基于GIS与RUSLE模型岔口小流域土壤侵蚀定量研究

李欣欣，郭青霞，杨鑫芳，李晋超，闫瑞，闫胜军，赵富才，卢庆民

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷030801；2.永和县水务局，山西 永和041400）

土壤侵蚀是土壤或其他地表物质在水力、风力及重力等外营力作用下，被剥蚀、破坏、分离、搬运和沉积的过程，已成为全球性的重大环境问题。我国作为土壤侵蚀最为严重的国家之一，土壤水力、风力侵蚀总面积达2.9491×106k m2，西北黄土高原区侵蚀沟道666 719条［1］。土壤侵蚀带走大量水土资源，造成土壤养分的流失及农药等有害物质的非点源污染问题。有关土壤侵蚀的研究渐多，已有较多的运用相关技术对其进行定量研究的方法。其中，修正通用水土流失方程（RUSLE）是目前应用最广泛的土壤侵蚀模型，但土壤侵蚀的敏感性及影响因子众多，模型在应用上具有一定局限性。在实地调查观测及土壤样品理化性质分析的基础上，借助计算机及GIS技术，应用RUSLE模型理论对岔口小流域的土壤侵蚀进行定量研究，可为该地区的水土流失防治、加强综合治理提供依据，对实现区域的可持续发展有重要意义。

1 研究区概况

2 研究方法

2.1 模型及数据处理

用RUSLE（The Revised Universal Soil Equation）预测岔口小流域的年均土壤侵蚀量。RUSLE由美国农业部于1997年正式实施，是对USLE进行修订的土壤侵蚀预测模型，与USLE表达式结构相同［2，3］：

式中：A－土壤侵蚀量／t·h m－2·a－1；R－降雨侵蚀力；K－土壤可侵蚀性；LS－坡长坡度因子；C－覆盖与管理因子；P－水土保持措施因子。

据RUSLE模型的影响因子及研究区概况，收集了2001～2012年降雨量观测数据。将永和土壤图在GIS软件中进行数字化，建立岔口小流域土壤类型图，通过分层随机样点采样方法进行了土壤理化性质分析。将1∶10000地形图等高线在GIS软件中矢量化，生成分辨率为5 m的数字高程模型（DEM），获得坡度坡长数据。在实地调查基础上制作2011年岔口小流域土地利用现状图，包括土地利用方式、植被及耕作方式等信息，为本区域土壤侵蚀的定量研究提供数据基础。土壤侵蚀定量计算的流程见图1。

图1 土壤侵蚀预报模型定量计算流程图Fig.1 Calculation flow chart of Soil Erosion Quantitative Prediction Model

2.2 RUSLE各因子值的确定和因子图层的生成

2.2.1 降雨侵蚀力因子R值

降雨侵蚀力是指降雨所能引起的土壤侵蚀的潜在能力，与降雨强度、总动能、降雨时长及降雨量等因素有关。据收集及观测到的流域降雨数据，采用基于日降雨量的年降雨侵蚀力的计算方法［4］：

式中：Mi－第i年的降雨侵蚀力／MJ·mm·h m－2·h－1·a－1；Dy－本年内第y日侵蚀性日降雨量（要求大于12 mm，否则为零［5］）；k－1年内侵蚀性降雨天数／d；Pd12－日降雨量≥12 mm的日平均降雨量／mm；Py12－日降雨量≥12 mm的年平均降雨量／mm；α，β－模型估计参数值。

分析流域内降雨分布，其空间差异性不大，采用岔口降雨量观测站观测数据进行计算。获得岔口小流域12年（2001～2012）的年降雨侵蚀力（图2），计算得平均年降雨侵蚀力为1662.0427 MJ·mm·h m－2·h－1·a－1。

图2 岔口小流域2001～2012年降雨侵蚀力Fig.2 Rainfall erosivity（R）in Chakousmall watershed from 2001 to 2012

2.2.2 土壤可蚀性因子K值

12月5日下午，浙江省副省长彭佳学到浙江省自然资源厅调研指导测绘与地理信息工作。浙江省政府办公厅、省建设厅、省农业农村厅、国家统计局浙江调查总队负责人参加调研。厅领导黄志平、盛乐山、闵建平陪同调研。

土壤可蚀性是指标准小区在单位降雨侵蚀指标下的土壤侵蚀量。K值反映土壤对侵蚀的敏感性，不同的土壤类型具有特定的抗侵蚀性。采用Wischmeier等建立的诺莫方程法计算区域土壤可蚀性K值，其表达式［2］为：

