基于CSLE模型的天山北坡西白楊溝流域土壤侵蝕定量評價

盧 剛

(新疆維吾爾自治區水土保持與生態環境監測總站, 新疆 烏魯木齊 830000)

土壤侵蝕是地球表面的土壤物質在水力、風力等自然外力或人為因素的作用下發生的剝離、搬運和沉積的過程[1]。它在全球范圍內發生最廣泛，已經成為嚴重威脅著人類的生存與區域發展的重要生態環境問題[2-3]。土壤侵蝕研究受到國內外專家學者關注，經歷了從定性研究到定量研究的轉變[4]。面上土壤侵蝕評價主要的困難在于數據的可獲得性以及數據的質量[5]。遙感具有規則重復觀測能力，可以表征大面積的地表特征及變化[6]，是進行環境和災害動態監測的先進有效的技術手段。結合遙感技術手段，開展面上水土流失監測工作，國內外學者已有一些研究成果。經過近40 a的發展，由于該模型對大多數應用者具有簡單優勢，而至今應用較為廣泛[7-8]。另外GIS技術和RS技術促使在RUSLE模型在區域尺度上增加。GIS，RS和RUSLE模型結合提高了土壤侵蝕的數量和空間分布，同時可以降低評估成本和提高評估準確性[9]。通用土壤流失方程USLE[10-11]和修正通用土壤流失方程RUSLE[12]發展為國外經驗模型的典型代表。2000年胡良軍等[13]提出了基于遙感和GIS的區域水土流失定量評價方法。隨后國內學者應用國外經驗模型，對三江源[14]、江西省[15]、祁連山[4]、福建省長汀縣河田盆地區[16]等地開展研究，評估了面上區域水土流失強度及空間格局，明確了土地利用等因子和土壤侵蝕的關系。中國土壤流失預報方程(CSLE)是劉寶元等[17]依據USLE模型，利用黃土丘陵溝壑區徑流小區的實測資料提出。眾多國內學者，將GIS，RS與CSLE模型相結合，對陜西省[18]、孤山川流域[19]、山東省臨沂地區[20]，開展土壤侵蝕定量評估。可見在GIS和RS支持下，通過建立土壤侵蝕影響因子數據庫，利用土壤侵蝕模型(如USLE，RUSLE和CSLE)進行土壤侵蝕定量評價，是區域土壤侵蝕評價研究的基本趨勢，且多集中在濕潤區，而對新疆干旱區而言，面上土壤侵蝕研究相對較少。且研究新疆水土流失主要集中在降水較大的伊犁河谷區域[21-22]，天山北坡區域研究鮮見報道。新疆維吾爾自治區地處我國西北部，歐亞大陸腹地，屬典型的溫帶大陸性氣候，干旱少雨，但降水脈沖特征空間差異明顯[23]，降水量隨海拔升高而增加，呈山區降水多平原降水少的格局[24]，且具有增強的趨勢[25]。在天山北坡山區受季節性強降水影響，水蝕尤為明顯，為新疆天山北坡水力侵蝕的典型區。而這些地區恰恰是新疆旅游經濟和畜牧經濟增長點，因此以天山北坡西白楊溝流域為研究對象，采用樣地調查、地理信息系統(GIS)與遙感(RS)技術相結合方法，應用中國土壤流失預報方程(CSLE)，對西白楊溝流域進行土壤水力侵蝕評價及侵蝕強度空間分布分析，以期掌握西白楊溝的土壤侵蝕強度分布特征，地形和土地利用類型對土壤侵蝕量影響，可為新疆干旱區區域水土保持、土壤侵蝕研究提供數據支持，為新疆天山北坡區域經濟發展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西白楊溝流域(圖1)位于新疆維吾爾自治區天山中段北坡，烏魯木齊縣甘溝鄉內，距烏魯木齊市區約75 km，東經87°03′—87°14′，北緯43°21′—43°27′。屬溫帶大陸性氣候，四季分明，夏季日照時間長，冬季較短。多年平均降水量為452.02 mm，降水量在年內主要集中在5—9月，占全年降水量的75.59%，其中尤其以5—8月的降水量為最集中，占全年降水量的66.59%。多年平均氣溫1.14 ℃，晝夜溫差大，寒暑變化劇烈，日照時數長，熱量充足。平均大風日數20 d，風向多為東南風。流域面積約72.04 km2，地處中山區與低山區的過渡帶，地勢總體西南高，東北低，海拔高度約1 918～3 800 m，地面自然坡降為3.2%～5.1%。北坡地形陡峭，南坡地形坡度較緩。林地零星分布于陰面山坡，沖溝發育。土地利用類型多為天然牧草地(78.73%)和有林地(17.68%)。研究區內主要分布栗鈣土，質地為中、輕壤土，有機質含量在6.6～29.2 g/kg之間。植被主要生長蒿草、鴨茅、早熟禾、苜蓿、針茅、披堿草和云杉等。西白楊溝的水系發源于海拔3 319 m的北天山天格爾Ⅱ峰。上源由二條河道匯集而成，由西南向東北方向流，在白楊溝瀑布附近匯合，后繼續流向東北方向，最后注入大西溝，全長23 km。它是一條由冰雪融水、降雨及地下水混合補給的河流，其徑流組成大致為：冰川融水占12%，融雪水占37%，降雨占36%，地下水占15%。其多年平均徑流量為2.44×108m3，年最大徑流量3.44×108m3，年最小徑流量為1.75×108m3。

