苍南县昌禅溪小流域土壤侵蚀特征研究

张由松，李 钢，王 冉，刘祥超，石 鑫

（浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

土壤是地球上所有生物生存发展所必须依赖的物质基础。然而，由于全球人口的快速增长以及对土壤资源的掠夺和破坏，导致严重的土壤侵蚀现象。土壤侵蚀已上升为世界性的重大生态环境问题，并受到世界各国水土保持专家的高度重视[1]。研究土壤侵蚀并根据土壤侵蚀形成的原因分析其分布规律，明确可能发生的土壤侵蚀类型、范围和程度有利于指导区域水土保持[2]。目前，国内学者在区域土壤侵蚀研究方面做了大量的研究，对不同地区的土壤侵蚀空间分布与影响因素进行评价[3]。例如蔡文博等[4]利用GIS技术研究了泸沽湖流域的水土流失状况并进行评价分析；凡非得等[5]研究了西南喀斯特区域水土流失的空间分异特征。虽然土壤侵蚀的区域研究较多，但针对浙江区域的研究鲜有报道。因此，本研究以浙江省水土保持监测站网中的苍南县昌禅溪小流域为研究对象，利用美国修正通用土壤流失方程（RUSLE）为评价工具[6]，根据SL 190 — 2007《土壤侵蚀分类分级标准》对该流域的土壤侵蚀进行分级研究[7]。研究旨在揭示小流域土壤侵蚀的空间分布规律，为小流域水土流失治理、水土保持提供科学依据，为实现流域环境、社会、经济的可持续发展提供技术支持。

2 研究区概况

苍南县昌禅溪小流域位于浙江省温州市苍南县昌禅乡兴昌村，该小流域属于鳌江水系，并于2009年纳入全国水土保持监测网络和信息系统建设二期工程，现已建设成为太湖流域水土保持重要监测站点。小流域出口断面建设有平坦V形测流堰，测流堰上游控制面积3.31 km2。

小流域气候属于中亚热带海洋型季风气候，全年季节变化明显，气候特征主要表现为温和、湿润、多雨，年平均气温14 ~ 18 ℃，年平均降雨量1 670.1 mm；植被类型为中亚热带常绿阔叶林，小流域内分布有红壤、黄壤及水稻土等土壤类型。

3 材料与方法

3.1 试验材料

研究采用的资料包括昌禅溪小流域2014年航拍遥感影像图（分辨率为0.2 m×0.2 m）；1980 — 2009年的日降雨数据；1:2 000地形图、土地利用现状数据、土壤图及相关土壤资料。影像图使用前进行几何校正和投影变换，并统一采用2000国家大地坐标系。

3.2 因子计算方法

本研究采用美国修正通用土壤流失方程[8]来计算小流域的土壤侵蚀情况，修正通用土壤流失方程计算公式为：

式中：A为土壤侵蚀量，t /（hm2· a）；R为降雨侵蚀力，MJ · mm · hm-2· h-1· a-1；K 为土壤可蚀性因子，t · h · MJ-1·mm-1；LS为坡长坡度因子，量纲为1；C为植被覆盖因子，量纲为1；P为水土保持措施因子，量纲为1。

本研究对修正的通用土壤流失方程中的各因子计算方法进行优选。其中，降雨侵蚀力R因子采用月雨量模型[9]，土壤可蚀性K因子选用EPIC模型中的计算方法[10]，坡长L因子采用坡长指数法[11]，坡度S因子采用缓坡[12]和陡坡[13]公式分类计算；植被覆盖C因子采用分段法计算[14]，水土保持措施P因子采用赋值法[15]。

3.3 空间数据处理

空间数据的处理通常采用GIS软件中提供的空间分析工具，本研究将小流域土壤类型图数字化，利用ArcGIS10.3中的Raster Calculator模块将K值赋给各土壤类型，得到K因子数据层；利用流域DEM数据，利用Spatial Analysis模块中的Surface Analysis功能提取坡度专题图，然后在Raster Calculator模块中利用公式计算得到S因子数据层。同时，利用流域的DEM数据提取出山脊线，然后利用Distance模块计算每格到山脊线的垂直距离，以此作为每个栅格的近似坡长，然后计算得到L因子数据层；通过对遥感影像图的植被覆盖提取和计算生成C因子数据层；结合土地利用类型图，将水土保持措施P因子赋予不同的地类，然后得到P因子数据层；小流域降雨侵蚀力R统一采用计算所得的 448.50 MJ · mm · hm-2· h-1· a-1。各数据层的最终统一为2 m×2 m的栅格图，在根据公式（1）把所有栅格图的像元值进行相乘，得到空间各单元的土壤侵蚀数据。

4 结果分析

4.1 小流域土壤侵蚀统计分析

将计算得到的土壤侵蚀空间数据按照水利行业标准SL 190 — 2007《土壤侵蚀分类分级标准》对土壤侵蚀强度进行划分，其中水力侵蚀强度分级标准见表1。分级后，通过GIS软件统计生昌禅溪小流域不同强度等级的土壤侵蚀侵蚀面积情况（见图1）。

