基于R S保定市太行山区水土流失定量评价研究

尹君 张广英 曹然

（1河北农业大学城建学院，2 保定市水土保持试验站）

基于R S保定市太行山区水土流失定量评价研究

尹君1张广英2曹然1

（1河北农业大学城建学院，2 保定市水土保持试验站）

本文主要研究应用通用水土流失模型，以Landsat-7遥感影像、1∶10万数字地形图、河北省土壤类型图及其它辅助数据为基础，以当地降雨量、土壤类型和质地、坡度坡长、植被覆盖度以及水土保护措施因子等作为影响因子，在RS和GIS技术的支持下，对模型各参数因子进行定量计算，并进行土壤侵蚀强度分级，实现了基于矢量栅格信息的土壤侵蚀强度定量计算，最后以保定市西部太行山区9个县级单位为例，验证了该方法的可靠性。研究结果表明：（1）该方法所获取的土壤侵蚀强度信息与实际情况有较好的一致；（2）保定市西部太行山区土壤侵蚀以轻度和中度侵蚀为主，中度及以下所占面积比例为 63.54%，强烈及以上所占面积比例为36.46%；（3）以研究区各地理单元土壤侵蚀量，分析了不同单位、不同坡度坡度和不同土地利用类型土壤侵蚀强度分布特征。

土壤侵蚀 遥感 地理信息系统 USLE

分类：中图法 TP393 S157

我国是多山和降雨极不均衡的国家，土壤侵蚀非常严重，对土壤侵蚀进行调查、监测和评价，具有十分重要的意义。土壤侵蚀量的计算对防治土壤水土流失区域、水土流失量影响因子的鉴定、甄别和防治措施具有指导性作用。到目前为止，最为广泛应用的经验模型是通用土壤侵蚀方程在土壤侵蚀系统建模方面先后引进了USLE，RUSLE，WEPP等模型[1]。但长期以来各模型的参数确定主要以实地测量和估算为主，存在两方面的不足：一方面受试验环境、仪器精度和知识背景的限制，估算值与实际值有比较大出入，使得参数确定的随机性大，精度低；另一方面，由于自然条件千差万别，观测范围有限，使得参数估算缺乏代表性，无法回答土壤侵蚀的时空分布规律[1]。

遥感技术(RS)具有多种类、多平台、多时段及多波段的特征，且具有信息丰富、实时性和动态性强等优势，地理信息系统技术(GIS)具有较强的空间数据存储、计算、分析和显示功能，因此，RS和GIS技术结合被应用到土壤侵蚀的调查、监测和评价工作中。本文在深入分析土壤侵蚀主要影响因素的基础上，选取河北省保定市西部太行山区为研究区，应用通用的土壤流失模型(Universal Soil Loss Equation，简称USLE)，在RS和GIS技术支持下，更准确、快速的确定模型参数，提高计算精度和效率，并以此开展土壤侵蚀与相关因素的定量分析计算。

一、研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

保定市西部太行山区位于河北省中西部，冀中平原西部，北纬38 28-39 58，东经113 40-115 50之间。北邻北京市和张家口市，东接冀中平原，南与石家庄市相连，西部与山西省大同市和忻州市接壤。区域内包括保定市涞水县、涞源县、易县、顺平县、阜平县、唐县、曲阳县、满城区和徐水区的西部丘陵山区，区域总面积13154.46平方公里。

该山区地势由西北向东南倾斜，可划分为中高山区、低山区、丘陵及山前平原区四类。气候属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年平均降水量525毫米～700毫米，降水主要集中在夏季，且年际变化大，易出现旱、涝灾害。该区域各县年平均气温7℃左右，平均气温日较差达14.8℃。土壤类型属于棕壤、褐土、潮土和栗钙土类，土壤肥力不高。

