劉 璐, 郭月峰, 姚云峰, 劉曉宇, 祁 偉,2

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010018; 2.內蒙古自治區(qū)水利水電勘探設計院, 呼和浩特 010020)

土壤侵蝕是土壤在風力、水力、重力等自然營力與人類活動綜合作用下被剝蝕、搬運、沉積的過程，其土壤養(yǎng)分流失，土地生產力下降，土壤退化，引起泥沙淤積，加劇洪澇、干旱等災害發(fā)生，嚴重危及人類生存與發(fā)展，是各國關注的環(huán)境熱點問題之一[1]，為此各國學者采用了多種技術對土壤侵蝕進行了大量探索性試驗和深入研究，其中土壤侵蝕定量評價是土壤侵蝕研究中的主要方法，尤其是近幾十年來，遙感技術和地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展極大地推動了土壤侵蝕定量化研究[2]，為土壤侵蝕研究提供了有力的技術支持，已在世界許多國家得到廣泛應用和研究[3-6]。

國內對GIS和RUSLE的綜合應用始于20世紀80年代末，RUSLE是將降雨侵蝕力、土壤可蝕性、植被覆蓋、坡長、坡度和水土保持措施作為6大因子對土壤侵蝕進行定量評價的水蝕預報經驗模型。卜兆宏等[7]完善了模型因子算式算法，改進了土壤粒級換算方法，在水土流失定量遙感方法中取得新進展，并在太湖流域加以應用，還有其他學者利用USLE或RULSE模型估算了廣東省[8]、江西省[9]的土壤侵蝕強度及中國的[10]年平均土壤侵蝕率，基于RULSE模型在不同省份和地區(qū)相繼出現(xiàn)了一系列研究報道[11-14]。基于區(qū)域土地類型對其地面坡度、土地利用/覆被類型和植被覆蓋數(shù)據(jù)構建土壤侵蝕遙感反演模型，從而進行土壤水力侵蝕強度定性分析，郭碧云等[15]以坡度、植被覆蓋度和土地利用方式3個方面作為水力侵蝕的判別指標，結合野外調查和室內分析，對內蒙古農牧交錯區(qū)土壤水蝕強度進行評價?；谕寥狼治g經驗模型運用GIS定量評估土壤侵蝕已成為合理規(guī)劃、利用區(qū)域水土資源的有效手段。

十大孔兌上中游區(qū)域土壤侵蝕嚴重，水土流失面積約占上中游總面積的95%，多年平均輸沙量0.27億t，是黃河河道主要的產沙區(qū)之一。區(qū)域內土壤類型與地表物質具有較大差異，其水土流失特征及類型也各不相同。上游地處砒砂巖外露區(qū)，汛期暴雨集中時，在水力侵蝕的作用下[16]，風化物源源不斷地輸送到中游和下游，是河道粗砂重要的補給，也是下游防汛、取水安全的重要隱患，故水力侵蝕是該區(qū)域水土流失的重要原因。

本文選取侵蝕類型為水力侵蝕的十大孔兌上游作為土壤侵蝕演算的研究區(qū)，基于GIS采用兩種方法分別構建了十大孔兌上游流域1980年、1990年、2000年、2010年及2018年5個典型年份的土壤侵蝕反演模型。第1種方法在土壤侵蝕分類分級標準基礎上，基于十大孔兌上游地形、土地利用、植被覆蓋度數(shù)據(jù)對土壤侵蝕強度進行定性分析。第2種方法基于RUSLE演算土壤侵蝕模數(shù)并進行土壤侵蝕強度分級，并通過對比兩種方法的有效性為生態(tài)脆弱區(qū)流域治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

十大孔兌位于內蒙古鄂爾多斯市境內，地理坐標為108°47′—110°58′E，39°47′—40°30′N，其發(fā)源于鄂爾多斯臺地，流經庫布齊沙漠，橫穿下游沖積平原后匯入黃河的10條一級支流，從西向東依次為毛不拉孔兌、布爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母哈爾河、東柳溝、呼斯太河。研究區(qū)屬于典型干旱大陸性氣候，氣候干燥，風大沙多，降水年際變化大，年內分布不均，7—9月的降水量占全年降水量的70%，由南向北逐漸減少，其中風沙區(qū)雨量最少。地貌類型以礫質丘陵、沙質丘陵、沖洪積平原為基礎，由南向北可分為上游黃土丘陵溝壑區(qū)、中游庫布齊沙漠風沙區(qū)和下游黃河南岸沖積平原區(qū)。上游為鄂爾多斯臺地北緣，溝壑縱橫，地表支離破碎，以水力侵蝕為主；中游為庫布齊沙漠區(qū)，橫貫東西，西寬東窄，風力侵蝕極為嚴重；下游為沖洪積平原區(qū)，地勢平坦，多年平均徑流量、輸沙量較大。流域內暴雨洪水頻繁，水土流失嚴重，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境十分脆弱(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎數(shù)據(jù)來源與處理

