基于RUSLE的祖厉河上游会师流域土壤侵蚀及敏感性分析

柴亚昕，胡彦婷，张富，高凡洁，包炳琛，蒋承洋

（甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070）

土壤侵蚀致使土地资源破坏、荒漠化加剧、生产力降低等，对我国生态环境建设造成严重影响，是我国严重的环境问题之一［1-2］。据2019年全国水土保持公报显示，水土流失面积为271.08万km2，其中轻度水土流失面积为170.55万km2、中度46.36万km2、强烈20.46万km2、极 强 烈15.97万km2、剧 烈17.74万km2［3］。分布范围较广且严重，因此，防治土壤侵蚀的发生发展任务刻不容缓［4］。

土壤侵蚀敏感性指在自然状况下发生土壤侵蚀的潜在可能性及其程度，对区域土壤侵蚀的防治具有指导意义［5］。目前，国外土壤侵蚀研究应用较为广泛的方法为Wischmeier和Smith提出的通用土壤流失方程（RUSLE）模型，该模型适应大多数地理背景下的土壤侵蚀评价，国内刘宝元等［6］在RUSLE的基础上，将耕作因子（T）、生物因子（B）和工程因子（E）引入，建立了中国土壤流失方程。王礼先等［7］依据陡坡坡面的特点，得到了有关陡坡的坡面侵蚀模型。赵明月［8］、张乃夫等［9］依据RUSLE方程，结合ArcGIS等软件技术对青海湖流域、安徽新安江流域依据不同标准进行了流域尺度上的土壤侵蚀敏感性评价，得到不同土壤侵蚀敏感性分区并提出防治对策及建议，对土壤侵蚀的预防治理提供了参考依据。由此可见，采用RUSLE模型进行土壤侵蚀分析具有适用性广、结果较为准确等优点，为区域土壤侵蚀评价提供了有效的方法。

祖厉河流域为典型的黄土高原丘陵沟壑区，地形破碎，沟壑纵横，水资源稀缺，生态环境恶劣，水土流失严重，研究其侵蚀现状对黄土高原干旱半干旱区的侵蚀规律具有一定的代表意义。目前对祖厉河流域的土壤侵蚀相关研究较为缺乏，焦金鱼、贵立德［10-11］对祖厉河流域的土壤侵蚀治理模式及时空分异等进行了研究，但现有成果缺乏对祖厉河流域土壤侵蚀敏感性的评价。本研究采用较为成熟的RUSLE模型对祖厉河上游流域进行土壤侵蚀及其敏感性分析，为今后流域内土壤侵蚀预防治理提供科学依据，进一步为该地区生态环境可持续发展提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

祖厉河是黄河上游的一级支流［12］，处于黄土高原西部、甘肃省中部，为陇中黄土高原的一部分，地理位置E 104°12'～105°33'，N 35°18'～36°34′，流域 总面积10 653 km2［13］。研究区位于祖厉河上游、会宁县南部包括会师镇、丁家沟镇、西巩驿镇、中川镇、华家岭镇、新添堡回族乡、翟家所乡、侯家川镇、八里湾乡、老君坡乡、太平店镇和党家岘乡12个乡镇，面积为983.86 km2，气候属半湿润向半干旱过渡地带，空气干燥，降水量少且分布不均，年平均降水量400 mm，年均气温6～8 ℃，土壤类型以黄绵土、灰钙土和灰褐土为主，为生态脆弱区［14-15］。土地利用方式以耕地、草地和林地为主。地理位置见图1。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 材料和方法

1.2.1数据来源研究采用的降水量数据来自甘肃省水文站，为研究区内及周围红土、中川、太平店、会宁、西巩驿、甘沟驿、大沟、老庄、黄家湾、党家岘和邵家沟11个雨量站点的月均降水量和年均降水量；土壤类型数据来自世界土壤数据库（http://westdc.westgis.ac.cn/）；2019年DEM数据和Landsat8 OLI/TIR卫星遥感影像数据由地理空间数据云网站下载（http://www.gscloud.cn），分辨率为30 m；2019年土地利用现状数据采用ENVI、eCognition、ArcGIS等技术手段对30 m分辨率的Landsat8 OLI/TIRS影像进行处理，并进行人工校核与对比得到土地利用数据，精度为95%以上。

1.2.2研究方法土壤侵蚀现状研究 土壤侵蚀敏感性的评价方法采用RUSLE土壤侵蚀模型［16］，计算公式为：

式中：A为年土壤流失量，单位为t/（hm2·a）；R为降水侵蚀力因子，单位为MJ·mm/（hm2·h·a）；K为土壤可蚀性因子，单位为t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；S、L为土壤所处地面的坡度与坡长；C为植被覆盖管理因子；P为水土保持措施因子。

