基于RUSLE模型的河南省黄河流域土壤侵蚀研究

刘天可, 袁彩凤

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.河南省环境保护科学研究院,河南 郑州 450004)

流域的生态环境与水土流失有着密不可分的联系,同时也是影响大流域可持续发展的关键性因素。近年来，国内外学者针对土壤侵蚀模型展开了大量的研究，总体上可分为经验模型、物理模型和分布式模型[1]。目前,最常用的方法是采用经验模型法定量评估土壤侵蚀状况[2]。国外土壤侵蚀的研究始于19世纪晚期,1959年,WISCHMEIER W H和SMITH D D第一次提出了通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)[3]。经过大量实践之后,发现USLE在实际应用中有一定的缺陷。经专家学者们对其进行修改,得到了修正后的通用土壤流失方程RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)[4]。我国在20世纪20年代末开始土壤侵蚀评价研究，邱扬等应用USLE模型完成了中等流域(延河)的土壤侵蚀评价研究[5];魏贤亮等利用RUSLE 模型对剑湖流域土壤侵蚀进行了定量评价[6]。

黄河是世界五大河之一,是我国的第二长河,全长约5 464 km,流域面积约752 443 km2。我国水土流失情况比较严重,黄河流域更是如此。其水土流失面积较大,占比超过流域总面积的一半。黄河天然时期(1919—1960年)多年平均来沙量1.6×109t[7]；在1933年，黄河流域的最大来沙量高达3.91×109t[8]。而河南省黄河流域粗砂含量较大，约占年平均泥沙量的26%。与此同时，该区域长期以粮食种植为主，为了增加粮食种植面积，进行了一些不合理的土地开发利用(如毁草种粮、毁林种粮等)，这些行为加重了水土流失[9]。严重的水土流失导致河南省黄河流域内生态环境恶化、土地贫瘠、入黄泥沙含量不断增多等。同时,严重的水土流失也是河南省黄河流域“地上悬河”的成因之一，使洪水对黄淮海平原构成了直接威胁,给黄河流域的治理与开发带来了严重的困难和隐患,给国民经济的发展造成巨大危害。近年来,党和国家越来越重视生态环境问题，特别是十八大以来，习近平总书记多次强调,要加强黄河保护,让母亲河永远健康,让黄河成为造福人民的幸福河。因此,进行水土流失的综合治理也是迫在眉睫。

本文针对黄河流域的水土流失问题，结合3S技术以及美国修正版通用土壤流失模型(RUSLE模型)，对河南省黄河中下游区域的土壤侵蚀情况进行评价,分析研究区土壤侵蚀的空间分布特征,以期为黄河流域水土保持以及流域的生态环境治理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

河南省黄河流域界于北纬33°～36°、东经110°～116°,地处暖温带,全年平均气温15.6 ℃,全年平均降雨量542.15 mm,流域春冬干旱、夏秋多雨，降雨集中在6—9月。河南省地势是西部多山、东部平原。豫西山地由向秦岭东延的崤山、熊耳山、外方山和伏牛山组成,大部分海拔在1 000 m以上。熊耳山、外方山向东分散为海拔600～1 000 m的丘陵。伏牛山、嵩山分别是黄河流域同长江、淮河流域的分水岭。太行山耸立在黄土高原与华北平原之间，最高岭脊海拔1 500～2 000 m，是黄河流域与海河流域的分水岭,也是华北地区一条重要的自然地理界线。

河南省黄河段包括西部山区至花园口以下的平原沙土区,是黄土高原向黄淮海平原的过渡带。由于西部山区沿黄沟壑和河道大部分是直接入黄的一级沟道,加上其复杂的地质地貌、特殊的地理位置和气候条件以及人口众多等因素,使得西部山区成为全国水土流失较为严重的地区之一。河南西部山区包括三门峡、洛阳、郑州、焦作、济源等5市25个县(市)区,总土地面积2.73万km2,原有水土流失面积1.68万km2,水土流失面积占总土地面积的60%以上[10]。土壤类型为潮土、黄垆土、娄土、褐土、黄棕壤等。河南省黄河流域位置示意图如图1所示。

图1 河南省黄河流域位置示意图

1.2 基础数据

本研究的基础数据包括:①遥感影像数据。利用中国科学院资源环境科学数据中心提供的2018年中国土地利用现状遥感监测数据,根据其土地利用类型分类并结合ArcGIS软件得到河南省黄河流域土地利用类型图。②地形数据。结合ArcGIS软件以及研究区域的DEM数据,计算得到坡度坡长因子(LS)。③降雨数据。用研究区域及周边观测点的2018年降雨数据,根据降雨侵蚀力算法和ArcGIS软件的地统计方法,得到研究区降雨侵蚀力因子(R)及其空间插值。④土壤类型数据。根据其土壤类型图,计算得到土壤可蚀性因子(K)。具体情况见表1。

表1 基础数据表

1.3 研究方法

采用RUSLE模型评价河南省黄河流域土壤侵蚀情况,模型具体公式如下:

