沂蒙山区费县祊河流域土壤侵蚀初步研究

董 群，徐玉新，蒋高明，程珊珊，唐海龙，张 琦

(1.山东农业大学资源与环境学院，山东泰安271018;2.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京100093)

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外营力和人类活动作用下被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程［1］，它影响和改变着地表形态和地貌发育，是全球最严重的生态环境问题之一，也是国内外土地整治的主要目标和任务［2］。我国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一，根据水利部第二次遥感普查结果，全国水土流失面积达367万km2，占国土总面积的38.2%。水土流失已经成为我国重要的环境问题，科学预测土壤流失是当前我国水土保持界的一个重要课题［3］。

山东省水土流失面积44300 km2，占全省山地、丘陵面积的79.3%，以沂蒙山区流失最为严重［4］。20世纪80年代，山东大学周光裕教授等从沂蒙山区的水土流失成因、水质污染的来源等方面，研究了沂蒙山区土壤侵蚀的危害和防治对策，其后近30年未见有新的研究进展，而对于在GIS、RS技术支持下的土壤侵蚀定量估测则更少涉及［5］。鉴于此，为了更直观、更明白地弄清该区水土流失现状，进一步了解沂蒙山区的土壤流失量及水土保持工作成效，急需运用现代科技手段对该区水土流失现状进行研究。本研究以沂蒙山区费县祊河流域为研究区，选取合适的因子算法，定量确定了土壤侵蚀因子指标，在ArcGIS的支持下建立信息数据库，根据土壤侵蚀预测模型对数据库进行图形运算，并对模型进行了参数修正，估算了研究区土壤流失量，从而得到了土壤流失量空间分布图，旨在为沂蒙山区开展水土保持工作提供数据支持和决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

费县位于山东省沂蒙山区南部，地处蒙山之阳、温河上游，距临沂市40 km;属暖温带半湿润大陆性季风气候，人口密度为476人/km2。祊河流域属低山丘陵区，植被以森林覆盖为主，全县森林覆盖率为22.1%。山体表面风化严重，水土易流失，不利植物生长;山地多为裸露的页岩，青石戴帽，利于滞含水分供植物生长;耕地资源较少，农业人均耕地仅0.0713 hm2。

1.2 参数选择

研究中采用Wischmeier于20世纪60年代提出的通用土壤流失方程(USLE)［6］。该方程是目前预测土壤流失使用最为广泛的方法，其表达式为

式中:A为年土壤流失量，t/km2;R为降雨侵蚀力因子，J·cm/(hm2·h);K为土壤可侵蚀因子;LS为坡度和坡长因子;C为植被与经营管理因子;P为水土保持措施因子。

1.3 侵蚀强度

运用ARC/INFO8.3的空间数据管理分析功能，建立流域数字高程模型(DEM)、土地利用现状图、土壤类型图、植被覆盖分布图等矢量数据图，对其属性数据进行相应的数据编码操作，并将其栅格化(Grid格式)，求得各参数值的因子图。在此基础上，根据USLE方程的形式，将各因子值相乘，获得流域土壤侵蚀强度等级图。

1.4 通用土壤流失方程

在分析研究区地理条件、生态状况、土地利用现状及环保管理水平的基础上，计算研究区降雨侵蚀力因子R、坡度和坡长因子LS、植被与经营管理因子C、土壤可侵蚀因子K和水土保持措施因子P。

1.4.1 R 因子

式中:R为降雨侵蚀力因子，J·cm/(hm2·h);Pi为某月的降雨量，mm;P为年降雨量，mm。

1.4.2 LS 因子

式中:L 为坡长，m;θ为坡度，(°)。

2 研究结果

2.1 R 因子

降雨侵蚀力因子(R)与降雨量、降雨强度、降雨历时、雨滴大小和下降速度有关，它反映了降雨对土壤的潜在侵蚀能力［7］。本研究采用费县1999—2009年的降雨资料，利用GIS进行空间插值计算得到研究区的降雨侵蚀力因子(R)分布图(图1)。

图1 研究区降雨侵蚀力因子分布图

2.2 C 因子

植被与经营管理因子(C)，表示植被覆盖和作物栽培措施对防止土壤流失的综合效益，该因子考虑了地表覆盖、土地情况以及一般管理措施对侵蚀速度的影响［8］。现实存在的种植管理体制有多种多样，所以C因子的评价估算比较困难。大量的研究证明，在所有的土壤侵蚀因子中，地表覆盖状况对侵蚀量的影响最大。我国的几位研究者通过建立植被因子与植被覆盖度的关系［9］求C值，当地面完全裸露时C值为1.0，当地面保护良好时 C=0.001，所以 C 值在0.001～1.0之间。

