王翊人, 趙牡丹, 張 倩, 張 鵬

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127)

梯田作為地形因子和工程措施對土壤侵蝕定量評價(jià)影響的對比研究

王翊人, 趙牡丹, 張 倩, 張 鵬

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127)

[目的] 根據(jù)中國土壤流失方程(CSLE)，在降雨、土壤、植被等因子一定的條件下，將梯田作為地形因子計(jì)算流域土壤侵蝕量，并與梯田作為工程措施的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，為土壤侵蝕定量評價(jià)提供新的思路。 [方法] 以黃土高原地區(qū)的紙坊溝流域和燕溝流域作為試驗(yàn)區(qū)，利用5 m分辨率的DEM，0.3 m分辨率的WorldView 3，30 m分辨率的Landsat 8影像、降雨數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用等數(shù)據(jù)。 [結(jié)果] (1) 在紙坊溝流域和燕溝流域，坡式梯田作為地形因子的流域土壤侵蝕量大于梯田作為工程措施的流域土壤侵蝕量，同時(shí)坡式梯田作為地形因子的流域土壤侵蝕量大于水平梯田作為地形因子的流域土壤侵蝕量，而水平梯田作為地形因子的流域土壤侵蝕量與梯田作為工程措施的流域土壤侵蝕量的比較根據(jù)流域的不同結(jié)果不同。 (2) 梯田占流域面積比例不同時(shí)，隨著梯田占比的升高，梯田作為工程措施的流域土壤侵蝕量要明顯低于梯田作為地形因子的流域土壤侵蝕量。 [結(jié)論] 梯田作為地形因子和工程措施因子會對土壤侵蝕量計(jì)算產(chǎn)生一定影響，梯田占比較大時(shí)差異明顯。

梯田; 地形因子； 工程措施因子； 土壤侵蝕定量評價(jià); 中國土壤流失方程(CSLE)

文獻(xiàn)參數(shù)： 王翊人, 趙牡丹, 張倩, 等.梯田作為地形因子和工程措施對土壤侵蝕定量評價(jià)影響的對比研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：148-152.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.022； Wang Yiren, Zhao Mudan, Zhang Qian, et al. Comparative Study of Quantitative Evaluation of Soil Erosion in Consideration of Terraces as Topographical Factor or Engineering One[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：148-152.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.022

黃土高原是中國乃至全世界土壤侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū)，其原因是由于黃土高原的主要堆積物為黃土，其具有欠固結(jié)性(上部)、輕度超固結(jié)性(深部)和易侵蝕性等特點(diǎn)，且因?yàn)辄S土高原地區(qū)的自然條件和人工影響，使得黃土高原地區(qū)的水土流失極為嚴(yán)重[1]。通過多年的治理與建設(shè)，在坡面上修建了大面積梯田，梯田在保水減沙的同時(shí)，其修建減緩了原始坡面的坡度，截?cái)嗔似麻L，使得地形因子發(fā)生了改變[2]，進(jìn)而影響某一地區(qū)的土壤侵蝕量。目前在土壤侵蝕定量化評價(jià)的相關(guān)研究中，主要是將梯田作為水土保持措施[3-4]，如高海東等[5]在分析梯田建設(shè)和淤地壩淤積對土壤侵蝕的影響時(shí)，將梯田作為水土保持措施考慮；謝紅霞等[6]在延河流域水土保持措施減蝕效應(yīng)的分析中，將梯田作為工程措施。但是，將梯田作為水土保持措施或工程措施并沒有以梯田對地表水沙物質(zhì)運(yùn)移方式變化為基礎(chǔ)，因而是不夠完整的。由于梯田主要通過改變微地形來減少土壤侵蝕量，本研究嘗試從將梯田作為地形因子的角度出發(fā)，計(jì)算土壤侵蝕量并分析其結(jié)果與將梯田作為工程措施的土壤侵蝕量的差異，此外，對紙坊溝流域劃分子流域，討論梯田占流域面積比例對土壤侵蝕量的影響，為土壤侵蝕的定量評價(jià)提供新的思路，對完善土壤侵蝕評價(jià)方法具有一定實(shí)際意義。

