基于土壤侵蚀时空变化分析

基于土壤侵蚀时空变化分析

孟凯

（海城市水利事务服务中心，辽宁鞍山１１４２００）

中图分类号：Ｓ１５７　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－５３６６．２０２１．０４．０５

摘要：以葫芦岛市南票区为例，探讨重点治理区的土壤侵蚀受林草覆盖变化的影响，采用ＧＩＳ、ＲＳ技术及修正的

ＲＵＳＬＥ方程估算１９９９—２０１９年的土壤侵蚀模数。通过分析１９９９、２００９、２０１９年不同土地利用类型、植被覆盖度、坡

度和高程下的土壤侵蚀模数，从时空变化的角度揭示了研究年份的土壤侵蚀变化规律。结果表明：１９９９—２０１９年

南票区土壤侵蚀模数减少了８５４．１３ｔ／（ｋｍ２·ａ），侵蚀强度明显降低且侵蚀量减少４０．３万ｔ；侵蚀模数在不同坡度

和高程等级下均呈减少趋势，侵蚀模数在１００～２００ｍ高程区间的减少量最大，而在≥２５°坡度范围内分布曲线出现

最大值；土地利用和土壤侵蚀有关研究认为，坡耕地退耕还林措施在葫芦岛市南票区的水土保持效益显著。

关键词：蓄水保土；土壤侵蚀；ＲＵＳＬＥ；特征分析；南票区

南票区属于辽河平原边缘，该区干旱少雨、植被稀疏、土

层较薄、沟壑纵横，区域环境气候和地貌形态独特，加之人为

掠夺式生产、盲目地开垦及生态修复的不重视等因素，致使

水土流失和土壤侵蚀问题突出，现已成为辽宁地区最为严重

的土壤侵蚀区之一。目前，ＲＳ、ＧＩＳ技术的快速发展为更加

直观地描述土壤侵蚀特征创造了条件，并为土壤侵蚀时空特

征分析提供了技术支撑，由此可实现区域水土流失的直观、

广域和高效实时监测。鉴于此，本文以实测数据相对较少的

葫芦岛市南票区为例，通过对ＲＵＳＬＥ方程计算方法和数据

来源的分析验证了其准确合理性。然后采用ＧＩＳ、ＲＳ技术及

修正的ＲＵＳＬＥ方程定量估算了１９９９—２０１９年的土壤侵蚀模

数，分析了１９９９、２００９、２０１９年不同土地利用类型、植被覆盖

度、坡度和高程下的土壤侵蚀模数，从时空变化的角度揭示

了研究年份的土壤侵蚀变化规律，以期为葫芦岛市土壤侵蚀

状况调查及生态环境保护提供科学依据［１，２］。

１　区域概况

南票区位于葫芦岛西北部，地处辽西走廊，全区面积５２８

ｋｍ２，下辖５个乡镇，总人口约２８万人。研究区地貌形态复

杂，以低山丘陵区为主，地势呈东南低、西北高的变化特征，

四周群山连绵，河水顺时南流，地貌有“八山半水半分田”之

称。南票区地处暖温带，为大陆性半湿润季风气候区，稍受

渤海海洋气候影响，总体气候特点为四季温差大、雨热同期、

四季分明、日照充足。该区多年平均降水量５９６．０ｍｍ，其中

７～８月份降水３２９．６ｍｍ，占全年的５５％，该区年均气温８．９

℃，无霜期１６７ｄ，年日照２７８５．４ｈ，最大冻土深１．１２ｍ。区

内水系由女儿河水系构成，女儿河流域发源于兴城市药王庙

乡，流经张相公屯乡、山神庙乡、白马石乡、新台门镇、钢屯

镇、暖池塘镇、乌金塘水库后入南票区境内，后经万屯入连山区至锦州市东南部汇入小凌河，流域总面积５１８．２０ｋｍ２，河

长１７．０ｋｍ，河道比降１．６３％。

南票区生态环境较为脆弱、植被稀疏且地形复杂，属于

葫芦岛地区水土流失重点治理区，其中土壤侵蚀面积约４．８

万ｈｍ２。水土流失导致干旱程度加剧、土壤瘠薄、林草植被

破坏、自然灾害频繁、耕地面积减少及农业生产条件的恶

化，对南票区的经济发展产生严重不利影响。为进一步提

升土地利用效率和保护生态环境，葫芦岛市因地制宜地实

施了一系列小流域治理项目，并取得了显著的生态、经济和

社会效应［３－５］。

２　研究方法

