高翔宇，王　剛，顧澤賢，趙筱青

(1.云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650091；

2.昆明南方地球物理技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昆明 650231)

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基于USLE的西盟縣土壤侵蝕特征分析

高翔宇1，王剛2，顧澤賢1，趙筱青1

(1.云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650091；

2.昆明南方地球物理技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昆明 650231)

[關(guān)鍵詞]USLE；土壤侵蝕；時(shí)空變化特征；西盟縣

[摘要]為研究西盟縣土壤侵蝕對(duì)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的影響，以通用土壤流失方程(USLE)為模型，運(yùn)用ArcGIS軟件，綜合分析了研究區(qū)土壤侵蝕時(shí)空變化特征和不同環(huán)境因子梯度下的土壤侵蝕狀況。結(jié)果表明：①西盟縣2000年和2010年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為39.75和39.04 t/hm2，均屬中度侵蝕；2000—2010年劇烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕面積分別減少了16.49%和4.64%，中度侵蝕面積增加了1 479 hm2。②空間分布方面，西盟縣土壤侵蝕基本都是東北部相對(duì)較輕，中部、西南部和東南部較嚴(yán)重，2000—2010年土壤侵蝕空間分布整體變化不大；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中勐梭鎮(zhèn)的土壤侵蝕面積和侵蝕面積變化量最大，岳宋鄉(xiāng)的土壤侵蝕程度最嚴(yán)重，新廠鄉(xiāng)和中課鄉(xiāng)土壤侵蝕程度相對(duì)較輕。③土壤侵蝕主要發(fā)生在5°～35°的區(qū)域，坡度≥15°的旱地、草地和灌木林的土壤侵蝕程度較嚴(yán)重，必須針對(duì)不同土地利用類型因地制宜采取措施加以治理。

土壤侵蝕是危及人類生存與發(fā)展的重要環(huán)境問(wèn)題之一[1]。人類對(duì)土地的利用，特別是對(duì)水土資源不合理的開(kāi)發(fā)和經(jīng)營(yíng)，使土壤表面覆蓋物遭破壞，裸露的土壤受水力沖蝕，最終導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤侵蝕問(wèn)題進(jìn)行了大量研究工作，其中土壤侵蝕預(yù)報(bào)研究已成為土壤侵蝕學(xué)科的前沿領(lǐng)域和土壤侵蝕過(guò)程定量研究的有效手段。以通用土壤流失方程[2](USLE)為代表的經(jīng)驗(yàn)性預(yù)報(bào)模型，是一種用于定量預(yù)報(bào)農(nóng)地或草地坡面多年平均土壤流失量的模型。相比于其他模型，如RUSLE[3]、WEPP[4]、EUROSEM[5]、GUEST[6]、LISEM[7]等，USLE模型應(yīng)用較廣泛，并且全面地考慮了影響土壤侵蝕的自然因素，所需數(shù)據(jù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠，在定量評(píng)價(jià)土壤侵蝕強(qiáng)度、土地資源合理利用等方面起到了重要的作用。

云南省西盟佤族自治縣近年來(lái)人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度加大，土壤侵蝕問(wèn)題加劇，但關(guān)于當(dāng)?shù)赝寥狼治g評(píng)估的研究成果較少。本研究運(yùn)用USLE方程和ArcGIS軟件對(duì)西盟縣土壤侵蝕進(jìn)行定量分析，研究土壤侵蝕的分布情況，希望能為當(dāng)?shù)厮帘３执胧┑闹贫ㄌ峁﹨⒖肌?/p>

