基于 USLE 模型的承德市水土流失敏感性时空演变分析

贾学斌，张超，朱永明

(1 河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000；2 北京市密云区农机化技术推广服务站，北京 101500)

水土流失是目前我们亟须解决的一个重大环境问题。由于内外两种力的影响，造成使土壤受到损害，水资源流失，还会降低土地生产力，严重的可能会引发更大规模且危害更大的自然灾难[1]。世界上水土流失较为严重的国家有很多，我国就是其中之一，由此而引发的一系列生态问题，对我国各区域之间的协调平衡以及国民经济的健康稳定发展都造成了严重影响[2]。

一般认为，水土流失敏感性是指自然状态下，区域生态系统发生水土流失潜在可能性大小及其程度[3-4]。其诱因很多，包括地形起伏度、降水、河网密度、高程变异系数、土壤质地、地沟壑密度、植被类型等[5-6]。通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用土壤流失方程(RUSLE)是目前国外具有代表性的水土流失敏感性评价模型[7-8]。杨勤科等通过对前人关于水土保持方面的定量研究进行归纳总结，指出我国这一方面的研究应该在结合当地实际情况的同时借鉴国外模型经验[9]。凡非得等借助 GIS 技术，选取体现喀斯特地区特性的 5 个敏感因子，通过单因子和多因子综合评价来研究当地的水土流失敏感性[10]。王娇等基于 USLE 方程，针对太行山区特点，构建了水土流失敏感性评价指标体系[11]。从本质上看，评价水土流失的敏感性可以发现容易发生水土流失的区域，进而评价人类活动对其造成的影响程度[12]。它用来衡量生态失衡的可能性，也是地区生态系统稳定性的体现。

目前，我国关于此方面的研究大多是结合研究区实际测算因子值进行实证研究，且多以区域或流域为研究单元，研究区地形条件相对一致，而针对山区和高原地域的综合研究非常有限，综合2种地形研究水土流失敏感性对保护其生态安全却有非常重要的作用。承德市地形地貌较为复杂，拥有高原和山地两大地形特征，自然条件总体较差，拥有较高的生态环境敏感性和脆弱性，同时承德市作为京津冀的水源涵养区，承担着为北京、天津、唐山供水的重任，是京津冀地区重要的生态屏障，其生态功能作用和地位都非常重要，针对承德市进行水土流失敏感性评价是非常迫切的。因此，以承德市为研究区，构建适合高原山地综合地域的水土流失敏感性指数模型，探究其水土流失敏感性时空演变规律，旨在为承德市水土流失敏感性研究提供参考，并为承德市加强重要区域生态保护、优化国土空间开发格局和山水林田湖草生态修复措施提供思路。

1 研究区概况

承德市地处河北省东北部，行政区域面积 39 519 km2，是河北省地域面积最大的中心城市。该市地处燕山深处，地形复杂，山脉纵横，河流交错，大部分为石质山区，小部分为土石山区；土壤类型丰富，以棕壤、褐土和灰色森林土为主，但土层较薄，约 10 ～ 40 cm。全市海拔多在 1 200 ～ 2 000 m，因此气候南北差异明显，自然灾害多为旱涝、风灾、霜冻等。承德市地势自西北向东南呈阶梯下降，北部为内蒙古高原的东南边缘，中部为浅山区，南部为燕山山脉。全区属于半干旱半湿润大陆性季风性山地气候，年平均气温 5.0 ～ 9.0 ℃，年降水量 450 ～ 850 mm，分布差异较大，基本上由东南向西北递减，降水主要集中在夏季，同时受山地气候影响，多以暴雨出现，水土流失严重，森林水源涵养能力较低。境内共有4个流域，以滦河流域为主。市内物种资源丰富，共有2个植被带，即坝上高原的温带草原植被带和暖温带落叶阔叶林植被带；拥有多个省级以上自然保护区、湿地公园、森林公园等，还包括一些著名风景名胜，不仅能够调节周边气候，更是京津冀地区重要的生态屏障。

