王 略， 屈 创， 赵国栋

(黄河水利委员会 黄河上中游管理局， 陕西 西安 710021)

开展土壤侵蚀状况调查，对客观反应水土流失治理成效、评价治理效益、编制水土保持规划和国民经济发展规划有十分重要的意义。中国对于区域土壤侵蚀评价比较常用的方法是分析土地利用、植被覆盖、坡度这3个因子，依据水利部颁发的《土壤侵蚀分级分类标准》(SL190-2007)[1]，定性评价土壤侵蚀强度，该方法简单实用，可操作性强，但也存在一些问题，如不能直接反映气候、土壤的影响，不能全面反映水土保持措施的影响。

第四次遥感普查的实践表明，采用土壤侵蚀模型、地面抽样、野外调查、遥感解译、基础数据收集相结合的方法，通过土壤侵蚀模型定量评价[2-3]全国尺度的水土流失情况可行，但用此方法在流域尺度的应用研究还较少。

本文拟选择内蒙古自治区准格尔旗境内的皇甫川流域作为研究区，用CSLE模型对土壤侵蚀定量评价[4-5]的方法进行初步探索，以期提高土壤侵蚀监测精度，有效、客观地反映水土流失治理效果。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

准格尔旗位于黄河河龙区间多沙粗沙重点治理区北端，鄂尔多斯高原东部，地处黄土高原边缘地带。境内沟壑纵横，地貌以丘陵沟壑为主，类型复杂。大部分土壤属于干旱草原型的轻黑垆土的延续部分，小部分属于自治区的栗钙土区。准格尔旗总面积约7 692 km2，水土流失面积占92.5%。土壤流失高达1.88×105t/(km2·a)，水土流失严重。皇甫川流域发源于准格尔旗的点畔沟，自西北流向东南，干流长137 km，总面积3 246 km2，流域水土流失面积3 139.74 km2，占总面积的96.7%，平均侵蚀模数1.30×104t/(km2·a)，强度以上侵蚀面积占76.7%。准格尔旗境内的流域为毛乌素沙漠向黄土高原的过渡地区，属黄土丘陵沟壑区。研究区域面积为2 801.33 km2，开展过黄河流域全国水土流失动态监测与公告项目和黄河中游多沙粗沙区皇甫川等重点支流等2个水土保持监测项目，具有良好的研究基础。

1.2 研究模型

本研究采用刘宝元等[6]提出的中国土壤流失方程CSLE(Chinese soil loss equation)模型。该模型参考USLE的有关思想，根据中国水土保持的实际情况，充分考虑了生物措施、工程措施和耕作措施对土壤侵蚀和水土流失过程与结果的影响，同时考虑到中国地形地貌的特征，对地形因子的算法，尤其是陡坡地形因子进行改进，因此，CSLE模型表达更适用于中国区域的土壤侵蚀计算。模型的表现形式为：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A——土壤水蚀模数〔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,S——坡长、坡度因子；B——生物措施因子；E——工程措施措施因子；T——耕作措施因子；L，S，B，E，T因子均无量纲。

1.3 数据及数据来源

模型所采用的数据及数据来源如下：①研究区及周边100 km范围内，8个气象站点，1980—2010年(30 a)期间大于等于12 mm日降雨数据； ②研究区高分辨率遥感影像1期。拍摄时间为2015年7—8月，以天绘1号为主，辅以高分1号和资源3号影像，分辨率为2 m。投影为高斯—克吕格(Gauss-Kruger)，CGCS 2000国家大地坐标系，1985国家高程基准；③研究区2015年1∶1万数字高程模型(DEM)；④研究区土地利用专题数据。(②③④均来源于黄河流域全国水土流失动态监测与公告项目2016年监测数据)； ⑤园地及有林地的植被盖度季节变化曲线(根据第四次遥感普查准格尔旗野外调查单元数据整理)；⑥研究区多期低分辨率遥感影像，下载2011—2015年(5 a)modis-NDVI半月合成产品，生成24个半月modis-NDVI产品，250 m分辨率。