1研究區(qū)概況

西盟縣地處99°18′～99°42′E、22°27′～22°56′N，位于云南省西南部普洱市境內(nèi)，是云南省佤族聚居邊境縣，下轄2鎮(zhèn)(勐梭鎮(zhèn)、勐卡鎮(zhèn))、5鄉(xiāng)(翁嘎科鄉(xiāng)、岳宋鄉(xiāng)、力所鄉(xiāng)、中課鄉(xiāng)、新廠鄉(xiāng))，土地總面積1 256.31 km2。西盟縣地處怒山山脈南段，屬中高山峽谷地帶，地形復(fù)雜，境內(nèi)除了1%的河谷川壩，其余99%均為山區(qū)。境內(nèi)最高海拔2 458.9 m，最低海拔590.0 m，屬南亞熱帶山地濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，受云南省南部暖濕氣流影響，降水呈現(xiàn)季節(jié)性、集中且強(qiáng)度較大的特點(diǎn)，年均降水量2 758.3 mm。境內(nèi)河流屬怒江水系，有大小河流80條。地帶性土壤有磚紅壤、赤紅壤、紅壤和黃棕壤，非地帶性土壤主要有石灰土、水稻土等。植被復(fù)雜多樣，主要有季節(jié)性雨林、季雨林、季風(fēng)常綠闊葉林和中山濕性常綠闊葉林，以及橡膠、茶樹(shù)、咖啡、桉樹(shù)、思茅松和竹林等人工林。

2研究方法

2.1　數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

本研究中使用的數(shù)據(jù)包括西盟縣境內(nèi)7個(gè)氣象站點(diǎn)2009—2013年月降水量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、土壤類型圖、土地利用類型圖和土地覆被類型數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)一投影為UTM投影，WGS1984坐標(biāo)。

地形數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云的西盟縣30 m×30 m DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)坡度和坡長(zhǎng)的提取計(jì)算，最終生成30 m柵格數(shù)據(jù)。土壤類型圖來(lái)自全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)庫(kù)。土地覆被和土地利用類型數(shù)據(jù)來(lái)自2000年3月和2010年3月的分辨率為30 m的landsat TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)地考察采樣，結(jié)合土地變更數(shù)據(jù)與第二次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行影像解譯，并以《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)為依據(jù)，再結(jié)合西盟縣土地利用現(xiàn)狀，建立兩期土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)。研究區(qū)的土地利用類型主要分為桉樹(shù)林、草地、茶園、灌木林、旱地、建設(shè)用地、水田、水域、橡膠林、有林地(主要為常綠闊葉林和思茅松林)共10類。將7個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.1中采用克里格插值法(Kriging)進(jìn)行插值生成柵格數(shù)據(jù)。為了便于面積的計(jì)算，柵格數(shù)據(jù)輸出像元大小統(tǒng)一為30 m。

2.2　土壤侵蝕模型和參數(shù)

通用土壤流失方程(USLE)是基于小區(qū)域的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)而總結(jié)出的計(jì)算坡面空間尺度多年平均土壤侵蝕量的統(tǒng)計(jì)模型，其計(jì)算公式為

A=RKLSCP

(1)

式中：A為平均土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

(1)降雨侵蝕力因子。降雨侵蝕力因子(R)是評(píng)價(jià)引起土壤侵蝕潛在能力的一個(gè)動(dòng)力指標(biāo)[8]?？紤]到研究區(qū)的實(shí)際情況，采用楊子生[9]提出的計(jì)算模型，即

R=0.444 88 p0.969 82

(2)

式中：p為年平均降雨量，mm。

西盟縣歷年降雨呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，降雨集中在每年的5—10月，期間降雨量占全年降雨量的85%以上，因此用5—10月的多年平均降雨量來(lái)計(jì)算降雨侵蝕力。

(2)土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子(K)反映了土壤對(duì)侵蝕的敏感性及降水所產(chǎn)生的徑流量與徑流速率的大小。土壤侵蝕性因子與土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量有較高的相關(guān)性[10]。其計(jì)算公式為

(3)式中：Sa為砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Si為粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Cl為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；CO為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Sn=1-Sa/100。