由于十大孔兌在降水、植被、土地利用等方面資料較為匱乏，本研究的基礎數(shù)據(jù)主要依靠遙感技術獲取。十大孔兌流域1980年、1990年、2010年、2018年降水數(shù)據(jù)選用地面測站數(shù)據(jù)，基于泰森多邊形法將測站降水數(shù)據(jù)插值成面狀數(shù)據(jù)，因2000年地面測站降水數(shù)據(jù)短缺，選用TRMM降雨數(shù)據(jù)替代，通過對2000年1—12月的TRMM3B43降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算，獲取2000年的年降雨數(shù)據(jù)。收集覆蓋十大孔兌流域1980年、1990年、2000年、2010年、2018年的6—10月Landset MSS/TM/ETM/landsat8影像數(shù)據(jù)25期，選取影像質量較好的8景影像作為5個典型年份的遙感數(shù)據(jù)源。收集覆蓋十大孔兌流域的DEM數(shù)據(jù)1套，空間分辨率約為30 m×30 m。收集覆蓋十大孔兌流域的土壤類型數(shù)據(jù)1套，比例尺為1∶100萬。

2.2 研究方法

2.2.1 基于土地類型土壤侵蝕研究 基于《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)，利用地面坡度、土地利用/覆被類型和植被覆蓋數(shù)據(jù)，構建土壤侵蝕遙感反演模型，按照土地利用類型、植被覆蓋度、地面坡度3種參數(shù)在不同類型或區(qū)間內的歸屬不同來劃分土壤侵蝕強度，利用ArcGIS軟件的Model Builder模塊，構建土壤侵蝕模型，針對柵格圖像建立3種參數(shù)的類型或區(qū)間的判斷矩陣，滿足條件的像元，通過類型合并，獲取規(guī)定的6類土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)[17-18]。

2.2.2 基于RUSLE土壤侵蝕研究 采用RUSLE法對十大孔兌上游近40 a來土壤侵蝕模數(shù)變化展開定量研究，并結合水土保持措施實施情況分析其產生的水土保持效益。研究利用ArcGIS軟件的Model Builder模塊，分別構建各土壤侵蝕因子計算模型，然后將以上6個土壤侵蝕因子和轉換常量相乘后獲取土壤侵蝕模數(shù)結果[19]。

水土流失定量測算采用RUSLE方程，其表達式如下：

A=f·R·K·LS·CP

(1)

式中:A為年土壤流失量[t/(km2·a)]；f為使A的單位轉換為國際通用單位的常數(shù),其值為224.2[20]；R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可侵蝕性因子;LS為坡長坡度因子的乘積;CP為植被覆蓋與管理因子、水土保持因子的乘積。R,K量綱單位與美國通用水土流失方程相同；LS,CP無量綱單位。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨侵蝕力是降水對土壤造成侵蝕的動力指標[21]，是侵蝕的主要驅動力[22]，本文R因子的計算公式為:

R=4.1×F-152

(2)

(3)

式中:F為修正參數(shù);Pj為第j月的降雨量(mm)；p為年平均降雨量(mm)。將計算所得的各氣象站點的年降雨侵蝕力在ArcGIS中進行克呂格空間插值[23-24],得到研究區(qū)年降雨侵蝕力圖。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性反映了土壤對侵蝕營力分離和搬運作用的敏感性[25-26]，K值越高表示土壤抗蝕能力越弱，反之K值越低表示土壤抗蝕能力越弱。計算公式如下[27]：

(4)

Sn=1-Sa/100

(5)

式中:Sa為砂粒含量百分比(%);Si為粉粒含量百分比(%);Cl為黏粒含量百分比(%);C0為有機碳含量百分比(%)。在ArcGIS中,以區(qū)域土壤類型圖為基礎,根據(jù)K值對應的土壤類型進行賦值,最后以K值作為字段進行數(shù)據(jù)轉換。

(3) 坡長坡度因子(LS)。LS因子是坡長因子和坡度因子疊加相乘的結果，借助于GIS技術，對填洼處理后的數(shù)字高程模型提取坡長和坡度值[27]，利用ArcGIS的表面分析來提取坡度，同時運用非累積流量的算法確定坡長，并按格網(wǎng)單元的非累計坡長再進行累加[28]。通過運算分別生成坡長、坡度因子圖，在ArcGIS中使用柵格計算器運算后最后生成LS空間分布圖。計算公式為：