1 研究基礎(chǔ)與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

燕溝流域處于延安市南部，流域面積46.88 km2。其中包含梯田群共53處，梯田總面積占流域面積的8.74%，梯田分布較為均勻，且面積較小。土地資源較為豐富，但由于土壤侵蝕的影響，溝壑縱橫，坡陡溝深，水土流失非常嚴(yán)重。

紙坊溝流域處于延安市安塞縣，流域面積8.27 km2。其中包含梯田群共7處，梯田總面積占流域面積的8.85%，梯田主要分布在流域中部，與燕溝相比，面積較大。地形支離破碎，包含了黃土高原典型的塬、梁、峁地形，水土流失較為嚴(yán)重。所用數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一覽表

1.2 梯田DEM構(gòu)建

梯田按形態(tài)特征分為水平梯田、坡式梯田、反坡梯田和復(fù)式梯田。燕溝流域和紙坊溝流域內(nèi)梯田面積分別占各自流域的8.71%和8.85%，以水平梯田為主，但本研究為了更加完善的表達(dá)流域地形特征，在測繪部門1∶1萬5 m DEM的基礎(chǔ)上采用基于真實(shí)田坎的方法對流域內(nèi)所有梯田分別構(gòu)建水平與坡式梯田DEM。劉芬[7]提出的基于真實(shí)田坎信息的梯田DEM構(gòu)建方法，其主要方法是根據(jù)高精度遙感影像，對梯田田面的田坎特征線進(jìn)行手動(dòng)提取，保證了田坎特征線與真實(shí)田坎位置的一致性。其數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

d=H-Ltanα

(1)

b=cotβ(H-Ltanα)

(2)

式中：α——梯田田面傾角；β——田坎坡度；L——田面寬度；H——兩梯田田面高差；d——田坎高；b——田坎水平投影寬，即臺沿線偏移量。

其構(gòu)建思路為：首先在高精度遙感影像上對樣區(qū)梯田田坎進(jìn)行矢量化操作，逐塊勾繪田坎所在田面并求得各田面平均高程進(jìn)行臺沿線高程賦值；結(jié)合樣區(qū)梯田田坎坡度β(β=75°)，并在兩田面高差及梯田田面傾角α(水平梯田α=0°坡式梯田α=1°)的基礎(chǔ)上，利用公式(2)計(jì)算得到臺沿線偏移量，對臺沿線進(jìn)行逐根偏移后進(jìn)行高程修正，其高程值為相應(yīng)臺沿線高程減去田坎高度d〔d由公式(1)得到〕；最后取高程為內(nèi)插屬性，以臺沿線及其偏移線為特征約束線，構(gòu)建TIN生成梯田樣區(qū)DEM。為了方便后期分析，需要將梯田區(qū)域的DEM鑲嵌到原始DEM，形成嵌入梯田信息的DEM，采用AML語言編程實(shí)現(xiàn)。

1.3 CSLE各因子計(jì)算

本研究利用CSLE進(jìn)行區(qū)域土壤侵蝕定量評價(jià)。CSLE模型為[8]：

A=R·K·L·S·B·E·T

(3)

式中：A——單位面積內(nèi)的年土壤侵蝕量(t/hm2·a)；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；B——生物措施因子；E——工程措施因子；T——耕作措施因子。

注：α為梯田田面傾角；β為田坎坡度；L為田面寬度；H為兩梯田田面高差；d為田坎高；b為田坎水平投影寬，即臺沿線偏移量。下同。

圖1 梯田剖面示意圖

由于前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備不足，僅獲得2000年降雨數(shù)據(jù)，與土地利用數(shù)據(jù)時(shí)間不一致，可能導(dǎo)致流域土壤侵蝕量計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差，但由于本研究重點(diǎn)是對將梯田作為地形因子和工程措施在流域土壤侵蝕量計(jì)算結(jié)果的對比，因此對研究本身沒有影響。

