耦合RUSLE和景观阻力的北部湾流域土壤侵蚀风险评价

李 彪，卢 远，许贵林，何 文，蒙良莉

(1.广西师范学院 地理科学与规划学院/北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；2.广西壮族自治区海洋研究院,广西 南宁 530001)



耦合RUSLE和景观阻力的北部湾流域土壤侵蚀风险评价

李 彪1，卢 远1，许贵林2，何 文1，蒙良莉1

(1.广西师范学院 地理科学与规划学院/北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；2.广西壮族自治区海洋研究院,广西 南宁 530001)

土壤侵蚀；RUSLE模型；景观阻力；北部湾流域

以北部湾流域为研究区，考虑景观阻滞作用进行土壤侵蚀风险评估，采用遥感影像等基础数据，结合RUSLE模型，计算得到北部湾流域的土壤侵蚀模数，利用土壤侵蚀影响强度和土壤侵蚀风险指数分别表示土壤侵蚀对目标水体的泥沙输移风险和土壤流失风险。结果显示：在北仑河流域的西北部、东南部地区，防城江流域的西北部地区和南流江流域的局部地区现状土壤侵蚀较严重；土壤流失风险高的地方位于南流江流域(六万大山和大容山交界的局部区域)和铁山港滨海平原盆地的西南部地区。

水土流失是全球性的重大环境问题之一，严重的水土流失会导致土地资源破坏、土地生产力降低、洪涝干旱灾害加剧，对土壤结构、农业生产、水质和环境构成很大威胁。为优化水土资源利用和指导水土保持规划，各国学者常采用预测估算的方法对土壤侵蚀量进行研究。土壤侵蚀是一个受多种因素驱动作用的自然过程，自然环境中景观的作用对土壤侵蚀的影响很大。景观是具有不同水土保持功能景观单元的空间镶嵌体，植被斑块抑制土壤侵蚀，非植被斑块促进土壤侵蚀的发生和泥沙的输移过程。基于上述原理，本研究耦合RUSLE模型和景观阻力对土壤侵蚀的影响，模拟了土壤侵蚀强度，将植被覆盖度和地形坡度作为景观阻滞作用的两个因素，定量表征了北部湾流域的土壤侵蚀风险。

1 研究区概况

北部湾位于我国南海的西北部，地理坐标为北纬21°24′20″～22°01′20″、东经107°56′30″～109°40′00″，是由中国的广西沿海、广东雷州半岛、海南西部，以及越南的东北部所围成的天然半封闭浅水海湾[1]。研究区为我国广西北部湾流域，包括钦江流域、大风江流域、防城江流域、黄竹江流域、南流江流域、九曲江流域、北仑河流域等。该区土地总面积23 277.8 km2，属亚热带季风性湿润气候区，全年阳光充足，雨量充沛，年均气温22.0～23.4 ℃，年均降水量1 297～3 512 mm；山地、丘陵、盆地组合分布，地形起伏较大；属喀斯特地区，石漠化严重，不合理的人类活动导致土壤流失加剧；植被覆盖度较高，生物多样性丰富；土壤类型主要有红壤、赤红壤、紫色土等。

2 研究方法

基于RS与GIS 技术，在合理计算各土壤侵蚀影响因子的基础上，定量评价北部湾流域土壤侵蚀现状，并以此为基础研究景观阻力与土壤侵蚀的关系。

2.1 土壤侵蚀量计算

考虑到研究区石漠化状况严重，在RUSLE模型中引入石漠化因子，与其他因子结合计算土壤侵蚀量。加入石漠化因子的RUSLE模型计算公式为

A=RKLSCP(1-ω)

(1)

式中：A为年平均土壤侵蚀量，t/(hm2·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·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS为地形因子；C为植被与作物管理因子；P为水土保持措施因子；ω为石漠化因子。

(1)降雨侵蚀力因子R。R值与降雨量、降雨强度、降雨历时、雨滴大小、雨滴下降速度等有关，它反映了降雨对土壤的潜在侵蚀能力[2]。采用章文波等[3]提出的利用日雨量数据计算降雨侵蚀力的方法，即根据半月内日雨量不小于12 mm的降雨记录，计算半月降雨侵蚀力、多年平均半月降雨侵蚀力、多年平均年降雨侵蚀力，然后利用普通克里金法对数据进行空间插值计算，得到研究区的降雨侵蚀力分布图。

(2)土壤可蚀性因子K。K值是用于反映不同类型的土壤在相同条件下抗侵蚀能力的指标[4]。采用Williams 等建立的侵蚀-生产力影响模型EPIC中土壤可蚀性的计算方法[5]，得到研究区的K值。