1.2 数据源

遥感影像选择2015年7月Landsat-7多波段遥感图像（空间分辨率30m) 和全色波段图像(15m)，植被生长旺盛，各地类判读解译清晰。保定市1：10万DEM数据；保定市1：10万土壤类型和地质数据；研究区域保定市9个县及周边区域气象站点2000-2010年的年均和月均降水量数据。

二、研究方法与技术路线

2.1 研究方法

保定市西部太行山区主要灾害是降雨量造成水土流失，因此应用Wischmeier和Smith提出通用土壤侵蚀方程[2]，该模型是建立在土壤侵蚀理论及大量实地观测数据统计分析的基础上。其表达式为：E=f R•K•L•S•C P•

式中，f为常数（224.2），换算单位；E为年平均土壤侵蚀量(t/hm2)；R为降雨量侵蚀因子；K为土壤可蚀性因子；L及S为地形因子；C为地表植被覆盖或作物管理因子；子P为水土保护措施因子。计算赋给公式各因子定量值计算各评价单元土壤侵蚀量。

2.2 技术路线

保定市西部太行山区水土流失量的计算主要采用遥感解译结果与地面抽样调查相结合的方法。利用遥感监测快速、宏观、客观的特点，研究区典型样点区域土地利用情况和植被状况，并根据区域地形地貌和土壤成果，定量评价区域水土流失状况。

本次评价以融合后的30m分辨率landsat-7影像为信息源，通过资料收集、外业调查（建立解译标志库）、图像解译、外业验证及查错修改、土壤侵蚀强度判定的作业流程，获取土地利用、植被覆盖度、水土保持措施等相关信息，结合降雨量、土壤类型、地形图和DEM数据，分析保定市西部太行山区的土壤侵蚀强度和分布情况，为将来治理和防治提供科学依据。

三、水土流失定量计算

本次计算以landsat-7影像为信息源为基础进行解译，数据单元分辨率精度为30米，其他各类数据套合该精度计算数据作为评价的地理单元。根据通用土壤侵蚀方程的构成项，分别计算各构成因子的定量值。

3.1 降雨量侵蚀因子（R）计算

降雨侵蚀力是评价降雨对土壤剥离、搬运侵蚀的动力指标，也是按数学模型遥感评价土壤流失量的重要依据，以R表示。在通用土壤流失方程中，R计算涉及每次降雨的总动能 EN和不同时间段最大雨强I的乘积，随着该模型在我国推广，我国学者提出适宜不同地区的计算方法，结合本次研究太行山区数据可获取性，本次计算采用刘秉正提出方法计算[3]：

式中，P6-9为月降雨量之和（mm）；P为年降水量（mm）。

本次采用项目区内8个县级行政单位气象观察站及周边县气象观察站数据，计算各个县级单位降雨量侵蚀因子值，利用ArcGIS10.2软件克里格插值法进行内插，绘制了保定市西部太行山区年降水侵蚀力R值栅格分布图，见图1a。

3.2 土壤可蚀性因子（K）计算

土壤质地中各种粒径含量和有机质含量影响土壤塑性和土壤可蚀性，反映了土壤遭受侵蚀的敏感程度。细砾和有机质含量多，土壤可蚀性因子小，抗侵蚀能力越强，水土流失的敏感性就小，水土流失的强度弱。本研究从河北省土壤类型图和河北省地质图数可知，从保定市北到南太行山区分布的棕壤母质为花岗岩、钙质粗骨土母质为玄武岩、褐土母质为石英岩、钙质石质土母质为石灰岩、潮土母质为河流冲击土，其岩石母质抗侵蚀能力依次减弱，赋予的土壤侵蚀敏感性因子分值从低到高（图1b）。

3.3 地形因子(T)的坡度(S)和坡长因子(L)计算

水土流失最重要因子之一是地形因子的坡度（S）和坡长（L）因子，坡长及坡度可以采用数字高程模型(DEM)通过计算获取。坡度可以采用数字高程模型(DEM)计算取得，坡长根据游松财推荐的各评价地理单元的坡长取值通过海拔相对高度估算调整得来的[4]（表1）

