關學彬，史建康，呂淑果

(海南省環(huán)境科學研究院，海南 ?？?571126)

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基于GIS和RUSLE模型的松濤水庫上游水土流失定量分析

關學彬，史建康，呂淑果

(海南省環(huán)境科學研究院，海南 ?？?571126)

松濤水庫上游；地理信息系統(tǒng)；遙感技術；RUSLE模型；水土流失

基于地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(RS)，提取了松濤水庫上游降雨侵蝕力、地形、土壤可蝕性、植被與經營管理和水土保持措施5個主要水土流失影響因子，運用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)估算該區(qū)域土壤侵蝕量，生成土壤侵蝕程度分布圖。運用GIS空間分析和數理統(tǒng)計方法，分析水土流失在地理空間上的分布特征，結果表明：水土流失主要以微度和輕度侵蝕為主，分別占研究區(qū)總面積的48.43%和26.76% ；坡度是引起水土流失的重要因子，水土流失主要分布在坡度>15°的區(qū)域；水土流失主要發(fā)生在人類干擾活動較強烈的草地、灌木林、速生林、熱作園等地類上，其水土流失面積占到研究區(qū)水土流失總面積的89.64%。

海南省土壤侵蝕以水力侵蝕為主，根據2013年海南省第一次水利普查結果，海南省現有水土流失面積2 116.04 km2，比全國第三次土壤侵蝕遙感調查結果增加了1 678.27 km2，水土流失呈加劇趨勢[1]。海南省水土流失總面積不大，但局地水土流失嚴重，主要集中在?？邙喅滔?、文昌寶陵河、澄邁黃龍嶺、儋州螞蝗嶺一帶。針對海南省水土流失現狀，許多學者進行了研究，比如：趙玉國等[2-3]先后在海南開展了土壤侵蝕研究，結果表明海南島潛在土壤侵蝕量巨大，并且主要發(fā)生在中部山區(qū)；曾紅絹等[4]采用USLE方程對海南島松濤水庫流域2003—2005年平均土壤侵蝕量進行了定量模擬，結果顯示流域內潛在土壤侵蝕量超過容許土壤流失量60倍，對人工經濟作物采用水土保持措施或恢復林草植被能有效控制土壤侵蝕。

松濤水庫位于海南省儋州市南部，庫區(qū)回水至白沙縣平義鎮(zhèn)，大壩位于南渡江上游的儋州市親足口峽谷，集水面積1 440 km2，總庫容33.40億m3，為海南省第一大水庫。近年來，庫區(qū)范圍內的毀林開墾、采石、采砂、取土等毀壞了水源林及周邊生態(tài)，造成大量水土流失，并引發(fā)水質污染，危及周邊地區(qū)群眾用水安全[5]。本研究以松濤水庫上游為研究區(qū)，基于GIS和RUSLE模型，建立水土流失因子庫，估算研究區(qū)水土流失量及其空間分布，以及水土流失與土地利用、坡度的關系，為松濤水庫流域水土流失治理奠定基礎。

1 研究區(qū)概況

松濤水庫上游位于白沙黎族自治縣境內，絕大部分位于海南中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護區(qū)內，物種資源豐富，生態(tài)服務功能和生態(tài)價值大，為松濤水庫提供了74%的蓄水量；地處低山丘陵區(qū)，地勢西南高、東北低；雨量豐沛，多年平均降雨量1 875 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 179 mm，并且存在明顯的干濕兩季；土壤類型主要有磚紅壤、赤紅壤和黃壤，沿河各地帶分布的沖積沙壤土土地肥沃，是主要的耕地；植被種類繁多，自然植被主要包括常綠季雨林、溝谷雨林和山地雨林等，人工植被主要是橡膠、胡椒和檳榔等熱帶經濟作物；以農林業(yè)為主，除傳統(tǒng)農作物外，偏重橡膠和果樹等經濟林木，水庫養(yǎng)殖也占一定比重。

2 研究數據與方法

2.1 基礎數據

本研究采用的遙感影像為2010年9月6日覆蓋該區(qū)域的30 m分辨率的Landsat TM多光譜遙感影像，用于提取植被覆蓋度信息、地表覆蓋因子和水土保持措施因子。專題圖件數據包括：1∶25萬行政區(qū)圖，用于確定研究區(qū)邊界及結果統(tǒng)計；1∶25萬地形圖，用于建立數字高程模型、提取流域地形因子；土壤類型圖和土壤可蝕性數據來自海南省第二次土壤普查成果，用于提取土壤可蝕性因子。文本數據為氣象局提供的該區(qū)域多年的年均和月均降雨量，用于計算降雨侵蝕力因子。