(3)地形因子LS。地形因子是坡度和坡长因子的总称，利用坡度因子L和坡长因子S作为地形复合因子值表示给定坡度和坡长情况下的土壤流失量比率。根据刘斌涛等[6]提出的南方土石山区土壤侵蚀方程修正算法编写AML语言，在ArcGIS 10.0的workstation中实现地形因子的提取。

(4)植被与作物管理因子C。利用研究区Landsat TM遥感影像，计算该地区的归一化植被指数(NDVI)值，根据像元二分模型原理[7]计算研究区的植被覆盖度，并参考USLE手册和张岩等[8-10]关于C值的研究成果，结合植被覆盖度图和土地利用类型图计算研究区的C值。

(5)水土保持措施因子P。水土保持措施因子是指在其他条件相同的情况下，布设水保措施的坡耕地土壤侵蚀量与无任何水保措施的坡耕地土壤侵蚀量的比值[11-12]，它反映了水土保持措施对土壤侵蚀的抑制作用。根据研究区的土地利用类型判断，并采取赋值定量的方法表示。P值介于0～1之间，即：P=0，表示该地区采取了相应的水土保持措施使得土壤侵蚀量为0；P=1表示该地区土壤侵蚀严重，并没有采取水土保持措施抑制土壤侵蚀的发生。

(6)石漠化因子。考虑到研究区石漠化现状，对石漠化因子进行量化作为土壤侵蚀定量评价因子参与计算。在RUSLE模型中引入石漠化因子ω，使评价结果更贴近喀斯特地区土壤侵蚀的客观实际。本研究通过研究区TM影像计算得到基岩裸露率并对其进行分级，确定研究区的ω值。

2.2 耦合景观阻力的土壤侵蚀量预测

(1)潜在土壤流失风险。潜在土壤流失风险的计算公式[13]为

(2)

式中：Lij为第i行第j列栅格单元的潜在土壤流失风险；b为曲线参数，按照坡面产沙量和植被覆盖度的关系计算出坡面产沙量，再利用土壤流失量与坡面产沙量的关系建立回归曲线y=e-bx；cij为第i行第j列栅格单元的植被覆盖度。

(2)景观阻力。在给定的景观位置，植被覆盖度和坡度是影响土壤流失的主要地表因素，因此植被覆盖度和坡度的结合可表征景观阻力(rij)，即景观对泥沙输移的阻滞作用，其计算公式为

(3)

式中：rij为第i行第j列栅格单元的景观阻力；Sij为第i行第j列栅格单元的坡度；其余符号意义同上。

(3)土壤侵蚀影响强度。在土壤侵蚀过程中，单个栅格产生的泥沙进入水体的可能性与其遇到的阻力有关，可用泥沙运移路径上的土壤流失风险表示，即泥沙每经过一个栅格均会产生土壤流失风险，某栅格上产生的泥沙进入水体的风险是泥沙到水体的路径上所经过栅格产生的土壤流失风险之和[14]。利用单流向算法(假定每个栅格的水只流向相邻栅格中最低的一个)，可用FL(r)表示某栅格上泥沙输移过程中受到的阻滞作用，土壤侵蚀过程中某栅格对目标水体的泥沙输出强度取决于该栅格上产生泥沙的强度(即侵蚀强度)与泥沙沿着水流路径输出至河道的风险(与水流加权路径长度成反比)，则土壤侵蚀影响强度I的计算公式为

(4)

式中：I为土壤侵蚀影响强度，无量纲；A为平均土壤流失量，t/(hm2·a)；FL(r)为某栅格上泥沙向河道输送过程中受到的阻滞作用。

(4)土壤侵蚀风险指数。就北部湾流域而言，刘宇等[14]的研究结果表明，流域的土壤侵蚀风险指数(LI)与平均植被覆盖度、景观阻力、流域输沙模数有显著的指数回归关系，说明LI能很好地描述景观特征下的土壤侵蚀风险，因此本研究选用LI来表征流域的土壤侵蚀风险，计算公式为

(5)

式中：LI为土壤侵蚀风险指数，其值介于0～1之间，数值越小表示土壤侵蚀风险越小，数值越大表示土壤侵蚀风险越大；Lcal为沿水流方向的逐步累积汇流算法计算的景观渗透值；Lmin、Lmax分别为最小和最大景观渗透值；k为土壤侵蚀风险与植被覆盖度回归曲线的斜率。

