基于RUSLE的汾河上游土壤侵蝕特征分析

鄒琴英 師學義 付揚軍

摘 要：汾河上游屬黃河中游土壤侵蝕嚴重區(qū)，為了給汾河上游水土流失防治、生態(tài)治理和土地合理利用提供科技與數據支撐，基于2018年土地利用數據，借助修正的通用土壤流失方程和地理信息系統(tǒng)、遙感技術，計算汾河上游土壤侵蝕模數，并對其空間分布情況進行分析，結果表明：汾河上游最大土壤侵蝕模數為48 117.10 t/（km2·a），平均侵蝕模數為2 781.74 t/（km2·a），侵蝕強度等級比較高的區(qū)域主要分布在東北部和西南部;不同土地利用類型的土壤侵蝕強度差異較大，土壤侵蝕主要發(fā)生在海拔高、坡度大、植被覆蓋度低的有林地、人工及其他草地和耕地，這三者的潛在土壤侵蝕量較大，采礦用地、未利用地、其他林地、園地平均侵蝕模數也較大，應加強土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜絕亂砍濫伐、不合理礦山開采等，盡可能減少人為土壤侵蝕;隨著海拔的上升土壤侵蝕強度先急劇增大后緩慢減小，1 200～2 000 m是土壤侵蝕主要海拔段;土壤侵蝕模數隨著坡度的增大而增大，8°～35°坡度范圍是流域土壤侵蝕的嚴重區(qū)域和水土流失治理的重點區(qū)域。

關鍵詞：土壤侵蝕;通用土壤流失方程;土地利用類型;汾河上游

中圖分類號：S157.1;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.015

Abstract：The upstream of the Fenhe River is a serious soil erosion area in the middle reaches of the Yellow River. In order to provide scientific and data support for soil erosion control， ecological management and rational land use in the upstream of the Fenhe River， based on the 2018 land use data， with the help of the revised general soil loss equation and geographic information system， remote sensing technology， the paper calculated the soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River and analyzed its spatial distribution. The results show that the maximum soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River is 48 117.1 t/（km2·a）， the average erosion modulus is 2 781.74 t/（km2·a） and the areas with higher erosion intensity are mainly distributed in the northeast and southwest; soil erosion of different land use types are quite different and soil erosion mainly occurs in woodland， artificial grassland and cultivated land areas with high altitudes， large slopes and low vegetation coverage， the potential soil erosion is relatively larger. The average erosion modulus of mining land， unused land， other woodland and garden land is also relatively larger. Land use control should be strengthened and grassland， woodland and cultivated land should be used rationally， put an end to deforestation， unreasonable mining， et al. and reduce man-made soil erosion as much as possible; with the increase in altitude， the intensity of soil erosion firstly increases sharply and then slowly decreases. 1200-2000 m is the main altitude section of soil erosion; the modulus of soil erosion increases with the increase of slope. The slope of 8°-35° is the serious area of soil erosion in the watershed and the key area of soil erosion control.

Key words： soil erosion; general soil loss equation; land use type; upstream of Fenhe River

