基于RUSLE的2010年商南縣土壤侵蝕特征分析

張養安, 宋曉強, 高照良, 李俊鋒

(1.楊凌職業技術學院, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省水土保持局, 陜西 西安 710003;

3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北測繪職工培訓中心, 陜西 西安 710054)

基于RUSLE的2010年商南縣土壤侵蝕特征分析

張養安1, 宋曉強2, 高照良3, 李俊鋒4

(1.楊凌職業技術學院, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省水土保持局, 陜西 西安 710003;

3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北測繪職工培訓中心, 陜西 西安 710054)

摘要：[目的] 以長江源頭陜西省商南縣為例，分析縣域土壤侵蝕空間分布，為正確認識與防治長江上游水土流失和做好水土保持防治工作提供科學依據。 [方法] 基于Landsat TM7和ETM+影像，獲取商南縣2010年土地利用信息，采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)確定方程中各影響因子，對商南縣土壤侵蝕現狀進行定量評價。 [結果] 林地是商南縣主要土地利用類型，占縣域總面積的87.05%，其次是耕地(9.43%)、居民地(2.82%)、水體(0.64%)、未利用地和草地(0.06%)。受坡耕地和低覆蓋林草地的影響，商南縣2010年土壤侵蝕較嚴重，平均侵蝕模數4 953.76 t/(km2·a)。受侵蝕(輕度以上)面積1 319.3 km2，占總面積的57.03%。強度和極強度侵蝕級別面積所占比例為24.10%，其次為輕度侵蝕級別，面積為14.31%，中度和劇烈侵蝕級別面積分別為6.23%，12.39%。劇烈和強度侵蝕主要分布在北部、中部及東南部的山區地段的坡耕地。雖然強度和劇烈侵蝕級別面積比例不是很高，但對該縣總侵蝕量的貢獻最大，達到52.29%。 [結論] 不適宜的土地利用是引起嚴重土壤侵蝕的主要原因；應將縣域北部、中部及東南部山區的坡耕地作為防治的重點。

關鍵詞：土壤侵蝕; 評價; RUSLE; 商南縣

當前，長江流域環境災害中最突出的問題是土壤侵蝕，長江流域及其主要支流水土流失較為嚴峻，致使流域土壤退化，河流泥沙淤積，在用水安全、防洪安全及生命財產安全方面均存在重大隱患。丹江作為長江的最大支流和漢江的最長支流，幾乎穿越整個商洛市(商州區、丹鳳縣、商南縣)，因此，準確地監測商洛市的土壤侵蝕狀況，研究其侵蝕強度及分布特征，對于有效防治商洛市和丹江流域的水土流失具有積極意義。商南縣位于丹江中游，丹江口水庫上游，無論在地形、氣候和水土流失等方面在商洛市均有相當的代表性，另外，作為丹江水源地核心部分，對其水土流失的有效治理以及確保其生態環境的安全不但對整個商洛市的生態治理具有示范作用，而且對提升丹江水源地的水質水量均有重要影響[1-2]。但由于商南縣地處秦嶺褶皺系，具有地質構造復雜，自然環境多變，降雨強度大且集中等特點，而且，近年來隨經濟社會發展人為擾動劇烈，水土流失嚴重，直接威脅到水源地的水質安全[3]，同時也嚴重影響著縣域經濟的發展和社會進步[4-5]，加之商南縣水土流失本底數據不清，所以，亟需借助先進的技術開展卓有成效的水土流失監測工作，為相關部門開展水土流失治理決策提供支撐。RUSLE模型是在1991年提出基礎上，1997年完成修正。由于RUSLE侵蝕估算模型是對降雨、土壤、地形、植被及工程措施等因子進行綜合分析，從而達到對研究區水土流失量到侵蝕強度級別進行定量化判定的目的。即可以避免人為定級的主觀性、隨意性，也可以達到快速實時掌握研究區土壤侵蝕和流失的動態，在我國應用比較廣泛[6]。本研究基于地理信息系統(GIS)和遙感(RS)技術，對Landsat TM7和ETM+影像進行目視解譯，借助修正通用土壤流失方程(RUSLE)定量計算商南縣土壤侵蝕量，為有關部門正確認識與防治長江上游的土壤侵蝕，做好水土保持防治工作提供科學的依據。此外，對保證南水北調中線水源地上游的水質水量，實現科學開發水資源、持續利用水資源、促進社會經濟的可持續發展亦具有重要的意義。