(3)地形因子。坡長(zhǎng)因子(L)和坡度因子(S)是研究土壤侵蝕問(wèn)題必須考慮的重要地形因子，綜合測(cè)算較單因子更為方便[9]。本研究計(jì)算公式采用江忠善等[11]、黃金良等[12]的研究結(jié)果，即

L=(λ/22.1)m

(4)

式中：λ為柵格單元投影長(zhǎng)度；m為坡長(zhǎng)效應(yīng)指數(shù)。

(5)

式中：θ為坡度，(°)。

(4)植被覆蓋因子與水土保持措施因子。植被覆蓋因子(C)是指在相同的土壤、坡度和降雨條件下，某一特定作物或植被的土壤流失量與耕種過(guò)后連續(xù)休閑地的土壤流失量的比值。植被有固定土體的作用，有植被的土體不易被雨水沖刷[13]，因此植被覆蓋度與水土流失存在一定的定量關(guān)系[14]。根據(jù)蔡崇法等[15]的研究成果，基于NDVI計(jì)算植被覆蓋度(fg)，則C值計(jì)算公式為

(6)

式中：fg為植被覆蓋度，%。

水土保持措施因子(P)反映了水土保持措施對(duì)坡地土壤流失量的控制作用，其大小介于0～1之間，即根本不發(fā)生侵蝕的地區(qū)取0，而未采取任何保護(hù)措施的地區(qū)取1[16]。西盟縣為山區(qū)，旱地均為坡耕地，坡度<15°時(shí)P值賦值為0.55，≥15°時(shí)賦值為0.75[2]。其他土地利用類型的P值結(jié)合土地利用現(xiàn)狀并參考前人研究結(jié)果[10,17-18]得出，如：橡膠林有部分為梯地(梯地寬度較小)，有部分區(qū)域?yàn)槠碌?，因此其P值在梯地與坡地之間，賦值為0.60；桉樹(shù)林種植后很少采取保護(hù)措施，其P值賦值為0.80；荒草地和其他林地P值賦值為1，詳見(jiàn)表1。

2.3　土壤侵蝕量估算和等級(jí)劃分

根據(jù)《土壤侵蝕分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)[19]，將土壤侵蝕程度劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕六級(jí)。在ArcGIS 10.1中將各因子計(jì)算結(jié)果生成的圖層進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到土壤侵蝕量圖，并運(yùn)用重分類工具得到2000、2010年的土壤侵蝕分布圖(圖1)、土壤侵蝕面積及其動(dòng)態(tài)變化表(表2)。

表1　西盟縣不同土地利用類型P值

3結(jié)果與分析

3.1　土壤侵蝕時(shí)間變化特征

由表2知，2000和2010年西盟縣中度及其以上的土壤侵蝕面積分別占52.54%和52.84%，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為39.75、39.04 t/hm2，均屬于中度侵蝕。西盟縣99%的面積為山區(qū)，山高坡陡，溝谷縱深，地形變化劇烈，風(fēng)化強(qiáng)烈，坡體穩(wěn)定性差，雨季降雨強(qiáng)度大，坡地土壤侵蝕嚴(yán)重，加之部分山區(qū)村民耕作方式落后，在坡耕地上開(kāi)墾種地，基本不施肥，不進(jìn)行輪作，致使土壤養(yǎng)分得不到補(bǔ)充，肥力、地力下降，土壤利用率很低，進(jìn)而導(dǎo)致土壤侵蝕加劇。10年間土壤侵蝕強(qiáng)度分布發(fā)生了一些變化：一方面極強(qiáng)烈侵蝕面積減少了748 hm2，劇烈侵蝕面積減少了482 hm2，可能是因?yàn)?010年橡膠園大面積種植取代旱地、桉樹(shù)林的大規(guī)模引種和生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施，當(dāng)?shù)刂脖桓采w度增加，人為破壞得到了一定控制；另一方面微度侵蝕面積減少了1 549 hm2，中度侵蝕面積卻增加了1 479 hm2，這說(shuō)明土壤侵蝕強(qiáng)度在局部地區(qū)有加劇升級(jí)的趨勢(shì)。

