胥桂梅

(康平縣自然資源保護與行政執(zhí)法中心，沈陽 110500)

對定量評價土地資源合理利用、土壤侵蝕特征、水土保持規(guī)劃等土壤侵蝕模型具有較強的適用性，并以USLE經(jīng)驗統(tǒng)計模型最為典型，因存在參數(shù)易獲取、結(jié)構(gòu)簡單、計算簡便等特點逐漸得到應(yīng)用。美國農(nóng)業(yè)部最初提出的USLE模型，后經(jīng)修訂調(diào)整形成了最新的RUSLE模型，由于其優(yōu)點明顯被廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的多個領(lǐng)域[1-2]。

20世紀80年代，我國開始研究應(yīng)用RUSLE模型，對指導(dǎo)土壤侵蝕模型的研發(fā)及水土資源評價具有重要作用。如劉保元等結(jié)合我國水土流失現(xiàn)狀，對USLE模型提出了改進的CSLE模型，并在全國水土保持普查中起到了關(guān)鍵作用[3]。目前，RS與GIS技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了以更加直觀的圖形形式輸出模型結(jié)果，為空間尺度上分析土壤侵蝕特征提供了技術(shù)支持。最初設(shè)計的USLE模型比較適用于坡面尺度，而現(xiàn)階段在流域尺度上RUSLE模型的適用性更強。雖然，特定的地理環(huán)境不再作為USLE模型應(yīng)用的條件，但使用過程中仍存在一定的約束條件，即模型的應(yīng)用條件必須能夠準確的估算出各項因子，且符合可靠性要求。所以，充分嚴謹?shù)恼撟C是保證模型輸出結(jié)果可靠度的重要條件。

然而，對于缺乏實測資料的地區(qū)，通常難以科學(xué)驗證與準確估算模型因子，大多以土壤侵蝕數(shù)據(jù)驗證USLE模型的因子值。例如，潘美慧等通過對比分析與前人的結(jié)論，驗證了各侵蝕等級的面積比例；文雅等以烏陂河流域為例，通過對比USLE模型計算數(shù)據(jù)與水土流失實測數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)USLE可以達到83.5%的模擬精度[4-5]。因USLE模型運算過程復(fù)雜、涉及因子較多，直接使用時往往難以驗證其準確度，導(dǎo)致實際情況與計算結(jié)果偏差較大，甚至?xí)霈F(xiàn)不同量級的侵蝕強度差別。鑒于此，文章以康平縣趙家小流域為例，在全面探討RUSLE模型LS因子算法的情況下，通過河道淤積實測數(shù)據(jù)與RUSLE模型計算結(jié)果的對比，驗證了模型的可靠度與可行性，并進一步探討了流域的侵蝕分布特征。

1 流域概況

趙家小流域位于康平縣柳樹鄉(xiāng)中部，流域面積31.5km2，北部屬于土石質(zhì)低山丘陵區(qū)，南部屬于平原沙化區(qū)。趙家小流域海拔高程70-170m，相對高差100m，海拔100m以上的山頭有14座，坡度范圍0°-15°，分布有溝壑3條，溝壑密度0.21km/km2，最長溝壑主溝長5700m。土壤多為棕壤土和褐土，全區(qū)土壤均為“中下”和“瘠薄”級，主要植被是旱田農(nóng)作物、荒山草地、楊、柳、松林等。該小流域?qū)贉睾桶敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年降水量513.4mm，汛期降雨(6-9月份)約占全年總量的75%，且多以大雨、暴雨出現(xiàn)[6-7]。

流域內(nèi)土地資源面積3150hm2，其中農(nóng)業(yè)用地2291hm2，林業(yè)用地407.3hm2，荒山荒坡94.9hm2，水域及村屯道路等非生產(chǎn)用地356.6hm2，占全區(qū)比例為72.74%、12.90%、3.01%、11.32%，人均耕地0.46hm2。

2 研究方法

2.1 RUSLE模型

文章利用適用性較強的RUSLE模型計算分析小流域土壤侵蝕特征，其表達式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/，hm2·h·a；K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm·a)；L、S、C、P為坡長、坡度、作物與覆蓋、水保措施因子，無量綱；A為單位面積細溝侵蝕與坡地坡面侵蝕的年均侵蝕量，即土壤侵蝕量t/(hm2·a)。

