基于GIS和RUSLE的洱海流域土壤侵蚀空间特征分析

王卫林 叶燎原 杨昆 王桂林 苏飞

摘要：土壤侵蚀空间分布特征是进行土壤侵蚀防治规划、实践的重要基础与依据。基于地理信息系统（GIS）和遥感技术（RS），提取了洱海流域降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度坡长、地表覆盖、水土保持措施5个主要影响水土流失因子，采用修正的通用土壤流失模型（RUSLE）估算土壤侵蚀量，并运用GIS空间统计分析功能，分析了土壤侵蚀在海拔、坡度与土地利用类型等方面的空间分布特征。结果表明，洱海流域年平均土壤侵蚀模数为64.68 t/（hm2·a），属于强度侵蚀，土壤侵蚀面积1 404.279 km2，占总流域面积的61.12%，2 000～2 500 m高程带、15°～45°坡度带，以及未利用土地区域是研究区土壤侵蚀防治的重点地区。

关键词：洱海流域；修正的通用土壤侵蚀方程；地理信息系统；水土流失；空间分布特征

中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）13-3108-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.010

Analysis on Spatial Characteristics of Soil Erosionin Erhai River Basin

Based on GIS and RUSLE

WANG Wei-lin1a，1b，YE Liao-yuan2，YANG Kun1a，2，WANG Gui-lin1b，2，SU Fei1b，2

（1a.School of Information Science and Technology； 1b.School of Tourism and Geographic Sciences， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China；2.GIS Technology Research Center of Resource and Environment in Western China， Ministry of Education， Kunming 650500， China）

Abstract：The spatial distribution characteristics are important basis for the planning and application of soil erosion prevention. Based on geographic information systems（GIS） and remote sensing（RS）， five primary factors affecting soil erosion in the ErHai Lake basin were extracted，i.e.，rainfall erosivity， soil erodibility， terrain， vegetation coverage and soil and water conservation measures. Meanwhile， the amount of soil erosion was estimated using the revised universal soil loss equation （RUSLE） model. Furthermore， the spatial distribution characteristics were also analyzed with the application of GIS in the view of elevation， slope and land use types. The results showed that the soil erosion modulus were 64.68t/（hm2·a），which belonged to the grade of intensity erosion， and a erodible area of 1404.279km2（61.12% of the whole area）.The results also revealed that soil erosion ，especially soil erosion with high grade， mostly distributed in the following areas， that is elevation area from 2000 to 2500 meters， slope area from 15 to 45 degree， and unused land. Those areas were the key zone for soil erosion.

Key words： Erhai river basin； revised universal soil loss equation （RUSLE）； geographic information systems （GIS）； soil erosion； spatial distribution characteristics

土壤侵蚀是世界上的主要生态破坏现象之一[1]，它是危及人类生存和发展的重要环境问题之一。

土壤侵蚀的研究始于19世纪晚期，1887年德国土壤学家Bwald Wollny进行相关研究时，只限于表面现象的观察和定性描述[2]。从20世纪20年代开始，有不少学者开始进行相关的定量研究，但直到60年代，此类研究基本上仍是经验所得。随着相邻学科的发展、测验方法的改进以及计算机技术的兴起，逐步建立了一些模拟侵蚀物理过程的数学模型。进入80年代，随着科学技术的迅猛发展和计算机技术的日益完善，侵蚀产沙的研究迅速发展，大量研究成果问世。特别到了90年代后，RS和GIS的发展和广泛应用为人们进一步研究提供了有力的工具，模型的研究也开始由集总式向分布式过渡，国内外学者提出了大量的土壤侵蚀模型[3]。

中国是世界上水土流失较强烈的国家之一，定期调查并公告全国土壤侵蚀及其治理状况，是客观反映水土保持治理成效、评估治理效益编制治理规划的基础[4]。国内外对于区域土壤侵蚀综合评价和制图方法，可以归纳为4种方法，包括常规地理制图法、坡面土壤侵蚀模型与GIS集成法、区域土壤侵蚀模型方法和抽样调查方法[5，6]。中国比较常用的方法是依据水利部颁布的土壤侵蚀分级分类标准进行评价[7]。

