李雪瑩，楊 俊，楊 陽，王 雪

（1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875；2.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連116029；3.北京師范大學(xué) 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875）

基于GIS與RUSLE的土壤侵蝕量時(shí)空變化分析

李雪瑩1，楊 俊2，楊 陽1，王 雪3

（1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875；2.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連116029；3.北京師范大學(xué) 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875）

基于修正的土壤流失方程（RUSLE），運(yùn)用RS和GIS技術(shù)對(duì)葫蘆島市的土壤侵蝕狀況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，葫蘆島市年均土壤侵蝕量17 867 598．32 t，年均土壤侵蝕模數(shù)為16．13 t/（hm2×a），屬于輕度侵蝕。葫蘆島市中度侵蝕以上的土壤侵蝕面積占總侵蝕面積的11．31%，土壤侵蝕模數(shù)占總侵蝕量的40．17%。中度侵蝕以下的土壤侵蝕面積占總侵蝕面積的88．96%，土壤侵蝕量占總侵蝕量的59．83%，研究區(qū)土壤侵蝕空間差異性大。分析土壤侵蝕與坡度和土地利用之間的關(guān)系表明，6°～25°為研究區(qū)主要侵蝕坡度段，裸土地、旱地、林地和草地是研究區(qū)土壤侵蝕的主要發(fā)生區(qū)，葫蘆島市應(yīng)將其列為水土保持重點(diǎn)治理對(duì)象，采取有效措施，改善土壤侵蝕現(xiàn)狀。

土壤侵蝕；RUSLE；GIS；葫蘆島市

土壤侵蝕是指地球表面土壤及其母質(zhì)在重力、水力、風(fēng)力、凍融、人類不合理生產(chǎn)活動(dòng)等自然因素和人為因素的綜合作用下所發(fā)生的各種破壞、分離（分散）、搬運(yùn)（移動(dòng)）和沉積現(xiàn)象，是最敏感的生態(tài)致災(zāi)因子之一，一直是水土保持研究的重點(diǎn)[1-6]。我國對(duì)土壤侵蝕的研究多集中于大尺度區(qū)域，小尺度區(qū)域的研究較為薄弱[7-15]。本文針對(duì)葫蘆島市的土壤侵蝕問題，運(yùn)用修正的RUSLE模型與GIS技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行土壤侵蝕量估算，分析其侵蝕現(xiàn)狀和空間分布特征，為葫蘆島市土壤侵蝕的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治提供科學(xué)依據(jù)[16-21]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

葫蘆島市位于東經(jīng)119°13'～121°02'、北緯39°59'～41°14'，屬遼寧省西部侵蝕褶皺低山丘陵區(qū)，地勢(shì)由西向東逐漸降低，總面積10 414．93 km2；農(nóng)用地面積7 271．02 km2，占土地總面積的69．8%。其中，林地面積占農(nóng)用地面積比重較大，為37．17%。土壤以褐土、棕壤土和草甸土為主，有機(jī)質(zhì)含量較低，保水保肥能力較差。葫蘆島市屬北溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，日照時(shí)數(shù)為2 600 h～2 800 h，年均降水量550 mm～650 mm，年平均氣溫8．5 ℃～9．5 ℃。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集及處理

本文采用的遙感影像為2013年6～9月的Landsat ETM，空間分辨率15 m×15 m，在ENVI4．8軟件支持下進(jìn)行預(yù)處理及分類?；A(chǔ)數(shù)據(jù)還包括來自建昌、綏中、興城等12個(gè)雨量站1964～2013年間的降水?dāng)?shù)據(jù)、1∶1 000 000土壤類型數(shù)據(jù)、2013年土地利用類型數(shù)據(jù)以及研究區(qū)1∶50 000數(shù)字高程模型（DEM）等。

1.3 模型選擇與研究路線

土壤侵蝕量計(jì)算的具體研究路線如圖1所示。土壤侵蝕過程是水文因子、氣象因子、下墊面因子的函數(shù)[22]。修改的RUSLE土壤流失方程包括土壤質(zhì)地、降水、植被、坡度、坡長及人類活動(dòng)干擾等影響因子。

