耦合RUSLE和景觀阻力的北部灣流域土壤侵蝕風險評價

李 彪，盧 遠，許貴林，何 文，蒙良莉

(1.廣西師范學院 地理科學與規劃學院/北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；2.廣西壯族自治區海洋研究院,廣西 南寧 530001)

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耦合RUSLE和景觀阻力的北部灣流域土壤侵蝕風險評價

李 彪1，盧 遠1，許貴林2，何 文1，蒙良莉1

(1.廣西師范學院 地理科學與規劃學院/北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；2.廣西壯族自治區海洋研究院,廣西 南寧 530001)

土壤侵蝕；RUSLE模型；景觀阻力；北部灣流域

以北部灣流域為研究區，考慮景觀阻滯作用進行土壤侵蝕風險評估，采用遙感影像等基礎數據，結合RUSLE模型，計算得到北部灣流域的土壤侵蝕模數，利用土壤侵蝕影響強度和土壤侵蝕風險指數分別表示土壤侵蝕對目標水體的泥沙輸移風險和土壤流失風險。結果顯示：在北侖河流域的西北部、東南部地區，防城江流域的西北部地區和南流江流域的局部地區現狀土壤侵蝕較嚴重；土壤流失風險高的地方位于南流江流域(六萬大山和大容山交界的局部區域)和鐵山港濱海平原盆地的西南部地區。

水土流失是全球性的重大環境問題之一，嚴重的水土流失會導致土地資源破壞、土地生產力降低、洪澇干旱災害加劇，對土壤結構、農業生產、水質和環境構成很大威脅。為優化水土資源利用和指導水土保持規劃，各國學者常采用預測估算的方法對土壤侵蝕量進行研究。土壤侵蝕是一個受多種因素驅動作用的自然過程，自然環境中景觀的作用對土壤侵蝕的影響很大。景觀是具有不同水土保持功能景觀單元的空間鑲嵌體，植被斑塊抑制土壤侵蝕，非植被斑塊促進土壤侵蝕的發生和泥沙的輸移過程。基于上述原理，本研究耦合RUSLE模型和景觀阻力對土壤侵蝕的影響，模擬了土壤侵蝕強度，將植被覆蓋度和地形坡度作為景觀阻滯作用的兩個因素，定量表征了北部灣流域的土壤侵蝕風險。

1 研究區概況

北部灣位于我國南海的西北部，地理坐標為北緯21°24′20″～22°01′20″、東經107°56′30″～109°40′00″，是由中國的廣西沿海、廣東雷州半島、海南西部，以及越南的東北部所圍成的天然半封閉淺水海灣[1]。研究區為我國廣西北部灣流域，包括欽江流域、大風江流域、防城江流域、黃竹江流域、南流江流域、九曲江流域、北侖河流域等。該區土地總面積23 277.8 km2，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，全年陽光充足，雨量充沛，年均氣溫22.0～23.4 ℃，年均降水量1 297～3 512 mm；山地、丘陵、盆地組合分布，地形起伏較大；屬喀斯特地區，石漠化嚴重，不合理的人類活動導致土壤流失加劇；植被覆蓋度較高，生物多樣性豐富；土壤類型主要有紅壤、赤紅壤、紫色土等。

2 研究方法

基于RS與GIS 技術，在合理計算各土壤侵蝕影響因子的基礎上，定量評價北部灣流域土壤侵蝕現狀，并以此為基礎研究景觀阻力與土壤侵蝕的關系。

2.1 土壤侵蝕量計算

考慮到研究區石漠化狀況嚴重，在RUSLE模型中引入石漠化因子，與其他因子結合計算土壤侵蝕量。加入石漠化因子的RUSLE模型計算公式為

A=RKLSCP(1-ω)

(1)

式中：A為年平均土壤侵蝕量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/( hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為地形因子；C為植被與作物管理因子；P為水土保持措施因子；ω為石漠化因子。

(1)降雨侵蝕力因子R。R值與降雨量、降雨強度、降雨歷時、雨滴大小、雨滴下降速度等有關，它反映了降雨對土壤的潛在侵蝕能力[2]。采用章文波等[3]提出的利用日雨量數據計算降雨侵蝕力的方法，即根據半月內日雨量不小于12 mm的降雨記錄，計算半月降雨侵蝕力、多年平均半月降雨侵蝕力、多年平均年降雨侵蝕力，然后利用普通克里金法對數據進行空間插值計算，得到研究區的降雨侵蝕力分布圖。

(2)土壤可蝕性因子K。K值是用于反映不同類型的土壤在相同條件下抗侵蝕能力的指標[4]。采用Williams 等建立的侵蝕-生產力影響模型EPIC中土壤可蝕性的計算方法[5]，得到研究區的K值。

(3)地形因子LS。地形因子是坡度和坡長因子的總稱，利用坡度因子L和坡長因子S作為地形復合因子值表示給定坡度和坡長情況下的土壤流失量比率。根據劉斌濤等[6]提出的南方土石山區土壤侵蝕方程修正算法編寫AML語言，在ArcGIS 10.0的workstation中實現地形因子的提取。

