王翊人, 赵牡丹, 张 倩, 张 鹏

(西北大学 城市与环境学院, 陕西 西安 710127)

梯田作为地形因子和工程措施对土壤侵蚀定量评价影响的对比研究

王翊人, 赵牡丹, 张 倩, 张 鹏

(西北大学 城市与环境学院, 陕西 西安 710127)

[目的] 根据中国土壤流失方程(CSLE)，在降雨、土壤、植被等因子一定的条件下，将梯田作为地形因子计算流域土壤侵蚀量，并与梯田作为工程措施的计算结果进行对比分析，为土壤侵蚀定量评价提供新的思路。 [方法] 以黄土高原地区的纸坊沟流域和燕沟流域作为试验区，利用5 m分辨率的DEM，0.3 m分辨率的WorldView 3，30 m分辨率的Landsat 8影像、降雨数据、土壤数据、土地利用等数据。 [结果] (1) 在纸坊沟流域和燕沟流域，坡式梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量大于梯田作为工程措施的流域土壤侵蚀量，同时坡式梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量大于水平梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量，而水平梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量与梯田作为工程措施的流域土壤侵蚀量的比较根据流域的不同结果不同。 (2) 梯田占流域面积比例不同时，随着梯田占比的升高，梯田作为工程措施的流域土壤侵蚀量要明显低于梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量。 [结论] 梯田作为地形因子和工程措施因子会对土壤侵蚀量计算产生一定影响，梯田占比较大时差异明显。

梯田; 地形因子； 工程措施因子； 土壤侵蚀定量评价; 中国土壤流失方程(CSLE)

文献参数： 王翊人, 赵牡丹, 张倩, 等.梯田作为地形因子和工程措施对土壤侵蚀定量评价影响的对比研究[J].水土保持通报，2017,37(2)：148-152.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.022； Wang Yiren, Zhao Mudan, Zhang Qian, et al. Comparative Study of Quantitative Evaluation of Soil Erosion in Consideration of Terraces as Topographical Factor or Engineering One[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：148-152.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.022

黄土高原是中国乃至全世界土壤侵蚀最强烈的地区，其原因是由于黄土高原的主要堆积物为黄土，其具有欠固结性(上部)、轻度超固结性(深部)和易侵蚀性等特点，且因为黄土高原地区的自然条件和人工影响，使得黄土高原地区的水土流失极为严重[1]。通过多年的治理与建设，在坡面上修建了大面积梯田，梯田在保水减沙的同时，其修建减缓了原始坡面的坡度，截断了坡长，使得地形因子发生了改变[2]，进而影响某一地区的土壤侵蚀量。目前在土壤侵蚀定量化评价的相关研究中，主要是将梯田作为水土保持措施[3-4]，如高海东等[5]在分析梯田建设和淤地坝淤积对土壤侵蚀的影响时，将梯田作为水土保持措施考虑；谢红霞等[6]在延河流域水土保持措施减蚀效应的分析中，将梯田作为工程措施。但是，将梯田作为水土保持措施或工程措施并没有以梯田对地表水沙物质运移方式变化为基础，因而是不够完整的。由于梯田主要通过改变微地形来减少土壤侵蚀量，本研究尝试从将梯田作为地形因子的角度出发，计算土壤侵蚀量并分析其结果与将梯田作为工程措施的土壤侵蚀量的差异，此外，对纸坊沟流域划分子流域，讨论梯田占流域面积比例对土壤侵蚀量的影响，为土壤侵蚀的定量评价提供新的思路，对完善土壤侵蚀评价方法具有一定实际意义。

1 研究基础与方法

1.1 研究区域与数据基础

燕沟流域处于延安市南部，流域面积46.88 km2。其中包含梯田群共53处，梯田总面积占流域面积的8.74%，梯田分布较为均匀，且面积较小。土地资源较为丰富，但由于土壤侵蚀的影响，沟壑纵横，坡陡沟深，水土流失非常严重。

纸坊沟流域处于延安市安塞县，流域面积8.27 km2。其中包含梯田群共7处，梯田总面积占流域面积的8.85%，梯田主要分布在流域中部，与燕沟相比，面积较大。地形支离破碎，包含了黄土高原典型的塬、梁、峁地形，水土流失较为严重。所用数据详见表1。