2 研究方法

首先对数据进行预处理，借助 ArcGis 10.2 将 2009 年、 2013 年、 2017 年承德市及其周边气象站点数据矢量化，通过反距离加权方式进行插值，获取承德市降雨量图层；通过镶嵌融合将从“地理空间数据云”网站获取的 12 景 DEM 数据合并获得承德市 DEM 数据；借助 ENVI 4.7 软件，通过拼接、投影转换等将来源于美国 NASA 网站的 16 d合成的 2009 年、 2013 年和 2017 年 3 期 MODIS 数据进行处理，统一定义投影坐标，经裁剪最终获得研究区的 NDVI 数据。研究所涉及的其他矢量数据主要包括：承德市土地利用现状数据(全国二调及年度更新矢量数据)，承德市 1∶10 万土壤类型图，承德市行政区划矢量图。

研究参考水土流失敏感性相关技术规程，基于 USLE 模型选取降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度、植被覆盖、水土保持措施 5 个基本因子构建水土流失敏感性评价指数模型；并确定敏感性评价等级体系，对各因子进行分级评价形成因子图层，代入模型计算承德市水土流失敏感性分值，形成水土流失敏感性评价体系[7]。然后对承德市水土流失敏感性结果展开分析，首先是对单因子敏感性进行评价分析，然后进行综合分析，包括数量演变分析及时空演变分析。最后，对承德水土流失敏感性情况进行总结，并结合承德市生态环境现状提出生态优化的建议措施，为承德市加强重要区域生态保护、优化国土空间开发格局和科学制定生态修复措施提供参考。

2.1 模型选择

承德市拥有高原和山地两种地形，自身限制条件较大。考虑到研究区实际情况以及数据源限制，参考相关规程、标准，并查阅相关论文。本研究基于使用最为广泛的通用土壤侵蚀模型(USLE)选取评价因子，构建水土流失敏感性指数模型，开展承德市水土流失敏感性评价工作。 USLE 模型的优点是评价因子涉及面较广，是经验统计模型的典型代表，所以在评价水土流失中得到广泛的应用。

水土流失敏感性指数模型表达式如下：

(1)

式中，A为土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为坡度坡长因子；C为植被覆盖度因子，P为水土保持措施因子。

2.2 评价因子确定

在选择影响因子时，要从多方面、多角度入手，不仅要选取代表性极强的自然影响因子，还要考虑到人为因素对研究区造成的破坏。因此，本文基于 USLE 模型并结合承德市的自然环境以及与地理位置，选择以下 5 个基本因子，构建水土流失敏感性评价体系。

(1)降雨侵蚀力因子(R)

降水是一种重要的自然资源，同时也是土壤侵蚀的主要动力。雨滴掉落到土壤表层，会对其产生冲击，使其颗粒分离，而且雨水汇集而成的径流也会对土层产生冲刷和转移，从而导致水土流失。章文波、马小晴等通过大量计算和对比，总结出日降雨资料计算的降雨侵蚀力因子精度和准确性最好[13-14]。由于日降雨资料的不足，所以采用马志尊计算太行山区的经验方程，按此计算R值并进行修正[15]。其模型如下：

(2)

式中：R为年降雨侵蚀力指标值；Pi为第i月的降雨量(mm)；P为年降雨量(mm)。

(2)土壤可蚀性因子(K)

土壤可蚀性因子K是 USLE 模型中重要的指标因子，它表示土壤受到外力作用产生地表冲刷，从而导致土壤颗粒分离和搬移的敏感程度。K值越大，土壤遭受侵蚀的可能性也就越大。其计算方法较多，但大多方法所需各项指标参数较难获得。对于K值确定，主要参考门明新、曹祥会等估算的河北省土壤可蚀性K值并结合承德市土壤类型图和 EPIC 公式共同赋值得到[16-17]。

(3)坡长坡度因子(LS)

坡度坡长因子是土壤侵蚀过程中的重要指标，包含坡长因子L和坡度因子S。一般情况下，坡度和坡长越大，径流能量就越大。因此对坡面的冲刷能力就越强，土壤受到侵蚀作用的能力也就越强。首先分别计算L和S，然后将二者相乘得到LS。

L值计算采用 Wischmeier 提出的公式，其表示在其他同等条件下，一定坡长与边坡长为 22.1 m 的土壤侵蚀量之比[7]。

(3)

