基于地类、坡度与植被的小流域土壤侵蚀量估算方法——以毕节市毛家湾小流域为例

王志刚，涂人猛，孙佳佳，胡波，丁文峰，徐文玉，张平仓

（1.长江科学院a.水土保持研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010; 2.湖北省社会科学院经济研究所，武汉 430077）

基于地类、坡度与植被的小流域土壤侵蚀量估算方法
——以毕节市毛家湾小流域为例

王志刚1a，1b，涂人猛2，孙佳佳1a，1b，胡波1a，1b，丁文峰1a，1b，徐文玉1a，张平仓1a，1b

（1.长江科学院a.水土保持研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010; 2.湖北省社会科学院经济研究所，武汉 430077）

简化土壤侵蚀预报方法具有重要的现实意义。调查了贵州省毕节市毛家湾小流域的土地利用类型、地面坡度和植被盖度3个可以简便获取的指标，估算了小流域土壤侵蚀量，并介绍了基于地类、坡度与植被估算小流域土壤侵蚀量的简便方法。同时，还提出了对《土壤侵蚀分类分级标准》中西南喀斯特地区水力侵蚀强度分级标准进行修订的建议。另外，还指出了由于目测估算植被盖度的误差较大，需要开发更为精准且简便的方法测量植被盖度。

土壤侵蚀分级;小流域;土壤侵蚀量;赤水河流域;三峡工程

1 研究背景

土壤侵蚀预报模型依据建模的手段和方法分为经验模型和物理成因模型2大类。与物理成因模型相比，经验性模型的结构更简单、计算更方便，其中最具代表性的是美国的通用水土流失方程（USLE）［1-2］。但是，这种比较简洁的模型仍然存在基础数据难以获取的问题。比如，USLE方程中的K因子不仅在大范围，而且在小流域尺度上并不容易获取。并且，对于如何定义符合我国国情的C，P因子，如何确定其测算标准，目前还没有统一认识。另外，由于制定过程中使用资料的限制，经验性模型的移植性较差［3-4］。比如，USLE方程是基于平原地区和缓坡地形区构建的，不适合长江上游的地形复杂地区。并且USLE方程的建立要通过多年观测，计算多年平均土壤流失量，对于研究基础薄弱的地区并不适用。因此，如何快速地获得具有一定认可程度的流域或区域土壤侵蚀量，还有待进一步研究。

本文旨在探讨如何基于水利行业《土壤侵蚀分类分级标准》快速地估算小流域土壤侵蚀量。

2 研究区概况

毕节市位于贵州西北部，处在黔西山原丘陵向黔西高原山地过渡的斜坡地带上，地势西部高，北东南三面低，呈西南向东北的阶梯状下降［5］。境内流水切割作用强烈，岩溶地貌极其发育，总体上属于高原山地中山地貌类型。自然植被以常绿阔叶林为主，也有少量落叶阔叶和常绿针叶等混交林。土壤有黄棕壤、黄壤、石灰土、紫色土、水稻土、沼泽土、潮土7个土类，22个亚类，50个土属，144个土种［6］。毕节市山高坡陡、峰峦重叠、沟壑纵横、河谷深切、土地破碎、土壤侵蚀强烈、石漠化严重、土层浅薄、生态环境脆弱，是国务院批准建立的“开发扶贫，生态建设”试验区。

3 研究方法

3.1 小流域调查

收集赤水河流域毕节监测站所在的毛家湾小流域的地形图（1∶50 000），使用ArcGIS软件进行数字化，并制作小流域坡度图。通过遥感影像解译并结合野外调查，制作小流域土地利用图和林草盖度图，野外调查中郁闭度和盖度采用目测法估计。

3.2 土壤侵蚀强度分级与侵蚀量估算

采用水利行业标准《土壤侵蚀分类分级标准》，把土壤侵蚀强度分为6级，即微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈（表1）［7］。分级依据采用面蚀（片蚀）分级指标，主要包括土地利用类型、地面坡度和非耕地林草盖度等3个指标。

表1 土壤面蚀（片蚀）分级标准Table 1Standards for classification and gradation of soil erosion

在GIS中将土地利用类型、地面坡度和非耕地林草盖度3个图层进行叠加，通过空间分析模块获取每个栅格上的土壤侵蚀强度等级。其中，微度对应侵蚀模数为50 t/（km2·a），轻度对应侵蚀模数为100 t/（km2·a），中度对应侵蚀模数为200 t/（km2·a），强烈对应侵蚀模数为500 t/（km2·a），极强烈对应侵蚀模数为1 000 t/（km2·a），剧烈对应侵蚀模数为1 500 t/（km2·a）［8-9］。然后在GIS中统计各土壤侵蚀强度等级的面积，利用各级土壤侵蚀强度面积乘以相应土壤侵蚀模数，并累加，得到流域的年土壤侵蚀量。

