樊向国，王岩松，刘建祥，范昊明

(1.沈阳农业大学 水利学院，辽宁 沈阳 110866； 2.水利部 松辽水利委员会，吉林 长春 130000)

土壤侵蚀是各种自然因素和人类活动共同作用下土壤物质被剥离、迁移、沉积的过程，会导致土壤退化、土地生产力降低，是全球最为严峻的生态环境问题之一[1-2]。传统的土壤侵蚀量调查方法耗时多、周期长，几乎无法确定中等尺度流域的土壤侵蚀量[3-4]。USLE模型法分析了土壤侵蚀与各种自然和人文因子的关系，其计算方法简单、所需数据量少且结果通用性强[5-7]，已被应用于农学、土壤学、水文学、环境科学等多个研究领域，尤其在土壤侵蚀相关研究中应用最为广泛[8-10]，但是目前大多数研究成果集中于对土壤侵蚀量和土壤侵蚀强度的探讨，缺少对侵蚀成因的分析。

基于上述研究背景，本研究以内蒙古自治区赤峰市敖汉旗为研究区，应用USLE模型法，结合 GIS 和RS技术，估算其土壤侵蚀量及侵蚀强度，分析土壤侵蚀强度空间分异特征及影响因素，以期为敖汉旗合理布设水土保持措施、改善生态环境提供理论支持和科学参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

敖汉旗地处努鲁尔虎山脉北麓、科尔沁沙地南缘，属燕山山地向西辽河平原过渡地带，土地总面积8 247.04 km2，境内低山丘陵起伏，地形由东南向西北逐渐倾斜，由南到北依次为南部努鲁尔虎山石质低山丘陵区、中部黄土丘陵区和北部沙质沱甸区。地处中温带，属于大陆性季风气候区，年降水量为310～460 mm，由南向北逐渐减少，降水时间集中；境内雨热同期，大陆性气候特征显著，日照充足且昼夜温差较大，积温有效性高；四季分明，冬季漫长而寒冷，春季回暖快，夏季短而酷热，秋季气温骤降。土壤类型有棕壤、褐钙土、草甸土、潮土、沼泽土及风沙土等。

1.2 数据来源与方法

Wischmeier et al.[11]在1965年提出的通用土壤流失方程(USLE)基本形式为A=R·K·LS·C·P，其中A为土壤侵蚀量，R为降雨侵蚀力因子，K为土壤可蚀性因子，LS为地形因子，C为植被覆盖因子，P为水土保持措施因子。该方程考虑的因素全面，在目前土壤侵蚀量估算模型中使用最为广泛。本研究收集研究区各气象站点近30年的降雨观测资料，通过Fournier 指数计算年平均降雨侵蚀力R值；利用第二次全国土壤普查资料获得土壤可蚀性因子K值；LS因子通过研究区1∶5万DEM提取；植被覆盖因子和水土保持措施因子通过对不同土地利用类型、水土保持措施赋值得到。根据《土壤侵蚀分类分级标准(SL 190—2007)》确定土壤侵蚀分级指标，得到侵蚀强度分布图。其具体计算流程如图1所示。

图1 土壤侵蚀量估算流程

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀量及强度等级分布

(1)土壤侵蚀因子的计算与因子图的生成。通用土壤流失方程(USLE)将自然因素和人类活动对土壤侵蚀的影响综合体现在降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、地形因子、植被覆盖因子和水土保持措施因子中。其中，降雨侵蚀力是土壤侵蚀的动力因子[12]，土壤可蚀性因子反映了土壤遭受降雨侵蚀的难易程度[13]，地形因子通过影响地表植被的形成与发展决定地表径流的运动状态和方向[14]，植被覆盖因子和水土保持措施因子通过影响地表植被分布状况和人类活动活跃程度，直接或间接影响土壤侵蚀发生发展。根据侵蚀量计算流程，计算得到各侵蚀因子见图2。