1.4 模型各因子获取

1.4.1 降雨侵蚀力因子(R) 降雨侵蚀力因子指降雨导致土壤侵蚀发生的潜在能力，反映了雨滴对土壤颗粒的击溅分离以及降雨形成径流对土壤冲刷的综合作用。本次研究根据R值计算公式[7-9]，采用研究区及周边100 km范围内8个气象站点30 a(1980—2010年)日降雨数据，计算出每个站点多年平均降雨侵蚀力，再用克里金插值方法获得研究区降雨侵蚀力因子，生成栅格分辨率为10 m的降雨侵蚀力R值图。

(2)

(3)

式中：i——所用降雨资料年份序列的编号(i=1,2,…,n)；j——第i年第k个半月内侵蚀性降雨日的编号(j=0,…,m)；Pi,j,k——第i年第k个半月第j个侵蚀性日降雨量(mm),如果某年某个半月内没有侵蚀性降雨，即j=0,则令Pi,j,k=0；α——参数，暖季α=0.393 7,冷季α=0.310 1。

1.4.2 土壤可蚀性因子(K) 土壤可蚀性因子反映土壤是否容易遭受雨滴溅蚀和径流冲刷的敏感程度指标，是土壤抵抗降雨径流侵蚀能力的综合体现。本次研究采用Wischmeier在RUSLE模型中修正的土壤可蚀性因子K的计算方法计算出K值，生成研究区土壤可蚀性K值图。

K= 〔2.1×10-4(12-O)(N1×N2)1.14+

3.25(2-S)+2.5(P-3)〕/100

(4)

式中：O——土壤有机质含量；N1——0.002～0.1 mm粉砂与细砂粒的含量之和；N2——0.1～2 mm砂粒与N1的含量之和；S——土壤结构系数；P——土壤渗透性等级。

1.4.3 地形因子(L,S) 坡长因子是指某一坡面土壤流失量与坡长为22.13 m,其他条件一致的坡面产生土壤流失量的比率。坡度因子是指某一坡度土壤流失量与坡度为5.13°，其他条件一致的坡面产生土壤流失量的比率。本次研究坡度因子的计算采用刘宝元等[10]在黄土高原建立的坡度坡长因子计算公式(公式5)。坡长因子(L)计算采用W.H.维希.迈尔等[11]提出的计算公式(公式6)计算。为：

(5)

L=(λ/22.1)m

(6)

式中：S——坡度因子(无量纲)；θ——坡度值(°)；L——坡长因子(无量纲)；λ——坡长(m) ；m——可变的坡长指数。

本次研究中，L和S的获取方法为基于研究区的1∶10 000 DEM，用北京师范大学开发的土壤侵蚀模型地形因子计算工具生成坡度坡长L，S栅格图。

1.4.4 生物措施因子(B) 生物措施因子是指有植被覆盖条件下的土地土壤流失量与同等条件下清耕休闲地的土壤流失流失量之比。它是模型中最敏感、易变化的因子。本次研究中，将2015年1期高分辨率影像与24个半月的modis-NDVI融合,生成24个半月的高分辨率盖度影像产品。B因子的计算分3种类型： ①根据土地利用分类栅格图，将耕地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地或其他土地直接赋值得到B值(表1)； ②表征植被覆盖只有盖度指标的园地、林地或草地，依据盖度计算得到半月Bi，盖度来源于24个半月的高分辨率盖度影像产品； ③表征植被覆盖同时有盖度和郁闭度指标的园地或林地，依据盖度和郁闭度计算得到半月Bi；郁闭度来源于24个半月的高分辨率盖度影像产品，盖度来源于园地或林地的植被盖度季节变化曲线。针对园地、林地或草地，得到半月Bi后，结合降雨侵蚀力比例栅格图，根据式6，得到年生物措施B值图。

(7)

式中：Bi——第i个半月的生物措施因子值；Ri——第i个半月的降雨侵蚀力。

表1 不同土地利用类型B因子赋值

1.4.5 工程措施措施因子(E) 工程措施因子是指为采取某种工程措施土地土壤流失量与同等条件下无工程措施土地土壤流失量之比。本次研究根据高分辨率遥感影像土地利用的解译成果，对各地块进行赋值，梯田赋值0.1，其他赋1，生成水土保持措施工程措施E值图。

1.4.6 耕作措施因子(T) 耕作措施因子是指为采取某种耕作措施的土地土壤流失量与同等条件下平作土地土壤流失量之比。本次研究根据高分辨率遥感影像土地利用的解译成果，对各地块进行赋值，耕地赋0.524，其他赋1，生成水土保持措施耕作措施T值图。

