胡云華, 劉斌濤, 宋春風(fēng), 賀秀斌

(1.四川省第三測繪工程院, 四川 成都 610500; 2.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041)

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基于USLE模型的大小涼山地區(qū)土壤侵蝕定量研究

胡云華1, 劉斌濤2, 宋春風(fēng)2, 賀秀斌2

(1.四川省第三測繪工程院, 四川 成都 610500; 2.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041)

[目的] 對(duì)四川省涼山地區(qū)土壤水力侵蝕狀況進(jìn)行定量研究，為該區(qū)水土流失調(diào)查提供數(shù)據(jù)支持。 [方法] 利用四川省地理國情普查數(shù)據(jù)，基于對(duì)USLE模型的本土化研究成果進(jìn)行分析和研究。 [結(jié)果] 涼山彝族自治州平均土壤侵蝕模數(shù)為1 207.67 t/(km2·a)，土壤侵蝕面積為15 221 km2，占該區(qū)土地總面積的25.19%。從空間分布上看其中金沙江沿岸是涼山彝族自治州土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)，其次是安寧河流域和黑水河流域。 [結(jié)論] 涼山州目前水土流失面積較大，水土流失治理的形勢依然嚴(yán)峻。

大小涼山地區(qū); USLE; 土壤侵蝕

文獻(xiàn)參數(shù)： 胡云華, 劉斌濤, 宋春風(fēng), 等.基于USLE模型的大小涼山地區(qū)土壤侵蝕定量研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：232-235.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.041

大小涼山地區(qū)由于植被破壞，暴雨集中等特點(diǎn)，成為中國水土流失特別嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2]，《四川省國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》中明確要求要加強(qiáng)大小涼山水土保持及生物多樣性重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)建設(shè)。水土流失和生態(tài)環(huán)境修復(fù)問題是大小涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重中之重，但由于涼山州幅員面積較大，大部分地區(qū)屬于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，水土流失長期缺乏監(jiān)測資料，相關(guān)的水土流失研究工作也開展的很少[3-5]。為全面掌握四川省地理國情現(xiàn)狀，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，四川省于2013年啟動(dòng)第一次地理國情普查項(xiàng)目。本研究充分利用四川省地理國情普查成果，以涼山彝族自治州為研究區(qū)，在通用水土流失方程的基礎(chǔ)上，建立涼山州水土流失模型，為當(dāng)?shù)厮亮魇д{(diào)查提供數(shù)據(jù)支持，也為基于地理國情數(shù)據(jù)開展水土流失監(jiān)測提供理論支持。

1　研究區(qū)概況

涼山彝族自治州位于四川省西南部，幅員面積6.04×104km2，境內(nèi)以山地地貌為主，多為高山和中山，約占幅員面積的70%，山原次之，其余的山間谷地等不到總面積的10%。地勢西北高，東南低，起伏巨大，地勢最高點(diǎn)位于海拔5 958 m的木里縣恰朗多吉峰，最低點(diǎn)位于雷波縣大巖洞金沙江谷底305 m，相對(duì)高差達(dá)5 653 m。全區(qū)大部位于金沙江下游，該地區(qū)是中國水土流失極為嚴(yán)重的地區(qū)之一，當(dāng)?shù)剌斏衬?shù)為金沙江和長江上游流域平均輸沙模數(shù)的4倍[6]。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)1∶5萬DEM數(shù)據(jù)為2000國家大地坐標(biāo)系，空間分辨率25 m，1985國家高程基準(zhǔn)，高斯—克呂格投影，6°分帶，數(shù)據(jù)成圖時(shí)間為2013年。2014年地表覆蓋分類數(shù)據(jù)基于融合后的涼山州2014年Landsat 8影像遙感解譯獲得，屬于“四川省地理省情監(jiān)測”數(shù)據(jù)成果，空間分辨率15 m，包含了耕地、林地、草地、水域濕地、建設(shè)用地及未利用地等6大地表覆蓋類型。涼山彝族自治州1∶100萬土壤類型圖來源于南京土壤所制作的全國1∶100萬土壤類型圖。涼山彝族自治州內(nèi)及其周邊17國家氣象站1981—2014年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要用于涼山彝族自治州地區(qū)降雨侵蝕力的計(jì)算。

