鄒琴英 師學(xué)義 付揚(yáng)軍

摘 要：汾河上游屬黃河中游土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)，為了給汾河上游水土流失防治、生態(tài)治理和土地合理利用提供科技與數(shù)據(jù)支撐，基于2018年土地利用數(shù)據(jù)，借助修正的通用土壤流失方程和地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)，計(jì)算汾河上游土壤侵蝕模數(shù)，并對(duì)其空間分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：汾河上游最大土壤侵蝕模數(shù)為48 117.10 t/（km2·a），平均侵蝕模數(shù)為2 781.74 t/（km2·a），侵蝕強(qiáng)度等級(jí)比較高的區(qū)域主要分布在東北部和西南部;不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度差異較大，土壤侵蝕主要發(fā)生在海拔高、坡度大、植被覆蓋度低的有林地、人工及其他草地和耕地，這三者的潛在土壤侵蝕量較大，采礦用地、未利用地、其他林地、園地平均侵蝕模數(shù)也較大，應(yīng)加強(qiáng)土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜絕亂砍濫伐、不合理礦山開(kāi)采等，盡可能減少人為土壤侵蝕;隨著海拔的上升土壤侵蝕強(qiáng)度先急劇增大后緩慢減小，1 200～2 000 m是土壤侵蝕主要海拔段;土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度的增大而增大，8°～35°坡度范圍是流域土壤侵蝕的嚴(yán)重區(qū)域和水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕;通用土壤流失方程;土地利用類型;汾河上游

中圖分類號(hào)：S157.1;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.015

Abstract：The upstream of the Fenhe River is a serious soil erosion area in the middle reaches of the Yellow River. In order to provide scientific and data support for soil erosion control， ecological management and rational land use in the upstream of the Fenhe River， based on the 2018 land use data， with the help of the revised general soil loss equation and geographic information system， remote sensing technology， the paper calculated the soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River and analyzed its spatial distribution. The results show that the maximum soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River is 48 117.1 t/（km2·a）， the average erosion modulus is 2 781.74 t/（km2·a） and the areas with higher erosion intensity are mainly distributed in the northeast and southwest; soil erosion of different land use types are quite different and soil erosion mainly occurs in woodland， artificial grassland and cultivated land areas with high altitudes， large slopes and low vegetation coverage， the potential soil erosion is relatively larger. The average erosion modulus of mining land， unused land， other woodland and garden land is also relatively larger. Land use control should be strengthened and grassland， woodland and cultivated land should be used rationally， put an end to deforestation， unreasonable mining， et al. and reduce man-made soil erosion as much as possible; with the increase in altitude， the intensity of soil erosion firstly increases sharply and then slowly decreases. 1200-2000 m is the main altitude section of soil erosion; the modulus of soil erosion increases with the increase of slope. The slope of 8°-35° is the serious area of soil erosion in the watershed and the key area of soil erosion control.

Key words： soil erosion; general soil loss equation; land use type; upstream of Fenhe River

