基于CSLE模型的天山北坡西白杨沟流域土壤侵蚀定量评价

卢 刚

(新疆维吾尔自治区水土保持与生态环境监测总站, 新疆 乌鲁木齐 830000)

土壤侵蚀是地球表面的土壤物质在水力、风力等自然外力或人为因素的作用下发生的剥离、搬运和沉积的过程[1]。它在全球范围内发生最广泛，已经成为严重威胁着人类的生存与区域发展的重要生态环境问题[2-3]。土壤侵蚀研究受到国内外专家学者关注，经历了从定性研究到定量研究的转变[4]。面上土壤侵蚀评价主要的困难在于数据的可获得性以及数据的质量[5]。遥感具有规则重复观测能力，可以表征大面积的地表特征及变化[6]，是进行环境和灾害动态监测的先进有效的技术手段。结合遥感技术手段，开展面上水土流失监测工作，国内外学者已有一些研究成果。经过近40 a的发展，由于该模型对大多数应用者具有简单优势，而至今应用较为广泛[7-8]。另外GIS技术和RS技术促使在RUSLE模型在区域尺度上增加。GIS，RS和RUSLE模型结合提高了土壤侵蚀的数量和空间分布，同时可以降低评估成本和提高评估准确性[9]。通用土壤流失方程USLE[10-11]和修正通用土壤流失方程RUSLE[12]发展为国外经验模型的典型代表。2000年胡良军等[13]提出了基于遥感和GIS的区域水土流失定量评价方法。随后国内学者应用国外经验模型，对三江源[14]、江西省[15]、祁连山[4]、福建省长汀县河田盆地区[16]等地开展研究，评估了面上区域水土流失强度及空间格局，明确了土地利用等因子和土壤侵蚀的关系。中国土壤流失预报方程(CSLE)是刘宝元等[17]依据USLE模型，利用黄土丘陵沟壑区径流小区的实测资料提出。众多国内学者，将GIS，RS与CSLE模型相结合，对陕西省[18]、孤山川流域[19]、山东省临沂地区[20]，开展土壤侵蚀定量评估。可见在GIS和RS支持下，通过建立土壤侵蚀影响因子数据库，利用土壤侵蚀模型(如USLE，RUSLE和CSLE)进行土壤侵蚀定量评价，是区域土壤侵蚀评价研究的基本趋势，且多集中在湿润区，而对新疆干旱区而言，面上土壤侵蚀研究相对较少。且研究新疆水土流失主要集中在降水较大的伊犁河谷区域[21-22]，天山北坡区域研究鲜见报道。新疆维吾尔自治区地处我国西北部，欧亚大陆腹地，属典型的温带大陆性气候，干旱少雨，但降水脉冲特征空间差异明显[23]，降水量随海拔升高而增加，呈山区降水多平原降水少的格局[24]，且具有增强的趋势[25]。在天山北坡山区受季节性强降水影响，水蚀尤为明显，为新疆天山北坡水力侵蚀的典型区。而这些地区恰恰是新疆旅游经济和畜牧经济增长点，因此以天山北坡西白杨沟流域为研究对象，采用样地调查、地理信息系统(GIS)与遥感(RS)技术相结合方法，应用中国土壤流失预报方程(CSLE)，对西白杨沟流域进行土壤水力侵蚀评价及侵蚀强度空间分布分析，以期掌握西白杨沟的土壤侵蚀强度分布特征，地形和土地利用类型对土壤侵蚀量影响，可为新疆干旱区区域水土保持、土壤侵蚀研究提供数据支持，为新疆天山北坡区域经济发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西白杨沟流域(图1)位于新疆维吾尔自治区天山中段北坡，乌鲁木齐县甘沟乡内，距乌鲁木齐市区约75 km，东经87°03′—87°14′，北纬43°21′—43°27′。属温带大陆性气候，四季分明，夏季日照时间长，冬季较短。多年平均降水量为452.02 mm，降水量在年内主要集中在5—9月，占全年降水量的75.59%，其中尤其以5—8月的降水量为最集中，占全年降水量的66.59%。多年平均气温1.14 ℃，昼夜温差大，寒暑变化剧烈，日照时数长，热量充足。平均大风日数20 d，风向多为东南风。流域面积约72.04 km2，地处中山区与低山区的过渡带，地势总体西南高，东北低，海拔高度约1 918～3 800 m，地面自然坡降为3.2%～5.1%。北坡地形陡峭，南坡地形坡度较缓。林地零星分布于阴面山坡，冲沟发育。土地利用类型多为天然牧草地(78.73%)和有林地(17.68%)。研究区内主要分布栗钙土，质地为中、轻壤土，有机质含量在6.6～29.2 g/kg之间。植被主要生长蒿草、鸭茅、早熟禾、苜蓿、针茅、披碱草和云杉等。西白杨沟的水系发源于海拔3 319 m的北天山天格尔Ⅱ峰。上源由二条河道汇集而成，由西南向东北方向流，在白杨沟瀑布附近汇合，后继续流向东北方向，最后注入大西沟，全长23 km。它是一条由冰雪融水、降雨及地下水混合补给的河流，其径流组成大致为：冰川融水占12%，融雪水占37%，降雨占36%，地下水占15%。其多年平均径流量为2.44×108m3，年最大径流量3.44×108m3，年最小径流量为1.75×108m3。

