基于RUSLE的大通河流域土壤侵蚀估算研究

沈晨++万大娟++尹辉++杨龙++周慧++熊玲

摘要：對大通河流域的土壤侵蚀进行估算和定量评价，以期为该流域的水土保持和生态环境保护工作提供科学合理的依据。基于修正的通用土壤流失方程（RUSLE），运用遥感和地理信息技术，对大通河流域土壤侵蚀状况进行估算，并探讨了不同土地利用类型和不同坡度下土壤侵蚀的差异性。结果表明，大通河流域土壤侵蚀总面积为12 683.66 km2，占流域总面积的83.83%，年均侵蚀模数为6 274.76 t/km2。侵蚀强度整体表现为微度侵蚀和轻度侵蚀。土壤侵蚀主要集中在草地，侵蚀面积占比高达55.50%，灌木林次之。在0～25°坡度范围内，侵蚀面积随着坡度的增大呈先增加后逐渐减少的趋势，但在>25°时达到最大侵蚀面积。微度侵蚀主要发生在0～10°坡度范围内，中度以上侵蚀等级的侵蚀面积均在>25°坡度范围时达到最大值。林草过牧滥伐、城镇无序扩张等不合理的人类活动是引起土壤侵蚀的主要原因，适度控制人类活动、提高植被覆盖率，是流域内今后土壤侵蚀治理及水土流失防治的重点。

关键词：土壤侵蚀；修正的通用土壤流失方程；估算；大通河流域

中图分类号：S157.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）08-1453-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.08.014

Study on Estimating Soil Erosion in Datong River Basin Based on RUSLE

SHEN Chen1，WAN Da-juan1，YIN Hui2，YANG Long3，ZHOU Hui2，XIONG Ling1

（1.Collge of Resources and Environment Science， Hunan Normal University， Changsha 410081，China；2.Department of Tourism，Huizhou University，Huizhou 516007，Guangdong，China；3.Qinghai Province Key Laboratory of Phycical Geography and Environment Process，Qinghai Normal University，Xining 810008，China）

Abstract： The soil erosion in Datong River basin was estimated and quantitatively evaluated in order to provide a scientific and rational basis for soil and water conservation and environmental protection of the basin. Based on the revised universal soil loss equation（RUSLE）， supported by remote sensing and geographical information system techniques， the situation of soil erosion in Datong River basin was estimated， and the differences in soil erosion under different land use types and different slope was discussed. The results showed that the erosion area in Datong River basin was 12 683.66 km2， accounting for 83.83% of the total basin area， and the annual mean soil erosion modulus was 6 274.76 t/km2. The erosion intensity was overall dominated by micro and slight degree erosion. Soil erosion was mainly concentrated in the grassland， whose erosion area accounting was up to 55.50%， followed by shrubbery. In the range of 0～25° slope， the soil erosion area increase with the increase of slope gradient until to a certain value， after which the erosion area decreased， but reaching the maximum value when the slope gradient greater than 25°. The micro degree erosion occurs mainly in the range of 0～10° slope， and the area of moderate erosion and above all reached the maximum value when the slope gradient greater than 25°. Irrational human activities， such as excessive deforestation， overgrazing and urban sprawl were the main cause of soil erosion. And to moderately control human activities and to improve vegetation coverage were the focus of future water loss and soil erosion prevention in Datong River basin.

Key words： soil erosion； revised universal soil loss equation； estimation； Datong River basin

土壤侵蚀是土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外力作用下被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程，是当今人类面临的一种普遍、持续性强的地质灾害[1]。流域内的土壤侵蚀会带来一系列严重后果，极易造成土地资源的破坏，增加河流输沙量，造成河流水量和水质的变化，最终引起生态环境恶化。大通河是黄河的二级支流，湟水河的一级支流，发挥着涵养水源及调控黄河源生态系统的重要作用。近年来，由于人类活动的强烈干扰，加之该流域独特的土壤地理环境，导致其土壤侵蚀程度不断加剧，迫切需要对流域内土壤侵蚀进行科学的估算和评价，为水土流失防治提供依据。

