王 略， 屈 創(chuàng)， 趙國(guó)棟

(黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局， 陜西 西安 710021)

開(kāi)展土壤侵蝕狀況調(diào)查，對(duì)客觀反應(yīng)水土流失治理成效、評(píng)價(jià)治理效益、編制水土保持規(guī)劃和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃有十分重要的意義。中國(guó)對(duì)于區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)比較常用的方法是分析土地利用、植被覆蓋、坡度這3個(gè)因子，依據(jù)水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕分級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)[1]，定性評(píng)價(jià)土壤侵蝕強(qiáng)度，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可操作性強(qiáng)，但也存在一些問(wèn)題，如不能直接反映氣候、土壤的影響，不能全面反映水土保持措施的影響。

第四次遙感普查的實(shí)踐表明，采用土壤侵蝕模型、地面抽樣、野外調(diào)查、遙感解譯、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集相結(jié)合的方法，通過(guò)土壤侵蝕模型定量評(píng)價(jià)[2-3]全國(guó)尺度的水土流失情況可行，但用此方法在流域尺度的應(yīng)用研究還較少。

本文擬選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)的皇甫川流域作為研究區(qū)，用CSLE模型對(duì)土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)[4-5]的方法進(jìn)行初步探索，以期提高土壤侵蝕監(jiān)測(cè)精度，有效、客觀地反映水土流失治理效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)格爾旗位于黃河河龍區(qū)間多沙粗沙重點(diǎn)治理區(qū)北端，鄂爾多斯高原東部，地處黃土高原邊緣地帶。境內(nèi)溝壑縱橫，地貌以丘陵溝壑為主，類(lèi)型復(fù)雜。大部分土壤屬于干旱草原型的輕黑壚土的延續(xù)部分，小部分屬于自治區(qū)的栗鈣土區(qū)。準(zhǔn)格爾旗總面積約7 692 km2，水土流失面積占92.5%。土壤流失高達(dá)1.88×105t/(km2·a)，水土流失嚴(yán)重?；矢Υ饔虬l(fā)源于準(zhǔn)格爾旗的點(diǎn)畔溝，自西北流向東南，干流長(zhǎng)137 km，總面積3 246 km2，流域水土流失面積3 139.74 km2，占總面積的96.7%，平均侵蝕模數(shù)1.30×104t/(km2·a)，強(qiáng)度以上侵蝕面積占76.7%。準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)的流域?yàn)槊珵跛厣衬螯S土高原的過(guò)渡地區(qū)，屬黃土丘陵溝壑區(qū)。研究區(qū)域面積為2 801.33 km2，開(kāi)展過(guò)黃河流域全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目和黃河中游多沙粗沙區(qū)皇甫川等重點(diǎn)支流等2個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，具有良好的研究基礎(chǔ)。

1.2 研究模型

本研究采用劉寶元等[6]提出的中國(guó)土壤流失方程CSLE(Chinese soil loss equation)模型。該模型參考USLE的有關(guān)思想，根據(jù)中國(guó)水土保持的實(shí)際情況，充分考慮了生物措施、工程措施和耕作措施對(duì)土壤侵蝕和水土流失過(guò)程與結(jié)果的影響，同時(shí)考慮到中國(guó)地形地貌的特征，對(duì)地形因子的算法，尤其是陡坡地形因子進(jìn)行改進(jìn)，因此，CSLE模型表達(dá)更適用于中國(guó)區(qū)域的土壤侵蝕計(jì)算。模型的表現(xiàn)形式為：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A——土壤水蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;L,S——坡長(zhǎng)、坡度因子；B——生物措施因子；E——工程措施措施因子；T——耕作措施因子；L，S，B，E，T因子均無(wú)量綱。

