基于GIS和USLE模型的安徽舒城县土壤侵蚀空间分析

彭丽蓉，李洪建

(山西大学 黄土高原研究所，山西 太原 030006)

基于GIS和USLE模型的安徽舒城县土壤侵蚀空间分析

彭丽蓉，李洪建

(山西大学 黄土高原研究所，山西 太原 030006)

基于通用土壤侵蚀模型(USLE)，利用安徽舒城县逐月降雨数据、土地利用图、土壤类型图、DEM，通过确定土壤侵蚀方程中各因子，在GIS平台上对研究区2010年土壤侵蚀量和空间分布特征进行了研究。结果表明：舒城县的年平均土壤侵蚀模数为303.89 t·km-2·a-1，侵蚀强度为轻度。区域土壤侵蚀在轻度以下的面积占研究区面积的97.98%。区域内土壤侵蚀的空间分布差异较大，不同侵蚀等级零散分布；东北部平原地带土壤侵蚀不明显，中南部低丘陵山区及西南部大别山区土壤侵蚀较严重，尤其是龙河口水库区域土壤侵蚀状况严重。通过以上研究分析，以期为当地经济发展及土地利用规划提供参考。

土壤侵蚀；USLE；空间分析；舒城县

土壤侵蚀是指土壤或成土母质在外力作用下被破坏剥蚀、搬运和沉积的过程。土壤侵蚀不仅破坏土壤资源，降低土壤肥力和质量，破坏水利、交通工程设施，而且会导致生态环境的恶化，是世界范围内重要的环境问题之一[1]，严重威胁人类的生存和发展。

土壤侵蚀模型是监测和预报土壤侵蚀的重要工具。通用土壤流失方程(The Universal Soil Loss Equation，简称USLE)是美国农业部(USDA)于20 世纪中叶开发的一个主要用于估算坡地土壤流失量与其主要影响因子间定量关系的侵蚀数学模型，基于大量小区观测资料和人工模拟降雨试验资料建立了著名的通用土壤流失方程。20世纪80年代以后，国外的专家学者对通用土壤流失方程不断进行修正，使模型得到了完善。与其他模型相比，如ANGPS[2]等，USLE结构简单，适用广，数据易获取，实用性强，在世界范围内都得到了广泛应用。因此，USLE在定量评价土壤侵蚀强度、土地资源合理利用和水土保持规划等方面具有重要的作用。我国学者[3,4]在上个世纪80年代，利用USLE模型与本国实际相结合，取得了重要的成果。本文依据USLE和国内学者[5,6]针对中国各区域实际提出的修正意见，对舒城县土壤侵蚀影响各因子值的算式算法进行率定，建立舒城县土壤水蚀模型，旨在探求舒城县土壤侵蚀量及其空间分布状况，为舒城县经济发展及土地利用规划提供科学依据。

1 研究区概况

舒城县隶属于我国安徽省六安市，位于安徽省中部、大别山东麓、巢湖之滨、江淮之间，东靠庐江县，南与桐城市、潜山县为邻，西与岳西县、霍山县相接，北与省会合肥相倚，濒长江黄金水道，东临全国五大淡水湖之一的巢湖[7]。属于亚热带温润性季风气候区,年平均气温15.6℃，降雨量1100 mm，无霜期224 d。地理坐标界于北纬31°01′～31°34′、东经116°26′～117°15′之间，全县呈橄榄形，南北宽49 km，东西长86 km，辖区国土面积2092 km2。地理概貌为西高东低, 西南为大别山余脉，最高点万佛山峰海拔1539 m。山地面积约占全县52%，中部是丘陵岗区；丘陵面积约占全县20%；东部属冲积平原，最低点舒三海拔7 m。县内主要河流有9条，其中杭埠河和丰乐河为两大骨干河流。大小水库62座，其中有以世界第一大人工土坝而名闻遐迩的龙河口水库(万佛湖)。人口分布特点呈现西部稀疏东部密集,经济状况为西部困难东部繁荣,自然格局呈现为五山一水二分田,二分道路及庄园,是一个山、丘、圩兼备,集山区、库区、老区、贫困区为一体的县份。

2 资料来源及研究方法

2.1 基础数据

数据来源包括舒城县1∶25万数字高程模型(DEM)、土壤类型分布图、土地利用图、逐月降雨数据等。其中DEM数据由安徽省自然灾害过程与防控研究省级实验室(Anhui Key Laboratory of Natural Disaster Process and Prevention)提供并分析得到(图1)；土壤类型分布图取自安徽省土壤类型数据库(2010年)；降雨数据由国家气象资料室提供(站号：58316)，时间段为1981-2010年。