表1 基础数据一览表

1.2 梯田DEM构建

梯田按形态特征分为水平梯田、坡式梯田、反坡梯田和复式梯田。燕沟流域和纸坊沟流域内梯田面积分别占各自流域的8.71%和8.85%，以水平梯田为主，但本研究为了更加完善的表达流域地形特征，在测绘部门1∶1万5 m DEM的基础上采用基于真实田坎的方法对流域内所有梯田分别构建水平与坡式梯田DEM。刘芬[7]提出的基于真实田坎信息的梯田DEM构建方法，其主要方法是根据高精度遥感影像，对梯田田面的田坎特征线进行手动提取，保证了田坎特征线与真实田坎位置的一致性。其数学模型如图1所示。

d=H-Ltanα

(1)

b=cotβ(H-Ltanα)

(2)

式中：α——梯田田面倾角；β——田坎坡度；L——田面宽度；H——两梯田田面高差；d——田坎高；b——田坎水平投影宽，即台沿线偏移量。

其构建思路为：首先在高精度遥感影像上对样区梯田田坎进行矢量化操作，逐块勾绘田坎所在田面并求得各田面平均高程进行台沿线高程赋值；结合样区梯田田坎坡度β(β=75°)，并在两田面高差及梯田田面倾角α(水平梯田α=0°坡式梯田α=1°)的基础上，利用公式(2)计算得到台沿线偏移量，对台沿线进行逐根偏移后进行高程修正，其高程值为相应台沿线高程减去田坎高度d〔d由公式(1)得到〕；最后取高程为内插属性，以台沿线及其偏移线为特征约束线，构建TIN生成梯田样区DEM。为了方便后期分析，需要将梯田区域的DEM镶嵌到原始DEM，形成嵌入梯田信息的DEM，采用AML语言编程实现。

1.3 CSLE各因子计算

本研究利用CSLE进行区域土壤侵蚀定量评价。CSLE模型为[8]：

A=R·K·L·S·B·E·T

(3)

式中：A——单位面积内的年土壤侵蚀量(t/hm2·a)；R——降雨侵蚀力因子(MJ·mm/hm2·h·a)；K——土壤可蚀性因子(t·hm2·h/hm2·MJ·mm)；L——坡长因子；S——坡度因子；B——生物措施因子；E——工程措施因子；T——耕作措施因子。

注：α为梯田田面倾角；β为田坎坡度；L为田面宽度；H为两梯田田面高差；d为田坎高；b为田坎水平投影宽，即台沿线偏移量。下同。

图1 梯田剖面示意图

由于前期数据准备不足，仅获得2000年降雨数据，与土地利用数据时间不一致，可能导致流域土壤侵蚀量计算结果出现偏差，但由于本研究重点是对将梯田作为地形因子和工程措施在流域土壤侵蚀量计算结果的对比，因此对研究本身没有影响。

1.3.1 降雨侵蚀力因子R采用章文波[9]提出的拟合算法计算2000年降雨侵蚀力图，用克里金插值法对试验样区的降雨数据进行插值，得到降雨侵蚀力数据。

1.3.2 土壤可蚀性因子K将土壤分为5类，参照水利部水土保持监测中心的研究成果[10]，对5种土壤类型的K值进行赋值，将K值作为字段添加到土壤数据中，通过将土壤数据的K值字段作为栅格数据的Value值进行矢量转栅格处理，得到试验样区的土壤可蚀性数据。燕沟流域包括黄绵土、冲积土与复钙红黏土，其K值分别为0.056 9，0.021 1与0.044 0；

纸坊沟流域包括黄绵土、冲积土与典型黑垆土，其K值分别为0.056 9，0.021 1与0.054 5。

1.3.3 坡度坡长因子LS采用LS-Tool[11]提取坡度坡长因子，不同的是，梯田作为工程措施，LS的提取基于原始DEM(未考虑梯田信息的DEM)。梯田作为地形因子，LS的提取基于梯田DEM且认为试验样区中没有工程措施；

1.3.4 生物措施因子B基于Landsat8影像，通过结构性植被指数的构建方法[12]，得到基于土壤线的黄度指数与绿度指数，反映反映样区结构性植被盖度，结合土地利用数据，从而确定B值(表2)。

