基于GIS和RUSLE的粤东黄冈河流域土壤侵蚀评估

张旭群，陈耀强，陈浩昆，李就好

(华南农业大学水利与土木工程学院，广东广州510642)

土壤侵蚀是当今世界主要的环境问题之一，它破坏土地资源，导致土壤肥力下降，恶化着生态和人类生存环境，严重制约着农业生产力的提高，同时泥沙淤积对水利、交通等工程造成破坏，严重影响着国民经济的发展。在建设生态文明的今天，对土壤侵蚀进行调查、研究、监测和评估具有重要的现实意义。

从20世纪80年代开始，我国在水土保持研究与监测方面采用以RS和GIS为数据信息源的修正的通用土壤流失方程(RUSLE)，综合分析流域内的降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、地形(坡长坡度)因子LS、作物覆盖与管理因子C和水土保持措施因子P，计算土壤侵蚀量并对土壤侵蚀进行动态监测与评估。本研究利用基于GIS和RUSLE相结合的方法，对粤东黄冈河流域的土壤侵蚀强度和侵蚀特征进行评估与分析，旨在为该流域农业可持续发展中土壤侵蚀防治、水土资源的高效利用提供可资参考的依据。

1 黄冈河流域概况

黄冈河流域地处粤东地区，流域大部分属饶平县所辖。河流发源于饶平县北部的上饶镇大岽坪，海拔784 m，自北向南流贯全县，于碧洲村石黾头进入拓林湾后注入南海。流域内山地、丘陵、平原面积比例为6∶3∶1，河长87.2 km，流域面积1621 km2，河道平均比降2.07‰。流域内土壤由北到南呈现黄(高山)→红壤(丘陵)→沙土(谷底及河冲平原)→沉积土(沿海平原)→盐土(滨海)的分带变化。地处亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛，夏无酷暑、冬无严寒，霜冻罕见，年均气温21.4℃，年最低气温18.4℃，年均降雨量1753 mm，最大年降雨量2590 mm(1997年)，最小年降雨量1284 mm(1977年)，降雨年内分配不均，4—9月降雨量占年降雨量的80%以上，年均径流量14.38亿 m3，年均径流深 861 mm。［1］

由于在流域内建设新开发区，新建扩建公路中不科学的活动，造成部分地区水土流失灾害严重，表现为土地被淹没、河床遭淤积、山塘淤满、洪水泛滥等。

2 土壤侵蚀力因子分析

2.1 修正的通用土壤流失方程RUSLE

RUSLE的表达式为

式中:A为平均土壤侵蚀模数，t/(km2·a);R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a);K为土壤可蚀性因子，t·h/(MJ·mm);L为坡长因子，无量纲;S为坡度因子，无量纲;C为植被覆盖与管理因子，无量纲;P为水土保持措施因子，无量纲。

模型所采用的数据信息源有:①2006年广东省TM卫星影像图，其栅格大小为30 m×30 m(源于http://datamirror.csdb.cn/admin/dataList.jsp);②饶平县1∶10万地形地貌图，来源于饶平县水利局;③广东土壤分布图，源于《广东土壤》(科学出版社，1993年4月);④数字高程模型DEM，分辨率为90 m×90 m(源于 http://srtm.csi.cgiar.org.);⑤中国年降雨量图(源于 http://bbs.esrichina－bj.cn/esri/)。

2.2 土壤可蚀性因子K值的计算

土壤可蚀性因子K是一项评估土壤遭受侵蚀敏感程度的指标，是土壤抵抗侵蚀能力的综合体现，其数值越大表明土壤越容易被分离、冲蚀、搬运。K值的计算有 Wischmeier诺模图法［4］、柯克比查表法［5］等方法，本研究流域土壤类型分布采用《广东土壤》［6］中的研究成果，K因子的取值采用朱立安等［7］的研究成果，从广东省土壤可蚀性K值图表中获得。黄冈河流域土壤可蚀性因子K值见表1。

表1 黄冈河流域主要土壤可蚀性因子K值

2.3 降雨侵蚀力因子R值的计算

雨滴击溅和地表径流能够分离和搬运土粒，是主要的土壤水蚀动力［8］。降雨侵蚀力因子R反映的是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，在Wischmeier(1959年)提出的经典算法中，R被定义为降雨动能和最大30 min降雨强度的乘积［5］。本研究中的年降雨侵蚀力计算公式参考刘宝元等建立的以年降雨量计算年降雨侵蚀力的估算公式［8］，公式为

