基于GIS與RUSLE的土壤侵蝕量時空變化分析

李雪瑩，楊 俊，楊 陽，王 雪

（1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京 100875；2.遼寧師范大學 城市與環境學院，遼寧 大連116029；3.北京師范大學 減災與應急管理研究院，北京 100875）

基于GIS與RUSLE的土壤侵蝕量時空變化分析

李雪瑩1，楊 俊2，楊 陽1，王 雪3

（1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京 100875；2.遼寧師范大學 城市與環境學院，遼寧 大連116029；3.北京師范大學 減災與應急管理研究院，北京 100875）

基于修正的土壤流失方程（RUSLE），運用RS和GIS技術對葫蘆島市的土壤侵蝕狀況進行分析。結果表明，葫蘆島市年均土壤侵蝕量17 867 598．32 t，年均土壤侵蝕模數為16．13 t/（hm2×a），屬于輕度侵蝕。葫蘆島市中度侵蝕以上的土壤侵蝕面積占總侵蝕面積的11．31%，土壤侵蝕模數占總侵蝕量的40．17%。中度侵蝕以下的土壤侵蝕面積占總侵蝕面積的88．96%，土壤侵蝕量占總侵蝕量的59．83%，研究區土壤侵蝕空間差異性大。分析土壤侵蝕與坡度和土地利用之間的關系表明，6°～25°為研究區主要侵蝕坡度段，裸土地、旱地、林地和草地是研究區土壤侵蝕的主要發生區，葫蘆島市應將其列為水土保持重點治理對象，采取有效措施，改善土壤侵蝕現狀。

土壤侵蝕；RUSLE；GIS；葫蘆島市

土壤侵蝕是指地球表面土壤及其母質在重力、水力、風力、凍融、人類不合理生產活動等自然因素和人為因素的綜合作用下所發生的各種破壞、分離（分散）、搬運（移動）和沉積現象，是最敏感的生態致災因子之一，一直是水土保持研究的重點[1-6]。我國對土壤侵蝕的研究多集中于大尺度區域，小尺度區域的研究較為薄弱[7-15]。本文針對葫蘆島市的土壤侵蝕問題，運用修正的RUSLE模型與GIS技術相結合，進行土壤侵蝕量估算，分析其侵蝕現狀和空間分布特征，為葫蘆島市土壤侵蝕的預測預報和防治提供科學依據[16-21]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

葫蘆島市位于東經119°13'～121°02'、北緯39°59'～41°14'，屬遼寧省西部侵蝕褶皺低山丘陵區，地勢由西向東逐漸降低，總面積10 414．93 km2；農用地面積7 271．02 km2，占土地總面積的69．8%。其中，林地面積占農用地面積比重較大，為37．17%。土壤以褐土、棕壤土和草甸土為主，有機質含量較低，保水保肥能力較差。葫蘆島市屬北溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期，日照時數為2 600 h～2 800 h，年均降水量550 mm～650 mm，年平均氣溫8．5 ℃～9．5 ℃。

1.2 基礎數據采集及處理

本文采用的遙感影像為2013年6～9月的Landsat ETM，空間分辨率15 m×15 m，在ENVI4．8軟件支持下進行預處理及分類。基礎數據還包括來自建昌、綏中、興城等12個雨量站1964～2013年間的降水數據、1∶1 000 000土壤類型數據、2013年土地利用類型數據以及研究區1∶50 000數字高程模型（DEM）等。

1.3 模型選擇與研究路線

土壤侵蝕量計算的具體研究路線如圖1所示。土壤侵蝕過程是水文因子、氣象因子、下墊面因子的函數[22]。修改的RUSLE土壤流失方程包括土壤質地、降水、植被、坡度、坡長及人類活動干擾等影響因子。

土壤流失量計算公式如式（1）。

圖1 研究技術路線圖

式中，A表示土壤流失量（t·hm-2·a-1）；R表示降雨侵蝕因子（MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）；K表示土壤可蝕性因子（t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1）；L、S表示地形因子，由坡長和坡度因子組成；C表示植被覆蓋因子；P表示水土保持措施因子。

2 土壤侵蝕量的估算

2.1 模型各因子值確定和因子圖層生成

1）降雨侵蝕力因子。降雨強度、降雨量、降雨歷時等都與土壤侵蝕有著密切的關系，因此降雨是引起土壤侵蝕的一個重要因子。降雨侵蝕因子通常采用Wischmeier經驗公式，既考慮年降水總量，又考慮降水的年內分布[23]：