植被与经营管理因子根据表1计算，研究区C因子取值结果见表2。运用ARC/INFO8.3将C值按表2赋值给相应土地利用类型并转化为栅格图的形式，得到研究区植被与经营管理因子(C)分布图(图2)。

表1 USLE中不同植被覆盖度的C值

表2 研究区各土地类型C值

图2 研究区植被与经营管理因子分布图

2.3 P因子

根据文献［10］提供的资料，不同耕作措施的水土保持措施因子(P)值见表3。坡面侵蚀量试验研究结果表明，如以自然植被和坡耕地P因子为1，灌木丛为0.8，农耕地为0.35，水稻田是修筑最好的一种梯田，借用其他资料将其P值定为0.15(表4)。将土地利用类型属性项与P值记录项进行链接，将P值赋值给相应土地利用类型并转化成栅格图形式，得到水土保持措施因子(P)分布图(图3)。

表3 不同水土保持措施因子(P)值

表4 研究区各土地类型P值

图3 研究区水土保持措施因子分布图

2.4 K 因子

土壤可侵蚀因子(K)反映了土壤对侵蚀的敏感性及降水所产生的径流量与径流速率的大小。K值的大小与土壤质地、土壤有机质含量有较高的相关性［11］。根据相关文献获得各类土壤的质地和有机质含量，查找Wischmeier等建立的土壤可侵蚀因子K值的诺谟图，近似地确定出不同类型土壤的土壤可侵蚀因子(K)值。将现有的土壤类型经ARC/INFO8.3软件生成土壤可侵蚀因子(K)分布图(图4)。

图4 研究区土壤可侵蚀因子分布图

2.5 LS因子

研究区内坡长L与坡度S组成的复合参数LS，代表着地形条件变化产生侵蚀的主要水力因素。研究中利用ARC/INFO8.3软件的表面分析功能，在已生成数字高程模型(DEM)的基础上，利用软件表面分析功能得到坡长和坡度。同样，利用ArcGIS得到研究区坡长和坡度因子(LS)分布图(图5)。

图5 研究区坡长和坡度因子分布图

2.6 土壤流失量和侵蚀模数

在ARC/INFO的支持下计算土壤流失量，计算中将各因子图(Grid数据)进行连乘，得到流域年土壤流失量(A)空间分布图(图6)，根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)对土壤侵蚀强度进行了分级(表5)。

图6 年土壤流失量空间分布图

表5 研究区土壤侵蚀强度分级

根据侵蚀强度得到研究区土壤侵蚀分级表，可知研究区以微度侵蚀的土地所占比例最大，占土地总面积的79.57%，而轻度和中度侵蚀的土地面积分别占总面积的15.84%和2.14%，微度、轻度和中度侵蚀量分别占年侵蚀总量的2.84%、36.40%和11.70%。流域年平均土壤侵蚀模数为638.44 t/(km2·a)，属于轻度侵蚀。

3 结语

(1)近年来，随着人口的增长和社会经济的发展，水土资源的开发力度越来越大，不合理的人为活动对水土流失的影响越来越明显，再加上毁坏林草、陡坡垦种、滥用除草剂和开矿、修路等生产建设活动乱倾乱倒，造成了新的严重的水土流失。针对此现状，应采取积极的措施进行治理。

(2)近30年来，沂蒙山区各个县市积极开展了水土保持综合治理工作，对比周光裕教授和其他专家对沂蒙山区的相关研究情况可以看出，整个研究区的土壤侵蚀面积、侵蚀模数、侵蚀量均呈减小的趋势，这表明研究区水土保持生态建设已取得成效。从水土保持的角度看，由于沂蒙山区的大部分土地分布在山高坡陡、土层瘠薄、交通不便的偏远山区，治理难度较大，治理速度较慢，生态环境依然较为脆弱，部分地区抗御自然灾害的能力不强。因此，应加快治理进度、提高治理标准、加强监督管理、增加资金投入，有力推进沂蒙山区的水土保持工作。

(3)本研究在GIS技术的支持下，基于山东沂蒙山区费县祊河流域水土流失实际，应用USLE快速提取研究区内土壤侵蚀各因子，计算了其土壤流失量，提高了预测土壤侵蚀的效率，其研究成果可为沂蒙山区开展水土保持工作提供数据支持和决策依据。

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