綏中縣寬邦鎮大栗小流域土壤侵蝕特征研究

劉 偉

(綏中縣水利事務服務中心，遼寧 葫蘆島 125200)

目前，主要有侵蝕針法、核素示蹤法、徑流小區觀測法以及人工模擬降雨法等土壤侵蝕研究方法[1-6]。然而，這些方法主要局限于較小范圍，投入的人力、時間和資金較多，推廣使用難度較大。因此，許多方程和模型逐漸被應用于水土流失、土壤侵蝕評價，如RUSLE方程、USLE方程及CSLE方程等，物理模型有水土評價模型、水蝕預報項目以及歐洲土壤侵蝕模型等[7]。但是，物理模型的參數計算復雜，所需數據較多，而RUSLE/USLE模型的數據易獲取且機制較簡單，國內外學者研究應用較多，如楊任翔等[8]通過徑流小區觀測探討了赤紅壤坡面土壤侵蝕受高頻次、高強度降雨下甘蔗種植模式的影響特征；謝如林等[9]應用田間監測法揭示出不同施肥模式下，旱坡地地表徑流造成的氮、磷流失及土壤侵蝕特征；朱青等[10]利用隨機森林法和RUSLE模型，定量研究了影響土壤侵蝕的因子及其程度；Lu等[11]將GIS、RS技術和USLE方程相結合，探討了亞馬遜流域的土地覆蓋、土地利用與土壤侵蝕風險之間的關系，結果表明土壤侵蝕風險的增加主要與森林向其它土地覆蓋的轉變有關；Sinha等[12]采用USLE方程估算了耕地土壤流失現狀，結果顯示土壤流失受人類活動即作物因素的影響顯著。

結合相關文獻資料，利用土壤侵蝕方程和GIS技術等定量估算土壤侵蝕速率、侵蝕特征的研究還鮮有報道。因此，文章以綏中縣寬邦鎮大栗小流域為例，將RUSLE方程和GIS技術相結合定量估算了其平均土壤侵蝕速率，確定不同子流域的土壤侵蝕狀況和等級，探討土壤侵蝕強度與土地利用類型、不同坡度的關系，旨在為科學防治遼西低山丘陵區小流域土壤侵蝕提供一定指導。

1 研究區概況

大栗小流域位于綏中縣寬邦鎮境內，屬六股河下游，介于E120°3′51″-120°8′43″、N40°32′59″-40°37′10″之間，總面積31.08km2，可劃分成DS1、DS2、DS3三個子流域，所對應的面積分別為5.30km2、14.94km2、10.84km2。流域內地形以丘陵地貌為主，氣候屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量620.80mm，年內分配不均勻，多集中在7、8、9三個月。土壤類型以棕壤土為主，pH值接近6.3，樹種以人工林為主，灌木樹種主要有紫穗槐、荊條、棉槐，刺槐等，經濟林主要有白梨、蘋果，林木成材率較低，林草植被覆蓋率67.13%。

大栗小流域土地總面積3107.50hm2，其中耕地737.71hm2(占比23.74%)，經濟林155.90hm2(占比5.02%)，設施農用地6.65hm2(占比0.21%)，林地1910.13hm2(占比61.47%)，荒地62.10hm2(占比2.00%)，村鎮及工礦用地145.62hm2(占比4.69%)，果園20.00hm2(占比0.64%)，河灘地69.39hm2(占比2.23%)。農、林、果用地比例為1∶2.59∶0.24，農業用地中，坡耕地259.70hm2，坡度集中在3-15°，占總耕地的35.20%。

2 研究方法

2.1 數據來源

文章所用數據主要有：①2020年月尺度和年降雨量，流域內降雨數據由雨量監測站提供；②流域內土壤屬性和類型數據來源于1:100萬中國土壤類型數據庫，土壤理化性質由野外實測確定；③流域內數字高程模型DEM來源于測繪所得數據，空間分辨率5m；④2020年土地利用圖由無人機航拍影像圖測定；⑤以植物生長期無人機拍攝的四景可見光正射影像圖提供2020年流域植被覆蓋度數據來源。

2.2 RUSLE模型因子

大栗小流域土壤侵蝕速率利用RUSLE方程來估算，其表達式為：

A=R×K×S×L×C×P

(1)

