《武汉工程大学学报》 2017年03期
288-295
出版日期：2017-06-24
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于USLE模型的祁连山南坡土壤侵蚀现状评价
土壤侵蚀是由水力和风力作用引起的土壤颗粒的分离与搬运过程，会造成破坏土地资源、降低土壤肥力、制约粮食生产增长等一系列的生态问题［1］. 作为影响区域内土壤结构和生态环境的重要因素，土壤侵蚀研究受到国内外专家学者关注. 土壤侵蚀自研究以来，在研究范围上经历了较微观的尺度（坡面和小流域）到区域尺度的变化；从研究成果上经历了从定性研究到定量研究的转变. 目前，计算土壤侵蚀的国内外模型主要有USLE［2］ （universal soil loss equation，USLE）、WEPP［3］ （water erosion prediction project，WEPP）、EUROSEM［4］ （the european soilerosion model，EUROSEM）、LISEM［5］ （limburg soil erosion model，LISEM）模型、RUSLE［6］（revised universal soil loss equation，RUSLE）等模型. 将土壤质地、降水、植被、坡度、坡长及人类活动干扰等影响因素考虑在内的USLE模型是为评价某地区多年平均土壤侵蚀量而设计的［7］，此模型积累了丰富的经验数据并且在世界各地都做了本土化的修正，它是全球应用最为广泛的土壤侵蚀模型. 此模型在20 世纪 70 年代中期引入我国，经过近 40 年的消化、改进、发展和应用，目前我国已建立起具有自己特色的 USLE模型并在国内得到广泛的应用［8-10］. 祁连山南坡的水源涵养林和草原植被对增强水源涵养功能、减少荒漠化、保护冰川、调节气候、保护生物多样性和供水发挥着重要的作用，对促进区域可持续发展具有极为重要的生态地位. 但对其生态环境有重要影响的土壤侵蚀现状缺乏相关研究. 本文利用“3S”技术（遥感技术（remote senescing， RS）、地理信息系统（geographical information system，GIS）、全球定位系统（global positioning system，GPS）），结合USLE模型对祁连山南坡土壤侵蚀现状进行了综合研究和系统评价，以期了解土壤侵蚀的空间分布特征，从而为区域土壤保持和水土流失防治提供理论依据和技术支持. 1 研究区域概况祁连山南坡（见图1）地处青海省东北部，地理位置介于东经98°14′~102°64′，北纬37°05′~39°09′，总面积为2.38×104 km2. 该区域属典型的高原大陆性气候［11］. 其降水特征不但受海拔高度的影响，而且受所处的纬度、经度以及地形的坡向和坡度的影响，每年5~9月份为降雨量最大的季节. 该区水资源丰富，大小河流呈树枝状散开，主要包括黑河与大通河两大流域水系［11］. 植被主要以草地为主、林地为辅. 2 数据与方法2.1 数据来源本文所使用的原始数据主要包括2014年Landsat8影像数据、DEM（digital elevation model，DEM）数据（分辨率：30 m）、青海省土壤图、2014年气象数据（见表1）. 2.2 研究方法选取美国学者Smith和Wischmeier于20世纪50年代提出的通用土壤流失方程（USLE）［9］（见公式 1），通过提取模型中的降雨侵蚀力因子、土壤侵蚀力因子、坡度及坡长因子、植被覆盖因子、水土保持因子六因子，将各因子连乘，可以得到研究区2014年土壤侵蚀级别分类图（计算获得的USLE各因子空间分布及土壤侵蚀分级如图2所示）. 