土壤流失量計(jì)算公式如式（1）。

圖1 研究技術(shù)路線圖

式中，A表示土壤流失量（t·hm-2·a-1）；R表示降雨侵蝕因子（MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）；K表示土壤可蝕性因子（t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1）；L、S表示地形因子，由坡長和坡度因子組成；C表示植被覆蓋因子；P表示水土保持措施因子。

2 土壤侵蝕量的估算

2.1 模型各因子值確定和因子圖層生成

1）降雨侵蝕力因子。降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨歷時(shí)等都與土壤侵蝕有著密切的關(guān)系，因此降雨是引起土壤侵蝕的一個(gè)重要因子。降雨侵蝕因子通常采用Wischmeier經(jīng)驗(yàn)公式，既考慮年降水總量，又考慮降水的年內(nèi)分布[23]：

式中，Pi為汛期各月平均降雨量（mm）；P為年總降雨量（mm）。根據(jù)建昌、綏中、興城等12個(gè)雨量站1964～2013年的月平均降雨數(shù)據(jù)（氣象站分布如圖2所示），基于式（2）得到每個(gè)雨量站的降雨侵蝕力因子R，采用Kriging插值后得到研究區(qū)降雨侵蝕力的空間分布，如圖3所示。

圖2 葫蘆島市周邊雨量站分布圖

圖3 葫蘆島市降雨侵蝕力因子分布圖

2）土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子（K）的大小表示土壤被侵蝕的難易程度。一般說來，質(zhì)地越粗或越細(xì)，土壤越不易侵蝕，而質(zhì)地適中的土壤較易侵蝕。本文采用Williams等[24,25]在EPIC（erosion productivity Impact alculator）模型中的方法求算K值：

式中，s1為砂粒含量（%）；s2為粉粒含量（%）；n為黏粒含量（%）；c為有機(jī)碳含量（%）； s3=l-s1/100。根據(jù)第二次土壤普查資料，收集研究區(qū)各種土壤類型的機(jī)械組成、粒級(jí)含量、有機(jī)質(zhì)含量等數(shù)據(jù)代入公式中，近似確定出葫蘆島市不同土壤類型的可蝕性因子K值，如表1。將K輸入土壤圖屬性庫中，轉(zhuǎn)化為K因子?xùn)鸥駡D（圖4）。

圖4 葫蘆島市土壤可蝕性因子分布圖

3）坡度、坡長因子（LS）的獲取。LS因子反映地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響。在其他地理環(huán)境因子相同的條件下，隨著坡長與坡度的增大，土壤侵蝕增多。本文采用 Wischmeier[26]提出的因子計(jì)算方法：

式中，λ為坡長，β為坡度，m為隨坡度變化的變量。當(dāng)坡度＞2.86°時(shí)，m為0.5；當(dāng)坡度在1.72°～2.86°時(shí)，m為0.4；當(dāng)坡度在0.57°～1.72°時(shí)，m為0．2。根據(jù)1∶50 000DEM圖和式（4）提取研究區(qū)等高線，建立DEM模型，形成90 m×90 m單元格grid圖，求出LS圖層（圖5）。

圖5 LS地形因子分布圖

4）植被覆蓋因子。植被覆蓋因子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。其值范圍一般為0～1。C值與植被類型、植被覆蓋度有關(guān)。當(dāng)?shù)孛嫱耆懵稌r(shí)，C值為1；當(dāng)?shù)孛嬷脖桓采w度高時(shí)，C值可取0．001。植物的覆蓋可抑制土壤侵蝕的發(fā)生，覆蓋度越高，土壤流失量越少[27,29]。本研究采用蔡崇法[28]提出的植被覆蓋度與C因子的方程：

式中，C為植被覆蓋因子；c為植被覆蓋度。

葫蘆島市的主要土地利用類型包括耕地、林地、居民點(diǎn)、旱地等，利用葫蘆島市2013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，并將植被覆蓋度與土地利用結(jié)合測(cè)定C因子值，賦值如表2，最后求出植被覆蓋因子分布圖（如圖6）。公式為：