地貌图根据河北省地貌图和河北省1:100000的DEM图叠加得到的，通过各评价地理单元坡度和坡长，根据公式计算T值[5]，

式中，C是常数(34.7046)， 是坡度（单位为度），D是坡长，根据Wischmier和Smith的研究[1]，m的取值为：当 ＞5%时，m=0.5；当 ＞3.5%～4.5%时，m=0.4；当＞1%～3%时，m=0.3。

根据各评价地理单元地形因子T值绘制地形因子栅格分布图，见图1c。

3.4 植被覆盖或作物管理因子（C）计算

作物覆盖与管理因子C是在相同的土壤、坡度和相同的降雨条件下，某一特定作物或植被情况时的土壤流失量与一耕种过后连续休闲地的土壤流失量的比值。这个因子衡量所有相互影响的覆盖和管理变量，包括植被、作物种植顺序、生产力水平、生长季长短、栽培措施、作物残余物管理、降雨分布等的综合效应。C是根据地面植物覆盖状况不同而反映植被对土壤流失影响的因素，当地面完全裸露时，C值为1.0，如果地面得到良好的保护时，C=0.001，所以C 值在0.001-1之间。

（1）归一化植被指数和植被覆盖度的计算

本次研究主要依据TM遥感影像红色光波段和近红外光波段比值计算各评价地理单元归一化植被指数（NDVI）[6-8]。归一化植被指数是地表植被覆盖特征的重要指标之一，能够消除太阳高度角、地形、云阴影和大气干扰影响，相当精确地反映植被绿度、光合作用强度、植被代谢强度及其季节和年际变化，可用于植被的监测、分类和物候分析。植被覆盖度（FVC）通过归一化植被指数计算，公式为：

NDVI=(Nir-Red)/(Nir-Red)，FVC=(NDVINDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

式中：Nir表示近红外波段；Red表示红光波段；NDVImax和NDVImin分别为区域内最大和最小的NDVI值。

（2）C因子的确定

根据Wischmeier等的实际观测，C因子除与地表覆盖率有关外，还与植被冠层类型、高度等有关，也就是说与土地利用类型有关，因此C因子的取值(表2)还须参考土地利用类型[4]。

根据2015年7月Landsat-7遥感影像用ENVI4.8软件解译的土地利用类型结果和植被覆盖度数据，确定评价区域C因子的值，绘制植被覆盖或作物管理因子栅格分布图，见图1d。

3.5 水土保护措施因子（P）计算

水土保护措施因子P是指特定保持措施下的土壤流失量与相应未实施保持措施的顺坡耕作地块的土壤流失量之比值。土壤保持措施主要通过改变地形和汇流方式减少径流量，降低径流速率等作用减轻水土流失。农耕地的水土保持措施主要有：等高耕作，带状耕作，梯田以及排水措施等。旱地和牧草地的土壤保持措施，多是沿等高线或在其附近进行平翻耕作，增加土壤湿度，减少径流量，以达到保持土壤的目的。

本文根据2015年7月Landsat-7遥感影像，利用ENVI4.8遥感解译软件的监督分类，通过实际调查典型样点地区遥感波谱情况，解译评价区域的土地利用类型。依据解译土地利用类型赋给各类型区的水土保护措施因子P值[3、4]（见表2），绘制水土保护措施因子栅格分布图，见图1e。

3.6 土壤侵蚀量（E）计算

土壤侵蚀量的计算在地理信息系统的支持下，依据通用土壤侵蚀方程，将上述个因子相乘，获得了各地貌单元的平均土壤侵蚀量。并结合研究地区的实际情况和国家土壤侵蚀分类分级标准，将研究地区土壤侵蚀强度等级划分为6级，研究区土壤侵蚀强度分级面积统计结果见表3，分布见图2。

