基于RUSLE模型的河南省登封市土壤侵蚀定量评估研究

张郝哲,许圣强,彭 妮,宋鹏飞,赵 博,芦 普

(河南省地质局 矿产资源勘查中心,河南 郑州 450006)

土壤侵蚀是土地资源退化的主要特征,社会高速发展过程中的人类开发行为进一步加剧了土壤侵蚀。当前,土壤侵蚀已成为影响生态文明建设、制约产业发展的重要因素。对土壤侵蚀发生发展规律的认识,是科学治理水土流失的基础,开展土壤侵蚀研究可以为水土流失综合治理、智慧水土保持建设,以及健全水土保持政策体制机制提供一定的理论依据。构建土壤侵蚀模型的方法众多,总体分为基于统计的模型和基于物理成因的模型两大类。统计模型主要从构建的因子入手,在长期监测数据的基础上,通过统计分析,揭示侵蚀量与降雨量、土壤质地、地形等因子的关系。在诸多统计模型中,RUSLE模型应用较广泛,该模型可系统研究土壤侵蚀强度与土地利用类型、坡度、植被覆盖三者之间的关系。前人使用“3S”技术和RUSLE模型做了许多土壤侵蚀方面的研究,有的以流域为单元对不同时期土壤侵蚀特征进行研究[1-3],有的对山区的土壤侵蚀特征进行研究[4-5],有的对省、市、县不同行政单元尺度下土壤侵蚀特征进行研究[6-8],有的对人为因素影响下的土壤侵蚀情况进行研究[9-10]。前人的研究多关注于流域等大尺度区域,缺少对局部小区域的精细化研究。

本研究通过采用较长时限、高精度的数据,分析登封市坡度、土地利用类型、植被覆盖等土壤侵蚀因子,揭示登封市土壤侵蚀特征,为行业主管部门和有关单位水土保持决策与规划、流域综合治理等提供依据,同时为豫西伏牛山区和豫东平原区开展水土保持研究提供参考。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

登封市位于河南省中西部,地理坐标为北纬34°15′～34°35′、东经112°49′～113°19′,地处伏牛山区向豫东平原区过渡地带,地势南北高、中间低,北部嵩山和南部箕山山脉呈东西向展布,登封市高程及气象站点分布情况见图1。区内地层类型齐全,除志留、泥盆及侏罗系,自太古界至新生界地层均有出露,呈现“五代同堂”。根据地貌形态特征、成因类型,登封市分为侵蚀剥蚀中低山、构造剥蚀丘陵及冲洪积平原和河谷三种地貌类型。其中,中山区面积占6.43%,低山区面积占40.27%,丘陵区面积占40.39%,冲洪积平原及河谷区面积占12.91%。土壤类型以壤土和黏土为主。据登封市国家站降雨观测资料,1992—2021年,年平均降水量为597.3 mm,最大降水量为1 228.4 mm(2021年),最小降水量为343.3 mm(1997年)。特殊的地质构造背景和自然地理环境,加上区内第四系松散层覆盖较厚,降雨相对集中,人类活动强烈,综合作用下容易引起土壤侵蚀。

图1 登封市高程及气象站点分布

1.2 数据来源

针对RUSLE模型的5个因子,本研究选用的主要数据种类和来源见表1。各数据通过矢量转栅格、栅格重采样和重分类形成统一的12.5 m空间分辨率数据,坐标系统为CGCS2000。

表1 本研究数据及其来源信息

1.3 研究方法

本次研究基于RUSLE模型开展。该模型各因子含义规范明确,计算过程简明。计算公式为

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A为土壤侵蚀模数,单位t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子,单位MJ·mm/(hm2·h·a);K为土壤可蚀性因子,单位t·h/(MJ·mm);LS为坡长、坡度因子,无量纲;C为植被覆盖与管理因子,无量纲,取值范围0～1;P为水土保持措施因子,无量纲,取值范围0～1。

1.3.1 降雨侵蚀力因子(R)

