基于RUSLE的祖厉河上游...师流域土壤侵蚀及敏感性分析_柴亚昕.pdf

GRASSLAND AND TURF（2022）Vol.42 No.6 基于 RUSLE的祖厉河上游会师流域土壤侵蚀及敏感性分析柴亚昕，胡彦婷，张富*，高凡洁，包炳琛，蒋承洋（甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070）摘要：为进一步探究祖厉河流域侵蚀状况，以祖厉河上游会师流域为研究区，采用 RUSLE 模型，结合 ArcGIS技术，定量和定性分析了土壤侵蚀和侵蚀敏感性特征。结果表明：祖历河上游会师流域主要以微度和轻度侵蚀为主，占总面积的 92.49%；土壤侵蚀敏感性主要为低度敏感，面积为 482.14 km2，占研究区总面积的 49.00%，总体敏感性较低；坡度 5以上区域土壤侵蚀及其敏感性逐渐增强，且随着坡度增大，土壤侵蚀加剧；在坡耕地、裸地及未采取有效措施的建设用地土壤侵蚀及敏感性较高；土壤侵蚀敏感性较高的地区，土壤侵蚀强度相对较大。研究结果可为流域土壤侵蚀的预防治理、土地利用规划和水土保持措施的布设等提供科学的依据。关键词：RUSLE模型；ArcGIS；土壤侵蚀；敏感性；祖厉河上游中图分类号：S157.1 文献标志码：A 文章编号：1009-5500（2022）06-0128-08 DOI：10.13817/ki.cyycp.2022.06.017土壤侵蚀致使土地资源破坏、荒漠化加剧、生产力降低等，对我国生态环境建设造成严重影响，是我国严重的环境问题之一1-2。据 2019年全国水土保持公报显示，水土流失面积为 271.08万 km2，其中轻度水土流失面积为 170.55 万 km2、中度 46.36 万 km2、强烈20.46 万 km2、极 强 烈 15.97 万 km2、剧 烈 17.74 万km2 3。分布范围较广且严重，因此，防治土壤侵蚀的发生发展任务刻不容缓4。土壤侵蚀敏感性指在自然状况下发生土壤侵蚀的潜在可能性及其程度，对区域土壤侵蚀的防治具有指导意义5。目前，国外土壤侵蚀研究应用较为广泛的方法为 Wischmeier和 Smith提出的通用土壤流失方程（RUSLE）模型，该模型适应大多数地理背景下的土壤侵蚀评价，国内刘宝元等6在 RUSLE 的基础上，将耕作因子（T）、生物因子（B）和工程因子（E）引入，建立了中国土壤流失方程。王礼先等7依据陡坡坡面的特点，得到了有关陡坡的坡面侵蚀模型。赵明月8、张乃夫等9依据 RUSLE 方程，结合 ArcGIS 等软件技术对青海湖流域、安徽新安江流域依据不同标准进行了流域尺度上的土壤侵蚀敏感性评价，得到不同土壤侵蚀敏感性分区并提出防治对策及建议，对土壤侵蚀的预防治理提供了参考依据。由此可见，采用 RUSLE模型进行土壤侵蚀分析具有适用性广、结果较为准确等优点，为区域土壤侵蚀评价提供了有效的方法。祖厉河流域为典型的黄土高原丘陵沟壑区，地形破碎，沟壑纵横，水资源稀缺，生态环境恶劣，水土流失严重，研究其侵蚀现状对黄土高原干旱半干旱区的侵蚀规律具有一定的代表意义。目前对祖厉河流域的土壤侵蚀相关研究较为缺乏，焦金鱼、贵立德10-11对祖厉河流域的土壤侵蚀治理模式及时空分异等进行了研究，但现有成果缺乏对祖厉河流域土壤侵蚀敏感性的评价。本研究采用较为成熟的 RUSLE 模型对祖厉河上游流域进行土壤侵蚀及其敏感性分析，为今收稿日期：2021-09-10；修回日期：2021-09-24基金项目：不同措施下黄土丘陵沟壑区生态系统水土保持功能分析（GSAU-XKJS-2018-105）；祖厉河流域水质变化趋势研究（2020B-323）作者简介：柴亚昕（1996-），女，甘肃永登人，硕士研究生，主要从事半干旱区不同尺度土壤侵蚀研究。E-mail：*通信作者。E-mail：128第 42 卷 第 6 期草 原 与 草 坪 2022 年后流域内土壤侵蚀预防治理提供科学依据，进一步为该地区生态环境可持续发展提供技术支撑。