(6)

L=(λ/22.1)m

(7)

(8)

式中:L和S分別為坡長和坡度因子;θ為利用數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)提取的坡度值(°);m為坡長指數(shù);λ為坡長(m)。

(4) 植被覆蓋與管理因子(C)。植被覆蓋與管理因子表示植被覆蓋和管理措施對土壤侵蝕的作用[29]。計算公式為：

(9)

(10)

(11)

式中:NDVI為歸一化植被指數(shù);ρNIR，ρR分別為近紅外波段和紅波段反射率;f為植被覆蓋度(%);NDVImax，NDVImin分別為NDVI的最大和最小值。

(5) 水土保持措施因子(P)。水土保持措施因子指在特定水土保持措施的土壤流失與起伏地耕作的相應土壤流失之比[30]，在RUSLE模型中，P值介于0～1，其中未采取任何水土保持措施的地塊P值為1，不發(fā)生土壤侵蝕的地塊則P值為0[31](表1)。

表1 不同土地利用/覆被類型P值

3 結果與分析

3.1 基于土地類型的土壤侵蝕分析

十大孔兌上游1980—2018年土壤侵蝕強度面積統(tǒng)計結果見表2、圖2。1980年十大孔兌上游輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積2 436.42 km2，1990年為2 722.28 km2，2000年為2 717.23 km2，2010年為2 638.21 km2，2018年為2 462.51 km2。1980—1990年十大孔兌上游輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積增加285.86 km2；1990—2000年侵蝕類型面積減少5.05 km2；2000—2010年侵蝕類型面積減少79.02 km2；2010—2018年侵蝕類型面積減少175.70 km2。

表2 基于土地類型十大孔兌上游1980-2018年土壤侵蝕強度面積 km2

圖2 基于土地類型十大孔兌上游1980-2018年土壤侵蝕強度空間分布

3.2 基于RUSLE的土壤侵蝕研究

3.2.1 十大孔兌上游水土流失情況分析 十大孔兌上游1980—2018年土壤侵蝕強度面積統(tǒng)計信息見表3、圖3。1980年十大孔兌上游輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積為1 721.59 km2，1990年為2 889.63 km2，2000年為2 622.81 km2，2010年為2 783.77 km2，2018年為2 686.10 km2。1980—1990年十大孔兌上游輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積增加了1 168.04 km2，1990—2000年減少了266.82 km2，2000—2010年增加了160.96 km2，2010—2018年減少了97.67 km2。

表3 基于RUSLE十大孔兌上游1980-2018年土壤侵蝕強度面積 km2

圖3 不同年份十大孔兌上游土壤侵蝕模數(shù)及侵蝕強度空間分布

1980年十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)為2 744.88 t/(km2·a)；1990年十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)為14 557.51 t/(km2·a)；2000年十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)為3 058.06 t/(km2·a)；2010年十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)為4 884.66 t/(km2·a)，2018年十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)為2 997.03 t/(km2·a)。5個典型年份土壤侵蝕模數(shù)由高到低依次為1990年、2010年、2000年、2018年、1980年。1980—1990年十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)增加了11 812.63 t/(km2·a)，1990—2000年減少了11 499.45 t/(km2·a)，2000—2010年增加了1 826.60 t/(km2·a)，2010—2018年減少了1 887.63 t/(km2·a)。

綜上，1990—2018年十大孔兌上游輕度及以上等級土壤侵蝕面積由2 889.63 km2下降至2 686.10 km2，土壤侵蝕模數(shù)由14 557.51 t/(km2·a)下降至2 997.03 t/(km2·a)，該區(qū)域土壤侵蝕面積減小，土壤侵蝕強度下降。

3.2.2 十大孔兌上游各孔兌水土流失情況分析 十大孔兌流域內的各孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)統(tǒng)計信息見表4。1980年十大孔兌上游各孔兌土壤侵蝕模數(shù)由高到低依次為哈什拉川、罕臺川、母哈爾河、布爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、毛不拉孔兌、壕慶河、東柳溝、呼斯太河。1990年十大孔兌上游各孔兌土壤侵蝕模數(shù)由高到低依次為母哈爾河、哈什拉川、罕臺川、壕慶河、東柳溝、西柳溝、黑賴溝、呼斯太河、布爾色太溝、毛不拉孔兌。2018年十大孔兌上游各孔兌土壤侵蝕模數(shù)由高到低依次為西柳溝、母哈爾河、毛不拉孔兌、呼斯太河、黑賴溝、壕慶河、罕臺川、哈什拉川、東柳溝、布爾色太溝。