圖1 西白楊溝流域劃分及地形

1.2 數據獲取

(1) 空間數據。為了獲取CSLE模型中生物措施因子(B)，從美國地質調查局官網(USGS)獲取2015年8月的Landsat 8 OLI遙感影像，空間分辨率為30 m，融合處理得到空間分辨率為15 m，為了與地形數據空間分辨率對應，將其重采樣為10 m；基于新疆維吾爾自治區測繪局地形圖(1∶10 000)，采用ArcGIS軟件對地形圖數據處理得到10 m的數字高程模型數據(DEM)；獲取研究區2015年第二次土地調查的土地利用數據。

(2) 氣象數據。由于新疆的氣象站點多分布在平原區，在山區的氣象站點稀缺。為準確獲取天山山區降水數據，在距流域出水口1.5 km處布設一套自動氣象站，通過自動氣象站獲得2015年共15次降雨過程資料，以10 min為間隔記錄的降水數據。

(3) 土壤與植被蓋度。由于研究區處于天山山區，按照均勻樣點方式采樣比較難。在考慮土地利用、樣點分布及可到達基礎上，在研究區內布點(附圖1)，并進行實地的土壤采樣，分析土壤質地及有機質的含量。土壤有機質用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定；土壤顆粒組分采用篩分法和比重計法測定。對研究區內草地植被蓋度、林地郁閉度通過數碼相機照相獲取后處理得到。

1.3 土壤水力侵蝕量的計算方法

1.3.1 CSLE模型 本研究采用的是劉寶元參考USLE的有關思想針對中國實際提出適用于全國范圍的中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)模型[17]。其表達式為：

M=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：M——單位面積年均土壤流失量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔MJ/(hm2·a)(mm·h-1)〕；K——土壤可侵蝕因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡長因子；S——坡度因子單位；B——生物措施因子；E——工程措施因子；T——耕作措施因子。

1.3.2 降雨侵蝕力因子(R) 美國的Wischemeier等[11]于1971年進行了大量的樣地試驗，結合大量的實測資料，提出了以降雨總動能E和30 min最大降雨雨強I30的乘積作為降雨侵蝕力指標的經典計算方法。其表達式為：

R=E·I30

(2)

式中：R——降雨侵蝕力因子〔MJ/(hm2·a)(mm·h-1)〕；E——降雨總動能；I30——雨強。將上式計算出的每次降雨的降雨侵蝕力累加得到年降雨侵蝕力。由于區域面積不大，周邊相鄰的氣象站距離較遠，在距離研究區1.5 km處布設一個自動氣象觀測站，以10 min為間隔記錄的降水數據。因此采用EI30計算，“以點帶面”方法獲得研究區降雨侵蝕力因子。

1.3.3 土壤可侵蝕因子(K) 土壤可蝕性是指土壤受到侵蝕力的破壞性能的難易程度，是土壤對侵蝕介質的剝蝕和搬運作用的敏感性，是影響土壤侵蝕的內在因素。K的確定采用Williams等在EPIC模型中K的算法[26]。

(3)