2 结果与分析

将研究区各因子值的栅格图通过地图代数计算方法，得到研究区2015年土壤侵蚀图(图1)。经统计，研究区总面积为2 801.33 km2，微度侵蚀面积656.52 km2，水土流失面积2 144.81 km2。依据土壤侵蚀分类分级标准对研究区进行土壤侵蚀强度分级，其中：轻度侵蚀年均侵蚀模数1 989.25 t/(km2·a)，面积718.87 km2，占总面积25.66%，占水土流失面积33.52%；中度侵蚀年均侵蚀模数4 876.25 t/(km2·a)，面积767.14 km2，占总面积27.38%，占水土流失面积35.77%；强烈侵蚀年均侵蚀模数7 765.34 t/(km2·a)，面积491.41 km2，占总面积的17.54%，占水土流失面积22.91%；极强烈侵蚀年均侵蚀模数13 562.82 t/(km2·a)，面积46.58 km2，占总面积的1.66%，占水土流失面积2.17%；剧烈侵蚀年均侵蚀模数30 894.74 t/(km2·a)，面积120.80 km2，占总面积的4.31%，占水土流失面积5.63%。研究区主要侵蚀类型为水力侵蚀，2015年侵蚀总量达到1.38×107t，年均侵蚀模数为4 920.23 t/(km2·a)。土壤侵蚀强度以中度为主，轻度和强烈次之(表2)。

图1 研究区2015年土壤侵蚀强度

侵蚀强度分级面积/km2占研究区面积比例/%年均侵蚀模数/(t·km-2·a-1)年侵蚀量/(104t·a-1)微度656．5223．44658．9643．26轻度718．8725．661989．25143．00中度767．1427．384876．25374．08强烈491．4117．547765．34381．60极强烈46．581．6613562．8263．18剧烈120．804．3130894．74373．20总计2801．33100．004920．231378．32

在2016年开展的黄河流域全国水土流失动态监测与公告项目中，用三因子法对研究区2015年土壤侵蚀进行了定量评价(表3)。

表3 研究区2015年土壤侵蚀状况

对比CSLE模型和三因子法对研究区土壤侵蚀定量评价结果，由于CSLE模型相较于三因子，引入了降雨因子、土壤可蚀性因子，同时考虑了水土保持工程措施、生物措施、耕作措施等因子，地形因子也从单一的坡度变化为坡长坡度因子，计算出的侵蚀强度等级面积有所不同。用CSLE模型计算的研究区轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀面积较三因子法有所增加，轻度侵蚀面积增加98.05 km2，占总面积3.50%；中度侵蚀面积增加112.05 km2，占总面积4.00%；强烈侵蚀面积增加47.62 km2，占总面积1.70%。而微度侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积较三因子法有所减少，微度侵蚀面积减少84.04 km2，占总面积3.00%；极强烈侵蚀面积减少117.66 km2，占总面积4.20%；剧烈侵蚀面积减少56.03 km2，占总面积2.00%。总的来说，用CSLE模型计算的研究区微度和极强烈、剧烈等两个极端的侵蚀强度等级面积减少，而其他侵蚀强度等级的面积增加。

3 讨论与结论

(1) 本文采用CSLE模型对2015年研究区土壤侵蚀进行定量分析，并与黄河流域全国水土流失动态监测与公告项目三因子法成果对比印证，得出的结论基本合理，说明CSLE模型可以用于区域土壤侵蚀定量研究。

(2) CSLE模型进行土壤侵蚀定量分析，综合考虑了降雨、土壤、植被、地形、措施等多项因子，提高了区域土壤侵蚀定量计算的精度。

(3) CSLE模型作为经验方程，在黄土高原使用还存在需要继续完善的地方：一是需将K值、林下盖度曲线等参数的本地化，二是模型中采用的是多年平均降雨，可进一步研究当年降雨和多年平均降雨的非线性的比值关系，减少降雨在丰、平、枯不同时期造成的误差等。

(4) CSLE模型进行区域土壤侵蚀定量研究过程中，未能考虑风蚀的影响，评价结果与实际侵蚀情况必定存在一定的出入，此问题的解决仍需进一步研究。

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