1研究區概況及數據來源

1.1　研究區概況

商南縣位于陜西省東南部，秦嶺東南麓，漢江水系丹江流域中游，地理坐標介于110°24′—111°01′E，33°06′—33°44′N之間，總面積2 306.5 km2。主要以丘陵和中低山為主，具典型的南方土石山區地貌，地形地貌以低山、丘陵為主，占該縣總面積的77%。最低處213 m，最高處2 057 m，相對高差達1 844 m。15°～45°較陡坡面積占全縣總面積的67.75%。商南縣植被覆蓋較好，覆蓋率70%以上，地形復雜，西南部和北部較高，東南部和中部較低，地勢起伏，相差懸殊，年均溫度14.0 ℃，年均降水量685.34 mm，主要土壤類型有黃棕壤、褐色森林土、棕壤、淤土和紫色土。商南縣季節間雨量分配不均，暴雨較多，且暴雨集中，量大，面廣，歷時長，致使雨季河水暴漲，部分地區的水土流失劇烈[1-2]。商南縣人口共24.2萬，人口密度約105人/km2，農業人口占58.8%。2011年經濟總量18.25億元，其中最大貢獻為牧業和農業產值，分別占47.0%和39.7%。人類活動在此處主要表現為農業生產和交通建設等生產建設項目，形成大量陡坡農地和開挖填方工程面，土壤結構疏松，侵蝕量極大。

1.2　數據來源與處理

降雨數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)，本研究選用了2010年商南縣及周邊數據完整且均勻分布的8個氣象站點的日降水量數據。通過對商南縣2010年的云量低于20%的5—10月30 m分辨率的Landsat TM7和15 m分辨率的ETM+影像進行目視解譯得到其土地利用數據。DEM數據選取自中國科學院國際科學數據服務平臺(http:∥www.datamirror.csdb.cn)ASTER GDEM 30 m分辨率產品。表征植被覆蓋情況的NDVI數據采用2 501 km空間分辨率1 km，15 d時間分辨率的MODIS影像，采用最大化合成法(MVC)獲得年NDVI，同時參考Landsat TM7影像獲取的NDVI值，來估算模型中植被覆蓋與管理因子。土壤數據來自全國第二次土壤調查，比例尺為1∶100萬，同時參考縣土地局有關土壤類型統計資料，補充與完善模型所需商南縣土壤類型數據。

2區域土壤侵蝕量計算

2.1　RUSLE模型

與傳統的土壤流失方程(USLE)相比，修正后的土壤流失方程(RUSLE)模型把降雨侵蝕力、坡長、坡度、作物覆蓋、水土保持措施和土壤可蝕性等6大因子，進行定量計估算，應用范圍更加廣泛。修正后的土壤流失方程(RUSLE)，是表示坡地土壤流失量與其主要影響因子間的定量關系的侵蝕數學模型。該方程用于計算在一定耕作方式和經營管理制度下，因面蝕產生的年平均土壤流失量。其表達式為：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A——單位面積年均土壤侵蝕量〔t/(km2·a)〕；P——水土保持措施因子；K——土壤可蝕性因子〔(t·h/MJ·mm)〕；C——植被覆蓋與管理因子；R——降雨侵蝕力因子〔MJ/(mm·hm2·h)〕；L——坡長因子；S——坡度因子。

2.2　RUSLE方程中各因子的確定

2.2.1降雨侵蝕力因子R降雨侵蝕力因子的大小代表了降雨對土壤可能造成的沖蝕程度的高低。按半月侵蝕力[7]估算方法并根據研究區實際降雨雨情，估算公式為：

(2)