(4)植被與作物管理因子C。利用研究區Landsat TM遙感影像，計算該地區的歸一化植被指數(NDVI)值，根據像元二分模型原理[7]計算研究區的植被覆蓋度，并參考USLE手冊和張巖等[8-10]關于C值的研究成果，結合植被覆蓋度圖和土地利用類型圖計算研究區的C值。

(5)水土保持措施因子P。水土保持措施因子是指在其他條件相同的情況下，布設水保措施的坡耕地土壤侵蝕量與無任何水保措施的坡耕地土壤侵蝕量的比值[11-12]，它反映了水土保持措施對土壤侵蝕的抑制作用。根據研究區的土地利用類型判斷，并采取賦值定量的方法表示。P值介于0～1之間，即：P=0，表示該地區采取了相應的水土保持措施使得土壤侵蝕量為0；P=1表示該地區土壤侵蝕嚴重，并沒有采取水土保持措施抑制土壤侵蝕的發生。

(6)石漠化因子。考慮到研究區石漠化現狀，對石漠化因子進行量化作為土壤侵蝕定量評價因子參與計算。在RUSLE模型中引入石漠化因子ω，使評價結果更貼近喀斯特地區土壤侵蝕的客觀實際。本研究通過研究區TM影像計算得到基巖裸露率并對其進行分級，確定研究區的ω值。

2.2 耦合景觀阻力的土壤侵蝕量預測

(1)潛在土壤流失風險。潛在土壤流失風險的計算公式[13]為

(2)

式中：Lij為第i行第j列柵格單元的潛在土壤流失風險；b為曲線參數，按照坡面產沙量和植被覆蓋度的關系計算出坡面產沙量，再利用土壤流失量與坡面產沙量的關系建立回歸曲線y=e-bx；cij為第i行第j列柵格單元的植被覆蓋度。

(2)景觀阻力。在給定的景觀位置，植被覆蓋度和坡度是影響土壤流失的主要地表因素，因此植被覆蓋度和坡度的結合可表征景觀阻力(rij)，即景觀對泥沙輸移的阻滯作用，其計算公式為

(3)

式中：rij為第i行第j列柵格單元的景觀阻力；Sij為第i行第j列柵格單元的坡度；其余符號意義同上。

(3)土壤侵蝕影響強度。在土壤侵蝕過程中，單個柵格產生的泥沙進入水體的可能性與其遇到的阻力有關，可用泥沙運移路徑上的土壤流失風險表示，即泥沙每經過一個柵格均會產生土壤流失風險，某柵格上產生的泥沙進入水體的風險是泥沙到水體的路徑上所經過柵格產生的土壤流失風險之和[14]。利用單流向算法(假定每個柵格的水只流向相鄰柵格中最低的一個)，可用FL(r)表示某柵格上泥沙輸移過程中受到的阻滯作用，土壤侵蝕過程中某柵格對目標水體的泥沙輸出強度取決于該柵格上產生泥沙的強度(即侵蝕強度)與泥沙沿著水流路徑輸出至河道的風險(與水流加權路徑長度成反比)，則土壤侵蝕影響強度I的計算公式為

(4)

式中：I為土壤侵蝕影響強度，無量綱；A為平均土壤流失量，t/(hm2·a)；FL(r)為某柵格上泥沙向河道輸送過程中受到的阻滯作用。

(4)土壤侵蝕風險指數。就北部灣流域而言，劉宇等[14]的研究結果表明，流域的土壤侵蝕風險指數(LI)與平均植被覆蓋度、景觀阻力、流域輸沙模數有顯著的指數回歸關系，說明LI能很好地描述景觀特征下的土壤侵蝕風險，因此本研究選用LI來表征流域的土壤侵蝕風險，計算公式為

(5)

式中：LI為土壤侵蝕風險指數，其值介于0～1之間，數值越小表示土壤侵蝕風險越小，數值越大表示土壤侵蝕風險越大；Lcal為沿水流方向的逐步累積匯流算法計算的景觀滲透值；Lmin、Lmax分別為最小和最大景觀滲透值；k為土壤侵蝕風險與植被覆蓋度回歸曲線的斜率。

3 結果與分析

3.1 現實與潛在土壤侵蝕量

基于ArcGIS平臺，將RUSLE模型6個因子圖層統一轉化為同一坐標系下的30 m×30 m像元大小的柵格圖層，利用柵格計算器將各圖層相乘，根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)得到研究區土壤侵蝕強度空間分布圖。研究區現實、潛在土壤侵蝕量結果見表1。由表1可以看出，現實土壤侵蝕主要是微度和輕度侵蝕，分別占到研究區總面積的62.13%和20.13%，強烈侵蝕以上面積較少，僅占11.85%；潛在土壤侵蝕則以劇烈侵蝕為主，占到總面積的58.12%，表明在地理環境和人為因素的影響下，研究區土壤侵蝕程度將呈明顯加劇趨勢。空間分布：現狀土壤侵蝕，北侖河流域的西北部、東南部地區，以及防城江流域的西北部地區和南流江流域的局部地區土壤侵蝕較嚴重，其余大部分地區屬于微度、輕度侵蝕；潛在土壤侵蝕，除了鐵山港濱海平原盆地區屬于輕度和微度侵蝕，其余絕大多數地區為劇烈侵蝕。將現實土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量相減，即得到植被覆蓋和水土保持措施對土壤侵蝕的影響。

