基于LUCC的冀北土石山区东北沟流域土壤侵蚀时空变化分析

吕明权，王继军，2†，江青龙，张怀，郝晓东

(1西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌;2中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;3河北省承德市水土保持科学研究所，067000，河北承德)

土地利用/覆盖变化可引起许多自然现象和生态过程的变化，而土壤侵蚀则是引起土地利用/覆被变化的主要环境效应之一［1］。土地利用/覆盖变化可以影响土壤物理、化学性质和植物根部的固结作用，进而改变土壤的抗侵蚀能力［2-3］。土地利用方式的变化也可以通过改变植被覆盖影响径流和土壤侵蚀的变化［1］，即土地利用与土壤侵蚀关系密切，这也是近年来土地利用/土地覆被变化、土壤侵蚀等领域研究的热点问题［1，4］。

在土地利用与土壤侵蚀交叉研究领域，最早的研究主要是在坡面尺度上通过径流小区试验对比不同土地利用方式的土壤侵蚀效应。例如:符素华等［5］选用北京山区坡面径流试验小区的野外观测结果，分析不同土地利用方式下的相对土壤侵蚀率及其区域差异;蔡强国等［6］探讨紫色土陡坡地不同土地利用对水土流失过程的影响。扩展到流域尺度，这方面的研究则主要借助土壤侵蚀模型。傅伯杰等［7］采用在流域出口建坝观测和样地实测的方法，在校正LISEM模型的基础上模拟了不同土地利用方案的水土流失效应。倪晋仁等［8］和李辉霞等［9］直接利用土地利用结构来预测土壤侵蚀状况。随着GIS和RS技术的发展，定量研究不同土地利用背景下的土壤侵蚀空间分布规律更为方便，岷江上游、黄河流域和澜沧江流域等地区的研究［10-12］有见报道。

冀北土石山区近20年来土地利用发生了较大变化，土壤侵蚀强度正逐渐减小;但在该区域土地利用/覆被变化与土壤侵蚀关系研究滞后，在这方面东北沟流域具有典型的代表性:所以，选择该流域为研究区域，分析近20年土地利用变化过程，运用通用土壤侵蚀方程(RUSLE)模拟其近20年的土壤侵蚀动态变化，并进一步对不同土地利用类型的土壤侵蚀状况进行分析，以期为当地进一步做好水土流失的防治工作提供有益的参考。

1 研究区概况

东北沟小流域位于河北省承德市平泉县西部(图1)，属燕山山脉中低区，地理坐标为E 118°33'9″～118°37'9″、N 41°3'7″～41°6'19″，由东沟和北沟2条沟组成，流域总面积19.4 km2。流域内最高山峰海拔1 179 m，最低处海拔593 m。属于流入潘家口水库的滦河水系。该流域为暖温带大陆性季风气候，年平均气温7.1℃，无霜期135 d，多年平均降雨量为540.8 mm，约80%集中在6—9月份。土壤类型有褐土、棕壤、石质土、新积土、粗骨土和黄绵土，土层厚度30～60 cm。1991年全流域范围内实施了封山禁牧之后，植被逐渐得以恢复。2003—2006年累积退耕96 hm2。

图1 东北沟流域所在位置Fig.1 Location of Dongbeigou Watershed

2 数据来源

采用的数据主要包括分辨率为5 m的DEM，全色波段分辨率0.61 m的影像(成像时间是2009年)，1990和2009年流域2个时期土地利用图，其中1990年的土地利用图来自当时承德市水土保持研究所对东北沟流域进行水土保持治理时土地现状调查，2009年土地利用数据基于高清遥感影像进行小班划分后进行野外实地调查获得。土壤的物理性状数据由流域采集的土壤样品实验分析所得。1980—2009年的月降雨数据来自平泉县气象站。承德市径流小区监测资料和1990年流域植被覆盖度数据来源于承德市水土保持研究所，2009年植被盖度数据是小班划分基础上的野外实地调查所得。

3 研究方法

3.1 土地利用变化分析

土地利用分类参考刘纪远［13］提出的分类系统，根据研究区实际情况，将其土地利用类型划分为6个一级类型:耕地、林地、草地、沟道水域、居民用地和未利用土地。其中草地分为高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地，林地分为有林地、疏林地、灌木林地和经济林地。未利用地指风化岩祼露的难利用土地。

