柳河流域土壤侵蝕時(shí)空變化特征分析

張宇晴

(遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心(遼寧省水文局),遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 研究方法

1.1 流域概況

柳河位于遼寧省阜新市內(nèi),其源頭在內(nèi)蒙古奈曼旗的雙臺(tái)子,這是遼河中下游一條較大的多泥沙支流,流經(jīng)庫(kù)倫旗、阜新市和彰武縣,總長(zhǎng)302 km,流域面積5 798 km2,年均徑流量21.8億 m3,水系分布如圖1。

圖1 柳河流域水系分布圖

柳河有養(yǎng)畜牧河、大小青溝、厚很河和鐵牛河4條主要支流,具有河床整體穩(wěn)定性弱、沖淤面積跨度大、河寬變化大、河段細(xì)長(zhǎng)、坡降起伏大以及流域面狹小等特點(diǎn)。地勢(shì)總體呈西南高、東北低的特征,在彰武縣城以上總體可以分成丘陵區(qū)、低山區(qū)、漫崗區(qū)和坨甸區(qū),而在彰武縣以下進(jìn)入平原地帶,兩岸無(wú)支流注入。研究區(qū)為溫寒帶大陸性氣候,年降水量400～600 mm,從空間上自南向北遞減,其中約80%發(fā)生在6-9月,該時(shí)段多暴雨極易導(dǎo)致水土流失和洪水。土壤類(lèi)型以草甸土和風(fēng)沙土為主,位于華北與內(nèi)蒙古植物區(qū)系的交匯處,植被種類(lèi)豐富多樣,植被類(lèi)型以針葉和落葉闊葉樹(shù)木混生的林草為主,林草覆蓋率35.06%。為了更好地揭示柳河流域土壤侵蝕現(xiàn)狀和時(shí)空變化特征,加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和水土流失治理,對(duì)柳河流域應(yīng)用RUSLE模型進(jìn)行計(jì)算分析,為流域生態(tài)治理工程及水土流失防治效應(yīng)評(píng)估提供支持。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了研究柳河流域的土壤侵蝕現(xiàn)狀及其時(shí)空變化特征,需要收集獲取的數(shù)據(jù)如下:柳河流域的DEM數(shù)據(jù)精度20 m×20 m,由地理空間云平臺(tái)獲取;2001年、2010年和2020年的用地類(lèi)型數(shù)據(jù),精度1 km×1 km,數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境中心;土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)精度1 km×1 km,由土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取;2001-2020年阜新、彰武和新民3個(gè)站點(diǎn)的日降水?dāng)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

1.3 RUSLE方程

RUSLE方程是一種用于計(jì)算土壤流失的模型,它考慮了降雨、地形、土壤潛在侵蝕力等一系列參數(shù)。本文利用Arc GIS空間分析技術(shù)和RUSLE方程計(jì)算分析柳河流域土壤侵蝕特征,計(jì)算方法如下[1]:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A為年土壤流失量,t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力,MJ·mm/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);LS、C、P為坡長(zhǎng)與坡度、植被覆蓋與管理及水保措施因子。

(1)降雨侵蝕力R?；谌沼炅康陌朐陆涤昵治g力考慮了降雨強(qiáng)度和降雨量的變化,首先需要獲取半月的降雨數(shù)據(jù),并計(jì)算出每個(gè)降雨事件的降雨強(qiáng)度,然后根據(jù)降雨強(qiáng)度的區(qū)間范圍,采用以下公式計(jì)算每個(gè)半月的降雨侵蝕力Ri[2]:

(2)

式中:Rj、Ri為半月內(nèi)j日的有效降雨(mm)和半月降雨侵蝕力[MJ·mm)/(hm2·h·a)];α、β為計(jì)算參數(shù);Ry、Rd為年均和日均≥12 mm的降雨量,mm;k為半月內(nèi)有效降雨天數(shù)。

(2)土壤可蝕性因子K。這是評(píng)估土壤是否易于侵蝕的主要參數(shù),反映了土壤物理和化學(xué)特性對(duì)侵蝕的敏感程度,該數(shù)值越高表示越易受到侵蝕。根據(jù)土壤質(zhì)地、有機(jī)碳含量以及EPIC方程確定柳河流域土壤可蝕性K因子值[3]:

(3)

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(4)

式中:SAN、SIL、CLA分別為砂粒(粒徑0.050～2.000 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.050 mm)和黏粒(<0.002 mm)的含量,單位%;C為有機(jī)碳含量(%),其中SN1=1-SAN/100。

(3)坡度坡長(zhǎng)因子SL。這是描述地形條件對(duì)土壤侵蝕影響程度的重要參數(shù),其值越大表示發(fā)生侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)越高,計(jì)算不同用地類(lèi)型下的SL因子值,可以采取適當(dāng)?shù)拇胧┤绫Ｗo(hù)性耕作、植被覆蓋和梯田等來(lái)減緩水流速度和土壤侵蝕。本文利用劉保元[4]、Wischmeier[5]等提出公式進(jìn)行計(jì)算,具體如下:

L=(λ/22.1)n

(4)

(5)

式中:λ為水平坡長(zhǎng),m;θ為坡度(°);n為坡長(zhǎng)指數(shù),坡度θ≤1°、1°<θ≤3°、3°<θ≤5°、θ>5°時(shí),對(duì)應(yīng)的n值取0.2、0.3、0.4、0.5。

(4)植被覆蓋與管理因子C。它是土壤侵蝕研究和土地利用規(guī)劃的重要因子,描述了植被的保護(hù)能力和管理措施的影響作用,其中植被具有保護(hù)土壤的作用,可以減輕雨滴的沖擊力,降低徑流速度,防止土壤的暴露和侵蝕,故植被覆蓋越好,土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)就越低。管理因子反映了不同土地利用和管理實(shí)踐對(duì)土壤侵蝕的影響,例如農(nóng)田采取保護(hù)性耕作、梯田、防風(fēng)林帶等措施將大大減少土壤侵蝕的發(fā)生。根據(jù)柳河流域植被覆蓋、土地利用以及管理狀況,采用Arc GIS空間分析技術(shù)確定耕地、草地、林地、水體、建設(shè)用地、未利用地及其它地類(lèi)的C因子值為0.260、0.120、0.016、0、0.210和0。

(5)水保措施因子P。該因子用于衡量地表實(shí)施水保措施的作用效果,如植被覆蓋、農(nóng)田排水和防護(hù)林帶等,根據(jù)實(shí)施的措施類(lèi)型和程度量化反映了土地的保持程度。P值越大表示地表的保護(hù)作用越好,抵抗侵蝕能力越強(qiáng)[6-8]。根據(jù)野外調(diào)查相關(guān)資料利用Arc GIS空間分析技術(shù)確定柳河流域耕地、草地、林地、水體、建設(shè)用地、未利用地及其它地類(lèi)的P因子值為0.36、1.00、1.00、0、1.00、1.00。

2 結(jié)果分析

2.1 時(shí)間變化特征

研究計(jì)算2001年和2020年柳河流域水土保持各因子值,將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一轉(zhuǎn)變成分辨率30 m的圖層,并在Arc GIS柵格中確定相應(yīng)的侵蝕模數(shù)。研究顯示,柳河流域以微度、輕度侵蝕為主,尤其東部的侵蝕情況較為嚴(yán)重,這與實(shí)際情況和野外調(diào)查資料保持一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。在SWAT模型中輸入DEM數(shù)據(jù)、土壤和土地利用等數(shù)據(jù),通過(guò)HRU分析將柳河流域劃分成32個(gè)子流域,并計(jì)算每個(gè)子流域的侵蝕模數(shù)。結(jié)果表明,2001-2020年柳河流域土壤侵蝕模數(shù)均值為1 867.25 t/(km2·a),其中2001年的侵蝕程度較嚴(yán)重,侵蝕模數(shù)達(dá)到為2 491.75 t/(km2·a),到2020年下降到1 282.66t/(km2·a),降幅為48.52%。2005年的侵蝕模數(shù)僅為797.25t/(km2·a),相比于2001年降幅達(dá)到68.00%,土壤侵蝕較輕。然而,2010年和2015年又呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),土壤侵蝕模數(shù)是2001年的1.82倍和3.16倍。總體上,研究區(qū)柳河流域土壤侵蝕呈下降趨勢(shì),生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出較好發(fā)展態(tài)勢(shì)。

不同侵蝕強(qiáng)度下,柳河流域2001-2020年侵蝕面積變化情況如表1。由表1可知,隨著強(qiáng)度的增加侵蝕面積不斷減小,微度、輕度、中度是其主要侵蝕類(lèi)型,2001-2020年微度侵蝕區(qū)占比均超過(guò)92%。通過(guò)分析變化情況可知,微度侵蝕區(qū)表現(xiàn)出波動(dòng)增大趨勢(shì),從2001年的5515.06 km2上升到2020年的5749.88 km2,增幅達(dá)到4.05%;輕度侵蝕區(qū)表現(xiàn)出波動(dòng)減小趨勢(shì),從2001年的259.17 km2下降到2020年的48.12 km2,降幅達(dá)到81.43%;中度、強(qiáng)度侵蝕區(qū)表現(xiàn)出逐漸減小趨勢(shì),土壤侵蝕較輕時(shí)的中度、強(qiáng)度侵蝕面積較少,隨時(shí)間變化規(guī)律不明顯?？傮w而言,柳河流域水土流失強(qiáng)度呈現(xiàn)出減輕趨勢(shì)。然而,2010-2015年微度侵蝕減少39.43 km2,說(shuō)明2015年具有一定的向高強(qiáng)度發(fā)展的態(tài)勢(shì),結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂虻臈l件研究認(rèn)為這可能與該時(shí)段降水較多等因素有關(guān)。