3 结果与分析

3.1 现实与潜在土壤侵蚀量

基于ArcGIS平台，将RUSLE模型6个因子图层统一转化为同一坐标系下的30 m×30 m像元大小的栅格图层，利用栅格计算器将各图层相乘，根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190—2007)得到研究区土壤侵蚀强度空间分布图。研究区现实、潜在土壤侵蚀量结果见表1。由表1可以看出，现实土壤侵蚀主要是微度和轻度侵蚀，分别占到研究区总面积的62.13%和20.13%，强烈侵蚀以上面积较少，仅占11.85%；潜在土壤侵蚀则以剧烈侵蚀为主，占到总面积的58.12%，表明在地理环境和人为因素的影响下，研究区土壤侵蚀程度将呈明显加剧趋势。空间分布：现状土壤侵蚀，北仑河流域的西北部、东南部地区，以及防城江流域的西北部地区和南流江流域的局部地区土壤侵蚀较严重，其余大部分地区属于微度、轻度侵蚀；潜在土壤侵蚀，除了铁山港滨海平原盆地区属于轻度和微度侵蚀，其余绝大多数地区为剧烈侵蚀。将现实土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量相减，即得到植被覆盖和水土保持措施对土壤侵蚀的影响。

表1 研究区现实和潜在土壤侵蚀量 t/a

3.2 流域景观阻力与土壤侵蚀风险

研究区现实土壤侵蚀影响强度较低的地方主要位于钦江流域的东北部和西南部、铁山港滨海平原盆地(六万大山一带)、南流江流域东北部区域(大容山山脉一带)，这些地区原生植被保存相对完整，植被覆盖度较高，而且地形坡度较小，泥沙输移过程中遇到的阻滞作用较大，土壤侵蚀程度较弱。潜在土壤侵蚀影响强度较高的地方主要位于北仑河流域、防城江流域的西北部，以及南流江流域东北部的山区，这些地方普遍地形坡度较大，容易诱发土壤侵蚀。

景观阻滞作用受到多种因素的影响，主要影响因素是植被覆盖度和坡度，即坡度越大、植被覆盖度越低，景观阻滞作用越小。在北仑河流域、钦江流域、大风江流域、九州江流域的大部分地区和南流江流域的中部地区，由于植被覆盖度较高，泥沙运输的过程中景观阻滞作用增大，泥沙输移的可能性减小，因此在很大程度上减轻了土壤侵蚀。在铁山港滨海平原盆地和南流江流域的北部，坡耕地大量分布并且植被覆盖度低，是北部湾流域剧烈侵蚀的集中分布区。

图1为研究区土壤侵蚀风险指数分布情况。由图1可以看出，研究区大部分地区土壤侵蚀风险指数LI值较低，如十万大山山脉、六万大山山脉等地区；LI值较高的地方主要位于南流江流域(六万大山和大容山交界的局部区域)及铁山港滨海平原盆地的西南部地区。根据土地利用调查结果，具有较高土壤侵蚀风险指数LI值的区域土地利用类型主要为耕地、建设用地或植被覆盖度较低地类，这些地区泥沙输移过程中所受的阻力小，更容易被输送到水体中，因此土壤侵蚀的风险更高。

图1 北部湾流域土壤侵蚀风险指数分布

4 结 论

(1)采用RUSLE模型进行研究区土壤侵蚀定量评价时，充分考虑广西北部湾流域土壤侵蚀特点，以及喀斯特岩溶地区土壤侵蚀的特殊性、复杂性，引入石漠化因子ω对RUSLE模型进行修正，有助于更加准确地反映北部湾流域土壤侵蚀现状和分布特征。

(2)现状土壤侵蚀在北仑河流域的西北部、东南部地区，以及防城江流域的西北部地区和南流江流域的局部地区比较严重；潜在土壤侵蚀除了铁山港滨海平原盆地区，其余绝大多数地区属于剧烈侵蚀。

(3)考虑到植被覆盖度和地形坡度两个因素对土壤侵蚀的影响，计算了北部湾流域景观对泥沙输移的阻滞作用(土壤侵蚀影响强度)，以及整个北部湾流域的土壤侵蚀风险指数。土壤侵蚀风险高的地方位于南流江流域(六万大山和大容山交界的局部区域)，以及铁山港滨海平原盆地的西南部地区。耦合RUSLE模型和景观阻力的作用可以更准确地计算北部湾流域的土壤侵蚀风险。

(4)结合RUSLE模型和景观阻力对北部湾流域进行土壤侵蚀评价，得出的结果与实地调查的土壤侵蚀状况定性结果对比，基本符合该地区的实际。但研究中还存在一些不足，比如在土壤侵蚀模数计算过程中土壤类型分布图的分辨率较低，统计资料不够完善，以及地形因子计算公式的适用性问题，此外在景观阻力的应用过程中没有考虑地表水分条件、植被冠层结构特征等对景观阻滞作用造成的影响，再有就是没有实现景观指数与土壤流失量的定量研究，这些问题有待进行更深入的研究。

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(责任编辑 李杨杨)

广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFAA139234)

S157.1

A

1000-0941(2016)10-0053-04

李彪(1992—)，男，山西吕梁市人，在读硕士，研究方向为GIS与RS在水土保持中的应用；通信作者卢远(1971—)，男，广西南宁市人，教授，博士，主要从事生态遥感与土壤侵蚀研究工作。

2016-01-11