基于ＲＷＥＱ模型的石渠县土壤风蚀评价及影响因素分析

杨雪琴　丁锐　谢骏锴　刘恩勤

摘要：应用修正风蚀模型（RWEQ）对四川省甘孜藏族自治州石渠县进行土壤风蚀模数估算，分析土壤风蚀在石渠县的空间分布特征及各个因素对石渠县土壤风蚀作用的影响。结果表明，石渠县北部抗土壤风蚀能力优于南部，西南部受土壤风蚀影响最大;气象因子为土壤风蚀最主要的影响因子，在6月汛期时土壤风蚀模数达到最大;植被指数的空间分布特征与土壤风蚀模数空间分布特征契合，对其影响较深。

关键词：RWEQ模型;土壤风蚀;防风固沙;石渠县

中图分类号：S157.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0026-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.006           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Evaluation of wind erosion and analysis of its influencing factors

in Shiqu county based on REWQ model

YANG Xue-qin，DING Rui，XIE Jun-kai，LIU En-qin

（College of Earth Science，Chengdu University of Technology/Key Laboratory of Information Technology & Application of Land and Resource，Chengdu 610059，China）

Abstract： The modified wind erosion model （RWEQ） was used to estimate the soil wind erosion modulus of Shiqu county， Ganzi prefecture， Sichuan province， and the spatial distribution characteristics of soil wind erosion and the effects of various factors on the soil wind erosion in Shiqu county were analyzed. The results showed that， the resistance to soil wind erosion in northern Shiqu county was better than that in southern， and the southwest was the most affected by soil wind erosion. Meteorological factors were the most important factors affecting soil wind erosion. The soil wind erosion modulus reached the maximum in the flood season in June. The spatial distribution of vegetation index was consistent with the spatial distribution characteristics of soil wind erosion modulus， and its influence was deep.

Key words： REWQ model; wind erosion; sand-fixing; Shiqu county

土壤侵蝕是土壤退化的一种表现形式。土壤退化的两个主要因素分别为水蚀和风蚀，二者导致的全球退化土地面积约占84%[1]，使土壤过度侵蚀成为目前世界上最重要的环境问题之一。土壤侵蚀过程可能非常缓慢，也可能以较快的速度造成表土的严重流失。随着中国基础建设脚步的加快，人类活动导致土壤侵蚀速率也开始加快。土壤侵蚀使营养丰富的上层土壤流失，将最终导致土地荒漠化。农业泥沙流入河流还会导致水体富营养化，进一步污染水体和土壤。在土壤风蚀过程中产生的悬浮土壤颗粒是空气污染的主要来源之一，当土壤颗粒被农药、化工燃料等有毒化学品污染，再着陆或被人体吸入时会造成严重的生态和公共健康问题。中国西部山区生态脆弱，水土流失现象较为严重，威胁着国家的生态安全，当地风蚀模数的估算工作对维护其生态环境可持续发展具有一定意义。

土壤侵蚀模型的构建能够更好地探寻侵蚀的原因，以便对土壤侵蚀进行一系列预测工作，减轻其对生态环境的影响。由于侵蚀过程较为复杂，因此建模需要充分考虑各项因素，例如气象、水文、地质环境、土壤条件等。对于风蚀模型研究，Woodruff等[2]提出了风蚀方程（Wind erosion equation，WEQ），其被美国农业部用于对农田管理措施土壤风蚀的潜在影像评估。在充分考虑土壤结皮及土壤可蚀性因素后，Fryrear等[3]在WEQ基础上得到修正风蚀方程（Revised wind erosion equation，RWEQ）。国内学者也利用RWEQ模型进行了诸多研究，并取得了较好的成果，如：迟文峰等[4]基于RWEQ模型对内蒙古高原进行风蚀研究，反演了20世纪90年代以来内蒙古高原土壤风蚀模数;江凌等[5]研究发现RWEQ模型估算结果与137Cs推算结果具有较高拟合性，在国内区域尺度应用具有一定可行性;巩国丽等[6]针对模型中的土壤结皮因子和可蚀性因子进行了改进和应用。这些研究结果表明，在理想数据情况下，RWEQ模型能很好完成对土壤风蚀情况的预测，为防止土壤荒漠化提供决策依据。