1.3.1 降雨侵蝕力因子R采用章文波[9]提出的擬合算法計(jì)算2000年降雨侵蝕力圖，用克里金插值法對試驗(yàn)樣區(qū)的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到降雨侵蝕力數(shù)據(jù)。

1.3.2 土壤可蝕性因子K將土壤分為5類，參照水利部水土保持監(jiān)測中心的研究成果[10]，對5種土壤類型的K值進(jìn)行賦值，將K值作為字段添加到土壤數(shù)據(jù)中，通過將土壤數(shù)據(jù)的K值字段作為柵格數(shù)據(jù)的Value值進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)柵格處理，得到試驗(yàn)樣區(qū)的土壤可蝕性數(shù)據(jù)。燕溝流域包括黃綿土、沖積土與復(fù)鈣紅黏土，其K值分別為0.056 9，0.021 1與0.044 0；

紙坊溝流域包括黃綿土、沖積土與典型黑壚土，其K值分別為0.056 9，0.021 1與0.054 5。

1.3.3 坡度坡長因子LS采用LS-Tool[11]提取坡度坡長因子，不同的是，梯田作為工程措施，LS的提取基于原始DEM(未考慮梯田信息的DEM)。梯田作為地形因子，LS的提取基于梯田DEM且認(rèn)為試驗(yàn)樣區(qū)中沒有工程措施；

1.3.4 生物措施因子B基于Landsat8影像，通過結(jié)構(gòu)性植被指數(shù)的構(gòu)建方法[12]，得到基于土壤線的黃度指數(shù)與綠度指數(shù)，反映反映樣區(qū)結(jié)構(gòu)性植被蓋度，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)，從而確定B值(表2)。

表2 不同土地利用類型及不同植被蓋度下的B值

1.4 不同土地利用類型及不同植被蓋度下的B值

1.4.1 耕作措施因子T由于難以通過實(shí)地調(diào)查獲取試驗(yàn)樣區(qū)全面的耕作措施數(shù)據(jù)，本研究主要根據(jù)延河流域的耕作習(xí)慣進(jìn)行賦值[13]，計(jì)算中主要考慮等高耕作措施的影響，對覆蓋、免耕少耕等保護(hù)性耕作措施不加以考慮。參照水利部水土保持監(jiān)測中心的研究成果[10]，耕作措施因子值主要根據(jù)不同坡度條件下等高耕作減少土壤流失來確定(表3)，沒有耕作措施的地區(qū)賦值為1。

表3 不同坡度下的耕作措施因子值

1.4.2 工程措施因子E謝紅霞[13]參考土壤侵蝕其他因子定義方法，以有工程措施和無工程措施土壤侵蝕的比值定義為水土保持工程措施因子，并且嘗試提出工程措施因子的計(jì)算方法(公式4)，由于難以獲取淤地壩數(shù)據(jù)，因此只將梯田作為試驗(yàn)樣區(qū)內(nèi)工程措施，計(jì)算得出燕溝流域E值為0.941，紙坊溝流域E值為0.951。

(4)

式中：St——梯田面積；Sd——淤地壩控制面積；S——土地面積；α，β——梯田和淤地壩的減沙系數(shù)。其中關(guān)于梯田的減沙效益，已有大量研究，不同質(zhì)量的梯田其減水減沙效益不同。本研究選擇不同質(zhì)量梯田的多年平均減沙系數(shù)作為流域減沙系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

采用燕溝流域及紙坊溝流域的降雨侵蝕力數(shù)據(jù)、土壤可蝕性數(shù)據(jù)、地形因子數(shù)據(jù)和含有梯田信息的地形因子數(shù)據(jù)、生物措施因子數(shù)據(jù)、耕作措施因子數(shù)據(jù)等，選擇中國土壤流失方程CSLE，分析將梯田作為地形因子和工程措施計(jì)算的土壤侵蝕量的差異，并討論梯田占流域面積的比例對土壤侵蝕量的影響。