2.2土壤侵蝕模型

目前，土壤侵蝕的評(píng)價(jià)模型主要是基于通用土壤流失方程(USLE模型)衍生模型及其基于土壤侵蝕過程的物理模型，通用土壤流失方程是美國研制的用于農(nóng)地和草地坡面多年平均土壤流失量的經(jīng)驗(yàn)型模型，該模型所依據(jù)的資料豐富，涉及區(qū)域廣，形式簡單，因而具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并在世界范圍內(nèi)得到推廣[7-8]。USLE模型在我國也已經(jīng)取得廣泛的應(yīng)用，由于中國西南地區(qū)的地理特殊性，劉斌濤等人對(duì)USLE模型的本土化進(jìn)行了大量研究[9-11]。

本研究借助于涼山彝族自治州及周邊的相關(guān)研究成果和實(shí)測資料，基于劉斌濤等的研究成果[9-11]，得到?jīng)錾揭妥遄灾沃萃寥懒魇Х匠蹋?/p>

A=M·R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A——年土壤流失量〔t/(km2·a)〕；M——修正因子，無量綱單位；R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡長因子；S——坡度因子；C——植被覆蓋因子；P——水土保持措施因子；L，S，C，P均為無量綱單位。

2.2.1降雨侵蝕力因子R降雨侵蝕力因子是降雨導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生的潛在能力。采用第一次全國水利普查水土保持專項(xiàng)普查使用的降雨侵蝕力估算方程，根據(jù)1981—2014年的逐日降水量資料，剔除日雨量小于12 mm的非侵蝕性降雨后，計(jì)算各氣象站多年平均月降雨侵蝕力并進(jìn)行空間插值。此降雨侵蝕力估算方程由章文波等[12]提出的降雨侵蝕力估算模型改進(jìn)而來，適用于我國的西南地區(qū)(圖1)。

(2)

(3)

α=21.239β-7.3967

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Rk——第k個(gè)月的降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h)〕； N——計(jì)算數(shù)據(jù)序列長度； M——第i年第k個(gè)月侵蝕性降雨的次數(shù)； Pdikj——第i年第k個(gè)月第j次侵蝕性降雨量(mm)，取日降雨量≥12mm作為侵蝕性降雨； α，β——模型參數(shù)，通過公式以上估算； Pd0——侵蝕性降雨的多年平均值(mm)； R——多年平均降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕。

圖1　涼山彝族自治州多年平均降雨侵蝕力分布

2.2.2土壤可蝕性因子K土壤可蝕性是反映土壤對(duì)降雨滲透能力及其對(duì)降雨和徑流剝蝕、搬運(yùn)敏感程度的一個(gè)重要指標(biāo)，是影響土壤流失的內(nèi)在重要因素，K值的大小與土壤質(zhì)地有較高的相關(guān)性。K值的求法主要有：直接測定、諾謨圖法、公式法。直接測定法可信度高但成本高。諾謨圖法需要的參數(shù)較多，而且有些參數(shù)的準(zhǔn)確獲取相當(dāng)困難；公式法簡單方便，本研究采用被廣泛用來進(jìn)行K值計(jì)算的Williams等在EPIC[13]模型中的估算方法計(jì)算土壤可蝕性K值。

(8)

式中：Sa——粒徑0.05～2 mm沙粒的百分含量(%)；Si——粒徑0.002～0.05 mm粉砂的百分含量(%)；Ci——粒徑<0.002 mm黏粒的百分含量(%)；C——有機(jī)碳的百分含量(%)。

Sn=1-Sa/100

(9)

由于國外土壤可蝕性實(shí)測值與中國實(shí)測值之間存在明顯的差異，由EPIC模型計(jì)算的值通常要比實(shí)際的值偏大，因此國外關(guān)于土壤可蝕性估算的研究成果不能直接在我國使用。本研究采用張科利[14]實(shí)測研究成果(圖2)，修正的土壤可蝕性計(jì)算公式為：

Krejst=0.515 7Kepic-0.013 8

(R2=0.613，P=0.106)

(10)