式中：A為土壤侵蝕速率，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)]；S為坡度因子(無量綱)；L為坡長因子(無量綱)；C為地表覆蓋與作物管理因子(無量綱)；P為水保措施因子(無量綱)，無量綱因子的取值區間為0-1。

1)采用降雨侵蝕力因子R反映降雨對土壤侵蝕的影響，文章利用Wischmeier[13]所給出的簡化算法計算R因子值，即：

(2)

式中：P為年降水量，mm；Pi為月降水量，mm。將大栗小流域2020年月降雨量和年降雨量數據代入公式，經反距離和加權內插運算生成流域內年降雨侵蝕力圖。

2)采用土壤可蝕性因子K描述土壤對侵蝕的敏感程度，文章利用Williams[14]所提出的有機碳含量和土壤機械組成公式計算K因子值，即：

(3)

式中：SAN為0.050-2.000mm的沙粒質量分數，%；SIL為0.002-0.050mm黏粒的質量分數，%；其中SN1=1-SAN/100；C為土壤有機碳質量分數，%；CLA為<0.002mm黏粒質量分數，%。

采用Arc GIS軟件和1∶100萬土壤類型數據，從綏中縣土壤類型中裁剪出大栗小流域的土壤類型，并結合野外調查實測的土壤理化性質和土壤數據庫找到綏中縣的土種，確定大栗小流域土壤類型及其有機碳、黏粒、粉粒、沙粒質量分數，將相關數據代入計算公式求出K因子值。

3)坡度、坡長因子SL。文章利用Mc Cool的緩坡坡度公式、劉保元[15]的陡坡坡度公式和Desmet的經典公式計算坡度因子S、坡長因子L值，即：

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°
S=16.8sinθ-0.50；5°≤θ<10°
S=21.91sinθ-0.96；θ≥10°

(4)

L=(λ/22.1)n

(5)

(6)

式中：n為坡長指數(量綱1)；θ為坡度，°；λ為坡長，m。在Arc GIS軟件中輸入分辨率5m的DEM數據，從而提取坡度θ、坡長λ值，將提取數據代入以上公式求出坡度坡長因子SL值。

4)植被覆蓋與管理因子C。采用植物生長期無人機拍攝的四景可見光正射影像圖和ENVI、Arc GIS軟件[16]，結合蔡崇法等[17]建立的覆蓋度與C值的關系以及像元二分法模型求解的流域植被覆蓋度來計算C因子值，即：

ExG-ExR=3×G-2.4×R-B

(7)

式中：ExG-ExR為過綠減過紅植被指數；B、G、R為藍、綠、洪3波段像元值，利用ENVI軟件的波段計算器處理流域的正射影像圖，即可求出植被覆蓋度fc，即：

(8)

式中：b1、bmax、bmin為植被指數值及其最大、最小值，用過綠減過紅植被指數統計直方圖和ENVI軟件確定純裸地、純植被的值，最大值bmax、最小值bmin取植被指數頻率的累計95%和5%所對應值[18]，具體如下：

C=1；(fc=0)
C=0.6508-0.34361gfc；(0C=0；(fc≥78.3%)

(9)

5)水保措施因子P。根據相關研究報道和大栗小流域水土保持實地調查現狀，針對不同用地類型賦予相應的P因子值，水保措施因子P的賦值表，見表2。

表2 水保措施因子P的賦值表

3 結果分析

3.1 土壤侵蝕分布特征

依據RUSLE方程中各因子的運算關系獲取土壤侵蝕影響因子格柵圖，在同一坐標下利用Arc GIS軟件轉化成0.5m×0.5m的像元，經疊加計算確定相應的土壤侵蝕量，然后按照《土壤侵蝕分類分級標準》生成大栗小流域土壤侵蝕強度分級圖。土壤侵蝕特征統計表，見表3。

表3 土壤侵蝕特征統計表

2020年大栗小流域屬于輕度侵蝕，平均土壤侵蝕速率22.87t/(hm2·a)達到規定允許流失量5t/(hm2·a)的4.6倍。從侵蝕面積占比上，輕度及以下侵蝕等級所占比例達到78.33%，中度及以上侵蝕等級所占比例達到21.66%，表明大栗小流域以輕度侵蝕為主；從侵蝕量占比上，中度及以上侵蝕等級的侵蝕量占比為82.07%，相當于輕度及以下侵蝕等級侵蝕量占比的4.58倍，說明大栗小流域局部侵蝕較為嚴重，應該加強土壤侵蝕治理。