（1）降水侵蚀力因子（R）

本研究采用月均降水和年均降水的Ganasri B P［17］模型，公式为：

式中：R表示降水侵蚀力因子，单位为（MJ·m）/（hm2·h·a）；P表示年均降水量，单位为（mm）；Pi表示月均降水量，单位（mm）。

（2）土壤可蚀因子（K）

研究采用Williams［18］等提出的EPIC模型中的计算方法获得K值大小，计算式如下：

式中：SAN表示土壤中砂粒量（单位：%）；SIL表示土壤中粉粒含量（单位：%）；CLA表示为土壤中粘粒含量（单位：%）；C为有机碳的含量（单位：%）；其中SN1=1-SAN/100。

（3）坡度坡长因子（LS）

坡度因子S的计算采用Desmet［19］等提出的公式：

坡长因子L的计算采用Mccool［20］等提出的公式：

式中：θ为利用DEM提取的坡度，单位为°；λ为坡长，单位为m；m为坡长指数。

（4）植被覆盖与管理因子（C）

本研究采用蔡崇法［21］等提出的C值模型，C值在0到1之间，C值越大，代表植被覆盖越低，土壤侵蚀越严重。公式为：

式中：c为植被覆盖度，NDVI为归一化植被指数，NDVImax和NDVImin代表研究区植被归一化指数最大值和最小值。

（5）水土保持措施因子（P）

水土保持措施因子P表示了采用特定措施后土壤流失量与标准小区土壤流失量之间的比值，其大小决定了水土保持措施采取的强弱，通常在0到1之间［22］，1代表未采取任何水土保持措施的土地利用区域，包括坡耕地、裸地，建筑用地，0代表不会发生土壤侵蚀的土地利用区域，如水域。通过参考张富等［23］对黄土高原丘陵沟壑区第5副区典型小流域的调查研究，结合前人P值的确定方法，对会师流域梯田、灌木林地值取为0.01、林地为0.17、草地为0.3、水浇地为0.35。

1.2.3土壤侵蚀敏感性评价标准（1）土壤侵蚀敏感性评价依据

依据国家环保总局发布的《生态功能区划技术暂行规程》土壤侵蚀敏感性的分级标准，结合研究区实际情况，采用自然间断法对各土壤侵蚀因子的敏感性进行分级赋值，见表1。

表1 土壤侵蚀敏感性评价指标及分级赋值Table 1 Evaluation index of soil erosion sensitivity and classification assignment

（2）土壤侵蚀敏感性综合评价方法

将以上各因子进行空间叠加，利用土壤侵蚀敏感性综合指数公式进行评价，可综合反映土壤侵蚀敏感性发生的规律，其公式为［24］：

式中：SSj指的是i空间单元土壤侵蚀敏感性指数，Ci指i因素敏感性所占等级值。

土壤侵蚀潜在危险指数（SEPDI）可对水土流失潜在危险性大小进行评价，其计算公式为［25］：

式中：M1为不敏感区面积；M2为轻度敏感区面积；M3为中度敏感区面积；M4为重度敏感区面积；M5为极度敏感区面积。SEPDI值在1到9之间，值越大表明该区域或地类水土流失潜在危险度越大。

2 结果与分析

数据在ArcGIS中通过栅格计算器，采用普通克里金插值法计算出的降水侵蚀力进行空间插值，得到研究区降雨侵蚀力大小在1 464.41～2 011.88 MJ·mm/（hm2·h·a）；土 壤 可 蚀 性 在0.224 6～0.303 7 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；坡度坡长值在0～18.44；植被覆盖与管理因子大小在0～1之间。

2.1 土壤侵蚀现状

参考SL190-2007《土壤侵蚀分类分级标准》中的“水力侵蚀强度分级标准”，得到祖历河上游会师流域土壤侵蚀现状表（表2）和空间分布图（图2）。祖历河上游会师流域土壤侵蚀模数为37.37 t/（km2·a），各侵蚀强度的面积从大到小依次为微度＞轻度＞中度＞强烈＞极强烈＞剧烈，年均侵蚀模数分别为184.1、1 025.29、3 414.45、6 281.63、10 331.70和39 540.50 t/（km2·a）。年 均 土 壤 侵 蚀 量 分 别 为16.54、7.29、2.93、2.11、1.86和3.08万t/a。祖历河上游流域土壤侵蚀强度等级为强烈及以上主要为海拔高、坡度陡，植被覆盖度较低的区域，极易发生水土流失。可以得出，研究区土壤侵蚀强度增加，侵蚀模数变大，但面积降低，其年均土壤侵蚀量也降低。

