基于GIS与RUSLE模型的毕节市土壤侵蚀动态变化

张思琪，翁应芳

(贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025)

1 引言

我国喀斯特地貌分布面积广，景观类型丰富，其中西南喀斯特地区是全球三大喀斯特集中分布区中连片裸露碳酸盐岩面积最大[1]，岩溶发育最强烈的地区[2]。毕节市作为贵州省典型喀斯特地貌发育的代表性区域，由于特殊的地质背景和强烈的岩溶作用，以及当地人民不合理的土地利用方式，加剧了区内石漠化问题和贫困问题，激发生态环境保护与社会经济发展的矛盾，使当地土壤侵蚀现状恶化，严重制约了该区的经济发展[3～5]。因此，研究毕节市土壤侵蚀的时空变化规律对开展水土保持工作和改善当地生态环境具有重要意义。

当前关于土壤侵蚀的研究以1997年由美国土壤水土保持局提出的修正通用土壤流失方程RUSLE模型应用最为广泛[6]。例如，孙德亮等以贵州省为例研究该区2010年的土壤侵蚀模数以及空间分布特征[7]，胡先培等基于RUSLE模型对盘州市土壤侵蚀动态变化进行了研究[8]，谢颖颖等对毕节实验区山区土地利用变化与土壤侵蚀的耦合关系进行了研究[9]，李月[10]基于GIS和RUSLE模型对喀斯特土壤侵蚀时空演变规律进行了探究，周秋文[11]对喀斯特地区土壤可蚀性因子空间估算方法进行总结。由于毕节市地质地貌的特殊性，生态环境的脆弱性且当前对该区开展的土壤侵蚀研究较少。因此，本文以毕节为研究区域，基于GIS和RUSLE模型对毕节市2002～2016年土壤侵蚀时空变化特征以及影响因子进行定量研究，以期为土壤侵蚀治理和水土保持工作提供参考。

2 研究区概况

研究区地处北纬26°21′～27°46′，东经103°36′～106°43′，位于贵州省西北部，是乌江、赤水河、北盘江的发源地。全区总面积26848.5 km2，地质构造复杂，褶皱断裂交错发育。岩溶地貌形态多样，在区内分布次序为：东部峰林、谷地、峰丛、缓丘、洼地—中部峰丛、槽谷、丘陵洼地—西部高原、岩溶、缓丘、盆地。地势西高东低，最高海拔2900.6 m，最低海拔457 m。境内气候夏无酷暑、冬无严寒，季风气候比较明显，降雨量较为充沛，立体气候突出。年平均温度14.6 ℃，年平均总降水量1047.7 mm，年日照时数1096～1769 h，无霜期245～290 d，海拔相对高差大，垂直气候变化尤为明显。

图1 研究区位图

3 数据来源和方法

3.1 数据来源

本文所用基础数据：DEM数据；2010年研究区土地利用数据；降水数据在http://worldclim.org /version2下载全球多年月平均降水数据获取；NDVI数据是在地理空间数据云MODIS中国合成产品下载MYDND1M中国500M NDVI月合成产品2002、2005、2010、2016年5月份的数据进行获取；土壤类型数据在1 km分辨率世界土壤特征数据库(HWSD)下载。

3.2 土壤流失方程

本文采用的RUSLE模型方程表达为：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式(1)中，A为年均土壤侵蚀量[t/ ( km2·年)]；R为降雨侵蚀因子[MJ ·mm/(hm2·h·年)]；K为土壤可侵蚀因子[t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]；LS为地形因子；C为植被覆盖和管理因子；P为水土保持措施因子。

3.2.1 降雨侵蚀力因子R

R表示降水对土壤的侵蚀能力大小，其时空分布在一定程度上决定了土壤侵蚀的空间分布规律。本研究采用周伏建等[12]提出的适合中国南方地区的简易计算公式计算降雨侵蚀力R。

(2)

式(2)中，Pi为多年平均月降水量，单位为mm，R的取值范围为130.407～186.081。

3.2.2 土壤可侵蚀性K因子获取

K值是反映土壤对降雨渗透能力及其对降雨和径流剥蚀、搬运敏感程度的一个重要指标，K值越大，土壤受侵蚀的可能性越大，反之越小。通过土壤数据库(HWSD)提取研究区土壤类型数据计算K值。K值在0.0687434～0.0981527之间，公式如下：

(3)

式(3)中，SD为土壤砂粒含量(%)；Si为土壤粉粒含量(%)；Ci为土壤黏粒含量(%) ；Cor为有机碳含量(%)。

3.2.3 地形因子LS获取

LS是影响土壤侵蚀和水土保持措施的重要参数，本研究中计算LS的计算公式如下所示。

(4)

式(4)中，A代表汇流累计量，θ代表坡度。

3.2.4 地表植被覆盖因子(C )估算

植被覆盖对于防治土壤侵蚀具有重要作用，C值的大小能较好的反应土壤侵蚀的空间分布，其取值范围为0～1，如图5所示。计算公式为：

(5)