本研究根据RWEQ方程构建四川省石渠县地理空间数据库，对模型各个因子进行计算，进而评估石渠县土壤风蚀模数。根据侵蚀强度对结果进行分级，并分析其时间和空间分布特征，探寻土壤风蚀影响因素，为当地生态保护和防风固沙工作提供决策依据和经验指导。

1  数据来源与研究方法

1.1  研究区概况

石渠县隶属于四川省甘孜藏族自治州，位于四川省西北部，青藏高原东南缘，介于北纬32°19′—34°20′，东经97°20′—99°16′，是四川省最偏远、交通最不方便的县之一。石渠县幅员面积25 191 km2，全县平均海拔4 000 m，为大陆性季风高原气候，日照时间长，气温偏低，昼夜温差大，无绝对无霜期，暴风雪灾害易发。该地区地质结构复杂，又因大规模的资源开采导致当地生态环境更加脆弱，崩塌、泥石流、滑坡等地质灾害频发。

1.2  数据来源

构建RWEQ模型所使用的数据主要分为气候数据、太阳辐射数据、雪盖数据、地形数据、遥感数据和土壤数据集。其中，气候数据和太阳辐射数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）;雪盖数据和土壤数据集来源于寒区旱区科学数据中心（http：//westdc.westgis.ac.cn/data/）;30 m分辨率DEM数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），被用于計算地形起伏度;遥感数据来源于美国航空航天局（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。

1.3  研究方法与数据处理

1.3.1  RWEQ模型  生态系统中防风固沙服务功能是指在地表无植被状况下的土壤风蚀量与植被覆盖条件下的土壤风蚀量的差值[6，7]。在众多模型中，RWEQ模型充分考虑了气候条件因素、土壤可蚀性及结皮因素、地表粗糙度、植被覆盖状况等，其因子覆盖全面，数据易于获取，常用于在小于1年的时间尺度上进行土壤风蚀量预报，适用区域范围更广，时间尺度更灵活[8]。

本研究采用RWEQ修正风蚀方程对石渠县的土壤风蚀状况进行定量评价，该方程基本表达式如下：

SR=SL潜-SL   （1）

SL潜=■×Qmax潜×e■

Qmax潜=109.8×（WF×EF×SCF×K′）S潜=150.71×（WF×EF×SCF×K′）-0.371 1  （2）

SL=■×Qmax×e■

Qmax=109.8×（WF×EF×SCF×K′×C）S=150.71×（WF×EF×SCF×K′×C）-0.371 1 （3）

式中，SR是土壤风蚀模数[t/（hm2·年）];SL潜是潜在土壤风蚀模数[t/（hm2·年）];SL是实际风蚀模数[t/（hm2·年）];Z为下风向最大风蚀出现距离，Z=50 m;S潜、S是关键地块的长度（m）;Qmax潜、Qmax为最大转移量（kg/m）;WF为气候因子（kg/m）;EF为土壤可蚀性因子（无量纲）;SCF为土壤结皮因子（无量纲）;K′为地表粗糙度因子;C为植被覆盖度因子。