式中，NDVIx為完全被植被覆蓋的像元的NDVI值；NDVI0為無植被覆蓋或裸土的像元的NDVI值。

表2 不同土地利用類型的C因子值

圖6 葫蘆島市植被覆蓋因子分布圖

5）水土保持措施因子。水土保持措施因子P是針對(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[30]。本研究主要參照美國農(nóng)業(yè)部手冊(cè)703號(hào)和解譯出的當(dāng)?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀圖及董婷婷、劉得俊等的研究成果[31,32]，得出P值，見表3。并且將P值以土地利用類型為單元賦值生成P值柵格圖（如圖7）。

表3 葫蘆島市不同土地利用類型的P因子值

圖7 葫蘆島市水土保持措施因子分布圖

2.2 土壤侵蝕量計(jì)算及強(qiáng)度分級(jí)

將上述各因子圖層轉(zhuǎn)化成同一個(gè)坐標(biāo)系下的柵格圖，利用ArcInfo軟件的空間分析模塊疊加分析，將各因子連乘，最后得到研究區(qū)土壤侵蝕空間分布圖。再根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SLl90-96）確定土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)，由研究區(qū)土壤侵蝕空間分布圖生成土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖（圖8）。

圖8 葫蘆島市土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 葫蘆島市土壤侵蝕現(xiàn)狀分析

基于RUSLE葫蘆島市土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖可以看出，葫蘆島市土壤侵蝕以中度侵蝕以下為主，其中興城市和綏中縣土壤侵蝕較為嚴(yán)重，是土壤侵蝕防治的重點(diǎn)區(qū)域（見表4）。葫蘆島市年均土壤侵蝕總量為17 867 598．32 t，年均土壤侵蝕模數(shù)為16．13 t/（hm2·a），屬于輕度侵蝕。葫蘆島市中度侵蝕以上的土壤侵蝕面積為1 177．93 km2，占總侵蝕面積的11．31%。雖然面積小，但土壤侵蝕的模數(shù)很高，占侵蝕總量的40．17%。微度、輕度、中度土壤侵蝕的面積占總面積的88．96%，占侵蝕總量的59．83%。所以對(duì)于葫蘆島市而言，中度侵蝕以下的侵蝕級(jí)別是重點(diǎn)侵蝕級(jí)別，但在加強(qiáng)治理此地區(qū)的同時(shí)也不能忽視中度侵蝕級(jí)別以上的地區(qū)的整治。

表4 葫蘆島市土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)

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，獲得不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量（表5）。從表5可以看出，葫蘆島市的主要土地利用類型為林地（有林地、灌木林、疏林地、其他林地）和旱地，所占比重分別為37．17%和30．16%；草地（高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地）與灘地面積次之，分別占9．09%和11．66%；最少的為裸土地，僅占6．37%。其中土壤侵蝕量最大的為旱地，所占侵蝕總量比重為23．43%，是水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)；林地與草地的土壤侵蝕量也略多，比例分別為22．16%和14．47%。除此之外，裸土地的土地面積雖然少，但年均侵蝕模數(shù)很大，屬于極劇烈侵蝕，因此土壤侵蝕量也很大，占總侵蝕量的13．34%；其他土地利用類型的土壤侵蝕量則相對(duì)較少。因此裸土地、旱地、林地和草地是研究區(qū)土壤侵蝕的主要發(fā)生區(qū)域，應(yīng)加大對(duì)這些區(qū)域的水土保持治理力度。另外，農(nóng)村居民點(diǎn)侵蝕量比值比城鎮(zhèn)用地比值多4．25個(gè)百分點(diǎn)，說明農(nóng)村居民點(diǎn)比城鎮(zhèn)用地更易水土流失，葫蘆島市應(yīng)該在農(nóng)村地區(qū)加強(qiáng)土地利用改造，以減少農(nóng)村地區(qū)的水土流失。