A=R·K·LS·C·P。

式中：A为年均土壤侵蚀模数，t·hm-2·a-1，乘以100将单位换算为t/(km2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K为土壤可蚀性因子，t·h·MJ-1·mm-1；LS为坡度坡长因子(无量纲),其中S表示坡度因子,L表示坡长因子；C为地表植被覆盖度因子(无量纲)；P为流域水土保持措施因子(无量纲)。河南省黄河中下游RUSLE模型各因子值的分布图如图2所示。

根据不同学者的研究成果,参考相应的文献资料[11-12],结合黄河流域河南段的实际土地利用情况,对水土保持措施因子进行赋值,结果见表2。

合理的人类活动会对土壤侵蚀产生一定影响,例如耕作劳动对土壤侵蚀的发生起到抑制作用。基于此并参考相应文献[13],在耕地条件下，随着坡度值不断增加，P值也随之增加,具体值见表3。

图2 河南省黄河中下游RUSLE模型各因子分布图

土地利用类型建设用地林地草地未利用地居民点城镇用地水域P1111000

表3 耕地类型中不同坡度下的P值

2 结果与分析

利用ArcGIS软件平台的空间分析功能,将黄河流域河南段的各个土壤侵蚀因子相乘,得到研究区在RUSLE模型下的土壤侵蚀模数。参考同类研究，如朱恒槺等[14]在ArcGIS平台上模拟得到河南省年均土壤侵蚀模数为835.92 t/( km2·a),本文的结果与其基本一致。综上所述,在河南省黄河流域采用RUSLE模型模拟所得到的土壤侵蚀数据是可用于进一步分析的。

根据《土壤侵蚀分类分级标准》,土壤侵蚀强度可以分为微度至剧烈6个等级,具体见表4。在ArcGIS中对河南省黄河流域的土壤侵蚀模数进行重分类得到土壤侵蚀等级分布图，如图3所示。

表4 土壤侵蚀强度分级标准

图3 河南省黄河流域土壤侵蚀等级分布图

对不同等级的侵蚀强度进行统计分析,可得到研究区的年均土壤侵蚀模数为861.78 t/(km2·a),属于轻度侵蚀,年均土壤侵蚀总量为305.44×105t/a,具体结果见表5。

表5 河南省黄河流域土壤侵蚀强度特征统计结果

由表5可知：河南省黄河流域土壤侵蚀主要以微度和轻度为主,两者面积占流域总面积的88.39%；中度侵蚀和强烈侵蚀次之,二者的面积占比为10.71%；极强烈和剧烈侵蚀所占比例较小，其面积之和占研究区域总面积的0.90%。

2.1 不同土地利用类型对土壤侵蚀的影响

河南省黄河流域土地利用类型如图4所示。利用ArcGIS空间分析功能,将土地利用类型图分层与土壤侵蚀分级图层进行叠加,得到不同土地利用类型的土壤侵蚀强度等级。

表6给出了不同土地利用类型的不同土壤侵蚀强度等级的土壤侵蚀面积。从表6中可知：土壤侵蚀强度的不同与土地利用类型间存在一定的相关性。在不同的土地利用类型中,土壤侵蚀主要来源于草地、林地和耕地,其侵蚀面积分别占土壤侵蚀总面积的10.80%、22.58%和55.14%。草地的土壤侵蚀强度等级绝大多数为微度侵蚀和轻度侵蚀,其面积约占草地土壤侵蚀总面积的91.0%;林地的土壤侵蚀强度等级多为轻度侵蚀和中度侵蚀,其面积约占林地土壤侵蚀总面积的73.4%;耕地的土壤侵蚀强度等级大部分为微度侵蚀,其面积约占耕地土壤侵蚀总面积的89.0%。

表6 不同土地利用类型的各土壤侵蚀强度等级的侵蚀面积

2.2 不同坡度等级的土壤侵蚀情况

根据河南省黄河流域的地形地貌特征,将研究区坡度图利用ArcGIS重分类工具将其分为6个等级,分别为(0°,5°]、(5°,10°]、(10°,15°]、(15°,20°]、(20°～25°]、25°以上。基于此,统计出不同坡度等级的土壤侵蚀分布情况,具体见表7。由表7可知：在河南省黄河流域,微度侵蚀土壤主要分布在10°以内的坡度范围内,其面积占比为92.27%,其中坡度在5°以内的面积占比为84.00%;轻度侵蚀土壤主要分布在(5°,10°]、(10°,15°]、(15°,20°]的坡度范围内,其面积所占比例分别为25.36%、25.77%、19.58%,共占轻度土壤侵蚀总面积的70.71%;中度侵蚀土壤主要分布在坡度为5°～25°以及25°以上的范围内,其面积所占比例分别为76.29%、19.57%;强烈侵蚀土壤主要分布于坡度较大的区域,主要分布于15°～25°和25°以上的坡度范围内,其面积所占比例分别为43.96%、34.06%,共占强烈土壤侵蚀总面积的78.02%；极强烈侵蚀和剧烈侵蚀土壤多分布于坡度较大的区域,其侵蚀面积较小。