1 研究区域与数据来源

洱海流域位于澜沧江、金沙江和元江三大水系分水岭地带，属澜沧江—湄公河水系，流域面积2 565 km2，地理坐标在东经100°05′-100°17′、北纬25°36′-25°58′之间。洱海地处云南省大理白族自治州境内，是云南省第二高原淡水湖泊，风光明媚，素有“高原明珠之称”。洱海流域属低纬度高原亚热带季风气候，干湿分明，气候温和，日照充足。流域内的地带性土壤为红壤，随着海拔的变化，由低到高依次为红壤、黄红壤、黄棕壤、暗棕壤、亚高山草甸及高山草甸土等。

本研究基础数据主要包括遥感、专题图件和实测数据。遥感影像数据为2012年洱海流域30分辨率的Landsat TM多光谱影像。专题图件数据包括矢量流域边界图、数字高程模型（DEM）以及土壤类型数据，DEM数据来源于国家1∶5 000数字高程模型，分辨率为25，土壤矢量类型数据来自国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”。实测数据为洱海流域6个气象站点1997～2010年日降雨数据，来源于云南省水文水资源局和中国气象科学数据共享服务网。

2 模型与方法

2.1 修正通用土壤侵蚀模型

Wischmeier在20世纪60年代提出的通用土壤流失方程（universalsoillossequation，USLE）是当前应用最广泛的经验模型[8]。修正通用土壤侵蚀方程（reviseduniversalsoillossequation，RUSLE）从技术性和确定因子的算法上对USLE进行了改进，因而应用范围更广，预测精度更高。此方程形式简单，所需的参数较易获取，且各因子具有物理意义，被广泛应用于土壤侵蚀风险的评估分析[9，10]。在参照国内外专家土壤侵蚀研究成果的基础上，结合洱海流域的自然环境特征，决定采用修正的通用土壤流失方程对洱海流域的土壤进行分析，其模式为：

A=R×K×L×S×C×P

式中，A为年单位面积的土壤侵蚀量（t/hm2·a）；R为降雨侵蚀力因子（MJ·mm/hm2·h·a）；K为土壤可蚀性因子（t·h/MJ·mm）；L为坡长因子（m）；S为坡度因子（%）；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

2.1.1 降雨侵蚀力因子（R） 降雨侵蚀力主要衡量雨滴冲击的动能，反映降雨这一气候因素对土壤侵蚀的潜在作用能力。降雨侵蚀力计算利用日雨量采用下列计算公式计算降雨侵蚀力[11，12]。

R=0.444 88P0.969 82

式中，R为降雨侵蚀力系数，单位为（MJ·mm）/（hm2·h·a）；P为年平均降雨量，单位为mm。

本研究利用公式（2），根据洱海流域各气象站点1997～2010年观测资料，逐年计算各站点的年平均降雨量，利用ArcGIS中的IDW插值得到洱海流域降雨侵蚀力表面模型（图1）。

2.1.2 土壤可蚀性因子（K） 土壤可蚀性因子K反映土壤被降雨侵蚀力分离、冲蚀和搬运的难易程度。本研究结合土壤类型数据，在相关学者的研究基础上[13，14]，近似确定出研究区不同类型土壤可蚀性因子K，并将该值输入到土壤类型矢量图中，通过矢量—栅格数据转换，获取洱海流域可蚀性因子K值得分布范围（图2）。

2.1.3 地形因子（LS） 地形地貌特征对土壤侵蚀的影响集中表现在坡长与坡度两方面，因此，一般用坡长（L）与坡度（S）因子估算地形因素对土壤侵蚀的影响。目前，在DEM上进行坡长计算的方法按原理有非累积流量的直接计算法、累积流量的单位汇水面积计算法和水流强度指数的间接计算法[15]，本研究坡度坡长因子LS采用彭建等[12]的计算方式获得。

本研究以洱海流域25 m分辨率的DEM数据，获取洱海流域可蚀性因子LS得分布范围（图3）。

2.1.4 植被与经营管理因子（C） 植被与经营管理因子C反映的是有关植被覆盖和管理对土壤侵蚀的综合作用，其值介于0～1之间[16]。本研究以2012年的TM遥感影像为数据源，在ENVI4.8遥感图像处理软件支持下，结合实地调研，并参考GoogleEarth影像、地形地貌以及土壤类型等资料，采用监督分类的方法，进行人工交互解译，得到洱海流域土地利用类型数据。根据研究需要，土地利用类型主要分为林地、草地、水田、园地、湿地、居民点、水域、未利用地八大类。根据洱海流域土地利用以及实际经营情况，并参考美国农业手册537号[17]以及相关研究[18，19]的基础上，对各种土地利用类型赋予不同的C值（表1）。