表2 不同土地利用类型及不同植被盖度下的B值

1.4 不同土地利用类型及不同植被盖度下的B值

1.4.1 耕作措施因子T由于难以通过实地调查获取试验样区全面的耕作措施数据，本研究主要根据延河流域的耕作习惯进行赋值[13]，计算中主要考虑等高耕作措施的影响，对覆盖、免耕少耕等保护性耕作措施不加以考虑。参照水利部水土保持监测中心的研究成果[10]，耕作措施因子值主要根据不同坡度条件下等高耕作减少土壤流失来确定(表3)，没有耕作措施的地区赋值为1。

表3 不同坡度下的耕作措施因子值

1.4.2 工程措施因子E谢红霞[13]参考土壤侵蚀其他因子定义方法，以有工程措施和无工程措施土壤侵蚀的比值定义为水土保持工程措施因子，并且尝试提出工程措施因子的计算方法(公式4)，由于难以获取淤地坝数据，因此只将梯田作为试验样区内工程措施，计算得出燕沟流域E值为0.941，纸坊沟流域E值为0.951。

(4)

式中：St——梯田面积；Sd——淤地坝控制面积；S——土地面积；α，β——梯田和淤地坝的减沙系数。其中关于梯田的减沙效益，已有大量研究，不同质量的梯田其减水减沙效益不同。本研究选择不同质量梯田的多年平均减沙系数作为流域减沙系数。

2 结果与分析

采用燕沟流域及纸坊沟流域的降雨侵蚀力数据、土壤可蚀性数据、地形因子数据和含有梯田信息的地形因子数据、生物措施因子数据、耕作措施因子数据等，选择中国土壤流失方程CSLE，分析将梯田作为地形因子和工程措施计算的土壤侵蚀量的差异，并讨论梯田占流域面积的比例对土壤侵蚀量的影响。

2.1 梯田对土壤侵蚀量的影响

利用CSLE得到燕沟流域与纸坊沟流域的土壤侵蚀图(分析中提及的土壤侵蚀量均为平均值)如图2所示。

结合图2可以看出，燕沟流域考虑梯田作为工程措施的土壤侵蚀量为12 384 t/(km2·a)。水平梯田作为地形因子的燕沟流域土壤侵蚀量为12 293 t/(km2·a)，坡式梯田作为地形因子的燕沟流域土壤侵蚀量为12 415 t/(km2·a)。根据数据可得：土壤侵蚀量由大到小依次为：坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量>梯田作为工程措施的土壤侵蚀量>水平梯田作为地形因子的土壤侵蚀量。其中，梯田作为工程措施的土壤侵蚀量比坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量减少了31 t/(km2·a)，比水平梯田作为地形因子的土壤侵蚀量增加了91 t/(km2·a)。因此可以得出，燕沟流域中，将梯田作为地形因子和将梯田作为工程措施纳入到CSLE中得出的土壤侵蚀量存在差异，但差异不明显；梯田作为工程措施的土壤侵蚀量大于水平梯田作为地形因子的土壤侵蚀量，小于坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量。

图2 燕沟流域不同情况下的土壤侵蚀强度分布

结合图3可以看出，纸坊沟流域考虑梯田作为工程措施的土壤侵蚀量为12 523 t/(km2·a)。水平梯田作为地形因子的纸坊沟流域土壤侵蚀量为12 663 t/(km2·a)，坡式梯田作为地形因子的纸坊沟流域土壤侵蚀量为12 772 t/(km2·a)。

根据数据资料可得，土壤侵蚀量由大到小依次为：坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量>水平梯田作为地形因子的土壤侵蚀量>梯田作为工程措施的土壤侵蚀量。其中，梯田作为工程措施的土壤侵蚀量低于梯田作为地形因子的土壤侵蚀量，比水平梯田作为地形因子的土壤侵蚀量减少了140 t/(km2·a)，比坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量减少了249 t/(km2·a)。因此可以得出，纸坊沟流域中，将梯田作为地形因子和工程措施得出的土壤侵蚀量存在差异且差异同样不明显。

2.2 梯田占流域面积的比例对土壤侵蚀量的影响

在燕沟流域和纸坊沟流域，将梯田作为工程措施和地形因子对土壤侵蚀量的影响较小。燕沟流域与纸坊沟流域内梯田占流域面积的比例(简称梯田占比)都为8%左右，所占比例较小导致结果差异不明显，因此，为了详细说明梯田对土壤侵蚀量的影响，采用水文分析[14]的方法，将纸坊沟流域划分为更小的子流域，计算不同梯田占比下各子流域的土壤侵蚀量，同时，作为比较基准，需要计算未考虑梯田信息的土壤侵蚀量。表4为在纸坊沟流域选取的几个不同梯田占比的子流域的分析结果。