图2 研究区土壤侵蚀因子分布

图3 研究区土壤侵蚀强度分布

(2)土壤侵蚀量及强度等级空间差异性。研究区土壤侵蚀强度空间分布见图3。研究区年土壤侵蚀量高达183万t，土壤侵蚀模数为697 t/(km2·a)，属轻度侵蚀区。研究区各侵蚀强度面积及年侵蚀量见图4。由图4知，研究区土壤侵蚀面积为2 627.29 km2，占土地总面积的31.86%，相比第一次全国水利普查时(土壤侵蚀面积为2 316.66 km2)增加了310.63 km2。轻度侵蚀区面积为1 548.26 km2，占侵蚀总面积的58.93%，较大的侵蚀面积导致轻度侵蚀对侵蚀总量的贡献率为20.23%；中度侵蚀区面积为514.79 km2，占侵蚀总面积的19.59%，对侵蚀总量的贡献率为18.68%；强烈及以上侵蚀区面积相对较小，占侵蚀总面积的21.48%，但对侵蚀总量的贡献率高达61.09%，其中38.06%的侵蚀量来自占侵蚀总面积8.99%的剧烈侵蚀区。敖汉旗土壤侵蚀量空间差异性大，土地利用类型、地形起伏变化、人类活动等都会对土壤侵蚀产生影响，因此探索土壤侵蚀量空间分布差异是合理布设水土保持措施、防治土壤侵蚀的关键。

2.2 不同影响因素下土壤侵蚀强度空间差异性分析

(1)土地利用类型对土壤侵蚀强度空间差异性的影响。土地利用类型对土壤侵蚀强度空间差异性的影响主要体现在地表植被覆盖度和植被类型的差异上，分析比较不同土地利用类型与土壤侵蚀强度空间差异性的关系，对寻求更合理的土地利用结构、减少区域土壤侵蚀具有重要的作用。利用ArcGIS的属性查询功能获得不同土地利用类型下的土壤侵蚀面积、土壤侵蚀模数和年土壤侵蚀量，见表1。各土地利用类型中，耕地的植被覆盖度较低、人类活动最为活跃，土壤侵蚀模数为820.19 t/(km2·a)，年土壤侵蚀量为179万t，占研究区侵蚀总面积83.00%的耕地对侵蚀总量的贡献率高达97.61%，说明耕地是敖汉旗各土地利用类型中土壤侵蚀最严重的地类，也是今后需要重点预防治理的区域。林地坡度大，植被类型单一，有效植被覆盖度低，土壤侵蚀面积为360.03 km2，占研究区侵蚀总面积的13.70%，侵蚀模数为88.15 t/(km2·a)，对侵蚀总量的贡献率为1.73%。草地、居民点及工矿交通用地、水域及水利设施用地和未利用土地侵蚀面积占研究区侵蚀总面积的3.30%，对研究区侵蚀总量的贡献率不足1%。

表1 不同土地利用类型下的土壤侵蚀情况

(2)坡度对土壤侵蚀强度空间差异性的影响。坡度的起伏变化引起的土壤侵蚀强度空间差异性主要体现在研究区西北高、东南低，中低山、丘陵和冲积平原交错的地形地貌上。运用ArcGIS的空间分析功能和研究区DEM将研究区坡度划分为6个等级，与侵蚀数据叠加提取不同坡度上的土壤侵蚀情况，见表2。分析不同坡度土壤侵蚀模数和侵蚀量发现，随着坡度的增大，土壤侵蚀模数和侵蚀量均呈先增大后减小的趋势，二者最大值均出现在8°～15°，这与潘美慧等[15]研究地形坡度对土壤侵蚀空间差异性影响的结果基本一致。

