基于USLE 的廣東省喀斯特地區(qū)小流域土壤侵蝕分布情況及治理模式探討

岑 穎，姚成平，張曉遠(yuǎn)

（廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635）

自20 世紀(jì)以來，各地區(qū)針對喀斯特石漠化的治理一直在進(jìn)行，我國實(shí)施多項(xiàng)相關(guān)工程[1]，如國家“十五”計(jì)劃的黔滇桂巖溶地區(qū)石漠化綜合治理工程，對當(dāng)?shù)厮亮魇е卫砉ぷ髯坑谐尚А凡惺菑V東省喀斯特地區(qū)石漠化程度最為嚴(yán)重的縣市之一，石漠化問題突出，嚴(yán)重制約本地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。加快石漠化治理步伐，盡快控制石漠化擴(kuò)展的趨勢，進(jìn)一步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，是樂昌市當(dāng)前一項(xiàng)十分艱巨而且緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。本文基于USLE 分析樂昌市秀水小流域水土流失現(xiàn)狀，分析土壤侵蝕分布狀況，探討其綜合治理模式。

1 流域概況

秀水小流域位于粵北山區(qū)，地處廣東省樂昌市秀水鎮(zhèn)，土地總面積為41.51 km2，約占秀水鎮(zhèn)面積的3/4。秀水鎮(zhèn)位于樂昌市西北部，西部和北部與湖南省相鄰，東部和南部分別與樂昌市梅花鎮(zhèn)、云巖鎮(zhèn)和沙坪鎮(zhèn)接壤[2]。

秀水小流域地表巖性以石灰?guī)r和砂頁巖為主，地貌類型包括低山、丘陵、臺地、平原和河流階地等，以低山為主，其次是丘陵。流域?qū)倏λ固氐孛玻規(guī)r地區(qū)巖石裸露、黃壤土層淺薄，一般在10 cm～50 cm 不等。

2 水土流失現(xiàn)狀

根據(jù)廣東省喀斯特山區(qū)環(huán)境的特點(diǎn)，以USLE 作為喀斯特地區(qū)土壤侵蝕模型，對水土流失單因子計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化與修正[3]。以柵格數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，將小流域各水土流失影響因子數(shù)據(jù)柵格化，把土壤侵蝕與石漠化的分析結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)二者在水土流失區(qū)域相關(guān)性評價。以AcGIS10 的ARC/INFO，ARCVIEW為平臺，使所有相關(guān)數(shù)據(jù)信息處于統(tǒng)一平臺上，通過柵格數(shù)據(jù)的疊加運(yùn)算獲得水土流失分布情況。通過GIS 技術(shù)的強(qiáng)大空間組織與分析運(yùn)算能力，結(jié)合以往調(diào)研方法的數(shù)據(jù)加以集合利用。以USLE 模型為核心，整合所需的數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星地形圖、周邊降雨站測量數(shù)據(jù)、土地利用分類與林草植被覆蓋數(shù)據(jù)。經(jīng)過各因子算式疊加運(yùn)算，計(jì)算出每個柵格的水土流失模數(shù)，然后匯總獲得整個小流域的土壤侵蝕分布情況。

以通用水土流失方程（USLE）為基礎(chǔ)，建立喀斯特地區(qū)水土流失方程為：

式中：A 為土壤侵蝕量，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·h/（MJ·mm）；LS 為坡長坡度因子，無量綱，其中L 為坡長因子，S 為坡度因子；C 為植被覆蓋因子，無量綱；P 為水土保持措施因子，無量綱。模型中的R、K、S、L、C、P 因子的算式和算法在經(jīng)典USLE 計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)小流域環(huán)境特點(diǎn)及數(shù)據(jù)信息情況進(jìn)行修正。

3 土壤侵蝕分布情況

柵格數(shù)據(jù)能夠非常方便的對同一地區(qū)多層面數(shù)據(jù)進(jìn)行空間綜合分析處理，在GIS 與遙感圖像信息處理工作中，可以簡單實(shí)現(xiàn)不同波段遙感圖像信息的數(shù)據(jù)處理，還可以整合不同時間段的數(shù)據(jù)信息對其進(jìn)行水土流失或其他領(lǐng)域動態(tài)變化分析和預(yù)測[4]。該項(xiàng)技術(shù)在使用計(jì)算機(jī)電子圖及制圖與分析其他數(shù)據(jù)有重要的研究價值。

利用土壤侵蝕通用方程式計(jì)算土壤侵蝕量時，將獲取的影響土壤侵蝕的各水土流失單因子圖層進(jìn)行處理，令其符合以下條件：①具有相同的坐標(biāo)投影系統(tǒng)；②具有相同的數(shù)據(jù)格式；③具有相同的網(wǎng)格大小。通過這些數(shù)據(jù)的處理就可以利用Arcgis 軟件多層面柵格數(shù)據(jù)函數(shù)的復(fù)合運(yùn)算進(jìn)行逐柵格的計(jì)算，見圖1。

