柳河流域土壤侵蚀时空变化特征分析

张宇晴

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局),辽宁 沈阳 110000)

1 研究方法

1.1 流域概况

柳河位于辽宁省阜新市内,其源头在内蒙古奈曼旗的双台子,这是辽河中下游一条较大的多泥沙支流,流经库伦旗、阜新市和彰武县,总长302 km,流域面积5 798 km2,年均径流量21.8亿 m3,水系分布如图1。

图1 柳河流域水系分布图

柳河有养畜牧河、大小青沟、厚很河和铁牛河4条主要支流,具有河床整体稳定性弱、冲淤面积跨度大、河宽变化大、河段细长、坡降起伏大以及流域面狭小等特点。地势总体呈西南高、东北低的特征,在彰武县城以上总体可以分成丘陵区、低山区、漫岗区和坨甸区,而在彰武县以下进入平原地带,两岸无支流注入。研究区为温寒带大陆性气候,年降水量400～600 mm,从空间上自南向北递减,其中约80%发生在6-9月,该时段多暴雨极易导致水土流失和洪水。土壤类型以草甸土和风沙土为主,位于华北与内蒙古植物区系的交汇处,植被种类丰富多样,植被类型以针叶和落叶阔叶树木混生的林草为主,林草覆盖率35.06%。为了更好地揭示柳河流域土壤侵蚀现状和时空变化特征,加强生态保护和水土流失治理,对柳河流域应用RUSLE模型进行计算分析,为流域生态治理工程及水土流失防治效应评估提供支持。

1.2 数据来源

为了研究柳河流域的土壤侵蚀现状及其时空变化特征,需要收集获取的数据如下:柳河流域的DEM数据精度20 m×20 m,由地理空间云平台获取;2001年、2010年和2020年的用地类型数据,精度1 km×1 km,数据来源于资源环境中心;土壤类型数据精度1 km×1 km,由土壤数据库中获取;2001-2020年阜新、彰武和新民3个站点的日降水数据,数据来源于气象科学数据共享服务网。

1.3 RUSLE方程

RUSLE方程是一种用于计算土壤流失的模型,它考虑了降雨、地形、土壤潜在侵蚀力等一系列参数。本文利用Arc GIS空间分析技术和RUSLE方程计算分析柳河流域土壤侵蚀特征,计算方法如下[1]:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A为年土壤流失量,t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力,MJ·mm/(hm2·h·a);K为土壤可蚀性,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);LS、C、P为坡长与坡度、植被覆盖与管理及水保措施因子。

(1)降雨侵蚀力R。基于日雨量的半月降雨侵蚀力考虑了降雨强度和降雨量的变化,首先需要获取半月的降雨数据,并计算出每个降雨事件的降雨强度,然后根据降雨强度的区间范围,采用以下公式计算每个半月的降雨侵蚀力Ri[2]:

(2)

式中:Rj、Ri为半月内j日的有效降雨(mm)和半月降雨侵蚀力[MJ·mm)/(hm2·h·a)];α、β为计算参数;Ry、Rd为年均和日均≥12 mm的降雨量,mm;k为半月内有效降雨天数。

(2)土壤可蚀性因子K。这是评估土壤是否易于侵蚀的主要参数,反映了土壤物理和化学特性对侵蚀的敏感程度,该数值越高表示越易受到侵蚀。根据土壤质地、有机碳含量以及EPIC方程确定柳河流域土壤可蚀性K因子值[3]:

(3)

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(4)

式中:SAN、SIL、CLA分别为砂粒(粒径0.050～2.000 mm)、粉粒(粒径0.002～0.050 mm)和黏粒(<0.002 mm)的含量,单位%;C为有机碳含量(%),其中SN1=1-SAN/100。

(3)坡度坡长因子SL。这是描述地形条件对土壤侵蚀影响程度的重要参数,其值越大表示发生侵蚀的风险越高,计算不同用地类型下的SL因子值,可以采取适当的措施如保护性耕作、植被覆盖和梯田等来减缓水流速度和土壤侵蚀。本文利用刘保元[4]、Wischmeier[5]等提出公式进行计算,具体如下:

L=(λ/22.1)n

(4)

(5)

式中:λ为水平坡长,m;θ为坡度(°);n为坡长指数,坡度θ≤1°、1°<θ≤3°、3°<θ≤5°、θ>5°时,对应的n值取0.2、0.3、0.4、0.5。

(4)植被覆盖与管理因子C。它是土壤侵蚀研究和土地利用规划的重要因子,描述了植被的保护能力和管理措施的影响作用,其中植被具有保护土壤的作用,可以减轻雨滴的冲击力,降低径流速度,防止土壤的暴露和侵蚀,故植被覆盖越好,土壤侵蚀风险就越低。管理因子反映了不同土地利用和管理实践对土壤侵蚀的影响,例如农田采取保护性耕作、梯田、防风林带等措施将大大减少土壤侵蚀的发生。根据柳河流域植被覆盖、土地利用以及管理状况,采用Arc GIS空间分析技术确定耕地、草地、林地、水体、建设用地、未利用地及其它地类的C因子值为0.260、0.120、0.016、0、0.210和0。

(5)水保措施因子P。该因子用于衡量地表实施水保措施的作用效果,如植被覆盖、农田排水和防护林带等,根据实施的措施类型和程度量化反映了土地的保持程度。P值越大表示地表的保护作用越好,抵抗侵蚀能力越强[6-8]。根据野外调查相关资料利用Arc GIS空间分析技术确定柳河流域耕地、草地、林地、水体、建设用地、未利用地及其它地类的P因子值为0.36、1.00、1.00、0、1.00、1.00。

2 结果分析

2.1 时间变化特征

研究计算2001年和2020年柳河流域水土保持各因子值,将计算结果统一转变成分辨率30 m的图层,并在Arc GIS栅格中确定相应的侵蚀模数。研究显示,柳河流域以微度、轻度侵蚀为主,尤其东部的侵蚀情况较为严重,这与实际情况和野外调查资料保持一致,进一步验证了计算结果的可靠性。在SWAT模型中输入DEM数据、土壤和土地利用等数据,通过HRU分析将柳河流域划分成32个子流域,并计算每个子流域的侵蚀模数。结果表明,2001-2020年柳河流域土壤侵蚀模数均值为1 867.25 t/(km2·a),其中2001年的侵蚀程度较严重,侵蚀模数达到为2 491.75 t/(km2·a),到2020年下降到1 282.66t/(km2·a),降幅为48.52%。2005年的侵蚀模数仅为797.25t/(km2·a),相比于2001年降幅达到68.00%,土壤侵蚀较轻。然而,2010年和2015年又呈现出上升趋势,土壤侵蚀模数是2001年的1.82倍和3.16倍。总体上,研究区柳河流域土壤侵蚀呈下降趋势,生态系统表现出较好发展态势。

不同侵蚀强度下,柳河流域2001-2020年侵蚀面积变化情况如表1。由表1可知,随着强度的增加侵蚀面积不断减小,微度、轻度、中度是其主要侵蚀类型,2001-2020年微度侵蚀区占比均超过92%。通过分析变化情况可知,微度侵蚀区表现出波动增大趋势,从2001年的5515.06 km2上升到2020年的5749.88 km2,增幅达到4.05%;轻度侵蚀区表现出波动减小趋势,从2001年的259.17 km2下降到2020年的48.12 km2,降幅达到81.43%;中度、强度侵蚀区表现出逐渐减小趋势,土壤侵蚀较轻时的中度、强度侵蚀面积较少,随时间变化规律不明显。总体而言,柳河流域水土流失强度呈现出减轻趋势。然而,2010-2015年微度侵蚀减少39.43 km2,说明2015年具有一定的向高强度发展的态势,结合当地气候的条件研究认为这可能与该时段降水较多等因素有关。