圖2　涼山彝族自治州土壤可蝕性分布

2.2.3坡長坡度因子LS主要采用了楊子生等[15]根據(jù)云南昭通的實(shí)測資料發(fā)展和修正而來的模型計(jì)算坡長，其計(jì)算公式為：

(11)

式中：λ——坡長(m)；λ直接利用ArcGIS水文分析功能計(jì)算可得。

(12)

S因子，在坡度θ<10°的情況下，通用土壤流失方程的算法在在涼山彝族自治州也仍然可用。劉寶元[16]根據(jù)黃土高原綏德/安塞和天水試驗(yàn)站的觀測資料建模，修正了10°以上坡度因子的計(jì)算方法，S=21.91 sin(θ)-0.96。但西南地區(qū)地形地貌有異于黃土高原，25°以上坡耕地廣泛存在。劉斌濤[9]基于西南土石山區(qū)典型區(qū)域的徑流小區(qū)資料，提出了10°～25°范圍和大于25°范圍的S因子修正公式，本研究基于其研究成果，建立涼山州坡度因子S的計(jì)算公式(圖3)。

(13)

式中：S——坡度因子；θ——坡度。

圖3　涼山彝族自治州坡長坡度因子分布

2.2.4地表覆蓋因子C與水土保持措施因子P本研究基于區(qū)域相似性，根據(jù)四川、重慶、云南地區(qū)已有的基礎(chǔ)種植植被類型C值的研究[17-19]結(jié)合野外調(diào)查單元水土保持措施資料(包括種植制度，植被蓋度、作物種類、土地利用)，確定涼山州各地表覆蓋類型C值經(jīng)驗(yàn)值(表1)。參考劉斌濤等[8]西南土石山區(qū)不同利用方式水平梯田P值研究成果，西南土石山區(qū)水田的P值為0.01，水旱輪作田的P值為0.052 8，涼山州水旱輪作比例較高，因此區(qū)水田P值為0.052 8，旱地水土保持措施因子P為0.136 2，園地P值為0.103 5。林地、草地、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水面無水土保持措施，P值取1，硬化地表房屋建筑用地和構(gòu)筑物P值取0，部分硬化地表交通設(shè)施用地P值取0.2(圖4)。

圖4　涼山彝族自治州地表覆蓋和水土保持措施因子分布

編碼地表覆蓋類型CP0110水田0.10.05280120旱地0.450.13620200園地0.450.10350310喬木林0.021.000320灌木林0.051.000330其他林地0.101.000420沼澤草甸0.081.000430人工草地0.081.000440其他草地0.081.000500房屋建筑用地0.100.000600交通設(shè)施用地0.200.200700構(gòu)筑物0.200.000800人工堆掘地1.001.000900荒漠與裸露地表1.001.001010水面0.001.00

2.2.5土壤侵蝕評(píng)價(jià)分級(jí)研究參照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190-2007)》將研究區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行分級(jí)：<500 t/(km2·a)為微度侵蝕；500～2 500 t/(km2·a)為輕度侵蝕；2 500～5 000 t/(km2·a)為中度侵蝕；5 000～8 000 t/(km2·a)為強(qiáng)度侵蝕；8 000～15 000 t/(km2·a)為極強(qiáng)度侵蝕；≥15 000 t/(km2·a)為劇烈侵蝕。

3　結(jié)果與分析

3.1涼山彝族自治州水土流失強(qiáng)度

調(diào)查結(jié)果表明，涼山彝族自治州平均土壤侵蝕模數(shù)為1 207.67 t/(km2·a)，平均已達(dá)到輕度侵蝕級(jí)別；在復(fù)雜地形條件下，涼山彝族自治州土壤侵蝕的潛在可能性很高，是土壤侵蝕的極度敏感區(qū)。涼山彝族自治州土壤侵蝕面積為15 221.15 km2，占土地總面積的25.19%，其中輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕的面積分別為：5 537，4 997，2 336，1 614和737 km2，分別占土地總面積的9.16%，8.27%，3.87%，2.67%，1.22%。當(dāng)前涼山州水土流失面積較大，水土流失治理的形勢依然嚴(yán)峻。

