基于3S和USLE的沱江流域中游土壤侵蚀定量评价

李 婷，张世熔，廖明辉，唐丽梅

（1.四川农业大学 资源环境学院，四川 雅安 625014；2.四川省地震局测绘工程院，四川 雅安 625000）

土壤侵蚀是土地退化的根本原因，也是导致生态环境恶化的重要因素［1－2］。土壤侵蚀可导致土壤和养分的流失、土层变薄、土地贫瘠、宜耕地减少；流失土壤的堆积，可使河道水库淤塞，加剧洪涝灾害的威胁，其携带的氮、磷营养物质还可加剧水体的富营养化；长期的水土流失还会使裸岩荒山不断增多，引发石漠化问题。我国对土壤侵蚀强度的评价研究多集中在西北黄土高原［3］、东北黑土区［4－6］、云贵高原［7－10］和南方红壤区［11］。而对人口密集、土地利用强度高的紫色土丘陵区的土壤侵蚀研究相对比较薄弱［12］。

沱江流域中游位于四川盆地中部紫色土丘陵区，区内雨量丰沛，人口密集，土地开发利用强度高，是我国主要的农业生产基地之一，但由于区内生态环境脆弱、垦殖率高、坡耕地多等特点，水土流失较严重，使得该区的生态环境日益恶化，土地退化、水土流失等现象日益突出。因此，本文针对沱江流域中游的土壤侵蚀问题，运用3S技术结合通用水土流失方程（USLE），对其土壤侵蚀进行定量评价，分析土壤侵蚀现状及其空间分布特征，以期为区域可持续发展、合理利用水土资源、发展可持续农业、开展水土保持等政府宏观决策行为提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于沱江中游，地理位置介于东经104°44′48.10″－104°46′34.20″，北纬30°30′23.08″－30°31′28.76″，面积为 1164 .98km2，海拔 385.7～1010 .7m。区内地形中间高四周低，以丘陵地貌为主。区内气候温暖湿润，属典型亚热带季风气候。全年光热资源充足，日照时数为1298 .2h，年积温6220 ℃，年均温16.6℃，年均降雨量874.7mm，降雨集中在6－8月，无霜期285d。由于该区跨盆中和盆西两大褶皱带，地貌类型多样，山、丘、坝皆有，呈典型的三分性，西北部属于平坝浅丘区，东南部属于丘陵区，中西部则系龙泉山脉低山地带。土壤类型以水稻土、紫色土、冲积土为主。土地利用方式除未利用地、建设用地之外，以耕地、林地和园地为主。植被类型以常绿针叶林为主，柏树分布较多。研究区内流域面积大于50km2的河流有13条，均属沱江水系。

2 材料和方法

2.1 数据来源

本研究采用的数据主要包括2006年的Landsat／TM影像（空间分辨率30m）。采用遥感图像与野外GPS相结合的交互检验方法，选取17个均匀分布的野外样点作为地面控制点，在遥感图像处理软件ERDAS 8.6平台支持下，最终将误差精度减小为RMS＜0.05，同时将投影方式由地理经纬度转换成UTM投影下的WGS84坐标系。在专家参与下，根据影像光谱特征，结合野外实测资料，同时参照有关地理图件，对地物的几何形状，颜色特征、纹理特征和空间分布情况进行分析，建立统一的判读标志，在ERDAS 8.6软件环境下进行人机交互判读解译。最终形成2006年的土地利用图。提取的土地利用信息，参考国内外全球变化（包括LUCC）研究中土地利用分类体系，结合研究目的，数据源的特点和研究区状况，将研究区分为水田、旱地、有林地、荒草地、水体、裸地、农村居民点、果园和建设用地等9类。

DEM数据采用1∶1万地形图生成，在此基础上，进一步生成坡度、坡长等要素图件。

降雨数据使用自1989－2006年金堂县的逐月降水数据。

土壤样点的设计是根据研究区的实际情况并充分考虑其代表性，采用随机采样和重点抽样相结合的方法，既遵照按成土母质、土壤类型、土地利用方式等资料布设样点的原则，又满足统计学的抽样要求。野外采样时取0－20cm的表层土壤，每一采样点周围取3个点，混合土样，四分法取样。采样的同时，利用GPS获取土壤样点的地理坐标，于2007年8－10月在区域内水稻和玉米收获后共采集土样317个。土壤有机质含量采用重铬酸钾法进行测定，土壤机械组成采用吸管法测定。

2.2 模型选择

目前用来评估土壤侵蚀量的模型有很多，其中最早建立且较为成熟的侵蚀预报模型是美国 W.H.Wischmeier等1965年提出的通用土壤流失方程USLE（Universal Soil Loss Equation）［13］，我国自20世纪80年代以来，开始引进通用土壤流失方程，根据实地观测参数，对通用土壤流失方程进行修订，其核心内容是6个因子的计算。

式中:A——侵蚀模数［（t／（km2·a）］；R——降雨和径流因子［MJ·mm／（km2·h·a）］:K——土壤可蚀性因子［（t·h／（MJ·mm））；LS——坡长坡度因子，无量纲；C——植被与经营管理因子，无量纲；P——水土保持因子，无量纲。

