(jí)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

土壤侵蝕模型是進(jìn)行土壤侵蝕量估算的有效工具。通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)[7]及其修訂方程(revised universal soil loss equation,RUSLE)[8]是學(xué)者們研究土壤侵蝕廣泛使用的經(jīng)典模型。RUSLE是在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄓ猛寥懒魇Х匠?USLE)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，與USLE相比，RUSLE從因子的算法和技術(shù)性上都有所改進(jìn)，使其計(jì)算精度大大提高。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的快速發(fā)展，以GIS為平臺(tái)，采用RUSLE模型對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行定量估算，已成為研究土壤侵蝕的有效手段[9-10]。中國(guó)學(xué)者基于GIS，RS與通用土壤流失方程及其修訂方程做了大量的研究工作[11-12]，并逐步從大尺度范圍向小尺度范圍轉(zhuǎn)變。這對(duì)于中國(guó)土壤侵蝕量的估算及其預(yù)報(bào)模型的研制起到了積極的作用。

本研究選擇阜新市為研究對(duì)象，應(yīng)用GIS和RS技術(shù)基于修訂的土壤流失方程RUSLE對(duì)研究區(qū)的土壤侵蝕現(xiàn)狀進(jìn)行了研究和分析。為阜新市改善土壤狀況、提高土地資源利用率提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

阜新市位于東北遼河平原和內(nèi)蒙古高原的中間過渡區(qū)域，屬遼寧省西部的低山丘陵區(qū)，位于東經(jīng)121°01′—122°56′，北緯41°41′—42°56′。土地總面積為10 360 km2，其中耕地面積3 760 km2；有林地面積3 067 km2。丘陵山地占58%；風(fēng)沙地占8%；平原占23%。地勢(shì)西北高，東南低；西南高，東北低。該地區(qū)屬北溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫7.6 ℃，年均降水量481 mm，大水面蒸發(fā)量1 789 mm。土壤以褐土為主，有機(jī)質(zhì)含量低，保水保肥能力差，土地利用方式以農(nóng)牧業(yè)為主。

1.2　數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：1∶50 000數(shù)字高程模型(DEM)；2010年6—9月Landsat ETM數(shù)據(jù)，空間分辨率為15 m×15 m(為了使地表的植被信息表現(xiàn)的更加清楚，本研究對(duì)其進(jìn)行了5,4,3波段的假彩色合成)；1951—2009年阜新市降雨量數(shù)據(jù)；1∶1 000 000土壤類型數(shù)據(jù)；2010年土地利用數(shù)據(jù)。

數(shù)字圖像處理所應(yīng)用到的軟件：ENVI 4.7用于遙感圖像的預(yù)處理及其分類等。ArcGIS 10.0用于地圖的代數(shù)運(yùn)算和空間分析等。

1.3　研究方法

將土壤質(zhì)地、降水、植被、坡度、坡長(zhǎng)及人類活動(dòng)干擾等影響因素考慮在內(nèi)的RUSLE模型是為評(píng)價(jià)某地區(qū)多年平均土壤侵蝕量而設(shè)計(jì)的。遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，使其結(jié)果具有更好的價(jià)值性與適應(yīng)性，是目前使用最為廣泛的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型。該模型的具體公式如下：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A——土壤流失量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕因子〔MJ·mm/(hm2·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔t·h/(MJ·mm)〕；L，S——地形因子，由坡長(zhǎng)和坡度因子組成；C——植被覆蓋因子；P——水土保持措施因子。土壤侵蝕量計(jì)算過程如圖1所示。

圖1　土壤侵蝕量計(jì)算過程

2RUSLE模型各因子的確定

2.1　RUSLE模型各因子的計(jì)算

2.1.1降雨侵蝕力因子降雨侵蝕力可以反應(yīng)降雨對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕的影響[13]，降雨強(qiáng)度、降雨量、雨型、降雨歷時(shí)、瞬時(shí)雨率和降雨動(dòng)能等都是其影響因素。本研究計(jì)算R值的具體公式如下：

(2)

式中：ji——月降水(mm)；J——年降水(mm)；i——月份。R與F的具體關(guān)系如下：

R=4.17F-152

(3)

式中：R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·a)〕，R值計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　阜新市降雨侵蝕力因子R值　　MJ·mm/(hm2·a)

2.1.2土壤可蝕性因子土壤可蝕性因子(K)值的大小表示土壤被侵蝕的難易程度，是導(dǎo)致土壤流失的內(nèi)在因素[14]。本研究采用董婷婷等[15]在遼西進(jìn)行土壤侵蝕的定量研究的相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)作為阜新市不同類型土壤的可蝕性k值(表2)。并且以阜新市第二次全國(guó)土壤普查圖(1∶100萬)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)校準(zhǔn)后進(jìn)行柵格化處理得到全市土壤可蝕性分布圖(如圖2所示)。

季林林(1983-)， 男，漢族，江蘇南通人，本科，中級(jí)會(huì)計(jì)，上海市引旅金融信息服務(wù)有限公司財(cái)務(wù)總監(jiān)，研究方向：互聯(lián)金融行業(yè)財(cái)務(wù)。