坡度小于5°区域侵蚀面积占研究区侵蚀总面积的59.42%，土壤侵蚀模数为377.72 t/(km2·a)，对研究区侵蚀总量的贡献率为32.19%；坡度大于25°区域侵蚀面积占研究区侵蚀总面积的1.96%，土壤侵蚀模数为861.35 t/(km2·a)，对研究区土壤侵蚀总量的贡献率为2.42%；坡度5°～25°区域平均土壤侵蚀模数高达1 180.91 t/(km2·a)，侵蚀面积占研究区侵蚀总面积的38.62%，产生的土壤侵蚀总量为200万t，对研究区土壤侵蚀总量的贡献率高达65.39%，是研究区土壤侵蚀发生的主要坡度区域。对于坡度大于5°的坡地应根据当地实际情况合理发展经济林；当坡度大于25°时要实行退耕还林；对于坡度小于5°、以轻度侵蚀为主的地区，为防止侵蚀程度进一步恶化，应采取合理的水土保持措施(等高耕作等)防治水土流失。

表2 不同地形坡度下的土壤侵蚀情况

(3)坡向对土壤侵蚀强度空间差异性的影响。坡向对土壤侵蚀强度空间差异性的影响与阴、阳坡热量和水分分布情况有关。利用ArcGIS空间分析功能将研究区划分为9个不同的坡向，与侵蚀强度空间分布叠加提取不同坡向土壤侵蚀情况，见表3。对不同坡向下土壤侵蚀情况分析表明，阳坡土壤侵蚀较阴坡严重，但二者差距不明显，此研究结果与韩富伟等[16]研究的不同坡向下土壤侵蚀结果基本一致。

表3 不同地形坡向下的土壤侵蚀情况

由表3可以看出，平坡区域侵蚀面积占研究区侵蚀总面积的6.29%，土壤侵蚀模数为781.88 t/(km2·a)，对研究区土壤侵蚀总量的贡献率为7.05%；以阳坡为主的东坡、南坡、东南坡和西南坡土壤侵蚀面积占研究区侵蚀总面积的45.45%，平均土壤侵蚀模数为726.75 t/(km2·a)，对研究区土壤侵蚀总量的贡献率为47.36%；以阴坡为主的北坡、西坡、东北坡和西北坡平均土壤侵蚀模数为658.71 t/(km2·a)，土壤侵蚀面积占研究区侵蚀总面积的48.26%，对研究区侵蚀总量的贡献率为45.59%。出现这种结果的原因是阳坡较阴坡日照时间长，太阳辐射强，短时间地表温度变化大，表层土壤冻融循环作用明显，致使表层土壤质地疏松，易产生土壤侵蚀。上述结果表明，与土地利用、坡度对研究区土壤侵蚀空间差异性的影响相比，不同地形坡向土壤侵蚀模数空间差异性不明显。

3 结 论

运用USLE模型，结合GIS和RS技术，估算了敖汉旗土壤侵蚀量，探讨了土壤侵蚀强度空间差异性及其影响因素。主要结论如下：

(1)敖汉旗年土壤侵蚀总量达183万t，土壤侵蚀模数为697.38 t/(km2·a)，土壤侵蚀面积为2 627.29 km2，占研究区总面积的31.86%，以轻度侵蚀为主；占侵蚀总面积8.99%的剧烈侵蚀区对侵蚀总量的贡献率为38.06%，而61.09%的侵蚀量来自占研究区侵蚀总面积21.48%的强烈及以上侵蚀区。

(2)敖汉旗耕地土壤侵蚀模数最大，为820.19 t/(km2·a)，年土壤侵蚀量为179万t，占研究区侵蚀总面积83.00%的耕地对侵蚀总量的贡献率高达97.61%，侵蚀最为严重，是今后水土流失预防治理工作的重点。

(3)敖汉旗土壤侵蚀模数和侵蚀总量随坡度的增大均呈现先增大后减小的趋势，二者最大值均出现在8°～15°；坡度5°～25°区域的土壤侵蚀模数达1 180.91 t/(km2·a)，侵蚀面积占侵蚀总面积的38.62%，对土壤侵蚀总量贡献率高达65.39%，是土壤侵蚀发生的主要坡度区域。