式中：Mi——第i個半月時段的侵蝕力值〔MJ/(mm·hm2·h)〕；k——該半月時段內的天數；pj——半月時段內第j天的侵蝕性日降雨量，要求日降雨量大于等于12 mm，否則以0計算；α，β——模型待定參數。

分別以每個氣象站資料進行回歸分析，由于不同站點得到的參數α和β不同，且二者之間聯系密切，參數β還與區域降雨特征有關，據回歸分析結果建立了利用日雨量參數估計模型參數α和β的公式：

(3)

α=21.586β7.1891

(4)

式中：Pd12——日降雨量大于等于12 mm的日平均降雨量；py12——日降雨量大于等于12 mm的年平均降雨量。在年降雨量比較豐富的地區，模型的決定系數較大，估算多年平均侵蝕力的相對誤差較小。

2.2.2土壤可蝕性因子K土壤可蝕性因子表示土壤被沖蝕的難易程度。根據商南縣不同土壤類型，借鑒自然環境特征類似的南京地區[8]對土壤可蝕性因子K值的估算進行估算，具體K的取值詳見表1。

表1　商南縣土壤可蝕性因子K值估算

2.2.3坡長因子S和坡度L因子坡度和坡長因子表示在其他條件不變的情況下，某給定坡長和坡度的坡面上土壤流失量與標準徑流小區典型坡面上土壤流失量的比值[9-10]。坡長坡度因子反應地形對水土流失的影響程度。根據商南縣30 m分辨率DEM來估算坡度坡長因子。在坡度小于10°時，選用McCool等[11]研究的坡度公式計算，坡度大于等于10°時，用劉寶元等[12]的坡度公式計算。借鑒文獻[9]中坡長因子估算法估算坡長因子：

(5)

(6)

式中：S——坡度因子；q——坡度(°)；L——坡長因子；l——考慮徑流源點和單元坡長后的累計坡長。

2.2.4植被覆蓋與管理因子C植被覆蓋與管理因子指在其他因子相同的條件下，在某一特定作物或植被覆蓋下的土壤流失量與耕種后的連續休閑地的流失量的比值，是評價土壤侵蝕程度的一個重要指標[12]。采用文獻[13]提出的植被因子算法公式：

(7)

式中：fc——植被覆蓋度，根據植被覆蓋度的像元二分模型采用NDVI指數，植被覆蓋度的估算公式為：

(8)

式中：NDVI——某像元具體某時間的植被指數； NDVImin——裸地條件下的植被指數； NDVImax——植被完全覆蓋條件下的植被指數。

2.2.5水土保持措施因子P水土保持措施因子指釆取水土保持措施后的土壤流失量與順坡種植的土壤流失量的比值。根據研究區域土地利用現狀、參考研究區域特征及研究內容相近相關文獻[13]確定P值(表2—3)。

表2　水土保持因子P

表3　不同坡度等級下旱地水土保持因子P

3結果和分析

3.1　商南縣土地利用及結構特征

對研究區影像進行預處理，以獲得RUSLE模型所需的土地利用數據。根據土地利用類型分類標準，結合水土流失狀況調查需要，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、居民工況地、水體和未利用地等6個二級分類型，生成土地利用圖。采用點隨機抽樣共選取290個檢驗點，對解譯結果進行實地驗證，難以到達的地方和Google Earth相近年份影像進行信息驗證。影像解譯的整體精度和Kappa系數分別達到0.869 5和0.908 4，達到了《技術規程》規定的不低于85%的標準要求。由各土地利用類型面積所占比重(表4)可以看出，商南縣地表覆蓋較好，林地(有林地、灌叢地和疏林地)為主要的土地利用類型，占總面積的87.05%，耕地占9.43%，居民地及工礦用地占2.82%，水體占0.64%，草地(天然草地和人工草地)面積最小，僅占0.01%，未利用地占總面積的0.05%。

