基于GIS和RUSLE乌裕尔河流域土壤侵蚀定量评价*

鄂立思，孙 丽，李 苗，李 莹

(哈尔滨师范大学;黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室)

0 引言

土壤侵蚀是指地球表面的土壤及其母质受水力、风力、冻融、重力等外力的作，在各种自然因素和人为因素的影响下发生的各种破坏、分离、搬运和沉积的现象［1］.土壤侵蚀破坏土地资源，造成淤积、干早、洪涝等灾害，引起生态环境恶化，严重地威胁着人类的生存和发展.东北松嫩平原黑土丘陵漫岗区是我国的六大水力侵蚀区之一［3］，由于黑土区独特的土壤地理环境和人类活动的强烈干扰，它已经变成了中国潜在侵蚀危险的地区［4］.近年来，黑土的侵蚀退化问题得到了政府、科学家甚至农民的普遍重视.

关于土壤侵蚀的研究大多是基于土壤流失方程，近年来，国内外很多学者将 USEL/RUSLE与GIS的结合来估算土壤侵蚀及其空间分布.乌裕尔河流域是黑土丘陵漫岗区典型的农业区，水土流失较严重，运用GIS结合修正通用水土流失方程(RUSLE)，对乌裕尔河流域的土壤侵蚀进行定量评价，分析土壤侵蚀现状以及其与坡度和土地利用的关系，以期为该区生态退耕、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 研究区概况与数据获取

1.1 研究区概况

乌裕尔河是嫩江水系的一级支流，发源于黑龙江省北安市小兴安岭西麓山区，干流流经黑龙江省北安、克山、克东、依安、富裕等市县，最终流入扎龙湿地，中上游海拔高度145～410 m，流域面积12475.9 km2.本流域位于松嫩平原西部大陆性季风盛行区，年降水量为496.7 mm，年蒸发量为1110～1780 mm，年内降水分布极为不均匀，主要集中在汛期6～9月份，占全年降水量的80%.地貌波状起伏、丘岗错落，主要土壤为黑土、草甸黑钙土、潜育草甸土、暗棕壤、草甸沼泽土及沼泽土，富含有机质，适合于农业生产.由于土地的过度开垦和其它不合理利用，该流域对水土流失十分敏感［5］.

1.2 数据获取

该研究采用的数据主要包括2010年Landsat/TM影像，1:10万地形图，经过几何精校正和影像解译，形成土地利用/覆被数据，根据研究目的、研究区状况及数据源的特点，制定了耕地、林地、草地、水域、居民地、沼泽湿地、未利用地7类一级类及16个二级类的土地利用分类体系.30m分辨率的DEM数据，经过图幅拼接和格式处理转换，用以提取坡度坡长因子.降雨量数据使用乌裕尔河流域内及临近县市11个气象观测点的逐月降水数据.土壤数据来自1:100万的中国土壤类型图，结合全国第二次土壤普查及相关研究，获取研究区土壤类型矢量数据.

2 研究方法

2.1 模型选择

通用土壤流失方程(RUSLE)是目前最常用的估算土壤侵蚀的模型方法之一，在世界很多地区得到了广泛的应用［5］.黑龙江省水土保持研究所于1985年－1992年在黑龙江省的克山和宾县进行土壤侵蚀径流小区的试验研究［6］，获得了适合东北黑土区的一些因子算法，并经过径流小区实测检验，验证了因子取值的合理性.因此，本文应用遥感和GIS技术在乌裕尔河流域进行土壤侵蚀量的估算具有良好的研究基础.RUSLE的模型表达式是由6个因子连乘的形式组成:

式中:A为年土壤流失量，t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子;K为土壤可蚀性因子;L和S分别为坡度因子和坡长因子，无量纲;C为植被与经营管理因子，无量纲;P为水土保持措施因子，无量纲.

2.2 RUSLE各因子的确定

2.2.1 降雨侵蚀力因子R值的估算

该文采用FAO建立的通过修订Fournier指数求算R值的方法［7］，该方法既考虑年降水总量，又考虑降水的逐月分布，数据较容易获取，其公式为:

式中:i是月份;Pi是月降水量;P是年降水量.然后建立R与该指数的关系为:

式中:a、b取决于气候条件.根据研究区流域气候条件与世界其他地区的类似分析，a与b的取值分别4.17和–152.利用乌裕尔河流域内及临近的共11个雨量站近5年的年平均降雨量和各月平均降雨量，根据公式(3)，推算出各站点的降雨侵蚀力，在Arcgis中利用普通克里金插值法进行降雨侵蚀力的插值计算，得到研究区降雨侵蚀力R值空间分布图(所图1所示).