式中：L为坡长因子，λ为水平坡长，m为坡长指数，θ为坡度值[8]。

S因子能定量反映坡度与土壤流失量之间的关系，本文采用刘宝元的坡度公式[18]。其计算方程如下：

(4)

式中：S为坡度因子，θ为坡度值。

(4)植被覆盖与管理因子(C)

植被覆盖具有涵养水源、固定土壤、拦截水流、调节水文状况等生态功能，增加植被覆盖可以有效降低水土流失区的土壤侵蚀量，减弱水土流失发生的概率，并且对控制土壤侵蚀具有非常显著的作用。 USLE 模型中C的值在 0 到 1 之间。这个数值是指有良好管理措施或者有绿色植被覆盖地区与同样条件下无植被地表裸露地区的土壤侵蚀量的比值，它反映土壤受植被覆被的影响程度。一个地区土壤表面附着的植被越多，受到的侵蚀就越少。本研究采用蔡崇法等建立的C值模型，它反映了植被覆盖度和C因子的线性关系[19]。方程如下：

(5)

(6)

式中：c为植被覆盖度，NDVI为归一化植被指数，NDVImax为研究区内全植被覆盖的NDVI值；NDVImin为研究区全裸地或无植被覆盖的NDVI值。

(5)水土保持措施因子(P)

水土保持措施是指采用了一定水土措施与未采用措施的土壤侵蚀量之比。由于土地利用程度和覆被变化能够表示水保措施的差异，并且已有相关研究采用土地利用类型来表征水土保持措施因子。所以本文根据前人已有的相关研究和文献，将土地利用类型分为耕地、林地/园地、草地、建设用地/水域和未利用地，并且采用分级赋值的方法来确定水土保持措施P值[20-21]。具体分级标准见表 1 。

2.3 敏感性评价等级体系确定

根据上述各因子特征，通过查阅相关文献和技术规程，结合研究区生态环境现状调查情况，将各生态因子敏感性分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、重度敏感和极敏感 5 个等级[11,14,20,21]。各因子分级标准见表 1 。

表1 承德市水土流失敏感性评价指标体系及分级标准

3 结果与分析

3.1 单因子敏感性评价结果

使用空间分析工具对5个敏感因子的数据图层按照表 1 中敏感性等级进行重分类，即可得到各生态因子的敏感性分布结果，如图1、图2、图3所示。

图1 2009 年承德市水土流失敏感性因子分级图

Figure 1 The classification map of soil erosion sensitivity factors in Chengde City in 2009

图2 2013 年承德市水土流失敏感性因子分级图

图3 2017 年承德市水土流失敏感性因子分级图

观察图1、图2、图3的各敏感因子分级图及统计数据，对坡度坡长因子、水土保持因子、土壤可蚀性因子、降雨侵蚀因子、植被覆盖与管理因子等5个单因子敏感性的评价结果分别进行分析。具体分析结果如下：

承德市坡度坡长因子敏感性等级较低，承德市地形地貌虽然复杂，海拔在 118 ～ 2 215 m 间，但在太行山区其平均海拔较低，因此基于该因子的敏感性较低。

水土保持措施因子以中度敏感为主，中度敏感区占总面积的 63.14%，主要分布在围场的御道口牧场管理区、丰宁县中部及北部地区等坝上草原地区，其他县市区也均有零星均匀分布，主要是由于干旱、风力强劲和地质地貌等因素使得本地区水土流失加剧；其次是重度敏感区，占总面积的 21.15%，主要分布在各县市区中心位置，多是人类建设活动频繁地区。

人工智能程序的使用者，或者智能创作机器人的所有者，可以因其对人工智能程序的合法使用权或者对智能创作机器人的所有权，类比孳息的财产权权利归属于原物权利人的原则获得对人工智能生成数据的财产权，①参见袁真富2017年9月2日在“人工智能带来的版权挑战”主题沙龙上题为“人工智能生成内容的著作权五问”的发言。但并不能自动拥有对数据所体现独创性表达的知识产权，除非其也完成了对该独创性表达的挖掘。