表1 土壤侵蝕強(qiáng)度變化統(tǒng)計(jì)表

2.2 空間變化特征

在GIS系統(tǒng)中計(jì)算分析柳河子流域不同時(shí)期的土壤侵蝕模數(shù),結(jié)果顯示從空間分布上各年代的侵蝕模數(shù)并不均勻,具有一定空間異質(zhì)性,但其分布格局并未明顯改變,西南部、東部和北部的土壤侵蝕較集中。微度侵蝕區(qū)集中分布于用地類(lèi)型以耕地為主的養(yǎng)畜牧河和降水較多的東部。柳河流域主要為微度侵蝕,對(duì)于中度侵蝕,中南部和東部呈現(xiàn)出點(diǎn)狀或帶狀分布特征,而東南部和中部則表現(xiàn)出點(diǎn)狀穿插分布的情況,而微度、中度和輕度侵蝕呈點(diǎn)狀或帶狀穿插分布的特征主要與降水量東高、西低以及人類(lèi)活動(dòng)等因素有關(guān)。

為深入掌握流域土壤侵蝕變化特征,在Arc GIS系統(tǒng)中計(jì)算生成轉(zhuǎn)移矩陣,并進(jìn)一步分析不同年份的侵蝕面積變化情況如表2。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣

研究發(fā)現(xiàn),2001-2020年柳河流域的土壤侵蝕強(qiáng)度發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變,絕大部分的中度和輕度轉(zhuǎn)變成微度侵蝕,而強(qiáng)度則全部轉(zhuǎn)變成輕度、微度;2005-2010年期間的侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)變略較減弱,但仍有部分輕度轉(zhuǎn)變成微度侵蝕;2010-2015年期間,土壤侵蝕表現(xiàn)出一定的加劇態(tài)勢(shì),微度侵蝕中有極少部分轉(zhuǎn)變成輕度和中度侵蝕,輕度侵蝕中約有16%轉(zhuǎn)變成中度;在2015-2020年期間,柳河流域土壤侵蝕總體呈現(xiàn)出減輕趨勢(shì),大多數(shù)輕度和所有中度侵蝕強(qiáng)度均下降一級(jí)?？傮w上,柳河流域2001-2020年水土流失呈較好發(fā)展趨勢(shì),侵蝕強(qiáng)度下降,但中度與輕度侵蝕之間的轉(zhuǎn)變較為活躍,需要加強(qiáng)引導(dǎo)更好地保護(hù)流域生態(tài)。

2.3 用地類(lèi)型對(duì)土壤侵蝕的影響

柳河流域的用地類(lèi)型以耕地和林地為主,所占比例分別為58.70%和26.41%,其中耕地則大多分布于西北部,而林地多位于東部、中部及南部。將2020年土地利用與侵蝕強(qiáng)度圖相疊加可以確定不同用地類(lèi)型的土壤侵蝕狀況,如表3。

表3 2020年不同用地類(lèi)型的土壤侵蝕面積

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知,林地微度侵蝕最高為3 350.8 km2,耕地次之為1 399.69 km2,建設(shè)用地和草地的微度為771.19 km2、170.64 km2,而未利用地及其它的微度侵蝕較少為57.49 km2。對(duì)于輕度侵蝕,耕地的侵蝕面積最大達(dá)到21.67 km2,其次是檢核用地的17.07 km2,林地和草地的輕度侵蝕區(qū)為8.29 km2、1.09 km2,未利用地及其他的輕度侵蝕區(qū)可忽略不計(jì)。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同用地類(lèi)型的侵蝕模數(shù)存在明顯差異,其中耕地最大為3 026 t/(km2·a),未利用地次之,而林地、草地相對(duì)較小為2 053和1 780 t/(km2·a)。林地和草地的微度侵蝕面積占95%,而耕地和建設(shè)用地的輕度侵蝕所占比例較高。所以,植被覆蓋較好的地類(lèi)明顯低于植被遭受破壞且未采取水保措施地類(lèi)的侵蝕程度。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)從時(shí)間變化上,柳河流域2001-2020年土壤侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),這說(shuō)明柳河流域的水土流失呈現(xiàn)出較好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。從空間變化上,流域東部和中南部的輕度侵蝕呈帶狀或點(diǎn)狀分布,中部和東南部的中度侵蝕呈點(diǎn)狀穿插分布,這主要與人類(lèi)活動(dòng)以及從東向西降水逐漸減少的變化特征有關(guān)。對(duì)于各用地類(lèi)型,耕地的侵蝕最終,草地和林地較輕,所以植被覆蓋較好的地類(lèi)明顯低于植被遭受破壞且未采取水保措施地類(lèi)的土壤侵蝕程度。

(2)侵蝕最嚴(yán)重的是耕地,而林地和草地的侵蝕較輕,故植被覆蓋較好的用地類(lèi)型總體上低于植被受到破壞且未采取水保措施地類(lèi)的侵蝕強(qiáng)度。