2.2 因子計算

2)土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性是引起土壤侵蝕的內(nèi)在驅(qū)動因素，它反映了土壤被降雨侵蝕力沖蝕、分離、搬運的難易程度。K因子是指單位降雨侵蝕指數(shù)造成的坡度為9°坡面上連續(xù)耕作條件下的土壤流失率，其中代表性的K因子計算方法有EPIC估算法、Shirazi數(shù)學(xué)法和諾模圖法等。

從土壤亞類的角度上，康平縣趙家小流域主要有石灰性褐土、棕壤性土、褐土、潮土、棕壤5種，鑒于該區(qū)的土壤屬性及其類型與北方土石山區(qū)的河北省存在一定相似性，借鑒其K因子值確定趙家小流域5種土壤的K因子如表1所示。

表1 土壤可蝕性K值

3)地形因子LS。鑒于趙家小流域坡度超過8°的坡面所占比較高(60.25%)的實際，文章結(jié)合劉保元等提出的陡坡坡度公式計算流域內(nèi)不同坡度的因子值，其表達式為：

(2)

針對LS因子的計算，本研究以細溝侵蝕比率中等的情形進一步利用坡長指數(shù)(m)設(shè)計AML公式，在此基礎(chǔ)上計算出坡長值。坡面上細溝與細溝侵蝕的比率β與坡長指數(shù)的大小直接相關(guān)，可以用下式求解：

m=β/(1+β)

(3)

式中：β為值反映了細溝侵蝕與土壤的敏感性特征，考慮小流域土地利用、降水、土壤、植被等情況取土壤對細溝間、細溝侵蝕敏感性適中的β值，其表達式為：

β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

(4)

式中：θ為坡度。

3)植被覆蓋因子C。該因子是指在地形、降雨、土壤類型相同情況下耕作某特征作物或植被與連續(xù)不種植作物空白土地的土壤流失量之比，其變化區(qū)間為0-1，無量綱。C因子反映了對侵蝕速率管理、耕作措施的抑制作用，一般用于保護規(guī)劃各種管理措施的相對影響比較。C因子和接下來的P因子對水土保持可以起到有利作用，都能在一定程度上降低侵蝕動力，且不同的C因子估算方法其適用范圍、尺度都存在較大差異，也存在各自的缺陷和優(yōu)勢。文章結(jié)合前期提取的高分辨率林草覆蓋/土地利用類型數(shù)據(jù)，借鑒相關(guān)研究資料選用直接賦值的方法。

4)土壤保持措施因子P。P因子值是指相同塊地順坡耕作條件下特定水保措施與未實施水保措施的土壤流失量之比，通過表面流的匯流方向、斜坡坡度和水流形態(tài)的調(diào)整，土壤保持措施可降低徑流速率、減少徑流量，從而發(fā)揮減輕土壤侵蝕的作用。一般地，梯田修筑、高耕作、谷坊修建、坡改梯等屬小流域常見的水保措施。設(shè)1、0代表未實行任何保護措施和無侵蝕的地區(qū)，結(jié)合相關(guān)資料和研究小流域土石質(zhì)山區(qū)實際情況，按照表2賦予不同用地類型的P值。

表2 趙家小流域的C、P因子值

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果驗證

通過疊加處理RUSLE模型中的各因子值，利用地理信息系統(tǒng)平臺輸出趙家小流域土壤侵蝕模數(shù)平均值405.11t/km2·a，最大值21428.57t/km2·a，標(biāo)準差845t/km2·a。現(xiàn)階段，關(guān)于康平縣土石質(zhì)低山丘陵區(qū)和平原沙化區(qū)的水土流失實證分析相對較少，土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)利用原型USLE模型計算時，其結(jié)果差別較大。因此，在缺少實測數(shù)據(jù)的情況下，可對土壤侵蝕強度利用泥沙淤積資料來估算，這也是一種行之有效的方法[8]。

康平縣趙家小流域水保治理工程、河道淤積測量資料等，為模型驗證及其淤積測算提供了數(shù)據(jù)支撐。文章結(jié)合河流淤積量、泥沙攔截量、攔沙率等數(shù)據(jù)，充分該小流域地貌形態(tài)、人類活動、植被覆蓋等因素，利用沙量平衡理論和比重加權(quán)求和法計算趙家小流域年均土壤侵蝕模數(shù)為386.1t/km2·a，這與RUSLE模型輸出的405.11t/km2·a基本相同，考慮到南部現(xiàn)有平原沙化區(qū)和北部土石質(zhì)低山丘陵區(qū)，以及所用格柵精度為30m的實際，可以認為RUSLE模型所涉及的各項因子算法及其賦值滿足精準度、可靠性要求。