3 结果与分析

3.1 降雨径流因子的估算

降雨侵蚀因子R值与降雨量、降雨强度、历时、雨滴的大小以及雨滴下降的速度有关，它反映了降雨对土壤的潜在侵蚀能力。降雨侵蚀力难以直接测定，大多用降雨参数，如雨强、雨量等来估算降雨侵蚀力。Wischmeier提出的EI模式方法由于需要详细的降雨时序的雨量和雨强资料难以得到满足，因而未能广泛采用［14］；Arnoldus提出了一种简便的R值计算方法，采用研究区的月降水和年降水资料来修订Fournier指数（MFI），然后利用一个普遍使用的R因子方程来计算R值［15］。该公式同时考虑了年降水量和降水的分布，数据较为容易获得。其公式为

式中:i——月份；ji——降水量（mm）；J——年降水量（mm）。R与该指数的关系为

依据金堂县1989－2006年的各月降雨资料，计算得出年降雨侵蚀因子R值的平均值为3861 （MJ·mm）／（km2·h·a）。

3.2 土壤可侵蚀因子的估算

K值反映了在其它影响因子不变时，不同类型土壤所具有的不同侵蚀速度。土壤的物理特性，如土壤质地、结构的大小及稳定性、黏粒类型、土壤的渗透性、有机质含量和土壤厚度等影响着土壤的侵蚀速度。本文采用Williams等在EPIC模型提出的计算方法［16］，根据土壤有机质含量和土壤机械组成资料估算土壤可蚀性因子K，其计算公式如下:

式中:Sd——沙粒含量（%）；Si——粉粒含量（%）；Ci——黏粒含量（%）；C——有机质含量（%），公式结果需乘以常量224.2转化英制单位为公制单位。

将野外测量的采样点数据采用上述公式计算各个采样点的侵蚀性因子K，采用克里格插值法得到流域的K因子栅格图（图1）。

3.3 坡度坡长因子的确定

运用ArcInfo建立沱江流域的数字高程模型，然后运用3D分析工具将地形图转化为TIN数据结构，再生成Grid格式的DEM数据。然后根据Gregory等（1973）建立的以下方程，获得了地形因子LS（LS为L及S的综合）的值［17］。其公式如下:

图1 研究区K因子图

式中:λ——坡长（m）；θ——倾斜角；S——百分比坡度，得到区域LS因子图（图2）。

3.4 植被与经营管理因子的确定

C因子反映的是所有覆盖和管理变量对土壤侵蚀的综合作用，其值大小取决于具体的作物覆盖、轮作顺序及管理措施的综合作用等。C因子作为度量土壤侵蚀量的一个重要参数，其值变化于0～1之间。基本没有土壤侵蚀危险的地区被赋予0；1值被赋予给那些很容易受到侵蚀的地区［18］。本研究利用ERDAS 8.6对遥感影像图进行非监督分类，再根据解译出来的土地利用类型和植被覆盖度，参照其他类似的研究成果［19－21］，对研究区不同土地利用对应的C值进行赋值（表1）。

图2 研究区LS因子图

表1 沱江流域不同土地利用类型的CP因子赋值

3.5 水土保持因子P值的确定

水土保持因子P是表示采用专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值，一般无任何水土保持措施的土地类型P值为1，其他情况P值在0～1之间，参照有关研究结果［19－21］，本文根据解译出来的土地利用类型对P值进行赋值（表1）。将CP值添加到土地利用类型属性表，转换图层，得到区域CP因子图（图3）。

利用ArcGIS 9.2的空间分析模块，执行图形叠加运算功能，预测土壤侵蚀量，得到各个网格单元的侵蚀模数A，并生成土壤侵蚀量图层。在栅格土壤流失量图的基础上，根据水利部颁发的土壤侵蚀强度等级划分标准，对栅格土壤流失量进行分类，将侵蚀量在同一侵蚀等级的栅格进行合并，得到沱江流域中游土壤侵蚀强度分级表（表2）和流域土壤侵蚀强度图（图4）。

对像元土壤侵蚀强度图进行统计结果表明:沱江流域中游雨量充沛，良好的植被覆盖使得该地区年均土壤侵蚀模数为1543 t／（km2·a），侵蚀强度为轻度，但仍大于水利部颁发的西南土石山区土壤允许流失量500t／（km2·a）。区域内中度侵蚀以上主要分布在坡度较大的区域，特别是坡度大于25°的坡度带，如图4中的中西部地带，该区属于龙泉山脉低山地带，也是侵蚀最为强烈的区域。不同的土地利用类型土壤侵蚀量的差异也较大，沱江流域中游土地利用除未利用地、建设用地之外，以耕地、林地和园地为主。区域中旱地，建设用地侵蚀较强，中度侵蚀主要分布在荒草地和疏林地，而轻度侵蚀主要分布在坡度较缓的林地。

图3 研究区CP因子图

表2 土壤侵蚀强度分级统计表

图4 研究区土壤侵蚀等级图

4 结论

（1）沱江流域中游平均侵蚀强度表现为轻度，研究区西北部虽为平坝浅丘区，但在流域附近由于居民点、各种建筑设施集中，人为影响较大，所以侵蚀较严重。中西部低山地带因为地形复杂，侵蚀强度也较东南丘陵区强。

（2）土壤侵蚀与地形、土地利用类型相关性大，区域内中西部地区属于龙泉山脉低山地带，其坡耕地侵蚀严重。因此，坡度大于25°的坡度带，以及旱地区域是该区土壤侵蚀防治的重点地区，采取造林种草、封山育林、坡改梯田、等高耕作以及设置前置库等措施调节地表径流、提高土壤持水能力、在坡耕地上开挖截流沟、拦截坡面径流等一系列有利措施，使高等级的土壤侵蚀降低，低等级的土壤侵蚀转变为无侵蚀，使生态系统朝良性方向循环。

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