基于GIS和RUSLE的玉溪市土壤侵蚀研究

孙咏琦，李建华，刘士鑫，付景

（云南农业大学，a.水利学院；b.资源与环境学院，昆明 650201）

土壤作为关乎人类生存的物质基础与自然资源，具有不可再生的属性，土壤侵蚀不仅因有机质流失而引起土地退化、土壤肥力下降，还会因泥沙携带氮、磷、钾等营养物质和其他污染物进入河道系统而造成水环境恶化［1］。土壤侵蚀直接影响区域生态环境和社会经济的可持续发展，成为各国普遍关注的重要环境问题之一。近些年来，结合地理信息系统和遥感进行空间分析的手段日益成熟，结合RS/GIS技术和修正通用土壤流失方程（Universal soil loss equation，RUSLE）的区域土壤侵蚀定量评估，显著提高了监测及预测效率和空间可视化能力［2，3］，在世界中小流域或区域的土壤流失研究中得到了广泛应用［4］。

通过阅读文献了解到，国内外学者自19世纪就开始对土壤侵蚀进行研究［5-9］。随着研究的深入，基于经验的土壤侵蚀模型RUSLE逐渐被众人认可。该模型因操作简单计算方便，加之RS和GIS的迅猛发展，已被广泛地应用在一些区域的土壤侵蚀的相关研究，成为主流的土壤侵蚀研究方法［10］。Roberto等［11］利用RUSLE模型计算了位于越南北部地区的Lo River流域的悬移质；Tran等［12］利用基于模糊逻辑的模型改良了RUSLE模型；怡凯等［13］综合利用RUSLE模型研究辽宁省朝阳市2001—2010年的土壤侵蚀时空分异特征。

2020年1月，习近平总书记再次来到云南，心系云南生态环境保护。而玉溪市正处云贵高原西部的滇中高原区，是滇中城市经济圈南大门；玉溪市水系发达，且土壤侵蚀主要为水力侵蚀（水土流失等），玉溪市部分地区由于自然因素以及人为因素的影响，导致自然灾害频发（主要为滑坡、泥石流等），因此，基于玉溪市优质的地理环境条件以及土壤和水资源条件，根据重点开发的政策导向和整体的土壤侵蚀情况开展土壤侵蚀研究工作，综合玉溪市土壤侵蚀分布情况以及造成土壤侵蚀主要因素，可以对该地区土地利用规划与生态环境工程管理政策的制定提供一定的科学依据，为区域的可持续发展提供决策支持。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

玉溪市位于云南省滇中地区，地势西北高、东南低，哀牢山脉为境内主要山峰，其斜贯新平县与元江县，呈西北向东南走向。全市最高点大雪锅山海拔为3 137 m，最低点海拔约为327 m，平均海拔在1 500˜1 800 m。

1.2 研究过程与方法

考虑到玉溪市的基本情况，本研究采用修正的通用土壤侵蚀方程计算，公式：

式中，A为现实土壤侵蚀量［t/（hm2·a）］；R为降雨侵蚀力因子［（MJ·mm）/（hm2·h·a）］；K为土壤可蚀性因子［（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm）］；LS为地形坡度因子；C为地表植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。

1.2.1 降雨侵蚀力因子降水作为引起水土流失的主要气候因素，是造成土壤侵蚀的主要因素。考虑到模型的适用性以及考虑更容易获得气象因子数据，本研究采用Arnoldus在1977年提出的简易计算方法，该公式只考虑了年降雨量以及月降水量，具有一定代表性而且应用范围较广，公式：

式中，R为年降雨侵蚀力［（MJ·mm）/（hm2·h·a）］，P为年平均降水量（mm），Pj为第j月降水量（mm）。降水量数据在中国气象数据网获得，计算得到玉溪市及周边各气象站点的年降雨侵蚀力，通过在Arc-GIS软件中进行克里金插值，得到流域年降雨侵蚀力栅格图，其中部分月份结果如图1所示。

图1 玉溪市单数月平均降水量

1.2.2 地形坡度因子地形坡度因子测算主要应用DEM数据。阅读文献可知，目前对于地形坡度因子已经有大量学者进行研究，本研究选用具有一定代表性且具有一定普适性的公式进行计算，利用DEM数据通过坡度提取、栅格计算器计算得到坡度因子（S），计算公式如下。