表2　阜新市主要土壤類型的可蝕性K值

注：K——土壤可蝕性因子〔t·h/(MJ·mm)〕。

圖2　阜新市土壤可蝕性因子(K)分布

2.1.3地形(LS)因子坡長(zhǎng)與坡度作為地形地貌特征嚴(yán)重影響著土壤侵蝕，這兩個(gè)因子是降雨侵蝕力的促進(jìn)因子[16]。本研究將坡度分為陡坡和緩坡來考慮它對(duì)土壤侵蝕的影響。陡坡和緩坡采用D.K.McCool等[17]研究的坡度公式。具體算法如下：

(4)

式中：S——地形因子；θ——地面坡度。

利用阜新市的1∶50 000數(shù)字高程模型可以計(jì)算出坡度θ，其空間分辨率為30 m×30 m。在ArcGIS 10.0軟件的支持下，根據(jù)坡度和(4) 式計(jì)算出坡度因子(S)，進(jìn)而獲得坡度因子(S)的空間分布圖(圖3)。

圖3　阜新市坡度因子分布

坡長(zhǎng)因子(L)的計(jì)算公式如下：

L=(λ/72.6)m

(5)

式中：m=β/1+β，β=(sinθ/0.0896)/〔3(sinθ)0.8+0.56〕；L——坡長(zhǎng)因子值；λ——水平投影坡長(zhǎng)(m)。以研究區(qū)DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的空間分析功能中的水文分析工具計(jì)算λ值。然后根據(jù)公式(5)求得坡長(zhǎng)因子(圖4)，再將坡度因子乘以坡長(zhǎng)因子得出地形因子分布圖。

圖4　阜新市坡長(zhǎng)因子分布

2.1.4植被覆蓋因子在某些特定條件下采取了適當(dāng)?shù)奶镩g管理或有植被覆蓋的坡地土壤流失量與相同狀況下實(shí)施清耕的連續(xù)休閑地土壤流失量之比即為植被覆蓋因子(C)。它抑制著土壤侵蝕的發(fā)生，起著保護(hù)水土流失的作用[18]。本研究采用蔡崇法[19]提出的植被覆蓋度與C因子的方程：

(6)

式中：C——植被覆蓋因子；c——植被覆蓋度。

阜新市6—9月是植物生長(zhǎng)發(fā)育最好的時(shí)期，因此這個(gè)時(shí)期植物的覆蓋度比較大?；贓NVI軟件，利用阜新市2010年6—9月Landsat ETM遙感影像數(shù)據(jù)計(jì)算NDVI值，再利用NDVI值計(jì)算植被覆蓋度，最后求出植被覆蓋因子分布圖(如圖5所示)。公式為：

c=(NDVI-NDVI0)/(NDVIx-NDVI0)

(7)

圖5　阜新市植被覆蓋因子分布

式中：NDVIx——完全被植被覆蓋像元的NDVI值； NDVI0——無植被覆蓋或裸土像元的NDVI值。

NDVI=(band4-band3)/(band4+band3)

(8)

2.1.5水土保持措施因子針對(duì)研究區(qū)采取特定防治措施后的土壤侵蝕量與順坡種植時(shí)沒有采取相應(yīng)措施的土壤侵蝕量之比即為水土保持措施因子(P)，一般沒有采取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[20]。

參照董婷婷等的研究成果[15]，結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋乩眉稗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)確定本研究區(qū)的P值(見表3)。將P值以土地利用類型為單元賦值生成P值柵格圖(圖6)。

表3　阜新市不同土地利用類型的P因子值

圖6　阜新市水土保持措施因子分布

2.2　土壤侵蝕量的計(jì)算及強(qiáng)度分級(jí)

將以上研究計(jì)算得到的RUSLE模型的各因子及具有其空間屬性的柵格數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.0下相乘得到阜新市土壤侵蝕量分布圖。采用中華人民共和國(guó)水利部發(fā)布的侵蝕強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)作為本次研究土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]，根據(jù)研究區(qū)的具體情況，本文將阜新市土壤侵蝕強(qiáng)度共分為7個(gè)等級(jí)，得到研究區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖(如附圖11)。

3研究結(jié)果分析

3.1　阜新市土壤侵蝕與空間分布

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表4)：阜新市年均土壤侵蝕總量為1.99×107t，年均土壤侵蝕模數(shù)為19.18 t/(hm2·a)，屬于輕度侵蝕。土壤侵蝕模數(shù)小于5 t/(hm2·a)的面積占研究區(qū)總面積的17.18%，屬于微度侵蝕。輕度土壤侵蝕的面積占到了阜新市總面積的59.83%。而中度以上的土壤侵蝕約占研究區(qū)總面積的22.99%，強(qiáng)度以上侵蝕占11.08%，其中極強(qiáng)度侵蝕占5.48%。遼西地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)以輕度為主，阜新市土壤侵蝕狀況一般。因此本研究與前人相關(guān)研究結(jié)果基本吻合，結(jié)果可信[15]。