1.3 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)來(lái)源

模型所采用的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)來(lái)源如下：①研究區(qū)及周邊100 km范圍內(nèi)，8個(gè)氣象站點(diǎn)，1980—2010年(30 a)期間大于等于12 mm日降雨數(shù)據(jù)； ②研究區(qū)高分辨率遙感影像1期。拍攝時(shí)間為2015年7—8月，以天繪1號(hào)為主，輔以高分1號(hào)和資源3號(hào)影像，分辨率為2 m。投影為高斯—克呂格(Gauss-Kruger)，CGCS 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)；③研究區(qū)2015年1∶1萬(wàn)數(shù)字高程模型(DEM)；④研究區(qū)土地利用專(zhuān)題數(shù)據(jù)。(②③④均來(lái)源于黃河流域全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目2016年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))； ⑤園地及有林地的植被蓋度季節(jié)變化曲線(根據(jù)第四次遙感普查準(zhǔn)格爾旗野外調(diào)查單元數(shù)據(jù)整理)；⑥研究區(qū)多期低分辨率遙感影像，下載2011—2015年(5 a)modis-NDVI半月合成產(chǎn)品，生成24個(gè)半月modis-NDVI產(chǎn)品，250 m分辨率。

1.4 模型各因子獲取

1.4.1 降雨侵蝕力因子(R) 降雨侵蝕力因子指降雨導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生的潛在能力，反映了雨滴對(duì)土壤顆粒的擊濺分離以及降雨形成徑流對(duì)土壤沖刷的綜合作用。本次研究根據(jù)R值計(jì)算公式[7-9]，采用研究區(qū)及周邊100 km范圍內(nèi)8個(gè)氣象站點(diǎn)30 a(1980—2010年)日降雨數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力，再用克里金插值方法獲得研究區(qū)降雨侵蝕力因子，生成柵格分辨率為10 m的降雨侵蝕力R值圖。

(2)

(3)

式中：i——所用降雨資料年份序列的編號(hào)(i=1,2,…,n)；j——第i年第k個(gè)半月內(nèi)侵蝕性降雨日的編號(hào)(j=0,…,m)；Pi,j,k——第i年第k個(gè)半月第j個(gè)侵蝕性日降雨量(mm),如果某年某個(gè)半月內(nèi)沒(méi)有侵蝕性降雨，即j=0,則令Pi,j,k=0；α——參數(shù)，暖季α=0.393 7,冷季α=0.310 1。

1.4.2 土壤可蝕性因子(K) 土壤可蝕性因子反映土壤是否容易遭受雨滴濺蝕和徑流沖刷的敏感程度指標(biāo)，是土壤抵抗降雨徑流侵蝕能力的綜合體現(xiàn)。本次研究采用Wischmeier在RUSLE模型中修正的土壤可蝕性因子K的計(jì)算方法計(jì)算出K值，生成研究區(qū)土壤可蝕性K值圖。

K= 〔2.1×10-4(12-O)(N1×N2)1.14+

3.25(2-S)+2.5(P-3)〕/100

(4)

式中：O——土壤有機(jī)質(zhì)含量；N1——0.002～0.1 mm粉砂與細(xì)砂粒的含量之和；N2——0.1～2 mm砂粒與N1的含量之和；S——土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)；P——土壤滲透性等級(jí)。

1.4.3 地形因子(L,S) 坡長(zhǎng)因子是指某一坡面土壤流失量與坡長(zhǎng)為22.13 m,其他條件一致的坡面產(chǎn)生土壤流失量的比率。坡度因子是指某一坡度土壤流失量與坡度為5.13°，其他條件一致的坡面產(chǎn)生土壤流失量的比率。本次研究坡度因子的計(jì)算采用劉寶元等[10]在黃土高原建立的坡度坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式(公式5)。坡長(zhǎng)因子(L)計(jì)算采用W.H.維希.邁爾等[11]提出的計(jì)算公式(公式6)計(jì)算。為：

(5)

L=(λ/22.1)m

(6)

式中：S——坡度因子(無(wú)量綱)；θ——坡度值(°)；L——坡長(zhǎng)因子(無(wú)量綱)；λ——坡長(zhǎng)(m) ；m——可變的坡長(zhǎng)指數(shù)。

本次研究中，L和S的獲取方法為基于研究區(qū)的1∶10 000 DEM，用北京師范大學(xué)開(kāi)發(fā)的土壤侵蝕模型地形因子計(jì)算工具生成坡度坡長(zhǎng)L，S柵格圖。

