孫詠琦，李建華，劉士鑫，付景

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，a.水利學(xué)院；b.資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

土壤作為關(guān)乎人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)與自然資源，具有不可再生的屬性，土壤侵蝕不僅因有機(jī)質(zhì)流失而引起土地退化、土壤肥力下降，還會(huì)因泥沙攜帶氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)和其他污染物進(jìn)入河道系統(tǒng)而造成水環(huán)境惡化［1］。土壤侵蝕直接影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，成為各國普遍關(guān)注的重要環(huán)境問題之一。近些年來，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和遙感進(jìn)行空間分析的手段日益成熟，結(jié)合RS/GIS技術(shù)和修正通用土壤流失方程（Universal soil loss equation，RUSLE）的區(qū)域土壤侵蝕定量評(píng)估，顯著提高了監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)效率和空間可視化能力［2，3］，在世界中小流域或區(qū)域的土壤流失研究中得到了廣泛應(yīng)用［4］。

通過閱讀文獻(xiàn)了解到，國內(nèi)外學(xué)者自19世紀(jì)就開始對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行研究［5-9］。隨著研究的深入，基于經(jīng)驗(yàn)的土壤侵蝕模型RUSLE逐漸被眾人認(rèn)可。該模型因操作簡單計(jì)算方便，加之RS和GIS的迅猛發(fā)展，已被廣泛地應(yīng)用在一些區(qū)域的土壤侵蝕的相關(guān)研究，成為主流的土壤侵蝕研究方法［10］。Roberto等［11］利用RUSLE模型計(jì)算了位于越南北部地區(qū)的Lo River流域的懸移質(zhì)；Tran等［12］利用基于模糊邏輯的模型改良了RUSLE模型；怡凱等［13］綜合利用RUSLE模型研究遼寧省朝陽市2001—2010年的土壤侵蝕時(shí)空分異特征。

2020年1月，習(xí)近平總書記再次來到云南，心系云南生態(tài)環(huán)境保護(hù)。而玉溪市正處云貴高原西部的滇中高原區(qū)，是滇中城市經(jīng)濟(jì)圈南大門；玉溪市水系發(fā)達(dá)，且土壤侵蝕主要為水力侵蝕（水土流失等），玉溪市部分地區(qū)由于自然因素以及人為因素的影響，導(dǎo)致自然災(zāi)害頻發(fā)（主要為滑坡、泥石流等），因此，基于玉溪市優(yōu)質(zhì)的地理環(huán)境條件以及土壤和水資源條件，根據(jù)重點(diǎn)開發(fā)的政策導(dǎo)向和整體的土壤侵蝕情況開展土壤侵蝕研究工作，綜合玉溪市土壤侵蝕分布情況以及造成土壤侵蝕主要因素，可以對(duì)該地區(qū)土地利用規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境工程管理政策的制定提供一定的科學(xué)依據(jù)，為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

玉溪市位于云南省滇中地區(qū)，地勢(shì)西北高、東南低，哀牢山脈為境內(nèi)主要山峰，其斜貫新平縣與元江縣，呈西北向東南走向。全市最高點(diǎn)大雪鍋山海拔為3 137 m，最低點(diǎn)海拔約為327 m，平均海拔在1 500?1 800 m。

1.2 研究過程與方法

考慮到玉溪市的基本情況，本研究采用修正的通用土壤侵蝕方程計(jì)算，公式：

式中，A為現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量［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）］；LS為地形坡度因子；C為地表植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

1.2.1 降雨侵蝕力因子降水作為引起水土流失的主要?dú)夂蛞蛩?，是造成土壤侵蝕的主要因素?？紤]到模型的適用性以及考慮更容易獲得氣象因子數(shù)據(jù)，本研究采用Arnoldus在1977年提出的簡易計(jì)算方法，該公式只考慮了年降雨量以及月降水量，具有一定代表性而且應(yīng)用范圍較廣，公式：

式中，R為年降雨侵蝕力［（MJ·mm）/（hm2·h·a）］，P為年平均降水量（mm），Pj為第j月降水量（mm）。降水量數(shù)據(jù)在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得，計(jì)算得到玉溪市及周邊各氣象站點(diǎn)的年降雨侵蝕力，通過在Arc-GIS軟件中進(jìn)行克里金插值，得到流域年降雨侵蝕力柵格圖，其中部分月份結(jié)果如圖1所示。

圖1 玉溪市單數(shù)月平均降水量

1.2.2 地形坡度因子地形坡度因子測(cè)算主要應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)。閱讀文獻(xiàn)可知，目前對(duì)于地形坡度因子已經(jīng)有大量學(xué)者進(jìn)行研究，本研究選用具有一定代表性且具有一定普適性的公式進(jìn)行計(jì)算，利用DEM數(shù)據(jù)通過坡度提取、柵格計(jì)算器計(jì)算得到坡度因子（S），計(jì)算公式如下。

坡長因子表達(dá)式：

式中，L代表標(biāo)準(zhǔn)化坡長上的土壤侵蝕量；m代表坡長因子指數(shù)；θ為坡度（°）。地形坡度因子計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 地形坡度因子