降雨是引起土壤侵蚀的主要驱动力,降雨侵蚀力是降雨引起土壤流失的潜在能力[11],降雨侵蚀力因子是RUSLE方程最重要的基础因子。目前我国多采用年降雨量或月降雨量对R因子值进行估算。本研究基于多年平均降雨侵蚀力计算公式[12]进行计算,该方法在淮河流域伏牛山区土壤侵蚀研究中应用较多且效果较好。公式为

(2)

式中:pi为第i月多年降雨量均值,单位mm。

根据长期的降雨观测数据,采用式(2)计算登封市30个气象站点的降雨侵蚀力,经克里金法插值计算,得出降雨侵蚀力因子空间分布情况,见图2。

1.3.2 土壤可蚀性因子(K)

土壤可蚀性是评价土壤遭受降雨侵蚀难易程度的重要指标,土壤侵蚀程度受不同土壤质地影响。土壤K值反映了土壤抵抗水蚀能力和不同土壤的侵蚀率。土壤K值越大,土壤抵抗水蚀能力越弱,越易受侵蚀;反之亦然[13]。本研究中K值采用Sharpley建立的侵蚀力/生产力影响模型(EPIC)[14],取值根据已公布的试验成果[15-16]并结合2014年登封市1∶5万地质灾害详查项目、2021年登封市1∶5万地质灾害调查评价项目勘查数据及最新耕地资源质量分类数据综合确定。登封市土壤可蚀性因子空间分布情况见图3。

图3 土壤可蚀性因子(K)空间分布

1.3.3 坡长和坡度因子(LS)

坡长和坡度是基本的地形因素,其中坡长是指坡面上从产生地表径流的起点至径流汇集到沟谷位置的距离[17],值越大代表汇流量越大,侵蚀力就越强;坡度指地表某点的倾斜程度,坡度通过影响水流的速度进而影响渗透率、径流量及对土壤的冲刷量,是水土流失评价中微观尺度的最佳指标[18]。L、S因子能较好地反映地形对降雨侵蚀的影响作用。本研究利用DEM数据提取L、S。

L值的表达式[19]为

L=(λ/22.13)m

(3)

式中:λ为水平投影坡长,单位m;m为坡长指数,根据坡度θ取值,θ为根据DEM计算的坡度值,当θ≤1°时m=0.2,当1°<θ≤3°时m=0.3,当3°<θ≤5°时m=0.4,当θ>5°时m=0.5。

S值的计算根据坡度情况分段计算,10°以下采用MCCOOL et al.[20]建立的公式计算,10°以上采用陡坡情况下S因子的计算公式[21],公式为

(4)

式中:S为坡度因子;θ为坡度,单位(°)。

研究区坡长坡度因子空间分布情况见图4。

图4 坡长坡度因子(LS)空间分布

1.3.4 植被覆盖管理因子(C)

植被覆盖管理因子(C)是影响土壤侵蚀强度的重要因素,其值是既定植被覆盖管理下土壤侵蚀与裸地土壤侵蚀之比,取值范围0～1。该因子主要表现为对土壤侵蚀的抑制,其值越小表明抗蚀能力越高,土壤侵蚀越轻微[22]。获取C值最常用的方法是基于归一化植被指数(NDVI)的计算。本研究采用的C值计算公式[23]为

F=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(5)

(6)

式中:F为植被或作物覆盖度,单位%;NDVI为像元的归一化植被指数数值;NDVImin为裸土像元NDVI值;NDVImax为纯植被覆盖像元NDVI值。

研究区植被覆盖管理因子空间分布情况见图5。

图5 植被覆盖管理因子(C)空间分布

1.3.5 水土保持措施因子(P)

