基于USLE的西盟县土壤侵蚀特征分析

2016-03-24高翔宇顾泽贤赵筱青

中国水土保持 2016年2期

关键词：土壤侵蚀

高翔宇，王　刚，顾泽贤，赵筱青

(1.云南大学资源环境与地球科学学院，云南昆明 650091；

2.昆明南方地球物理技术开发有限公司，云南昆明 650231)

基于USLE的西盟县土壤侵蚀特征分析

高翔宇1，王刚2，顾泽贤1，赵筱青1

(1.云南大学资源环境与地球科学学院，云南昆明 650091；

2.昆明南方地球物理技术开发有限公司，云南昆明 650231)

[关键词]USLE；土壤侵蚀；时空变化特征；西盟县

[摘要]为研究西盟县土壤侵蚀对当地自然环境的影响，以通用土壤流失方程(USLE)为模型，运用ArcGIS软件，综合分析了研究区土壤侵蚀时空变化特征和不同环境因子梯度下的土壤侵蚀状况。结果表明：①西盟县2000年和2010年的平均土壤侵蚀模数分别为39.75和39.04 t/hm2，均属中度侵蚀；2000—2010年剧烈侵蚀和极强烈侵蚀面积分别减少了16.49%和4.64%，中度侵蚀面积增加了1 479 hm2。②空间分布方面，西盟县土壤侵蚀基本都是东北部相对较轻，中部、西南部和东南部较严重，2000—2010年土壤侵蚀空间分布整体变化不大；各乡镇中勐梭镇的土壤侵蚀面积和侵蚀面积变化量最大，岳宋乡的土壤侵蚀程度最严重，新厂乡和中课乡土壤侵蚀程度相对较轻。③土壤侵蚀主要发生在5°～35°的区域，坡度≥15°的旱地、草地和灌木林的土壤侵蚀程度较严重，必须针对不同土地利用类型因地制宜采取措施加以治理。

土壤侵蚀是危及人类生存与发展的重要环境问题之一[1]。人类对土地的利用，特别是对水土资源不合理的开发和经营，使土壤表面覆盖物遭破坏，裸露的土壤受水力冲蚀，最终导致土壤环境恶化。国内外学者针对土壤侵蚀问题进行了大量研究工作，其中土壤侵蚀预报研究已成为土壤侵蚀学科的前沿领域和土壤侵蚀过程定量研究的有效手段。以通用土壤流失方程[2](USLE)为代表的经验性预报模型，是一种用于定量预报农地或草地坡面多年平均土壤流失量的模型。相比于其他模型，如RUSLE[3]、WEPP[4]、EUROSEM[5]、GUEST[6]、LISEM[7]等，USLE模型应用较广泛，并且全面地考虑了影响土壤侵蚀的自然因素，所需数据量少，结构简单，结果可靠，在定量评价土壤侵蚀强度、土地资源合理利用等方面起到了重要的作用。

云南省西盟佤族自治县近年来人类经济活动强度加大，土壤侵蚀问题加剧，但关于当地土壤侵蚀评估的研究成果较少。本研究运用USLE方程和ArcGIS软件对西盟县土壤侵蚀进行定量分析，研究土壤侵蚀的分布情况，希望能为当地水土保持措施的制定提供参考。

1研究区概况

西盟县地处99°18′～99°42′E、22°27′～22°56′N，位于云南省西南部普洱市境内，是云南省佤族聚居边境县，下辖2镇(勐梭镇、勐卡镇)、5乡(翁嘎科乡、岳宋乡、力所乡、中课乡、新厂乡)，土地总面积1 256.31 km2。西盟县地处怒山山脉南段，属中高山峡谷地带，地形复杂，境内除了1%的河谷川坝，其余99%均为山区。境内最高海拔2 458.9 m，最低海拔590.0 m，属南亚热带山地湿润季风气候，受云南省南部暖湿气流影响，降水呈现季节性、集中且强度较大的特点，年均降水量2 758.3 mm。境内河流属怒江水系，有大小河流80条。地带性土壤有砖红壤、赤红壤、红壤和黄棕壤，非地带性土壤主要有石灰土、水稻土等。植被复杂多样，主要有季节性雨林、季雨林、季风常绿阔叶林和中山湿性常绿阔叶林，以及橡胶、茶树、咖啡、桉树、思茅松和竹林等人工林。

