基于RUSLE模型的加納水土流失定量模擬研究

莊園 劉友兆

【摘 要】文章以位于非洲西部的加納為研究區，基于基礎地理空間基礎數據庫和遙感解譯、反演數據成果，應用GIS技術和修正水土流失通用方程（RUSLE），對加納水土流失狀況進行了定量評估，重點分析了加納國家尺度上的水土流失驅動因子和水土流失強度的空間分布規律，并對模型模擬的不確定性進行了分析。研究表明：①加納平均土壤侵蝕模數為2.23 t·ha-1·y-1，全國每年土壤流失總量約為5 140.8萬t，總體土壤侵蝕強度以微度為主；②全國土壤侵蝕強度總體呈現中部盆地地區低、周圍高原山地高的空間分布格局，其中Volta、Western和Ashanti 3個省的水土流失情況最嚴重，而Central、Brong-Ahafo和Upper West等省份水土流失情況最輕微；③水土流失主要發生在闊葉林混合林地、裸地和灌木林地，熱帶草原和耕地的水土流失率分別為1.58 t·ha-1·y-1和2.18 t·ha-1·y-1。

【關鍵詞】水土流失；模型模擬；RUSLE；GIS；RS

【中圖分類號】S157 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0091-02

0 引言

水土流失會引起原位土壤退化、土地生產力降低，同時土壤侵蝕和泥沙搬運還使得土壤有機C、N的含量和組分產生變化，進而影響到全球C、N、P、S循環乃至全球氣候變化[1-4]。全球約有38%的農地由于水土流失而退化，非洲地區水土流失面積比例則為65%。非洲總體潛在侵蝕率為510 m3·km-2·y-1，是歐洲大陸的9倍，世界總體水平的10倍。

在非洲加納，盡管此前有少量的粗分辨率的、全球性的水土流失研究覆蓋了加納區域，同時也有一些更精細尺度的坡面和小流域水土流失研究。但總體來說，在加納國家尺度上的定量水土流失估算研究尚沒有系統、可靠的結果。考慮到近20年來加納受到人口增長的壓力，地區土地覆被和土地利用發生了重大變化，由此導致區域水土流失風險日益加劇。為此，本研究目標如下：{1}根據衛星遙感解譯、反演和其他地理空間數據，對影響水土流失的關鍵因子進行分析；{2}應用修正水土流失通用方程，完成對加納國家尺度上的水土流失定量評估。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

加納地處非洲西部、幾內亞灣北岸，位于4°45'N～11°N、1°15'E～3°15'W，西鄰科特迪瓦，北接布基納法索，東毗多哥，南瀕大西洋，國土面積為23.9萬km2。加納整體地勢西北高，東南低；境內中部為盆地，周圍有高原山地，50%以上領土屬于白沃爾特河盆地。最大河流為沃爾特河，在加納境內長1 100 km。博蘇姆推湖是加納唯一的內陸湖，位于庫瑪西地區，由火山噴發或隕石沖擊而成。

1.2 RUSLE模型

在RUSLE模型中，土壤侵蝕量由降雨侵蝕因子、土壤抗蝕因子、坡長坡度因子、覆被管理因子和水土保持措施因子的乘積決定。具體公式為A=R×K×LS×C×P。

上式中，A為年平均土壤流失量（t·ha-1·y-1），R為降雨侵蝕因子（MJ·mm·ha-1·h-1·y-1），K為土壤抗蝕因子（t·ha·h·ha-1·MJ-1·mm-1），LS為坡長坡度因子，C為覆被管理因子，P為水土保持措施因子。

本研究以2000—2014年的降雨量數據、土壤數據、DEM、遙感數據為基礎數據，在GIS支持下，首先計算得到上述水土流失各因子的空間分布數值，然后再估算得到加納共和國土壤侵蝕模數的空間分布。在估算水土流失量時，事先剔除了不易遭受土壤侵蝕的地表類型（如城市、冰川、濕地和水域）。

1.3 結果和討論

加納境內不易受侵蝕的土壤面積為0.8萬km2，占加納總面積的3.36%，主要為水域、濕地和城鎮；余下的23.1萬km2為水土流失發生區。

2014年，加納全國平均土壤侵蝕模數為2.23 t·ha-1·y-1，土壤損失總量約5 140.8萬t。參考中國水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》[5]可知：土壤侵蝕強度以微度（0～5 t·ha-1·y-1）為主，面積約21萬km2，占研究區域總面積的93%。此外，輕度侵蝕（5～10 t·ha-1·y-1）面積約9 119 km2（4.03%），中度侵蝕（10～20 t·ha-1·y-1）面積約3 441 km2（1.52%），強度侵蝕（20～50 t·ha-1·y-1）面積約1 885 km2（0.83%），極強（50～100 t·hm-2·y-1）和劇烈侵蝕（>100 t·ha-1·y-1）面積相當，分別為678 km2和7.5 km2，均占總研究區面積的0.3%左右（如圖1所示）。

從空間上看，水土流失強度的空間分布呈現中部盆地地區土壤侵蝕模數較低、周圍高原山地地區土壤侵蝕模數較高的規律，水土流失較嚴重區域集中在東北部Upper East和northern兩省交界的納潘杜里地區、東部沃爾特水庫的北部、東部及西南地區、西部Northern和Brong-Ahafo交界的Bui國家公園地區及加納西南大部分區域。

從省域上看，水土流失最嚴重的省份為Volta，平均土壤侵蝕模數達到4.82 t·ha-1·y-1；水土流失最輕微的省份為Central，其平均土壤侵蝕模數僅為0.53 t·ha-1·y-1。土壤侵蝕嚴重的省份有Volta、Western和Ashanti，這些省份中等及以上強度的水土流失國土面積占本省國土面積比例分別為5.65%、5.36%和5.12%；而Greater Accra、Eastern、Upper East、Northern和Brong-Ahafo 5個省份水土流失狀況一般，中等及以上強度的水土流失國土面積占本省國土面積比例分別為3.89%、3.28%、2.86%、2.18%和1.88%。相較之下，Central和Upper West 2個省份的水土流失最為微弱，中等及以上強度的水土流失國土面積占本省國土面積比例僅為0.72%和0.69%。

參 考 文 獻

[1]李占斌，朱冰冰，李鵬.土壤侵蝕與水土保持研究進展[J].土壤學報，2008（5）：802-809.

[2]張燕，彭補拙，高翔，等.人類干擾對土壤侵蝕及土壤質量的影響——以蘇南宜興低山丘陵區為例[J].地理科學，2002（3）：336-341.

[3]AREKHI S.Evaluating long-term annual sedimentyield estimating potential of GIS interfaced MUSLE model on two micro-watersheds[J].Pakistan Jour-nal of Biological Sciences Pjbs，2008，11（2）：270.

[4]NAHAYO L，LI L，KAYIRANGA A，et al.Agricult-ural impact on environment and counter measures in Rwanda[J].International Journal of Environmental Research & Public Health，2016，11（25）：2205-2212.

[5]SL190—2007，土壤侵蝕分類分級標準[S].

[責任編輯：鐘聲賢]