單楚硯

(丹東市水務(wù)服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000)

1 研究方法

1.1 小流域概況

西江小流域位于遼寧省寬甸縣東北部的振江鎮(zhèn)，地理位置為E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′，總面積為59.55km2。研究區(qū)遼東石質(zhì)山區(qū)，區(qū)內(nèi)溝壑發(fā)育，山體連貫，海拔處于100-600m范圍，土壤類型以棕壤土為主，涂層后0.3-1.5m，林草覆蓋度63.5%。氣候?qū)倌蠝貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量1140.2mm，多集中6、7、8三個(gè)月，太陽總輻射量5344kJ，無霜期160d。

近年來，研究區(qū)開展一定程度的治理，起到一定的防治效果，但是在水土保持綜合防治上的投資總是有限的，水土流失破壞速度大于治理速度，其主要原因是大面積的經(jīng)濟(jì)林開發(fā)與建設(shè)，流域土質(zhì)疏松、地面坡度陡、積水面積小，致使資源破壞嚴(yán)重，植被覆蓋度、土壤肥力和有機(jī)質(zhì)含量逐年降低，水土流失程度逐年加劇，土地資源受到嚴(yán)重威脅，其中高強(qiáng)度短歷時(shí)暴雨是誘發(fā)土壤侵蝕的關(guān)鍵因素。

1.2 CSLE模型參數(shù)

西江小流域水土流失以水蝕為主，擬利用CSLE方程計(jì)算土壤侵蝕量，其表達(dá)式為：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為年均土壤流失量，t/(hm2·a)；R、K為降雨侵蝕力因子(MJ·mm)/(hm2·h·a)和土壤可蝕性因子[t··h/(MJ·mm)]；L、S、B、E、T為坡長、坡度、生物措施、工程措施和耕作措施因子，量綱為1。

1)采用公式(2)計(jì)算土壤侵蝕力因子，即：

(2)

式中：Pi、P為月均降水量(mm)和年均降水量(mm)。結(jié)合周邊氣象站及荒溝水文站的氣象觀測數(shù)據(jù)，采用Wischmeier提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算降雨侵蝕力因子R值，經(jīng)加權(quán)內(nèi)插和反距離運(yùn)算生成R值圖[1-2]。

2)采用公式(3)計(jì)算土壤可蝕性因子，即：

(3)

(4)

式中：CLA、C為粉粒和有機(jī)碳含量，%；SIL、SAN為黏粒和砂粒含量，%。

3)坡度坡長因子LS利用張宏鳴改良編寫的AML程序來提取，運(yùn)算過程中填充DEM的No Data值。具體而言，對(duì)于坡度β>5°和β≤5°的坡度因子分別利用劉寶元等、McCool等提出的算法進(jìn)行計(jì)算，坡長因子利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°S=16.8sinθ-0.5；5°≤θ<14°S=21.91sinθ-0.96;θ≥14°

(5)

L=(λ/22.13)

(6)

αβ/(1+β)

(7)

β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

(8)

式中：S、L為坡度和坡長因子；λ、θ為從DEM中提取的坡長值和坡度值；22.13這標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長；β、α為細(xì)溝侵蝕與面蝕的比值和坡長因子指數(shù)。

④水保措施因子BET。借鑒謝紅霞等對(duì)土壤侵蝕研究成果確定生物措施因子(B)和耕作措施因子(T)，利用植被覆蓋度圖和土地利用類型圖對(duì)西江小流域不同植被覆蓋度、不同土地利用類型賦予相應(yīng)的B值，未采取任何耕作措施的區(qū)域賦予耕作措施因子值為1，從而生成小流域T值分布圖。由于缺少工程措施基礎(chǔ)資料，本研究將工程措施因子(E)按常量對(duì)待，即不考慮工程措施對(duì)土壤侵蝕的抑制作用[3]。