图2 土壤侵蚀强度空间分布Fig.2 Spatial distribution map of soil erosion intensity

表2 会师流域土壤侵蚀现状Table 2 Current status of soil erosion in Huishi watershed

2.2 土壤侵蚀敏感性评价

2.2.1单因子土壤侵蚀敏感性评价依据土壤侵蚀敏感性评价指标，得到会师流域单因子土壤侵蚀敏感性状况（表3）。其中，R对土壤侵蚀的敏感性主要为极敏感，面积211.72 km2，占比为21.52%；K对土壤侵蚀的敏感性以轻度和中度敏感为主，面积为796.14 km2，占比为80.91%；LS主要为不敏感，面积892.05 km2，占比90.67%；C主要为高度敏感，面积350.14 km2，占比35.59%；P以中度敏感为主，面积为797.05 km2，占比81.01%。影响土壤侵蚀敏感性的主要为R和P因子，说明降水的大小和水土保持措施的布设情况对土壤侵蚀敏感性起着主导作用。

表3 单因子土壤侵蚀敏感性评价结果表Table 3 Results of single-factor soil erosion sensitivity evaluation

2.2.2土壤侵蚀敏感性综合评价在ArcGIS软件中采取自然间断法进一步对祖历河上游会师流域的土壤侵蚀敏感性等级进行划分，得到不敏感、低度、中度、高度和极敏感5个敏感等级（图3），分别占总面积的27.61%、49.00%、20.75%、2.23%、0.42%，以低度敏感为主（表4）。分析可知，土壤侵蚀敏感性空间分布总体呈南部高，北部低的趋势。敏感性较高地区主要分布在地形沟壑密度较大、坡度较陡、降雨侵蚀力较高的区域，空间分布明显，多为未采取合理水土保持措施的草地、林地和耕地，受人为扰动面积大，发生土壤侵蚀潜在可能性高，需做好水土流失发生发展预防工作。

表4 土壤侵蚀敏感性综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of soil erosion sensitivity

图3 土壤侵蚀敏感性空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil erosion sensitivity

土壤侵蚀潜在危险指数（SEPDI）的值为2.05，为低度敏感，与祖历河上游会师流域土壤侵蚀敏感性统计结果一致。

2.2.3不同坡度影响下土壤侵蚀与敏感性分析坡度是影响土壤侵蚀的主要地形因素，将坡度分为0°～5°、0°～5°、0°～5°、0°～5°、＞35°5个等级，面积分别为106.34、461.60、338.83、71.28和8.50 km2。研究区不同坡度范围内都以微度侵蚀为主，在小于5°区域，轻度及以上侵蚀面积相对较高，比例较大，5°以上范围内轻度及以上侵蚀比例随坡度增大而逐渐增大（图4）。研究区在不同坡度范围内土壤侵蚀敏感性都以微度和轻度为主，且随着坡度上升，不敏感区比例降低，中度及以上敏感区总面积比例升高（图5）。整体上土壤侵蚀和其敏感性状况都随坡度的增加而出现加剧的现象。

图4 不同坡度土壤侵蚀强度Fig.4 Soil erosion intensity map of different slopes

图5 不同坡度土壤侵蚀敏感性Fig.5 Soil erosion sensitivity map of different slopes

2.2.4不同土地利用影响下土壤侵蚀强度与敏感性分析研究区主要土地利用类型为耕地、草地、林地、建筑用地、水域及水利设施用地、交通运输用地和其他用地，面积分别为616.11、162.94、118.11、27.33、6.79、19.85和6.43 km2。不同土地利用类型土壤侵蚀都以微度侵蚀为主，侵蚀程度较高的为草地、建筑用地和其他用地，轻度及以上侵蚀面积占比分别为12.15%、13.74%和13.86（图6）。不同土地利用下土壤侵蚀敏感性都以低度敏感为主，敏感性较高的地区集中在耕地、草地、建设用地和其他用地上（图7）。

图6 不同土地利用类型土壤侵蚀强度Fig.6 Soil erosion intensity of different land uses

图7 不同土地利用土壤侵蚀敏感性Fig.7 Soil erosion sensitivity of different land uses

2.2.5土壤侵蚀与敏感性关系分析土壤侵蚀敏感性对未来土壤侵蚀发生发展方向有一定影响，微度侵蚀随着敏感性增强，面积比例呈降低趋势，但在极敏感处有升高；轻度侵蚀随敏感性增强呈下降趋势；中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀随敏感性增强总体呈现先降低，后升高趋势，在中度敏感处发生转折（表5）。总体来说，在敏感性较高的区域，土壤侵蚀强度有所升高，土壤侵蚀敏感性与土壤侵蚀有着一定的相互促进关系。

