孫 禹，哈斯·額爾敦，杜會(huì)石

（1.北京師范大學(xué) 資源學(xué)院，北京100875；2.吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平13600）

東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，由于自然和人為等原因，黑土區(qū)土壤侵蝕和土地退化等現(xiàn)象十分普遍，已成為東北黑土區(qū)生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素之一。因此，土壤侵蝕越來(lái)越成為人們普遍關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，土壤侵蝕模型是預(yù)報(bào)及監(jiān)測(cè)土壤侵蝕的重要工具，也是評(píng)價(jià)水土保持措施效益的有效手段。

目前的土壤侵蝕模型主要有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、物理過(guò)程模型和分布式模型。自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，隨著美國(guó)通用土壤流失方程USLE（universal soil loss equation）的問(wèn)世和不斷應(yīng)用及研究，也越來(lái)越顯現(xiàn)其缺陷和局限性，因此，許多學(xué)者根據(jù)所研究的問(wèn)題對(duì)其做了改進(jìn)，如USLE的另一種修正方程MUSLE（modified universal soil loss equation）為代表，此外，還產(chǎn)生了很多適應(yīng)于不同情況的土壤侵蝕方程，主要有美國(guó) WEEP（water erosion prediction project）、歐洲 EUROSEM（European soil erosion model）和LISEM（Limburg soil erosion model）。國(guó)內(nèi)學(xué)者在相關(guān)的理論研究基礎(chǔ)之上，建立了針對(duì)中國(guó)侵蝕環(huán)境的多尺度的土壤侵蝕模型［1－6］。植被在抑制和減緩?fù)寥狼治g進(jìn)程方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，植被蓋度是控制土壤侵蝕的一個(gè)重要指標(biāo)。本文在GIS技術(shù)的支持下，通過(guò)對(duì)植被蓋度的反演，初步估算出東北黑土區(qū)土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算中B值的范圍，應(yīng)用CSLE模型，將其應(yīng)用于古城小流域土壤侵蝕量的估算中，在實(shí)際應(yīng)用中具有適用性與實(shí)用性。

1 研究區(qū)概況

克山縣位于黑龍江省西部、齊齊哈爾市東北部，地處世界三大黑土帶之一的腹地，該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季干冷多風(fēng)、夏季溫和多雨，年均溫1.0℃，1月均溫－22.7℃，7月均溫21.3℃，年均降水510mm，其中80%的降水集中在6—9月。古城小流域位于黑龍江省克山縣中部，是小興安嶺與松嫩平原過(guò)渡地帶的典型黑土區(qū)，屬嫩江一級(jí)支流烏裕爾河 水 系，地 理 坐 標(biāo) 125°37′52″—126°03′19″E，47°59′11″—48°09′28″N。該區(qū)土壤類(lèi)型主要為黑土，局部地區(qū)有草甸黑土和草甸土。黑土表層孔隙度高，因此適合旱地耕種，但黑土土質(zhì)比較疏松，內(nèi)聚力差，底土持水性強(qiáng)，透水緩慢，表土含水量接近飽和時(shí)易受沖刷，土壤侵蝕嚴(yán)重，空間分布廣泛。

2 研究方法

2.1 土壤侵蝕模型的選擇

目前，應(yīng)用最為廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪荝USLE模型，即修正的通用土壤流失方程，是美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局（NRCS）于1997年正式?jīng)Q定實(shí)施的，并在世界范圍推廣應(yīng)用［7］。它是在通用土壤侵蝕方程USLE［8］的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正形成的。這兩種模型都是針對(duì)緩坡的侵蝕預(yù)報(bào)模型，另外USLE是基于年降雨的侵蝕產(chǎn)沙模型，這對(duì)于在以高強(qiáng)度次降雨居于侵蝕主導(dǎo)地位的地區(qū)的運(yùn)用有限制，而RUSLE是在分析全美各地徑流泥沙觀(guān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。由于各?guó)各地區(qū)的自然條件存在差異，直接應(yīng)用上述模型難以保證計(jì)算精度，因此應(yīng)該選取適合本研究區(qū)的土壤侵蝕模型。

