洱海流域土壤侵蚀动态变化研究

段文秀

(德州学院，山东 德州253023)

随着人口的剧增和经济的发展，我国的水土流失问题日益严峻。水土流失破坏了土地资源，使土地肥力下降，并造成了水体富营养化，成为严重的全球性的经济、环境问题之一[1]。我国学者在水土流失机理研究和防治方面做了大量工作，如李月臣等[2]以USLE和GIS为基础进行了三峡库区(重庆段)土壤侵蚀敏感性的综合评价，杨娟等[3]结合USLE与GIS对卧龙流域土壤侵蚀进行了模拟。洱海是云南白族人民的母亲湖，但针对其流域日趋严重的土壤侵蚀问题的研究目前尚未深入开展。鉴于此，本研究以洱海流域为研究对象，在运用“3S”技术对已有资料进行分析的基础上，应用USLE模型估算其土壤侵蚀量及侵蚀面积，制作出土壤侵蚀强度分级图，并汇总计算出各类土壤侵蚀强度区域面积以确定水土保持重点区域，为流域水土流失综合防治提供了理论和数据支持。

1 研究区地形数据及遥感数据预处理

1.1 研究区概况

洱海位于云南省大理白族自治州中部，属澜沧江流域黑惠江支流天然湖泊，是白族人民的母亲湖，控制流域面积2 565 km2。流域内有耕地4.30万hm2，年均气温15.7℃，年均降水量976.7 mm，其中西南部年均降水量1 000—1 200 mm、东北部700—900 mm，降水主要集中在每年的5—10月份，期间降水量占年降水量的84% ～92%，主汛期6—9月份的降水量占年降水量的66% ～77%，形成了干湿季节分明的气候特点[4]。

1.2 流域范围的确定

本研究在ArcGIS软件支持下使用研究区DEM提取洱海流域范围[5]，具体流程如图1所示。

图1 洱海流域范围提取流程

1.3 遥感数据处理

在水土保持研究中，应用的数据源主要有遥感影像、各种统计数据及调查数据等。本研究选用Landsat-5 TM遥感数据，运用Erdas软件进行数据预处理[6]。具体流程如图2所示。

图2 遥感图像处理流程

2 土壤侵蚀模型建立方法介绍

本研究应用国际上通用的USLE模型，其形式简单，所需参数较易获得，且因子的解释具有物理意义，是目前预测土壤侵蚀量使用最为广泛的方法。其表达式为

2.1 降雨侵蚀力因子(R)

降雨侵蚀力表达式为

式中:R为多年平均降雨侵蚀力，m·t·cm/(hm2·h·a);P为年降雨量，mm;I60、I1440分别为年均最大60、1 440 min降雨量，mm[7]。研究中由于资料缺乏，假设各地I60和I1440的值相同，得到洱海流域多年平均R=5.439P0.564。

2.2 土壤可蚀性因子(K)

据杨子生等[8]1999年研究成果，采用的两种主要土壤可蚀性因子K值见表1。

表1 滇东北典型地区土壤可蚀性因子K值

2.3 地形因子(LS)

地形因子表达式为

式中:Lhill为侵蚀坡面的坡长，m;β为坡度，(°);m为经验分段函数值，计算方法如下[9]

式中:αhill为地面坡度，(°)。

2.4 植被覆盖因子(C)

植被覆盖因子是以植被覆盖度为变量计算得到的数值。C值的计算式为[10]

式中:f为植被覆盖度;NDVI为所求像元的植被指数;NDVImin、NDVImax分别为研究区内NDVI的最小值、最大值。

2.5 水土保持措施因子(P)

本研究参考以往研究成果并结合当地土地利用及农事活动情况，假设各处的水土保持措施相同。

3 1989—2006年洱海流域土壤侵蚀状况分析

3.1 洱海流域土壤侵蚀动态总体分析

对洱海流域1989年1月、2001年1月、2001年8月和2006年12月4个典型时期遥感影像进行解译，结合通用土壤流失方程得到洱海流域18年来各个不同时期的土壤侵蚀状况。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190—2007)[11]，在GIS支持下统计得出18年来研究区土壤侵蚀等级分布情况。总体上看:1989—2006年轻度侵蚀面积有较大幅度的下降，占总侵蚀面积的比例由13.89%减至6.47%，年均下降0.41%;中度侵蚀面积有较大幅度的上升，占总侵蚀面积的比例由6.49%增至14.04%，年均上升0.42%;其他侵蚀强度变化均较小，其中微度和极强烈侵蚀面积均小幅增加(年均分别上升0.028%和0.001 7%)，而强烈和剧烈侵蚀面积均小幅减少(年均分别下降0.005%和0.026%)。

3.2 洱海流域土壤侵蚀动态纵向分析

洱海流域1989年1月、2001年1月和2006年12月3个时期的土壤侵蚀状况如表2所示。由表2可知，1989年微度、轻度、中度和强烈侵蚀面积分别为951.48、323.45、151.15和110.48 km2，分别占总侵蚀面积的40.85%、13.89%、6.49%和4.74%，与之相比，2006年轻度侵蚀面积有较大幅度的减少(172.77 km2)，中度侵蚀面积有较大幅度增加(175.75 km2)，中度以上的侵蚀面积增幅较大。

为掌握各种侵蚀强度之间的数量转换及时空变化动态，在ArcView软件支持下，利用其空间分析扩展模块Spatial Analysis功能，对1989—2006年时间序列的土壤侵蚀强度分级分别进行交叉列表统计，得到土壤侵蚀强度的转化矩阵(表3)，从而分析不同土壤侵蚀强度与面积的变化过程。