综上所述,河南省黄河流域82%的区域坡度集中在0°～15°范围内,土壤侵蚀强度随着坡度的增大而增大；坡度越大,重力对侵蚀强度的影响就越大。由于研究区地形属于西高东低,因此低强度侵蚀主要分布于东部平原地区,而高强度侵蚀主要分布在西部山区。

表7 不同坡度的各土壤侵蚀强度等级的侵蚀面积

2.3 河南省黄河流域各省辖市的土壤侵蚀情况

黄河自陕西潼关进入河南省,西起三门峡灵宝市,东至濮阳市台前县,主要流经郑州、开封、洛阳、安阳、新乡、焦作、濮阳、三门峡、济源等9个省辖市、28个县(市、区)。河南省黄河流域面积约3.5万km2,占黄河流域总面积的5.1%，占河南省总面积的21.7%。

利用ArcGIS空间分析功能,将省辖市与土壤侵蚀分级图层进行叠加,最终得到河南省黄河流域各省辖市的土壤侵蚀强度等级。表8给出了各省辖市的土壤侵蚀强度等级面积。由表8可以看出：洛阳市和三门峡市的土壤侵蚀面积较大,分别为12 341.89、8 421.28 km2；微度侵蚀土壤主要分布在洛阳市、新乡市和三门峡市,分别占各省辖市流域面积的57.53%、100%、40.81%,共占研究区微度侵蚀总面积的63.25%;轻度侵蚀土壤主要分布在洛阳市和三门峡市,分别占各省辖市流域面积的25.34%和40.42%,共占研究区轻度侵蚀总面积的88.81%;中度侵蚀土壤主要分布在洛阳市和三门峡市,分别占各省辖市流域面积的10.54%和14.09%,共占研究区中度侵蚀总面积的90.27%;强烈侵蚀土壤主要分布在洛阳市和三门峡市,分别占各省辖市流域面积的5.05%和3.64%,共占研究区强烈侵蚀总面积的89.26%;极强烈侵蚀和剧烈侵蚀的土壤面积较少,多数分布于洛阳市和三门峡市坡度较大的区域,共占研究区极强烈侵蚀和剧烈侵蚀总面积的86.86%。

表8 河南省黄河流域各省辖市土壤侵蚀强度等级面积

3 结论

1)应用RUSLE模型,结合地理信息系统和遥感技术,对河南省黄河流域土壤侵蚀强度进行研究。结果表明：河南省黄河流域的年均土壤侵蚀模数为861.78 t/(km2·a),属于轻度侵蚀,年均土壤侵蚀总量为305.44×105t/a。从侵蚀强度来看,微度侵蚀土壤面积为24 043.39 km2,占研究区总面积的67.64%;轻度侵蚀土壤面积为7 374.80 km2,占研究区总面积的20.75%;中度侵蚀土壤面积为2 760.52 km2,占研究区总面积的7.77%;强烈、极强烈和剧烈侵蚀土壤面积占研究区总面积的3.84%。

2)河南省黄河流域的大部分区域土壤属于微度或轻度侵蚀,且大多数分布在0°～10°坡度范围内,其主要的土地利用类型为耕地和草地。土壤侵蚀破坏土地资源,使得可用土地面积减少,土壤肥力降低,产量减少。因此，该区域采用退耕还林、还草等措施来减少水土流失量是不切合实际的,应该采用一些水土保持耕作措施来增加其水土保持量。如通过等高耕作、增加地面覆盖、生物篱技术等农业措施来减少水土流失量。对于坡度较大的区域,其土壤侵蚀等级为中度及以上,该区域可以采用林草措施、生物措施和耕作措施相结合的方式来控制土壤侵蚀,减少水土流失量。

3)土壤侵蚀和土地利用类型的关系密不可分。土地利用类型的变化与环境、经济发展、人口增长等因素的变化密不可分。从河南省黄河流域土壤侵蚀分布来看,中度侵蚀地区多分布在西部山区,该地区主要土地类型为林地,由于人为破坏，该地区部分天然植被遭到破坏，许多地方呈现出地表裸露现象。同时,林地结构较为单一,地面缺乏枯枝落叶层，导致植被对土壤保护能力下降，土壤易受到侵蚀。因此,应采取细致整地、增加生物多样性、地膜覆盖等措施，同时与工程措施相结合,减少林地水土流失的发生和发展,进一步防治土壤侵蚀。

4)从河南省黄河流域土壤侵蚀强度等级分布来看,大部分地区的土壤属于微度侵蚀,轻度以上的土壤侵蚀大部分发生在河南西部的一些省辖市内。基于此,相关地市要加强生态环境建设,调整农业结构,积极推广节水灌溉技术。同时,应大力宣传水土保持的优点以及相应的水土保持措施,制定适合本地区可持续发展的规范性文件,使流域群众可以更好地了解相关知识,积极地参与到加强水土保持的队伍中来。