1材料和方法1.1研究区概况祖厉河是黄河上游的一级支流12，处于黄土高原西部、甘肃省中部，为陇中黄土高原的一部分，地理位置 E 1041210533，N 35183634，流域总面积10 653 km2 13。研究区位于祖厉河上游、会宁县南部包括会师镇、丁家沟镇、西巩驿镇、中川镇、华家岭镇、新添堡回族乡、翟家所乡、侯家川镇、八里湾乡、老君坡乡、太平店镇和党家岘乡 12 个乡镇，面积为 983.86 km2，气候属半湿润向半干旱过渡地带，空气干燥，降水量少且分布不均，年平均降水量 400 mm，年均气温68，土壤类型以黄绵土、灰钙土和灰褐土为主，为生态脆弱区14-15。土地利用方式以耕地、草地和林地为主。地理位置见图 1。1.2材料和方法1.2.1数据来源研究采用的降水量数据来自甘肃省水文站，为研究区内及周围红土、中川、太平店、会宁、西巩驿、甘沟驿、大沟、老庄、黄家湾、党家岘和邵家沟 11个雨量站点的月均降水量和年均降水量；土壤类型数据来自世界土壤数据库（http：/ 年 DEM 数据和 Landsat8 OLI/TIR卫 星 遥 感 影 像 数 据 由 地 理 空 间 数 据 云 网 站 下 载（http：/），分辨率为 30 m；2019 年土地利用现状数据采用 ENVI、eCognition、ArcGIS 等技术手段对 30 m 分辨率的 Landsat8 OLI/TIRS 影像进行处理，并进行人工校核与对比得到土地利用数据，精度为 95%以上。1.2.2研究方法土壤侵蚀现状研究 土壤侵蚀敏感性的评价方法采用 RUSLE 土壤侵蚀模型16，计算公式为：A=R K LS C P（1）式中：A 为年土壤流失量，单位为 t/（hm2a）；R 为降水侵蚀力因子，单位为 MJ mm/（hm2h a）；K 为土壤可蚀性因子，单位为 t hm2h/（hm2MJ mm）；S、L为土壤所处地面的坡度与坡长；C 为植被覆盖管理因子；P为水土保持措施因子。（1）降水侵蚀力因子（R）本 研 究 采 用 月 均 降 水 和 年 均 降 水 的 Ganasri B P17模型，公式为：R=i=1121.735 10 1.5 lg()Pi2P-0.8188（2）式中：R 表示降水侵蚀力因子，单位为（MJ m）/（hm2h a）；P 表示年均降水量，单位为（mm）；Pi表示月均降水量，单位（mm）。（2）土壤可蚀因子（K）研究采用 Williams18等提出的 EPIC 模型中的计算方法获得 K值大小，计算式如下：K=0.2+0.3exp-0.0256SAN(1-SIL/100)SILCLA+SIL 0.3 1.0-0.25CC+exp(3.72-2.95C)1.0-0.7SN1SN1+exp(-5.51+22.9SN1)（3）式中：SAN 表示土壤中砂粒量（单位：%）；SIL 表示土壤中粉粒含量（单位：%）；CLA 表示为土壤中粘粒含量（单位：%）；C为有机碳的含量（单位：%）；其中SN1=1-SAN/100。（3）坡度坡长因子（LS）坡度因子 S的计算采用 Desmet19等提出的公式：S=10.8sin+0.03()516.8sin+0.05()5 1021.9sin-0.96()10（4）坡长因子 L的计算采用 Mccool20等提出的公式：图 1研究区地理位置图Fig.1Geographical location map of the study area129GRASSLAND AND TURF（2022）Vol.42 No.6 L=(/22.13)m（5）m=0.2()0.50.3()0.5 1.50.4()1.5 30.5()3（6）式中：为利用 DEM 提取的坡度，单位为；为坡长，单位为 m；m为坡长指数。（4）植被覆盖与管理因子（C）本研究采用蔡崇法21等提出的 C值模型，C值在 0到 1 之间，C 值越大，代表植被覆盖越低，土壤侵蚀越严重。