坡长因子表达式：

式中，L代表标准化坡长上的土壤侵蚀量；m代表坡长因子指数；θ为坡度（°）。地形坡度因子计算结果如图2所示。

图2 地形坡度因子

1.2.3 土壤可侵蚀因子土壤可侵蚀因子计算模型一般用EPIC模型，该模型主要参数为土壤的粉粒、沙粒、黏粒含量与土壤有机碳含量。在世界土壤数据库（HWSD）中下载全球土壤数据，利用栅格计算器根据已有公式计算出土壤可侵蚀因子（K）。计算公式：

式中，S1为砂粒含量（%）；S2为粉粒含量（%）；n为黏粒含量（%）；C为有机碳含量（%）。土壤可侵蚀因子计算结果如图3所示。

图3 玉溪市土壤可侵蚀因子分布

1.2.4 植被覆盖管理因子主要利用归一化植被指数（NDVI）来计算植被覆盖因子（C），再通过投影、重采样和掩膜提取这些准备工作之后，利用公式计算植被覆盖度和植被覆盖因子。植被覆盖管理因子如图4所示。

图4 玉溪市植被覆盖管理因子分布

式中，ρNIR为近红外波段，ρR为红波段，NDVIMIN为NDVI的最小值，NDVIMAX为NDVI的最大值，f为植被覆盖度，C为植被覆盖管理因子。

1.2.5 水土保持措施因子水土保持措施因子（P因子）是采取水保措施后的土壤流失量与未实施水保措施的顺坡耕作地块的土壤流失量之比。提取玉溪市内耕地、林地、草地、裸地和建设用地、水体和湿地共6种类别，结合土地利用数据由DEM生成坡度信息，参照方广玲等［14］的研究成果对P因子赋值，取值范围为0˜1，0代表不会发生土壤侵蚀的地区，1代表未采取任何控制措施的地区。赋值如表1所示，水土保持措施因子计算结果如图5所示。

表1 不同土地利用类型P因子值

图5 水土保持措施因子分布图

1.3 数据收集

本研究主要采用玉溪市的降雨、土壤、DEM、植被和土地利用数据。在国家气象科学数据中心下载玉溪市及周边县区月均降雨量数据，在世界土壤数据库（HWSD）中获取土壤数据；在地理空间数据云中下 载90 m分辨率DEM数据，并且 以Landsat 8的玉溪市遥感影像计算植被指数，土地利用数据则采用中国科学院资源环境科学与数据中心中提供的数据进行分析。根据上述方法代入公式，利用ArcGIS软件进行处理，并计算得到RUSLE模型所需的因子空间分布的30 m×30 m栅格数据，最终得到研究区土壤侵蚀强度空间分布情况。

2 结果与分析

将各土壤侵蚀因子的栅格数据的分辨率统一定为30 m。根据修正的通用土壤侵蚀方程计算土壤侵蚀程度，并乘以美制转公制常数100，将单位t/（hm2·a）转换为t/（km2·a），得出研究区土壤侵蚀量栅格数据。玉溪市地处西南地区，并且以红壤为主，因此参照水利部颁布的土壤侵蚀分类分级标准（SL 190—2007），该市的土壤侵蚀强度分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈6个级别，分级标准如表2所示。

表2 土壤侵蚀强度分级标准

通过计算最终得出研究区土壤侵蚀的分布情况（图6），研究区内平均土壤侵蚀量为1 043.03 t/（km2·a），其中级别为微度的面积为863 497.62 hm2，占该市总面积的57.844%，级别为轻度的面积为499 884.03 hm2，占该市总面积的33.486%，级别为中度的面积为112 005.72 hm2，占该市总面积的7.503%，级别为强烈的面积为14 646.96 hm2，占该市总面积的0.981%，土壤侵蚀强度级别为极强烈及以上的区域面积为2 772.63 hm2，占该市总面积的0.186%。因此通过分析可知，玉溪市的土壤侵蚀主要表现为大部分区域轻度、微度侵蚀，局部区域强烈和极强烈等特征。