2.1 梯田對土壤侵蝕量的影響

利用CSLE得到燕溝流域與紙坊溝流域的土壤侵蝕圖(分析中提及的土壤侵蝕量均為平均值)如圖2所示。

結(jié)合圖2可以看出，燕溝流域考慮梯田作為工程措施的土壤侵蝕量為12 384 t/(km2·a)。水平梯田作為地形因子的燕溝流域土壤侵蝕量為12 293 t/(km2·a)，坡式梯田作為地形因子的燕溝流域土壤侵蝕量為12 415 t/(km2·a)。根據(jù)數(shù)據(jù)可得：土壤侵蝕量由大到小依次為：坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量>梯田作為工程措施的土壤侵蝕量>水平梯田作為地形因子的土壤侵蝕量。其中，梯田作為工程措施的土壤侵蝕量比坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量減少了31 t/(km2·a)，比水平梯田作為地形因子的土壤侵蝕量增加了91 t/(km2·a)。因此可以得出，燕溝流域中，將梯田作為地形因子和將梯田作為工程措施納入到CSLE中得出的土壤侵蝕量存在差異，但差異不明顯；梯田作為工程措施的土壤侵蝕量大于水平梯田作為地形因子的土壤侵蝕量，小于坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量。

圖2 燕溝流域不同情況下的土壤侵蝕強(qiáng)度分布

結(jié)合圖3可以看出，紙坊溝流域考慮梯田作為工程措施的土壤侵蝕量為12 523 t/(km2·a)。水平梯田作為地形因子的紙坊溝流域土壤侵蝕量為12 663 t/(km2·a)，坡式梯田作為地形因子的紙坊溝流域土壤侵蝕量為12 772 t/(km2·a)。

根據(jù)數(shù)據(jù)資料可得，土壤侵蝕量由大到小依次為：坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量>水平梯田作為地形因子的土壤侵蝕量>梯田作為工程措施的土壤侵蝕量。其中，梯田作為工程措施的土壤侵蝕量低于梯田作為地形因子的土壤侵蝕量，比水平梯田作為地形因子的土壤侵蝕量減少了140 t/(km2·a)，比坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量減少了249 t/(km2·a)。因此可以得出，紙坊溝流域中，將梯田作為地形因子和工程措施得出的土壤侵蝕量存在差異且差異同樣不明顯。

2.2 梯田占流域面積的比例對土壤侵蝕量的影響

在燕溝流域和紙坊溝流域，將梯田作為工程措施和地形因子對土壤侵蝕量的影響較小。燕溝流域與紙坊溝流域內(nèi)梯田占流域面積的比例(簡稱梯田占比)都為8%左右，所占比例較小導(dǎo)致結(jié)果差異不明顯，因此，為了詳細(xì)說明梯田對土壤侵蝕量的影響，采用水文分析[14]的方法，將紙坊溝流域劃分為更小的子流域，計(jì)算不同梯田占比下各子流域的土壤侵蝕量，同時(shí)，作為比較基準(zhǔn)，需要計(jì)算未考慮梯田信息的土壤侵蝕量。表4為在紙坊溝流域選取的幾個(gè)不同梯田占比的子流域的分析結(jié)果。

表4 不同梯田占比對土壤侵蝕量的影響 t/(km2·a)

圖3 紙坊溝流域不同情況下的土壤侵蝕強(qiáng)度分布

結(jié)合表4可得，不同梯田占比下整體呈現(xiàn)出坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量>水平梯田作為地形因子的土壤侵蝕量>梯田作為工程措施的土壤侵蝕量，說明梯田信息的加入能減少流域土壤侵蝕量，且水平梯田比坡式梯田具有更好的效果。對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理得到表5。為直接比較將梯田作為工程措施和地形因子的不同，對水平梯田作為地形因子和坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量減少率取平均值?？梢钥闯?，梯田占比較小時(shí)，作為工程措施和地形因子的土壤侵蝕量減少率之間的差距較小，但隨著梯田占比的增大，作為工程措施和地形因子的土壤侵蝕量減少率之間的差距隨之增加，且作為工程措施的土壤侵蝕量減少率明顯大于作為地形因子的減少率。