从表3和图2可知，保定市西部太行山区土壤侵蚀强度主要为轻度和中度侵蚀，各类面积所占比例分别为27%和23%；强烈和剧烈等级土壤侵蚀所占比例最小，分别为14%和11%。积比重最大；15～25坡度带强烈到剧烈等级所占面积比重最大；＞25的坡度带极强烈到剧烈等级所占面积比重最大，但相对于15～25坡度带对应等级面积均有很大比例减小，这是因为15～25人为扰动较大，而该坡度带其土地利用类型是以林地、草地和原始自然植被为主、人为干扰减小，所以它们的土壤侵蚀强度等级对应面积均小于15～25。

四、结果分析

4.1 不同行政单元土壤侵蚀强度分布特征

对研究区不同土壤侵蚀强度等级面积进行统计（表3），中度及中度以下侵蚀强度的面积为8359.75km2，占研究区总面积的63.54%。其中，保定市西部太行山区水土流失轻度侵蚀强度面积最大，为3513.96km2，占研究区总面积的27%，其次是中度占研究区总面积的23%，微度和极强烈所占面积比重14%左右。强烈和剧烈所占面积相差不大且最小所占面积比重11%。

9个县级单位中，有部分平原区县中度及其以下侵蚀强度面积均占到本县总面积的60%以上，其中曲阳县、满城区和徐水区比重最高，占到80%以上；其次为易县和顺平县所占比例为73%左右；最小的为唐县和涞水县，所占比例为65%左右。强烈及其以上土壤侵蚀强度等级面积占到本县总面积的比重较大的有涞源县和阜平县，比例分别为54%和48%。因此涞源县和阜平县产生水土流失风险最大。

4.2 不同坡度土壤侵蚀分布特征

从表4中可以看出，土壤侵蚀强度等级与坡度密切相关，随坡度的增加土壤侵蚀强度等级等级整体呈增加趋势。＜5坡度带主要为微度和轻度土壤侵蚀强度等级；5～8坡度带主要为中度和轻度土壤侵蚀强度等级；8～15坡度带中度到极强烈等级所占面

4.3 不同土地利用类型土壤侵蚀分布特征

对水土流失发展中有重要影响的是土地利用类型，对应不同土地利用类型就有相应的植被覆盖度和人类干扰程度，从而影响水土流失的动力和抗侵蚀阻力系统。从表5中可以看出，除建设用地和水域外，裸地的水土流失风险可能性最大，其次是草地、耕地、林地依次减小，说明植被覆盖度是影响水土流失风险性的重要因素；水土流失风险性最高的为裸地，中度及其以上土壤侵蚀强度等级的面积最大，这是因为未利用地植被覆盖度低，土壤结构破坏严重，水土保持防护措施不到位；依次为草地、林地。保定市西部太行山区的耕地由于条件较好，如坡度小、土壤质地佳土层厚、人为采取保护耕作措施等，水土流失风险性相对较低。

五、结论与讨论

(1)本研究以landsat-7遥感影像为主体信息源，通过ENVI4.8软件迅速解译了研究区土地利用类型和利用植被指数模型快速获得植被覆盖度和水土保护措施因子信息，该类信息是水土保持治理和植被建设规划的一种依据。

(2)本研究以根据通用土壤侵蚀模型，定量化给出了研究区各地理单元6个影响因子值，快速准确计算出研究区各地理单元土壤侵蚀量，明确给出各地理单元水土保持治理方向和措施。

(3)本研究以研究区各地理单元土壤侵蚀量，分析了不同行政单元、不同土地利用类型和不同坡度土壤侵蚀强度空间分布特征。

[1]雷廷武,邵明安,李占斌,等.土壤侵蚀预报模型及其在中国发展的考虑[J].水土保持研究,1999,6 (2)∶162-166.

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[3]杨琴.基于USLE的喀斯特地区水土流失定量监测研究[D],贵州师范大学硕士论文,2008.

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注：该研究得到“城市水源地水土保持生态补偿研究”和“河北省山区坡改梯关健技术研究”课题支持。