图1 乌裕尔河流域降雨侵蚀力因子R值插值图

2.2.2 土壤可蚀性因子K值的估算

土壤可蚀性因子K值反映出土壤被降雨侵蚀力分离、冲势和搬运的难易程度.根据1∶100万土壤类型分布图，归并出乌裕尔河流域的土壤大类型有黑土、黑钙土、草甸土、暗棕壤和水稻土.

高德武［8］等相关研究试验区设在本文研究区内的克山县，因此参考相关K值，近似确定出研究区的土壤类型可蚀性因子K值，取黑土K值为0.2283，黑钙土K值为0.2306，草甸土K值为0.2942，暗棕壤K值为 0.2733，水稻土K值为0.2721.

2.2.3 地形因子(LS)的获取

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，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.张宪奎［6］等以克山为试验区，推导出全省LS因子的计算公式:

式中:λ为坡长(m);θ为坡度(°);m为坡长指数，取值为0.18;n为坡度指数，取值为1.3.

在GIS环境中，坡长坡度LS因子的具体实现是以DEM为基础数据进行提取，利用栅格计算器，根据上述公式获得地形因子LS的栅格图.

2.2.4 植被与经营管理因子C的获取

植被覆盖和经营管理因子C值是表示在其他条件相同情况下，耕作农地上土壤流失量与同等条件下适时翻耕的连续休闲对照地上的土壤流失量之比，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.取值范围在0～1，C值的取值主要与植被覆盖和土地利用类型有关.根据乌裕尔河流域土地利用现状及植被覆盖度的调查结果，参考我国学者张宪奎［6］和蔡崇法［9］求取C值所做工作，获得该次项目中不同土地利用类型的年平均C值见表1.

表1 乌裕尔河流域C值

2.2.5 水土保持措施P值获取

它的值是有水土保持措施与没有水土保持措施时土壤流失量的比值，一般在0～1.当地面没有任何措施时P等于1，水土保持措施得当时P等于0，基本没有土壤侵蚀发生.本研究由于没有设小区实验，主要参照美国农业部手册703号和解译出的土地利用现状图及相关的文献［6，9，10］，得出研究区水土保持措施因子P值，研究区水田多为水平梯田，其P值取0.03，旱地据野外考察居多是坡耕地，其P值取0.352;其他自然植被区和用地类型，P值取1.

2.3 土壤侵蚀量的计算

在GIS软件支持下，将获取的各个因子图进行连乘栅格运算，得到土壤侵蚀量图.根据SL190－96的分级标准，对研究区进行土壤侵蚀强度分级，结合乌裕尔河流域的实际情况，进一步将轻度侵蚀分为轻 Ⅰ 型侵蚀(侵蚀模数(200～800)t/(km2·a))，轻Ⅱ型侵蚀(侵蚀模数(800～1500)t/(km2·a))，轻Ⅲ型侵蚀(侵蚀模数(1500～2500)t/(km2·a)).运用ArcGIS对栅格土壤侵蚀量进行重分类，合并在同一级别的栅格，得到2010年坡面土壤侵蚀强度分级图(如图2所示).

图2 乌裕尔河流域土壤侵蚀强度分级图

3 结果与分析

3.1 乌裕尔河流域土壤侵蚀现状

根据2010年土壤侵蚀统计结果(见表2)，乌裕尔河流域土壤侵蚀总面积10387 km2，占土地总面积的85.25%.除极强度侵蚀外，从轻度侵蚀到强度侵蚀，侵蚀面积随强度等级的增加而减少，其中轻度侵蚀面积8116.16 km2，占土地总面积的65.05%，中度侵蚀面积为1394.82 km2，占土地总面积的 11.2%，强度侵蚀面积为495.2 km2，占土地总面积的 3.96%，极强度侵蚀面积为291.85 km2，占土地总面积的2.34%.

