基于RUSLE模型的延安市土壤侵蚀分析

史飞航 张悦

(长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054)

21世纪以来土地退化问题已成为全球学者研究土地变化的重要难点，而土壤侵蚀是引起土地退化的主要方式之一[1,2]。为了治理严重的水土流失，国家在延安市实施了一系列生态工程，对水土流失控制、生态环境改善等均取得了显著成效，纵观国内外关于土壤侵蚀与水土保持的研究进展[3-7]，如何更好地保障土地资源的可持续利用是进一步需要研究的方向。在此背景下针对土地利用与土壤侵蚀变化研究还比较缺乏，本文基于多序列遥感影像、数字高程模型(DEM)、气象、土壤质地等数据，综合运用GIS、RUSLE模型等方法，研究了不同时期不同土地利用与土壤侵蚀时空动态变化，为黄土高原水土保持和生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况

延安市位于陕西省北部地区，黄土高原中南部地区，北接榆林，南到渭河北山，西到甘肃，东接黄河，地理范围为E107°41～110°31′，N35°21′～37°31′,总面积约为37037km2，属于典型的黄土丘陵沟壑区，是我国退耕还林的重点区域，也是黄河下游粗泥沙集中来源区。

2 研究方法

采用修正通用土壤流失方程模型(RUSLE)，并根据延安市地理环境特点和数据获取条件确定各因子算法，模型表达式：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中，A为单位面积土壤侵蚀模数，t·(hm2·h·a)-1；R为降雨侵蚀力因子，(MJ·mm)·(hm2·h·a)-1；K为土壤可蚀性因子，(t·hm2·h)·(hm2·MJ·mm)-1；LS为坡长坡度因子；C为地表植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。

2.1 降雨侵蚀力

降雨变化作为重要的侵蚀变化影响因素，本文选用章文波[8-10]提出的降雨侵蚀力模型计算降雨侵蚀力较为精确。

(2)

α=21.568β-7.1891

(3)

(4)

式中，Mi表示第i个半月时段的降雨侵蚀力(MJ·mm)·(hm2·h·a)-1；Dj为半月内第j天的日雨量≥12mm；k为时段内的侵蚀性降雨天数；Pd12为日雨量≥12mm的日平均雨量；Py12为≥12mm日雨量总和相加的平均值；α、β为模型参数。

2.2 土壤可蚀性因子

土壤类型图数据为基础采用EPIC模型[11]进行计算不同类型土壤的K值。

(5)

式中，SAN、SIL、CLA和C分别代表砂粒、粉粒、黏粒和有机碳含量，其中，SN1=1-SAN/100。

2.3 地形因子

地形是诱导土壤侵蚀发生的重要因素，采用刘宝元[11]在CSLE模型中提出的地形因子算法：

LS=L×S

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，S为坡度因子；L为坡长因子；θ为坡度；λ为坡长；m为坡长指数。

2.4 水土保持措施因子

水土保持措施因子的取值参考前人的研究成果以及结合研究区的实际情况进行赋值，主要参照郭思琪等[5]相关研究。

表1 不同土地利用类型的水土保持措施因子

2.5 植被覆盖与管理因子

水土保持研究中用C来反映植被情况对水土流失的效应。采用的算法是参考蔡崇法[11]等研究提出的计算因子的算法，公式：

(11)

(12)

式中，NDVI为归一化植被指数,NDVIsoil为最小值，NDVImax为最大值。

2.6 转移矩阵

利用转移矩阵研究不同地类和土壤侵蚀强度1990—2020年的流入与流出情况。

式中，M代表类型面积，n为转移前、后的类型的总数，i、j为转移前、后的类型情况。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化