表1 水力侵蚀强度分级标准表

根据不同土壤侵蚀强度面积的统计结果（见图1），昌禅溪小流域土壤侵蚀面积以微度侵蚀为主，其面积比例高达94.61%，这些面积上的土壤侵蚀量A小于南方红壤丘陵区容许土壤流失量Tc500 t /（km · a）；土壤侵蚀量A大于容许土壤流失量Tc的面积比例5.39%。

图1 不同土壤侵蚀强度面积统计图

进一步统计分析大于容许土壤流失量Tc的侵蚀强度分布情况可知，轻度侵蚀面积占大于容许土壤流失量面积的比例为61.39%，中度侵蚀面积占29.80%，强烈侵蚀面积占5.16%，极强烈侵蚀面积占3.65%，小流域内没有发生剧烈侵蚀现象。由此可见，昌禅溪小流域内绝大部分面积属于微度侵蚀，小部分面积发生较严重的土壤侵蚀现象。

4.3 小流域土壤侵蚀空间分布

土壤侵蚀是一个多因素综合影响的环境问题，其涉及因素多而复杂。研究小流域土壤侵蚀强度的空间分布格局有利用深入认识土壤侵蚀发生机理与变化规律，尤其是自然因素与人类活动双重作用下小流域土壤侵蚀空间分异研究对指导小流域土地利用结构的优化具有重要的意义。图2为昌禅溪小流域土壤侵蚀的空间分布特征图。从土壤侵蚀的空间分布来看，昌禅溪小流域土壤侵蚀主要发生在小流域的中部，并且呈现集中的条带侵蚀图斑。通过小流域实地调查发现，发生较为严重的土壤侵蚀区域主要是园地开发区，特别是近年来农民为了增加收入在小流域内大量开垦林草地，并种植具有经济价值的黄栀子。在开垦种植的前几年里，由于坡面扰动以及黄栀子幼苗不能有效发挥水土保持功能，导致小流域内土壤侵蚀较为严重。

图2 土壤侵蚀空间分布图

4.4 成因分析

自然环境是土壤侵蚀发生和发展的潜在因素，而人为作用则是加剧土壤侵蚀的外在动力。苍南县昌禅溪小流域土壤侵蚀的发展是自然和人为因素相互作用的结果。其中，小流域自然因素中的地形因子对土壤侵蚀具有促进作用，良好的植被覆盖具有水土保持功能，而人为不合理的园地开发活动是小流域土壤侵蚀加剧的人为因素。

（1）小流域地形因素。由于小流域的坡长坡度LS因子空间变化非常明显，小流域北部和西南部多为中低山区，东南部主要为丘陵区，地形起伏。因此，降雨后便产生极大的径流速度，加剧对地表土壤的冲刷和侵蚀。

（2）林草植被覆盖度的高低也直接影响到水土流失。由小流域植被类型的统计可知，小流域内林地总面积为273.42 hm2，占小流域面积的82.71%。由于小流域内植被较好，覆盖度多数在70.00%以上，在小流域内发挥了较好的水土保持功能。

（3）人类不合理的活动是加剧小流域水土流失的重要因素。近年来，陡坡开垦、乱砍滥伐等易造成严重水土流失的行为已大为减少，但无水土保持措施的缓坡园地经济林开发以及不合理的耕作方式造成的水土流失现象依然存在。随着经济的发展，除了开发建设项目大规模占用土地资源外，农民为了增加收入也加剧了坡地资源的开垦，忽视水土保持，导致小流域的水土流失。

在影响土壤侵蚀的诸因子中，小流域内的地形和土壤因子是影响土壤侵蚀最显著的自然因素，不合理的土地利用方式是导致小流域发生严重土壤侵蚀的主因。因此，加强小流域自然植被的保护，合理开发利用土地资源，是防治小流域土壤侵蚀的关键。

5 结 语

土壤侵蚀的空间分布特征与土地利用、坡度、土壤类型和人类活动等因素密切相关，开展土壤侵蚀空间变异性的研究有助于揭示土壤侵蚀的区域变化规律，为区域土地资源保护和土壤侵蚀防治提供科学依据。本研究以GIS技术为主要手段，以苍南县昌禅溪小流域为研究对象，通过对小流域各类空间数据的采集，运用修正的通用土壤流失方程定量研究了小流域的土壤侵蚀状况。研究结果得出，昌禅溪小流域主要以微度侵蚀为主，所占比例大于90.00%；但由于小流域内大量开垦坡地资源种植经济作物，导致小流域中部发生较为严重的土壤侵蚀。

土壤侵蚀导致的严重后果已经备受各国政府的高度重视，人类的发展必须坚持人与环境人与自然的可持续协调发展。开发土地资源和保护生态环境必须以遏制土壤侵蚀为基础，治理土壤侵蚀应遵循自然规律，坚持区域经济与环境统一规划，使区域的生态、社会和经济效益相结合，从而实现美好家园的建设。