图1 西白杨沟流域划分及地形

1.2 数据获取

(1) 空间数据。为了获取CSLE模型中生物措施因子(B)，从美国地质调查局官网(USGS)获取2015年8月的Landsat 8 OLI遥感影像，空间分辨率为30 m，融合处理得到空间分辨率为15 m，为了与地形数据空间分辨率对应，将其重采样为10 m；基于新疆维吾尔自治区测绘局地形图(1∶10 000)，采用ArcGIS软件对地形图数据处理得到10 m的数字高程模型数据(DEM)；获取研究区2015年第二次土地调查的土地利用数据。

(2) 气象数据。由于新疆的气象站点多分布在平原区，在山区的气象站点稀缺。为准确获取天山山区降水数据，在距流域出水口1.5 km处布设一套自动气象站，通过自动气象站获得2015年共15次降雨过程资料，以10 min为间隔记录的降水数据。

(3) 土壤与植被盖度。由于研究区处于天山山区，按照均匀样点方式采样比较难。在考虑土地利用、样点分布及可到达基础上，在研究区内布点(附图1)，并进行实地的土壤采样，分析土壤质地及有机质的含量。土壤有机质用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定；土壤颗粒组分采用筛分法和比重计法测定。对研究区内草地植被盖度、林地郁闭度通过数码相机照相获取后处理得到。

1.3 土壤水力侵蚀量的计算方法

1.3.1 CSLE模型 本研究采用的是刘宝元参考USLE的有关思想针对中国实际提出适用于全国范围的中国土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)模型[17]。其表达式为：

M=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：M——单位面积年均土壤流失量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蚀力因子〔MJ/(hm2·a)(mm·h-1)〕；K——土壤可侵蚀因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡长因子；S——坡度因子单位；B——生物措施因子；E——工程措施因子；T——耕作措施因子。

1.3.2 降雨侵蚀力因子(R) 美国的Wischemeier等[11]于1971年进行了大量的样地试验，结合大量的实测资料，提出了以降雨总动能E和30 min最大降雨雨强I30的乘积作为降雨侵蚀力指标的经典计算方法。其表达式为：

R=E·I30

(2)

式中：R——降雨侵蚀力因子〔MJ/(hm2·a)(mm·h-1)〕；E——降雨总动能；I30——雨强。将上式计算出的每次降雨的降雨侵蚀力累加得到年降雨侵蚀力。由于区域面积不大，周边相邻的气象站距离较远，在距离研究区1.5 km处布设一个自动气象观测站，以10 min为间隔记录的降水数据。因此采用EI30计算，“以点带面”方法获得研究区降雨侵蚀力因子。

1.3.3 土壤可侵蚀因子(K) 土壤可蚀性是指土壤受到侵蚀力的破坏性能的难易程度，是土壤对侵蚀介质的剥蚀和搬运作用的敏感性，是影响土壤侵蚀的内在因素。K的确定采用Williams等在EPIC模型中K的算法[26]。

(3)