表5 不同梯田占比對土壤侵蝕量的影響 %

3 結(jié) 論

(1) 在燕溝流域和紙坊溝流域，將梯田作為工程措施和地形因子的土壤侵蝕量之間存在一定差異。其中，坡式梯田作為地形因子的土壤侵蝕量均大于梯田作為工程措施的土壤侵蝕量，而水平梯田作為地形因子的土壤侵蝕量與梯田作為工程措施的土壤侵蝕量之間的比較根據(jù)流域的不同結(jié)果不同。

(2) 在紙坊溝子流域，隨著流域中梯田占比的提高，梯田作為工程措施和地形因子的土壤侵蝕量的差距隨之增加，即將梯田作為工程措施的土壤侵蝕量明顯低于將梯田作為地形因子的土壤侵蝕量?？傊?，流域中梯田占比較小時(shí)，將梯田作為工程措施或地形因子對土壤侵蝕量的影響較小，但隨著梯田占比的提高，將梯田作為工程措施的土壤侵蝕量明顯要低。需要說明的是，本研究在比較梯田作為地形因子和工程措施因子的土壤侵蝕量時(shí)，與相關(guān)研究結(jié)果相比，土壤侵蝕量的計(jì)算偏高，但本研究重點(diǎn)是提供一種針對梯田分布較多區(qū)域進(jìn)行土壤侵蝕評價(jià)時(shí)的新思路，待數(shù)據(jù)或條件許可時(shí)進(jìn)一步對其進(jìn)行驗(yàn)證。

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Comparative Study of Quantitative Evaluation of Soil Erosion in Consideration of Terraces as Topographical Factor or Engineering One

WANG Yiren, ZHAO Mudan, ZHANG Qian, ZHANG Peng

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China)

[Objective] With the using of CSLE model, we calculated the soil loss in two situations under certain conditions of rainfall, soil and vegetation: taking terraces as a terrain factor or as an engineering measure factor. It was expected to provide a new idea for quantitative evaluation of soil erosion. [Methods] This thesis choose Zhifanggou watershed and Yangou watershed of Loess Plateau as experimental sample plots and used DEMs of the study regions with a resolution of 5 meters, images of WorldView 3 with a resolution of 0.3 meters and Landsat 8 with a resolution of 30 meters, precipitation data, soil data and land use data, etc. [Results] (1) In Zhifanggou watershed and Yangou watersheds, as a terrain factor, the calculated average soil loss of watershed in slope terraces are both greater than the ones taking terraces as an engineering measure factor. However, the comparison results between the average soil loss of watershed in level terraces and taking terraces as an engineering measure factor varied in different watersheds. (2) As the increase of the proportion of terraces, the average soil loss of watershed taking terraces as an engineering measure is much lower than the one taking terraces as a terrain factor. [Conclusion] Taking terraces as terrain factor or engineering measure factor can change the calculation of soil loss, especially when the proportion of terraces is larger.

terraces; terrain factor; engineering measure factor; quantitative evaluation of soil erosion; CSLE

2016-11-28

2016-12-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“梯田對坡度坡長因子的擾動(dòng)特征研究”(41271284)

王翊人(1992—),女(漢族),陜西省西安市人，碩士研究生,研究方向?yàn)閿?shù)字地形分析。E-mail:13572413437@163.com。

趙牡丹(1969—),女(漢族),陜西省富平縣人，博士研究生，副教授,主要從事數(shù)字地形分析工作。E-mail:zmudan@nwu.edu.cn。

A

1000-288X(2017)02-0148-05

S157.1