表4　商南縣不同土地利用類型面積及比重

3.2　商南縣RUSLE模型各因子值

由商南縣RUSLE模型各因子值的分布情況分析得出，R因子從北向南逐漸增加；同樣，根據土壤的理化性質，褐土區域(偏北部和南部)K值最大，其次是石灰性紫色土、粗骨土、壤土區域；LS因子在北部兩岔河鄉，中部太吉河鎮，過風樓鎮較高；C因子與植被覆蓋度相關，植被覆蓋度越小C因子值越大，所以居民交通工礦用地及覆蓋度低的地方C值較大；P因子與土地利用類型相關，林地、交通居民地、工礦用地及未利用地的P值最大，農田的P值與坡度相關，坡度越大，P值越大。

3.3　商南縣土壤侵蝕量估算

根據估算結果，商南縣2010年平均土壤侵蝕模數為4 953.76 t/km2。由于商南縣植被覆蓋較好，43.64%的面積微度或無侵蝕，輕度以上侵蝕面積為1 299.83 km2，占總面積的56.36%。其余按比例從大到小依次為：極強烈、輕度、劇烈、強烈及中度，所占比例分別為16.46%，14.31%，11.71%，7.64%和6.23%(表5)。強度和劇烈等級的侵蝕主要分布在北部兩岔河鄉，中部太吉河鎮，過風樓鎮，及東南部十里坪鎮、魏家臺鎮的山區地段。該區域坡耕地比重均較大，侵蝕較嚴重。另外，2010年夏季，商南縣發生了多次強降雨，造成了罕見的特大洪水災害，加上縣域內2010年度交通建設項目集中，極大加重了商南縣極強度和劇烈侵蝕的比重。這個結論與陜西省水土保持局提供的全國二次調查數據吻合度較高，表明本研究因子選取較合理，估算結果較為可信。雖然商南縣整體土壤侵蝕級別較低，但在山區仍存在較為嚴重的中度和劇烈土壤侵蝕。因此，商南縣的水土保持工作不容懈怠。此外，商南縣25°以上的坡地占該縣總面積的比重較大(26.98%)，加之區域夏季強降雨的特點，加大了該區的水土流失隱患[1-2]。因此，要采用積極的措施防治該區的水土流失。

表5　商南縣RUSLE計算結果

3.4　土地利用類型對土壤侵蝕的影響

土地利用方式的差異主要表現在植被覆蓋度高低和植被覆蓋類型的不同，這種差異性對地表粗糙度和地上生物量具有決定性的作用，進而影響到坡面的截留作用和流域的產流產沙。通過ArcGIS的疊加分析確定不同土地利用類型與土壤侵蝕的關系(表6)。由表6可以看出，各土地利用類型的侵蝕主要以微度侵蝕為主。強烈以上等級的侵蝕的主要是坡耕地，以及覆蓋度低、郁閉度小的林地，分別占對應總侵蝕面積的28.23%和37.62%。其中，坡耕地是最重要的土壤侵蝕來源，主要是因為播種和翻耕等農作活動，致使坡耕地土壤表層疏松，容易被濺蝕和溝蝕。與林地相比，林地的抗土壤侵蝕能力十分明顯，侵蝕類型主要是微度侵蝕(42.41%)，這是因為林地的地被物增加了土壤有機質，使土壤與根系之間形成生物凝聚力，改善了土壤結構，增強了土壤穩定性，同時，林地根系能固持土壤，產生抗滑力，穩定斜坡。但對于覆蓋度較低，郁閉度小的區域仍存在強度等級以上的侵蝕。另外，經濟社會發展使交通及建設用地規模不斷擴大，項目實施過程中產生的大量松散堆積物遇到大暴雨后，因缺乏必要的防護，產生了嚴重的水土流失，強烈以上侵蝕面積比重達到30.32%，不容忽視。