表5 会师流域土壤侵蚀状况与土壤侵蚀敏感性情况Table 5 Soil erosion status and soil erosion sensitivity in Huishi watershed

极度敏感区面积较小，土地利用类型主要为一些未利用的土地和裸地以及一些施工场地，分布较零散，人类活动频繁，采取水土保持措施少，土壤侵蚀的防护能力差，可制定合理的水土保持措施，控制工程施工，对土壤侵蚀敏感性高的地区进行治理。高度和中度敏感区主要土地利用类型为耕地、林地、草地和未采取合理水土保持措施的建设用地，水土保持措施以梯田为主，应以预防为主，加强区域水土保持监测，完善各项水土保持措施，采取相应的坡改梯、老旧梯田改造等工程，加强封禁治理、营造水土保持林等，提高植被覆盖，控制水土流失发生发展。低度敏感区土壤侵蚀发生潜力较小，应加强生态建设，完善水土保持工程体系。不敏感区域则主要以预防为主。

3 讨论

会师流域为祖厉河上游侵蚀监测的重要区域，本研究在RUSLE模型计算土壤侵蚀的基础上，进一步开展了土壤侵蚀敏感性的评价，结合了人类活动的影响，分析研究区侵蚀现状及其发生发展的潜在可能性，能对土壤侵蚀发生发展方向进行预测，可更加精准开展土壤侵蚀预防治理。

祖历河上游会师流域在5°以上区域随坡度的增加出现侵蚀强度加剧、侵蚀敏感性增强的现象，这与前人的研究具有一致性［26-27］，但在0°～5°土壤侵蚀轻度及以上，侵蚀敏感性低度及以上面积占比都相对较高，主要为祖历河上游会师流域地处黄土丘陵沟壑区，5°以下区域分布相对较少，地形平坦，存在未采取有效水土保持措施的旱平地和建设用地，植被覆盖度低，受人类活动的影响大［28］，易发生水土流失。在不同的土地利用下草地、建设用地和其它用地的土壤侵蚀强度和侵蚀敏感性都相对较高，由于这些区域多为未能有效治理的坡耕地、裸露的荒地、水流汇集地和建设用地等，土壤质地松软，植被覆盖程度较低，保土保肥能力较差，在降水的驱动下易冲刷引起土壤侵蚀，发生土壤侵蚀的潜在可能性大，未来需进一步做好增加植被覆盖面积工作，优化水土保持措施，减少水土流失。

土壤侵蚀是多项因子共同作用的结果［17］，研究土壤侵蚀敏感性时基于较为成熟的RUSLE模型，但对不同影响因子敏感性的分级赋值受一定主观因素的影响，在不同地区，气候、地貌、植被和土壤等自然因素的差异对土壤侵蚀敏感性的影响不同，其赋值依据研究区实际情况而定，本研究参考了大量前人的分级赋值方法，结合研究区的特点，对影响土壤侵蚀敏感性的因子进行分级，使结果更具有一定的准确性。此外，在计算影响土壤侵蚀的各因子时，由于获取因子数据的精度不同，可采取的计算公式各有差异，对所得的结果造成一定的误差，在今后可更加深入研究，建立更加适宜于研究区土壤侵蚀的计算模型。

4 结论

本研究采用RUSLE模型，结合ArcGIS技术，定量与定性地分析了祖厉河上游流域土壤侵蚀及其敏感性状况，研究表明：

（1）祖历河上游会师流域土壤侵蚀主要以微度和轻度侵蚀为主，占研究区总面积的92.49%。侵蚀量占比最大的为轻度侵蚀，占总侵蚀量的31.44%。土壤侵蚀敏感性主要为低度敏感，面积为482.14 km2，占研究区总面积的49.00%，总体敏感性较低，发生土壤侵蚀的潜在可能性较小。

（2）在坡度分布上，5°以上祖历河上游会师流域土壤侵蚀及其敏感性较高，且随着坡度增大，土壤侵蚀加剧，在坡度25°以上区域应加大土壤侵蚀的预防和治理；在不同土地利用下，坡耕地、裸地及一些未利用地的土壤侵蚀和敏感性程度较高。

（3）祖历河上游会师流域土壤侵蚀敏感性较高的地区，土壤侵蚀强度相对较大，可对敏感性较高地区重点监测，布设合理措施，提前做好土壤侵蚀预防，减少土壤侵蚀恶化。