图6 玉溪市土壤侵蚀强度分布特征

2.1 不同行政区内的土壤侵蚀特征分析

根据表3分析玉溪市各县的土壤侵蚀量以及不同等级土壤侵蚀在各行政单元的分布情况，全市内主要土壤侵蚀级别为微度和轻度，玉溪市整体土壤侵蚀严重区域集中分布在西南部以及东南部，主要在元江、绿汁江以及曲江流域附近，由于哀牢山国家自然保护区位于新平县，且该地正处于东亚季风热带、南亚季风热带和青藏横断山系三大自然地理区域的交汇处，当气流运动到这里后，气温降低，有利于凝结降水，因此容易发生水土流失，新平县的平均土壤侵蚀量为799.079 8 t/（km2·a），其土壤侵蚀中度及以上占全县的6.720 6%，而元江县的平均土壤侵蚀量为969.908 7 t/（km2·a），全县内土壤侵蚀级别大多数为微度和轻度。玉溪市水系发达，纵观整体可知该市的土壤侵蚀较为严重的区域集中分布在各大河流附近，例如新平县的土壤侵蚀中度以上区域主要分布在漠沙江附近，易门县、峨山县土壤侵蚀中度以上区域主要集中在绿汁江流域，根据《截至2015年底云南省矿产资源储量简表》可知，玉溪市矿山主要分布在易门县以及华宁县，而矿山的开采破坏土壤结构，因此，易门县和华宁县的土壤侵蚀量相对较高，分别为571.142 1 t/（km2·a）和777.671 2 t/（km2·a）。

表3 各行政单元土壤侵蚀情况

2.2 不同土地利用类型的土壤侵蚀特征分析

结合遥感影像以及实地调查，选取玉溪市内耕地、林地、草地、工矿用地、水域及水利设施用地进行研究。由表4可知，玉溪市土壤侵蚀较为严重的地区主要地类为耕地、林地、草地，中度及以上侵蚀面积比例超过35%，玉溪市耕地面积263 804.44 hm2，占玉溪市总面积的17.66%，由于耕地受人类活动干扰频繁，常年耕作导致土壤结构遭到破坏，作物生长周期的原因导致植被覆盖具有季节变化特征，因此土壤侵蚀也相对严重。由于玉溪市局部地区存在植被退化的现象，严重影响了林地以及草地的植被覆盖，导致了这些区域的侵蚀强度较高，其中全市林草地中度以上侵蚀面积近30%。玉溪市矿产资源较为丰富，已知矿产有铁、锰、铬、铜、镍、磷、大理石、煤和硅石等23种，其中铁、铜、磷、镍4种优势矿产是该区重要的矿产资源，玉溪市工矿用地占地11 060.78 hm2，其中轻度以上土壤侵蚀占29.24%。由于地区工业矿床多且分布广泛，大量长期的煤矿开采造成表层物质松散，土地植被以及地表、地下含水岩层遭到破坏，与其他形式的土地破坏相比，具有形式特殊、数量大、难补救的特点［13］。

表4 不同土地利用类型土壤侵蚀情况

2.3 不同植被覆盖度土壤侵蚀状况

现将植被覆盖程度分为5个等级，以便于分析玉溪市不同植被覆盖条件下的土壤侵蚀状况。由表5可知，植被覆盖度小于10%的区域，土壤侵蚀等级主要为微度和轻度，土壤侵蚀程度微度的面积占59.30%，轻度土壤侵蚀的面积占36.34%；植被覆盖度为10%˜30%区域，土壤侵蚀程度微度的面积占41.45%，轻度土壤侵蚀的面积占48.53%；植被覆盖度为45%˜60%区域，受土壤侵蚀面积较大的影响，其土壤侵蚀量也不容忽视。对不同植被覆盖条件下的区域进行分析（图7），随着植被覆盖度增加，轻度以下侵蚀面积增加，绝大部分中度以上侵蚀发生在植被覆盖度低于60%的区域。

表5 不同植被覆盖程度土壤侵蚀情况（单位：%）

图7 不同植被覆盖度各土壤侵蚀强度等级面积比例

3 小结与讨论

利用GIS与RUSLE模型对玉溪市的土壤侵蚀程度进行研究，结果表明，研究区的平均土壤侵蚀量为1 043.03 t/（km2·a），该市土壤侵蚀主要以微度和轻度为主，其所占面积分别为57.844%和33.486%，土壤侵蚀强烈及以上部分主要分布在易门县、华宁县以及元江县。根据土地利用类型与土壤侵蚀程度结合分析，玉溪市土壤侵蚀较为严重的地类基本分布在耕地、林地以及草地，侵蚀强度为中度及以上的区域侵蚀面积比例超过35%，虽然林地和草地的植被覆盖较高也具有一定水土保持作用，但是植被退化导致了局部区域侵蚀强度较高，全市林草地中度以上侵蚀面积近30%。而玉溪市矿产资源丰富，采矿对土壤的伤害仍不容忽视。现有的土壤侵蚀预测模型大多是地方性的，不能用于较大区域，也很难直接推广到其他地区，同时对各侵蚀影响因子尚无系统全面的研究，缺乏足够的试验观测资料，影响了模型的实用性［15］，而本研究缺乏对相关参数的实地验证，在后续研究中予以完善；另外模型因子计算方法应进一步完善，提高精度。