图1 研究区数字高程图

2.2 土壤流失方程及因子确定

土壤流失方程。将众多影响土壤侵蚀速率的互相联系的物理和管理因素归纳为六个主要的因子，这些因子在不同地区的值可以数量化表示。通用土壤流失方程为：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A为单位面积上的土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子,即降雨侵蚀力指数的数值再加上表示因融雪或外加水量而产生的径流因子;K为土壤可蚀性因子，即在标准单位上测得的特定土壤在单位降雨侵蚀力作用下的土壤流失速率;L为坡长因子，即在其它条件相同的情况下，某一长度的坡面上的土壤流失量与标准长坡面上的流失量的比值;S为坡度因子，即在其它条件相同的情况下，某一坡度的坡面上的土壤流失量与标准坡度的坡面上流失量的比值;C为植被覆盖管理因子，即在一定的覆盖和管理措施下，一定面积土地上的土壤流失量与采取连续清耕、休闲处理的相同面积土地上的流失量的比值;P为水土保持措施因子。

2.2.1 降雨侵蚀力因子R

降雨量的大小及降水形式与土壤的侵蚀程度有着密切的联系，降雨侵蚀力因子R是评价降雨对土壤侵蚀作用的大小程度，反映降雨对土壤潜在的侵蚀能力[8]。R难以直接测量，多数情况下采用降雨量参数来估计。吴素业[9]采用1984-1992年安徽省岳西县水土保持科学试验站的降雨观测数据，建立了降雨量与土壤侵蚀力因子R之间的相互关系，得到大别山区降雨侵蚀力的简化公式：

(2)

式中：R为年降雨侵蚀力；Pi为当月降雨总量。

因舒城县与岳西县毗邻，研究区域大部属大别山区，故此次研究R因子计算方法采用吴素业的研究结果，多年平均降水量按世界气象组织(WMO)规定为30年降水平均值，选取舒城县1981-2010年共30 a的降雨数据，代入公式(2)分别计算得到每年降雨侵蚀力值(表1)，R值在138.80～730.63之间，平均值为337.39 J·m-2。

表1 舒城县1981-2010年年降雨量表与年降雨侵蚀力R值

2.2.2 土壤可蚀性因子K

土壤可蚀性是一种复杂的土壤特性，土壤可蚀性因子是在标准单位上测得的特定土壤在单位降雨侵蚀力作用下的土壤流失速率，是较长时间段内土壤在雨滴击溅、径流冲刷，或者两者共同作用下，被分散、搬运难易程度的平均反映[1]。K值的大小直接反映了土壤及土壤坡面对各种水蚀作用过程的敏感程度，影响K因子大小的原因是多方面的，其中土壤颗粒的组成与有机质的含量是最重要的影响因素，土壤质地越细或越粗，K值越低，相反质地适中的土壤K值较高[10]。安徽省土壤类型数据库提供了省内各种不同试验条件下土壤类型数据，在获取舒城县土壤可蚀性因子K值过程中，参照梁音、史学正[11]对我国中东部丘陵地区土壤可蚀性的研究成果。由安徽省土壤类型数据库提供了不同质地土壤的K值，本研究通过对土壤类型图进行数字化，得到舒城县土壤可蚀性因子K值分布图(图2)。

图2 研究区土壤可蚀性因子K值空间分布图

2.2.3 坡度坡长因子LS

地形对土壤侵蚀的影响用坡长L和坡度S表示。随着坡长增加，坡度越陡，径流能量也越大，对坡面的冲刷就越严重，侵蚀量也越大。在USLE和RUSLE中，美国规定的标准小区为坡度为9%，坡长22.1 m，小区宽2 m，且连续保持顺坡作清耕裸露休闲状态。坡长因子L指在其他条件相同的情况下，任意坡长下的单位面积土壤流失量与标准小区坡长单位面积土壤流失量的比值。用于获得坡长因子的小区资料表明，坡长为λ(m)坡地上的平均侵蚀量，并按如下公式变化：

L=(λ/22.1)m

(3)

式中，22.1是USLE中22.1 m的标准小区的坡长，λ是由DEM提取出来的水平投影坡长/m，m是坡度指数。

坡度因子S指在其他条件相同的情况下，任意坡度下的单位面积土壤流失量与标准小区坡度单位面积土壤流失量的比值。土壤侵蚀随坡度的增加而增加，且增加速率加快。但土壤流失量并不是随着坡度的增大而无限增大。舒城县地形复杂，山地、丘陵面积占研究区域的一半以上，因此本研究基于已经数字化的舒城县DEM，采用分段的方法考虑坡度对土壤侵蚀的影响[12]。缓坡上选用McCool等[13]研究的坡度公式，陡坡上采用刘宝元等[5]的研究结果，具体如下(公式4)：

(4)