式中：SAN——砂粒含量(%)；SIL——粉粒含量(%)；CLA——黏粒含量(%)；C——有机碳含量(%)； SN1=1-SAN/100。K值单位〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕。利用ArcGIS采用克里金法得出流域土壤K栅格图(附图2)，K的范围为0.01～0.06〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕，与梁音等对新疆土壤可侵蚀K的研究成果[27]基本一致。

1.3.4 坡长因子值(L)与坡度因子值(S) 坡长与坡度反映了地形地貌特征对土壤侵蚀量的影响。采用Foster等[28]于1974年提出的分段坡坡长因子公式来计算区域上每一栅格的坡长因子，计算公式为：

(4)

式中：Li——第i个栅格的坡长因子；λout，λin——栅格出口及入口的坡长；m——坡长指数。根据刘宝元等[29]的研究结果，坡长指数m取值为:m=0.2，θ<0.5°；m=0.3°，0.5°≤θ<1.5°；m=0.4，1.5°≤θ<3°；m=0.5，θ≥3。根据国内外的研究成果，由于不同坡度对土壤侵蚀强度影响不同，在不同的坡度范围下分别选用不同的公式来计算坡度因子。10°以下的坡度选用McCool[30]的公式，10°以上的坡度选用刘宝元等[31]的公式，计算公式为：

(5)

式中：S——坡度因子；θ—— 坡度(°)。

1.3.5 水保措施因子(BET) CSLE模型将水保措施因子分为生物措施因子(B)、工程措施因子(E)以及耕作措施因子(T)。植被指数作为一种重要的遥感归一化参数，并已作为一种遥感手段广泛应用于土地利用覆盖探测、植被覆盖密度评价、作物识别和作物预报等方面。本研究参照Choudhury等的研究成果[32]，利用Landsat8遥感影像，根据下式计算植被覆盖指数：

NDVI=(IR-R)/(IR+R)

FCI=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(6)

式中：FCI——植被覆盖度(%)； NDVI——归一化植被指数值； NDVImax，NDVImin——研究区不同土地利用类型在95%和5%的置信区间的NDVI最大值和最小值。

本研究采用蔡崇法等[33]的方法，即根据生物措施因子(B)与植被覆盖度FC的关系公式进行B值的估算(附图3)，其值介于0～1之间。

(7)

式中：B——生物措施因子；FC——植被覆盖度(%)。

工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)。根据高分辨率谷歌影像解译，结合实地调查，确定研究区内无相关工程措施和耕作措施，均赋值为1。

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀强度分级面积与分布

依据国家水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准(SL190-2007)》确定土壤侵蚀强度分级指标[16]，将流域土壤侵蚀强度分为6级，即微度〔0～1 000 t/(km2·a)〕、轻度〔1 000～2 500 t/(km2·a)〕、中度〔2 500～5 000 t/(km2·a)〕、强烈〔5 000～8 000 t/(km2·a)〕、极强烈〔8 000～15 000 t/(km2·a)〕和剧烈〔>15 000 t/(km2·a)〕。如表1所示，微度侵蚀面积为4 973.45 hm2，占流域总面积的69.03%；轻度侵蚀面积为1 546.49 hm2，占流域总面积的21.47%；中度侵蚀面积为558.46 hm2，占流域总面积的7.75%；强烈侵蚀面积为109.57 hm2，占流域总面积的1.52%；极强烈侵蚀面积为16.58 hm2，占流域总面积的0.23%。剧烈侵蚀面积为0.17 hm2，占流域总面积的0.002%。研究区内平均土壤侵蚀模数748.91 t/(km2·a)。天山北坡西白杨沟流域土壤侵蚀强度总体以微度和轻度为主。

表1 研究区土壤侵蚀强度分级面积表

微度侵蚀主要分布于西南高山区,西白杨沟流域上游区域；轻度侵蚀主要分布整个流域；中度侵蚀主要分布在流域的中游和下游；强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀主要分布在流域的中下游和下游(附图4)。