定量评估区域土壤侵蚀、分析土壤侵蚀空间分布特征是防治区域水土流失的基础[2]。传统的土壤侵蚀分析及预测方法需要大量的时间及人力物力投入，为有效开展土壤侵蚀预测及水土保持防治工作，国内外学者结合各自所在地区的实际情况提出了不同的预报模型，如美国的WEEP[3]（Water erosion prediction project）、欧洲的EUROSEM[4]（European soil erosion model）、荷兰的LISEM[5]（Limburg soil erosion model）等。修正的通用土壤流失方程[6]（Revised universal soil loss equation，RUSLE）是基于通用土壤流失方程[7]（USLE）所提出，针对USLE模型中的不足加以重新评估，使其具有更高的准确度和更强的实用性，是目前国内外应用最广泛的土壤侵蚀模型。近年来，国内学者将该模型广泛地应用在中国土壤侵蚀和水土流失的预测及治理工作中，取得了丰硕的成果[8，9]。在借鉴前人经验的基础上，基于修正的通用土壤流失方程（RUSLE），依據大通河流域的现状选择合理的方法计算RUSLE中各个因子值，运用遥感和地理信息技术，对大通河流域的土壤侵蚀进行估算和定量评价，以期为该流域的水土保持和生态环境保护工作提供科学合理的依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

大通河位于青藏高原东北部，发源于青海省天峻县托勒南山，流域范围介于98°30′-103°15′E， 36°30′-38°25′N之间，流域面积15 130 km2，干流全长560.7 km，自西北向东南依次流经青海省的天俊、祁连等11个县（区），与湟水汇合后最终注入黄河，是华热藏族地区最大的河流之一。大通河流域深居西北内陆，冬长夏短，气候严寒，冰冻期较长，属典型的大陆高原性气候，年平均降水量300～600 mm，年内降水主要集中在6～9月，占年降水量的70%左右，10月至翌年5月为旱季[10]。地势总体西北高、东南低，海拔在2 122～5 232 m之间；流域内的地貌类型主要有冰蚀构造高山、侵蚀构造中山、构造剥蚀低山丘陵、冰川冰水堆积台地及堆积平原[11]；主要土地利用类型有建筑用地、林地、灌木林、草地、旱地、裸地、水域等，主要土壤类型有高山石质土、山地棕褐土、黑钙土、栗钙土、草甸土、沼泽土等。

1.2 数据来源

采用的数据有1993～2012年大通河流域及其周边共5个气象站点的月降雨量，来源于中国气象科学数据共享服务网气候资料月值数据集；大通河流域30 m×30 m分辨率数字高程模型（DEM）；2011年美国陆地卫星Landsat/TM影像，空间分辨率为30 m×30 m；土壤数据选自青海省土壤图，来自第二次土壤普查；土地利用数据选自青海省2010年土地利用现状图。

2 研究方法

对大通河流域土壤侵蚀量估算研究采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE），该方程全面地考虑了自然要素对土壤侵蚀的作用机制，并综合体现在降雨侵蚀力、土壤可蚀性等多个不同的因子上，具有较强的科学性和广泛的实用性。其一般表达式为：

A=R×K×L×S×C×P

式中，A为年土壤侵蚀量（t/km2）；R为年降雨侵蚀力因子（MJ·mm/hm2·h）；K为土壤可蚀性因子[t·h/（MJ·mm）]；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子（L、S、C、P均无量纲）。

2.1 降雨侵蚀力因子

降雨侵蚀力是降水及其产生的径流所具有的引起土壤侵蚀的潜在能力，是土壤的水蚀动力[12]，其因子（R）与降雨量、降雨强度、降雨历时、雨滴的大小以及雨滴下降速度有关，但由于降雨过程等资料实地监测和数据获取难度较大，因而国内外学者提出了各种基于降雨量指标计算R的简易算法[13，14]。采用FAO通过改进Fournier[15]提出的流域降雨侵蚀力指数的方法来计算R，该方法综合考虑了年降水量和逐月降水量，且数据获取较为容易。其表达式如下：

F=■■

式中，pi为第i月降雨量，p为年降雨量。建立R与该指数的线性关系式：

R=a×F+b （1）

式中，R为降雨侵蚀力因子，a、b为常数，其数值取决于气候条件。根据大通河流域的气候条件以及国内外其他相似地区的类比分析，确定a与b的取值分别为4.17和-152。选取大通河流域及其周边5个站点1993～2012年的降雨数据，通过各个站点的年降雨量及各月降雨量，利用关系式（1）计算R。

根据多年平均R计算结果，通过对不同插值法的比较分析，在ArcGIS中选取精度较高的反距离权重法进行插值，得到流域降雨侵蚀力因子的空间分布图。

3 结果与分析

3.1 大通河流域土壤侵蚀现状分析

由表3可知，大通河流域土壤侵蚀总面积为12 683.66 km2，占流域总面积的83.83%，年均侵蚀模数为6 274.76 t/km2。从轻度侵蚀到剧烈侵蚀， 其面积分别为4 914.48、3 229.24、1 450.57、872.82、952.11、1 264.44 km2，占流域侵蚀总面积比分别为38.75%、25.46%、11.44%、6.87%、7.51%、9.97%，侵蚀面积先逐渐减少，后有小幅度增加。流域内侵蚀整体表现为以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，二者侵蚀面积占比高达64.21%；中度等级以上侵蚀面积共4 539.94 km2，占侵蚀总面积比例为35.79%，其中剧烈侵蚀主要集中在流域下游及环流域边缘的裸地分布区，侵蚀面积所占比例为9.97%。