式中：SAN——砂粒含量(%)；SIL——粉粒含量(%)；CLA——黏粒含量(%)；C——有機碳含量(%)； SN1=1-SAN/100。K值單位〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕。利用ArcGIS采用克里金法得出流域土壤K柵格圖(附圖2)，K的范圍為0.01～0.06〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕，與梁音等對新疆土壤可侵蝕K的研究成果[27]基本一致。

1.3.4 坡長因子值(L)與坡度因子值(S) 坡長與坡度反映了地形地貌特征對土壤侵蝕量的影響。采用Foster等[28]于1974年提出的分段坡坡長因子公式來計算區域上每一柵格的坡長因子，計算公式為：

(4)

式中：Li——第i個柵格的坡長因子；λout，λin——柵格出口及入口的坡長；m——坡長指數。根據劉寶元等[29]的研究結果，坡長指數m取值為:m=0.2，θ<0.5°；m=0.3°，0.5°≤θ<1.5°；m=0.4，1.5°≤θ<3°；m=0.5，θ≥3。根據國內外的研究成果，由于不同坡度對土壤侵蝕強度影響不同，在不同的坡度范圍下分別選用不同的公式來計算坡度因子。10°以下的坡度選用McCool[30]的公式，10°以上的坡度選用劉寶元等[31]的公式，計算公式為：

(5)

式中：S——坡度因子；θ—— 坡度(°)。

1.3.5 水保措施因子(BET) CSLE模型將水保措施因子分為生物措施因子(B)、工程措施因子(E)以及耕作措施因子(T)。植被指數作為一種重要的遙感歸一化參數，并已作為一種遙感手段廣泛應用于土地利用覆蓋探測、植被覆蓋密度評價、作物識別和作物預報等方面。本研究參照Choudhury等的研究成果[32]，利用Landsat8遙感影像，根據下式計算植被覆蓋指數：

NDVI=(IR-R)/(IR+R)

FCI=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(6)

式中：FCI——植被覆蓋度(%)； NDVI——歸一化植被指數值； NDVImax，NDVImin——研究區不同土地利用類型在95%和5%的置信區間的NDVI最大值和最小值。

本研究采用蔡崇法等[33]的方法，即根據生物措施因子(B)與植被覆蓋度FC的關系公式進行B值的估算(附圖3)，其值介于0～1之間。

(7)

式中：B——生物措施因子；FC——植被覆蓋度(%)。

工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)。根據高分辨率谷歌影像解譯，結合實地調查，確定研究區內無相關工程措施和耕作措施，均賦值為1。

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕強度分級面積與分布

依據國家水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》確定土壤侵蝕強度分級指標[16]，將流域土壤侵蝕強度分為6級，即微度〔0～1 000 t/(km2·a)〕、輕度〔1 000～2 500 t/(km2·a)〕、中度〔2 500～5 000 t/(km2·a)〕、強烈〔5 000～8 000 t/(km2·a)〕、極強烈〔8 000～15 000 t/(km2·a)〕和劇烈〔>15 000 t/(km2·a)〕。如表1所示，微度侵蝕面積為4 973.45 hm2，占流域總面積的69.03%；輕度侵蝕面積為1 546.49 hm2，占流域總面積的21.47%；中度侵蝕面積為558.46 hm2，占流域總面積的7.75%；強烈侵蝕面積為109.57 hm2，占流域總面積的1.52%；極強烈侵蝕面積為16.58 hm2，占流域總面積的0.23%。劇烈侵蝕面積為0.17 hm2，占流域總面積的0.002%。研究區內平均土壤侵蝕模數748.91 t/(km2·a)。天山北坡西白楊溝流域土壤侵蝕強度總體以微度和輕度為主。

表1 研究區土壤侵蝕強度分級面積表

微度侵蝕主要分布于西南高山區,西白楊溝流域上游區域；輕度侵蝕主要分布整個流域；中度侵蝕主要分布在流域的中游和下游；強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕主要分布在流域的中下游和下游(附圖4)。

