丹东市宽甸县西江小流域土壤侵蚀评价

单楚砚

(丹东市水务服务中心，辽宁 丹东 118000)

1 研究方法

1.1 小流域概况

西江小流域位于辽宁省宽甸县东北部的振江镇，地理位置为E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′，总面积为59.55km2。研究区辽东石质山区，区内沟壑发育，山体连贯，海拔处于100-600m范围，土壤类型以棕壤土为主，涂层后0.3-1.5m，林草覆盖度63.5%。气候属南温带大陆性季风气候，年均降水量1140.2mm，多集中6、7、8三个月，太阳总辐射量5344kJ，无霜期160d。

近年来，研究区开展一定程度的治理，起到一定的防治效果，但是在水土保持综合防治上的投资总是有限的，水土流失破坏速度大于治理速度，其主要原因是大面积的经济林开发与建设，流域土质疏松、地面坡度陡、积水面积小，致使资源破坏严重，植被覆盖度、土壤肥力和有机质含量逐年降低，水土流失程度逐年加剧，土地资源受到严重威胁，其中高强度短历时暴雨是诱发土壤侵蚀的关键因素。

1.2 CSLE模型参数

西江小流域水土流失以水蚀为主，拟利用CSLE方程计算土壤侵蚀量，其表达式为：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A为年均土壤流失量，t/(hm2·a)；R、K为降雨侵蚀力因子(MJ·mm)/(hm2·h·a)和土壤可蚀性因子[t··h/(MJ·mm)]；L、S、B、E、T为坡长、坡度、生物措施、工程措施和耕作措施因子，量纲为1。

1)采用公式(2)计算土壤侵蚀力因子，即：

(2)

式中：Pi、P为月均降水量(mm)和年均降水量(mm)。结合周边气象站及荒沟水文站的气象观测数据，采用Wischmeier提出的经验公式计算降雨侵蚀力因子R值，经加权内插和反距离运算生成R值图[1-2]。

2)采用公式(3)计算土壤可蚀性因子，即：

(3)

(4)

式中：CLA、C为粉粒和有机碳含量，%；SIL、SAN为黏粒和砂粒含量，%。

3)坡度坡长因子LS利用张宏鸣改良编写的AML程序来提取，运算过程中填充DEM的No Data值。具体而言，对于坡度β>5°和β≤5°的坡度因子分别利用刘宝元等、McCool等提出的算法进行计算，坡长因子利用经验公式进行计算，其表达式为：

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°S=16.8sinθ-0.5；5°≤θ<14°S=21.91sinθ-0.96;θ≥14°

(5)

L=(λ/22.13)

(6)

αβ/(1+β)

(7)

β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

(8)

式中：S、L为坡度和坡长因子；λ、θ为从DEM中提取的坡长值和坡度值；22.13这标准小区坡长；β、α为细沟侵蚀与面蚀的比值和坡长因子指数。

④水保措施因子BET。借鉴谢红霞等对土壤侵蚀研究成果确定生物措施因子(B)和耕作措施因子(T)，利用植被覆盖度图和土地利用类型图对西江小流域不同植被覆盖度、不同土地利用类型赋予相应的B值，未采取任何耕作措施的区域赋予耕作措施因子值为1，从而生成小流域T值分布图。由于缺少工程措施基础资料，本研究将工程措施因子(E)按常量对待，即不考虑工程措施对土壤侵蚀的抑制作用[3]。

1.3 土壤侵蚀因子空间分布规律

土壤固有地形地貌和结构特征直接决定了坡度坡长因子及土壤侵蚀力因子，在时间序列上可不考虑CSLE中的差异[4]。但水保措施和降雨侵蚀力因子随时间的变化而改变，这是研究土壤侵蚀动态特征的重要参数。小流域土壤侵蚀模型中最为敏感的是坡度坡长因子，其次为生物措施因子，土壤侵蚀模数和DEM分辨率都会随着它们的增大而变大。土壤侵蚀模型中土壤可蚀性、降雨侵蚀力属于不敏感因子，栅格大小的改变也会明显改变土壤侵蚀模数，但随着时间的变化降雨侵蚀力因子对土壤侵蚀的影响更加显著。

通过以上计算分析可获取土壤侵蚀各因子数据，然后将各因子值图层利用Arc GIS软件进行叠加，从而生成小流域土壤侵蚀量。根据《土壤侵蚀分类分级标准》和试验检测结果将土壤侵蚀划分成6个等级，即微度、轻度、重度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀，并利用强度等级分布图揭示土壤侵蚀分布规律[5]。