表6　不同侵蝕級別下的土地利用特征分布　km2

4結論與討論

(1) 商南縣地表覆被較好，林地(有林地、灌叢地和疏林地)為主要的土地利用類型，占該縣總面積的87.05%，其次為耕地，占總面積的9.43%，居民地及工礦用地、水體、草地和未利用地等面積比例為3.52%占總面積的2.82%，水體所占比重較小，為0.64%，草地(天然草地和人工草地)面積最小，僅占總面積的0.01%，未利用地占總面積的0.05%。

(2) 商南縣2010年由于夏季多次發生大暴雨，土壤侵蝕嚴重，平均侵蝕模數達4 953.76 t/km2。中度和劇烈侵蝕主要分布在北部兩岔鄉河，中部太吉河鎮，過風樓鎮，及東南部十里坪鎮、魏家臺鎮的山區地段。

(3) 商南縣各土地利用類型主要是以微度侵蝕〔<200 t/(km2·a)〕為主，強烈以上等級〔>5 000 t/(km2·a)〕的侵蝕的主要發生在是坡耕地和覆蓋度低、郁閉度小的林地，占對應總侵蝕面積的28.23%和37.62%。，此外，交通建設用地，由于其松散堆積物極易受到沖刷，強度級別以上〔>5 000 t/(km2·a)〕的侵蝕比重大(30.32%)，其侵蝕狀況不容忽視，應受到社會各界的充分關注。

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Analysis of Soil Erosion in Shangnan County Based on RUSLE

ZHANG Yangan1, SONG Xiaoqiang2, GAO Zhaoliang3, LI Junfeng4

(1.YanglingVocationalandTechnicalCollege,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.ShaanxiProvinceSoilandWaterConservationBureau,Xi’an,Shaanxi710003,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.NorthwestEmployeeTrainingCenterofSurveyingandMapping,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Abstract：[Objective] In order to understand and prevent the soil erosion in the upper reaches of the Yangtze River correctly, and to provide scientific basis for preventing and controlling the soil and water conservation, Shangnan County of Shaanxi Province, which is in the source of the Yangtze River, was taken as an example for analyzing the spatial distribution of soil erosion. [Method] Based on the Landsat TM7 and ETM+images, the information of land use in Shangnan County in 2010 was obtained. Using the revised universal soil loss equation(RUSLE), the present situation of soil erosion in Shangnan County was quantitatively evaluated and studied. [Results] The main land use type in Shangnan County is forest land, accounting for 87.05% of the total area of the county, followed by cultivated land(9.43%), the residents(2.82%), water(0.64%), unused land and grassland(0.06%). Soil erosion of Shangnan County in 2010 is serious because of the slope land and low covered forest grassland, and the average erosion modulus was 4 953.76 t/(km2·a). The erosion area(worse than light erosion) reached 1 319.3 km2, accounting for 57.03%. The total area of intensity erosion and more intensity erosion accounted for 24.10%, followed by the light erosion area, which accounted for 14.31%. The area of middle erosion and most intensity erosion accounted for 6.23% and 12.39% respectively. The area of most intensity erosion and intensity erosion is mainly distributed in the slope land of the northern, central and southeastern mountain area. Although the area ratio of most intensity erosion and intensity erosion is not very high, they has the biggest contribution to the total erosion amount of the county， up to 52.29%. [Conclusion] Inappropriate land use is the main cause of serious erosion. Therefore, the main object for the prevention in Shangnan County is the slope land of the northern, central and southeastern mountain area.

Keywords:soil erosion; evaluation; RUSLE; Shangnan County

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0311-05

中圖分類號：X144， S157.1

通信作者：高照良(1969—),男(漢族),河南省靈寶縣人,博士,副研究員,博士生導師,主要從事農業水土工程和荒漠化防治方面的研究。E-mail:gzl@ms.iswc.ac.cn。

收稿日期：2015-08-11修回日期：2015-11-30

資助項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目“農田水土保持關鍵技術研究與示范”(2011BAD31B01)

第一作者：張養安(1964—),男(漢族),陜西省商洛市人,副教授,主要從事水土保持、工程測繪類教學及研究。E-mail:zhang3303@126.com。