土壤可蚀性因子敏感性总体较高，以重度敏感为主，占总面积的 66.23%，主要分布在承德市中南部等地区，这些地区大都是山地，处于冀北山地和燕山山地带上，地形复杂、土壤较为贫瘠、容易遭受侵蚀，此外由于城镇的开发扩建以及矿山的开采导致植被退化，土壤质地变差易被侵蚀，因此大多敏感性较高。

降雨侵蚀因子敏感性水平总体呈上升趋势，2009 年敏感性水平总体较低，主要以不敏感性为主，占总面积的 75.54%；2013 年敏感性水平开始上升，轻度敏感占比最大，占总面积的 53.63%，其次是不敏感区，占 30.14%；2017 年敏感性整体呈较高水平，主要以中度和极敏感为主，占比分别为 36.81%和 32.41%，而不敏感和轻度敏感分别降至 2.25%和 12.74%。敏感性水平整体由东南向西北递减，2009 年时不敏感区主要分布在围场、丰宁、隆化、滦平、兴隆等承德市西部地区；而 2013 年，轻度敏感区占据大多地区，囊括丰宁及围场县的北部、隆化、滦平、承德市区、平泉市等承德市中部地区及北部地区；2017 年不敏感和轻度敏感区逐渐减少，仅分布在丰宁和围场县中部以及市区，而南部和北部则主要变为极敏感区和中度敏感区。造成这一现象主要原因是近些年来承德市降水量变大，且分布差异较大，基本上由东南向西北递减。

植被覆盖与管理因子敏感性整体变化水平不大，但也呈现出逐渐上升趋势。2009 与 2013 年敏感性水平均以中度和重度为主，占比为 54.00%左右；截止 2017 年，中度和重度敏感仍然占据主要地位，且占比之和升至 59.91%，增长了约十个百分点。此外，不敏感和轻度敏感区占比有所下降，极敏感区上升至 12.34%，比前几年略有增长。这部分变化地区主要位于丰宁、隆化、围场以及平泉市，敏感性上升的主要原因是开发建设活动占用优质的耕地和土地资源等导致植被覆盖度降低。

3.2 水土流失敏感性综合评价结果

考虑不同因素因子的作用差异，基于水土流失敏感性评价指数模型借助 ArcGis 10.2 中的栅格计算器(Raster Calculator)进行空间运算，得到 2009 、 2013 和 2017 年的水土流失敏感性栅格图，其结果值的范围为 1 ～ 6.53 、 1 ～ 7.22 、 1.25 ～ 6.87 。然后根据表 1 的标准进行分级，得到3期水土流失敏感性分级图，见图4 。

图4 2009-2017 年承德市水土流失敏感性空间分布图

Figure 4 Spatial distribution map of soil erosion sensitivity in Chengde City from 2009 to 2017

3.2.1 承德市水土流失敏感性数量演变分析 根据获得的 2009、2013、2017 年的水土流失敏感性等级分布图(图4 )，对各等级面积进行统计并对其变化情况进行分析，结果如图5 所示。

图5 2009-2017 年承德市水土流失敏感性等级面积占比

从图5 中可以直观地看到 2009 年到 2017 年这 3 a不同等级面积占比情况。总体来说，承德市水土流失敏感性主要集中在轻度和中度敏感，这 3 a中占比分别为 76.62%、 79.67%、 70.03%，整体变化较小；从 2009 到 2017 年，不敏感和轻度敏感区域占比逐年下降，而中度、重度以及极敏感区占比均表现出增长态势，且西北部和中部偏东南方向升高较为明显。这说明近几年承德市的生态环境受到一定破环，导致较高敏感区的面积增加。

结合承德市水土流失敏感性空间分布图(图4)可以看出，3期水土流失敏感性等级分布较为明显，整体等级分布呈现出由东南向西北递减的趋势。不敏感、轻度敏感区面积逐渐缩减， 2009 年时占全域总面积的 76.88%，分布在承德市西部、北部等大部分地区，截止到 2017 年下降到 29.61%，减少了约 2.5 倍，此时只有丰宁县北部及中部、围场县西北部和东部有较低敏感区分布，其他地区有零星分布。中度敏感区总体上呈现出上升趋势，到 2017 年基本覆盖承德市大部分地区，占到 43.49%，将近一半。重度敏感、极敏感区起初只在宽城满族自治县和平泉市等零星分布，随时间推移，兴隆、鹰手营子矿区、平泉市南部开始有零星分布，到 2017 年，滦平、兴隆、鹰手营子矿区、宽城、平泉市和承德县接壤地区均有分布，其他地区也有零星分布。