1.2.3 土壤可侵蝕因子土壤可侵蝕因子計(jì)算模型一般用EPIC模型，該模型主要參數(shù)為土壤的粉粒、沙粒、黏粒含量與土壤有機(jī)碳含量。在世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）中下載全球土壤數(shù)據(jù)，利用柵格計(jì)算器根據(jù)已有公式計(jì)算出土壤可侵蝕因子（K）。計(jì)算公式：

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（%）。土壤可侵蝕因子計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 玉溪市土壤可侵蝕因子分布

1.2.4 植被覆蓋管理因子主要利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）來計(jì)算植被覆蓋因子（C），再通過投影、重采樣和掩膜提取這些準(zhǔn)備工作之后，利用公式計(jì)算植被覆蓋度和植被覆蓋因子。植被覆蓋管理因子如圖4所示。

圖4 玉溪市植被覆蓋管理因子分布

式中，ρNIR為近紅外波段，ρR為紅波段，NDVIMIN為NDVI的最小值，NDVIMAX為NDVI的最大值，f為植被覆蓋度，C為植被覆蓋管理因子。

1.2.5 水土保持措施因子水土保持措施因子（P因子）是采取水保措施后的土壤流失量與未實(shí)施水保措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比。提取玉溪市內(nèi)耕地、林地、草地、裸地和建設(shè)用地、水體和濕地共6種類別，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)由DEM生成坡度信息，參照方廣玲等［14］的研究成果對(duì)P因子賦值，取值范圍為0?1，0代表不會(huì)發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)，1代表未采取任何控制措施的地區(qū)。賦值如表1所示，水土保持措施因子計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

表1 不同土地利用類型P因子值

圖5 水土保持措施因子分布圖

1.3 數(shù)據(jù)收集

本研究主要采用玉溪市的降雨、土壤、DEM、植被和土地利用數(shù)據(jù)。在國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載玉溪市及周邊縣區(qū)月均降雨量數(shù)據(jù)，在世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）中獲取土壤數(shù)據(jù)；在地理空間數(shù)據(jù)云中下 載90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，并且 以Landsat 8的玉溪市遙感影像計(jì)算植被指數(shù)，土地利用數(shù)據(jù)則采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心中提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)上述方法代入公式，利用ArcGIS軟件進(jìn)行處理，并計(jì)算得到RUSLE模型所需的因子空間分布的30 m×30 m柵格數(shù)據(jù)，最終得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布情況。

2 結(jié)果與分析

將各土壤侵蝕因子的柵格數(shù)據(jù)的分辨率統(tǒng)一定為30 m。根據(jù)修正的通用土壤侵蝕方程計(jì)算土壤侵蝕程度，并乘以美制轉(zhuǎn)公制常數(shù)100，將單位t/（hm2·a）轉(zhuǎn)換為t/（km2·a），得出研究區(qū)土壤侵蝕量柵格數(shù)據(jù)。玉溪市地處西南地區(qū)，并且以紅壤為主，因此參照水利部頒布的土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL 190—2007），該市的土壤侵蝕強(qiáng)度分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈6個(gè)級(jí)別，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

通過計(jì)算最終得出研究區(qū)土壤侵蝕的分布情況（圖6），研究區(qū)內(nèi)平均土壤侵蝕量為1 043.03 t/（km2·a），其中級(jí)別為微度的面積為863 497.62 hm2，占該市總面積的57.844%，級(jí)別為輕度的面積為499 884.03 hm2，占該市總面積的33.486%，級(jí)別為中度的面積為112 005.72 hm2，占該市總面積的7.503%，級(jí)別為強(qiáng)烈的面積為14 646.96 hm2，占該市總面積的0.981%，土壤侵蝕強(qiáng)度級(jí)別為極強(qiáng)烈及以上的區(qū)域面積為2 772.63 hm2，占該市總面積的0.186%。因此通過分析可知，玉溪市的土壤侵蝕主要表現(xiàn)為大部分區(qū)域輕度、微度侵蝕，局部區(qū)域強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈等特征。

圖6 玉溪市土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征

2.1 不同行政區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕特征分析

根據(jù)表3分析玉溪市各縣的土壤侵蝕量以及不同等級(jí)土壤侵蝕在各行政單元的分布情況，全市內(nèi)主要土壤侵蝕級(jí)別為微度和輕度，玉溪市整體土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)域集中分布在西南部以及東南部，主要在元江、綠汁江以及曲江流域附近，由于哀牢山國家自然保護(hù)區(qū)位于新平縣，且該地正處于東亞季風(fēng)熱帶、南亞季風(fēng)熱帶和青藏橫斷山系三大自然地理區(qū)域的交匯處，當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到這里后，氣溫降低，有利于凝結(jié)降水，因此容易發(fā)生水土流失，新平縣的平均土壤侵蝕量為799.079 8 t/（km2·a），其土壤侵蝕中度及以上占全縣的6.720 6%，而元江縣的平均土壤侵蝕量為969.908 7 t/（km2·a），全縣內(nèi)土壤侵蝕級(jí)別大多數(shù)為微度和輕度。玉溪市水系發(fā)達(dá)，縱觀整體可知該市的土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域集中分布在各大河流附近，例如新平縣的土壤侵蝕中度以上區(qū)域主要分布在漠沙江附近，易門縣、峨山縣土壤侵蝕中度以上區(qū)域主要集中在綠汁江流域，根據(jù)《截至2015年底云南省礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量簡表》可知，玉溪市礦山主要分布在易門縣以及華寧縣，而礦山的開采破壞土壤結(jié)構(gòu)，因此，易門縣和華寧縣的土壤侵蝕量相對(duì)較高，分別為571.142 1 t/（km2·a）和777.671 2 t/（km2·a）。