1.3 土壤侵蝕因子空間分布規(guī)律

土壤固有地形地貌和結(jié)構(gòu)特征直接決定了坡度坡長因子及土壤侵蝕力因子，在時(shí)間序列上可不考慮CSLE中的差異[4]。但水保措施和降雨侵蝕力因子隨時(shí)間的變化而改變，這是研究土壤侵蝕動(dòng)態(tài)特征的重要參數(shù)。小流域土壤侵蝕模型中最為敏感的是坡度坡長因子，其次為生物措施因子，土壤侵蝕模數(shù)和DEM分辨率都會(huì)隨著它們的增大而變大。土壤侵蝕模型中土壤可蝕性、降雨侵蝕力屬于不敏感因子，柵格大小的改變也會(huì)明顯改變土壤侵蝕模數(shù)，但隨著時(shí)間的變化降雨侵蝕力因子對(duì)土壤侵蝕的影響更加顯著。

通過以上計(jì)算分析可獲取土壤侵蝕各因子數(shù)據(jù)，然后將各因子值圖層利用Arc GIS軟件進(jìn)行疊加，從而生成小流域土壤侵蝕量。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和試驗(yàn)檢測結(jié)果將土壤侵蝕劃分成6個(gè)等級(jí)，即微度、輕度、重度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕，并利用強(qiáng)度等級(jí)分布圖揭示土壤侵蝕分布規(guī)律[5]。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤侵蝕因子空間分布特征

2.1.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力因子體現(xiàn)了降雨可能造成侵蝕的能力，即產(chǎn)生土壤搬運(yùn)和分離的動(dòng)力情況。降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間決定了降雨侵蝕力因子R的大小，持續(xù)時(shí)間越長、暴雨越大則越易發(fā)生侵蝕。從圖1可以看出，2011-2020年西江小流域年降水量波動(dòng)變化較小，并以2018年降雨最大。2011-2020年多年平均降水量為1140.2mm，整體變化區(qū)間為±576mm，年降水量和每月最大降雨量基本保持相同的變化趨勢，降水量最高和最低年為2018年、2014年，研究期間年降雨量總體呈波動(dòng)減少趨勢。實(shí)踐表明，降雨量和降雨侵蝕力基本保持相同的變化趨勢，西江小流域年降水量逐漸下降表明其降雨侵蝕力也不斷減弱。

圖1 西江小流域降雨特征

2.1.2 土壤可蝕性因子

定義土壤可蝕性因子為單位降雨侵蝕力造成的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失率，這是土壤抵抗降雨徑流引起的侵蝕能力的綜合體現(xiàn)以及對(duì)地表徑流、雨滴擊濺等侵蝕介質(zhì)搬運(yùn)和剝離的敏感程度，反映了降雨徑流輸移、破壞土壤顆粒的敏感特征。西江小流域土壤分5個(gè)土類：暗棕壤土、棕壤土、草甸土、水稻土、沼澤土，其中棕壤土類屬研究區(qū)地帶性土壤，集中分布于河谷平原的高階地、低山丘陵和坡腳平地上，該土壤占項(xiàng)目區(qū)總面積的78.83%。根據(jù)李斌兵等研究成果和西江小流域土壤類型圖提取不同土壤的K值單位，將K值作為屬性字段納入Arc GIS軟件生成柵格為30m的K值圖。西江小流域暗棕壤土、棕壤土、草甸土、水稻土、沼澤土的K值分別為0.38、0.41、0.24、0.22、0.24t··h/(MJ·mm)，由于棕壤土質(zhì)地單一，土質(zhì)疏松，因此其抗侵蝕性較差。

2.1.3 坡度坡長因子

一般地，坡度坡長因子是加速侵蝕動(dòng)力因子，也是決定徑流沖刷能力和研究土壤侵蝕的重要因素，反映了土壤侵蝕受地形地貌的影響。其他條件保持不變的條件下，坡長坡長、坡度越都則土壤發(fā)生滑落和分離的潛在危害就越高，所造成的水土流失越嚴(yán)重。

對(duì)西江小流域坡度因子利用5m分辨率的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。首先，利用Arc GIS和Arc MAP模塊中的Surface Analyst功能、Reclasify功能，將生成的坡度柵格圖劃分成≥35°、25°-35°、15°-25°、8°-15°、5°-8°、≤5°共6個(gè)等級(jí)；然后，打開坡度分級(jí)結(jié)果的屬性表，確定各坡度等級(jí)面積見表1。

表1 西江小流域坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)