1.4.4 生物措施因子(B) 生物措施因子是指有植被覆蓋條件下的土地土壤流失量與同等條件下清耕休閑地的土壤流失流失量之比。它是模型中最敏感、易變化的因子。本次研究中，將2015年1期高分辨率影像與24個(gè)半月的modis-NDVI融合,生成24個(gè)半月的高分辨率蓋度影像產(chǎn)品。B因子的計(jì)算分3種類(lèi)型： ①根據(jù)土地利用分類(lèi)柵格圖，將耕地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地或其他土地直接賦值得到B值(表1)； ②表征植被覆蓋只有蓋度指標(biāo)的園地、林地或草地，依據(jù)蓋度計(jì)算得到半月Bi，蓋度來(lái)源于24個(gè)半月的高分辨率蓋度影像產(chǎn)品； ③表征植被覆蓋同時(shí)有蓋度和郁閉度指標(biāo)的園地或林地，依據(jù)蓋度和郁閉度計(jì)算得到半月Bi；郁閉度來(lái)源于24個(gè)半月的高分辨率蓋度影像產(chǎn)品，蓋度來(lái)源于園地或林地的植被蓋度季節(jié)變化曲線。針對(duì)園地、林地或草地，得到半月Bi后，結(jié)合降雨侵蝕力比例柵格圖，根據(jù)式6，得到年生物措施B值圖。

(7)

式中：Bi——第i個(gè)半月的生物措施因子值；Ri——第i個(gè)半月的降雨侵蝕力。

表1 不同土地利用類(lèi)型B因子賦值

1.4.5 工程措施措施因子(E) 工程措施因子是指為采取某種工程措施土地土壤流失量與同等條件下無(wú)工程措施土地土壤流失量之比。本次研究根據(jù)高分辨率遙感影像土地利用的解譯成果，對(duì)各地塊進(jìn)行賦值，梯田賦值0.1，其他賦1，生成水土保持措施工程措施E值圖。

1.4.6 耕作措施因子(T) 耕作措施因子是指為采取某種耕作措施的土地土壤流失量與同等條件下平作土地土壤流失量之比。本次研究根據(jù)高分辨率遙感影像土地利用的解譯成果，對(duì)各地塊進(jìn)行賦值，耕地賦0.524，其他賦1，生成水土保持措施耕作措施T值圖。

2 結(jié)果與分析

將研究區(qū)各因子值的柵格圖通過(guò)地圖代數(shù)計(jì)算方法，得到研究區(qū)2015年土壤侵蝕圖(圖1)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)總面積為2 801.33 km2，微度侵蝕面積656.52 km2，水土流失面積2 144.81 km2。依據(jù)土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)，其中：輕度侵蝕年均侵蝕模數(shù)1 989.25 t/(km2·a)，面積718.87 km2，占總面積25.66%，占水土流失面積33.52%；中度侵蝕年均侵蝕模數(shù)4 876.25 t/(km2·a)，面積767.14 km2，占總面積27.38%，占水土流失面積35.77%；強(qiáng)烈侵蝕年均侵蝕模數(shù)7 765.34 t/(km2·a)，面積491.41 km2，占總面積的17.54%，占水土流失面積22.91%；極強(qiáng)烈侵蝕年均侵蝕模數(shù)13 562.82 t/(km2·a)，面積46.58 km2，占總面積的1.66%，占水土流失面積2.17%；劇烈侵蝕年均侵蝕模數(shù)30 894.74 t/(km2·a)，面積120.80 km2，占總面積的4.31%，占水土流失面積5.63%。研究區(qū)主要侵蝕類(lèi)型為水力侵蝕，2015年侵蝕總量達(dá)到1.38×107t，年均侵蝕模數(shù)為4 920.23 t/(km2·a)。土壤侵蝕強(qiáng)度以中度為主，輕度和強(qiáng)烈次之(表2)。

圖1 研究區(qū)2015年土壤侵蝕強(qiáng)度

侵蝕強(qiáng)度分級(jí)面積/km2占研究區(qū)面積比例/%年均侵蝕模數(shù)/(t·km-2·a-1)年侵蝕量/(104t·a-1)微度656．5223．44658．9643．26輕度718．8725．661989．25143．00中度767．1427．384876．25374．08強(qiáng)烈491．4117．547765．34381．60極強(qiáng)烈46．581．6613562．8263．18劇烈120．804．3130894．74373．20總計(jì)2801．33100．004920．231378．32

