康平县赵家小流域土壤侵蚀特征分析

2021-05-24胥桂梅

黑龙江水利科技 2021年4期

胥桂梅

(康平县自然资源保护与行政执法中心，沈阳 110500)

对定量评价土地资源合理利用、土壤侵蚀特征、水土保持规划等土壤侵蚀模型具有较强的适用性，并以USLE经验统计模型最为典型，因存在参数易获取、结构简单、计算简便等特点逐渐得到应用。美国农业部最初提出的USLE模型，后经修订调整形成了最新的RUSLE模型，由于其优点明显被广泛应用于世界范围内的多个领域[1-2]。

20世纪80年代，我国开始研究应用RUSLE模型，对指导土壤侵蚀模型的研发及水土资源评价具有重要作用。如刘保元等结合我国水土流失现状，对USLE模型提出了改进的CSLE模型，并在全国水土保持普查中起到了关键作用[3]。目前，RS与GIS技术的应用实现了以更加直观的图形形式输出模型结果，为空间尺度上分析土壤侵蚀特征提供了技术支持。最初设计的USLE模型比较适用于坡面尺度，而现阶段在流域尺度上RUSLE模型的适用性更强。虽然，特定的地理环境不再作为USLE模型应用的条件，但使用过程中仍存在一定的约束条件，即模型的应用条件必须能够准确的估算出各项因子，且符合可靠性要求。所以，充分严谨的论证是保证模型输出结果可靠度的重要条件。

然而，对于缺乏实测资料的地区，通常难以科学验证与准确估算模型因子，大多以土壤侵蚀数据验证USLE模型的因子值。例如，潘美慧等通过对比分析与前人的结论，验证了各侵蚀等级的面积比例；文雅等以乌陂河流域为例，通过对比USLE模型计算数据与水土流失实测数据，结果发现USLE可以达到83.5%的模拟精度[4-5]。因USLE模型运算过程复杂、涉及因子较多，直接使用时往往难以验证其准确度，导致实际情况与计算结果偏差较大，甚至会出现不同量级的侵蚀强度差别。鉴于此，文章以康平县赵家小流域为例，在全面探讨RUSLE模型LS因子算法的情况下，通过河道淤积实测数据与RUSLE模型计算结果的对比，验证了模型的可靠度与可行性，并进一步探讨了流域的侵蚀分布特征。

1 流域概况

赵家小流域位于康平县柳树乡中部，流域面积31.5km2，北部属于土石质低山丘陵区，南部属于平原沙化区。赵家小流域海拔高程70-170m，相对高差100m，海拔100m以上的山头有14座，坡度范围0°-15°，分布有沟壑3条，沟壑密度0.21km/km2，最长沟壑主沟长5700m。土壤多为棕壤土和褐土，全区土壤均为“中下”和“瘠薄”级，主要植被是旱田农作物、荒山草地、杨、柳、松林等。该小流域属温和半干旱大陆性季风气候，年降水量513.4mm，汛期降雨(6-9月份)约占全年总量的75%，且多以大雨、暴雨出现[6-7]。

流域内土地资源面积3150hm2，其中农业用地2291hm2，林业用地407.3hm2，荒山荒坡94.9hm2，水域及村屯道路等非生产用地356.6hm2，占全区比例为72.74%、12.90%、3.01%、11.32%，人均耕地0.46hm2。

2 研究方法

2.1 RUSLE模型

文章利用适用性较强的RUSLE模型计算分析小流域土壤侵蚀特征，其表达式为：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/，hm2·h·a；K为土壤可蚀性因子，t·h/(MJ·mm·a)；L、S、C、P为坡长、坡度、作物与覆盖、水保措施因子，无量纲；A为单位面积细沟侵蚀与坡地坡面侵蚀的年均侵蚀量，即土壤侵蚀量t/(hm2·a)。

2.2 因子计算

2)土壤可蚀性因子K。土壤可蚀性是引起土壤侵蚀的内在驱动因素，它反映了土壤被降雨侵蚀力冲蚀、分离、搬运的难易程度。K因子是指单位降雨侵蚀指数造成的坡度为9°坡面上连续耕作条件下的土壤流失率，其中代表性的K因子计算方法有EPIC估算法、Shirazi数学法和诺模图法等。

从土壤亚类的角度上，康平县赵家小流域主要有石灰性褐土、棕壤性土、褐土、潮土、棕壤5种，鉴于该区的土壤属性及其类型与北方土石山区的河北省存在一定相似性，借鉴其K因子值确定赵家小流域5种土壤的K因子如表1所示。

表1 土壤可蚀性K值

3)地形因子LS。鉴于赵家小流域坡度超过8°的坡面所占比较高(60.25%)的实际，文章结合刘保元等提出的陡坡坡度公式计算流域内不同坡度的因子值，其表达式为：

(2)

针对LS因子的计算，本研究以细沟侵蚀比率中等的情形进一步利用坡长指数(m)设计AML公式，在此基础上计算出坡长值。坡面上细沟与细沟侵蚀的比率β与坡长指数的大小直接相关，可以用下式求解：

m=β/(1+β)

(3)

式中：β为值反映了细沟侵蚀与土壤的敏感性特征，考虑小流域土地利用、降水、土壤、植被等情况取土壤对细沟间、细沟侵蚀敏感性适中的β值，其表达式为：

β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

(4)