西江小流域總面積5954.80hm2，其海拔分布特征與坡度坡長空間分布保持較好一致性。結(jié)合分級(jí)結(jié)果，≥35°、25°-35°、15°-25°、8°-15°、5°-8°、≤5°的面積分別為2084.18hm2、1488.70hm2、1190.96hm2、416.84hm2、297.74hm2、476.38hm2，占總面積的35%、25%、20%、7%、5%、8%?？梢?，西江小流域的坡度比較大，其中80%的地形坡度超過15°，土壤侵蝕集中分布于該區(qū)域。

文章利用LP-Tool軟件計(jì)算坡度坡長因子，將坡度與坡長因子?xùn)鸥穹植紙D相乘疊加生成該流域LS值分布圖。結(jié)果表明，研究區(qū)分辨率為5m的LS因子最大值140、0、最小值8.8。坡度坡長因子值小于5、5-10、10-15的面積占比分別為9.17%、8.22%、7.16%，表明流域內(nèi)實(shí)際情況和分辨率為5m的坡度坡長因子值高度一致。

2.1.4 水保措施因子

定義生物措施因子為適時(shí)翻耕、連續(xù)休閑對(duì)照土地與同等條件下一定地表覆蓋和管理措施土地的土壤流失量之比，植被覆蓋度有利于抑制土壤侵蝕動(dòng)力，其取值區(qū)間為0-1。由于缺少生物措施統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，小流域內(nèi)耕地、水域、林地、草地的B因子值分別為0.45、1、0.06、0.10。針對(duì)西江小流域不同土地利用類型賦予相應(yīng)的B因子，結(jié)果顯示流域左岸和溝口處等植被稀疏區(qū)的生物措施因子B值接近于1。

定義耕作措施因子為順坡種植條件下和實(shí)施一定耕作措施下的土壤流失量之比，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水保措施主要有梯田、等高帶狀種植和等高耕作等，通過調(diào)整表面流、水流形態(tài)、斜坡坡度等降低徑流速度和徑流量，發(fā)揮抑制土壤侵蝕作用。一般地，T值處于0-1范圍，0和1分別代表不產(chǎn)生侵蝕和無任何水保措施的地類。耕作措施因子是比較難確定的參數(shù)，所以借鑒謝紅霞等提出的方法確定西江小流域耕作措施因子值見表2。然后利用柵格計(jì)算機(jī)將坡度分級(jí)圖和T因子值相疊加，從而生成T因子值圖。結(jié)果顯示，坡耕地面積為118.40hm2，坡度為5°<8°、8°-15°、15°-25°的坡耕地占比的59.20%、16.98%、23.82%。

表2 耕作措施因子值

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

統(tǒng)計(jì)分析西江小流域不同土壤侵蝕強(qiáng)度的面積，如表3所示。結(jié)果顯示，研究區(qū)現(xiàn)有水土流失面積18.35km2，其中輕度、中度、強(qiáng)度侵蝕為10.82km2、6.31km2、1.22km2，所占比例為58.96%、34.39%、6.65%。水土流失以水蝕為主，主要分布在果園、林草覆蓋率較低的疏林地、侵蝕溝壑和荒山荒坡荒溝中，侵蝕模數(shù)為1850t/km2·a。

表3 項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

由于落后的農(nóng)耕方式、溝道的破壞、經(jīng)濟(jì)林的粗放經(jīng)營、林木的過渡采伐、幼林地放牧嚴(yán)重等人為因素，以及山坡陡峻、地質(zhì)古老破碎、降雨量多、降雨強(qiáng)度大、頻率高、幼林多而疏林地多等自然因素，流域內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重。研究區(qū)除及少量的有林地外，其它土地均有不同程度的水土流失。坡耕地上普遍存在著層狀面蝕、細(xì)溝侵蝕，溝沿線附近溝蝕、坍塌嚴(yán)重，溝坡則因植被覆蓋度的不同存在不同程度的鱗片狀面蝕、溝蝕等。