对比各敏感性因子等级分布可以看出，水土流失敏感性的分区与降雨侵蚀力因子的分区和植被覆盖的分区表现出较强的相关性，同时也表明影响水土流失敏感性最重要的因子是降水和植被覆盖。观察分析图1-图3 ，2017 年的植被覆盖与管理因子与 2013 年相比，低值区面积较少。而 2017 年降雨侵蚀力因子数值比 2013 年增加了约 2 倍，这是导致 2017 年水土流失重度敏感和极敏感区面积增大的主要原因。可见 2017 年水土流失重度敏感区和极敏感区面积增加是暴雨冲刷和植被覆盖度降低所致。

3.2.2 承德市水土流失敏感性时空演变分析 为了揭示承德市水土流失敏感性空间演变特征，利用 ArcGis 10.2 软件的空间叠置功能和 Excel 制作水土流失敏感性等级强度和等级面积变化表，结果如表 2 和图6 所示。

表2 承德市水土流失敏感性等级面积变化情况表

图6 承德市水土流失敏感性等级变化图

3.2.2.1 2009 - 2013 年水土流失敏感性时空演变分析 观察表2 、图6，承德 2009 - 2013 年间水土流失敏感性等级变化波动较小，等级无变化地区占据主导地位，面积为 23 890.33 km2，占比 60.45%，包括丰宁、围场、承德市区、承德县等地区；主要是由于这几年降雨差异较小，其R值无明显变化。而等级发生变化的主要是等级上升部分，该区域面积为 12 266.84 km2，占比为 31.04%，且以升高 1 个等级为主，主要是从轻度上升至中度敏感，隆化、滦平、兴隆变化最为明显，变化最主要的原因就是城镇扩张影响，人口增多开始大量开发建设，再加上降水增加，导致水土流失严重。敏感性等级下降区面积为 3 361.83 km2，占 8.51%，主要从中度下降至轻度敏感，主要分布在平泉市、宽城县、承德县西部等地区，丰宁和围场也有零星分布；变化原因主要是降水减少，水土流失侵蚀降低。

3.2.2.2 2013 - 2017 年水土流失敏感性时空演变分析 从图6 可以发现相较于 2009 - 2013 年敏感性等级变化，2013 - 2017 年敏感性等级变化面积明显较高，尤其是敏感性等级上升区的面积。由表 2 可知，2013 - 2017 年敏感性上升区域面积为 24 331.99 km2，占 61.57%，比 2009 - 2013 年敏感性上升区域增加将近1倍，其在全市各地均有分布，且在丰宁、围场、隆化、滦平、承德县、平泉市北部最为集中，主要从轻度敏感上升为中度敏感；其敏感性等级上升是由地形、雨水冲刷、建设活动和矿产开发导致植被覆盖度降低，诱发地质灾害，加剧水土流失造成的。敏感性下降区面积为 324.82 km2，占市域面积的 0.82%，主要表现为从重度下降至轻度敏感。敏感性等级无变化的区域面积为 14 862.20 km2，占比 37.61%。总体来看，生态环境敏感性等级的变化主要是由于人类经济和社会活动的干扰，同时地植被覆盖度和降雨量也对其有一定的影响。