2.1.5 水土保持措施因子（P） P因子也称为侵蚀防治措施因子，是指特定保护措施下的土壤流失量与未实施保护措施之前相应地地顺坡耕作时的土壤流失量之比值。其值介于0～1之间[20]。通常，包含于这一因子中的侵蚀控制措施有调整水体形态、斜坡坡度等，通过改变小地形、拦蓄地表径流、增加降雨入渗等手段减少土壤侵蚀[21]。本研究区主要以林地、水田为主，根据研究区特殊的地形环境，参照美国农业部手册537号[17]以及相关研究的基础上[22，23]，对各种土地利用类型赋予不同的P值（表1），生成CP因子的分布图（图4）。

2.2 研究方法

本研究以遥感影像为信息源，地理信息系统为分析工具，依据遥感、降水、土壤、数字高程模型等资料，运用修正通用土壤侵蚀模型（RUSLE），生成土壤侵蚀主要因子图层，然后利用ArcGIS软件，将R、K、L、S、C和P各因子图层转化到统一坐标系，像元大小为30 m×30 m进行叠加相乘处理，得到流域土壤侵蚀模数，形成洱海流域土壤侵蚀强度栅格分布图[t/（hm2·a）]，并依据水利部水土保持司的《土壤侵蚀分类分级标准（SL190-1996）》，并考虑到研究区土壤侵蚀量的实际分布特征，得到洱海流域土壤侵蚀强度分布图（图5）。

3 结果与分析

3.1 流域土壤侵蚀量与土壤侵蚀强度

通过计算得到洱海流域土壤侵蚀面积1 404.279 km2，占总面积的61.12%，土壤侵蚀总量为1 685.3×105 t/a，平均土壤侵蚀模数64.68 t/（hm2·a），属于强度侵蚀。并对土壤侵蚀强度分布图进行分类统计分析，得到洱海流域各土壤侵蚀强度等级平均土壤侵蚀模数与土壤侵蚀量（表2）。

从表2可以看出，尽管极剧烈侵蚀面积比例不到6%，但其土壤侵蚀量比重却达到80%以上，其他土壤侵蚀强度等级占的比重较低，因此，极剧烈侵蚀是研究区土壤侵蚀防治的重点。

3.2 洱海流域土壤侵蚀空间特征分析

3.2.1 土壤侵蚀的海拔分布特征 从洱海流域不同海拔带的平均土壤侵蚀模数（表3）可以看出，尽管土壤侵蚀与海拔具有较大的相关性，但土壤侵蚀强度与海拔无直接的线性关系。除<2 000 m、>3 500 m高程带其值较低外，其余各高程带上的土壤侵蚀模数均较大，且差异显著，其中，2 000～2 500 m高程带的平均土壤侵蚀模数较高，属极强度侵蚀，其他高程带的土壤侵蚀分属于强度、中度侵蚀。平均土壤侵蚀模数之所以在不同高程带呈现不同的分布特征主要缘于研究区高程的空间分布以及植被覆盖率的差异，即海拔在2 000 m以下高程带，大多数属于平原地带，坡度较低，土地类型多为田地、湿地以及少量的草地，对水土的保持能力相对较强；而2 000～2 500 m高程带占研究区近50%的土地面积，大多山高坡陡，土地类型多为水田、未利用土地、居民点以及少量的园地和草地，人为活动强烈，破坏性相对较大，因而，对水土保持能力相对较低；而2 500～3 000 m高程带是洱海流域林地、其他林地等高植被覆盖地类的集中分布区，因而，对水土流失有一定的保持能力；而3 000～3 500 m高程带主要以林地、草地为主，但大部分区域坡度较低，其平均土壤侵蚀模数相对较低；而大于3 500 m高程带主要以低矮的草甸为主，虽然坡度较高，但常年以低温为主，加之冻土的作用，对水土流失起到了积极的保持作用。

由洱海流域不同高程带的土壤侵蚀量（表3）可以看出，2 000～2 500 m高程带其土壤侵蚀量占了土地总面积的70%左右，而2 500～3 000 m高程带的土壤侵蚀量比例也远高于其他高程带比例，因此，2 000 m～2 500 m高程带是研究区土壤侵蚀治理的重点地区，2 500 m～3 000 m高程带上的土壤侵蚀也应引起重视。