土壤侵蝕屬于全球性生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，受氣候變化的驅(qū)動(dòng)[1]。黃河流域是中國(guó)乃至世界上水土流失最嚴(yán)重區(qū)域，截至2018年，黃土高原仍有21.37萬(wàn)km2的水土流失面積需要治理[2]。土壤侵蝕和水土流失，不僅造成土壤退化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、滑坡泥石流災(zāi)害等，而且導(dǎo)致河道泥沙淤積，影響人類的生產(chǎn)生活甚至生命財(cái)產(chǎn)安全、破壞動(dòng)植物的生存環(huán)境[3-4]。汾河上游屬黃河中游土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)，關(guān)于汾河土壤侵蝕的研究已有不少成果，主要集中于土壤侵蝕時(shí)空變化、不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度及面積分布等方面[5-8]。當(dāng)前，以具有適用范圍廣、全面考慮土壤侵蝕過(guò)程的影響因子、計(jì)算簡(jiǎn)單且精度較高等優(yōu)點(diǎn)的通用土壤流失方程USLE為典型代表的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，已成為國(guó)內(nèi)外流域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效手段[9-10]，如：Mengesha等[11]采用RUSLE、GIS和RS技術(shù)對(duì)尼羅河上游德姆貝查地區(qū)的土壤侵蝕進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)土壤侵蝕嚴(yán)重程度提出了水土保持措施優(yōu)先級(jí);Prasannakumar等[12]利用RUSLE和GIS生成空間侵蝕圖，作為制定環(huán)境敏感山區(qū)土地規(guī)劃的有效輸入;文雅等[13]采用USLE估算了廣東省山區(qū)的土壤侵蝕量;胡剛等[14]基于RUSLE，對(duì)臥虎山水庫(kù)流域土壤侵蝕進(jìn)行了全面分析;馬力等[15]基于USLE原理和3S技術(shù)對(duì)1997—2015年南京市水土流失進(jìn)行了定量監(jiān)測(cè)，建立了水土流失監(jiān)測(cè)方法。本研究以汾河上游為研究區(qū)，采用GIS、RS技術(shù)和RUSLE，定量分析汾河上游土壤侵蝕特征，以期為汾河上游水土流失防治、生態(tài)治理和土地合理利用提供科技與數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河上游地形地貌以山地丘陵為主，流域面積3 884.56 km2，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量427.6 mm，降雨主要集中在6—9月，雨熱同期，植被具有從森林草原向干旱草原過(guò)渡的特點(diǎn)，土壤以褐土和淺色草甸土為主。汾河上游是“京津冀生態(tài)協(xié)同圈”的重要組成部分，也是華北平原生態(tài)屏障和山西省重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，在國(guó)家生態(tài)安全格局中具有重要的地位。但是，汾河上游流域地形破碎，溝壑縱橫，煤炭開(kāi)采、林木采伐等生產(chǎn)活動(dòng)破壞地表植被，使得汾河上游流域成為土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究使用數(shù)據(jù)及來(lái)源：2018年汾河上游30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）;1981—2010年寧武、靜樂(lè)2個(gè)氣象站月均年均降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn），2011—2018年降水?dāng)?shù)據(jù)源自這2個(gè)氣象站;2018年汾河上游30 m分辨率landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云;2018年汾河上游土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)，來(lái)源于忻州市政府;土壤顆粒級(jí)配（砂粒、粉粒、黏粒含量）和有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)，來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集（Harmonized World Soil Database version 1.1，HWSD）。將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為30 m分辨率，以便于進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算。

1.3 研究方法

2 結(jié)果與分析

2.1 流域土壤侵蝕強(qiáng)度

按照上述方法逐網(wǎng)格計(jì)算2018年汾河上游單位面積土壤流失量，按照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[25]對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，利用GIS生成汾河上游土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖（見(jiàn)圖1），可以看出，土壤侵蝕強(qiáng)度較高的區(qū)域主要集中在東北部、西南部及河流兩岸的山地丘陵，而西北管涔山和中部汾河溝谷地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度較低。

汾河上游最大侵蝕模數(shù)達(dá)48 117.10 t/（km2·a），平均侵蝕模數(shù)為2 781.74 t/（km2·a）。由表2可知，汾河上游流域微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積分別為1 583.46、939.07、548.40、372.48、370.21、70.94 km2，分別占流域面積的40.76%、24.17%、14.12%、9.59%、9.53%、1.83%，其中中度及以上土壤侵蝕面積1 362.03 km2、占總面積的35.07%，表明汾河上游流域土壤侵蝕以中度以下為主。上述結(jié)果與王曉慧等[26-27]對(duì)中陽(yáng)縣土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

2.2 不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度差異

利用GIS和土地利用現(xiàn)狀圖，統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型的土壤侵蝕參數(shù)，見(jiàn)表3。由表3可以看出：耕地、有林地、人工及其他草地面積較大，是土地利用的主要類型，其他地類面積較小;在3類主要地類中，人工及其他草地平均土壤侵蝕模數(shù)最大，其次為耕地，最小的是有林地，分別為4 829.97、1 791.64、1 293.60 t/（km2·a）;采礦用地、未利用地、其他林地、園地雖然平均侵蝕模數(shù)也比較大，但是土壤侵蝕面積相對(duì)有限，土壤侵蝕總量相對(duì)較小。

3類主要地類間土壤侵蝕強(qiáng)度差異明顯（見(jiàn)表4）。耕地土壤侵蝕強(qiáng)度主要集中在中度及以下，其面積占比達(dá)89.19%;有林地以微度侵蝕為主，其面積占比為70.52%;人工及其他草地微度侵蝕面積占比為33.28%，中度及以上的面積占比為50.51%。

綜合分析各地類的面積、平均侵蝕模數(shù)、土壤侵蝕強(qiáng)度可知，土地利用與土壤侵蝕強(qiáng)度密切相關(guān)，應(yīng)加強(qiáng)土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜絕亂砍濫伐、不合理礦山開(kāi)采等，盡可能減少人為土壤侵蝕。