式中：θ为坡度。

3)植被覆盖因子C。该因子是指在地形、降雨、土壤类型相同情况下耕作某特征作物或植被与连续不种植作物空白土地的土壤流失量之比，其变化区间为0-1，无量纲。C因子反映了对侵蚀速率管理、耕作措施的抑制作用，一般用于保护规划各种管理措施的相对影响比较。C因子和接下来的P因子对水土保持可以起到有利作用，都能在一定程度上降低侵蚀动力，且不同的C因子估算方法其适用范围、尺度都存在较大差异，也存在各自的缺陷和优势。文章结合前期提取的高分辨率林草覆盖/土地利用类型数据，借鉴相关研究资料选用直接赋值的方法。

4)土壤保持措施因子P。P因子值是指相同块地顺坡耕作条件下特定水保措施与未实施水保措施的土壤流失量之比，通过表面流的汇流方向、斜坡坡度和水流形态的调整，土壤保持措施可降低径流速率、减少径流量，从而发挥减轻土壤侵蚀的作用。一般地，梯田修筑、高耕作、谷坊修建、坡改梯等属小流域常见的水保措施。设1、0代表未实行任何保护措施和无侵蚀的地区，结合相关资料和研究小流域土石质山区实际情况，按照表2赋予不同用地类型的P值。

表2 赵家小流域的C、P因子值

3 结果与分析

3.1 结果验证

通过叠加处理RUSLE模型中的各因子值，利用地理信息系统平台输出赵家小流域土壤侵蚀模数平均值405.11t/km2·a，最大值21428.57t/km2·a，标准差845t/km2·a。现阶段，关于康平县土石质低山丘陵区和平原沙化区的水土流失实证分析相对较少，土壤侵蚀强度数据利用原型USLE模型计算时，其结果差别较大。因此，在缺少实测数据的情况下，可对土壤侵蚀强度利用泥沙淤积资料来估算，这也是一种行之有效的方法[8]。

康平县赵家小流域水保治理工程、河道淤积测量资料等，为模型验证及其淤积测算提供了数据支撑。文章结合河流淤积量、泥沙拦截量、拦沙率等数据，充分该小流域地貌形态、人类活动、植被覆盖等因素，利用沙量平衡理论和比重加权求和法计算赵家小流域年均土壤侵蚀模数为386.1t/km2·a，这与RUSLE模型输出的405.11t/km2·a基本相同，考虑到南部现有平原沙化区和北部土石质低山丘陵区，以及所用格栅精度为30m的实际，可以认为RUSLE模型所涉及的各项因子算法及其赋值满足精准度、可靠性要求。

3.2 流域总体侵蚀状况分析

康平县赵家小流域水土流失面积7.2km2，土壤侵蚀量为2916.8t/a，土壤侵蚀模数405.11t/km2·a。将土石质低山丘陵区容许土壤流失强度按照土壤侵蚀分类标准设定为200t/km2·a，则赵家小流域土壤侵蚀强度为微度为主，如表3。

表3 郎家山小流域土壤侵蚀分级

由表3可知，除微度侵蚀强度外赵家小流域土壤侵蚀区达到226.7hm2，所占比达到31.49%。轻度及以上侵蚀强度的侵蚀量和侵蚀面积所占比例，随着侵蚀级别的增大呈逐渐减小的特征。其中，轻度侵蚀的侵蚀量所占比例最高达到55.56%，侵蚀量约为1067.6t，这也是赵家小流域主要产沙来源，该区域属于水土保持重点治理区。同时，中度及以上侵蚀强度的面积占比仅有3.73%，但侵蚀量占总的30.06%，表明该区域应引起水保治理的重点关注。

3.3 不同用地类型土壤侵蚀

图1反映了不同用地类型的土壤侵蚀面积、侵蚀量与侵蚀模数。从侵蚀量与侵蚀面积的角度上，侵蚀土地利用类型中旱地面积所占比例最大，达到35.50%，其侵蚀模数达到702.5t/km2·a，与其他土地利用类型相比其年均侵蚀量达到最高值1795.6t，占总侵蚀量的61.56%；其次，农村居民点的面积百分比为15.6%，其侵蚀模数达到467.7/km2·a，土壤侵蚀量贡献率为18.01%。相对而言，其他用地类型的侵蚀量较少，占流域总侵蚀量之比均在10%以下。从不同侵蚀强度的角度，赵家小流域以轻度侵蚀为主，不同用地类型存在较为明显的侵蚀强度差异，其中最高的为建设用地，这里的建设用地包括交通道路、厂矿、采石场、大型工业区和特殊用地等。其中，低覆盖度草地、中覆盖度草地、城镇用地、农民居民点以及旱地等用地类型均高于容许土壤侵蚀强度。结合不同用地类型范围，从侵蚀强度与侵蚀量的角度上，旱地具有相对较高的侵蚀强度、侵蚀面积和范围，因此此用地类型应作为水土流失重点治理区；小流域治理应加强农村居民点与中覆盖草地的治理、预防，需要进一步关注并预防土壤侵蚀进一步扩展的有低覆盖草地、城镇用地和其他建设用地。