在ArcGIS 9.2平台下，对调查得到的东北沟流域1990和2009年2个时期的土地利用图数字化，利用软件里spatial analyst tools-zonal-tabulate area工具获得研究区1990—2009年的土地利用转移矩阵，运用Excel软件对土地利用变化的属性数据进行统计，分析土地利用的时空变化特征。

3.2 土壤侵蚀的模拟

采用在我国水蚀预报模型中应用最广泛的修正通用土壤侵蚀模型，该模型是1965年Wischmeier等基于大量小区观测资料和人工模拟降雨试验资料建立的通用土壤流失方程(USLE)的基础上对一些参数进行修正得来，其形式［1，14］为

式中:A为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力模数，MJ·mm/(hm2·h·a);K 为土壤可蚀性系数，t·h/(MJ·mm);LS 为地形因子，量纲为 1，其中 L为坡长因子，S为坡度因子;C为地表覆盖与管理因子，量纲为1;P为水土保持措施因子，量纲为1。

3.2.1 降雨侵蚀力因子 降雨侵蚀力因子R指在降雨和其产生的径流2种作用力下引起土壤侵蚀的潜在能力［14］。降雨侵蚀力的计算方法是将降雨总动能E和最大30 min降雨强度I30的乘积EI30作为降雨侵蚀力指标［15］，但流域详细降雨资料的缺乏，本文采用基于逐月降雨数据的降雨侵蚀力模型，公式为

式中:pi为多年逐月平均降雨量，mm，p为逐年平均降雨量，mm。利用1980—2009年的降雨资料计算了流域范围内的降雨侵蚀力，1980—1989年降雨侵蚀力为 176.49 MJ·mm/(hm2·h·a)，1990—1999 年降雨侵蚀力为 165.02 MJ·mm/(hm2·h·a)，2000—2009 年降雨侵蚀力为 133.05 MJ·mm/(hm2·h·a)，近30年来降雨侵蚀力逐渐变小。

3.2.2 土壤可蚀性因子 土壤可蚀性因子K指单位降雨侵蚀力在标准小区上造成的土壤流失量［14］，标准小区指坡长22.1 m，均一坡度9%，顺坡犁耕的连续休闲地的小区。土壤可蚀性K通过小区测定得到，但这种方法繁琐，本文利用EPIC模型［16-17］，其具体形式为

式中:Sd为砂粒质量分数，%;Si为粉粒质量分数，%;Cl为黏粒质量分数，%;C为有机碳质量分数，%。

采用上式求K值，不同土壤类型的K值分别为:褐土 0.237 t·h/(MJ·mm)，棕壤 0.172 t·h/(MJ·mm)，石质土 0.172 t·h/(MJ·mm)，新积土 0.154 t·h/(MJ·mm)，粗骨土 0.302 t·h/(MJ·mm)，黄绵土 0.332 t·h/(MJ·mm)。

3.2.3 地形因子 地形因子包括坡长因子L和坡度因子S，指在其他条件相同的情况下，某一给定坡长和坡度的坡面上，土壤流失量与标准径流小区典型坡面土壤流失量的比值［18］。LS因子在高程模型DEM上，利用刘宝元等［19］提出LS因子公式提取得到。具体的提取算法见张宏鸣等［20］基于此公式开发的算法。

式中:θ为坡度，(°);λ为坡长，m;m为坡长指数。当 θ＜1°时，m=0.2;当 1°≤θ＜30时，m=0.3;当3°≤θ＜5°时，m=0.4;当 θ≥5°时，m=0.5。LS 最小值为1，最大值为44.5，平均值为7.39。

3.2.4 覆盖与管理因子 覆盖与管理因子C是指一定条件下有植被覆盖或实施田间管理的土地土壤流失总量与同等条件下实施清耕的连续休闲地土壤流失总量的比值，介于0～1之间［21］。C因子受到诸多因素的影响，如植被、作物种植顺序、生产力水平、生长季长短、栽培措施、作物残余物管理、降雨分布等，这使得对C因子值的直接计算很困难［21］，我国在应用C值时主要考虑植被覆盖度，从植被覆盖度与土壤侵蚀量间的定量关系入手。本文应用在覆盖与管理因子计算比较广泛的方法［17］，其表达式为