2.2 坡度对土壤侵蚀的影响

将流域地形坡度以10°为间距，分为8类(表2)。在坡度20°～40°间，土壤侵蚀模数较高，在1 127.22～1 229.62 t/(km2·a)；在其他坡度范围(<20°和>40°)土壤侵蚀模数较低，在113.12～833.17 t/(km2·a)之间。从不同坡度的土壤侵蚀模数标准差来看，在坡度20°～40°间的标准差较大，在1 396.90～1 425.482 t/(km2·a)范围间；而在其他坡度(<20°和>40°)，其标准差在316.80～887.75间波动。从不同坡度的区域土壤侵蚀模数总数来看，在坡度20°～40°间，土壤侵蚀模数51 876.80 t/a，占总土壤侵蚀比重70.27%。可见整个流域内土壤侵蚀主要发生在坡度20°～40°间，主要原因是在20°～40°间土地面积较大，为4 405.02 hm2，且土壤侵蚀模数较高所致。坡度20°～40°间坡度较大，植被较稀疏，土壤可侵蚀性较高，三类关键因子耦合作用驱动水土流失，引起土壤侵蚀强度较大；而在坡度更大(>40°)区域，虽然植被稀疏，但基本为裸露岩石，三类关键因子综合作用抑制土壤侵蚀。所以20°～40°区域应是今后该流域水土流失的重点治理对象。

表2 研究区不同坡度的土壤侵蚀模数

2.3 坡向对土壤侵蚀的影响

依据坡向(方位角)不同，以45°为角度间距，分为8个方向(表3)。在南坡侵蚀最高，为1 179.55 t/(km2·a)；其东南坡和东坡的侵蚀较高，分别为1 018.53，1 042.81 t/(km2·a)；而在北坡的侵蚀最低，为710.19 t/(km2·a)；其他坡向的侵蚀在744.50～909.42 t/(km2·a)间。从不同坡向的土壤侵蚀模数标准差来看，在南坡最高，为1 623.79；其次是东南、东、西南坡土壤侵蚀标准差，分别为1 530.69，1 456.44，1 267.41；在西、西北、北坡土壤侵蚀标准差较低，在841.32～870.40间。从不同坡向的区域土壤侵蚀模数总数来看，南坡土壤侵蚀模数总数最大，为11 189.55 t/a，占整个流域土壤侵蚀的17.10%；其次是在东南和东坡，土壤侵蚀总数分别为10 663.32，10 663.32 t/a，分别占整个流域土壤侵蚀的16.29%和15.36%；在西北坡土壤侵蚀总数最低，为5 173.93 t/a，仅占整个流域土壤侵蚀的7.91%。综上所述，土壤侵蚀主要在南坡、东南坡和东坡易发生，且占整个流域土壤侵蚀总量比重较高。坡向对天山北坡的水热分配较为明显，促使土壤侵蚀强度的空间异质性较高。南坡、东南坡和东坡是今后该流域水土流失的重点治理对象。

表3 研究区不同坡向土壤侵蚀模数

2.4 土地利用类型对土壤侵蚀的影响

从土地利用角度来看，灌木林地平均土壤侵蚀模数最大1 709.80 t/(km2·a)；其次为有林地，平均土壤侵蚀模数达到1 389.40 t/(km2·a)。而天然牧草地、人工牧草地和水浇地平均侵蚀模数均较低，分别为605.20，334.71，113.69 t/(km2·a)。从侵蚀模数标准差来看，灌木林地和天然牧草地较高，分别为1 606.71，1 197.17。而人工牧草地和水浇地较低，分别为440.92和166.31，说明灌木林地和天然牧草地侵蚀模数变异性较大，人工牧草地和水浇地侵蚀模数变异性相对较小。从不同土地利用类型的土壤侵蚀模数总数来看，天然牧草地和灌木林地较高，分别为34 460.66，17 766.58 t/a。而人工牧草地和水浇地较低，分别为32.10，0.27 t/a。这主要是由于在流域内人工牧草地和水浇地面积较小，而且平均侵蚀模数也较低所致(表4)。

表4 不同土地利用类型的土壤侵蚀模数

3 讨论与结论

3.1 讨 论

(1) 天山北坡水土流失一直倍受学者和政府关注。本文以乌鲁木齐县西白杨沟流域为研究区，采用样地调查、地理信息系统(GIS)与遥感(RS)技术相结合方法，应用中国土壤流失预报方程(CSLE)，对西白杨沟流域进行土壤水力侵蚀评价及侵蚀强度空间分布分析。发现天山北坡西白杨沟流域土壤侵蚀强度总体以微度为主，主要分布于西南高山区,西白杨沟上游区域；中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀也不容忽视，中度侵蚀主要分布在流域的中游和下游；强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀主要分布在流域的中下游和下游。