表4 十大孔兌上游各孔兌流域土壤侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

1980—1990年毛不拉孔兌、布爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母哈爾河、東柳溝、呼斯太河的土壤侵蝕模數(shù)分別增加了1 881，2 797，4 812，6 182，22 449，18 932，21 576，36 725，11 944，6 048，11 813 t/(km2·a)。其中母哈爾河土壤侵蝕模數(shù)增量最大，毛不拉孔兌相對較小。

1990—2018年，毛不拉孔兌、布爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母哈爾河、東柳溝、呼斯太河土壤侵蝕模數(shù)分別減少了2 130，2 532，3 160，3 857，23 319，17 371，24 101，36 833，11 910，12 003，6 236 t/(km2·a)。其中母哈爾河土壤侵蝕模數(shù)減少量最為顯著，毛不拉孔兌減少量最小。

綜合5個典型年份土壤侵蝕情況，1980—2018年母哈爾河、哈什拉川、罕臺川三條孔兌上游土壤侵蝕最為嚴重，東柳溝、呼斯太河兩條孔兌上游土壤侵蝕相對較輕。其中1990年土壤侵蝕程度尤為顯著，主要是由于20世紀90年代還未對母哈爾河、哈什拉川、罕臺川孔兌開展大規(guī)模水土保持綜合治理等措施，且該區(qū)域所發(fā)生的“89·7·21”特大暴雨，其最大雨強達119.1 mm/h，洪峰流量達3 090 m3/s，引發(fā)特大洪水造成罕臺川水土流失嚴重。

3.3 基于兩種方法對比分析

基于土地類型與RUSLE方程的1980—2018年十大孔兌上游土壤侵蝕強度反演結果如圖4所示。1990年、2000年、2010年、2018年兩種方法的輕度侵蝕強度及以上等級的土壤侵蝕反演結果基本相同，1980年兩種方法的輕度侵蝕強度及以上等級的土壤侵蝕反演結果差別較大?；谕寥狼治g分類分級標準遙感反演的5個典型年土壤侵蝕強度以無明顯侵蝕和中度侵蝕為主?；赗USLE方程遙感反演的5個典型年無明顯侵蝕等級面積最多，且除1990年外，其余典型年無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕、劇烈侵蝕所占面積均呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。

注：方法一為基于土地類型；方法二為基于RUSLE方程。

1980—1990年十大孔兌上游植被覆蓋度呈降低趨勢，輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積、平均土壤侵蝕模數(shù)呈增加趨勢；1990—2000年植被覆蓋度呈增加趨勢，輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積、土壤侵蝕模數(shù)呈較少趨勢；2000—2010年植被覆蓋度呈增加趨勢，輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積、土壤侵蝕模數(shù)呈增加趨勢；2010—2018年植被覆蓋度呈增加趨勢，輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積、土壤侵蝕模數(shù)呈減少趨勢。

土壤侵蝕和植被覆蓋度呈負相關關系，即相同條件下，植被覆蓋度越高土壤侵蝕越輕，反之越高。1980—2000年十大孔兌上游植被覆蓋度與輕度侵蝕等級及以上侵蝕類型面積、平均土壤侵蝕模數(shù)呈負相關關系，但2000—2018年沒有呈負相關關系，這是因為土壤侵蝕除受植被覆蓋度影響外，還與降雨、土壤類型、地形、實施水土保持措施等因素有關。兩種方法對比發(fā)現(xiàn)，RUSLE方程考慮因子更為全面，模擬更接近實際，同時適用于水土流失定量研究。

4 討 論

十大孔兌上游從20世紀50，60年代開始開展了水土保持生態(tài)建設，中游開展了防風固沙林帶和引洪淤地工程建設；60年代陸續(xù)開展種樹種草項目，70年代實施“逐步退耕還林還牧，林牧為主，多種經營”的治理方針，80年代貫徹“三種五小”和“資源開發(fā)與環(huán)境保護并重”兩個治理方針，90年代以后進一步加大林草治理力度，在利用檸條改良草場、沙棘治理砒砂巖溝壑等方面取得了顯著成就。但在2000年以前，受到人力、財力及管理權限的限制，鄂爾多斯林草的破壞速度大于恢復速度，治理成效甚微，生態(tài)環(huán)境一直處在局部治理、整體惡化狀態(tài)，1990年十大孔兌上游土壤侵蝕模數(shù)為14 557.51 t/(km2·a)，處于5個典型年份中土壤侵蝕模數(shù)最大值，侵蝕等級主要以極強度侵蝕與劇烈侵蝕為主。