乌裕尔河流域以轻度侵蚀为主，其面积占侵蚀总面积的78.14%，进一步分析可以看出，轻Ⅰ型侵蚀占乌裕尔河流域总面积的32.61%，占全区土壤侵蚀总面积的39.17%，占轻度侵蚀面积的50.13%;轻Ⅱ型侵蚀占乌裕尔河流域总面积的 19.57%，占全区土壤侵蚀总面积的23.51%，占轻度侵蚀面积的30.09%，说明整个乌裕尔河流域以轻Ⅰ型侵蚀和轻Ⅱ型侵蚀为主.

3.2 土壤侵蚀与土地利用的关系

从表3可以看出，乌裕尔河流域土壤侵蚀主要集中在旱田，面积为10444.51 km2，占轻度土壤侵蚀面积的97.2%，草地及其他土地利用类型所占比例为2.8%，水田所发生的轻度侵蚀极少，只有0.26 km2.中度侵蚀也以旱田为主，其次为未利用地.强度与极强度侵蚀也是以旱田为主，但土壤侵蚀面积明显减少，未利用地中中度以上土壤侵蚀的面积是除旱地以外最大的.林地、草地和居民地以轻度侵蚀为主.

表2乌裕尔河流域2010年土壤侵蚀面积统计结果

表3 乌裕尔河流域不同土地利用类型土壤侵蚀状况统计 km2

3.3 土壤侵蚀的坡度分异特征

基于DEM提取研究区坡度数据，并按照0～3°、3 ～ 8°、8 ～ 15°、15 ～ 30°和 ＞ 30°对坡度进行重分类，与研究区土壤侵蚀图进行叠加分析，求得乌裕尔河流域不同坡度下不同土壤侵蚀强度的侵蚀面积.从图3可以看出，乌裕尔河流域轻度侵蚀在0～3°坡度时的侵蚀面积为4824.71 km2，在3－8°坡度时侵蚀面积为 3256.81 km2，在0－15°坡度范围内，轻度侵蚀面积呈现逐渐减小趋势;中度侵蚀在3～8°坡度时的侵蚀面积为1071.47km2，达到中度侵蚀最大面积，在8 ～15°坡度范围内侵蚀面积呈现逐渐减小趋势;轻度侵蚀和中度侵蚀在坡度达到15°时侵蚀面积趋近于0.强度侵蚀和极强侵蚀，在坡度为8～15°时达到最大侵蚀面积，分别为485.18 km2和205.87 km2.由此可以得出乌裕尔河流域坡度大于8°的土地利用类型是产生强度侵蚀的源区.因此，当坡度大于8°时，应该尽量减少坡耕地数量，发展林业.而对于坡度低于8°的地区，虽然侵蚀强度为轻度，但是侵蚀面积却很大，对于旱地应实行等高耕作等措施.

图3 乌裕尔河流域不同坡度级土壤侵蚀面积

4 结束语

该文基于GIS平台，结合RUSLE模型，通过合理的选取模型中土壤侵蚀因子的计算方法，评估了乌裕尔河流域的土壤侵蚀状况，为该区域的土壤侵蚀治理提供一定的依据.

(1)从侵蚀状况来看，乌裕尔河流域土壤侵蚀面积10387 km2，占土地总面积的85.25%.说明研究区内大部分地区都受到不同程度的土壤侵蚀，但以轻度侵蚀为主，轻度侵蚀面积8116.16 km2，占土地总面积的65.05%，中度侵蚀面积为1394.82 km2，占土地总面积的11.2%，强度侵蚀以上占研究区总面积的6.3%，面积较小.

(2)从土壤侵蚀强度的空间分布来看，全区均有土壤侵蚀发生，且轻度侵蚀集中连片分布，而中度以上侵蚀主要集中在坡度较大区域.

(3)从土地利用类型与土壤侵蚀强度的关系来看，旱地所发生的土壤侵蚀最为严重，面积最大，林地和草地主要以轻度侵蚀为主，未利用地侵蚀程度主要集中于中度侵蚀以上.

(4)从土壤侵蚀的坡度分异特征来看，在0～15°坡度范围内，轻度侵蚀面积最大，随坡度增大呈现逐渐减小趋势;中度侵蚀在3～8°坡度时的侵蚀面积为1071.47 km2，达到中度侵蚀最大面积;强度侵蚀和极强侵蚀，在坡度为8～15°时达到最大侵蚀面积，分别为485.18 km2和205.87 km2.

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