3.2.2.3 2009 - 2017 年水土流失敏感性时空演变分析 图6 、表 2 结果表明，综合 2013 年前后及 2009 - 2017 年整个时间跨度敏感性等级变化情况来看，2009 - 2017 年间，承德市水土流失敏感性等级未发生变化的区域逐年下降，最终未变化面积为 10 208.50 km2，占 25.83%。而敏感性等级上升区域面积总共 28 982.77 km2，占比 73.34%，以升高1个等级为主，同时其总面积占比最大，为 58.25%；该部分区域在承德市范围内大部分地区皆有分布，如围场满族、隆化、承德县、丰宁县南部等承德市中部偏北地区；主要是由从轻度敏感转变成中度敏感，敏感性变化的主要原因是开发建设活动导致植被覆盖度降低，土地沙化严重。敏感性升高 2个等级的区域面积为5 834.91 km2，占 14.76%，主要分布在兴隆、鹰手营子矿区、滦平等南部地区，隆化县中部也有一定分布，其敏感性主要是从轻度敏感转变为重度敏感；这些地区大多地处承德市的南部，该地区山高陡峭，地形起伏度属于轻度敏感，其土壤可蚀性敏感性较高，此外还受到降水、植被覆盖因子的影响，属于水土侵蚀敏感区，且 2017 年承德市南部降水量较大，导致该地区水土流失进一步加剧，而鹰手营子矿区主要是因为人为影响，由于城镇的开发扩建以及矿山的开采导致植被退化，土壤质地变差，从而导致水土流失严重。敏感性等级下降区域面积共 327.72 km2，占 0.83%，且以降低1个等级为主，主要从中度敏感转变成轻度敏感，零星分布在丰宁县中南部、宽城、平泉市等地区。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)影响承德水土流失敏感性变化的主要因子是降雨侵蚀力因子和植被覆盖与管理因子。近几年来，随着气候变化，导致承德市降雨侵蚀逐年增强，而经暴雨冲刷后植被覆盖度也逐年降低，这是导致承德近年来水土流失重度敏感和极敏感区占比增大的主要原因。

(2)总体来说，轻度、中度敏感是承德水土流失敏感性的主要表现，其总和在 2009 年、 2013 年和 2017 年的占比分别为 76.62%、 79.67%、 70.03%。且等级分布相对较为明显，整体呈现出由东南向西北递减的趋势，这与承德市降水量变化表现出趋同性。

(3) 2009 - 2013 年， 2013 - 2017年敏感性上升面积分别为 12 266.84 km2和 24 331.99 km2，后期敏感性等级变化面积明显高于前期，且敏感性上升面积增加将近1倍； 2009 - 2017 年，承德水土流失敏感性整体呈上升趋势，以轻度敏感上升至中度敏感为主。

(4)承德市南部的兴隆县、宽城县、滦平县、鹰手营子矿区、承德县和平泉市等地区山高陡峭，地形起伏度属于轻度敏感，且其土壤可蚀性敏感性较高，此外还受到降水、植被覆盖因子的影响，属于水土侵蚀敏感性较高地区，水土流失较为严重。

4.2 建议

针对承德水土流失敏感性分析结果并结合当地实际条件，提出以下几点建议：

(1)针对承德南部水土流失严重地区，划定管制保护区。采取人为管制和工程措施共同治理。在受水力侵蚀较严重的山区、沟道内设置具有拦截蓄水能力的各项工程措施，综合管理其周边的沟、坡。根据当地地域状况筹建保水设施，最大限度地灵活运用山地的水资源，建设生态沟渠、生态坝、生态路等；在高度敏感度地区实行全方位的封闭管理和维护，禁止所有种类的生产性活动，加强生态系统自然修复能力，鼓励引导森林抚育等人工修复，严格禁止乱开荒地的行为；积极进行矿山生态修复，增加植被覆盖，降低土壤侵蚀敏感性。

(2)针对其他水土流失敏感性较低地区，划定优化保育区。保护现有的森林资源，做好管控保育措施。对于植被较好地区，主要依靠自然生态系统的自我调节使其向着良性循环方向发展，并采取适当管理措施，保护现有植被，营造防护林网，同时减少人为活动干扰，实现生态环境的自我修复。对于人类活动较为频繁的丘陵地区，主要以保护现有的森林资源为主，开展植树造林、绿化荒山、退耕还林，恢复植被工作，因地制宜的进行乔、灌、草混合种植。积极进行矿山生态修复，增加植被覆盖，降低土壤侵蚀敏感性。同时开展小流域治理，做好护岸护堤工程。完善交通信息网，构建现代化交通运输系统。提高本地区的产业转型和升级加强区域间的交流与合作。