式中c为植被覆盖度，通过流域的小班野外调查获得。耕地的C值借鉴张岩等［21］的结果。

3.2.5 水土保持措施因子 水土保持措施因子P反映水土保持措施对坡面土壤流失量的控制作用。东北沟流域在20世纪90年代初期经过了治理，采取了一些水土保持措施;但经过实地调查发现这些措施现在都没有发挥作用，鱼鳞坑和水平沟都已经於满或不复存在，故对林地、草地、未利用地和其他用地的P值取为1，耕地一律用坡度值换算出P值［18］。

表1 坡耕地坡度值与P值换算关系Tab.1 Conversion between cultivated land and P value

4 结果与分析

4.1 土地利用变化

在ArcGIS工作环境中，用1990年和2009年土地利用图叠加分析得到东北沟流域1990—2009年的土地利用转移矩阵(表2)，可以看出，土地利用发生了较大的变化。其中变化最明显的是林地和草地，林地由占流域面积的38.56%上升到55.83%，草地从29.23%减少到18.92%，耕地也减少了3.49%，未利用土地与耕地减少程度相当，居住用地和沟道水域用地变化不大。从土地利用转移矩阵中可以看出，林地中有林地增加了184.23 hm2，2009年的疏林地比1990年减少了162.14 hm2，有林地的增加主要是从疏林地变化而来的;因为1991年开始东北沟流域封山禁牧，疏林地通过自我生态修复植被覆盖度增加郁闭度提高变成有林地，灌木林增加了256.84 hm2，变化最为明显，其中222.9 hm2灌木林由草地变化而来，有35 hm2的坡耕地通过退耕还林变为灌木林，还有一部分的坡耕地退耕变为经济林，经济林增加不明显。草地减少的部分主要变为林地，草地内部不同覆盖度之间的草地也有变化，1990年草地的面积566.87 hm2，其中以低覆盖度草地为主有341.65 hm2，有209.68 hm2低覆盖度的草地因为人为干扰减少得以自我恢复变为中覆盖度的草地。耕地减少的主要类型是坡耕地。1990—2009年难利用土地从占流域面积的17.11%减少到13.64%，难利用土地主要转化为中覆盖度草地。

4.2 土壤侵蚀分析

根据RUSLE模型中各因子取值，得到各因子栅格图层，利用ArcGIS的栅格数据叠加运算功能，将各因子图层相乘，得到每个栅格年土壤流失量。根据水利部SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》将流域的土壤侵蚀进行强度划分得到流域侵蚀强度分级图(图2)，统计得1990和2009年各侵蚀等级所占的面积(表3)。1990年流域大部分区域的侵蚀强度均在中度及其以上，占67.06%，2009流域大部分区域的侵蚀强度均在中度及其以下，占86.60%。经统计分析得出:1990年流域的土壤侵蚀模数是5 136.13 t/(km2·a)，2009年流域的土壤侵蚀模数是1 823.30 t/(km2·a)。

4.3 不同土地利用方式下的土壤侵蚀变化

将不同年份土地利用图分别与土壤侵蚀分级图和土壤侵蚀图叠加，统计不同土地利用方式的土壤侵蚀等级面积比例(表4)和不同土地利用方式的土壤侵蚀背景值(表5)，可知，各土地利用类型的土壤侵蚀强度均减弱较大，轻度侵蚀范围明显扩大，其侵蚀模数减小幅度较大。1990年大部分林地的土壤侵蚀强度属于中度，林地的土壤侵蚀模数是3 875.48 t/(km2·a)，到 2009 年占流域 8.18 km2面积的轻度侵蚀区的土地利用类型主要是林地，它的整体侵蚀模数已下降到361.69 t/(km2·a)。难利用土地的土壤侵蚀强度变化也较明显，主要从强烈和极强烈侵蚀类型向中轻度侵蚀类型过渡，侵蚀模数由1990年的8 871.82 t/(km2·a)下降到 2009年5 342.97 t/(km2·a)。坡耕地的土壤侵蚀模数从1990年的4 505.20 t/(km2·a)降低至 2009年的3 370.90 t/(km2·a)，平耕地的土壤侵蚀变化不大。耕地的总体侵蚀模数也由3 642.53 t/(km2·a)减小到2 785.66 t/(km2·a)，其主要诱因是将坡度较陡易发生土壤侵蚀的坡耕地退耕还林。草地的侵蚀模数在这期间减少了2 153.32 t/(km2·a)。土壤侵蚀模数普遍减小的原因:一方面是因为降雨侵蚀力的减少，1980—1989年的降雨侵蚀力为179.69 MJ·mm/(hm2·h·a)，2000—2009 年的降雨侵蚀力 133.05 MJ·mm/(hm2·h·a);另一方面是因为到2009年植被经