式中:R为年降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h·a);P为年降雨量，mm。

2.4 坡度因子S值的计算

坡度因子S是侵蚀加速的因子，它表示当其他5个因子相同时，一定坡度地面上的土壤侵蚀量与标准径流小区典型坡面(坡度9°)土壤侵蚀量的比值。本研究参考黄金良等［9］在九龙江流域土壤侵蚀量预测研究中采用的计算公式计算S值，公式为

式中:S为坡度因子;α为地面坡度，(°)。

2.5 坡长因子L值的计算

坡长因子L与坡度因子S一起来反映地形对土壤侵蚀的影响。坡长L表示的是，当其他5个因子相同时，一定坡长坡面上的土壤侵蚀量与标准径流小区典型坡面(坡长22.13 m)土壤侵蚀量的比值。L的计算式为［5］

式中:L为坡长因子;x为坡长，m;m为坡长指数，与地面坡度α有关。

研究中采用ArcGIS软件对DEM数据进行重采样处理，提取坡度、坡长等数据。

2.6 植被覆盖与管理因子C值的获取

植被覆盖与管理因子C是指在相同条件下特定植被覆盖或田间管理土地上的土壤侵蚀量与其他条件相同情况下清耕休闲地上的土壤侵蚀总量之比值，其值介于0～1之间，反映了耕作与相应经营管理措施对土壤侵蚀的影响。植被覆盖度越高土壤侵蚀量就越小。C因子值的大小取决于作物种类、覆盖度和经营管理措施等的综合作用。研究中利用土地利用状况图与GIS软件，对该流域内的作物及用地类型进行辨别，通过到实地验证，并参考美国农业手册537号［4］对各种土地利用类型赋予不同的C值(表2)，生成C值因子图层。

表2 黄冈河流域不同土地利用类型的C值

2.7 水土保持措施因子P值的获取

P因子也称为侵蚀防治措施因子，是指采用专门侵蚀控制措施后的土壤侵蚀量与采用顺坡种植时土壤侵蚀量的比值，其值介于0～1之间［5］。通常，包含于这一因子中的侵蚀控制措施有等高耕作、修建梯田、等高带状种植等，通过改变小地形、拦蓄地表径流、增加降雨入渗等手段减少土壤侵蚀［10］。本研究P因子取值主要参照美国农业部手册537号［4］和覃杰香等［11］的相关研究文献给予赋值(表3)。

表3 黄冈河流域不同土地利用类型的P值

3 结果与分析

3.1 流域土壤侵蚀强度

利用 ArcGIS软件，将 R、K、L、S、C、P 各因子图层进行叠加相乘处理，得到流域土壤侵蚀模数，再根据国家标准［12］划分等级，形成黄冈河流域土壤侵蚀强度分布图。通过计算得到黄冈河流域年均土壤侵蚀模数为1745.5 t/(km2·a)，属轻度侵蚀。各侵蚀等级的面积及其所占研究区的比例见表4。从表4看出，微度侵蚀及轻度侵蚀面积占流域总面积的比例分别为46.84%与36.13%，这说明黄冈河流域土壤侵蚀较轻，但流域内侵蚀强度为强烈及以上的比例仍占10.07%，表明局部地区水土流失严重，须实施有效的治理。

表4 黄冈河流域土壤侵蚀状况

3.2 地形坡度对土壤侵蚀的影响

利用ArcGIS软件计算各坡度带所占面积和总的侵蚀量，得到如表5所示的不同坡度等级的侵蚀结果。从表5看出，随着坡度的增大，平均土壤侵蚀模数在逐渐增大，其中:0—5°、5°—8°两个坡度带属于微度侵蚀;8°—15°坡度带平均土壤侵蚀模数与流域平均土壤侵蚀模数较为接近，属于轻度侵蚀;15°—25°及25°—35°两个坡度带为中度侵蚀;强烈侵蚀主要分布在＞35°的坡度带。