2研究方法

2.1　数据收集和预处理

本研究中使用的数据包括西盟县境内7个气象站点2009—2013年月降水量数据、地形数据、土壤类型图、土地利用类型图和土地覆被类型数据。所有数据的统一投影为UTM投影，WGS1984坐标。

地形数据来源于地理空间数据云的西盟县30 m×30 m DEM数据，经过对坡度和坡长的提取计算，最终生成30 m栅格数据。土壤类型图来自全国第二次土壤普查数据库。土地覆被和土地利用类型数据来自2000年3月和2010年3月的分辨率为30 m的landsat TM卫星遥感数据。通过实地考察采样，结合土地变更数据与第二次全国土地调查数据进行影像解译，并以《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007)为依据，再结合西盟县土地利用现状，建立两期土地利用数据库。研究区的土地利用类型主要分为桉树林、草地、茶园、灌木林、旱地、建设用地、水田、水域、橡胶林、有林地(主要为常绿阔叶林和思茅松林)共10类。将7个站点的气象数据在ArcGIS 10.1中采用克里格插值法(Kriging)进行插值生成栅格数据。为了便于面积的计算，栅格数据输出像元大小统一为30 m。

2.2　土壤侵蚀模型和参数

通用土壤流失方程(USLE)是基于小区域的长期观测数据而总结出的计算坡面空间尺度多年平均土壤侵蚀量的统计模型，其计算公式为

A=RKLSCP

(1)

式中：A为平均土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

(1)降雨侵蚀力因子。降雨侵蚀力因子(R)是评价引起土壤侵蚀潜在能力的一个动力指标[8]。考虑到研究区的实际情况，采用杨子生[9]提出的计算模型，即

R=0.444 88 p0.969 82

(2)

式中：p为年平均降雨量，mm。

西盟县历年降雨呈现明显的季节性特征，降雨集中在每年的5—10月，期间降雨量占全年降雨量的85%以上，因此用5—10月的多年平均降雨量来计算降雨侵蚀力。

(2)土壤可蚀性因子。土壤可蚀性因子(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。土壤侵蚀性因子与土壤质地、土壤有机质含量有较高的相关性[10]。其计算公式为

(3)式中：Sa为砂粒质量分数，%；Si为粉粒质量分数，%；Cl为黏粒质量分数，%；CO为有机质质量分数，%；Sn=1-Sa/100。

(3)地形因子。坡长因子(L)和坡度因子(S)是研究土壤侵蚀问题必须考虑的重要地形因子，综合测算较单因子更为方便[9]。本研究计算公式采用江忠善等[11]、黄金良等[12]的研究结果，即

L=(λ/22.1)m

(4)

式中：λ为栅格单元投影长度；m为坡长效应指数。

(5)

式中：θ为坡度，(°)。

(4)植被覆盖因子与水土保持措施因子。植被覆盖因子(C)是指在相同的土壤、坡度和降雨条件下，某一特定作物或植被的土壤流失量与耕种过后连续休闲地的土壤流失量的比值。植被有固定土体的作用，有植被的土体不易被雨水冲刷[13]，因此植被覆盖度与水土流失存在一定的定量关系[14]。根据蔡崇法等[15]的研究成果，基于NDVI计算植被覆盖度(fg)，则C值计算公式为

(6)

式中：fg为植被覆盖度，%。

水土保持措施因子(P)反映了水土保持措施对坡地土壤流失量的控制作用，其大小介于0～1之间，即根本不发生侵蚀的地区取0，而未采取任何保护措施的地区取1[16]。西盟县为山区，旱地均为坡耕地，坡度<15°时P值赋值为0.55，≥15°时赋值为0.75[2]。其他土地利用类型的P值结合土地利用现状并参考前人研究结果[10,17-18]得出，如：橡胶林有部分为梯地(梯地宽度较小)，有部分区域为坡地，因此其P值在梯地与坡地之间，赋值为0.60；桉树林种植后很少采取保护措施，其P值赋值为0.80；荒草地和其他林地P值赋值为1，详见表1。