土壤侵蝕屬于全球性生態(tài)環(huán)境問題，受氣候變化的驅動[1]。黃河流域是中國乃至世界上水土流失最嚴重區(qū)域，截至2018年，黃土高原仍有21.37萬km2的水土流失面積需要治理[2]。土壤侵蝕和水土流失，不僅造成土壤退化、農業(yè)減產、滑坡泥石流災害等，而且導致河道泥沙淤積，影響人類的生產生活甚至生命財產安全、破壞動植物的生存環(huán)境[3-4]。汾河上游屬黃河中游土壤侵蝕嚴重區(qū)，關于汾河土壤侵蝕的研究已有不少成果，主要集中于土壤侵蝕時空變化、不同時期土壤侵蝕強度及面積分布等方面[5-8]。當前，以具有適用范圍廣、全面考慮土壤侵蝕過程的影響因子、計算簡單且精度較高等優(yōu)點的通用土壤流失方程USLE為典型代表的土壤侵蝕預報模型，已成為國內外流域土壤侵蝕風險評估的有效手段[9-10]，如：Mengesha等[11]采用RUSLE、GIS和RS技術對尼羅河上游德姆貝查地區(qū)的土壤侵蝕進行了評價，根據土壤侵蝕嚴重程度提出了水土保持措施優(yōu)先級;Prasannakumar等[12]利用RUSLE和GIS生成空間侵蝕圖，作為制定環(huán)境敏感山區(qū)土地規(guī)劃的有效輸入;文雅等[13]采用USLE估算了廣東省山區(qū)的土壤侵蝕量;胡剛等[14]基于RUSLE，對臥虎山水庫流域土壤侵蝕進行了全面分析;馬力等[15]基于USLE原理和3S技術對1997—2015年南京市水土流失進行了定量監(jiān)測，建立了水土流失監(jiān)測方法。本研究以汾河上游為研究區(qū)，采用GIS、RS技術和RUSLE，定量分析汾河上游土壤侵蝕特征，以期為汾河上游水土流失防治、生態(tài)治理和土地合理利用提供科技與數據支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河上游地形地貌以山地丘陵為主，流域面積3 884.56 km2，屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均降水量427.6 mm，降雨主要集中在6—9月，雨熱同期，植被具有從森林草原向干旱草原過渡的特點，土壤以褐土和淺色草甸土為主。汾河上游是“京津冀生態(tài)協(xié)同圈”的重要組成部分，也是華北平原生態(tài)屏障和山西省重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，在國家生態(tài)安全格局中具有重要的地位。但是，汾河上游流域地形破碎，溝壑縱橫，煤炭開采、林木采伐等生產活動破壞地表植被，使得汾河上游流域成為土壤侵蝕嚴重區(qū)域。

1.2 數據來源及處理

本研究使用數據及來源：2018年汾河上游30 m分辨率DEM數據，來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn）;1981—2010年寧武、靜樂2個氣象站月均年均降水數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn），2011—2018年降水數據源自這2個氣象站;2018年汾河上游30 m分辨率landsat8遙感影像數據，來源于地理空間數據云;2018年汾河上游土地利用現(xiàn)狀調查數據，來源于忻州市政府;土壤顆粒級配（砂粒、粉粒、黏粒含量）和有機碳含量數據，來源于世界土壤數據庫中國土壤數據集（Harmonized World Soil Database version 1.1，HWSD）。將所有數據統(tǒng)一重采樣為30 m分辨率，以便于進行土壤侵蝕模數的計算。

1.3 研究方法

2 結果與分析

2.1 流域土壤侵蝕強度

按照上述方法逐網格計算2018年汾河上游單位面積土壤流失量，按照《土壤侵蝕分類分級標準》[25]對土壤侵蝕強度進行分級，利用GIS生成汾河上游土壤侵蝕強度分布圖（見圖1），可以看出，土壤侵蝕強度較高的區(qū)域主要集中在東北部、西南部及河流兩岸的山地丘陵，而西北管涔山和中部汾河溝谷地區(qū)土壤侵蝕強度較低。

汾河上游最大侵蝕模數達48 117.10 t/（km2·a），平均侵蝕模數為2 781.74 t/（km2·a）。由表2可知，汾河上游流域微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積分別為1 583.46、939.07、548.40、372.48、370.21、70.94 km2，分別占流域面積的40.76%、24.17%、14.12%、9.59%、9.53%、1.83%，其中中度及以上土壤侵蝕面積1 362.03 km2、占總面積的35.07%，表明汾河上游流域土壤侵蝕以中度以下為主。上述結果與王曉慧等[26-27]對中陽縣土壤侵蝕定量評價結果基本一致。

2.2 不同土地利用類型的土壤侵蝕強度差異

利用GIS和土地利用現(xiàn)狀圖，統(tǒng)計不同土地利用類型的土壤侵蝕參數，見表3。由表3可以看出：耕地、有林地、人工及其他草地面積較大，是土地利用的主要類型，其他地類面積較小;在3類主要地類中，人工及其他草地平均土壤侵蝕模數最大，其次為耕地，最小的是有林地，分別為4 829.97、1 791.64、1 293.60 t/（km2·a）;采礦用地、未利用地、其他林地、園地雖然平均侵蝕模數也比較大，但是土壤侵蝕面積相對有限，土壤侵蝕總量相對較小。