1.3.2  评价指标的获取

1）气象因子。风速、气温、降雨、日照辐射以及雪盖天数等气候状况都会影响土壤风蚀模数，其共同组成了气候因子，该因子计算表达式：

WF=WE×■×SW×SD  （4）

WE=μ2×（μ2-μ1）2×Nd  （5）

？籽=348.01（■）（6）

SW=■   （7）

ETP=0.016 2×■×（DT+17.8）  （8）

SD=1-P   （Hsnow>25.4 mm）  （9）

式中，WF为气象因子（kg/m）;WE为风场强度因子（m3/s3），由监测风速μ2（m/s）、起沙风速μ1（假定为5 m/s）和观察周期天数Nd计算得到;？籽为空气密度（kg/m3），由海拔高度EL（km）和绝对温度T（K）计算得到;g为重力加速度（m/s2）;SW为土壤湿度因子（无量纲）;R为降雨量（mm）;I为灌溉量（mm）;Rd为降雨次数和（或）灌溉天数;ETP为地表潜在相对蒸发量（mm），由太阳辐射SR（cal/cm2）和平均温度DT（℃）计算得到;SD为雪覆盖因子（无量纲）;P为计算时段内积雪覆盖深度（Hsnow）大于25.4 mm的概率。

2）土壤可蚀性因子。土壤可蚀性是指土壤对侵蚀的敏感性。对于不同的机械组成和理化性质的土壤种类，粒度越小，有机质含量越低，其土壤可蚀性越大，越容易被侵蚀;反之粒度越粗，有机质含量越高，其可蚀性越小，越不容易被侵蚀。对于土壤可蚀性因子的计算公式如下[9]：

EF=■

（10）

土壤结皮是指某些低等生物与土表相互作用或降水滴溅在土表上形成的微层，一般按产生机理可分为生物性结皮和物理性结皮。其中，生物性结皮有利于抵抗土壤风蚀;物理性结皮易碎，反而加速了土壤被风蚀的过程。其计算公式如下[10]：

SCF=■  （11）

在两式中，所有参量均为百分制，sa为土壤沙粒含量;si为土壤粉沙含量;cl为黏土含量;OM为有机质含量;Caco为碳酸钙含量，可不予考虑。

3）植被覆盖度因子。不同的植被有着不同的根系，也就有不同的固水固沙能力。植被覆盖度因子表示一定植被覆盖条件下，对土壤风蚀的抑制作用大小。依据研究区LUCC分类图，将植被分为林地、灌木、草地、农田、裸地5个植被类型，根据不同的系数计算各植被覆盖度因子。其表达式[11]：

C=e■  （12）

式中，ai为不同植被类型的系数，其中，林地为0.153 5，灌木为0.092 1，草地为0.151 1，农田为0.043 8，裸地为0.076 8;SC为植被覆盖度（无量纲），由NDVI数据集计算得到。

4）地表粗糙度因子。地表粗糙度是指由地形引起的土地表面粗糙程度对土壤风蚀的影响。其表达式[11]：

K′=e■   （13）

Kr=0.2×■   （14）

式中，Kr為因地形起伏产生的地形粗糙度长度（cm）;Crr为随机糙度因子，取0;ΔH为距离L范围内的海拔高程差（m），根据不同的起伏地形情况，L具有不同的值。

2  结果与分析

为了分析该地区的土壤风蚀变化，参照水利部《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190-2007）并结合研究区的实际情况采用自然断点法将土壤风蚀模数分为潜在风蚀（0，5.45]、微度风蚀（5.45，10.65]、轻度风蚀（10.65，15.62]、中度风蚀（15.62，24.50]、重度风蚀（24.50，55.24]5类。

2.1  土壤风蚀等级空间分布特征

根据上述方法得到2015年石渠县土壤风蚀等级空间分布图（图1）。整体上看，石渠县土壤风蚀情况不容乐观，南部较北部侵蚀状况更为严重。中部呷衣乡以及西南部真达乡、奔达乡、正科乡、邓柯乡和麻呷乡风蚀程度最为严重;东南部大部分地区如虾扎乡、起坞乡、长沙干马乡、长须贡马乡和瓦须乡存在轻度风蚀;以北部集中的其余地区风蚀状况得到有效控制，均为微度或潜在侵蚀。

