劉 偉

(綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125200)

目前，主要有侵蝕針法、核素示蹤法、徑流小區(qū)觀測法以及人工模擬降雨法等土壤侵蝕研究方法[1-6]。然而，這些方法主要局限于較小范圍，投入的人力、時間和資金較多，推廣使用難度較大。因此，許多方程和模型逐漸被應(yīng)用于水土流失、土壤侵蝕評價，如RUSLE方程、USLE方程及CSLE方程等，物理模型有水土評價模型、水蝕預(yù)報項目以及歐洲土壤侵蝕模型等[7]。但是，物理模型的參數(shù)計算復(fù)雜，所需數(shù)據(jù)較多，而RUSLE/USLE模型的數(shù)據(jù)易獲取且機(jī)制較簡單，國內(nèi)外學(xué)者研究應(yīng)用較多，如楊任翔等[8]通過徑流小區(qū)觀測探討了赤紅壤坡面土壤侵蝕受高頻次、高強(qiáng)度降雨下甘蔗種植模式的影響特征；謝如林等[9]應(yīng)用田間監(jiān)測法揭示出不同施肥模式下，旱坡地地表徑流造成的氮、磷流失及土壤侵蝕特征；朱青等[10]利用隨機(jī)森林法和RUSLE模型，定量研究了影響土壤侵蝕的因子及其程度；Lu等[11]將GIS、RS技術(shù)和USLE方程相結(jié)合，探討了亞馬遜流域的土地覆蓋、土地利用與土壤侵蝕風(fēng)險之間的關(guān)系，結(jié)果表明土壤侵蝕風(fēng)險的增加主要與森林向其它土地覆蓋的轉(zhuǎn)變有關(guān)；Sinha等[12]采用USLE方程估算了耕地土壤流失現(xiàn)狀，結(jié)果顯示土壤流失受人類活動即作物因素的影響顯著。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，利用土壤侵蝕方程和GIS技術(shù)等定量估算土壤侵蝕速率、侵蝕特征的研究還鮮有報道。因此，文章以綏中縣寬邦鎮(zhèn)大栗小流域為例，將RUSLE方程和GIS技術(shù)相結(jié)合定量估算了其平均土壤侵蝕速率，確定不同子流域的土壤侵蝕狀況和等級，探討土壤侵蝕強(qiáng)度與土地利用類型、不同坡度的關(guān)系，旨在為科學(xué)防治遼西低山丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕提供一定指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

大栗小流域位于綏中縣寬邦鎮(zhèn)境內(nèi)，屬六股河下游，介于E120°3′51″-120°8′43″、N40°32′59″-40°37′10″之間，總面積31.08km2，可劃分成DS1、DS2、DS3三個子流域，所對應(yīng)的面積分別為5.30km2、14.94km2、10.84km2。流域內(nèi)地形以丘陵地貌為主，氣候?qū)贉貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量620.80mm，年內(nèi)分配不均勻，多集中在7、8、9三個月。土壤類型以棕壤土為主，pH值接近6.3，樹種以人工林為主，灌木樹種主要有紫穗槐、荊條、棉槐，刺槐等，經(jīng)濟(jì)林主要有白梨、蘋果，林木成材率較低，林草植被覆蓋率67.13%。

大栗小流域土地總面積3107.50hm2，其中耕地737.71hm2(占比23.74%)，經(jīng)濟(jì)林155.90hm2(占比5.02%)，設(shè)施農(nóng)用地6.65hm2(占比0.21%)，林地1910.13hm2(占比61.47%)，荒地62.10hm2(占比2.00%)，村鎮(zhèn)及工礦用地145.62hm2(占比4.69%)，果園20.00hm2(占比0.64%)，河灘地69.39hm2(占比2.23%)。農(nóng)、林、果用地比例為1∶2.59∶0.24，農(nóng)業(yè)用地中，坡耕地259.70hm2，坡度集中在3-15°，占總耕地的35.20%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文章所用數(shù)據(jù)主要有：①2020年月尺度和年降雨量，流域內(nèi)降雨數(shù)據(jù)由雨量監(jiān)測站提供；②流域內(nèi)土壤屬性和類型數(shù)據(jù)來源于1:100萬中國土壤類型數(shù)據(jù)庫，土壤理化性質(zhì)由野外實測確定；③流域內(nèi)數(shù)字高程模型DEM來源于測繪所得數(shù)據(jù)，空間分辨率5m；④2020年土地利用圖由無人機(jī)航拍影像圖測定；⑤以植物生長期無人機(jī)拍攝的四景可見光正射影像圖提供2020年流域植被覆蓋度數(shù)據(jù)來源。

2.2 RUSLE模型因子

大栗小流域土壤侵蝕速率利用RUSLE方程來估算，其表達(dá)式為：

A=R×K×S×L×C×P

(1)