3.2 大通河流域土壤侵蝕随土地利用类型的分布特征

不同土地利用类型对土壤侵蚀的影响主要表现在植被覆盖度、植被类型及水土保持措施等因子的差异上。根据大通河流域不同土地利用类型下土壤侵蚀面积统计结果（表4），土壤侵蚀主要集中在草地，侵蚀面积为7 039.44 km2，占流域侵蚀面积比高达55.50%，从大通河流域土地利用构成上看，草地是流域内主要的土地利用类型，加之盲目挖金采药、过度放牧导致的草场退化，可能是造成流域内土壤侵蚀面积集中在草地的原因。灌木林侵蚀面积为2 512.34 km2，仅次于草地，占侵蚀总面积的19.81%。虽然侵蚀面积大，但由于灌木林和草地植被覆盖度高，因此土壤侵蚀总量并不大。建筑用地和水域的侵蚀面积极少，仅分别占流域侵蚀总面积的0.45%、0.76%。裸地侵蚀面积占比为12.51%，由于植被覆盖度低，缺乏完善的水土保持措施，该区域也是土壤侵蚀的主要地带。

3.3 大通河流域土壤侵蚀随坡度的分布特征

坡度是影响土壤侵蚀的主要因子之一，不同地形起伏下的土壤侵蚀面积和强度呈现出一定的差异性。根据大通河流域不同坡度下土壤侵蚀面积的统计（表5），在0～25°坡度范围内，随着坡度的增大，各坡度范围的侵蚀面积分别为1 704.90、2 652.56、 2 051.97、1 625.87、1 274.37 km2，侵蚀面积呈先增加后逐渐减少的趋势，在>25°坡度范围内的侵蚀面积达到最大值3 369.75 km2。在0～10°坡度范围内，微度侵蚀到剧烈侵蚀的面积逐渐减小，在>15°坡度范围内，微度侵蚀到剧烈侵蚀的面积先逐渐减小，在强烈侵蚀处达到侵蚀面积最小值，后逐渐增大。从坡度与侵蚀等级的相关性上来看，微度侵蚀主要发生在0～10°坡度范围内，其侵蚀面积占微度侵蚀总面积的52.7%；中度以上侵蚀等级的侵蚀面积均在>25°坡度范围内达到最大值；随着坡度的增大，剧烈侵蚀的面积随之增加，在坡度>25°时达到剧烈侵蚀最大面积689.53 km2，占剧烈侵蚀总面积的53.5%。

4 小结与讨论

在地理信息系统技术的支持下，基于修正的通用土壤流失方程（RUSLE），通过合理选取模型中各因子的计算方法，估算了大通河流域土壤侵蚀状况，并探讨了不同土地利用类型和不同坡度下土壤侵蚀的差异性。主要结论如下：

1）总体上看，大通河流域土壤侵蚀总面积为12 683.66 km2，占流域总面积的83.83%，年均侵蚀模数为6 274.76 t/km2。侵蚀强度整体表现为以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，剧烈侵蚀所占比例为9.97%。从大通河流域土壤侵蚀强度分级图中可以看出，剧烈侵蚀主要集中在流域中下游及环流域边缘的裸地分布区，其中不合理的人类活动诸如林草过牧滥伐、城镇无序扩张等，加之裸地植被覆盖度低，缺乏有效的水土保持措施，是造成流域剧烈侵蚀的主要原因。贾俊姝等[22]关于大通县1995、2005年土壤侵蚀量估算研究中所得年侵蚀模数分别为6 855、5 183 t/km2，相比较之下，本研究估算的年均侵蚀模数与其相差并不大，目前流域内的侵蚀强度呈增强的趋势。

2）从大通河流域土地利用结构上看，草地是流域内主要的土地类型，土壤侵蚀也集中发生在草地，其侵蚀面积占比高达55.50%。虽然草地植被覆盖度较高，但由于存在退化，加之过度放牧、滥挖乱采等现象，草地的土壤保持和涵养水源的能力也会逐渐降低，出现大面积的土壤侵蚀和水土流失，侵蚀等级也会逐渐增加。因此，在流域内通过封禁修复、植树种草等措施提高植被覆盖度，减轻人类活动的不利影响，是区域土壤侵蚀防治的重点。