表1 研究區現實和潛在土壤侵蝕量 t/a

3.2 流域景觀阻力與土壤侵蝕風險

研究區現實土壤侵蝕影響強度較低的地方主要位于欽江流域的東北部和西南部、鐵山港濱海平原盆地(六萬大山一帶)、南流江流域東北部區域(大容山山脈一帶)，這些地區原生植被保存相對完整，植被覆蓋度較高，而且地形坡度較小，泥沙輸移過程中遇到的阻滯作用較大，土壤侵蝕程度較弱。潛在土壤侵蝕影響強度較高的地方主要位于北侖河流域、防城江流域的西北部，以及南流江流域東北部的山區，這些地方普遍地形坡度較大，容易誘發土壤侵蝕。

景觀阻滯作用受到多種因素的影響，主要影響因素是植被覆蓋度和坡度，即坡度越大、植被覆蓋度越低，景觀阻滯作用越小。在北侖河流域、欽江流域、大風江流域、九州江流域的大部分地區和南流江流域的中部地區，由于植被覆蓋度較高，泥沙運輸的過程中景觀阻滯作用增大，泥沙輸移的可能性減小，因此在很大程度上減輕了土壤侵蝕。在鐵山港濱海平原盆地和南流江流域的北部，坡耕地大量分布并且植被覆蓋度低，是北部灣流域劇烈侵蝕的集中分布區。

圖1為研究區土壤侵蝕風險指數分布情況。由圖1可以看出，研究區大部分地區土壤侵蝕風險指數LI值較低，如十萬大山山脈、六萬大山山脈等地區；LI值較高的地方主要位于南流江流域(六萬大山和大容山交界的局部區域)及鐵山港濱海平原盆地的西南部地區。根據土地利用調查結果，具有較高土壤侵蝕風險指數LI值的區域土地利用類型主要為耕地、建設用地或植被覆蓋度較低地類，這些地區泥沙輸移過程中所受的阻力小，更容易被輸送到水體中，因此土壤侵蝕的風險更高。

圖1 北部灣流域土壤侵蝕風險指數分布

4 結 論

(1)采用RUSLE模型進行研究區土壤侵蝕定量評價時，充分考慮廣西北部灣流域土壤侵蝕特點，以及喀斯特巖溶地區土壤侵蝕的特殊性、復雜性，引入石漠化因子ω對RUSLE模型進行修正，有助于更加準確地反映北部灣流域土壤侵蝕現狀和分布特征。

(2)現狀土壤侵蝕在北侖河流域的西北部、東南部地區，以及防城江流域的西北部地區和南流江流域的局部地區比較嚴重；潛在土壤侵蝕除了鐵山港濱海平原盆地區，其余絕大多數地區屬于劇烈侵蝕。

(3)考慮到植被覆蓋度和地形坡度兩個因素對土壤侵蝕的影響，計算了北部灣流域景觀對泥沙輸移的阻滯作用(土壤侵蝕影響強度)，以及整個北部灣流域的土壤侵蝕風險指數。土壤侵蝕風險高的地方位于南流江流域(六萬大山和大容山交界的局部區域)，以及鐵山港濱海平原盆地的西南部地區。耦合RUSLE模型和景觀阻力的作用可以更準確地計算北部灣流域的土壤侵蝕風險。

(4)結合RUSLE模型和景觀阻力對北部灣流域進行土壤侵蝕評價，得出的結果與實地調查的土壤侵蝕狀況定性結果對比，基本符合該地區的實際。但研究中還存在一些不足，比如在土壤侵蝕模數計算過程中土壤類型分布圖的分辨率較低，統計資料不夠完善，以及地形因子計算公式的適用性問題，此外在景觀阻力的應用過程中沒有考慮地表水分條件、植被冠層結構特征等對景觀阻滯作用造成的影響，再有就是沒有實現景觀指數與土壤流失量的定量研究，這些問題有待進行更深入的研究。

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(責任編輯 李楊楊)

廣西自然科學基金資助項目(2015GXNSFAA139234)

S157.1

A

1000-0941(2016)10-0053-04

李彪(1992—)，男，山西呂梁市人，在讀碩士，研究方向為GIS與RS在水土保持中的應用；通信作者盧遠(1971—)，男，廣西南寧市人，教授，博士，主要從事生態遙感與土壤侵蝕研究工作。

2016-01-11