(2) 据2012年第一次全国水利普查水土保持情况公报，全国水力侵蚀面积为1.29×106km2，占普查范围总面积的13.65%，其中轻度侵蚀面积最大，中度侵蚀面积次之，分别为51.62%和27.18%；新疆水力侵蚀总面积8.76×104km2，占普查范围面积的6.77%，其中轻度侵蚀面积最大，中度侵蚀面积次之，分别为74.06%和21.04%[34]，可见新疆地区水力侵蚀强度低于全国平均水平，但占自治区面积比例较大，使得占全国侵蚀面积比例大。在天山北坡西白杨沟流域微度、轻度、中度侵蚀面积分别占流域总面积的69.03%，21.46%和7.75%；相比较而言，天山北坡西白杨沟流域侵蚀强度接近新疆平均水平。

(3) 新疆地区四周高山环绕，在地形上高山与盆地相间，形成明显的地形单元，呈“三山夹两盆”的特征，海拔-154～8 611 m之间，在每个地形单元中，由冰雪覆盖的高山、浅山丘陵区、绿洲农业区、荒漠过渡带和沙漠组成。新疆气候属典型的大陆性干旱气候，南疆干旱，光照长，少雨，年降水量仅20～100 mm，而北疆却达100～500 mm，山区多年平均年降水量在200～500 mm。依据《土壤侵蚀分类分级标准(SL190-2007)》，在全年日平均风速<5 m/s，且年平均降水量>300 mm，天山北坡(山区)地区划分为水力侵蚀区。由于南北疆气候差异，两大盆地的土壤植被呈现不同特点。天山北坡低山区，主要生长蒿草、鸭茅、早熟禾、苜蓿、针茅、披碱草和云杉等。山地以栗钙土、灰褐土、黑毡土为主。基于以上地形、气候、植被、土壤分异特征促使新疆水力侵蚀主要分布在北疆的伊犁州、天山南北坡地带低山区域[34]。本文研究发现，中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀也不容忽视，中度侵蚀主要分布在流域的中游和下游；强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀主要分布在流域的中下游和下游，这与郭索彦[35]等研究结论基本一致。

(4) 有研究表明天山北坡水土流失中自然条件(降水)并不是导致泥沙产生的决定因素，山区日益扩张的放牧活动以及森林采伐行为，是影响河流泥沙输沙量增加的主要因素[36]。

(5) 本文在利用中国土壤流失预报方程(CSLE)对天山北坡西白杨沟流域土壤水力侵蚀定量评价中依然存在亟待解决的问题。如植被盖度因子采用了蔡崇法等方法直接计算，在新疆本地并没有通过系统性试验修正；降雨量空间差异较大，采用一个自动气象站，“以点带面”会带来不确定性。西白杨沟流域是天山北坡放牧和旅游干扰典型区域，人为干扰影响到土壤结构、植被盖度等因子，引起土壤可蚀性和植被盖度因子动态变化，因此人为活动干扰将是天山北坡水土流失研究方向之一。

3.2 结 论

(1) 天山北坡西白杨沟流域平均土壤侵蚀模数748.91 t/(km2·a)，土壤侵蚀强度总体以微度为主，强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀主要分布在流域的中下游和下游。

(2) 地形因素对土壤侵蚀的影响呈明显分异格局，在坡度20°～40°区域，土壤侵蚀模数最高，在1 127.22～1 229.62 t/(km2·a)之间。在缓坡(<20°)区域，坡度对土壤侵蚀模数呈正效应，而在陡坡(40°～70°)区域，坡度对土壤侵蚀模数呈负效应。土壤侵蚀主要在南坡、东南坡和东坡，且占整个流域土壤侵蚀总量比重较高。

(3) 不同土地利用方式对土壤水力侵蚀程度影响不同。灌木林地平均土壤侵蚀模数最大1 709.80 t/(km2·a)；其次为有林地，平均土壤侵蚀模数达到1 389.40 t/(km2·a)。而天然牧草地、人工牧草地和水浇地平均侵蚀模数均较低，分别为605.20，334.71，113.69 t/(km2·a)。