圖1 復(fù)合運(yùn)算示意圖

土壤侵蝕模數(shù)I 為水土流失量A 除以面積，在Arcgis 軟件中把之前處理得到的各個水土流失單因子圖進(jìn)行混合處理，通過空間分析模塊中的“Raster Calculator”功能來求出土壤侵蝕模數(shù)。由于R 因子的單位是MJ·mm/ha·hr·a，K 因子的單位是t·ha·hr/（hm2·MJ·mm），所以計(jì)算得到I 的單位為t/（km2·a）。

通過ArcGIS 軟件的“Spatial Analyst”模塊將圖1 中各水土流失單因子圖層依據(jù)USLE 表述的關(guān)系疊加，得到土壤侵蝕量分布圖。然后根據(jù)小流域遙感影像、土地利用類型數(shù)據(jù)，利用1∶10000 地形圖，分析小流域的水土流失情況，最后結(jié)合土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)，得到研究區(qū)土壤侵蝕分布情況，見圖2。

圖2 秀水小流域土壤侵蝕分布圖

土壤侵蝕強(qiáng)度一般通過實(shí)地調(diào)查地面坡度、植被覆蓋度等水土流失因子所確定。本研究土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)主要按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）中面蝕（片蝕）分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，見表1、表2。

表1 面蝕（片蝕）分級指標(biāo)

表2 水力侵蝕強(qiáng)度分級

4 治理模式

廣東省喀斯特地區(qū)屬峰林平原石漠化綜合治理區(qū)，全省喀斯特地區(qū)自然、社會、經(jīng)濟(jì)條件基本一致，石漠化成因大致相同，且主要集中在粵北巖溶山地，故采取的治理措施大致相同。

喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理以增加巖溶土地植被覆蓋度，減輕石漠化強(qiáng)度，治理石漠化為目標(biāo)，在切實(shí)保護(hù)好現(xiàn)有森林資源的同時，嚴(yán)格實(shí)施封山育林措施，對石漠化程度較高的山地進(jìn)行封禁；充分合理利用山地資源和陡坡退耕地，采取人工造林方式建設(shè)水土保持林和發(fā)展經(jīng)果林，在增加經(jīng)濟(jì)收入的同時盡快恢復(fù)森林植被；適度開展坡改梯建設(shè)，配套建設(shè)引水渠、山塘等小型水利水保設(shè)施，提高坡改梯穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)能力，為退耕還林創(chuàng)造條件；加強(qiáng)水系工程建設(shè)，增加雨水集蓄利用，有效利用水資源[5]。

按照因地制宜的原則，對流域的相關(guān)水資源最大利用，改善當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活條件，通過封山育林、種植水土保持林和經(jīng)果林、坡改梯以及小型蓄水保土工程等措施，治理石漠化和水土流失現(xiàn)象，保護(hù)水土資源，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

封山育林范圍選擇在內(nèi)山高坡陡、石漠化程度高、土層淺薄、造林難度大或現(xiàn)狀基本為無林地、疏林地、未利用地及喬灌蓋度小于50%潛在石漠化土地；水土保持林及經(jīng)果林布設(shè)在相對高差不大、巖石裸露較少、土壤條件較好的石漠化山地中，其中，經(jīng)果林主要布設(shè)在村莊附近較平緩的陽坡地塊；坡改梯選擇在25°以下、土質(zhì)較好、交通比較方便、有利于實(shí)現(xiàn)水利化的緩坡地進(jìn)行，引水渠、田間道路與梯田綜合配套，優(yōu)化布設(shè)；田頭水池等小型蓄水工程主要布設(shè)在田頭、道路、果園或較平緩的坡地旁，易于匯集徑流，方便灌溉；飲水工程靠近水源布設(shè)，通過敷設(shè)引水管道重點(diǎn)解決人口集中的村落人畜飲水問題；通過新建沼氣池改善能源結(jié)構(gòu)，按現(xiàn)有能源實(shí)際利用情況，提出各村新建沼氣池的數(shù)量。

5 結(jié)語

基于USLE 利用遙感與GIS 技術(shù)對廣東省喀斯特地區(qū)土壤侵蝕與石漠化情況進(jìn)行研究，使小流域土壤侵蝕分布狀況及侵蝕程度分析更加準(zhǔn)確，為小流域的水土流失治理起到參考作用。目前，利用USLE 結(jié)合遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對土壤侵蝕及相關(guān)調(diào)查進(jìn)行應(yīng)用是一個很廣闊的課題，土壤侵蝕研究與遙感和GIS 技術(shù)的結(jié)合才剛起步，還需要充分開拓遙感和GIS信息技術(shù)應(yīng)用范圍。