2 结果分析

2.1 土壤侵蚀因子空间分布特征

2.1.1 降雨侵蚀力因子

降雨侵蚀力因子体现了降雨可能造成侵蚀的能力，即产生土壤搬运和分离的动力情况。降雨强度和降雨时间决定了降雨侵蚀力因子R的大小，持续时间越长、暴雨越大则越易发生侵蚀。从图1可以看出，2011-2020年西江小流域年降水量波动变化较小，并以2018年降雨最大。2011-2020年多年平均降水量为1140.2mm，整体变化区间为±576mm，年降水量和每月最大降雨量基本保持相同的变化趋势，降水量最高和最低年为2018年、2014年，研究期间年降雨量总体呈波动减少趋势。实践表明，降雨量和降雨侵蚀力基本保持相同的变化趋势，西江小流域年降水量逐渐下降表明其降雨侵蚀力也不断减弱。

图1 西江小流域降雨特征

2.1.2 土壤可蚀性因子

定义土壤可蚀性因子为单位降雨侵蚀力造成的标准小区土壤流失率，这是土壤抵抗降雨径流引起的侵蚀能力的综合体现以及对地表径流、雨滴击溅等侵蚀介质搬运和剥离的敏感程度，反映了降雨径流输移、破坏土壤颗粒的敏感特征。西江小流域土壤分5个土类：暗棕壤土、棕壤土、草甸土、水稻土、沼泽土，其中棕壤土类属研究区地带性土壤，集中分布于河谷平原的高阶地、低山丘陵和坡脚平地上，该土壤占项目区总面积的78.83%。根据李斌兵等研究成果和西江小流域土壤类型图提取不同土壤的K值单位，将K值作为属性字段纳入Arc GIS软件生成栅格为30m的K值图。西江小流域暗棕壤土、棕壤土、草甸土、水稻土、沼泽土的K值分别为0.38、0.41、0.24、0.22、0.24t··h/(MJ·mm)，由于棕壤土质地单一，土质疏松，因此其抗侵蚀性较差。

2.1.3 坡度坡长因子

一般地，坡度坡长因子是加速侵蚀动力因子，也是决定径流冲刷能力和研究土壤侵蚀的重要因素，反映了土壤侵蚀受地形地貌的影响。其他条件保持不变的条件下，坡长坡长、坡度越都则土壤发生滑落和分离的潜在危害就越高，所造成的水土流失越严重。

对西江小流域坡度因子利用5m分辨率的DEM数据进行提取。首先，利用Arc GIS和Arc MAP模块中的Surface Analyst功能、Reclasify功能，将生成的坡度栅格图划分成≥35°、25°-35°、15°-25°、8°-15°、5°-8°、≤5°共6个等级；然后，打开坡度分级结果的属性表，确定各坡度等级面积见表1。

表1 西江小流域坡度分级统计

西江小流域总面积5954.80hm2，其海拔分布特征与坡度坡长空间分布保持较好一致性。结合分级结果，≥35°、25°-35°、15°-25°、8°-15°、5°-8°、≤5°的面积分别为2084.18hm2、1488.70hm2、1190.96hm2、416.84hm2、297.74hm2、476.38hm2，占总面积的35%、25%、20%、7%、5%、8%。可见，西江小流域的坡度比较大，其中80%的地形坡度超过15°，土壤侵蚀集中分布于该区域。

文章利用LP-Tool软件计算坡度坡长因子，将坡度与坡长因子栅格分布图相乘叠加生成该流域LS值分布图。结果表明，研究区分辨率为5m的LS因子最大值140、0、最小值8.8。坡度坡长因子值小于5、5-10、10-15的面积占比分别为9.17%、8.22%、7.16%，表明流域内实际情况和分辨率为5m的坡度坡长因子值高度一致。

2.1.4 水保措施因子

定义生物措施因子为适时翻耕、连续休闲对照土地与同等条件下一定地表覆盖和管理措施土地的土壤流失量之比，植被覆盖度有利于抑制土壤侵蚀动力，其取值区间为0-1。由于缺少生物措施统计数据，小流域内耕地、水域、林地、草地的B因子值分别为0.45、1、0.06、0.10。针对西江小流域不同土地利用类型赋予相应的B因子，结果显示流域左岸和沟口处等植被稀疏区的生物措施因子B值接近于1。

定义耕作措施因子为顺坡种植条件下和实施一定耕作措施下的土壤流失量之比，农业生产中的水保措施主要有梯田、等高带状种植和等高耕作等，通过调整表面流、水流形态、斜坡坡度等降低径流速度和径流量，发挥抑制土壤侵蚀作用。一般地，T值处于0-1范围，0和1分别代表不产生侵蚀和无任何水保措施的地类。耕作措施因子是比较难确定的参数，所以借鉴谢红霞等提出的方法确定西江小流域耕作措施因子值见表2。然后利用栅格计算机将坡度分级图和T因子值相叠加，从而生成T因子值图。结果显示，坡耕地面积为118.40hm2，坡度为5°<8°、8°-15°、15°-25°的坡耕地占比的59.20%、16.98%、23.82%。