2.3 不同地形條件的土壤侵蝕強(qiáng)度差異

根據(jù)汾河上游的海拔范圍，分為<1 200、1 200～1 400、1 400～1 600、1 600～1 800、1 800～2 000、2 000～2 200、2 200～2 400、>2 400 m共8個(gè)海拔段，利用GIS將土壤侵蝕柵格圖層與之進(jìn)行空間疊加、分段統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出：流域內(nèi)土壤侵蝕與海拔密切相關(guān)，隨著海拔的上升，土壤侵蝕強(qiáng)度先急劇增大后緩慢減小;海拔1 200～2 000 m各海拔段的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為3 149.22、3 063.93、3 002.45、2 772.40 t/（km2·a），均屬中度侵蝕，是流域土壤侵蝕的主要海拔段;海拔1 200 m以下、2 000～2 200 m和2 200～2 400 m的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 158.30、1 728.69、503.97 t/（km2·a），屬輕度侵蝕;海拔2 400 m以上的平均土壤侵蝕模數(shù)為139.16 t/（km2·a），屬微度侵蝕。

根據(jù)汾河上游流域的實(shí)際情況，將坡度分為6級(jí)，利用GIS進(jìn)行空間疊置分析，得到不同坡度的土壤侵蝕面積、平均土壤侵蝕模數(shù)，見(jiàn)表6。可以看出：平均土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度的增大逐漸增大，從最小值738.71 t/（km2·a）增大到最大值4 829.56 t/（km2·a）;土壤侵蝕面積隨坡度的增大先增加后急劇減少，坡度為8°～15°的面積最大（1 443.02 km2），占流域面積的37.15%;坡度為0°～25°的侵蝕量隨坡度增大持續(xù)增加，大于25°后侵蝕量大幅度減小;坡度為15°～25°的侵蝕總量約為422萬(wàn)t/a，約占流域侵蝕總量的39%;坡度為8°～35°的土壤侵蝕量約占流域侵蝕總量的87%，是土壤侵蝕治理的主要對(duì)象，應(yīng)從改變微地貌角度進(jìn)行水土流失治理。

3 結(jié) 論

基于RUSLE模型，采用RS和GIS相結(jié)合的方法，計(jì)算了汾河上游土壤侵蝕模數(shù)，并對(duì)其空間分布情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：汾河上游最大土壤侵蝕模數(shù)為48 117.10 t/（km2·a），平均侵蝕模數(shù)為2 781.74 t/（km2·a），侵蝕強(qiáng)度比較高的區(qū)域主要分布在東北部和西南部;不同土地利用類型的土壤侵蝕差異較大，土壤侵蝕主要發(fā)生在海拔高、坡度大、植被覆蓋度低的有林地、人工及其他草地和耕地，采礦用地、未利用地、其他林地、園地平均侵蝕模數(shù)也較大，應(yīng)加強(qiáng)土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜絕亂砍濫伐、不合理礦山開(kāi)采等，盡可能減少人為土壤侵蝕;隨著海拔的上升土壤侵蝕強(qiáng)度先急劇增大后緩慢減小，1 200～2 000 m是土壤侵蝕主要海拔段;土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度的增大而增大，8°～35°坡度范圍是流域土壤侵蝕的嚴(yán)重區(qū)域和水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域。

隨著區(qū)域土地利用類型和生態(tài)要素的改變，土壤侵蝕因子發(fā)生著動(dòng)態(tài)變化，此外，研究區(qū)氣象站點(diǎn)有限，降雨侵蝕力因子計(jì)算精度有待提升，土壤數(shù)據(jù)比例尺較小等，所以本研究具有一定的局限性。在后續(xù)研究中，可使用衛(wèi)星遙感降雨數(shù)據(jù)產(chǎn)品，布設(shè)小流域控制站和坡面徑流場(chǎng)等，開(kāi)展水土流失影響因子及土壤流失量等常年持續(xù)性觀測(cè)，以提高土壤侵蝕因子和土壤侵蝕強(qiáng)度等的計(jì)算精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] LAL R. Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food Security [J]. Science， 2004， 304（5677）： 1623-1627.

[2] 水利部.2018年中國(guó)水土保持公報(bào)[EB/OL].（2019-08-20）[2019-10-25].http：//www.mwr.gov.cn/sj/tjgb/zgstbcgb/201808/ t20180828_1046399.html.

[3] 薛天翼，王紅亞.湖泊（水庫(kù)）沉積物分析在土壤侵蝕研究中的運(yùn)用[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2018，37（7）： 890-900.

[4] 劉婷，邵景安.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三峽庫(kù)區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度模擬[J].自然資源學(xué)報(bào)，2018，33（4）： 669-683.