式中：M－粉砂（0.05～0.1 mm）＋极细砂（0.002～0.05 mm）／%与粉砂＋极细砂＋砂粒（0.1～2.0 mm）／%之积；OM－土壤有机质含量／%；s－结构系数；p－渗透性等级。

其中，土壤质地及有机质含量为实地采集土壤样品测定获得，渗透性等级可通过将实际渗透数据对照美国土壤调查手册获得，模型中土壤的物理组成采用美国制组成。

岔口小流域主要为地带性褐土，包括山地灰褐土、草甸土等17个土种，采样测量土壤理化性质及据公式（3）计算得到的K值见表1。

表1 岔口小流域土壤理化性质及K值Table 1 Soil physical and chemical properties and K value of Chakousmall watershed

图3 土壤可蚀性K因子分布图Fig.3 Distribution map of soil erodibility factor K

在数字化的岔口小流域土壤类型矢量图中，将土壤可蚀性因子K值根据土种代码以属性数据形式输入，并在Arc MAP中提取K值分布图层（图3）。

2.2.3 地形因子LS值

地形因子LS又称坡长坡度因子，由坡长因子L和坡度因子S构成。在区域及小流域尺度上得到实地测量坡度坡长数据的难度较大，只能在数字高程模型（DEM）中直接提取。Hickey等［6，7］和 Van Remortel等［8，9］在坡长定义的基础上考虑沉积、汇流等因素，采用D8累积算法提取坡长，并获取地形因子。用Hichey的基于ArcINFO的AML计算程序，在ArcInfo Workstation中运行，据Van Remortel建议将中断因子定义为0.7和0.5［9］。生成的L因子和S因子图层见图4。

图4 坡长坡度因子分布图Fig.4 Distribution maps of slope lengt h and slope gradient factors

2.2.4 植被覆盖和管理因子C值

植被覆盖和管理因子是植被对土壤侵蚀的抑制作用指标，C值范围在0～1之间，为无量纲值，大小主要取决于植被覆盖度、冠层覆盖及作物管理方式等因素，C值越接近于1表示土壤侵蚀越严重。据岔口小流域的实地调查，流域内林地约占流域总面积的 40.93%，园地占 2.49%，耕地占18.55%，居民点及交通用地占1.60%，荒草地占36.32%，水域占0.11%，具有典型的黄土高原丘陵沟壑区植被构成特点。据张岩等［10，11］对黄土高原植被覆盖和管理因子的研究，确定本流域不同土地利用的C值（表2）。在绘制的2011年8月岔口小流域土地利用现状图中赋予C因子值属性，提取C因子分布图层（图5）。

2.2.5 水土保持措施因子P值

水土保持措施因子是指实施水土保持措施后土壤侵蚀量与顺坡耕作的土壤流失量的比率，其值在0～1之间。0表示无侵蚀区，1代表未采取措施的地区。2000年以来，该流域开始实施退耕还林，并在退耕区大量进行鱼鳞坑整治；保留的耕地部分已改造成梯田。据水土保持措施的相关研究［12，13］，修改梯田减少91.6%坡面侵蚀，鱼鳞坑减少坡面侵蚀的81.3%，将水平梯田和鱼鳞坑的P因子分别取为0.084和0.187。未采取措施的区域则定义P因子值为1。在土地利用现状图中分别赋予对应的P因子值，获取P值分布图（图6）。

表2 岔口小流域不同土地利用类型的植被覆盖度C值Table 2 Vegetation coverage C value of different land use types of Chakousmall watershed

图5 覆盖及管理C因子分布图Fig.5 Distribution map of vegetation cover and management factor C

图6 水土保持措施P因子分布图Fig.6 Distribution map of soil and water conservation measures factor P

2.3 土壤侵蚀量估算

将所得各因子分布栅格图转换成5×5 m的GRID数据，统一坐标系。用Arc Map中的栅格计算器，将每个栅格数据连乘，获得岔口小流域土壤侵蚀强度图（图7）。根据土壤侵蚀分类分级标准［14］，确定流域的土壤侵蚀强度分级。在Arc GIS软件中统计流域不同侵蚀强度等级的面积（表3），并生成土壤侵蚀强度分级图（图8）。