3類主要地類間土壤侵蝕強度差異明顯（見表4）。耕地土壤侵蝕強度主要集中在中度及以下，其面積占比達89.19%;有林地以微度侵蝕為主，其面積占比為70.52%;人工及其他草地微度侵蝕面積占比為33.28%，中度及以上的面積占比為50.51%。

綜合分析各地類的面積、平均侵蝕模數、土壤侵蝕強度可知，土地利用與土壤侵蝕強度密切相關，應加強土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜絕亂砍濫伐、不合理礦山開采等，盡可能減少人為土壤侵蝕。

2.3 不同地形條件的土壤侵蝕強度差異

根據汾河上游的海拔范圍，分為<1 200、1 200～1 400、1 400～1 600、1 600～1 800、1 800～2 000、2 000～2 200、2 200～2 400、>2 400 m共8個海拔段，利用GIS將土壤侵蝕柵格圖層與之進行空間疊加、分段統(tǒng)計，結果見表5?？梢钥闯觯毫饔騼韧寥狼治g與海拔密切相關，隨著海拔的上升，土壤侵蝕強度先急劇增大后緩慢減小;海拔1 200～2 000 m各海拔段的平均土壤侵蝕模數分別為3 149.22、3 063.93、3 002.45、2 772.40 t/（km2·a），均屬中度侵蝕，是流域土壤侵蝕的主要海拔段;海拔1 200 m以下、2 000～2 200 m和2 200～2 400 m的平均土壤侵蝕模數分別為1 158.30、1 728.69、503.97 t/（km2·a），屬輕度侵蝕;海拔2 400 m以上的平均土壤侵蝕模數為139.16 t/（km2·a），屬微度侵蝕。

根據汾河上游流域的實際情況，將坡度分為6級，利用GIS進行空間疊置分析，得到不同坡度的土壤侵蝕面積、平均土壤侵蝕模數，見表6?？梢钥闯觯浩骄寥狼治g模數隨著坡度的增大逐漸增大，從最小值738.71 t/（km2·a）增大到最大值4 829.56 t/（km2·a）;土壤侵蝕面積隨坡度的增大先增加后急劇減少，坡度為8°～15°的面積最大（1 443.02 km2），占流域面積的37.15%;坡度為0°～25°的侵蝕量隨坡度增大持續(xù)增加，大于25°后侵蝕量大幅度減小;坡度為15°～25°的侵蝕總量約為422萬t/a，約占流域侵蝕總量的39%;坡度為8°～35°的土壤侵蝕量約占流域侵蝕總量的87%，是土壤侵蝕治理的主要對象，應從改變微地貌角度進行水土流失治理。

3 結 論

基于RUSLE模型，采用RS和GIS相結合的方法，計算了汾河上游土壤侵蝕模數，并對其空間分布情況進行了分析，結果表明：汾河上游最大土壤侵蝕模數為48 117.10 t/（km2·a），平均侵蝕模數為2 781.74 t/（km2·a），侵蝕強度比較高的區(qū)域主要分布在東北部和西南部;不同土地利用類型的土壤侵蝕差異較大，土壤侵蝕主要發(fā)生在海拔高、坡度大、植被覆蓋度低的有林地、人工及其他草地和耕地，采礦用地、未利用地、其他林地、園地平均侵蝕模數也較大，應加強土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜絕亂砍濫伐、不合理礦山開采等，盡可能減少人為土壤侵蝕;隨著海拔的上升土壤侵蝕強度先急劇增大后緩慢減小，1 200～2 000 m是土壤侵蝕主要海拔段;土壤侵蝕模數隨著坡度的增大而增大，8°～35°坡度范圍是流域土壤侵蝕的嚴重區(qū)域和水土流失治理的重點區(qū)域。

隨著區(qū)域土地利用類型和生態(tài)要素的改變，土壤侵蝕因子發(fā)生著動態(tài)變化，此外，研究區(qū)氣象站點有限，降雨侵蝕力因子計算精度有待提升，土壤數據比例尺較小等，所以本研究具有一定的局限性。在后續(xù)研究中，可使用衛(wèi)星遙感降雨數據產品，布設小流域控制站和坡面徑流場等，開展水土流失影響因子及土壤流失量等常年持續(xù)性觀測，以提高土壤侵蝕因子和土壤侵蝕強度等的計算精度。

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【責任編輯 張智民】