式中，S为坡度因子，θ为由DEM提取的坡度值/°。

研究区坡度坡长因子LS分布图(图3)。

2.2.4 植被覆盖管理因子C和水土保持措施因子P

植被覆盖管理因子C是在相同的土壤质地、相同的坡度和相同的降水条件下，某种特定作物和植被情况下土壤流失总量与实施清耕后连续休闲地土壤流失总量的比值。有关植被覆盖管理因子对土壤侵蚀的影响，国内的研究成果基本上限于估算主要植被类型C的平均值[12]，很少考虑到不同的耕作条件，耕种方式等管理措施对于C值的影响。参考蔡崇法等[14]通过坡面产沙量与植被覆盖度相关关系的研究成果，结合安徽省土地利用及农作物经营的实际调查情况，得出研究区域的植被覆盖管理因子(表2)。

水土保持措施因子P是指实行特定保护措施后的土壤流失总量与未实施保护措施前，相应区域顺坡耕作时的土壤流失量的比值，为无量纲数，其数值一般介于0.15～1.00之间[8](表2)。

图3 研究区坡度坡长因子LS分布图

表2 舒城县不同土地利用类型C因子和P因子值

2.3 土壤侵蚀量计算

使用ArcGIS软件对通用土壤流失方程(A=R·K·L·S·C·P)中降雨侵蚀力因子R，植被覆盖管理因子C及水土保持措施因子P，土壤可蚀性因子K的栅格图层及坡度坡长因子LS的栅格图层，进行叠加分析，得到研究区域2010年土壤流失状况栅格图(图4)。

图4 舒城县2010年土壤侵蚀强度分级图

3 结果与分析

根据2010年舒城县土地利用状况，研究区土壤侵蚀不同等级的面积及面积比、侵蚀量及侵蚀量比例，如表3。

表3 舒城县土壤侵蚀登记统计表

从表3统计数据可得，舒城县多年平均土壤侵蚀量为60.585×104t·a-1，土壤侵蚀模数为303.89 t·km-2；微度侵蚀区域面积最大，占区域侵蚀面积的65.95%，其次是轻度侵蚀，面积为670.17 km2，占总面积的32.03%，近98%的区域为轻度以下侵蚀，2.02%的区域属于中度或中度以上侵蚀，剧烈侵蚀的区域仅为0.02%。总体上看，舒城县土壤侵蚀状况为轻度侵蚀，空间分布呈明显的块状分布。东北平原地区如杭埠镇、千人桥镇、柏林乡等区域，土地利用类型以农耕地为主，土壤侵蚀量小于2 t·hm-2·a-1，属于微度侵蚀；西南部丘陵地带，如晓天镇、河棚镇等，土壤侵蚀强度在2～50 t·hm-2·a-1，属于轻度和中度侵蚀区域；土壤强烈侵蚀区域50～80 t·hm-2·a-1和极强烈侵蚀区域80～150 t·hm-2·a-1分布在中部丘陵地带和低山区，如汤池镇、张母桥等乡镇，呈带状分布；剧烈侵蚀区域集中分布在龙河口水库西南部临近区域。

4 讨论与结论

综合以上分析结果表明，舒城县2010年土壤侵蚀属于轻度侵蚀，侵蚀结果呈现块状分布的特征，但中部地区的龙河口水库由于人口密度大，加之近几年对于水库的修建，导致农耕面积减少，大量开垦陡坡作为农用田，侵蚀状况较为严重；中南部地区地势陡峭，年降雨量较大，水蚀性强，所以土壤侵蚀状况剧烈。建议通过清除水库淤塞，大面积退耕还林，减少在陡坡区域农耕面积进行水土保持工作，进一步减小土壤侵蚀严重程度。

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AnalysisonSoilErosioninShuchengCountyBasedonGISTechniquesandUSLEModel

Peng Lirong，Li Hongjian

(InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030006,China)

Based on the Universal Soil Loss Equation (USLE), the soil erosion and spatial distribution characteristics in Shucheng Anhui in 2010 were analyzed by applying the GIS platform and combining with the monthly rainfall data of Shucheng county, land utilization chart, soil type chart and DEM. The results showed that the annual average soil erosion modulus in this area was 303.89 t·km-2·a-1; and the area with mild erosion intensity accounted for 97.98% of the total research area. The spatial distribution of soil erosion showed a great heterogeneity and erosion grade also revealed a scattered distribution in the basin. The soil erosion condition of the Northeast Plain of the county was not obvious, while in the Central South Low Hills Areas and the Southwest Da Bie Shan Area was more serious, especially in the Long Kou Reservoir Area with the worst damage According to the above research analysis, the findings of this research could provide some implications for the economic development and land planning of the county.

Soil Erosion；USLE；Spatial Analysis；Shucheng County

2014-04-18

2014-05-10

彭丽蓉(1990-)，女(汉)，山西祁县人，硕士研究生，研究方向:土壤资源。

李洪建，教授，硕士生导师。Tel：13934609026；E-mail: hongli@sxu.edu.cn

S157.1

A

1671-8151(2014)04-0339-06

(编辑：武英耀)