2.3　土壤侵蚀量估算和等级划分

根据《土壤侵蚀分级分类标准》(SL 190—2007)[19]，将土壤侵蚀程度划分为微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀六级。在ArcGIS 10.1中将各因子计算结果生成的图层进行叠加运算，得到土壤侵蚀量图，并运用重分类工具得到2000、2010年的土壤侵蚀分布图(图1)、土壤侵蚀面积及其动态变化表(表2)。

表1　西盟县不同土地利用类型P值

3结果与分析

3.1　土壤侵蚀时间变化特征

由表2知，2000和2010年西盟县中度及其以上的土壤侵蚀面积分别占52.54%和52.84%，平均土壤侵蚀模数分别为39.75、39.04 t/hm2，均属于中度侵蚀。西盟县99%的面积为山区，山高坡陡，沟谷纵深，地形变化剧烈，风化强烈，坡体稳定性差，雨季降雨强度大，坡地土壤侵蚀严重，加之部分山区村民耕作方式落后，在坡耕地上开垦种地，基本不施肥，不进行轮作，致使土壤养分得不到补充，肥力、地力下降，土壤利用率很低，进而导致土壤侵蚀加剧。10年间土壤侵蚀强度分布发生了一些变化：一方面极强烈侵蚀面积减少了748 hm2，剧烈侵蚀面积减少了482 hm2，可能是因为2010年橡胶园大面积种植取代旱地、桉树林的大规模引种和生态保护政策的实施，当地植被覆盖度增加，人为破坏得到了一定控制；另一方面微度侵蚀面积减少了1 549 hm2，中度侵蚀面积却增加了1 479 hm2，这说明土壤侵蚀强度在局部地区有加剧升级的趋势。

图1　2000、2010年研究区各乡镇土壤侵蚀分布

土壤侵蚀程度2000年面积(hm2)占总面积比例(%)2010年面积(hm2)占总面积比例(%)2000—2010年面积(hm2)变化比例(%)微度侵蚀2714121.602559220.37-1549-5.71轻度侵蚀3248625.863365826.7911723.61中度侵蚀2722721.672870622.8514795.43强烈侵蚀1974815.721987615.821280.65极强烈侵蚀1610612.821535812.23-748-4.64剧烈侵蚀29232.3324411.94-482-16.49

3.2　土壤侵蚀空间变化特征

从整体上看(图1)，西盟县2000、2010年的土壤侵蚀是东北部相对较轻微，中部、西南部和东南部较严重，土壤侵蚀空间分布变化不大。从乡镇分布来看，2010年勐梭镇的土壤侵蚀面积最大，占全县总侵蚀面积的20.01%，岳宋乡土壤侵蚀面积最小，仅占7.39%。勐卡镇、新厂乡、勐梭镇、翁嘎科乡、力所乡、岳宋乡和中课乡的中度及其以上侵蚀面积分别占各自乡(镇)总侵蚀面积的49.48%、38.58%、61.73%、52.88%、59.88%、69.30%和40.26%，其中岳宋乡土壤侵蚀最为严重，新厂乡和中课乡则相对较轻。勐梭镇各侵蚀强度土壤侵蚀面积变化量总计达到3 275 hm2，变化最大，力所乡的变化最小(见图2)。