4 结果

4.1 毛家湾小流域地面坡度

赤水河流域毕节监测站毛家湾小流域位于赤水河谷地，总面积3.98 km2，高程在620～1 340 m之间，平均海拔992.51 m（图1）。坡度在0°～72.5°之间，平均21.9°，15°～25°区间占小流域面积最大，达1.34 km2（图2）。从小流域海拔和坡度空间分布上，可以发现毛家湾小流域南半部位于赤水河一级阶地上，海拔较高而坡度较缓;北半部位于赤水河一级阶地前缘斜坡上，高差坡度陡（图1）。

图1 毛家湾小流域海拔和坡度Fig.1Elevation and slope maps of Maojiawan small watershed

图2 毛家湾小流域不同坡度土地面积Fig.2Acreages of different slope gradations in Maojiawan small watershed

4.2 毛家湾小流域土地利用类型

毛家湾小流域内现有土地利用类型6种，分别为有林地、灌木林地、果园、旱地、农村居民点和交通运输用地（图3），其中有林地和旱地面积较大，分别为1.72 km2和1.70 km2（图4）。毛家湾小流域内的旱地主要为坡耕地，集中连片地分布在小流域南半部坡度较缓的区域。

图3 毛家湾小流域土地利用类型图Fig.3Land use in Maojiawan small watershed

图4 毛家湾小流域不同土地利用类型所占面积Fig.4Acreages of different land use types in Maojiawan small watershed

4.3 毛家湾小流域林草盖度

毛家湾小流域自然植被以常绿阔叶林为主，也有少量落叶阔叶和常绿针叶等混交林。常见的树种有马尾松和柏枝、杉木等，主要分布于河谷坡顶以上;灌木主要有紫穗槐、胡枝子、沙棘、马桑等，分布于河谷横切沟两侧;经果林主要为柑桔、橙子、李子、桃树等，零星分布在耕地及农舍四周。小流域内有林地郁闭度平均为50%，灌木林盖度平均为40%，果园郁闭度平均为30%（图5）。

图5 毛家湾小流域林草盖度图Fig.5Forest coverage in Maojiawan small watershed

4.4 毛家湾小流域土壤侵蚀强度和侵蚀量

毛家湾小流域土壤侵蚀以中度侵蚀和强烈侵蚀为主，面积分别为1.67 km2和1.30 km2，占总面积的42.0%和32.8%（图6）。微度和轻度侵蚀主要分布在小流域南部赤水河一级阶地坡度较缓的区域和小流域北部溪流的谷底平地;极强烈和剧烈侵蚀集中分布在小流域北部溪流两岸的坡地上（图7）。2011年小流域总土壤侵蚀量为1 410 t，其中微度24 t、轻度17 t、中度333 t、强烈650 t、极强烈313 t、剧烈73 t。

图6 毛家湾小流域各侵蚀强度等级土地面积Fig.6Acreages of different soil erosion gradations in Maojiawan small watershed

图7 毛家湾小流域侵蚀强度空间分布Fig.7Spatial distribution of soil erosion in Maojiawan small watershed

5 讨论

5.1 西南喀斯特地区土壤侵蚀强度分级标准的修订建议

水利行业《土壤侵蚀分类分级标准》中，5个水力侵蚀类型区的土壤容许流失量分别为西北黄土高原区1 000 t/（km2·a），南方红壤丘陵区和西南土石山区500 t/（km2·a），东北黑土区和北方土石山区200 t/（km2·a）。水力侵蚀强度分级中，轻度的侵蚀模数下限分别采用不同侵蚀类型区的土壤容许流失量，而上限均定为2 500 t/（km2·a），不适合西南喀斯特地区，特别是喀斯特石漠化地区［10］。

基于西南喀斯特地区极低的土壤形成速率，很多研究者提出不同的西南喀斯特地区土壤侵蚀强度分级标准（表2）。在综合考虑数据的近似程度及数据的简便程度后，本文综合采用韦启璠等（1983，1996）提出土壤侵蚀强度分级标准［8-9］。在确定各侵蚀等级土壤侵蚀模数时，按最严重侵蚀情况考虑，将微度对应侵蚀模数定为50 t/（km2·a），轻度对应侵蚀模数定为100 t/（km2·a），中度对应侵蚀模数定为200 t/（km2·a），强烈对应侵蚀模数定为500 t/（km2·a），极强烈对应侵蚀模数定为1 000 t/（km2·a），剧烈对应侵蚀模数定为1 500 t/（km2·a）。

表2 西南喀斯特地区土壤侵蚀强度分级标准Table 2Standard for gradation of soil erosion in karst region of southwest Chinat/（km2·a）