3.2 流域總體侵蝕狀況分析

康平縣趙家小流域水土流失面積7.2km2，土壤侵蝕量為2916.8t/a，土壤侵蝕模數(shù)405.11t/km2·a。將土石質(zhì)低山丘陵區(qū)容許土壤流失強度按照土壤侵蝕分類標(biāo)準設(shè)定為200t/km2·a，則趙家小流域土壤侵蝕強度為微度為主，如表3。

表3 郎家山小流域土壤侵蝕分級

由表3可知，除微度侵蝕強度外趙家小流域土壤侵蝕區(qū)達到226.7hm2，所占比達到31.49%。輕度及以上侵蝕強度的侵蝕量和侵蝕面積所占比例，隨著侵蝕級別的增大呈逐漸減小的特征。其中，輕度侵蝕的侵蝕量所占比例最高達到55.56%，侵蝕量約為1067.6t，這也是趙家小流域主要產(chǎn)沙來源，該區(qū)域?qū)儆谒帘３种攸c治理區(qū)。同時，中度及以上侵蝕強度的面積占比僅有3.73%，但侵蝕量占總的30.06%，表明該區(qū)域應(yīng)引起水保治理的重點關(guān)注。

3.3 不同用地類型土壤侵蝕

圖1反映了不同用地類型的土壤侵蝕面積、侵蝕量與侵蝕模數(shù)。從侵蝕量與侵蝕面積的角度上，侵蝕土地利用類型中旱地面積所占比例最大，達到35.50%，其侵蝕模數(shù)達到702.5t/km2·a，與其他土地利用類型相比其年均侵蝕量達到最高值1795.6t，占總侵蝕量的61.56%；其次，農(nóng)村居民點的面積百分比為15.6%，其侵蝕模數(shù)達到467.7/km2·a，土壤侵蝕量貢獻率為18.01%。相對而言，其他用地類型的侵蝕量較少，占流域總侵蝕量之比均在10%以下。從不同侵蝕強度的角度，趙家小流域以輕度侵蝕為主，不同用地類型存在較為明顯的侵蝕強度差異，其中最高的為建設(shè)用地，這里的建設(shè)用地包括交通道路、廠礦、采石場、大型工業(yè)區(qū)和特殊用地等。其中，低覆蓋度草地、中覆蓋度草地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)民居民點以及旱地等用地類型均高于容許土壤侵蝕強度。結(jié)合不同用地類型范圍，從侵蝕強度與侵蝕量的角度上，旱地具有相對較高的侵蝕強度、侵蝕面積和范圍，因此此用地類型應(yīng)作為水土流失重點治理區(qū)；小流域治理應(yīng)加強農(nóng)村居民點與中覆蓋草地的治理、預(yù)防，需要進一步關(guān)注并預(yù)防土壤侵蝕進一步擴展的有低覆蓋草地、城鎮(zhèn)用地和其他建設(shè)用地。

圖1 不同土地利用類型下的侵蝕狀況

4 結(jié) 論

1)將康平縣趙家小流域的土壤侵蝕特征利用RUSLE模型計算分析，其土壤侵蝕模數(shù)405.11t/km2·a，利用沙量平衡理論和比重加權(quán)求和法計算年均土壤侵蝕模數(shù)為與RUSLE模型輸出基本相同，這表明RUSLE模型所涉及的各項因子算法及其賦值滿足精準度、可靠性要求。

2)研究小流域水土流失面積為7.2km2，土壤侵蝕量為2916.8tt/年，將土石質(zhì)低山丘陵區(qū)容許土壤流失強度按照土壤侵蝕分類標(biāo)準設(shè)定為200t/km2·a，研究小流域土壤侵蝕強度為微度為主。

3)從侵蝕強度與侵蝕量的角度上，旱地具有相對較高的侵蝕強度、侵蝕面積和范圍，因此此用地類型應(yīng)作為水土流失重點治理區(qū)；小流域治理應(yīng)加強農(nóng)村居民點與中覆蓋草地的治理、預(yù)防，需要進一步關(guān)注并預(yù)防土壤侵蝕進一步擴展的有低覆蓋草地、城鎮(zhèn)用地和其他建設(shè)用地。