式中，Pi為汛期各月平均降雨量（mm）；P為年總降雨量（mm）。根據建昌、綏中、興城等12個雨量站1964～2013年的月平均降雨數據（氣象站分布如圖2所示），基于式（2）得到每個雨量站的降雨侵蝕力因子R，采用Kriging插值后得到研究區降雨侵蝕力的空間分布，如圖3所示。

圖2 葫蘆島市周邊雨量站分布圖

圖3 葫蘆島市降雨侵蝕力因子分布圖

2）土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子（K）的大小表示土壤被侵蝕的難易程度。一般說來，質地越粗或越細，土壤越不易侵蝕，而質地適中的土壤較易侵蝕。本文采用Williams等[24,25]在EPIC（erosion productivity Impact alculator）模型中的方法求算K值：

式中，s1為砂粒含量（%）；s2為粉粒含量（%）；n為黏粒含量（%）；c為有機碳含量（%）； s3=l-s1/100。根據第二次土壤普查資料，收集研究區各種土壤類型的機械組成、粒級含量、有機質含量等數據代入公式中，近似確定出葫蘆島市不同土壤類型的可蝕性因子K值，如表1。將K輸入土壤圖屬性庫中，轉化為K因子柵格圖（圖4）。

圖4 葫蘆島市土壤可蝕性因子分布圖

3）坡度、坡長因子（LS）的獲取。LS因子反映地形地貌特征對土壤侵蝕的影響。在其他地理環境因子相同的條件下，隨著坡長與坡度的增大，土壤侵蝕增多。本文采用 Wischmeier[26]提出的因子計算方法：

式中，λ為坡長，β為坡度，m為隨坡度變化的變量。當坡度＞2.86°時，m為0.5；當坡度在1.72°～2.86°時，m為0.4；當坡度在0.57°～1.72°時，m為0．2。根據1∶50 000DEM圖和式（4）提取研究區等高線，建立DEM模型，形成90 m×90 m單元格grid圖，求出LS圖層（圖5）。

圖5 LS地形因子分布圖

4）植被覆蓋因子。植被覆蓋因子C是在相同的土壤、坡度和降雨條件下，某一特定作物或植被的土壤流失量與耕種過后連續休閑地的土壤流失量的比值。其值范圍一般為0～1。C值與植被類型、植被覆蓋度有關。當地面完全裸露時，C值為1；當地面植被覆蓋度高時，C值可取0．001。植物的覆蓋可抑制土壤侵蝕的發生，覆蓋度越高，土壤流失量越少[27,29]。本研究采用蔡崇法[28]提出的植被覆蓋度與C因子的方程：

式中，C為植被覆蓋因子；c為植被覆蓋度。

葫蘆島市的主要土地利用類型包括耕地、林地、居民點、旱地等，利用葫蘆島市2013年6～9月Landsat ETM遙感影像數據計算NDVI值，再利用NDVI值計算植被覆蓋度，并將植被覆蓋度與土地利用結合測定C因子值，賦值如表2，最后求出植被覆蓋因子分布圖（如圖6）。公式為：

式中，NDVIx為完全被植被覆蓋的像元的NDVI值；NDVI0為無植被覆蓋或裸土的像元的NDVI值。

表2 不同土地利用類型的C因子值

圖6 葫蘆島市植被覆蓋因子分布圖

5）水土保持措施因子。水土保持措施因子P是針對研究區采取特定防治措施后的土壤侵蝕量與順坡種植時沒有采取相應措施的土壤侵蝕量之比[30]。本研究主要參照美國農業部手冊703號和解譯出的當地土地利用現狀圖及董婷婷、劉得俊等的研究成果[31,32]，得出P值，見表3。并且將P值以土地利用類型為單元賦值生成P值柵格圖（如圖7）。

表3 葫蘆島市不同土地利用類型的P因子值

圖7 葫蘆島市水土保持措施因子分布圖

2.2 土壤侵蝕量計算及強度分級

將上述各因子圖層轉化成同一個坐標系下的柵格圖，利用ArcInfo軟件的空間分析模塊疊加分析，將各因子連乘，最后得到研究區土壤侵蝕空間分布圖。再根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》（SLl90-96）確定土壤侵蝕強度分級指標，由研究區土壤侵蝕空間分布圖生成土壤侵蝕強度等級圖（圖8）。