本文采用的是中國(guó)土壤侵蝕模型（Chinese Siol Loss Equation，CSLE），是劉寶元等［9］參考USLE和RUSLE，針對(duì)中國(guó)實(shí)際提出的，更能體現(xiàn)中國(guó)土壤侵蝕的實(shí)際情況，表達(dá)式為：

式中：A——土壤流失量〔t／（hm2·a）〕；R——降雨侵蝕力因子〔（MJ·mm）／（hm2h·a）〕；K——土壤可蝕性因子〔（t·hm2·h）／（hm2·MJ·mm）〕；L——坡長(zhǎng)因子；S——坡度因子；B——生物措施因子，反映地表覆蓋對(duì)土壤侵蝕的作用；E——工程措施因子，指通過(guò)改變小地形（如坡改梯、引水拉沙等）來(lái)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，以減少或防止土壤侵蝕而采取的措施；T——耕作措施因子，指以犁、鋤、耙等為耕（整）地農(nóng)具所采取的措施，以達(dá)到保水保土保肥的目的。

2.2 植被蓋度與B因子的研究

2.2.1 植被蓋度 植被蓋率指植物群落總體或各個(gè)體的地上部份的垂直投影面積與樣方面積之比的百分?jǐn)?shù)。一切形式的植被覆蓋，均可不同程度地抑制水土流失［10］。研究表明，就單株而言，植被對(duì)水土流失的影響包括冠層或葉面抵抗雨滴擊濺作用和截留作用［11］，根系的固土及改善土壤物理性能作用（增強(qiáng)土壤抗沖性）［12］，枯落物層的抗擊減流作用，此外，還包括莖干的阻流調(diào)流，降低風(fēng)速，林草地結(jié)皮抗沖刷等作用。

植被蓋度的測(cè)量可分為地表實(shí)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)兩種方法。局部的植被蓋度可通過(guò)地表實(shí)測(cè)直接獲取，按原理可將地表實(shí)測(cè)的方法分為三類(lèi)，即采樣法、儀器法和目視估測(cè)法，對(duì)于大面積的測(cè)量來(lái)說(shuō)，不但耗時(shí)，而且效率低。遙感測(cè)量方法對(duì)于大范圍測(cè)量更具優(yōu)勢(shì)，其不僅覆蓋范圍廣、重復(fù)周期短，而且快捷、經(jīng)濟(jì)。目前常用的植被蓋度的遙感估算方法有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、植被指?shù)法和像元分解法。

2.2.2 生物措施因子（B因子） 生物措施因子，是指在相同條件下的一定時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)有作物的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)與連續(xù)撂荒的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上的土壤流失量之比［13］。與USLE模型中的C因子具有相同含義，當(dāng)?shù)孛嫱耆懵稌r(shí)C值為1.0，如果地面得到良好的保護(hù)C值為0.001。

B因子由人工與天然植被的覆蓋度和植被類(lèi)型決定，在其他條件一定時(shí)，侵蝕量與植被蓋度成反比關(guān)系。由于植被類(lèi)型不一樣，這種關(guān)系也是復(fù)雜的。當(dāng)植被蓋度＞70%時(shí)，地表的侵蝕量極其微弱；植被蓋度＜10%時(shí)，基本沒(méi)有抗侵蝕作用；植被蓋度10%～70%植被與侵蝕的關(guān)系比較復(fù)雜，植被覆蓋度的遞增率與侵蝕量的遞減率不是一個(gè)函數(shù)關(guān)系。

目前計(jì)算B因子的方法主要有兩種，即基于觀(guān)測(cè)資料的估算法和基于植被覆蓋因子的遙感數(shù)據(jù)定量估算方法。

（1）估算法。B因子作為侵蝕動(dòng)力的抑制因子，主要反映有關(guān)植被覆蓋及其變化對(duì)土壤侵蝕的綜合作用，是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，其值變化在0～1，具有人為可調(diào)性。B因子值受到諸如土地利用狀況、植被覆蓋度、平均地面坡度、作物種植順序、栽培措施等因素的影響，這使B因子值的直接計(jì)算難以進(jìn)行，而在那些缺乏地域季節(jié)作物類(lèi)型數(shù)據(jù)的地方，確定B因子值通常的做法是對(duì)特定覆蓋類(lèi)型進(jìn)行估計(jì)。