2.3 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

西江小流域土地類型以草地、耕地、林地為主，耕地是最易發(fā)生土壤侵蝕的地類，坡耕地和坡地開墾則是引起水土流失的主要原因。退耕還林措施實(shí)施后耕地面積逐漸減少，生態(tài)環(huán)境和過度開墾現(xiàn)狀明顯改善，土壤侵蝕強(qiáng)度與面積不斷下降。林地呈現(xiàn)出不斷增加的變化趨勢，但退耕還林初期大量育草育林對(duì)地表擾動(dòng)大，森林覆蓋度低且土壤侵蝕強(qiáng)度有所增大，隨著森林植被的逐漸恢復(fù)土壤侵蝕開始逐漸降低。草地呈現(xiàn)出向林地轉(zhuǎn)移的趨勢，實(shí)施退耕海草工程后部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，部分林地植被覆蓋度增大，所以土壤侵蝕強(qiáng)度會(huì)不斷下降。林地、草地和耕地波動(dòng)變化，表明不同用地類型在很大程度上決定了土壤侵蝕強(qiáng)度，草地、林地的抗侵蝕能力較強(qiáng)，而耕地較弱。因此減少耕地、增大草地和林地有利于減弱土壤侵蝕。

2.4 小流域土壤侵蝕防治措施

西江小流域地處中朝界河鴨綠江邊，又屬東北黑土區(qū)，為保護(hù)珍貴的黑土資源，保護(hù)鴨綠江綠水長流，急需治理流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重地塊。根據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向，因地制宜，因害設(shè)防，工程和生物措施相結(jié)合，集中連片的布置小流域土壤侵蝕防治措施。①坡耕地治理，結(jié)合農(nóng)業(yè)耕作，實(shí)施保土耕作措施，對(duì)個(gè)別順坡溝壟改為橫坡溝壟，以改變坡耕地微地形，減輕水土流失。坡腳或山腰土層較厚地段，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)地埂植物帶，形成控制水土流失形成控制水土流失第一道防線。②裸地、溝道及疏林地的治理：荒坡上部立地條件差，土層較薄，春季進(jìn)行整地工程，并在春季營造水保林，形成控制水土流失形成控制水土流失第二道防線。③經(jīng)濟(jì)林治理：在林果園內(nèi)采取補(bǔ)植水土保持林措施進(jìn)行治理，在老林果園內(nèi)通過補(bǔ)植紅松提高植被覆蓋度，提高土地利用率，為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件；在新建的林果園內(nèi)實(shí)行植物穿帶，提高植被覆蓋度，攔截地表徑流，形成控制水土流失第三道防線。④幼林及疏林地治理：對(duì)于10a生以下的三類蠶場及幼林實(shí)施封育治理，建設(shè)攔護(hù)設(shè)施和標(biāo)志牌，建立管理制度和工程區(qū)規(guī)則等，充分發(fā)揮大自然的自我修復(fù)能力，實(shí)現(xiàn)生物的多樣性保護(hù)，為未來的農(nóng)業(yè)生態(tài)旅游事業(yè)發(fā)展創(chuàng)造條件，形成控制水土流失第四道防線。⑤溝壑治理：治理對(duì)農(nóng)民生產(chǎn)、生活環(huán)境造成安全隱患、嚴(yán)重切割土地的侵蝕溝，修筑砌石谷坊，減輕侵蝕溝的擴(kuò)張，減少對(duì)耕地的切割，形成控制水土流失的第五道防線。溝道治理。

3 結(jié) 論

文章利用CSLE模型和Arc GIS技術(shù)搭建了西江小流域土壤侵蝕模型，并結(jié)合相關(guān)資料計(jì)算了土壤侵蝕量，進(jìn)一步揭示了西江小流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征，主要結(jié)論如下：

1)西江小流域坡耕地面積為118.40hm2，坡度為5°<8°、8°-15°、15°-25°的坡耕地占比的59.20%、16.98%、23.82%?，F(xiàn)有水土流失面積18.35km2，主要分布在果園、荒山荒坡荒溝、侵蝕溝壑、林草覆蓋率較低的疏林地中。

2)不同坡度地帶上，土壤侵蝕強(qiáng)度存在明顯差異，土壤侵蝕區(qū)主要集中于5°-15°坡度范圍，并以中度和輕度侵蝕為主，水域或林地土壤侵蝕強(qiáng)度較低。

3)為保護(hù)珍貴的水土資源，根據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向，針對(duì)坡耕地、裸地、溝道、疏林地、經(jīng)濟(jì)林、幼林和溝壑提出有針對(duì)性的防止措施。