3.2涼山彝族自治州土壤侵蝕空間分布

表2列出了涼山彝族自治州各縣(市)的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積數(shù)據(jù)。從表中可以看出，涼山彝族自治州各縣(市)中金陽縣的土壤侵蝕情況最為嚴(yán)重，其土壤侵蝕面積比例46.53%；其次為普格縣、美姑縣、布拖縣、甘洛縣、昭覺縣，土壤侵蝕面積占全縣國土面積的比例都在35%以上。水土流失面積最大的地區(qū)是鹽源縣，其次依次是會(huì)理縣、美姑縣和昭覺縣，水土流失面積都在1 000 km2以上。

圖5為涼山彝族自治州土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布格局。從圖5可以看出，金沙江沿岸(雷波、金陽、布拖、寧南、會(huì)東、會(huì)理)是涼山彝族自治州土壤侵蝕較為強(qiáng)烈的地區(qū)。同時(shí)，由于該地區(qū)也是金沙江下游重力侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[6]，在未來的治理過程中，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害防治特點(diǎn)，推廣相應(yīng)的坡面治理工程、溝道治理工程和泥石流灘地綜合利用等治理工程，有效防治水土流失。安寧河流域(喜德、冕寧、西昌、德昌)和黑水河流域(普格、寧南)，土壤侵蝕強(qiáng)度基本在輕度以上，地勢相對(duì)較緩，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，坡耕地廣泛分布，在未來治理過程中，應(yīng)重視坡面防護(hù)及坡耕地水土保持。安寧河谷和鹽源盆地雖然耕地面積大，但由于地勢平坦，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件好，土壤侵蝕強(qiáng)度較低。涼山彝族自治州西部的木里和冕寧縣西部由于森林覆蓋度高，土壤侵蝕強(qiáng)度較低，該地區(qū)水土流失治理應(yīng)以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主，盡量減少人類活動(dòng)對(duì)地表的擾動(dòng)。

圖5　涼山彝族自治州土壤侵蝕現(xiàn)狀圖

行政區(qū)劃行政面積/km2水蝕面積/km2水蝕面積比例/%各級(jí)土壤侵蝕面積/km2輕度中度強(qiáng)烈極強(qiáng)烈劇烈西昌市265590333.9929127617310657木里縣132539327.033033448995101鹽源縣8407169320.1372852425312364德昌縣228453723.50137204765664會(huì)理縣4522161635.7345645735730343會(huì)東縣322489027.592892832009621寧南縣166755733.40217177108478普格縣190583643.8924021421313237布拖縣168564338.1828421394448金陽縣158673846.532572713611857昭覺縣2699102237.8728035218512778喜德縣220573233.211722711289665冕寧縣442285719.3951822285266越西縣225771631.72268304784521甘洛縣215682038.06329301896537美姑縣2573108842.2744233413311464雷波縣293264221.8932625038198合計(jì)604321522125.195537499723361614737

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Soil Erosion Estimation in Liangshan Mountain Areas of Sichuan Province Based on USLE Model

HU Yunhua1, LIU Bintao2, SONG Chunfeng2, HE Xiubin2

(1.TheThirdSurveyingandMappingEngineeringInstituteinSichuanProvince,Chengdu，Sichuan610500,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China)

[Objective] The quantitative study of soil hydraulic erosion in Liangshan area of Sichuan Province was conducted to provide data support for the investigation of soil erosion in this area. [Methods] Data of geographic conditions in Sichuan Province were obtained from previous provincial investigation and then processed based on the localization research of USLE model. [Results] Annual average amount of soil erosion in Liangshan Region is 1 207.67 t/(km2·a). Soil erosion area is 15 221 km2, accounting for 25.19% of this area. Area around Jinsha River is the most serious soil erosion areas, followed by Anning River basin and Heishui River basin. [Conclusion] Soil erosion area is still large, and the situation of soil erosion is still grim in this place.

Liangshan mountain areas of Sichuan Province; USLE; soil erosion

2015-08-31

2015-11-03

四川省地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心開放基金項(xiàng)目“基于多源遙感影像數(shù)據(jù)的大小涼山地區(qū)森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測”(GC201507); 2014年度地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(201419)

胡云華(1988—),男(漢族),四川省自貢市人,碩士研究生,助理工程師,主要從事地理信息系統(tǒng)與水土保持方面的研究工作。E-mail:huyunhua1@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0232-05

S157.1