圖1　2000、2010年研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕分布

土壤侵蝕程度2000年面積(hm2)占總面積比例(%)2010年面積(hm2)占總面積比例(%)2000—2010年面積(hm2)變化比例(%)微度侵蝕2714121.602559220.37-1549-5.71輕度侵蝕3248625.863365826.7911723.61中度侵蝕2722721.672870622.8514795.43強(qiáng)烈侵蝕1974815.721987615.821280.65極強(qiáng)烈侵蝕1610612.821535812.23-748-4.64劇烈侵蝕29232.3324411.94-482-16.49

3.2　土壤侵蝕空間變化特征

從整體上看(圖1)，西盟縣2000、2010年的土壤侵蝕是東北部相對(duì)較輕微，中部、西南部和東南部較嚴(yán)重，土壤侵蝕空間分布變化不大。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布來(lái)看，2010年勐梭鎮(zhèn)的土壤侵蝕面積最大，占全縣總侵蝕面積的20.01%，岳宋鄉(xiāng)土壤侵蝕面積最小，僅占7.39%。勐卡鎮(zhèn)、新廠鄉(xiāng)、勐梭鎮(zhèn)、翁嘎科鄉(xiāng)、力所鄉(xiāng)、岳宋鄉(xiāng)和中課鄉(xiāng)的中度及其以上侵蝕面積分別占各自鄉(xiāng)(鎮(zhèn))總侵蝕面積的49.48%、38.58%、61.73%、52.88%、59.88%、69.30%和40.26%，其中岳宋鄉(xiāng)土壤侵蝕最為嚴(yán)重，新廠鄉(xiāng)和中課鄉(xiāng)則相對(duì)較輕。勐梭鎮(zhèn)各侵蝕強(qiáng)度土壤侵蝕面積變化量總計(jì)達(dá)到3 275 hm2，變化最大，力所鄉(xiāng)的變化最小(見(jiàn)圖2)。

3.3　土壤侵蝕在主要因子梯度下的特征

(1)坡度與土壤侵蝕的關(guān)系。將坡度圖層和土壤侵蝕空間分布圖層進(jìn)行疊加，分析不同坡度梯度下土壤侵蝕量的分布特征。以2010年的土壤侵蝕空間分布圖為底圖，按照5°、8°、15°、25°、35°將坡度劃分為6個(gè)等級(jí)，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。如圖3所示，在其他條件相同的情況下，西盟地區(qū)土壤侵蝕量在坡度15°～35°下變化明顯。坡度在0°～25°時(shí)，土壤侵蝕量隨坡度的增大明顯增加，特別是在15°～25°時(shí)，各級(jí)別土壤侵蝕量均達(dá)到峰值；當(dāng)坡度大于25°后，各級(jí)別土壤侵蝕量又有所減小。這說(shuō)明研究區(qū)土壤侵蝕量并不完全是隨著坡度的增加而增加的，即坡度與侵蝕量之間并非線性關(guān)系，當(dāng)坡度達(dá)到35°及以上時(shí)，土壤侵蝕量呈明顯下降趨勢(shì)。