过近15年的自然封育植被恢复良好土壤侵蚀的控制性因子提高，植被覆盖度的提高和生态的恢复也使土地利用类型之间发生转化。土地利用类型的转化也对控制侵蚀发挥了一定的作用，易发生侵蚀的土地利用类型向土壤侵蚀模数小的土地利用方式变化，如耕地变为林地，草地变为林地，疏林地变为有林地。

表2 1990—2009年东北沟流域土地利用转移矩阵Tab.2 Land use transfer matrix of Dongbeigou Watershed from 1990 to 2009 hm2

图2 1990和2009年东北沟流域土壤侵蚀强度图Fig.2 Soil erosion classes in Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009

表3 不同侵蚀强度的侵蚀面积及土壤侵蚀量Tab.3 Area and amount for different soil erosion intensity

表4 1990和2009年东北沟流域不同土地利用类型的土壤侵蚀等级面积比例Tab.4 Area ratio of different ranks of soil erosion intensity of land use types of Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009 %

表5 1990和2009年东北沟流域不同土地利用类型的土壤侵蚀模数Tab.5 Modulus of soil erosion of different land use types in Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009

4.4 模型的验证

通用土壤侵蚀方程是一个经验方程，该方程计算的结果需要验证。想获得实际土壤侵蚀量最基本的方法是卡口站观测径流和泥沙的数据得到。理论计算的侵蚀量是基于坡面模型的每个单元侵蚀量的简单求和，而没有考虑每个栅格侵蚀量是否发生沉积。东北沟流域即没有泥沙监测数据也不知道泥沙输移比，因此，本文计算的结果通过小区观测的方法来验证。研究区内径流小区观测场还没得到足够的数据，用文中估算侵蚀的方法来计算处于同一类型区的的围场、丰宁和滦平径流观测小区的土壤侵蚀量，将计算结果与实测值进行对比，以判断所选参数的合理性。围场、丰宁、滦平与本文的研究区都属于冀北土石山区［13］，该区域的土壤类型、植被、地形地貌和降雨特征都具有很大的相似性;因此，利用同一类型区的径流小区观测值来验证本文计算结果的准确性。将计算值和实测值比较(表6)，可知除梯田小区以外，其他小区的计算误差均保持在30%以内，研究区内不涉及到梯田所以不会对整体的计算结果造成影响。

表6 冀北山区径流小区计算侵蚀量和实测侵蚀量比较Tab.6 Comparison of erosion quantity between observed value and calculated value forplots in northern mountainous area，Hebei Province

5 结论

1)1990—2009年东北沟流域土地利用类型发生了较明显的变化，这种大类的土地利用方式的变化如草地和林地，耕地与林地之间的转化，主要是人为的生态环境建设所为，土地利用方式内部的变化则是封山禁牧使植被得以恢复，促使了这种变化。

2)东北沟流域1990—2009年土壤侵蚀强度减小，土壤侵蚀模数从5 136.13 t/(km2·a)减小到1 823.30 t/(km2·a)。土地利用类型对土壤侵蚀影响明显，1990—2009年各土地利用类型的平均土壤侵蚀模数下降幅度都较大，其中发生在难利用土地的土壤侵蚀减少量最大(3 528.85 t/(km2·a))，其次为林地，草地的侵蚀模数减小也较为明显。不同土地利用类型的土壤侵蚀模数差距较大;因此，土地利用类型的转化对土壤侵蚀强度变化有影响，易产生水土流失的土地利用类型减少土壤侵蚀强度弱的土地利用类型增加对控制流域土壤侵蚀会产生明显的成效。

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