在2016年開(kāi)展的黃河流域全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目中，用三因子法對(duì)研究區(qū)2015年土壤侵蝕進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)(表3)。

表3 研究區(qū)2015年土壤侵蝕狀況

對(duì)比CSLE模型和三因子法對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)結(jié)果，由于CSLE模型相較于三因子，引入了降雨因子、土壤可蝕性因子，同時(shí)考慮了水土保持工程措施、生物措施、耕作措施等因子，地形因子也從單一的坡度變化為坡長(zhǎng)坡度因子，計(jì)算出的侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積有所不同。用CSLE模型計(jì)算的研究區(qū)輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕面積較三因子法有所增加，輕度侵蝕面積增加98.05 km2，占總面積3.50%；中度侵蝕面積增加112.05 km2，占總面積4.00%；強(qiáng)烈侵蝕面積增加47.62 km2，占總面積1.70%。而微度侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積較三因子法有所減少，微度侵蝕面積減少84.04 km2，占總面積3.00%；極強(qiáng)烈侵蝕面積減少117.66 km2，占總面積4.20%；劇烈侵蝕面積減少56.03 km2，占總面積2.00%?？偟膩?lái)說(shuō)，用CSLE模型計(jì)算的研究區(qū)微度和極強(qiáng)烈、劇烈等兩個(gè)極端的侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積減少，而其他侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的面積增加。

3 討論與結(jié)論

(1) 本文采用CSLE模型對(duì)2015年研究區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行定量分析，并與黃河流域全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目三因子法成果對(duì)比印證，得出的結(jié)論基本合理，說(shuō)明CSLE模型可以用于區(qū)域土壤侵蝕定量研究。

(2) CSLE模型進(jìn)行土壤侵蝕定量分析，綜合考慮了降雨、土壤、植被、地形、措施等多項(xiàng)因子，提高了區(qū)域土壤侵蝕定量計(jì)算的精度。

(3) CSLE模型作為經(jīng)驗(yàn)方程，在黃土高原使用還存在需要繼續(xù)完善的地方：一是需將K值、林下蓋度曲線等參數(shù)的本地化，二是模型中采用的是多年平均降雨，可進(jìn)一步研究當(dāng)年降雨和多年平均降雨的非線性的比值關(guān)系，減少降雨在豐、平、枯不同時(shí)期造成的誤差等。

(4) CSLE模型進(jìn)行區(qū)域土壤侵蝕定量研究過(guò)程中，未能考慮風(fēng)蝕的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際侵蝕情況必定存在一定的出入，此問(wèn)題的解決仍需進(jìn)一步研究。

[1] 中華人民共和國(guó)水利部.(SL190-2007)土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

[2] 張巖,劉憲春,李智廣,等.利用侵蝕模型普查黃土高原土壤侵蝕狀況[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(10):165-171.

[3] 楊勤科,李銳,劉詠梅.區(qū)域土壤侵蝕普查方法的初步探討[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2008,6(3):1-7.

[4] 程琳,楊勤科,謝紅霞,等.基于GIS和CLSE的陜西省土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)方法研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(5):61-66.

[5] 楊勤科,李銳,曹明明.區(qū)域土壤侵蝕定量研究的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2006,21(9):31-38.

[6] 劉寶元,畢小剛,符素華,等.北京土壤流失方程[M].北京:科學(xué)出版社,2010:7-13.

[7] 章文波,謝云,劉寶元.利用日降雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學(xué),2002,22(6):705-711.

[8] 章文波,付金生.不同類(lèi)型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學(xué),2003,25(1):35-41.

[9] 章文波,謝云,劉寶元.中國(guó)降雨侵蝕力空間變化特征[J].山地學(xué)報(bào),2003,21(1):33-40.

[10] Liu Baoyuan, Nearing M A, Risse L M. Slope gradient effects on soil loss for steep slopes[J]. Transactions of the ASAE, 1994,37(6):1835-1840.

[11] Wischmeier W H, Smith D D. Predicting rainfall erosion losses: A guide to conservation planning[M]. Washington: United States Department of Agriculture, Agriculture handbook, 1978,537.