式中：A為土壤侵蝕速率，t/hm2·a；R為降雨侵蝕力因子，[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K為土壤可蝕性因子，[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]；S為坡度因子(無量綱)；L為坡長因子(無量綱)；C為地表覆蓋與作物管理因子(無量綱)；P為水保措施因子(無量綱)，無量綱因子的取值區(qū)間為0-1。

1)采用降雨侵蝕力因子R反映降雨對土壤侵蝕的影響，文章利用Wischmeier[13]所給出的簡化算法計算R因子值，即：

(2)

式中：P為年降水量，mm；Pi為月降水量，mm。將大栗小流域2020年月降雨量和年降雨量數(shù)據(jù)代入公式，經(jīng)反距離和加權(quán)內(nèi)插運(yùn)算生成流域內(nèi)年降雨侵蝕力圖。

2)采用土壤可蝕性因子K描述土壤對侵蝕的敏感程度，文章利用Williams[14]所提出的有機(jī)碳含量和土壤機(jī)械組成公式計算K因子值，即：

(3)

式中：SAN為0.050-2.000mm的沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；SIL為0.002-0.050mm黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；其中SN1=1-SAN/100；C為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；CLA為<0.002mm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

采用Arc GIS軟件和1∶100萬土壤類型數(shù)據(jù)，從綏中縣土壤類型中裁剪出大栗小流域的土壤類型，并結(jié)合野外調(diào)查實測的土壤理化性質(zhì)和土壤數(shù)據(jù)庫找到綏中縣的土種，確定大栗小流域土壤類型及其有機(jī)碳、黏粒、粉粒、沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算公式求出K因子值。

3)坡度、坡長因子SL。文章利用Mc Cool的緩坡坡度公式、劉保元[15]的陡坡坡度公式和Desmet的經(jīng)典公式計算坡度因子S、坡長因子L值，即：

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°
S=16.8sinθ-0.50；5°≤θ<10°
S=21.91sinθ-0.96；θ≥10°

(4)

L=(λ/22.1)n

(5)

(6)

式中：n為坡長指數(shù)(量綱1)；θ為坡度，°；λ為坡長，m。在Arc GIS軟件中輸入分辨率5m的DEM數(shù)據(jù)，從而提取坡度θ、坡長λ值，將提取數(shù)據(jù)代入以上公式求出坡度坡長因子SL值。

4)植被覆蓋與管理因子C。采用植物生長期無人機(jī)拍攝的四景可見光正射影像圖和ENVI、Arc GIS軟件[16]，結(jié)合蔡崇法等[17]建立的覆蓋度與C值的關(guān)系以及像元二分法模型求解的流域植被覆蓋度來計算C因子值，即：

ExG-ExR=3×G-2.4×R-B

(7)

式中：ExG-ExR為過綠減過紅植被指數(shù)；B、G、R為藍(lán)、綠、洪3波段像元值，利用ENVI軟件的波段計算器處理流域的正射影像圖，即可求出植被覆蓋度fc，即：

(8)

式中：b1、bmax、bmin為植被指數(shù)值及其最大、最小值，用過綠減過紅植被指數(shù)統(tǒng)計直方圖和ENVI軟件確定純裸地、純植被的值，最大值bmax、最小值bmin取植被指數(shù)頻率的累計95%和5%所對應(yīng)值[18]，具體如下：

C=1；(fc=0)
C=0.6508-0.34361gfc；(0C=0；(fc≥78.3%)

(9)

5)水保措施因子P。根據(jù)相關(guān)研究報道和大栗小流域水土保持實地調(diào)查現(xiàn)狀，針對不同用地類型賦予相應(yīng)的P因子值，水保措施因子P的賦值表，見表2。

表2 水保措施因子P的賦值表

3 結(jié)果分析

3.1 土壤侵蝕分布特征

依據(jù)RUSLE方程中各因子的運(yùn)算關(guān)系獲取土壤侵蝕影響因子格柵圖，在同一坐標(biāo)下利用Arc GIS軟件轉(zhuǎn)化成0.5m×0.5m的像元，經(jīng)疊加計算確定相應(yīng)的土壤侵蝕量，然后按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》生成大栗小流域土壤侵蝕強(qiáng)度分級圖。土壤侵蝕特征統(tǒng)計表，見表3。

表3 土壤侵蝕特征統(tǒng)計表

2020年大栗小流域?qū)儆谳p度侵蝕，平均土壤侵蝕速率22.87t/(hm2·a)達(dá)到規(guī)定允許流失量5t/(hm2·a)的4.6倍。從侵蝕面積占比上，輕度及以下侵蝕等級所占比例達(dá)到78.33%，中度及以上侵蝕等級所占比例達(dá)到21.66%，表明大栗小流域以輕度侵蝕為主；從侵蝕量占比上，中度及以上侵蝕等級的侵蝕量占比為82.07%，相當(dāng)于輕度及以下侵蝕等級侵蝕量占比的4.58倍，說明大栗小流域局部侵蝕較為嚴(yán)重，應(yīng)該加強(qiáng)土壤侵蝕治理。