3.2　土地利用類型對(duì)土壤侵蝕的影響

利用ArcGIS將土地利用類型圖和土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖進(jìn)行疊加分析，最終得到不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量如表5所示。由表5可以得出：占研究區(qū)總面積64.04%的旱地為阜新市最主要的土地利用類型；中覆蓋度草地次之，占到了12.08%；裸土地所占面積最小，僅為0.01%。

表4　阜新市土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)

從土地利用類型對(duì)土壤侵蝕的角度來看：裸土地面積僅占總土地面積的0.01%，但侵蝕量卻占總侵蝕量的0.23%，屬于極劇烈侵蝕。農(nóng)村居民點(diǎn)的土壤侵蝕量最大，占研究區(qū)侵蝕量的39.67%，年均侵蝕模數(shù)為146.02 t/(hm2·a)，屬于極強(qiáng)度侵蝕，是侵蝕的主要發(fā)生區(qū)。沼澤、湖泊的土壤侵蝕模數(shù)分別118.33和156.40 t/(hm2·a)，分別屬于極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕。而其他土地利用類型的土壤侵蝕量所占的百分比均較小。因此裸土地、湖泊、農(nóng)村居民點(diǎn)和沼澤是研究區(qū)土壤侵蝕的主要發(fā)生區(qū)域，所以應(yīng)加大這些區(qū)域的水土保持治理力度。

表5　不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況

3.3　地形坡度對(duì)土壤侵蝕空間差異的影響

利用ArcGIS對(duì)各坡度帶所占面積和總的侵蝕量進(jìn)行計(jì)算，最終得到不同坡度等級(jí)的侵蝕結(jié)果如表6所示。由表6可以得出：坡度在5°以下的區(qū)域占研究區(qū)總面積的51.47%，對(duì)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為19.23%，年均土壤侵蝕模數(shù)為7.17 t/(hm2·a)。坡度在25 °以上的區(qū)域占研究區(qū)總面積的12.2%，對(duì)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為9.7%，年均土壤侵蝕模數(shù)為15.25 t/(hm2·a)。坡度在5°~25°之間的區(qū)域年均土壤侵蝕模數(shù)介于30.80～40.31 t/(hm2·a)之間，其面積占研究區(qū)總面積的36.33%，對(duì)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為71.07%，是研究區(qū)的主要土壤侵蝕坡度段。

表6　不同坡度的土壤侵蝕

4結(jié) 論

(1) 阜新市年均土壤侵蝕總量為1.99×107t，年均土壤侵蝕模數(shù)為19.18 t/(hm2·a)；其中中度以下侵蝕區(qū)域占研究區(qū)總面積的77.01%，其侵蝕量占總侵蝕量的12.57%。中度以上侵蝕區(qū)域占研究區(qū)總面積的22.99%，侵蝕量占總侵蝕量的87.43%。占研究區(qū)面積僅1.48%的極劇烈侵蝕對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率高達(dá)35.21%。

(2) 阜新市土壤侵蝕空間差異明顯，研究區(qū)的地表形態(tài)、坡度和土地利用類型變化是導(dǎo)致這種差異的主要原因。5°~25°為區(qū)內(nèi)主要侵蝕坡度段；裸土地的年均侵蝕模數(shù)最大，湖泊和農(nóng)村居民點(diǎn)次之，為區(qū)內(nèi)主要侵蝕地帶，應(yīng)將其列為水土保持重點(diǎn)治理對(duì)象。

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Estimation of Soil Erosion Amount Based on RUSLE Model-A Case Study in Fuxin City of Liaoning Province

LI Xueying， YANG Jun， WEN Haiming， YAO Yun， XUE Zhongyue， WEI Zhiming

(SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Abstract：[Objective] To understand the situation of soil erosion in Fuxin City of Liaoning Province and provide scientific support for policy making about soil and economic development.[Methods] The annual average soil erosion in Fuxin City was calculated with revised universal soil loss equation (RUSLE) under RS and GIS platforms.[Results] The annual average amount of soil erosion in Fuxin City was 1.99×107t, soil erosion modulus was 19.18 t/(hm2·a), and erosion intensity was on the mild level. The regional soil erosion intensity below moderate level accounted for 77.01% of research area, and contributed 12.57% of the soil erosion in the studied area, while other area above moderate level contributed 87.43%. The spatial heterogeneity of regional soil erosion was high. [Conclusion] The slope between 5°~25° was the major erosion section, and bare lands, lakes and rural areas were major erosion areas. These sections and areas should be listed as the key areas of soil and water conservation.

Keywords:soil erosion; RUSLE; GIS; Fuxin City

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000-288X(2015)01-0199-06

中圖分類號(hào)：S157.1

通信作者：楊俊(1978—),男(漢族),湖北省孝昌縣人,博士,副教授,主要從事區(qū)域地表過程與地理信息系統(tǒng)研究。Email:hsrc@lnnu.edu.cn。

收稿日期：2013-07-08修回日期：2013-07-23

資助項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于RUSLE模型的土壤侵蝕時(shí)空分異特征”(201310165011)

第一作者：李雪瑩(1992—),女(漢族),遼寧省沈陽市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥恋乩靡?guī)劃和地理教育。E-mail:m18940829589@163.com。