2.2 水土流失評價模型

根據研究區(qū)實際情況和已獲取的各種數據，參考國內學者周伏建等[6-7]在閩東南地區(qū)的研究成果，選取應用廣泛的RUSLE模型作為研究區(qū)土壤侵蝕模型，計算公式為

A=RKLSCP

(1)

式中：A為年平均土壤流失量，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)；L為坡長因子；S為坡度因子；C為植被與經營管理因子；P為水土保持措施因子。

2.3 RUSLE模型因子提取

(1)降雨侵蝕力因子R。降雨侵蝕力因子R反映了由降雨引起水土流失的潛在能力、氣候因素對水力侵蝕的作用[8]，是實現定量監(jiān)測與評價一個地區(qū)水土流失的重要基礎因素?；趪鴥葘W者的研究成果[9-11]，選取周伏建等[6]提出的福建省降雨侵蝕力因子R值的估算公式進行計算，公式為

(2)

式中：Pi為月降雨量，mm；R為降雨侵蝕力因子，J·cm/(m2·h·a)。

(2)地形因子LS。地形因子LS由坡度因子S和坡長因子L共同決定，反映了地形地貌特征對水土流失的影響。在坡面尺度上地形因子可以根據實測值計算，但大區(qū)域的估算只能用DEM數據進行提取。本研究選用RUSLE方程的坡長坡度因子計算方法，借鑒Liu等[12]研究成果，得出地形因子計算公式為

(3)

(4)

式中：S為坡度因子；θ為由DEM提取的坡度值，(°)；L為坡長因子；λ為由DEM提取的坡長值，m；M為可變的坡長指數，取0.5。

計算得到研究區(qū)LS因子取值為0～7.13，各取值區(qū)間面積分布情況見表1。

表1 研究區(qū)LS因子面積分布情況 km2

(3)土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性因子K是土壤潛在侵蝕性的量度，反映了土壤容易遭受侵蝕的程度。本研究選用Williams等在EPIC模型中對土壤侵蝕因子K的估算方法，即根據土壤有機碳含量和土壤機械組成估算K值，計算公式為

(5)

式中：Sd為砂粒含量，%；Si為粉粒含量，%；Ci為黏粒含量，%；c為有機碳含量，%。

研究區(qū)土壤類型主要有磚紅壤、山地赤紅壤和山地黃壤，其中磚紅壤占研究區(qū)面積的53.84%，山地赤紅壤占26.61%，山地黃壤占13.89%。運用公式(5)計算磚紅壤、山地赤紅壤和山地黃壤的土壤可蝕性因子分別為0.38、0.39、0.40，可蝕性基本相當。

(4)植被與經營管理因子C。植被與經營管理因子C反映的是有關覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序、管理措施的綜合作用等。蔡崇法等[13]通過計算坡面產沙量與植被覆蓋度的相關關系，建立了坡面產沙量與植被覆蓋度的數學關系，并與標準狀況下的產沙量進行對比，得出C因子的計算公式為

(6)

式中：f為植物覆蓋度，%。

(4)水土保持措施因子P。參照美國農業(yè)部手冊703號和黃金良等[14]在九龍江流域土壤侵蝕研究中P因子取值的研究成果，進行P因子值的率定。研究區(qū)內自然植被(包括天然林地、灌木林地、草地)，無水土保持措施，P值取1；橡膠、速生林等經濟作物多采用順坡種植方式，無水土保持措施，P值取1；熱作園P值取0.8；耕地一般位于沿河低地，部分采取了水土保持措施，P值取0.5；建設用地P值取1；水域P值取0。流域內經濟作物大多是順坡種植，極易引發(fā)水土流失。

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)水土流失現狀

將R、LS、C、K、P各因子空間分布圖轉化為統(tǒng)一坐標系，像元大小為30 m分辨率，應用ArcGIS軟件分析模塊的“Raster Calculator(計算)”功能進行疊加相乘運算，再乘以100，得到研究區(qū)土壤侵蝕強度等級圖。根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準(SL 190—2007)》確定水土流失分級指標，得到研究區(qū)土壤侵蝕強度分級及面積統(tǒng)計結果，見表2。由表2知，研究區(qū)土壤侵蝕現狀以微度、輕度和中度為主，分別占總面積的48.43%、26.76%和21.60%。