（2）基于植被蓋度的遙感數(shù)據(jù)定量估算。該方法主要采用像元二分模型與NDVI結(jié)合的方法。首先，利用遙感影像頭文件信息分別得到近紅外波段和紅波段的反射率，其次計(jì)算出歸一化植被指數(shù)（NDVI），最后利用NDVI結(jié)合像元二分模型計(jì)算出植被覆蓋度。

蔡崇法等［14］對(duì)三峽地區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕研究中提出管理因子與植被覆蓋度的關(guān)系進(jìn)行C值的估算：

C的最小值應(yīng)為0，即不產(chǎn)生土壤流失，C的最大值為1，即為標(biāo)準(zhǔn)狀況。當(dāng)c大于78.3%時(shí)，C的值為0；當(dāng)c取值范圍在0～78.3%時(shí)，C按式（1）來(lái)計(jì)算，當(dāng)c等于0時(shí)，C可取1。

利用線(xiàn)性混合像元分解方法求植被地表覆蓋度簡(jiǎn)單快速，除局部地區(qū)外（如云覆蓋區(qū)），不需要野外實(shí)地采樣分析，且能保證較高的精度。

2.2.3 生物措施因子的計(jì)算 由于缺乏詳細(xì)的降雨記錄和侵蝕觀(guān)測(cè)資料，模型中植物管理因子的參數(shù)化非常困難。所以本文選用基于植被蓋度的遙感數(shù)據(jù)定量估算的方法。

（1）通過(guò)GIS的空間分析對(duì)遙感影像地物的輻射亮度進(jìn)行計(jì)算：

式中：L——地物的輻射亮度〔W／（m2·s·μm）〕；X——影像的像元值；A——輻射校正后圖像產(chǎn)品的絕對(duì)定標(biāo)增益值〔m2／（W·s· m）〕；B——代表圖像產(chǎn)品的定標(biāo)偏置〔W／（m2·s·μm）〕。

（2）計(jì)算地物反射率。地物的反射率，是太陽(yáng)天頂角的余角θ，太陽(yáng)等效輻射照度E0，日地距離因子d的函數(shù)，公式為：

其中，E0，θ的值可在圖文件中獲得，E0的單位為 W／（m2·m），其值在0.983～1.017，此處可取值為1。

（3）歸一化植被指數(shù)（NDVI）的計(jì)算。取值范圍－1≤NDVI≤1，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見(jiàn)光高反射；0表示有巖石或裸土等，正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。NDVI的計(jì)算公式為：

式中：ρ1——利用近紅外波段計(jì)算出的地物反射率；ρ2——利用紅波段計(jì)算出的地物反射率。目前，多數(shù)研究采用了歸一化植被指數(shù)，通過(guò)建立植被管理因子與該指數(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)方程，獲得生物措施因子［15－17］。

（4）植被蓋度的計(jì)算。植被蓋度指植物群落總體或各個(gè)體的地上部份的垂直投影面積與樣方面積之比的百分?jǐn)?shù)，它反映植被的茂密程度和植物進(jìn)行光合作用面積的大小。計(jì)算公式為：

式中：NDVImin——NDVI的最小值；NDVImax——NDVI的最大值。參數(shù)取值及系統(tǒng)誤差等對(duì)該處的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以，兩個(gè)最值分別取累計(jì)頻率為5%和95%處值。

（5）生物措施因子的計(jì)算。利用步驟（4）中計(jì)算出來(lái)的結(jié)果及式（2），計(jì)算出研究區(qū)的生物措施因子。

2.3 土壤侵蝕模數(shù)

獲得B因子值后，采用CSLE模型進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算，其中，坡度坡長(zhǎng)因子（LS因子）運(yùn)用Python腳本語(yǔ)言進(jìn)行編碼獲取；降雨侵蝕力因子（R因子）運(yùn)用章文波等［18］修正的日雨量模型得出；土壤可蝕性因子（k因子）用建立的利用土壤理化性質(zhì)推求土壤可蝕性因子K值的關(guān)系方程求算；工程措施因子（E因子）的值根據(jù)張憲奎等［19］的相關(guān)研究來(lái)確定；耕作措施因子值（T因子）主要是根據(jù)不同坡度條件的耕作對(duì)減少水土流失的作用確定［20］，在沒(méi)有耕作措施的地方，將水土保持耕作措施因子值賦為1。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算