表5 不同土地利用類型的土壤侵蝕

3.3 土壤侵蝕的坡度分布特征

根據(jù)葫蘆島市不同坡度帶的平均土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量表（表6）可以看出，坡度在6°以下的區(qū)域占研究區(qū)總面積的46．31%，但是對(duì)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率僅有8．63%，年均土壤侵蝕模數(shù)僅為6．13 t/(hm2·a)，屬于微度侵蝕；6°～10°坡度帶屬于輕度侵蝕；10°～15°坡度帶屬于中度侵蝕；15°～25°坡度帶屬于強(qiáng)度侵蝕；25°以上的土地面積僅占研究區(qū)面積的7．06%，但對(duì)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率高達(dá)19．90%，年均土壤侵蝕模數(shù)為158．33 t/(hm2·a)，屬于極強(qiáng)度侵蝕。這一現(xiàn)象表明,研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著坡度的增大，平均土壤侵蝕模數(shù)上升。坡度在6°～25°之間的土壤侵蝕量為12 938 648．5 t，對(duì)土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為72．47%，是研究區(qū)的主要土壤侵蝕坡度段。因此，6°～25°坡度帶是葫蘆島市土壤侵蝕防治的主要區(qū)域，加強(qiáng)該區(qū)域的土壤侵蝕治理會(huì)大量減少土壤侵蝕面積與土壤侵蝕總量。

表6 葫蘆島市不同坡度帶的平均土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕量

4 結(jié) 語

應(yīng)用RS和GIS技術(shù)，并在RUSLE模型的基礎(chǔ)上對(duì)葫蘆島市的土壤侵蝕量進(jìn)行定量估算，研究并分析了土地利用類型和地形坡度對(duì)土壤侵蝕空間差異性的影響。結(jié)果表明，全市年均土壤侵蝕總量為17 867 598．32 t，年均土壤侵蝕模數(shù)為16．13 t/(hm2·a)，屬于輕度侵蝕。從土壤侵蝕的空間特征分析，6°～25°坡度帶，以及裸土地、旱地、林地和草地是研究區(qū)土壤侵蝕的主要發(fā)生區(qū)域，這些區(qū)域是研究區(qū)土壤侵蝕防治的重點(diǎn)，葫蘆島市相關(guān)部門應(yīng)及時(shí)采取有效對(duì)策來減少土壤流失量，改善生態(tài)環(huán)境，為葫蘆島市的可持續(xù)發(fā)展提供空間和條件。

[1] 李婷,張世熔,廖明輝,等． 基于3S和USLE的沱江流域中游土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)[J]．水土保持研究,2011(1)：24-27

[2] 高峰,華璀,盧遠(yuǎn),等． 基于GIS和USLE的欽江流域土壤侵蝕評(píng)估[J]．水土保持研究,2014(1)：18-22

[3] 王志杰,簡(jiǎn)金世,焦菊英,等． 基于RUSLE的松花江流域不同侵蝕類型區(qū)泥沙輸移比估算[J]．水土保持研究,2013(5)：50-56

[4] Shi X Z, Wang K, Warner E D, et a1．Relationship Between Soil Erosion and Distance to Roadways in Undeveloped Areas of China [J]．Catena,2008(72)：305-313

[5] 閻業(yè)超,張樹文,李曉燕,等．黑龍江克拜黑土區(qū)50多年來侵蝕溝時(shí)空變化[J]．地理學(xué)報(bào),2005,60(6)：1 015-1 020

[6] Ni J R, Li X X, Borthwick A G L．Soil Erosion Assessment Based on Minimum Polygons in the Yellow River Basin,China[J]．Catena,Geomorphology,2008(93)：233-252

[7] De Cola L． Fractal Analysis of a Classified Landsat Scene[J]．Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1989(55)：601-610

[8] Lam N S N． Description and Measurement of Landsat TM Images Using Fractals[J]．Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1990(56)：187-195

[9] 余煒敏,漆智平．SOTER支持下海南土壤侵蝕量估算[J]．水土保持學(xué)報(bào),2003,17(6)：51-54

[10] 張志,華學(xué)理．GIS支持下的土壤侵蝕強(qiáng)度景觀空間結(jié)構(gòu)研究[J]．水土保持學(xué)報(bào),2001,15(6)：6-8