圖8 葫蘆島市土壤侵蝕強度分級圖

3 結果分析與討論

3.1 葫蘆島市土壤侵蝕現狀分析

基于RUSLE葫蘆島市土壤侵蝕強度分級圖可以看出，葫蘆島市土壤侵蝕以中度侵蝕以下為主，其中興城市和綏中縣土壤侵蝕較為嚴重，是土壤侵蝕防治的重點區域（見表4）。葫蘆島市年均土壤侵蝕總量為17 867 598．32 t，年均土壤侵蝕模數為16．13 t/（hm2·a），屬于輕度侵蝕。葫蘆島市中度侵蝕以上的土壤侵蝕面積為1 177．93 km2，占總侵蝕面積的11．31%。雖然面積小，但土壤侵蝕的模數很高，占侵蝕總量的40．17%。微度、輕度、中度土壤侵蝕的面積占總面積的88．96%，占侵蝕總量的59．83%。所以對于葫蘆島市而言，中度侵蝕以下的侵蝕級別是重點侵蝕級別，但在加強治理此地區的同時也不能忽視中度侵蝕級別以上的地區的整治。

表4 葫蘆島市土壤侵蝕強度等級

3.2 土地利用類型對土壤侵蝕的影響

利用ArcGIS將土地利用類型圖和土壤侵蝕強度等級圖進行疊加分析，獲得不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數與土壤侵蝕量（表5）。從表5可以看出，葫蘆島市的主要土地利用類型為林地（有林地、灌木林、疏林地、其他林地）和旱地，所占比重分別為37．17%和30．16%；草地（高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地）與灘地面積次之，分別占9．09%和11．66%；最少的為裸土地，僅占6．37%。其中土壤侵蝕量最大的為旱地，所占侵蝕總量比重為23．43%，是水土流失最嚴重的地區；林地與草地的土壤侵蝕量也略多，比例分別為22．16%和14．47%。除此之外，裸土地的土地面積雖然少，但年均侵蝕模數很大，屬于極劇烈侵蝕，因此土壤侵蝕量也很大，占總侵蝕量的13．34%；其他土地利用類型的土壤侵蝕量則相對較少。因此裸土地、旱地、林地和草地是研究區土壤侵蝕的主要發生區域，應加大對這些區域的水土保持治理力度。另外，農村居民點侵蝕量比值比城鎮用地比值多4．25個百分點，說明農村居民點比城鎮用地更易水土流失，葫蘆島市應該在農村地區加強土地利用改造，以減少農村地區的水土流失。

表5 不同土地利用類型的土壤侵蝕

3.3 土壤侵蝕的坡度分布特征

根據葫蘆島市不同坡度帶的平均土壤侵蝕模數與土壤侵蝕量表（表6）可以看出，坡度在6°以下的區域占研究區總面積的46．31%，但是對土壤侵蝕總量的貢獻率僅有8．63%，年均土壤侵蝕模數僅為6．13 t/(hm2·a)，屬于微度侵蝕；6°～10°坡度帶屬于輕度侵蝕；10°～15°坡度帶屬于中度侵蝕；15°～25°坡度帶屬于強度侵蝕；25°以上的土地面積僅占研究區面積的7．06%，但對土壤侵蝕總量的貢獻率高達19．90%，年均土壤侵蝕模數為158．33 t/(hm2·a)，屬于極強度侵蝕。這一現象表明,研究區土壤侵蝕強度與坡度呈正相關關系，隨著坡度的增大，平均土壤侵蝕模數上升。坡度在6°～25°之間的土壤侵蝕量為12 938 648．5 t，對土壤侵蝕總量的貢獻率為72．47%，是研究區的主要土壤侵蝕坡度段。因此，6°～25°坡度帶是葫蘆島市土壤侵蝕防治的主要區域，加強該區域的土壤侵蝕治理會大量減少土壤侵蝕面積與土壤侵蝕總量。

表6 葫蘆島市不同坡度帶的平均土壤侵蝕模數與土壤侵蝕量

4 結 語

應用RS和GIS技術，并在RUSLE模型的基礎上對葫蘆島市的土壤侵蝕量進行定量估算，研究并分析了土地利用類型和地形坡度對土壤侵蝕空間差異性的影響。結果表明，全市年均土壤侵蝕總量為17 867 598．32 t，年均土壤侵蝕模數為16．13 t/(hm2·a)，屬于輕度侵蝕。從土壤侵蝕的空間特征分析，6°～25°坡度帶，以及裸土地、旱地、林地和草地是研究區土壤侵蝕的主要發生區域，這些區域是研究區土壤侵蝕防治的重點，葫蘆島市相關部門應及時采取有效對策來減少土壤流失量，改善生態環境，為葫蘆島市的可持續發展提供空間和條件。

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P273

B

1672-4623（2016）04-0065-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.022

李雪瑩，研究生，研究方向為土地利用規劃，地理教育。

2013-08-21。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（4047017）；國家大學生創新創業訓練計劃資助項目（201310165011）。