公式为：C=1()c=00.6508-0.34361lgc()0 78.3%（7）c=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin（8）式中：c为植被覆盖度，NDVI为归一化植被指数，NDVImax和 NDVImin代表研究区植被归一化指数最大值和最小值。（5）水土保持措施因子（P）水土保持措施因子 P表示了采用特定措施后土壤流失量与标准小区土壤流失量之间的比值，其大小决定了水土保持措施采取的强弱，通常在 0到 1之间22，1 代表未采取任何水土保持措施的土地利用区域，包括坡耕地、裸地，建筑用地，0 代表不会发生土壤侵蚀的土地利用区域，如水域。通过参考张富等23对黄土高原丘陵沟壑区第 5 副区典型小流域的调查研究，结合前人 P值的确定方法，对会师流域梯田、灌木林地值取为 0.01、林地为 0.17、草地为 0.3、水浇地为 0.35。1.2.3土壤侵蚀敏感性评价标准（1）土壤侵蚀敏感性评价依据依据国家环保总局发布的 生态功能区划技术暂行规程 土壤侵蚀敏感性的分级标准，结合研究区实际情况，采用自然间断法对各土壤侵蚀因子的敏感性进行分级赋值，见表 1。（2）土壤侵蚀敏感性综合评价方法将以上各因子进行空间叠加，利用土壤侵蚀敏感性综合指数公式进行评价，可综合反映土壤侵蚀敏感性发生的规律，其公式为24：SSj=i=15Ci5（9）式中：SSj指的是 i空间单元土壤侵蚀敏感性指数，Ci指 i因素敏感性所占等级值。土壤侵蚀潜在危险指数（SEPDI）可对水土流失潜在危险性大小进行评价，其计算公式为25：SEPDI=(M1+2M2+3M3+6M4+9M5)/(M1+M2+M3+M4+M5)（10）式中：M1为不敏感区面积；M2为轻度敏感区面积；M3为中度敏感区面积；M4为重度敏感区面积；M5为极度敏感区面积。SEPDI 值在 1 到 9 之间，值越大表明该区域或地类水土流失潜在危险度越大。2结果与分析数据在 ArcGIS 中通过栅格计算器，采用普通克里金插值法计算出的降水侵蚀力进行空间插值，得到研究区降雨侵蚀力大小在 1 464.412 011.88 MJ mm/（hm2h a）；土 壤 可 蚀 性 在 0.224 60.303 7 t hm2h/（hm2MJ mm）；坡度坡长值在 018.44；植被覆盖与管理因子大小在 01之间。表 1土壤侵蚀敏感性评价指标及分级赋值Table 1Evaluation index of soil erosion sensitivity and classification assignment敏感度等级不敏感轻敏感中敏感高敏感极敏感降水侵蚀力/MJmmhm-2h-1a-11 900土壤可蚀性/thm2hhm-2MJ-1mm-10.35坡度坡长1植被覆盖与管理0.85水土保持措施水域、居民点林地、园地草地、耕地建设用地裸地、未利用地分级赋值13579130第 42 卷 第 6 期草 原 与 草 坪 2022 年2.1土壤侵蚀现状参考 SL1902007 土壤侵蚀分类分级标准 中的“水力侵蚀强度分级标准”，得到祖历河上游会师流域土壤侵蚀现状表（表 2）和空间分布图（图 2）。祖历河上游会师流域土壤侵蚀模数为 37.37 t/（km2a），各侵蚀强度的面积从大到小依次为微度轻度中度强烈极强烈剧烈，年均侵蚀模数分别为 184.1、1 025.29、3 414.45、6 281.63、10 331.70 和 39 540.50 t/（km2a）。年 均 土 壤 侵 蚀 量 分 别 为 16.54、7.29、2.93、2.11、1.86和 3.08万 t/a。祖历河上游流域土壤侵蚀强度等级为强烈及以上主要为海拔高、坡度陡，植被覆盖度较低的区域，极易发生水土流失。可以得出，研究区土壤侵蚀强度增加，侵蚀模数变大，但面积降低，其年均土壤侵蚀量也降低。2.2土壤侵蚀敏感性评价2.2.1单因子土壤侵蚀敏感性评价依据土壤侵蚀敏感性评价指标，得到会师流域单因子土壤侵蚀敏感性状况（表 3）。其中，R 对土壤侵蚀的敏感性主要为极敏感，面积 211.72 km2，占比为 21.52%；K 对土壤侵蚀的敏感性以轻度和中度敏感为主，面积为