表3 各行政單元土壤侵蝕情況

2.2 不同土地利用類型的土壤侵蝕特征分析

結(jié)合遙感影像以及實(shí)地調(diào)查，選取玉溪市內(nèi)耕地、林地、草地、工礦用地、水域及水利設(shè)施用地進(jìn)行研究。由表4可知，玉溪市土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)主要地類為耕地、林地、草地，中度及以上侵蝕面積比例超過35%，玉溪市耕地面積263 804.44 hm2，占玉溪市總面積的17.66%，由于耕地受人類活動(dòng)干擾頻繁，常年耕作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，作物生長周期的原因?qū)е轮脖桓采w具有季節(jié)變化特征，因此土壤侵蝕也相對(duì)嚴(yán)重。由于玉溪市局部地區(qū)存在植被退化的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了林地以及草地的植被覆蓋，導(dǎo)致了這些區(qū)域的侵蝕強(qiáng)度較高，其中全市林草地中度以上侵蝕面積近30%。玉溪市礦產(chǎn)資源較為豐富，已知礦產(chǎn)有鐵、錳、鉻、銅、鎳、磷、大理石、煤和硅石等23種，其中鐵、銅、磷、鎳4種優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)是該區(qū)重要的礦產(chǎn)資源，玉溪市工礦用地占地11 060.78 hm2，其中輕度以上土壤侵蝕占29.24%。由于地區(qū)工業(yè)礦床多且分布廣泛，大量長期的煤礦開采造成表層物質(zhì)松散，土地植被以及地表、地下含水巖層遭到破壞，與其他形式的土地破壞相比，具有形式特殊、數(shù)量大、難補(bǔ)救的特點(diǎn)［13］。

表4 不同土地利用類型土壤侵蝕情況

2.3 不同植被覆蓋度土壤侵蝕狀況

現(xiàn)將植被覆蓋程度分為5個(gè)等級(jí)，以便于分析玉溪市不同植被覆蓋條件下的土壤侵蝕狀況。由表5可知，植被覆蓋度小于10%的區(qū)域，土壤侵蝕等級(jí)主要為微度和輕度，土壤侵蝕程度微度的面積占59.30%，輕度土壤侵蝕的面積占36.34%；植被覆蓋度為10%?30%區(qū)域，土壤侵蝕程度微度的面積占41.45%，輕度土壤侵蝕的面積占48.53%；植被覆蓋度為45%?60%區(qū)域，受土壤侵蝕面積較大的影響，其土壤侵蝕量也不容忽視。對(duì)不同植被覆蓋條件下的區(qū)域進(jìn)行分析（圖7），隨著植被覆蓋度增加，輕度以下侵蝕面積增加，絕大部分中度以上侵蝕發(fā)生在植被覆蓋度低于60%的區(qū)域。

表5 不同植被覆蓋程度土壤侵蝕情況（單位：%）

圖7 不同植被覆蓋度各土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積比例

3 小結(jié)與討論

利用GIS與RUSLE模型對(duì)玉溪市的土壤侵蝕程度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，研究區(qū)的平均土壤侵蝕量為1 043.03 t/（km2·a），該市土壤侵蝕主要以微度和輕度為主，其所占面積分別為57.844%和33.486%，土壤侵蝕強(qiáng)烈及以上部分主要分布在易門縣、華寧縣以及元江縣。根據(jù)土地利用類型與土壤侵蝕程度結(jié)合分析，玉溪市土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地類基本分布在耕地、林地以及草地，侵蝕強(qiáng)度為中度及以上的區(qū)域侵蝕面積比例超過35%，雖然林地和草地的植被覆蓋較高也具有一定水土保持作用，但是植被退化導(dǎo)致了局部區(qū)域侵蝕強(qiáng)度較高，全市林草地中度以上侵蝕面積近30%。而玉溪市礦產(chǎn)資源豐富，采礦對(duì)土壤的傷害仍不容忽視?，F(xiàn)有的土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型大多是地方性的，不能用于較大區(qū)域，也很難直接推廣到其他地區(qū)，同時(shí)對(duì)各侵蝕影響因子尚無系統(tǒng)全面的研究，缺乏足夠的試驗(yàn)觀測(cè)資料，影響了模型的實(shí)用性［15］，而本研究缺乏對(duì)相關(guān)參數(shù)的實(shí)地驗(yàn)證，在后續(xù)研究中予以完善；另外模型因子計(jì)算方法應(yīng)進(jìn)一步完善，提高精度。