通过将土壤侵蚀量栅格图分别与坡度、植被覆盖度、高程栅格图叠加，通过掩膜提取工具，获得祁连山南坡不同坡度、植被覆盖度、海拔下的土壤侵蚀面积和侵蚀量. [A=R?K?L?S?C?P] （1）式（1）中：A为年土壤流失量，单位是 t/（hm2?a）；R为降雨侵蚀力因子，单位为［MJ?mm/（hm2?h?a）］；K为土壤侵蚀力因子，单位是 ［t?h/（MJ?mm）］；L和S分别为坡长、坡度因子；C为植被覆盖因子，P为水土保持因子，L、S、C和P均为无量纲. 2.2.1 坡度因子和坡长因子估算 坡度因子和坡长因子由数字高程模型 DEM 计算而来. 由于精确获得每个网格的点的坡长值是不可能的［12］，刘宝元等在京津风沙源治理水蚀研究中，调查统计发现坡长和坡度呈负相关，即坡长随坡度的变大而变小，根据野外调查规定［9］：坡度在10°以下，坡长统一取60 m；坡度在10°~15°之间时，坡长取50 m；坡度在15°~20°之间时，坡长取40 m；当坡度在20°~ 25°之间时，坡长取30 m；坡度在25°~35°之间时，坡长取20 m；当坡度在35°以上时，坡长统一取15 m. 本文利用ArcGIS空间分析功能下的Slope工具求得坡度值，采用式（2）和式 （3）式计算L值和S值［9］. [S=10.80sinθ+0.03 θ<5°S=16.80sinθ-0.50 5°θ<10°S=21.91sinθ-0.96 θ10°] （2）[L=λ22.13mm=0.5 tanθ>0.05m=0.4 0.035 000 m 4个海拔等级. 通过在不同土壤侵蚀模数的不同环境因子等级中各均匀取10个样点（部分样区因面积过低，未取样），分析坡度、植被覆盖度、高程与土壤侵蚀模数的相关性. 结果表明：坡度、植被覆盖度、高程与土壤侵蚀模数的相关系数分别为0.802、-0.834、0.680，在0.01水平上相关性显著. 3.2.2 坡度与土壤侵蚀关系分析 依据标准划分坡度，不同坡度的侵蚀量、面积关系如表6所示. 从发生土壤侵蚀的情况来看，微坡和较缓坡主要发生微度侵蚀和轻度侵蚀. 缓坡、较陡坡主要发生微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀. 极强度侵蚀出现在陡坡、极陡坡范围内；从不同坡度侵蚀面积及侵蚀量来看，微坡（4.73×103 km2、21.43%）、缓坡（4.96×103 km2、22.48%）、较陡坡（5.16×103 km2、23.35%）土壤侵蚀面积占研究区土壤侵蚀总面积的比例相差不大，但其土壤侵蚀量占总土壤侵蚀量的比例却相差较大，分别为（3.11×105 t/a）2.02%、（2.34×106 t/a）15.24%、（5.21×106 t/a）33.95%；较缓坡（2.84×103 km2、12.87%）和陡坡（3.23×103 km2、14.62%）面积比例相差较小，但侵蚀总量分别为（4.95×105 t/a）3.22%、（4.85×106 t/a）31.59%；极陡坡（1.16×103 km2、5.25%）面积占总面积最小，但其土壤侵蚀总量比例却不是最小（2.15×106 t/a、13.98%）；从不同坡度平均侵蚀模数来看，缓坡（包含缓坡）以下平均土壤侵蚀级别为微度侵蚀，缓坡以上为轻度侵蚀. 综上所述，随着坡度的增加，侵蚀级别有上升趋势且其土壤侵蚀量也逐步提高. 3.2.3 植被覆盖度与土壤侵蚀关系分析 依据植被覆盖度的划分标准，统计出各植被覆盖度等级下土壤侵蚀情况如表7所示. 