表1 土壤侵蚀强度变化统计表

2.2 空间变化特征

在GIS系统中计算分析柳河子流域不同时期的土壤侵蚀模数,结果显示从空间分布上各年代的侵蚀模数并不均匀,具有一定空间异质性,但其分布格局并未明显改变,西南部、东部和北部的土壤侵蚀较集中。微度侵蚀区集中分布于用地类型以耕地为主的养畜牧河和降水较多的东部。柳河流域主要为微度侵蚀,对于中度侵蚀,中南部和东部呈现出点状或带状分布特征,而东南部和中部则表现出点状穿插分布的情况,而微度、中度和轻度侵蚀呈点状或带状穿插分布的特征主要与降水量东高、西低以及人类活动等因素有关。

为深入掌握流域土壤侵蚀变化特征,在Arc GIS系统中计算生成转移矩阵,并进一步分析不同年份的侵蚀面积变化情况如表2。

表2 土壤侵蚀强度转移矩阵

研究发现,2001-2020年柳河流域的土壤侵蚀强度发生明显的转变,绝大部分的中度和轻度转变成微度侵蚀,而强度则全部转变成轻度、微度;2005-2010年期间的侵蚀强度转变略较减弱,但仍有部分轻度转变成微度侵蚀;2010-2015年期间,土壤侵蚀表现出一定的加剧态势,微度侵蚀中有极少部分转变成轻度和中度侵蚀,轻度侵蚀中约有16%转变成中度;在2015-2020年期间,柳河流域土壤侵蚀总体呈现出减轻趋势,大多数轻度和所有中度侵蚀强度均下降一级。总体上,柳河流域2001-2020年水土流失呈较好发展趋势,侵蚀强度下降,但中度与轻度侵蚀之间的转变较为活跃,需要加强引导更好地保护流域生态。

2.3 用地类型对土壤侵蚀的影响

柳河流域的用地类型以耕地和林地为主,所占比例分别为58.70%和26.41%,其中耕地则大多分布于西北部,而林地多位于东部、中部及南部。将2020年土地利用与侵蚀强度图相叠加可以确定不同用地类型的土壤侵蚀状况,如表3。

表3 2020年不同用地类型的土壤侵蚀面积

根据表3数据可知,林地微度侵蚀最高为3 350.8 km2,耕地次之为1 399.69 km2,建设用地和草地的微度为771.19 km2、170.64 km2,而未利用地及其它的微度侵蚀较少为57.49 km2。对于轻度侵蚀,耕地的侵蚀面积最大达到21.67 km2,其次是检核用地的17.07 km2,林地和草地的轻度侵蚀区为8.29 km2、1.09 km2,未利用地及其他的轻度侵蚀区可忽略不计。

通过对比发现,不同用地类型的侵蚀模数存在明显差异,其中耕地最大为3 026 t/(km2·a),未利用地次之,而林地、草地相对较小为2 053和1 780 t/(km2·a)。林地和草地的微度侵蚀面积占95%,而耕地和建设用地的轻度侵蚀所占比例较高。所以,植被覆盖较好的地类明显低于植被遭受破坏且未采取水保措施地类的侵蚀程度。

3 结语

(1)从时间变化上,柳河流域2001-2020年土壤侵蚀强度表现出逐渐下降的趋势,这说明柳河流域的水土流失呈现出较好的发展态势。从空间变化上,流域东部和中南部的轻度侵蚀呈带状或点状分布,中部和东南部的中度侵蚀呈点状穿插分布,这主要与人类活动以及从东向西降水逐渐减少的变化特征有关。对于各用地类型,耕地的侵蚀最终,草地和林地较轻,所以植被覆盖较好的地类明显低于植被遭受破坏且未采取水保措施地类的土壤侵蚀程度。

(2)侵蚀最严重的是耕地,而林地和草地的侵蚀较轻,故植被覆盖较好的用地类型总体上低于植被受到破坏且未采取水保措施地类的侵蚀强度。