表5 不同坡度的土壤侵蚀

进一步分析可知:15°以下缓坡地带面积占流域面积比例达71.1%，但这部分区域侵蚀量仅占流域总侵蚀量的39.88%，主要发生微度及轻度侵蚀，这得益于植被在缓坡上容易生长及人工林地覆盖率的增大;15°—25°、25°—35°两个坡度带侵蚀模数均高于流域平均土壤侵蚀模数，这部分区域面积只占流域面积的28.07%，但侵蚀量占流域总侵蚀量之比却达56.82%，这说明土壤侵蚀主要发生于这两个坡度带，应将其作为水土保持重点治理的区域。

3.3 土地利用类型对土壤侵蚀的影响

将土地利用类型图与土壤侵蚀像元图进行叠加，得到如表6所示的不同土地利用类型的平均土壤侵蚀模数与侵蚀量。从表6看出:林地为黄冈河流域最主要的土地利用类型，占流域面积的64.20%;草地次之，占16.30%;居民点及交通用地所占面积较小，仅占流域总面积的1.85%。从土地利用类型对土壤侵蚀的影响来看:林地的侵蚀量最大，占流域侵蚀量的51.42%，但平均侵蚀模数仅为1398.11 t/(km2·a)，属轻度侵蚀，侵蚀量较大的原因是林地所占面积最大;草地侵蚀模数为3714.36 t/(km2·a)，较流域平均侵蚀模数大，侵蚀量占流域侵蚀量的34.69%，是侵蚀主要发生区;水田平均侵蚀模数为964.92 t/(km2·a)，侵蚀量占流域侵蚀量的6.77%，侵蚀模数和侵蚀量都较小;居民点及交通用地平均侵蚀模数为5625.02 t/(km2·a)，旱地平均侵蚀模数为19407.75 t/(km2·a)，两者均远大于流域平均侵蚀模数，分别属于强烈和剧烈侵蚀，面积虽仅占流域面积的1.95%，但侵蚀量占流域侵蚀量之比却高达7.12%，可见居民点及交通用地、旱地、草地是该流域土壤侵蚀的主要发生区，应将其列为流域水土保持重点治理对象。

表6 不同土地利用类型的土壤侵蚀

4 结语

(1)基于GIS和RUSLE的黄冈河流域土壤侵蚀研究结果表明，该流域多年平均土壤侵蚀模数为1745.5 t/(km2·a)，属轻度侵蚀。

(2)利用ArcGIS软件的空间处理功能，能有效地分析流域土壤侵蚀强度、土壤侵蚀量与各环境因素之间的关系。地形地貌是影响土壤侵蚀的显著因素，随着地形坡度的增加，土壤侵蚀模数显著增大，土壤侵蚀主要发生于 15°—25°、25°—35°两个坡度带，应将其作为水土保持重点治理的区域。

(3)不同土地利用类型中，居民点及交通用地、旱地、草地的侵蚀模数分别为5625.02、19407.75和3714.36 t/(km2·a)，是土壤侵蚀较严重的区域。

［1］饶平县水利局江河流域规划组.广东省饶平县江河流域综合规划报告书［R］.广东:汕头市水利水电勘察设计院，2000:6－10.

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［3］杨娟，葛剑平，李庆斌.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］Wischmeier W H，Smith D D.Predicting rainfall erosion losses:A guide to conservation planning［G］∥Agriculture Handbook No.537.Washington，D C:United States Department of Agriculture，1978:10 －11，28 －34.

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［6］广东省土壤普查办公室.广东土壤［M］.北京:科学出版社，1993:102－103.

［7］朱立安，李定强，魏秀国，等.广东省土壤可蚀性现状及影响因素分析［J］.亚热带水土保持，2007，19(4):6 －7.

［8］刘宝元，毕小刚，符素华，等.北京土壤流失方程［M］.北京:科学出版社，2010:28 －30.

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［10］秦伟，朱清科，张岩.基于GIS和RUSLE的黄土高原小流域土壤侵蚀评估［J］.农业工程学报，2009，25(8):157－163.

［11］覃杰香，王兆礼.基于GIS和RUSLE的从化市土壤侵蚀量预测研究［J］.人民珠江，2011(2):37－41.

［12］SL 190—2007，土壤侵蚀分类分级标准［S］.