结合石渠县当地数字高程模型（DEM）等地形资料，发现石渠县整体海拔较高，在西南部以及中部呷衣乡存在较大的高程差，地势起伏大，属于高原山地，风蚀状况更为严重;而北部虽然海拔较高，但高程差较小，属于高原地形，风蚀状况相较而言较轻。故分析认为地表粗糙度因子对土壤风蚀存在较大的影响，地表粗糙度因子越大，土壤风蚀模数越高。

2.2  气象变化对土壤风蚀模数的影响

利用2015年全年各月的月均气象数据，结合石渠县2015年植被覆盖、土地利用、土壤机械组成及理化性质等数据，计算该时间尺度内的月均土壤风蚀模数，以探究气象变化对土壤风蚀模数的影响。

根据上述方法得到2015年石渠县各月土壤风蚀模数统计图（图2）。由图2可知，1—3月和10—11月处于雪期，土壤风蚀模数较小。从3月之后迅速上升，在6月达到最高峰，期间处于春夏季节交替，风速较大，风力强劲，6月进入汛期，在风力和降雨的共同作用下，土壤风蚀模数也达到了全年最大。9月同样对应一个小高峰，该时期当地即将进入雪期，植被枯萎，风力强劲，致使土壤侵蚀模数在此攀升。由此可知，气象对土壤侵蚀模数有较大影响，且因子复杂，不同的时期有不同的主力因子，视当地气象条件决定。

2.3  植被覆盖变化对土壤风蚀模数的影响

植被覆盖能有效地抑制风蚀速度。作为风蚀的阻抗因子，不同的植被类型具有不同强弱的固沙能力，同一种植被不同程度的覆盖度也会造成不同强弱的固沙能力。将有植被覆盖的地表固沙量（Qsa）与无植被覆盖（如裸地）的地表风蚀量（Qsoil）相比，就能消除气候等因素的影响，得到防风固沙服务功能的保有率（F）。

其计算公式如下：

F=■  （15）

保有率反映了植被变化对防风固沙服务能力的影响，其值越高，土壤风蚀模数越小，固沙能力越强;反之值越低，土壤风蚀模数越大，固沙能力越弱。

根据上述方法得到2015年石渠县防风固沙保有率空间分布图（图3）。石渠县保有率范围较大，最小为0.56，最高为4.92。整体依然是北部高于南部，由北到南逐渐减少，与土壤风蚀模数空间分布特征相一致，说明植被覆盖程度对固沙量有较大影响，且植被覆盖度因子较低的区域固沙量更大，土壤风蚀程度较微弱，植被覆盖度因子高的区域固沙量偏小，土壤风蚀程度较为严重。

3  小结

本研究利用修正土壤风蚀模型来定量分析土壤风蚀模数，评价石渠县风蚀等级，并对气象因子和植被因子分别与土壤风蚀模数之间的关系进行了深入的分析与探究。具体结论如下：

1）石渠县的各区域抗土壤风蚀能力有差异，北部整体优于南部，北部较为集中的以潜在和微度风蚀为主，东南部的虾扎乡、起坞乡、长沙干马乡、长须贡马乡和瓦须乡存在轻度风蚀，西南部的真达乡、奔达乡、正科乡、邓柯乡和麻呷乡等则以中度、重度风蚀为主。

2）土壤风蚀模数随着一年中时间的推进，气象的变化而在曲线中表现出两个小高峰，最高峰由降雨和风力共同导致，次高峰由植被状况和风力共同导致。气象因素在不同的时期有不同的主力因子，视当地气象条件具体分析。

3）防风固沙保有率能较好地定量描述由植被引起的土壤风蚀量及其空间分布特征。植被对防风固沙服务影响程度较深，整体上保有率良好，其空间分布特征契合土壤风蚀模数空间分布特征。

参考文献：

[1] BLANCO-CANQUI H， LAL R. Principles of soil conservation and management[M/OL].Springer，2010：http：//www.doc88.com/p-31975794580.html，2008-08/2019-02-18.

[2] WOODRUFF N P，SIDDOWAY F H. A wind erosion equation[J].Proceedings of the soil science society of america，1965，29（5）：602-608.