3.1.1 土地利用类型结构变化特征

延安市隶属于黄河流域，较长时间处于土地超载利用，大量土地覆被遭受到破坏，改变了土地利用格局，不同的土地利用格局对于土壤侵蚀的影响也有较大差异。

图1 延安市不同时期土地利用图

对延安4个时段土地利用类型的数量变化进行统计分析，得到显著的土地利用结构特征及变化趋势。1990—2020年延安市土地利用类型主要以耕、草地为主，耕地面积由11485.44km2减少为9348.22km2，草地面积由16221.25km2增加到17284.73km2，变化率分别为-18.61%和6.56%，其中，2000—2010年时段内耕、草地面积变化最大，1990年间耕、草地占延安总面积74.81%，到2020年占总面积71.91%，30a间还是相对稳定保持了农牧占绝对主体的土地利用结构特征。1990年延安地区林草覆盖率为68.23%，其中林地覆盖率仅为24.43%，直到2020年间林草植被覆盖率增加到73.47%，林地和草地分别占比26.80%和46.67%，1990—2020年林、草地的变化率分别为9.69%和6.56%，面积分别增加了876.71km2和1063.48km2，多年间林地和草地的面积和占比都实现了较大的增长，其中2000—2010年间林地的变化率达到了9.36%，草地的变化率也达到了8.57%，这个时段分别是林、草地增长最快的时期。这与国家1999年以来全国(特别是黄土高原地区)大规模实施退耕还林和封山禁牧等林业生态工程有着密不可分的关系。同时耕地、林、草地增幅较大、建设用地急速扩张、水域维持稳定的土地利用结构变化情况，这与生保工程实施后土地覆被重建密切相关。建设用地的增加面积为163.59km2，变化率高达139.42%，变化相对剧烈，这与近30a来城市化高速发展密切相关。截至2020年，延安耕、草、林地面积分别为为9348.22km2、9926.70km2和17284.73km2，占地区总面积的25.24%、26.80%和46.67%，耕林草地总面积占区98.71%，其共同构成以耕为主，农、林、牧生态优先的土地利用格局。

表2 1990—2020年不同土地利用类型变化

3.1.2 土地利用转移变化过程特征

1990—2020年延安市主要地类转移变化过程呈现出耕、林、草地类之间流入和流出，耕地流向其它地类的面积为3116.79km2，其中95.56%流向林、草地，同时有9202.70km2的草、林地流入为耕地，导致2020年耕地面积与1990年相比减少了2139.28km2；草地减少主要流入到耕地和少部分林地，面积为1384.09km2，同时由耕、林地流入到草地的面积为2502.61km2，使得草地面积略微增加；林地减少主要流入到耕、草地，面积为429.98km2，同时从耕、草地发展为林地的面积为1328.65km2，林地面积也保持了相对增加；水域维持了上下波动的规律，这与气候的变化密切相关，建设用地大幅度增长也主要与耕、草及未利用地的流入有关。

表3 1990—2020年延安市土地利用变化转移矩阵

3.2 土壤侵蚀时空动态变化

为更清楚研究延安市30a来的土壤侵蚀情况，合理规避间隔年过大而导致偶然性误差，本文将1990—2020年按间隔10a的方式共划分为4个时段。降雨侵蚀力分别利用4个时段前后的多年平均值，利用计算得到的影响土壤侵蚀的各个因子利用RUSEL模型来计算各个时间段的土壤侵蚀模数，从而更准确地研究延安市水土流失的防治情况。

根据水利部颁布的土壤侵蚀分级标准，对各个时段的土壤侵蚀模数进行侵蚀强度分级。结果表明延安市30a间年均土壤侵蚀强度减幅巨大，其中各个时段年平均土壤侵蚀模数如下：时段1990年平均土壤侵蚀模数为2406.48t·(km2·a)-1，时段2000年为2171.80t·(km2·a)-1，时段2010年为747.51t·(km2·a)-1，时段2020年为234.16t·(km2·a)-1，侵蚀模数呈现先增加后急剧降低的规律，且减幅巨大，时段2000—2010年平均土壤侵蚀模数降低最为显著。根据土壤侵蚀动态演变的情况，证明了20世纪末以来延安地区开始实施的封山禁牧和退耕还林等生保措施已经取得了显著的成效，2010—2020年土壤侵蚀强度降低较为明显主要与延安市在2016年响应国家号召进一步加强统筹山水林田湖草沙治理密切相关。