5.2 植被盖度的估算

植被是抑制土壤侵蚀的主要因子。虽然，植被水土保持功能的指标涉及到植被盖度（郁闭度）、枯落物厚度、植物根系密度与根量、植被类型、植物种类组成等。但是，由于某些指标测量较为繁琐，大范围获取数据也较为困难，在应用上受到限制［13］。目前，广泛使用的植被覆盖度估算方法，仍然是简便但精度较差的目估法或测针法［14-15］。也有学者提出使用更为精准且简便的方法，如照相法、叶面积指数法等，来表征植被覆盖度，并在径流小区试验中建立了更为稳定和可靠的植被指标与土壤侵蚀量关系［13］。因此，有必要引进先进的快速测定植被覆盖指标的仪器开展进一步的研究。

5.3 土壤侵蚀强度与喀斯特地形地貌的关系

从毛家湾小流域土壤侵蚀强度空间分布（图7）上可以发现，土壤侵蚀强度与所处的地形地貌位置关系很大，如微度和轻度侵蚀主要位于河流阶地和溪流谷底平地，极强烈和剧烈侵蚀则集中于溪流两岸强烈切割的坡地上。这主要是由毛家湾小流域所处的喀斯特地貌决定的。

毛家湾小流域区域所在的赤水河流域在新构造运动中大面积、大幅度掀斜上升的同时，伴以断裂、断穹差异上升和某些断陷盆地相对下降，并继承老的地质构造再次活动，而整个上升运动又具有间歇性［16］。新构造运动的间歇性，造就了不同时代的夷平面，使各流域范围内从分水岭到河谷区地貌呈梯级状下降，河谷中还普遍出现4～5级阶地。新构造运动塑造了陡峻而破碎的喀斯特地貌景观，以及由此而产生的较大地表切割度和地形坡度，导致了该区域特殊的土壤侵蚀空间分布规律。因此，有必要进一步开展西南喀斯特地区大范围的土壤侵蚀与地形地貌关系的研究，进一步揭示西南喀斯特地区土壤侵蚀空间分异规律。

6 结语

即使是最简单的经验性土壤侵蚀预报模型，仍然存在较难获取的基础数据。使用水利行业《土壤侵蚀分类分级标准》，将土壤侵蚀量估算的基础数据简化到土地利用类型、地面坡度和非耕地林草盖度3个可以较为简便、准确地获取的指标，可以快速地取得具有一定认可程度的流域或区域土壤侵蚀量。但是，水利行业《土壤侵蚀分类分级标准》中，水力侵蚀强度分级标准不适合西南喀斯特地区，特别是喀斯特石漠化地区，本文基于前人的研究结果提出了对这一标准进行修订的建议。

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（编辑:王慰）

WANG Zhi-gang1，2，TU Ren-meng3，SUN Jia-jia1，2，HU Bo1，2，DING Wen-feng1，2，

XU Wen-yu1，ZHANG Ping-cang1，2

（1.Soil and Water Conservation Department，Yangtze River Scientific Research Institute，430010，China; 2.Hubei Key Laboratory of Water Resources＆Eco-environment，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China;3.Institute of Economy，Hubei Academy of Social Sciences，Wuhan430077，China）

Rapid Estimation of Soil Erosion Amount in Small Watershed Based on Standards for Soil Erosion Gradation:An Example from Bijie Monitoring Station in Chishui River Basin

Even for simple empirical model，it is difficult to obtain enough basic data of soil erosion.Establishing a simpler model for soil erosion amount estimation is necessary.Land use types，surface slopes，and vegetation coverage in Maojiaowan small watershed in Chishui River Basin were surveyed，and the soil erosion amount was estimated according to the method in Standards for Classification and Gradation of Soil Erosion.In order to accurately estimate the soil erosion modulus in the karst regions of Southwest China，the standards for gradation of hydraulic erosion in Standards for Classification and Gradation of Soil Erosion were revised.Additionally，it is necessary to use more accurate methods to measure vegetation coverage.It’s also pointed out that the soil erosion spatial distribution was controlled by landform in the karst regions of Southwest China，and it is necessary to conduct further study on the spatial distribution patterns of soil erosion to reveal the effect of landform on soil erosion.

gradation of soil erosion;small watersheds;soil erosion amount;Chishui River Basin;Three Gorges Project

S157

A

1001-5485（2013）05-0022-05

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.05.006

2013，30（05）:22-26

2012-05-02;

2012-10-11

国家自然科学基金项目（41101191，41201269，41271303）;中央级公益性科研院所基本科研业务费（CKSF2011006/TB）;长江科学院创新团队项目（CKSF2012052/TB）

王志刚（1981-），男，湖北枣阳人，工程师，博士，主要从事土壤侵蚀、3S技术应用和土壤地理等方面的研究，（电话）027-82926137 （电子信箱）wzg592@tom.com。