3.2 水土流失空間分布特征

研究區(qū)水土流失等級分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈5個等級。為更好地反映松濤水庫上游地區(qū)水土流失空間分布特征，將該區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界與水土流失分布圖疊加，分析每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水土流失情況。位于該流域的7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(除了青松鄉(xiāng)、王下鄉(xiāng)是部分位于研究區(qū)內，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部位于研究區(qū)內)水土流失類型以輕度和中度侵蝕為主，土壤侵蝕率(輕度以上土壤侵蝕面積除以研究區(qū)內鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積)在50%以上的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有5個，其中：青松鄉(xiāng)土壤侵蝕率最高，達59.64%；之后是細水鄉(xiāng)、王下鄉(xiāng)、元門鄉(xiāng)和南開鄉(xiāng)，分別為58.04%、56.74%、52.14%和51.77%。土壤侵蝕率最低的是白沙鎮(zhèn)和牙叉鎮(zhèn)，分別為46.14%和37.94%。

表2 研究區(qū)土壤侵蝕強度分級

3.3 水土流失與土地利用的關系

土地利用是人類活動的集中體現，土地利用方式的不同，很大程度上影響著區(qū)域水土流失發(fā)生面積和強度特征[15]。將水土流失分級圖與土地利用類型圖疊加分析，獲取研究區(qū)不同土地利用類型的水土流失情況，結果見表3。從表3可以看出，不同土地利用類型的水土流失差異較大，水土流失主要發(fā)生在草地、灌木林、速生林、熱作園和有林地等5類地類上，其水土流失面積占研究區(qū)水土流失總面積的89.64%。5類土地利用類型水土流失程度以輕度和中度侵蝕為主：草地水土流失面積占草地總面積的74.13%，其中輕度侵蝕占40.70%、中度侵蝕占29.07%；灌木林水土流失面積占灌木林面積的71.14%， 其中輕度侵蝕占的37.58%、中度侵蝕占29.51%；速生林水土流失面積占速生林面積的61.03%，其中輕度侵蝕占30.23%、中度侵蝕占26.03%； 熱作園水土流失面積占熱作園面積52.89%，其中輕度侵蝕占44.44%、中度侵蝕占8.22%；有林地水土流失面積占有林地面積的51.01%，其中輕度侵蝕占21.16%、中度侵蝕占24.02%。綜上，研究區(qū)水土流失情況整體不算嚴重，但局部地區(qū)如人類干擾活動較強烈的灌木林、速生林和草地分布區(qū)水土流失較為嚴重，因此要特別加強對這幾類地類的管理，在坡度較大的地區(qū)實行退耕還林。

表3 各土地利用類型水土流失情況

3.4 水土流失與坡度的關系

坡度是影響土壤侵蝕的關鍵因子之一。研究區(qū)坡度系統(tǒng)分成6個等級，將坡度圖與水土流失等級圖疊加分析，得出不同坡度帶土壤侵蝕程度分布情況，見表4。研究區(qū)山高坡陡，其中：0～15°緩坡地區(qū)占研究區(qū)動；15°～35°坡度地區(qū)占研究區(qū)總面積的56.46%；大于35°陡坡地區(qū)面積較小，僅占研究區(qū)總面積的7.79%。從表4可以看出，各坡度水力侵蝕均以輕度和中度侵蝕為主，其中：微度和輕度侵蝕主要分布在8°以下區(qū)域；8°～15°區(qū)域輕度侵蝕面積占34.77%，強烈和極強烈侵蝕占1.42%；15°～25°區(qū)域輕度和中度侵蝕分別占28.83%和24.79%，強烈和極強烈侵蝕占3.01%；25°～35°區(qū)域輕度和中度侵蝕分別占23.64%和29.07%，強烈和極強烈侵蝕占5.05%。

表4 不同坡度帶土壤侵蝕程度分布情況

4 結 論

本研究在GIS、RS技術的支持下，提取地表覆蓋因子、水土保持措施因子、坡度坡長因子、土壤可蝕性因子和降雨侵蝕力因子作為研究區(qū)水土流失評估指標，運用RUSLE模型，分析計算流域范圍內的水土流失量、分布狀況，以及水土流失與土地利用、坡度的關系，得出結論：松濤水庫上游地區(qū)水土流失以微度和輕度侵蝕為主；坡度是引起水土流失的重要因子，水土流失主要分布在坡度>15°的區(qū)域；水土流失主要發(fā)生在人類活動干擾較強烈的草地、灌木林、速生林、熱作園等地類上，其水土流失面積占到研究區(qū)水土流失總面積的89.64%。

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(責任編輯 李楊楊)

S157.1

A

1000-0941(2016)10-0056-04

關學彬(1977—)，女，吉林集安市人，工程師，碩士，從事環(huán)境遙感和宏觀生態(tài)研究。

2015-12-16