水土保持措施能降低土壤侵蚀强度,P值是指采用特殊侵蚀控制措施后的土壤侵蚀量与采用顺坡种植土壤侵蚀量的比值[24]。取值范围为0～1,0代表根本不会发生土壤侵蚀的区域,1代表无水保措施的区域。以往研究表明,水土保持措施因子与土地利用类型相关性较为显著,可通过对土地利用类型赋值得到研究区的水土保持措施因子[25]。本研究充分利用国土三调数据,避免了从遥感影像解译土地利用类型带来的不确定性。为便于研究,对国土三调数据中的一级地类适当归并,参照我国水土保持措施P值表[26-27],草地、林地及未利用地取值为1,水体、建筑用地及裸岩取值为0,各地类P值见表2。研究区水土保持措施因子空间分布情况见图6。

表2 各地类水土保持措施因子(P)值

图6 水土保持措施因子(P)空间分布

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀空间分布特征

本研究运用ArcGIS的Spatial Analyst功能,进行矢量转栅格、重分类、栅格计算等步骤,对各成果的栅格值进行统计分析。按照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 196—2007),土壤侵蚀强度分6类:微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈。

经计算,登封市降雨侵蚀力因子取值范围在147～192 MJ·mm/(hm2·h·a)之间,各侵蚀强度面积情况见表3。由表3可知,登封市总体土壤侵蚀强度较小,微度、轻度侵蚀区的面积合计为1 175.82 km2,占96.61%;中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀区面积合计为41.26 km2,占3.39%,其中又以中度侵蚀为主。由图7可知,微度、轻度侵蚀区主要分布于以登封盆地为主的中部侵蚀剥蚀低山丘陵区;中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀区主要分布于以北部嵩山和南部箕山为主的侵蚀剥蚀中山区。

表3 登封市土壤侵蚀情况统计

2.2 土壤侵蚀影响因子

2.2.1 土壤侵蚀与坡度关系

将土壤侵蚀强度图层和坡度图层叠加分析,各坡度区间不同侵蚀强度面积占比见表4。微度侵蚀的87.5%位于15°以下区域;轻度侵蚀的83.7%位于>5°～25°区域,峰值区间为>5°～10°,占比27.6%;中度侵蚀的83.9%位于>10°～40°区域,峰值区间>15°～20°,占比为18.3%;强烈侵蚀的83.1%位于20°以上区域,峰值区间(>40°)占比30.4%;极强烈侵蚀的82.7%位于30°以上区域,峰值区间(>40°)占比52.8%;剧烈侵蚀的80.6%位于35°以上区域,峰值区间(>40°)占比64.0%。随着坡度的增加,微度侵蚀面积呈减少趋势,轻度、中度侵蚀面积呈先增加后减少趋势,强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积呈增加趋势。

表4 各坡度区间不同侵蚀强度面积占比

2.2.2 土壤侵蚀与土地利用类型的关系

各侵蚀强度在不同地类中的占比见表5。通过对比分析,其他土地与其余地类侵蚀特征有所不同,其他土地以中度及以上侵蚀为主,占该地类面积的60.2%;其余地类以轻度及以下侵蚀为主,其中,草地的轻度及以下侵蚀面积占该地类面积的88.7%,剩余各地类的轻度及以下侵蚀面积占相应地类面积的比例均在95%以上。其他土地包括空闲地、裸土地、裸岩石砾地3个二级地类,开发利用程度低、水土保持措施欠缺、植被覆盖少致使该地类土壤侵蚀明显。

表5 各侵蚀强度在不同地类中的占比

2.2.3 土壤侵蚀与植被覆盖管理因子(P)的关系

表6为各侵蚀强度在不同植被覆盖管理因子条件下面积占比。由表6可知,P因子值在0.7以上的全部为微度侵蚀;各侵蚀强度中面积占比排前两位的区间均在>0.4～0.6范围内,排第三位的区间均为>0.3～0.4,微度侵蚀的63.2%、轻度侵蚀的85.9%、中度侵蚀的82.4%、强烈侵蚀的76.5%、极强烈侵蚀的71.4%、剧烈侵蚀的62.1%均在>0.3～0.6范围内,不同土壤侵蚀强度在植被覆盖管理因子分级中表现较为一致,对土壤侵蚀的区别有限。