２．１　数据来源

根据南票区１󰀡５万地形图生成分辨率为２５ｍ的ＤＥＭ

数字高程模型，通过试验及实地采样提取土壤理化数据，依

据辽宁地区土壤普查数据获取土壤类型有关资料；采用地理

空间数据云作为南票区１９９９、２００９、２０１９年ＬａｎｄｓａｔＥＴＭ数

据来源，由中国气象数据网提供１９９９—２０１９年日降雨数据。

２．２　研究方法

土壤侵蚀模型是合理利用土地资源、编制水土保持规划

及水保效益评价的有效方法，ＵＳＬＥ模型因具有理论清晰、操

作简便、准确性高、数据易获取等优点被广泛应用于土壤侵

蚀和水土保持等领域。该模型最早由美国农业部提出，后经

修订调整提出了适用范围更广、更加科学的ＲＵＳＬＥ方程，在

全世界多个领域得到广泛应用并取得了丰富的成果。通过

对植被涵养、地形效应、水动力学和土壤质地等研究，后经

大量的人工降雨和径流小区模拟试验建立ＲＵＳＥＬ计算公

式，综合考虑降水强度、坡度、坡长、植被等环境因子形成的

ＲＵＳＬＥ模型如下：２１水土保持应用技术 ２０２１年第４期　ＲＵＳＬＥ＝Ｒ·Ｋ·Ｌ·Ｓ·Ｃ·Ｐ（１）

式中：ＲＵＳＬＥ为年土壤流失量，反映了单位面积坡面的平均

侵蚀量，ｔ／（ｈｍ２·ａ）；Ｒ为降雨侵蚀力实测值，体现了土壤侵

蚀受降水强度的影响，ＭＪ·ｍｍ／（ｈｍ２·ｈ·ａ）；Ｋ为土壤可蚀

性评估因子，用于描述降水强度对不同土壤质地的侵蚀力作

用，ｔ·ｈ／（ＭＪ·ｍｍ·ａ）；Ｐ、Ｃ、Ｓ、Ｌ分别为量纲为１的水保措

施、植被覆盖、坡长与坡度因子。

根据Ｋｒｉｇｉｎｇ的插值方法和Ｗｉｓｃｈｍｅｉｅｒ提出计算公式获

取Ｒ因子值，然后利用Ｗｉｓｃｈｍｅｉｅｒ等相关研究和Ｗｉｌｌｉａｍｓ构

建的ＥＰＩＣ模型确定Ｐ因子、Ｋ因子值；Ｃ、Ｌ、Ｓ因子值利用蔡崇法［６］和汪帮稳等［７，８］提出的修正算法计算确定。

３　结果分析

３．１　土壤侵蚀状况

将土壤侵蚀程度按照水利部发布的侵蚀强度标准划分

为剧烈、极强烈、强烈、重度、轻度和微度６个等级，各等级下

的侵蚀模数分别为（＞１５０００）、（８０００，１５０００］、（５０００，８

０００］、（２５００，５０００］、（５００，２５００］、［０，５００］，统计整理南票

区１９９９、２００９、２０１９年土壤侵蚀量如表１。

表１　南票区土壤侵蚀统计值１）

年份Ｓ总／ｈｍ２Ｓ分／ｈｍ２

轻度中度强烈Ｍ／［ｔ／（ｋｍ２·ａ）］Ｅ／万ｔ

１９９９４７１８３．１０２２３２３．７９１７２１３．４５７６４５．８６２１７６．７９１０２．７１

２００９４７１８３．１０２５０８７．１０１６４３２．７０５６６３．３０１５５２．８８７３．２７

２０１９４７１８３．１０２８６９３．７８１４２５１．２０４２３８．１２１３２２．６６６２．４１

１）Ｓ总为水土流失总面积；Ｓ分为不同侵蚀强度侵蚀面积；Ｍ为侵蚀模数；Ｅ为侵蚀量。

根据表１可知，南票区１９９９、２００９、２０１９年中度及以上侵

蚀强度的面积为２４８５９．３１ｈｍ２、２２０９６．００ｈｍ２、１８４８９．３２

ｈｍ２。由此可见，南票区水土流失状况随着生态环境治理工程的

推进明显好转，土壤侵蚀模数从１９９９年的２１７６．７９ｔ／（ｋｍ２·ａ）

减少至当前的１３２２．６６ｔ／（ｋｍ２·ａ），减少了８５４．１３ｔ／（ｋｍ２·ａ）；

土壤侵蚀量从最初的１０２．７１万ｔ下降至６２．４１万ｔ，减少了

４０．３万ｔ，其中强烈侵蚀面积的减少幅度最为显著。

３．２　土壤侵蚀时空变化特征

（１）不同坡度的侵蚀分布特征。通过叠置分析０°～５°、

５°～８°、８°～１５°、１５°～２５°、≥２５°坡度等级和土壤侵蚀面积，

统计整理１９９９—２０１９年土壤侵蚀面积在不同坡度等级下的