表4 不同时段土壤侵蚀强度分级及面积统计

图2 不同时段的土壤侵蚀强度分级图

延安市30a间土壤侵蚀强度减轻(即侵蚀强度降级)面积远大于加剧(即侵蚀强度升级)的面积，整个研究区土壤侵蚀在各个县域均有明显的减轻，各个县域土壤侵蚀加剧的面积均小于土壤侵蚀减轻的面积。从土壤侵蚀变化的剧烈程度可以看出，在空间上侵蚀减弱的最明显的区域主要集中在吴起县、志丹县等境内。

基于1990—2020年土壤侵蚀的分析结果，得到研究时间段内的土壤侵蚀强度等级转移矩阵，研究区内有51.73%的区域土壤侵蚀强度等级未发生变化；侵蚀强度减轻主要是由各级别的侵蚀逐步转化为微度侵蚀所致，面积占比为35.79%，侵蚀强度由微度变为其它各级别的强度仅占比为0.04%，较高侵蚀等级向较低侵蚀等级转换的比例也远远大于较低侵蚀强度向高侵蚀强度等级转换的比例，证明1990—2020年期间延安市土壤侵蚀强度不断改善的同时，也较好地维持了微度侵蚀的稳定，也从侧面反映了黄土高原退耕还林还草工程带来的巨大成效。

表5 1990—2020年延安市土壤侵蚀强度转移矩阵

通过各时段的土地利用与土壤侵蚀强度结果，叠加分析得到耕、林、草及未利用地的土壤侵蚀特征。主要表现为耕、草地的侵蚀强度从1990年的轻度侵蚀减幅为2020年的微度侵蚀，平均侵蚀模数极剧降低，微度侵蚀增幅面积达到26.64%，而相应的剧烈侵蚀降低到0%。草地平均侵蚀模数减幅高达1367.26t·(km2·a)-1，平均侵蚀模数减小68.32%。林地侵蚀强度由1990年的轻度侵蚀降低为2020年微度侵蚀，平均侵蚀模数减幅最大，高达946.78t·(km2·a)-1，平均侵蚀模数减少占比高达88.96%，微度侵蚀增幅面积达到83.64%。1990—2020年延安市在降雨侵蚀力出现相对增加的情况下，耕、林、草地的平均侵蚀模数不断减小，并且此3种地类的土壤侵蚀模数减幅巨大。

延安市近30a来土地利用结构布局维持基本稳定，呈现出农、林、牧复合的土地利用格局。不同时段不同土地利用的土壤侵蚀模数差异较大，4个时段主要土地利用类型呈现出耕地>草地>林地的分布规律特征，这主要与耕地的轮番耕作及生态工程的时间成效等有密切的关系。

4 结论

延安市地处黄土高原腹地，是黄河流域的重要区域，是水土流失较严重的地区。从20世纪90年代以来，该区境内已经实施了一系列生态保护工程措施，本文研究不同时期不同土地利用与土壤侵蚀变化，为黄土高原水土保持和生态环境建设提供科学依据。

延安市1990—2020年土地利用类型主要以耕、草地为主，共同构成以耕为主，农、林、牧生态优先的土地利用格局，并且该主体的土地利用结构特征保持了相对稳定。耕、林、草、水域和建设用地30a间的变化率为-18.61%、9.69%、6.56%、3.17%、139.42%，地类间的转移主要呈现耕地流入林、草地和建设用地，集中分布在退耕还林重点县域内；2000—2010年耕、林和草地的变化率分别为-19.28%、9.36%和8.57%，变化最为剧烈。

延安市1990—2020年土壤侵蚀在各县域均有明显的减轻，侵蚀强度减轻面积远大于加剧面积，在空间上侵蚀减弱的最明显主要集中在延安市退耕还林重点县域内，各时段不同土地利用的土壤侵蚀差异较大，平均土壤侵蚀模数呈现随植被覆盖度增加而降低，林、草地抑制土壤侵蚀最为显著，整体对土壤侵蚀得抑制作用呈现出林地>草地>耕地，此规律主要与耕地的轮番耕作及生态工程的时间成效等有密切的关系。