由不同高程带上土壤侵蚀强度等级的面积比例构成（表4）可以看出，洱海流域不同海拔带上的土壤侵蚀强度特征各异，各海拔带上以微度、轻度侵蚀侵蚀强度等级占绝对比例（67%～97%），强度、极强度侵蚀以及剧烈侵蚀占的面积比例普遍偏低。此外，中度侵蚀在2 500～2 500 m以及2500～300 m高程带上占一定比例，2 000～2 500 m以及2 500～ 3 000 m高程带上极剧烈侵蚀的面积比例也较高。

3.2.2 土壤侵蚀的坡度分布特征 由洱海流域不同坡度带的平均土壤侵蚀模数与土壤侵蚀量（表5）可以看出：①研究区平均土壤侵蚀模数与坡度呈显著正相关。其中，0°～6°坡度带平均土壤侵蚀模数最低，属微度侵蚀，6°～15°、15°～25°坡度带属强度侵蚀，>25°坡度带属于极强度侵蚀；②尽管15°～45°坡度带占全县面积的53%，其土壤侵蚀量却占了总侵蚀量的78%以上。因此，15°～45°坡度带是洱海流域土壤侵蚀防治的重点区域，其中，以15°～35°坡度带上的土壤侵蚀治理最为关键。

由不同坡度带土壤侵蚀强度等级面积比例构成（表6）可以看出，不同土壤侵蚀强度等级在各坡度带上均有分布，但其面积构成有较大的差异：①0°～6°坡度带上，微度侵蚀占绝对比重（87%），其他侵蚀强度等级比例较低；②6°～15°、15°～25°坡度带仍以微度、轻度侵蚀为主（72%～80%），中度侵蚀、极剧烈侵蚀占了一定比例，其他侵蚀强度等级较低；③25°～35°、35°～45°、>45°坡度带上的侵蚀强度等级比例分布特征基本相似，都以微度、轻度、中度侵蚀为主（76%～80%），强度、极剧烈侵蚀次之（13%～15%），其他侵蚀强度等级比例较低。

3.2.3 土壤侵蚀的土地利用类型分布特征 由洱海流域不同土地利用类型的平均土壤侵蚀模数（表7）可以看出，未利用土地的平均土壤侵蚀模数是其他土地利用类型的30倍以上（0除外）。同时，尽管未利用土地不足研究区土地面积的10%，其侵蚀量却占到全县土壤侵蚀总量的83%左右，林地、草地、水田与园地的土壤侵蚀量比例远小于其土地总面积比重，因此，未利用土地是研究区土壤侵蚀防治的重点土地利用类型。

由洱海流域不同土地利用类型的土壤侵蚀强度等级面积比例构成（表8）可以看出：①林地、草地及园地以微度、轻度侵蚀为主（80%～83%），中度侵蚀也占一定比例（12%～14%），以及总面积比例不超过5%～6%的强度、极强度侵蚀，极少剧烈、极剧烈侵蚀（0.1%～3%）；②水田以微度侵蚀为主（58%），轻度（16%）、中度侵蚀（10%）次之，强度、极强度侵蚀也占一定比例（12%），其他侵蚀强度等级面积比例不足2%；③未利用土地分布在各个侵蚀强度等级，但以极剧烈侵蚀为主（54%），微度侵蚀次之（28%），其他侵蚀强度等级面积比例相差不大，均在1%～5%之间。

4 结论

采用RUSLE模型估算洱海流域年平均土壤侵蚀量，结果表明，洱海流域年平均土壤侵蚀模数为64.68 t/（hm2·a），属强度侵蚀；而土壤侵蚀的空间特征表明，2 000～2 500 m高程带、15°～45°坡度带，以及未利用土地区域是研究区土壤侵蚀防治的重点地区，相关部门应采取相关措施以减少土壤流失量。其中2 000～2 500 m高程带的防治重点在于维持原生植被的自然演替、退耕还林还草，15°～45°坡度带宜开展坡改梯、等高耕作等生物、工程措施以保持水土，未利用土地防治的基本方向则是积极引导其向有林地、草地等环境友好型土地利用/土地覆被类型的转型[12]。

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