表2 洱海流域不同时期土壤侵蚀强度面积变化 km2

表3 洱海流域1989—2006年土壤侵蚀强度动态变化转化矩阵 km2

由表3可知:1989—2006年的18年间，洱海流域微度侵蚀主要向中度侵蚀转化，面积为22.20 km2;轻度侵蚀主要向中度侵蚀转化，面积为123.53 km2，是18年中转化面积最大的;中度侵蚀主要转化为微度侵蚀，面积为2.36 km2;强烈侵蚀主要向中度侵蚀转化，面积为9.68 km2;极强烈侵蚀主要向剧烈侵蚀转化，面积为7.56 km2;剧烈侵蚀主要向中度侵蚀转化，面积为22.91 km2。

从以上分析可知，1989—2006年各种侵蚀强度的面积均有所变化。总体分析该时段的转化情况可知:微度、中度和极强烈侵蚀面积呈增加趋势，且中度侵蚀增幅较大;轻度侵蚀面积有较大幅减少，强烈和剧烈侵蚀面积有小幅减少。中度以上的侵蚀面积增幅较大，即总体上侵蚀加剧了，侵蚀加剧的主要原因是1989—2006年间植被覆盖度下降了。

3.3 洱海流域土壤侵蚀动态横向分析

表4是洱海流域2001年1月和2001年8月的土壤侵蚀状况。由表4可知:2001年1月微度、轻度、中度和强烈侵蚀面积分别为955.99、147.53、324.30和106.60 km2，分别占总侵蚀面积的41.12%、6.35%、13.95%和4.58%，与之相比，2001年8月侵蚀状况变化不大，除极强烈、剧烈侵蚀面积稍有减少外， 其余侵蚀面积均稍有增加。

表4 洱海流域2001年1月和2001年8月不同侵蚀强度变化 km2

同样，对2001年1月和2001年8月的土壤侵蚀强度分级进行交叉列表统计，得到土壤侵蚀强度的转化矩阵(表5)。

表5 洱海流域2001年1月和8月土壤侵蚀强度动态变化转化矩阵 km2

由表5可知:从2001年1月(冬季)到8月(夏季)，微度侵蚀主要由中度侵蚀转化而来，面积为8.03 km2;轻度侵蚀主要由中度侵蚀转化而来，面积为11.10 km2;中度侵蚀主要是由剧烈侵蚀转化而来，面积为12.05 km2;强烈侵蚀主要由极强烈侵蚀转化而来，面积为9.45 km2;极强烈侵蚀主要由剧烈侵蚀转化而来，面积为15.59 km2;剧烈侵蚀主要是由极强烈侵蚀转化而来，面积为12.28 km2。

该转化矩阵表明，2001年1月和8月各种侵蚀强度的面积均有所变化。总体分析其转化情况可以得出如下认识:微度、轻度、中度和强烈侵蚀面积呈增加趋势但增幅均不大;极强烈和剧烈侵蚀面积呈减少趋势，且后者减幅相应大一些;中度以上侵蚀面积减幅较大，即总体上侵蚀减弱了。以上变化主要是由于一年内从冬季到夏季植被覆盖度上升所致。

3.4 土壤侵蚀强度变化速率分析

土壤侵蚀强度变化速率可定量描述一定时段内某种侵蚀强度变化的速度，有利于比较土壤侵蚀强度变化的差异和预测未来土壤侵蚀变化趋势。其表达式为

式中:Ua和Ub分别为研究初期和末期某种侵蚀强度的数量;T为研究时段长，若以年为量度则LC为年均变化率。

综合分析洱海流域1989—2006年土壤侵蚀强度与面积年均变化率可知:中度侵蚀年变化率最大，为6.46%;其次为轻度、强烈、剧烈和微度侵蚀，年均变化率分别为 -2.97%、-0.11%、-0.10%和0.056%;极强烈侵蚀年均变化率最小，为0.020%。

4 结语

本研究运用GIS和USLE，分析了1989—2006年洱海流域土壤侵蚀动态变化，研究表明，各种侵蚀强度面积均有所变化，具体变化是:

(1)1989—2006年，微度、中度和极强烈侵蚀面积呈增加趋势，且中度侵蚀面积增幅较大(6.49%—14.04%);轻度侵蚀面积呈较大幅度的减少(13.89%—6.47%);强烈和剧烈侵蚀面积小幅度减少(年均分别下降0.005%、0.026%);中度以上侵蚀面积增幅较大。

(2)2001年冬、夏季相比，微度、轻度、中度和强烈侵蚀面积呈增加趋势但增幅均不大;极强烈和剧烈侵蚀面积减少，且后者减幅相应大些。

(3)18年来，微度、轻度、强烈和剧烈侵蚀多转化为中度侵蚀，面积分别为22.20、123.53、9.68、22.91 km2;中度侵蚀多转化为微度侵蚀，面积为2.36 km2;极强烈侵蚀多转化为剧烈侵蚀，面积为7.56 km2;中度侵蚀年变化率最大(6.46%)，极强烈侵蚀年变化率最小(0.020%)。

[1]林涓涓.基于3S的流域土壤侵蚀敏感性及其动态监测研究[D].福州:福州大学，2006.

[2]李月臣，刘春霞，赵纯勇，等.三峡库区(重庆段)土壤侵蚀敏感性评价及其空间分异特征[J].生态学报，2009，29(2):788-796.

[3]杨娟，葛剑平.基于GIS和USLE的卧龙地区小流域土壤侵蚀预报[J].清华大学学报:自然科学版，2006，46(9):1526-1529.

[4]唐佳.基于GIS和RS洱海流域的土地覆盖/利用变化[D].成都:四川农业大学，2010.

[5]汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京:科学出版社，2006.

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[11]SL 190—2007，土壤侵蚀分类分级标准[S].