表6 各侵蚀强度在不同植被覆盖管理因子条件下面积占比

2.3 乡镇土壤侵蚀情况

登封市总体土壤侵蚀程度较低,通过分析各乡镇中不同侵蚀强度面积占比,各乡镇微度和轻度侵蚀面积占比均在92%以上。此外,中度侵蚀区面积较大的前5个乡镇(街道)依次为唐庄镇、徐庄镇、白坪乡、嵩阳街道、少林街道;强烈、极强烈、剧烈侵蚀区面积之和较大的前5个乡镇(街道)依次为嵩阳街道、少林街道、石道乡、唐庄镇、大金店镇。嵩阳街道、少林街道主要因为嵩山区域基岩出露影响了侵蚀计算的结果,唐庄镇则因位于登封市东北部,受郑州辐射影响最强烈,并且有3条高速、1条省道交汇,开发强度较大,从而导致土壤侵蚀强度相对较高。

3 结论和讨论

3.1 结论

本研究利用登封市30个气象站1992—2020年逐月降雨数据,估算了多年平均降雨侵蚀力,并插值生成空间分布图。应用ArcGIS软件完成RUSLE模型计算,研究了登封市土壤侵蚀的分布特征,分析了坡度、土地利用类型、植被覆盖管理因子等与土壤侵蚀强度及面积的关系,以及各乡镇的土壤侵蚀状况,得出以下结论:

1)采用降雨量数据计算得到降雨侵蚀力因子R值的数值,登封市降雨侵蚀力因子R值的范围在147～192 MJ·mm/(hm2·h·a)之间。

2)登封市总体土壤侵蚀强度不高,微度侵蚀占73.91%,轻度侵蚀占22.70%,中度侵蚀占2.60%,强烈侵蚀占0.47%,极强烈侵蚀占0.26%,剧烈侵蚀占0.06%。其中,微度和轻度侵蚀模数分别为475、1 601 t/(km2·a)。

3)微度侵蚀区集中在坡度15°以下区域,轻度侵蚀区主要集中在>5～10°的区域,中度侵蚀区集中在坡度>10°～40°的区域,强烈、极强烈及剧烈侵蚀区主要集中在坡度40°以上的区域;土地利用类型中的其他土地侵蚀程度较高,中度及以上侵蚀区占60.2%;植被覆盖管理因子方面,各侵蚀强度均集中在>0.3～0.6的区间,其中中度及以上侵蚀在>0.5～0.6内占比最高。

4)嵩阳街道、少林街道受基础地质条件影响,唐庄镇受开发活动影响,中度及以上侵蚀面积占比高;此外,徐庄镇、白坪乡、石道乡及大金店镇中度及以上侵蚀面积占比也较高。

3.2 讨论

以往对登封市及周边土壤侵蚀研究较少,根据杜丽平[5]研究:登封市淮河流域部分(占全市总面积的89%)2006年微度、轻度、中度、强烈侵蚀区分别占登封市淮河流域部分面积的63.1%、31.7%、5.1%、0.1%。本次研究登封全市2021年微度、轻度、中度、强烈侵蚀区分别占全市面积的73.91%、22.70%、2.60%、0.47%。2006—2021年,登封市总体土壤侵蚀程度呈降低趋势。

作为土壤侵蚀计算的经典模型,RUSLE模型仍有需要改进和完善的地方:①基于NDVI的植被覆盖管理因子对侵蚀强度的区分不明显;②降雨侵蚀力的值并不能直接用来判定该地区水土流失潜力大小,还需综合下垫面和人类活动等因素[28]。

登封市在开展水土保持和生态修复工作时要注重以下几点:①加强对坡度35°以上的丘陵、中山区复绿;②对空闲地、裸土地、裸岩石砾地中可开发或可复绿的区域要加大工作力度;③督导唐庄镇、徐庄镇、白坪乡、石道乡、大金店镇等乡镇在经济发展的同时更加注重水土保持工作,加大水土保持和生态修复项目投放。