3 结果分析

图7 岔口小流域土壤侵蚀强度图Fig.7 Soil erosion intensity map of Chakou small watershed

从流域土壤侵蚀模数统计结果清晰可见，岔口小流域最高侵蚀模数为4377.82 t·k m－2·a－1，未达到强烈侵蚀等级。流域的土壤侵蚀以微度侵蚀为主，微度侵蚀面积为129.9552 k m2，占流域总面积的98.52%。从土壤侵蚀强度分级图来看，微度侵蚀区在流域内呈片状分布。轻度侵蚀则呈星状分布于微度侵蚀区域中，面积仅有1.635 0 k m2，是流域总面积的1.24%。通过土壤侵蚀强度分级图与DEM提取的坡度图、土地利用现状图叠加分析看出，轻度侵蚀区集中分布于坡度大于8°的植被覆盖度较低的山坡、河流沿岸和无植被覆盖的居民点地区。分析得出，土壤侵蚀轻度侵蚀以坡度和植被覆盖为主要影响因素。中度侵蚀为岔口小流域土壤侵蚀最为严重的地区，面积为0.3238 k m2，基本分布于裸地区域。

表3 岔口小流域土壤侵蚀强度分级统计Table 3 Soil erosion intensity classification statistics of Chakousmall watershed

图8 岔口小流域土壤侵蚀强度分级图Fig.8 Classification map of soil erosion intensity in Chakousmall watershed

3.1 不同坡度的土壤侵蚀分析

运用GIS软件的空间分析功能，将DEM提取坡度图重分类得到坡度等级图（分类标准见表4），并与土壤侵蚀强度分级图进行叠置分析。结果表明，坡度越大侵蚀程度越显著。坡度越大，降雨所产生的坡面径流越大，侵蚀总动能显著增加，使坡度较大的地区有产生较强程度侵蚀的潜力。流域总体侵蚀未达到强度及以上侵蚀等级，原因是流域最大坡度为16.26°（小于缓坡和陡坡的分界值25°），均属于缓坡区，产生径流速度较低，且流域自退耕还林以来，山地植被覆盖度较高，坡耕地除部分修改为梯田，均以等高耕作，减缓了土壤侵蚀量，流域整体土壤侵蚀程度低。比较流域内侵蚀强度，轻度侵蚀多分部于8°及以上山坡，呈星状镶嵌于微度侵蚀区域。流域内从坡度分级上看，土壤侵蚀强度随坡度等级的增加而显著增强。坡度大于8°的地区土壤平均侵蚀强度达到轻度侵蚀等级，8°～12°和12°～17°坡度分级的平均侵蚀模数为1547.38 t·k m－2·a－1和2011.34 t·k m－2·a－1，属于本流域侵蚀较强区域。

表4 不同坡度的土壤侵蚀强度Table 4 Soil erosion intensity of different slope

3.2 不同土地利用类型的土壤侵蚀分析

将土壤侵蚀强度分级图与土地利用现状图叠加分析，得到不同土地利用类型的土壤侵蚀强度。流域内土地利用类型以林地和荒草地为主，分别占流域总面积的40.93%和36.32%，植被覆盖面积较大。流域内拥有国营林场，覆盖度较高，退耕还林项目除自然生长的沙棘林、蒿草等植被，还大量种植了侧柏、核桃等树种，林地侵蚀强度低，平均侵蚀模数为78.08 t·k m－2·a－1。十年的退耕还林等措施使流域植被覆盖率有较大提高，是流域土壤侵蚀强度总体较低的主要因素之一；流域内荒草地除天然荒草地，还包括退耕造成的荒草地，部分荒草地分布于坡度较大区域，由于其覆盖度及坡度因素，侵蚀强度较林地高。农用地分为耕地和园地，占流域总面积的21.04%，其中耕地包括坡耕地、沟坝（川）地及梯田等类型。坡耕地均为等高耕作，对土壤侵蚀具有一定的抑制作用，但坡耕地是土壤沟蚀的主要地区，据调查，坡耕地均产生冲沟现象，其沟深及数量受坡度影响较大，由于流域总体处于缓坡区，坡耕地的侵蚀强度较低，为385.23 t·k m－2·a－1。梯田在保证基本农田保护面积的同时，亦防治水土及养分等的流失，其平均侵蚀模数为34.55 t·k m－2·a－1。流域内侵蚀强度最大的区域为居民点用地，房屋建设使得地表植被严重破坏，形成裸地，水土流失量大，侵蚀模数最高达4377.82 t·k m－2·a－1。结果显示，岔口小流域土壤侵蚀强度等级较高区域集中在居民点用地及荒草地，林地以微度侵蚀为主。未来流域的土壤侵蚀防治中应注重居民点、荒草地、裸地等的整理工作，更有效地防治水土流失。