研究区植被覆盖度区域（1.48×104 km2、66.88%）面积最大，该区域发生微度侵蚀面积最大，侵蚀总量比例偏小（2.16×106 t/a、14.04%），平均侵蚀模数为微度侵蚀（146.02 t/（km2?a））；其次是中高覆盖度区域（7.11×103 km2、32.20%），发生轻、中度侵蚀面积最大，侵蚀总量比例最大（1.28×107 t/a、83.09%），平均侵蚀模数为轻度侵蚀［1.79×103 t/（km2?a）］；其他覆盖度面积、侵蚀量偏低，以发生微度侵蚀为主（植被覆盖度低于15%的裸地区域，因分布分散、像元个数偏小不能构成独立图斑，在矢量化的过程中，将其并为林地、草地、未利用土地，故而其土壤侵蚀级别只有微度侵蚀；植被覆盖度30%~45%的中低覆盖，多分布于微坡的未利用土地，故土壤侵蚀度是微度侵蚀）. 通过以上分析，土壤侵蚀级别及土壤侵蚀量随着植被覆盖度的升高而降低. 3.2.4 海拔与土壤侵蚀关系分析 侵蚀分级面积、侵蚀量统计如表8所示. 研究区<3 000 m高程范围内的区域面积占研究区土壤侵蚀总面积的（1.08×103 km2） 4.91%，其土壤侵蚀量占土壤侵蚀总量的（2.75×105 t/a） 1.79%，其平均侵蚀模数为微度侵蚀（253.60 t/（km2?a）），主要发生微度侵蚀；3 000 m~4 000 m高程范围内的区域面积占研究区土壤侵蚀总面积的（1.53×104 km2） 69.42%，但其土壤侵蚀量只占土壤侵蚀总量的（5.69×106 t/a） 37.06%，其平均侵蚀模数为微度侵蚀（371.40 t/（km2?a）），主要发生微度侵蚀；4 000 m~5 000 m高程范围内的区域面积占研究区土壤侵蚀总面积的（5.67×103 km2） 25.66%，但其土壤侵蚀量却占土壤侵蚀总量的（9.39×106 t/a） 61.14%，其平均侵蚀模数为轻度侵蚀（1.66×103 t/（km2?a）），主要发生轻度侵蚀，且轻度（含轻度）以上侵蚀面积在各高程范围内均占最大. 可见在研究区范围内随着海拔的升高，土壤侵蚀强度级别逐渐升高，相应的土壤侵蚀量也增加，这与研究区特殊的地形地貌相符（平均海拔在3 000 m左右的湖盆、谷地，平均山脉海拔在4 000 m~5 000 m之间）. 4 结 语利用“GIS”强大的空间分析功能，应用国际上广泛应用的USLE模型对祁连山南坡土壤侵蚀进行了研究，得出如下结论：1）祁连山南坡2014年土壤侵蚀量为1.54×107 t/a，平均侵蚀模数为695.79 t/（km2?a），土壤侵蚀面积2.21×104 km2. 从不同等级发生土壤侵蚀的面积和侵蚀量来看，研究区水土保持能力情况良好，但仍需对微度侵蚀区域持续保护，防止破坏性的活动发生，改变良好的生态环境. 对轻、中度侵蚀区域，应增强植被保育、植被生态系统重建，并严密监控，以提高该区域土壤保持能力. 2）研究区域内的土壤侵蚀与坡度、海拔、植被覆盖度3个环境因子相关性明显. 土壤侵蚀级别随着坡度的增加而增加，坡度在25°左右的区域面积占侵蚀总面积的37.97%，土壤侵蚀量占总侵蚀量的65.54%，这与许月卿等人［18-20］的研究得出的结论（坡度在25°左右的区域是土壤侵蚀易发生区）是相符的，应该增强此坡度范围的植被覆盖度，来有效减少土壤侵蚀量；土壤侵蚀随着海拔的升高而增加，而随着植被覆盖度的提高而降低，这与果超［10］的研究成果是相符的（土壤侵蚀量也遵循此规律）. 采用USLE模型评价了研究区域土壤侵蚀现状，但其各因子计算方法大多是借鉴原有的技术和国内外相关的方法和成果来确定的，在以后的工作中，还应根据研究区水土流失实测结果，尝试模型参数的本地化，以提高估算精度. /html>