(4)敖汉旗阳坡土壤侵蚀较阴坡严重，二者土壤侵蚀模数分别为726.75、658.71 t/(km2·a)，对侵蚀总量的贡献率分别为47.36%和45.59%；与土地利用、坡度对研究区土壤侵蚀空间差异性的影响相比，坡向对土壤侵蚀空间差异性的影响不显著。

(5)土地利用和地形坡度是影响敖汉旗土壤侵蚀的最主要因素；人类活动最频繁的耕地土壤侵蚀最为严重，因此采取合理的耕作制度(等高耕作等)和土地利用方式显得尤为重要；结合地形坡度对侵蚀的影响，坡度大于5°的坡地应根据当地实际情况发展以乡土树种为主的经济林，坡度大于25°的坡地要实施退耕还林还草。

[参考文献]

[1] 张燕,彭补拙,高翔,等.人类干扰对土壤侵蚀及土壤质量的影响——以苏南宜兴低山丘陵区为例[J].地理科学,2002,22(3):336-341.

[2] QIAO Y L,QIAO Y.Fast soil erosion investigation and dynamic analysis in the Loess Plateau of China by using information composite technique[J].Advances in Space Research,2002,29(1):85-88.

[3] 黄金良,洪华生,张路平,等.基于GIS和USLE的九龙江流域土壤侵蚀量预测研究[J].水土保持学报,2004,18(5):75-79.

[4] 蔡崇法,丁树文,史志华,等.应用USLE模型与地理信息系统IDRISI预测小流域土壤侵蚀量的研究[J].水土保持学报,2000,14(2):19-24.

[5] 余叔同,郑粉莉,张鹏.基于插件技术和GIS的坡面土壤侵蚀模拟系统[J].地理科学,2010,16(3):441-445.

[6] DIODATO N,BELLOCCHI G.Estimating monthly (R)USLE climate input in a Mediterranean region using limited data[J].Journal of Hydrology,2007,345(3-4):224-236.

[7] MENG L,FENG Q Y,WU K,et al.Quantitative evaluation of soil erosion of land subsided by coal mining using RUSLE[J].International Journal of Mining Science and Technology,2012,22(1):7-11.

[8] VRIELING A,STERK G,VIGIAK O.Spatial evaluation of soil erosion risk in the West Usambara Mountains, Tanzania[J].Land Degradation and Development,2006,17(3):301-319．

[9] 张喜旺,周月敏,李晓松,等.土壤侵蚀评价遥感研究进展[J].土壤通报,2010,41(4):1010-1017.

[10] 李天宏,郑丽娜.基于RUSLE模型的延河流域2001—2010年土壤侵蚀动态变化[J].自然资源学报,2012,27(7):1164-1175.

[11] WISCHMEIER W H,JOHNSON C B,CROSS B V.Soil erodibility nomographfarmland and construction sites[J].Journal of Soil and Water Conservation,1971,26(5):189-193.

[12] AMOLDUS H M J.Methodology used to determine the maximum potential average annual soil loss due to sheet and rill erosion in Morocco[J].Nature,1977,414(6862):39-51．

[13] 陈明华,周伏建,黄炎和.土壤可蚀性因子的研究[J].水土保持学报,1995,9(1):19-24．

[14] HICKEY R.Slope angle and slope length solutions for GIS[J].Cartography,2000,29(1):1-8.

[15] 潘美慧,伍永秋,任斐鹏,等.基于USLE的东江流域土壤侵蚀量估算[J].自然资源学报,2012,25(12):2154-2164.

[16] 韩富伟,张柏,宋开山,等.长春市土壤侵蚀潜在危险度分级及侵蚀背景的空间分析[J].水土保持学报,2007,21(12):39-43.

[作者简介] 樊向国(1990—)，男，甘肃平凉市人，硕士研究生，从事土壤侵蚀机理研究；通信作者范昊明(1972—)，男，吉林白山市人，教授，博士，从事流域侵蚀、产沙与水土保持规划研究。

[收稿日期] 2017-08-15