表2 耕作措施因子值

2.2 土壤侵蚀强度空间分布

统计分析西江小流域不同土壤侵蚀强度的面积，如表3所示。结果显示，研究区现有水土流失面积18.35km2，其中轻度、中度、强度侵蚀为10.82km2、6.31km2、1.22km2，所占比例为58.96%、34.39%、6.65%。水土流失以水蚀为主，主要分布在果园、林草覆盖率较低的疏林地、侵蚀沟壑和荒山荒坡荒沟中，侵蚀模数为1850t/km2·a。

表3 项目区土壤侵蚀强度分级

由于落后的农耕方式、沟道的破坏、经济林的粗放经营、林木的过渡采伐、幼林地放牧严重等人为因素，以及山坡陡峻、地质古老破碎、降雨量多、降雨强度大、频率高、幼林多而疏林地多等自然因素，流域内土壤侵蚀严重。研究区除及少量的有林地外，其它土地均有不同程度的水土流失。坡耕地上普遍存在着层状面蚀、细沟侵蚀，沟沿线附近沟蚀、坍塌严重，沟坡则因植被覆盖度的不同存在不同程度的鳞片状面蚀、沟蚀等。

2.3 土壤侵蚀与土地利用的关系

西江小流域土地类型以草地、耕地、林地为主，耕地是最易发生土壤侵蚀的地类，坡耕地和坡地开垦则是引起水土流失的主要原因。退耕还林措施实施后耕地面积逐渐减少，生态环境和过度开垦现状明显改善，土壤侵蚀强度与面积不断下降。林地呈现出不断增加的变化趋势，但退耕还林初期大量育草育林对地表扰动大，森林覆盖度低且土壤侵蚀强度有所增大，随着森林植被的逐渐恢复土壤侵蚀开始逐渐降低。草地呈现出向林地转移的趋势，实施退耕海草工程后部分耕地转变为草地，部分林地植被覆盖度增大，所以土壤侵蚀强度会不断下降。林地、草地和耕地波动变化，表明不同用地类型在很大程度上决定了土壤侵蚀强度，草地、林地的抗侵蚀能力较强，而耕地较弱。因此减少耕地、增大草地和林地有利于减弱土壤侵蚀。

2.4 小流域土壤侵蚀防治措施

西江小流域地处中朝界河鸭绿江边，又属东北黑土区，为保护珍贵的黑土资源，保护鸭绿江绿水长流，急需治理流域内水土流失严重地块。根据研究区土地利用现状、自然条件和经济发展方向，因地制宜，因害设防，工程和生物措施相结合，集中连片的布置小流域土壤侵蚀防治措施。①坡耕地治理，结合农业耕作，实施保土耕作措施，对个别顺坡沟垄改为横坡沟垄，以改变坡耕地微地形，减轻水土流失。坡脚或山腰土层较厚地段，建设高标准地埂植物带，形成控制水土流失形成控制水土流失第一道防线。②裸地、沟道及疏林地的治理：荒坡上部立地条件差，土层较薄，春季进行整地工程，并在春季营造水保林，形成控制水土流失形成控制水土流失第二道防线。③经济林治理：在林果园内采取补植水土保持林措施进行治理，在老林果园内通过补植红松提高植被覆盖度，提高土地利用率，为经济可持续发展创造条件；在新建的林果园内实行植物穿带，提高植被覆盖度，拦截地表径流，形成控制水土流失第三道防线。④幼林及疏林地治理：对于10a生以下的三类蚕场及幼林实施封育治理，建设拦护设施和标志牌，建立管理制度和工程区规则等，充分发挥大自然的自我修复能力，实现生物的多样性保护，为未来的农业生态旅游事业发展创造条件，形成控制水土流失第四道防线。⑤沟壑治理：治理对农民生产、生活环境造成安全隐患、严重切割土地的侵蚀沟，修筑砌石谷坊，减轻侵蚀沟的扩张，减少对耕地的切割，形成控制水土流失的第五道防线。沟道治理。

3 结 论

文章利用CSLE模型和Arc GIS技术搭建了西江小流域土壤侵蚀模型，并结合相关资料计算了土壤侵蚀量，进一步揭示了西江小流域土壤侵蚀强度分布特征，主要结论如下：

1)西江小流域坡耕地面积为118.40hm2，坡度为5°<8°、8°-15°、15°-25°的坡耕地占比的59.20%、16.98%、23.82%。现有水土流失面积18.35km2，主要分布在果园、荒山荒坡荒沟、侵蚀沟壑、林草覆盖率较低的疏林地中。

2)不同坡度地带上，土壤侵蚀强度存在明显差异，土壤侵蚀区主要集中于5°-15°坡度范围，并以中度和轻度侵蚀为主，水域或林地土壤侵蚀强度较低。

3)为保护珍贵的水土资源，根据研究区土地利用现状、自然条件和经济发展方向，针对坡耕地、裸地、沟道、疏林地、经济林、幼林和沟壑提出有针对性的防止措施。