4 结论

基于GIS和RUSLE模型，在对岔口小流域土地利用情况实地调查及土壤理化性质样本测定的基础上，对岔口小流域土壤侵蚀情况进行了定量评估，生成侵蚀空间分布图，为流域进行有效的水土流失治理提供一定的依据。

1）从土壤侵蚀强度分级看，岔口小流域以微度侵蚀为主，最高侵蚀强度为4377.82 t·k m－2·a－1，未达到强度及以上等级。流域98.52%的区域在容许土壤流失量以内（土壤侵蚀分级标准中指出西北黄土高原区的容许流失量为1000 t·k m－2·a－1［14］）。轻度和中度侵蚀面积共占流域总面积的1.48%，面积很小。

2）从土壤侵蚀空间分布及与坡度关系上来看，微蚀集中成片分布，各处均有分布。轻度及中度侵蚀即为流域内侵蚀较强的区域，主要分布于坡度大于8°的荒坡及居民点用地区域，该流域属于缓坡区，土壤侵蚀强度总体较低。

3）从土壤侵蚀与土地利用类型的关系分析发现，流域内林地以微度侵蚀为主，居民点用地侵蚀强度最高，其次是荒草地，占流域总面积的36.32%。在流域的水土保持工作中，应将荒草地设为重点治理对象，更有效的防治水土流失。

在获取RUSLE模型的降雨侵蚀力、土壤可蚀性等因子时均考虑了多年平均情况，植被覆盖及管理因子用2011年土地利用现状图提取。退耕还林及坡耕地修改梯田项目的实施后，2011年的植被覆盖度较2001年有很大提高，计算结果低于多年平均侵蚀情况，说明实施退耕还林期间本流域水土保持相关措施已取得一定成效。

［1］中华人民共和国水利部.第一次全国水土普查公报［Z］.北京：中国水利水电出版社，2013.

［2］Wischmeier W H，Smith D V D.Predicting rainfall erosion losses－a guide to conservation planning［J］.Science and Education Ad ministration，U.S.Depart ment of Agriculture，1978：62.

［3］Renard K G，Foster G R.RUSLE，revised：Stat us，answers，and the f uture［J］.Soil Water Conser vation，1994，49（3）：213－220.

［4］章文波，付金生.不同类型雨量数据资料估算降雨侵蚀力［J］.资源科学，2003，25（1）：35－41.

［5］谢云，刘宝元，章文波.侵蚀性降雨标准研究［J］.水土保持学报，2000，14（4）：6－11.

［6］Dunn M，Hickey R.The effect of slope algorith ms on slope esti mates within a GIS［J］.Cartography，1998，27（1）：9－15.

［7］Hickey R.Slope Angle and Slope Lengt h Sol utions for GIS［J］.Cart ography，2000，29（1）：1－8.

［8］Van Remortel R D，Maichle R W，Hickey R J.computing the LS factor for the Revised Universal Soil Loss Equation t hrough arraybased slope processing of digital elevation data using a C＋＋executable［J］.Computers and Geosciences，2004，30（9－10）：1043－1053.

［9］Van Re mortel R D，Ha milton M E，Hickey R J.Esti mating the LS Fact or for RUSLE t hr ough Iterative Slope Lengt h Processing of Digital Elevation Data wit hin Aclnf o Grid［J］.Cartography，2001，30（1）：27－35.

［10］张岩，刘宝元，史培军，等.黄土高原土壤侵蚀作物覆盖因子计算［J］.生态学报，2001，21（7）：1050－1056.

［11］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价［J］.农业工程学报，2009，25（8）：157－163.

［12］吴发启，张玉斌，王健.黄土高原水平梯田的蓄水保土效益分析［J］.中国水土保持科学，2004，2（1）：34－37.

［13］石生新.水土保持措施强化降水入渗试验研究［D］.杨凌：中国科学院、水利部水土保持研究所，1992.

［14］中华人民共和国水利部.土壤侵蚀分类分级标准（SL190－2007）［S］.北京：中国水利水电出版社，2008.