[5] 解蕾，袁春，周偉，等.山西省汾河水庫(kù)上游水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析[J].資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2008（7）： 598-600.

[6] 黨星海，孫雅杰.地理信息系統(tǒng)應(yīng)用下的黃土高原地區(qū)土壤侵蝕量估算[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（25）：13-17.

[7] 周日平.黃土高原典型區(qū)土壤保持服務(wù)效應(yīng)研究[J].國(guó)土資源遙感，2019，31（2）：131-139.

[8] 杜軼，郭青霞，郭漢清，等.汾河上游不同土地利用方式對(duì)坡地水土流失的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2019，33（4）：44-51.

[9] 李宏偉，鄭鈞瀠，彭慶衛(wèi).國(guó)外土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究進(jìn)展[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2016，26（增刊1）：183-185.

[10] LIU B Y， NEARING M A， SHI P J， et al. Slope Length Effects on Soil Loss for Steep Slopes[J]. Soil Science Society of America Journal， 2000， 64（5）： 1759-1763.

[11] MENGESHA Z， MOHAMMED S， MOHAMMEDYASIN D S， et al. Assessment of Soil Erosion Using RUSLE， GIS and Remote Sensing in NW Ethiopia[J]. Geoderma Regional， 2018， 12： 83-90.

[12] PRASANNAKUMAR V， VIJITH H， ABINOD S， et al.Estimation of Soil Erosion Risk Within a Small Mountainous Sub-Watershed in Kerala， India， Using Revised Universal Soil Loss Equation（RUSLE） and Geo-Information Technology[J]. Geoscience Frontiers， 2012， 3（2）： 209-215.

[13] 文雅，劉曉南，程炯.基于USLE 的廣東省山區(qū)土壤侵蝕量估算及特征分析[J].水土保持通報(bào)，2013，33（4）：112-118.

[14] 胡剛，宋慧，石星軍，等.基于RUSLE的臥虎山水庫(kù)流域土壤侵蝕特征分析[J].地理科學(xué)，2018，38（4）： 610-617.

[15] 馬力，卜兆宏，梁文廣，等.基于USLE原理和3S技術(shù)的水土流失定量監(jiān)測(cè)方法及其應(yīng)用研究[J].土壤學(xué)報(bào)， 2019， 56（3）： 1-13.

[16] PRASANNAKUMAR V， VIJITH H， GEETHA N， et al. Regional Scale Erosion Assessment of a Sub-Tropical Highland Segment in the Western Ghats of Kerala， South India[J]. Water Resources Management， 2011， 25（14）： 3715-3727.

[17] WILLIAMS J R， ARNOLD J G. A System of Erosion-Sediment Yield Models[J]. Soil Technology， 1997， 11（1）： 43-55.

[18] DESMET P J J， GOVERS G. A GIS Procedure for Automatically Calculating the USLE LS Factor on Topographically Complex Landscape Units[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 1996， 51（5）： 427-433.

[19] MCCOOL D K， FOSTER G R， WEESIES G A. Slope Length and Steepness Factors （LS）， Chapter[M]. Washington： United States Department of Agriculture， 1997：101-141.

[20] LIU B Y， NEARING M A， RISSE L M. Slope Gradient Effects on Soil Loss for Steep Slopes[J]. Transactions of the ASAE，1994， 37（5）：1835-1840.

[21] 蔡崇法，丁樹(shù)文，史志華，等.應(yīng)用USLE模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測(cè)小流域土壤侵蝕量的研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（2）： 19-24.

[22] 鹿晨昱，張琳，薛冰，等.基于GIS的太原市土壤侵蝕定量研究[J].水土保持通報(bào)， 2013， 33（6）： 247-251.

[23] 何莎莎，朱文博，崔耀平，等.基于RUSLE模型的太行山淇河流域土壤侵蝕特征研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2019，28（2）： 426-439.

[24] 張養(yǎng)安，張?chǎng)?，江仕嶸.基于GIS與RS的楊凌區(qū)土壤侵蝕時(shí)空變異性研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2018，32（6）： 130-133.

[25] 中華人民共和國(guó)水利部.土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：SL 190—2007[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：7-8.

[26] 王曉慧，陳永富，陳爾學(xué)，等.基于遙感和GIS的黃土高原中陽(yáng)縣土壤侵蝕評(píng)價(jià)[J].山地學(xué)報(bào)，2011，29（4）：442-448.

[27] 齊清，王天明，寇曉軍，等.基于GIS的黃土高原小流域土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)[J].水土保持研究，2009，16（3）： 1-5.

【責(zé)任編輯 張智民】