3）从不同坡度上的土壤侵蚀分异特征来看，微度侵蚀和轻度侵蚀主要发生在0～10°坡度范围内，各坡度范围的侵蚀总面积在>25°时达到最大值，中度以上侵蚀等级的侵蚀面积也均在>25°时达到最大值，结合其他地区的研究结果，坡度在25°以上的区域是土壤侵蚀易发生的地区，故针对>25°坡度范围的土壤侵蚀防治也是流域内土壤侵蚀预防及治理工作的重点。

参考文献：

[1] 史德明.如何正确理解有关水土保持术语的讨论[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4（4）：89-91.

[2] 李占斌，朱冰冰，李 鹏.土壤侵蚀与水土保持研究进展[J].土壤学报，2008，45（5）：802-809.

[3] NEARING M A，FOSTER G R，LANE L J. A process-based soil erosion model for USDA-Water Erosion Prediction Project Technology[J].Trans ASAE，1989（32）：1587-1593.

[4] MORGAN R. The European Soil Erosion Model： An Update on Its Structure and Research Base， In： RICKSON R（ED.） Conserving Soil Resources： European Perspectives[M].Cambridge：CAB International，1994.

[5] DE ROO A，WESSELING C G，RITSMA C G. LISEM： A single-event， physically based hydrological and soils erosion model for drainage basin.Ⅰ：Theory， input and output[J].Hydrological Processes，1996（10）：1107-1117.

[6] RENARD K G，FOSTER G R，WEESIES G A，et al. Predicting Soil Erosion by Water： A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss Equation（RUSLE）[M].Washington DC：United States Department of Agriculture，1997.

[7] WISCHMEIER W H，SMITH D D. Predicting Rainfall Erosion Losses from Cropland East of the Rocky Mountains：Guide for Selection of Practices for Soil and Water Conservation[M].Washington DC：US Government Printing Office，1965.

[8] 方广玲，香 宝，赵 卫，等.基于GIS和RUSLE的拉萨河流域土壤侵蚀研究[J].水土保持学报，2015，29（3）：6-12.

[9] 赵明松，李德成，张甘霖.基于RUSLE模型的安徽省土壤侵蚀及其养分流失评估[J].土壤学报，2016，53（1）：28-38.

[10] 刘赛艳，黄 强，刘登峰，等.青藏高原大通河流域气候要素时空演变特性分析[J].水资源与水工程学报，2015，26（3）：24-29，34.

[11] 吴恒卿，刘赛艳，黄 强，等.基于SWAT模型的大通河流域径流模拟[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2015，43（9）：210-216.

[12] 刘宝元，谢 云，张科利.土壤侵蚀预报模型[M].北京：中国科学技术出版社，2001.

[13] RICHARDSON C W，FOSTER G R，WRIGHT D A. Estimation of erosion index from daily rainfall amount[J].Transactions of the ASAE，1983，26（1）：153-156.

[14] 伍育鹏，谢 云，章文波.国内外降雨侵蚀力简易计算方法的比较[J].水土保持学报，2001，15（3）：31-34.

[15] FOURNIER F. Climat et Erosion[M].Paris：Presses Universitarires de France，1960.

[16] 刘吉峰，李世杰，秦宁生，等.青海湖流域土壤可蚀性K值研究[J].干旱区地理，2006，29（3）：321-326.

[17] MCCOOL D K，FOSTER G R，MUTCHLER C K，et al. Revised slope length factor for the universal soil loss equation[J].Transactions of the American Society of Agricultural Engineers，1989，32：1571-1576.

[18] LIU B Y，NEARING M A，RISSE L M. Slope gradient effects on soil loss for steep slopes[J].Transactions of the American Society of Agricultural Engineers，1994，37：1835-1840.

[19] WISCHMEIER W H，SMITH D D. Predicting Rainfall Erosion Losses：A Guide to Conservation Planting[M].United States：Science and Education Administration，1978.

[20] 蔡崇法，丁树文，史志华，等.应用USLE模型与地理信息系统IDRISI预测小流域土壤侵蚀量的研究[J].水土保持学报，2000， 14（2）：19-24.

[21] 杨 娟，葛剑平，李庆斌.基于GIS和USLE的卧龙地区小流域土壤侵蚀预报[J].清华大学学報（自然科学版），2006，46（9）：1526-1529.

[22] 贾俊姝，陈金莲，高 欣，等.基于RUSLE的大通县土壤侵蚀量估算[J].西北林学院学报，2012，27（2）：56-61.