[11] 張志,王少軍．湖北省土壤侵蝕景觀空間異質(zhì)性及驅(qū)動(dòng)因子分析[J]．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2004, 15(4)：49-53

[12] 謝媛媛,余新曉,張滿良．基于GIS的橋子溝流域土壤侵蝕初步分析[J]．水土保持研究,2005, 12(5)：263-265

[13] 黃金良,洪華生,張珞平,等．基于GIS和USLE的九龍江流域土壤侵蝕量[J]．水土保持學(xué)報(bào),2004, 18(5)：75-79

[14] 楊娟,葛劍平,李慶斌．基于GIS和USLE的臥龍地區(qū)小流域土壤侵蝕預(yù)報(bào)[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006, 46(9)：1 526-1 529

[15] 洪華生,楊遠(yuǎn),黃金良．基于GIS和USLE的下莊小流域土壤侵蝕量預(yù)測(cè)研究[J]．廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,44(5)：675-679

[16] 沈中原,李占斌,李斌斌． 大理河流域土壤侵蝕空間格局分形特征研究[J]．土壤學(xué)報(bào),2009, 46(1)：149-152

[17] 齊曉君,王恩德,賈三石．基于GIS和RS的撫順市土壤侵蝕動(dòng)態(tài)研究[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,29(9)：1 342-1 345 [18] 李嘉峻,許有鵬,桑銀江． GIS支持下的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化研究：浙江一例[J]．南京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,41(3)：297-302

[19] 劉淼,胡遠(yuǎn)滿,徐崇剛．基于GIS、RS和RUSLE的林區(qū)土壤侵蝕定量研究[J]．水土保持研究,2004,11(3)：21-24

[20] 黃詩峰,鐘邵南,徐美．基于GIS的流域土壤侵蝕量估算指標(biāo)模型方法——以嘉陵江上游西漢水流域?yàn)槔齕J]．水土保持學(xué)報(bào),2001,15(2)：105-107

[21] 史培軍,劉寶元,張科利,等．土壤侵蝕過程與模型研究[J]．資源科學(xué),1999,21(5)：9-18

[22] 施行覺,Wang C Y．水的擴(kuò)散與斷層的黏滑[J]．中國地震,1986,2(3)：14-21

[23] 王萬忠．中國降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布[J]．水土保持學(xué)報(bào),1995,9(4)：5-18

[24] Wischmeier W H, Johson C B, Cross B V． A Soil Erodibility Nomograph forFarmland and Construction Sites [J]．J Soil and Water Conserv,1971(26)：189-193

[25] United States Department of Agnculture．EPIC-Erosion/ Productivity Impact Calculator 1 Model Documentation Technical Bdletin Number1768 [R]． Washington D C：USDA-ARS,1990

[26] Wischmeier W H, Smith D D Predicating Rainfall Erosion Losses[R]． Washington D C： USDA,1987

[27] 姬翠翠,李曉松,曾源,等．基于遙感和GIS的宣化縣水土流失定量空間特征分析[J]．國土資源遙感,2010,(2)：110

[28] 蔡崇法,丁樹文,史志華,等．應(yīng)用USLE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

[29] 王萬中,焦菊英．中國的土壤侵蝕因子定量評(píng)價(jià)研究[J]．水土保持通報(bào),1996,16(5)：1-20

[30] 傅世鋒,查軒．基于GIS和USLE的東圳庫區(qū)土壤侵蝕量預(yù)測(cè)研究[J]．地球信息科學(xué),2008,10(3)：393．

[31] SD239-97Es．水土保持實(shí)驗(yàn)規(guī)范[S]．

[32] 劉得俊,李潤杰,王文卿,等．基于地理信息系統(tǒng)的西寧市土壤侵蝕監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)[J]．水土保持研究,2006,13(5)：111-113

P273

B

1672-4623（2016）04-0065-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.022

李雪瑩，研究生，研究方向?yàn)橥恋乩靡?guī)劃，地理教育。

2013-08-21。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（4047017）；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201310165011）。