2.2 坡度對土壤侵蝕的影響

將流域地形坡度以10°為間距，分為8類(表2)。在坡度20°～40°間，土壤侵蝕模數較高，在1 127.22～1 229.62 t/(km2·a)；在其他坡度范圍(<20°和>40°)土壤侵蝕模數較低，在113.12～833.17 t/(km2·a)之間。從不同坡度的土壤侵蝕模數標準差來看，在坡度20°～40°間的標準差較大，在1 396.90～1 425.482 t/(km2·a)范圍間；而在其他坡度(<20°和>40°)，其標準差在316.80～887.75間波動。從不同坡度的區域土壤侵蝕模數總數來看，在坡度20°～40°間，土壤侵蝕模數51 876.80 t/a，占總土壤侵蝕比重70.27%。可見整個流域內土壤侵蝕主要發生在坡度20°～40°間，主要原因是在20°～40°間土地面積較大，為4 405.02 hm2，且土壤侵蝕模數較高所致。坡度20°～40°間坡度較大，植被較稀疏，土壤可侵蝕性較高，三類關鍵因子耦合作用驅動水土流失，引起土壤侵蝕強度較大；而在坡度更大(>40°)區域，雖然植被稀疏，但基本為裸露巖石，三類關鍵因子綜合作用抑制土壤侵蝕。所以20°～40°區域應是今后該流域水土流失的重點治理對象。

表2 研究區不同坡度的土壤侵蝕模數

2.3 坡向對土壤侵蝕的影響

依據坡向(方位角)不同，以45°為角度間距，分為8個方向(表3)。在南坡侵蝕最高，為1 179.55 t/(km2·a)；其東南坡和東坡的侵蝕較高，分別為1 018.53，1 042.81 t/(km2·a)；而在北坡的侵蝕最低，為710.19 t/(km2·a)；其他坡向的侵蝕在744.50～909.42 t/(km2·a)間。從不同坡向的土壤侵蝕模數標準差來看，在南坡最高，為1 623.79；其次是東南、東、西南坡土壤侵蝕標準差，分別為1 530.69，1 456.44，1 267.41；在西、西北、北坡土壤侵蝕標準差較低，在841.32～870.40間。從不同坡向的區域土壤侵蝕模數總數來看，南坡土壤侵蝕模數總數最大，為11 189.55 t/a，占整個流域土壤侵蝕的17.10%；其次是在東南和東坡，土壤侵蝕總數分別為10 663.32，10 663.32 t/a，分別占整個流域土壤侵蝕的16.29%和15.36%；在西北坡土壤侵蝕總數最低，為5 173.93 t/a，僅占整個流域土壤侵蝕的7.91%。綜上所述，土壤侵蝕主要在南坡、東南坡和東坡易發生，且占整個流域土壤侵蝕總量比重較高。坡向對天山北坡的水熱分配較為明顯，促使土壤侵蝕強度的空間異質性較高。南坡、東南坡和東坡是今后該流域水土流失的重點治理對象。

表3 研究區不同坡向土壤侵蝕模數

2.4 土地利用類型對土壤侵蝕的影響

從土地利用角度來看，灌木林地平均土壤侵蝕模數最大1 709.80 t/(km2·a)；其次為有林地，平均土壤侵蝕模數達到1 389.40 t/(km2·a)。而天然牧草地、人工牧草地和水澆地平均侵蝕模數均較低，分別為605.20，334.71，113.69 t/(km2·a)。從侵蝕模數標準差來看，灌木林地和天然牧草地較高，分別為1 606.71，1 197.17。而人工牧草地和水澆地較低，分別為440.92和166.31，說明灌木林地和天然牧草地侵蝕模數變異性較大，人工牧草地和水澆地侵蝕模數變異性相對較小。從不同土地利用類型的土壤侵蝕模數總數來看，天然牧草地和灌木林地較高，分別為34 460.66，17 766.58 t/a。而人工牧草地和水澆地較低，分別為32.10，0.27 t/a。這主要是由于在流域內人工牧草地和水澆地面積較小，而且平均侵蝕模數也較低所致(表4)。

表4 不同土地利用類型的土壤侵蝕模數

3 討論與結論

3.1 討 論

(1) 天山北坡水土流失一直倍受學者和政府關注。本文以烏魯木齊縣西白楊溝流域為研究區，采用樣地調查、地理信息系統(GIS)與遙感(RS)技術相結合方法，應用中國土壤流失預報方程(CSLE)，對西白楊溝流域進行土壤水力侵蝕評價及侵蝕強度空間分布分析。發現天山北坡西白楊溝流域土壤侵蝕強度總體以微度為主，主要分布于西南高山區,西白楊溝上游區域；中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕也不容忽視，中度侵蝕主要分布在流域的中游和下游；強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕主要分布在流域的中下游和下游。