各子流域土壤侵蝕速率特征，見表4。結(jié)果顯示從低到高土壤侵蝕速率排序為DS1

表4 各子流域土壤侵蝕特征

3.2 土壤侵蝕與坡度的關(guān)系

土壤侵蝕與坡度密切相關(guān)，故防治大栗小流域土壤侵蝕的關(guān)鍵是揭示不同坡度下的土壤侵蝕變化規(guī)律。根據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照0°-5°、5°-8°、8°-15°、15°-25°、25°-35°將流域坡度重分類，通過空間疊加分析土壤侵蝕速率圖與分類后的坡度等級圖生成各坡度級別的土壤侵蝕分布特征，不同坡度上的土壤侵蝕特征統(tǒng)計表，見表5。

表5 不同坡度上的土壤侵蝕特征統(tǒng)計表

從表5可以看出，大栗小流域的土壤侵蝕速率隨著坡度的不斷增加而增大，總體處于5.63-112.28/t(hm2·a1)范圍。坡度為8-15°時，大栗小流域土壤侵蝕量和侵蝕面積均最高，所對應(yīng)的數(shù)值為為6521.49t/a和229.35hm2，按等級標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到中度侵蝕；坡度為25-35°時，大栗小流域土壤侵蝕量和侵蝕面積均最低，所對應(yīng)的數(shù)值為190.91t/a和1.70hm2，按等級標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到極強(qiáng)烈侵蝕。土壤侵蝕主要集中于5-25°坡度上，5-25°坡度范圍內(nèi)的土壤侵蝕量占比達(dá)到92.36%，應(yīng)作為小流域土壤侵蝕重點預(yù)防和治理區(qū)，必須采取有效的整治措施。不同坡度土壤侵蝕等級面積占比，見圖1。

圖1 不同坡度土壤侵蝕等級面積占比

從圖1可以看出，各個坡度級別的侵蝕量占比在不同侵蝕強(qiáng)度下具有明顯差異，對各個坡度等級上微度侵蝕量所占比例整體呈下降趨勢，而其它侵蝕強(qiáng)度則呈現(xiàn)上升后下降的變化趨勢，表明坡度分級標(biāo)準(zhǔn)能夠有效區(qū)分不同坡度與侵蝕等級之間的關(guān)系。

3.3 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

在Arc GIS軟件中疊加分析流域土地利用類型圖與土壤侵蝕強(qiáng)度圖，從而揭示各用地類型的土壤侵蝕分布特征和土壤侵蝕量，不用用地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度，見表6；不同用地類型的土壤侵蝕量，見表7。

表6 不用用地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度

從表6可以看出，道路、林地、坡耕地的土壤侵蝕主要集中于輕度和微度侵蝕等級，而溝渠以微度侵蝕為主。

表7 不同用地類型的土壤侵蝕量

從表7可以看出，坡耕地的土壤侵蝕面積比例最高達(dá)到82.85%，溝渠和林地的土壤侵蝕面積比例為0.77%、10.98%，從低到高土壤侵蝕速率排序為溝渠<坡耕地<道路<林地，林地的土壤侵蝕速率53.67t/(hm2·a1)為溝渠、坡耕地、道路的25.80倍、2.81倍、2.56倍，坡耕地的土壤侵蝕量最高為9371.98t/a，為溝渠、道路、林地988.61倍、13.95倍、2.69倍。

4 結(jié) 論

文章以綏中縣寬邦鎮(zhèn)大栗小流域為例，利用RUSLE方程和GIS技術(shù)定量分析了土壤侵蝕及其影響因素，主要結(jié)論如下：

1)2020年大栗小流域土壤侵蝕速率為22.87t/(hm2·a)，以輕度侵蝕為主，小流域局部侵蝕較為嚴(yán)重，應(yīng)該加強(qiáng)土壤侵蝕治理。

2)流域內(nèi)土壤侵蝕主要集中于5-25°坡度上，應(yīng)作為小流域土壤侵蝕重點預(yù)防和治理區(qū)，采取有效的整治措施。

3)林地的土壤侵蝕速率53.67t/(hm2·a1)為溝渠、坡耕地、道路的25.80倍、2.81倍、2.56倍，應(yīng)合理規(guī)劃利用流域內(nèi)的道路、林地、坡耕地等用地類型，為有效遏制土壤侵蝕應(yīng)采取有效的水保措施。