3.3　土壤侵蚀在主要因子梯度下的特征

(1)坡度与土壤侵蚀的关系。将坡度图层和土壤侵蚀空间分布图层进行叠加，分析不同坡度梯度下土壤侵蚀量的分布特征。以2010年的土壤侵蚀空间分布图为底图，按照5°、8°、15°、25°、35°将坡度划分为6个等级，分析结果见图3。如图3所示，在其他条件相同的情况下，西盟地区土壤侵蚀量在坡度15°～35°下变化明显。坡度在0°～25°时，土壤侵蚀量随坡度的增大明显增加，特别是在15°～25°时，各级别土壤侵蚀量均达到峰值；当坡度大于25°后，各级别土壤侵蚀量又有所减小。这说明研究区土壤侵蚀量并不完全是随着坡度的增加而增加的，即坡度与侵蚀量之间并非线性关系，当坡度达到35°及以上时，土壤侵蚀量呈明显下降趋势。

图2　2000年和2010年不同乡镇的土壤侵蚀情况

图3　各侵蚀强度等级在不同坡度梯度下的土壤侵蚀量

(2)土地利用类型与土壤侵蚀的关系。结合2010年西盟县土地利用类型图层和土壤侵蚀空间分布图层，分析在不同土地利用类型条件下的土壤侵蚀情况(图4)。从图4可以看出，不同土地利用类型之间土壤侵蚀强度差异显著，其中坡度≥15°的旱地和草地土壤侵蚀最为严重。原因可能是：西盟县的旱地大部分是陡坡耕地，不合理的土地开垦和利用致使大面积坡耕地发展成为强烈、极强烈和剧烈土壤侵蚀区域；草地大部分是荒草地，处于无人管理的状态，植被覆盖度很低，加之表层土壤疏松，遇上强降雨，在陡坡上容易快速形成地表径流，导致土壤侵蚀加剧。灌木林地植被覆盖率低，土壤流失量较大。橡胶林为人工引种，受人为因素干扰大，林下土壤裸露，保持水土效果较差。有林地(常绿阔叶林和思茅松林)和桉树林地植被覆盖度较高，水土保持效果好，土壤侵蚀量较小。建设用地、水田和水域的土壤侵蚀不太明显。

图4　不同土地利用类型土壤侵蚀量

4讨论与结论

本研究采用USLE模型，结合江忠善等[20]、赵世民等[14]的研究成果，通过计算降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、地形因子(LS)、植被覆盖因子(C)和水土保持措施因子(P)，估算了西盟县的土壤侵蚀量。结果表明，2000、2010年西盟县的平均土壤侵蚀模数分别为39.75和39.04 t/hm2，土壤侵蚀程度均为中度。土壤侵蚀的发生不仅与地形有关，还受人类生产活动等其他条件的影响。2000—2010年极强烈以上侵蚀面积减少，中度侵蚀面积增加，土壤侵蚀仍是威胁当地生态安全的重要因素。从空间分布来看，西盟县2000、2010年的土壤侵蚀是东北部相对较轻，中部、西南部和东南部较严重，10年间土壤侵蚀空间分布变化不大，其中勐梭镇土壤侵蚀面积占全县侵蚀面积比例最大，岳宋乡土壤侵蚀程度最严重。根据上述分析，建议根据不同区域的土壤侵蚀状况，采取相应措施，如退耕还林还草、加强农田水利工程建设、建设雨水集蓄利用工程、实施坡改梯等。

根据徐清艳等[21]、彭建等[22]和傅世锋等[23]的研究成果，中度及其以上土壤侵蚀面积主要分布在坡度15°～35°的区域。本研究成果与其相似，坡度<25°时土壤侵蚀量随着坡度的增大而增加，坡度>25°时土壤侵蚀量呈下降趋势，说明该区域土壤侵蚀过程中存在临界坡度值[24]。西盟县不同土地利用类型中，以坡度≥15°的旱地和草地的侵蚀情况最为严重，其次是灌木林地，这与一些学者的研究成果类似[25-28]。研究区原有草地大部分是荒草地，植被覆盖度很低，而新增草地主要来自退化疏林地、其他林地和弃耕旱地，极易发生侵蚀，灌木林的情况也基本类似，因此当地应积极引导荒草地和灌木林地向牧草地和有林地等水土保持效果较好的土地利用类型转化。旱地作为人们生产生活的主要用地，受人类活动干扰强度大，加之植被覆盖度较低和地形、降水等因素的影响，土壤侵蚀也比较严重。

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