圖2　2000年和2010年不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕情況

圖3　各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)在不同坡度梯度下的土壤侵蝕量

(2)土地利用類型與土壤侵蝕的關(guān)系。結(jié)合2010年西盟縣土地利用類型圖層和土壤侵蝕空間分布圖層，分析在不同土地利用類型條件下的土壤侵蝕情況(圖4)。從圖4可以看出，不同土地利用類型之間土壤侵蝕強(qiáng)度差異顯著，其中坡度≥15°的旱地和草地土壤侵蝕最為嚴(yán)重。原因可能是：西盟縣的旱地大部分是陡坡耕地，不合理的土地開(kāi)墾和利用致使大面積坡耕地發(fā)展成為強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈土壤侵蝕區(qū)域；草地大部分是荒草地，處于無(wú)人管理的狀態(tài)，植被覆蓋度很低，加之表層土壤疏松，遇上強(qiáng)降雨，在陡坡上容易快速形成地表徑流，導(dǎo)致土壤侵蝕加劇。灌木林地植被覆蓋率低，土壤流失量較大。橡膠林為人工引種，受人為因素干擾大，林下土壤裸露，保持水土效果較差。有林地(常綠闊葉林和思茅松林)和桉樹(shù)林地植被覆蓋度較高，水土保持效果好，土壤侵蝕量較小。建設(shè)用地、水田和水域的土壤侵蝕不太明顯。

圖4　不同土地利用類型土壤侵蝕量

4討論與結(jié)論

本研究采用USLE模型，結(jié)合江忠善等[20]、趙世民等[14]的研究成果，通過(guò)計(jì)算降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、地形因子(LS)、植被覆蓋因子(C)和水土保持措施因子(P)，估算了西盟縣的土壤侵蝕量。結(jié)果表明，2000、2010年西盟縣的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為39.75和39.04 t/hm2，土壤侵蝕程度均為中度。土壤侵蝕的發(fā)生不僅與地形有關(guān)，還受人類生產(chǎn)活動(dòng)等其他條件的影響。2000—2010年極強(qiáng)烈以上侵蝕面積減少，中度侵蝕面積增加，土壤侵蝕仍是威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全的重要因素。從空間分布來(lái)看，西盟縣2000、2010年的土壤侵蝕是東北部相對(duì)較輕，中部、西南部和東南部較嚴(yán)重，10年間土壤侵蝕空間分布變化不大，其中勐梭鎮(zhèn)土壤侵蝕面積占全縣侵蝕面積比例最大，岳宋鄉(xiāng)土壤侵蝕程度最嚴(yán)重。根據(jù)上述分析，建議根據(jù)不同區(qū)域的土壤侵蝕狀況，采取相應(yīng)措施，如退耕還林還草、加強(qiáng)農(nóng)田水利工程建設(shè)、建設(shè)雨水集蓄利用工程、實(shí)施坡改梯等。

根據(jù)徐清艷等[21]、彭建等[22]和傅世鋒等[23]的研究成果，中度及其以上土壤侵蝕面積主要分布在坡度15°～35°的區(qū)域。本研究成果與其相似，坡度<25°時(shí)土壤侵蝕量隨著坡度的增大而增加，坡度>25°時(shí)土壤侵蝕量呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明該區(qū)域土壤侵蝕過(guò)程中存在臨界坡度值[24]。西盟縣不同土地利用類型中，以坡度≥15°的旱地和草地的侵蝕情況最為嚴(yán)重，其次是灌木林地，這與一些學(xué)者的研究成果類似[25-28]。研究區(qū)原有草地大部分是荒草地，植被覆蓋度很低，而新增草地主要來(lái)自退化疏林地、其他林地和棄耕旱地，極易發(fā)生侵蝕，灌木林的情況也基本類似，因此當(dāng)?shù)貞?yīng)積極引導(dǎo)荒草地和灌木林地向牧草地和有林地等水土保持效果較好的土地利用類型轉(zhuǎn)化。旱地作為人們生產(chǎn)生活的主要用地，受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度大，加之植被覆蓋度較低和地形、降水等因素的影響，土壤侵蝕也比較嚴(yán)重。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

[中圖分類號(hào)]S157.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)02-0052-05

[收稿日期]2015-05-25

[作者簡(jiǎn)介]高翔宇(1991—)，男，河南南陽(yáng)市人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕和土地利用優(yōu)化研究；通信作者趙筱青(1969—)，女，云南大理市人，教授，博士，主要從事生態(tài)環(huán)境與景觀安全格局研究。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361020、40961031)