1999—2012年孔兌的草原植被得到明顯的恢復，其平均高度、平均覆蓋度呈現(xiàn)上漲趨勢。根據(jù)鄂爾多斯市草原管理局測定，封禁前退化放牧草場植被平均高度為10～28 cm，覆蓋度為15%～30%，每平方米內一般有4～6種植物，而在封禁后，經過一定時間的恢復期，其平均高度可達35～60 cm以上，平均覆蓋度可達65%～75%以上，每1 m2內物種數(shù)可達到7～12種以上。此外氣候因素(降水、氣溫、風速等)對林草植被恢復有一定的影響，如2010年由于降水較少，導致其草場返青日期、平均高度、平均覆蓋度等各項指標低于2009年。

1990—2018年十大孔兌上游輕度及以上等級土壤侵蝕面積由2 889.63 km2下降至2 686.101 km2，土壤侵蝕模數(shù)由14 557.51 t/(km2·a)下降至2 997.03 t/(km2·a)。由于該區(qū)域20世紀80年代先后開展了黃河中游試點小流域、骨干壩工程、沙棘示范區(qū)、罕臺川水土保持綜合治理、黃土高原水土保持世行貸款項目、沙棘攔沙工程等水土保持項目。近年來，鄂爾多斯市推行了封山禁牧制度，生態(tài)修復成效顯著。十大孔兌上中游水土保持治理措施包括工程措施、林草措施、防風固沙措施、其他水土保持措施等。工程措施包括淤地壩、谷坊、梯田、引洪淤地、溝頭防護等；植物措施包括水土保持林(喬木林、灌木林、經濟林)、人工種草、封育治理；防風固沙措施包括造林、種草和沙障等，防風固沙措施全部集中在十大孔兌中游的風沙區(qū)。截至2017年，流域上中游丘陵風沙區(qū)綜合措施總面積5 826.15 km2，其中人工造林面積4 378.92 km2，建設淤地壩511座，控制面積984.36 km2，總庫容2.05億m3，攔沙庫容1.11億m3。由此可見，近些年十大孔兌上游土壤侵蝕得到了有效治理，水土保持治理工作取得了一定成效。如圖5—6所示，2000—2018年C值與P值的空間分布有所增加，C值的確定與植被類型、植被覆蓋度相關，P值即土地利用/覆被方式能夠很好地表征人類活動對地表水土流失的作用效果。

圖5 十大孔兌上游2000年與2018年C因子變化

圖6 十大孔兌上游2000年與2018年P因子變化

基于兩種方法演算不同侵蝕等級面積差異較大，一方面由于兩類演算方法機理不同，考慮的影響因子亦不同。基于土地類型從坡度、植被覆蓋度、地類定性劃分，方法側重于定性評價?；赗USLE方程方法從水土流失機理出發(fā)，考慮多個影響因子(包括降雨、地形、土壤類型、植被覆蓋、水保措施等)，且各影響因子有多種計算方法，各因子不同的計算方法計算結果也有差別，該方法側重于定量研究。另一方面兩種反演方法中使用的遙感影像不可避免會出現(xiàn)云霧、日照等影響，影像的灰度值會有差別，從而帶來植被覆蓋度反演誤差。

5 結 論

(1) 基于土地類型法1980年十大孔兌上游輕度及以上等級土壤侵蝕面積為2 436.42 km2，1990年為2 722.28 km2，2000年為2 717.23 km2，2010年為2 638.21 km2，2018年為2 462.51 km2?；赗USLE法1980年十大孔兌上游輕度及以上等級土壤侵蝕面積為1 721.59 km2，1990年為2 889.63 km2，2000年為2 622.81 km2，2010年為2 783.77 km2，2018年為2 686.10 km2。基于兩種方法計算輕度及以上等級土壤侵蝕面積都分別呈現(xiàn)1980—1990年增加、1990—2018年減少趨勢。

(2) 基于RUSLE法1980年十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)為2 744.88 t/(km2·a)；1990年為14 557.51 t/(km2·a)；2000年為3 058.06 t/(km2·a)；2010年為4 884.66 t/(km2·a)，2018年為2 997.03 t/(km2·a)。十大孔兌上游平均土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)1980—1990年增加、1990—2000年降低、2000—2010年增加、2010—2018年減少趨勢，其中母哈爾河、哈什拉川、罕臺川三條孔兌上游土壤侵蝕最為嚴重，東柳溝、呼斯太河兩條孔兌上游土壤侵蝕相對較輕。

(3) 兩種方法對比發(fā)現(xiàn)，RUSLE方程考慮因子更為全面，模擬更接近實際，同時適用于水土流失定量研究。