(2) 據2012年第一次全國水利普查水土保持情況公報，全國水力侵蝕面積為1.29×106km2，占普查范圍總面積的13.65%，其中輕度侵蝕面積最大，中度侵蝕面積次之，分別為51.62%和27.18%；新疆水力侵蝕總面積8.76×104km2，占普查范圍面積的6.77%，其中輕度侵蝕面積最大，中度侵蝕面積次之，分別為74.06%和21.04%[34]，可見新疆地區水力侵蝕強度低于全國平均水平，但占自治區面積比例較大，使得占全國侵蝕面積比例大。在天山北坡西白楊溝流域微度、輕度、中度侵蝕面積分別占流域總面積的69.03%，21.46%和7.75%；相比較而言，天山北坡西白楊溝流域侵蝕強度接近新疆平均水平。

(3) 新疆地區四周高山環繞，在地形上高山與盆地相間，形成明顯的地形單元，呈“三山夾兩盆”的特征，海拔-154～8 611 m之間，在每個地形單元中，由冰雪覆蓋的高山、淺山丘陵區、綠洲農業區、荒漠過渡帶和沙漠組成。新疆氣候屬典型的大陸性干旱氣候，南疆干旱，光照長，少雨，年降水量僅20～100 mm，而北疆卻達100～500 mm，山區多年平均年降水量在200～500 mm。依據《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》，在全年日平均風速<5 m/s，且年平均降水量>300 mm，天山北坡(山區)地區劃分為水力侵蝕區。由于南北疆氣候差異，兩大盆地的土壤植被呈現不同特點。天山北坡低山區，主要生長蒿草、鴨茅、早熟禾、苜蓿、針茅、披堿草和云杉等。山地以栗鈣土、灰褐土、黑氈土為主。基于以上地形、氣候、植被、土壤分異特征促使新疆水力侵蝕主要分布在北疆的伊犁州、天山南北坡地帶低山區域[34]。本文研究發現，中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕也不容忽視，中度侵蝕主要分布在流域的中游和下游；強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕主要分布在流域的中下游和下游，這與郭索彥[35]等研究結論基本一致。

(4) 有研究表明天山北坡水土流失中自然條件(降水)并不是導致泥沙產生的決定因素，山區日益擴張的放牧活動以及森林采伐行為，是影響河流泥沙輸沙量增加的主要因素[36]。

(5) 本文在利用中國土壤流失預報方程(CSLE)對天山北坡西白楊溝流域土壤水力侵蝕定量評價中依然存在亟待解決的問題。如植被蓋度因子采用了蔡崇法等方法直接計算，在新疆本地并沒有通過系統性試驗修正；降雨量空間差異較大，采用一個自動氣象站，“以點帶面”會帶來不確定性。西白楊溝流域是天山北坡放牧和旅游干擾典型區域，人為干擾影響到土壤結構、植被蓋度等因子，引起土壤可蝕性和植被蓋度因子動態變化，因此人為活動干擾將是天山北坡水土流失研究方向之一。

3.2 結 論

(1) 天山北坡西白楊溝流域平均土壤侵蝕模數748.91 t/(km2·a)，土壤侵蝕強度總體以微度為主，強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕主要分布在流域的中下游和下游。

(2) 地形因素對土壤侵蝕的影響呈明顯分異格局，在坡度20°～40°區域，土壤侵蝕模數最高，在1 127.22～1 229.62 t/(km2·a)之間。在緩坡(<20°)區域，坡度對土壤侵蝕模數呈正效應，而在陡坡(40°～70°)區域，坡度對土壤侵蝕模數呈負效應。土壤侵蝕主要在南坡、東南坡和東坡，且占整個流域土壤侵蝕總量比重較高。

(3) 不同土地利用方式對土壤水力侵蝕程度影響不同。灌木林地平均土壤侵蝕模數最大1 709.80 t/(km2·a)；其次為有林地，平均土壤侵蝕模數達到1 389.40 t/(km2·a)。而天然牧草地、人工牧草地和水澆地平均侵蝕模數均較低，分別為605.20，334.71，113.69 t/(km2·a)。