各子流域土壤侵蝕速率特征，見表4。結果顯示從低到高土壤侵蝕速率排序為DS1

表4 各子流域土壤侵蝕特征

3.2 土壤侵蝕與坡度的關系

土壤侵蝕與坡度密切相關，故防治大栗小流域土壤侵蝕的關鍵是揭示不同坡度下的土壤侵蝕變化規律。根據等級劃分標準，按照0°-5°、5°-8°、8°-15°、15°-25°、25°-35°將流域坡度重分類，通過空間疊加分析土壤侵蝕速率圖與分類后的坡度等級圖生成各坡度級別的土壤侵蝕分布特征，不同坡度上的土壤侵蝕特征統計表，見表5。

表5 不同坡度上的土壤侵蝕特征統計表

從表5可以看出，大栗小流域的土壤侵蝕速率隨著坡度的不斷增加而增大，總體處于5.63-112.28/t(hm2·a1)范圍。坡度為8-15°時，大栗小流域土壤侵蝕量和侵蝕面積均最高，所對應的數值為為6521.49t/a和229.35hm2，按等級標準達到中度侵蝕；坡度為25-35°時，大栗小流域土壤侵蝕量和侵蝕面積均最低，所對應的數值為190.91t/a和1.70hm2，按等級標準達到極強烈侵蝕。土壤侵蝕主要集中于5-25°坡度上，5-25°坡度范圍內的土壤侵蝕量占比達到92.36%，應作為小流域土壤侵蝕重點預防和治理區，必須采取有效的整治措施。不同坡度土壤侵蝕等級面積占比，見圖1。

圖1 不同坡度土壤侵蝕等級面積占比

從圖1可以看出，各個坡度級別的侵蝕量占比在不同侵蝕強度下具有明顯差異，對各個坡度等級上微度侵蝕量所占比例整體呈下降趨勢，而其它侵蝕強度則呈現上升后下降的變化趨勢，表明坡度分級標準能夠有效區分不同坡度與侵蝕等級之間的關系。

3.3 土壤侵蝕與土地利用的關系

在Arc GIS軟件中疊加分析流域土地利用類型圖與土壤侵蝕強度圖，從而揭示各用地類型的土壤侵蝕分布特征和土壤侵蝕量，不用用地類型的土壤侵蝕強度，見表6；不同用地類型的土壤侵蝕量，見表7。

表6 不用用地類型的土壤侵蝕強度

從表6可以看出，道路、林地、坡耕地的土壤侵蝕主要集中于輕度和微度侵蝕等級，而溝渠以微度侵蝕為主。

表7 不同用地類型的土壤侵蝕量

從表7可以看出，坡耕地的土壤侵蝕面積比例最高達到82.85%，溝渠和林地的土壤侵蝕面積比例為0.77%、10.98%，從低到高土壤侵蝕速率排序為溝渠<坡耕地<道路<林地，林地的土壤侵蝕速率53.67t/(hm2·a1)為溝渠、坡耕地、道路的25.80倍、2.81倍、2.56倍，坡耕地的土壤侵蝕量最高為9371.98t/a，為溝渠、道路、林地988.61倍、13.95倍、2.69倍。

4 結 論

文章以綏中縣寬邦鎮大栗小流域為例，利用RUSLE方程和GIS技術定量分析了土壤侵蝕及其影響因素，主要結論如下：

1)2020年大栗小流域土壤侵蝕速率為22.87t/(hm2·a)，以輕度侵蝕為主，小流域局部侵蝕較為嚴重，應該加強土壤侵蝕治理。

2)流域內土壤侵蝕主要集中于5-25°坡度上，應作為小流域土壤侵蝕重點預防和治理區，采取有效的整治措施。

3)林地的土壤侵蝕速率53.67t/(hm2·a1)為溝渠、坡耕地、道路的25.80倍、2.81倍、2.56倍，應合理規劃利用流域內的道路、林地、坡耕地等用地類型，為有效遏制土壤侵蝕應采取有效的水保措施。