式(5)中α取值为2，β取值为1，NDVI为月合成数据。

3.2.5 水土保持实施因子(P)

P表示采取水土保持措施后，研究区土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量比值，其值介于0到1之间，0表示不会发生水土流失的区域，1表示未采取水土保持措施的区域。结合土地利用信息根据表1进行赋值。

表1 不同土地利用类型P值

4 结果分析

4.1 土壤侵蚀的时空变化特征

如图2所示，从空间上看，全区主要发生轻度土壤侵蚀，占国土面积98%以上，土壤侵蚀呈现块状和条带状特征。侵蚀较为严重的主要是西部、西南和东部地区。2002到2006土壤侵蚀模数先增后减，说明国家及政府采取的各项水土保持措施治理效益良好。按照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007))进行重分类(见表2)，对研究区土壤侵蚀量和侵蚀强度等级图进行统计，结果如表3所示。研究区主要以小于500 t/(km2·年)的微度侵蚀为主，2002年轻度侵蚀面积最大，达25512.34 km2。2010年侵蚀程度最为严重，轻度侵蚀面积为2454.43 km2，中度侵蚀面积为405.6318 km2，强度侵蚀面积为106.3692 km2，极强度侵蚀面积为63.9009 km2，剧烈侵蚀面积为16.6698 km2。就研究区内各县区而言，威宁、黔西土壤侵蚀最为严重。

表2 水土流失强度分级标准

4.2 土地利用类型对土壤侵蚀的影响

如表4所示，土地利用类型对土壤侵蚀具有显著的影响。从侵蚀面积上来看，土地利用类型的面积越大，相应的土壤侵蚀面积也越大，其中耕地的土壤侵蚀面积较大，占土壤侵蚀总量的40.09%，其次为林地，所占比例为25.11%，草地及未利用地占比大致相等，分别为14.40%和14.60%，其他的土地利用类型发生土壤侵蚀的面积较少，占总土壤侵蚀面积的5.8%。

总体上来看，该区的主要土壤侵蚀类型为轻度侵蚀，只有居民点和未利用地发生了极强度和剧烈侵蚀。因此，要积极采取措施预防耕地、林地、草地发生土壤侵蚀，采取合理的耕作方式，鼓励退耕还林，加强人们保护土地的意识，有效防止土壤侵蚀现状的恶化。

图2 2002～2016研究区土壤年均侵蚀量

表3 研究区土壤侵蚀强度面积 km2

表4 不同土地利用类型下土壤侵蚀状况 km2

4.3 不同高程下土壤侵蚀特征

如表5所示，发生土壤侵蚀的高程主要为1000～2000 m这个阶段，其次为2000～2500 m，土壤侵蚀面积占比分别为69.4%和24.70%。从土壤侵蚀状况来看，0～500 m高程只发生微度侵蚀，其面积为3.1752 km2，较高和较低的区域都不发生强度以上的土壤侵蚀。随着高程的增加土壤侵蚀强度呈现先增加然后减少的趋势，高程在1000～2000 m这个区域是土壤侵蚀发生主要区域，这也是人类活动最为频繁的区域。

表5 不同高程下土壤侵蚀特征

4.4 不同坡度下土壤侵蚀特征

如表6所示，坡度与发生土壤侵蚀的面积密切相关。总体而言，研究区发生微度侵蚀面积占侵蚀总面积的93.71%。从坡度等级分类上来看，<8°、8～15°、15～25°三个坡度等级发生了极强度以上的土壤侵蚀。整个研究区坡度在8～45°发生土壤侵蚀的面积占总面积的83.40%，8～15°这个坡度等级发生的土壤侵蚀面积最大，达11914.5411 km2，占国土面积的44.36%，其次为15～25°。全区发生土壤侵蚀的面积占国土面积的99.5%，25°以上坡度等级很少发生极强度的土壤侵蚀，而25°以下发生土壤侵蚀的面积占比最大。

表6 不同坡度下的土壤侵蚀特征

5 结论

经过以上分析得出以下结论：研究区土壤侵蚀的空间分布从2002年到2006年都主要表现为西部和东部较为强烈，威宁和黔西发生的土壤侵蚀程度较大些。从2002年到2016年土壤侵蚀程度及发生土壤侵蚀的面积先增大、后减小，2010年土壤侵蚀最为严重，说明近几年来我国积极采取退耕还林的水土保持措施取得了很好的生态效应。全区以微度侵蚀为主，其发生微度侵蚀的面积占国土面积的93%以上。由于研究区地质地貌的特殊性和差异性导致土壤侵蚀的空间异质性较大。土地利用类型、高程和坡度是造成这种差异的重要因素。从土地利用上来看，耕地、林地、草地发生的土壤侵蚀面积大但侵蚀强度等级较低，而未利用地发生了剧烈侵蚀。从高程上来看，1000～2000 m这个高程发生的土壤侵蚀最为严重。就坡度而言，8～15°这个坡度等级的土壤侵蚀最为严重，这些区域是今后水土流失防治的重点地带。