变化情况，如表２。从表２可知，０°～１５°坡度区间内南票区

中度及以上侵蚀面积减少了８３４．７３ｈｍ２、１９７６．０７ｈｍ２、

２２１．８９ｈｍ２，可见中度及以上侵蚀在０°～１５°坡度区间有转

变为轻度侵蚀的趋势；１５°～２５°坡度区间内强烈及以上侵蚀

面积减少５２９．４５ｈｍ２，呈明显的降低趋势；剧烈和极强烈侵

蚀面积在各坡度范围内均为０；总体而言，大范围的高度侵蚀

区具备转向低侵蚀等级的条件。

表２　南票区１９９９—２０１９年不同坡度下的侵蚀面积变化量　ｈｍ２

侵蚀强度０°～５°５°～８°８°～１５°１５°～２５°≥２５°轻度２６４５．１４４０２７．５３１０３３．２６－１０６．３９－１２．３６

中度－４０２．２８－１０５８．８６４２２．４５９０３．２５８２．７０强烈－４３２．４５－９１７．２１－６４４．３４－５２９．４５９１．７０

研究结果表明，土壤侵蚀模数随着生态环境治理工程的

推进各坡度范围均呈减少趋势，在≥２５°坡度时侵蚀模数分

布曲线在各年份达到最大值。２０１９年侵蚀模数均显著低于

１９９９年各坡度范围值，土壤侵蚀模数在０°～５°、５°～８°、８°～

１５°、１５°～２５°、≥２５°坡度分别减少了２７３．０５ｔ／（ｋｍ２·ａ）、

４３２．２８ｔ／（ｋｍ２·ａ）、５４６．３３ｔ／（ｋｍ２·ａ）、７０６．８５ｔ／（ｋｍ２·ａ）、８１７．４１ｔ／（ｋｍ２·ａ）。其中，土壤侵蚀抑制成效最为显著的为

≥２５°坡度范围，由此可见坡耕地退耕还林在该坡度范围内

能够显著降低土壤侵蚀量和地表径流。

（２）不同高程的侵蚀分布特征。通过叠置分析０～１００

ｍ、１００～２００ｍ、２００～３００ｍ、３００～４００ｍ、４００～５００ｍ高程范

围和土壤侵蚀面积，获取１９９９—２０１９年土壤侵蚀面积在不

同高程范围的变化情况。结果表明，土壤侵蚀模数在各高程

范围内总体呈波动下降趋势，随着生态环境治理项目的推进，０

～１００ｍ、１００～２００ｍ、２００～３００ｍ、３００～４００ｍ、４００～５００ｍ、

＞５００ｍ高程范围的土壤侵蚀模数减少了２３０８．１２、２４７７．０５、

２０７３．０８、１５１７．３５、６３７．２６、９３４．３４ｔ／（ｋｍ２·ａ），其中，侵蚀

模数降低幅度最大的为１００～２００ｍ高程，而减低幅度最少

的为４００～５００ｍ高程。

（３）不同植被覆盖度的侵蚀分布特征。通过叠置分析

＜３０％低、３０％～４５％较低、４５％～６０％中、６０％～７５％中

高、７５％～１００％高覆盖区和土壤侵蚀面积，获取１９９９—２０１９

年土壤侵蚀面积在水蚀区不同植被覆盖度下的分布情况。

结果表明，土壤侵蚀模数在各植被覆盖度等级下总体呈波动

下降趋势，相对于１９９９年高覆盖区、中高覆盖区、中覆盖区、

中低覆盖区、低覆盖区２０１９年侵蚀模数减少了２８１０．２６、

３１２０．３５、１９３４．５５、９８７．２０、１０３．５７ｔ／（ｋｍ２·ａ）。其中，侵蚀

模数降低幅度最为显著的为中低覆盖区，而轻微减缓趋势的

为高覆盖区。

不同土地类型的侵蚀分布特征。１９９９—２０１９年土壤侵

蚀量、侵蚀模数及不同土地利用类型面积利用ＧＩＳ的空间分

析功能研究，如表３。１９９９—２０１９年土壤侵蚀强度在不同土

地类型下的改善成效较为显著，侵蚀模数和侵蚀量的下降趋

势明显。１９９９年的耕地土壤侵蚀模数为１５１０．３３ｔ／（ｋｍ２·ａ），

快速下降至２０１９年的６３３．８１ｔ／（ｋｍ２·ａ），降低了８７６．５２

ｔ／（ｋｍ２·ａ），土壤侵蚀量减少了６１．６６％；１９９９年的林地土壤３１　２０２１年第４期 孟凯：基于土壤侵蚀时空变化分析