表4 不同梯田占比对土壤侵蚀量的影响 t/(km2·a)

图3 纸坊沟流域不同情况下的土壤侵蚀强度分布

结合表4可得，不同梯田占比下整体呈现出坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量>水平梯田作为地形因子的土壤侵蚀量>梯田作为工程措施的土壤侵蚀量，说明梯田信息的加入能减少流域土壤侵蚀量，且水平梯田比坡式梯田具有更好的效果。对数据作进一步处理得到表5。为直接比较将梯田作为工程措施和地形因子的不同，对水平梯田作为地形因子和坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量减少率取平均值。可以看出，梯田占比较小时，作为工程措施和地形因子的土壤侵蚀量减少率之间的差距较小，但随着梯田占比的增大，作为工程措施和地形因子的土壤侵蚀量减少率之间的差距随之增加，且作为工程措施的土壤侵蚀量减少率明显大于作为地形因子的减少率。

表5 不同梯田占比对土壤侵蚀量的影响 %

3 结 论

(1) 在燕沟流域和纸坊沟流域，将梯田作为工程措施和地形因子的土壤侵蚀量之间存在一定差异。其中，坡式梯田作为地形因子的土壤侵蚀量均大于梯田作为工程措施的土壤侵蚀量，而水平梯田作为地形因子的土壤侵蚀量与梯田作为工程措施的土壤侵蚀量之间的比较根据流域的不同结果不同。

(2) 在纸坊沟子流域，随着流域中梯田占比的提高，梯田作为工程措施和地形因子的土壤侵蚀量的差距随之增加，即将梯田作为工程措施的土壤侵蚀量明显低于将梯田作为地形因子的土壤侵蚀量。总之，流域中梯田占比较小时，将梯田作为工程措施或地形因子对土壤侵蚀量的影响较小，但随着梯田占比的提高，将梯田作为工程措施的土壤侵蚀量明显要低。需要说明的是，本研究在比较梯田作为地形因子和工程措施因子的土壤侵蚀量时，与相关研究结果相比，土壤侵蚀量的计算偏高，但本研究重点是提供一种针对梯田分布较多区域进行土壤侵蚀评价时的新思路，待数据或条件许可时进一步对其进行验证。

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Comparative Study of Quantitative Evaluation of Soil Erosion in Consideration of Terraces as Topographical Factor or Engineering One

WANG Yiren, ZHAO Mudan, ZHANG Qian, ZHANG Peng

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China)

[Objective] With the using of CSLE model, we calculated the soil loss in two situations under certain conditions of rainfall, soil and vegetation: taking terraces as a terrain factor or as an engineering measure factor. It was expected to provide a new idea for quantitative evaluation of soil erosion. [Methods] This thesis choose Zhifanggou watershed and Yangou watershed of Loess Plateau as experimental sample plots and used DEMs of the study regions with a resolution of 5 meters, images of WorldView 3 with a resolution of 0.3 meters and Landsat 8 with a resolution of 30 meters, precipitation data, soil data and land use data, etc. [Results] (1) In Zhifanggou watershed and Yangou watersheds, as a terrain factor, the calculated average soil loss of watershed in slope terraces are both greater than the ones taking terraces as an engineering measure factor. However, the comparison results between the average soil loss of watershed in level terraces and taking terraces as an engineering measure factor varied in different watersheds. (2) As the increase of the proportion of terraces, the average soil loss of watershed taking terraces as an engineering measure is much lower than the one taking terraces as a terrain factor. [Conclusion] Taking terraces as terrain factor or engineering measure factor can change the calculation of soil loss, especially when the proportion of terraces is larger.

terraces; terrain factor; engineering measure factor; quantitative evaluation of soil erosion; CSLE

2016-11-28

2016-12-19

国家自然科学基金项目“梯田对坡度坡长因子的扰动特征研究”(41271284)

王翊人(1992—),女(汉族),陕西省西安市人，硕士研究生,研究方向为数字地形分析。E-mail:13572413437@163.com。

赵牡丹(1969—),女(汉族),陕西省富平县人，博士研究生，副教授,主要从事数字地形分析工作。E-mail:zmudan@nwu.edu.cn。

A

1000-288X(2017)02-0148-05

S157.1