本文利用前面計(jì)算得出的各個(gè)因子，并結(jié)合CSLE模型通過(guò)GIS平臺(tái)得到土壤流失量并制作土壤侵蝕量圖（圖1），再根據(jù)水利部頒發(fā)的《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SL446—2009）（表1），對(duì)研究區(qū)小流域水土流失量及侵蝕強(qiáng)度等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和統(tǒng)計(jì)，編制土壤侵蝕強(qiáng)度圖（附圖8）。其中交通運(yùn)輸用地、居民點(diǎn)和水域未參與水力侵蝕面積統(tǒng)計(jì)。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上各步驟的計(jì)算結(jié)果，制作該研究區(qū)的植被蓋度圖（圖2）、B因子圖（圖3），并且利用高分辨率WorldView遙感影像，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀解譯，并制作土地利用現(xiàn)狀圖（附圖9）。

圖1 克山縣古城小流域土壤侵蝕量

表1 《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SL446－2009）

圖2 克山縣古城小流域植被蓋度

圖3 克山縣古城小流域B因子

（1）將圖2與附圖9進(jìn)行對(duì)比，可以看出在如城鎮(zhèn)居民用地、農(nóng)村居民用地及水域及水利設(shè)施用地所覆蓋的區(qū)域，其植被蓋度值也較低。將圖2與圖3進(jìn)行對(duì)比，可以看出在植被蓋度值相對(duì)高的地區(qū)，其B因子值較低。例如，在ArcGIS 9.3中對(duì)水域及水利設(shè)施用地這種無(wú)植被區(qū)域的生物措施因子值進(jìn)行查看時(shí)，發(fā)現(xiàn)其值為0，在有林地、灌木林地、天然牧草地等有植被覆蓋區(qū)的生物措施因子值大多集中在0.01～0.03，而旱地的生物措施因子值主要集中在0.3左右。所以從整體上看，兩圖的解譯結(jié)果較為吻合，證明圖3中顯示的結(jié)果精確性高。

（2）將圖3與圖1和附圖8進(jìn)行對(duì)比，可以看出在B因子值較低的地區(qū)，土壤侵蝕量和侵蝕強(qiáng)度都比較低，說(shuō)明通過(guò)植被蓋度對(duì)B因子值進(jìn)行反演，進(jìn)而計(jì)算出的土壤侵蝕量及強(qiáng)度的可信度大。

4 結(jié)論

（1）該研究區(qū)年侵蝕總量為136 135.72t，其中研究區(qū)微度水力侵蝕總量為12 563.10t，平均侵蝕量為 61.80t／（km2·a）；輕度水力侵蝕總量為62 744.30t，平均侵蝕量為672.23t／（km2·a）；中度水力侵蝕總量為39 738.50t，平均侵蝕量為1 551.33 t／（km2·a）；強(qiáng)烈水力侵蝕總量為10 635.10t，平均侵蝕量為2 842.39t／（km2·a）；極強(qiáng)烈水力侵蝕總量為4 995.37t，平均侵蝕量為4 118.53t／（km2·a）；劇烈水力侵蝕總量為5 459.35t，平均侵蝕量為6 381.47 t／（km2·a）。

（2）該研究區(qū)年侵蝕量以輕度、中度水力侵蝕量為主，分別占侵蝕總量的46.09%和29.19%；微度、強(qiáng)烈水力侵蝕量相差不大，分別占侵蝕總量的9.23%和7.81%；極強(qiáng)烈、劇烈水力侵蝕量較低但差異不明顯，分別占侵蝕總量的3.67%和4.01%。

（3）在有林地、灌木林地、天然牧草地等植被覆蓋較好的地區(qū)，其植被蓋度的值也較高，并且相應(yīng)的B因子值較低，因此土壤侵蝕模數(shù)也較低，侵蝕程度以輕度和中度為主，由此可見(jiàn)，植被覆蓋在減少水土流失，控制及緩解土壤侵蝕方面發(fā)揮了巨大的作用。通過(guò)植被蓋度對(duì)B因子進(jìn)行反演，進(jìn)而利用CSLE對(duì)土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行估算的方法不僅在結(jié)果上能保證一定的精度，而且在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的可行性，可為今后類(lèi)似的研究中提供有效參考。

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