绥中县宽邦镇大栗小流域土壤侵蚀特征研究

2022-08-03刘伟

黑龙江水利科技 2022年6期

刘伟

(绥中县水利事务服务中心，辽宁葫芦岛 125200)

目前，主要有侵蚀针法、核素示踪法、径流小区观测法以及人工模拟降雨法等土壤侵蚀研究方法[1-6]。然而，这些方法主要局限于较小范围，投入的人力、时间和资金较多，推广使用难度较大。因此，许多方程和模型逐渐被应用于水土流失、土壤侵蚀评价，如RUSLE方程、USLE方程及CSLE方程等，物理模型有水土评价模型、水蚀预报项目以及欧洲土壤侵蚀模型等[7]。但是，物理模型的参数计算复杂，所需数据较多，而RUSLE/USLE模型的数据易获取且机制较简单，国内外学者研究应用较多，如杨任翔等[8]通过径流小区观测探讨了赤红壤坡面土壤侵蚀受高频次、高强度降雨下甘蔗种植模式的影响特征；谢如林等[9]应用田间监测法揭示出不同施肥模式下，旱坡地地表径流造成的氮、磷流失及土壤侵蚀特征；朱青等[10]利用随机森林法和RUSLE模型，定量研究了影响土壤侵蚀的因子及其程度；Lu等[11]将GIS、RS技术和USLE方程相结合，探讨了亚马逊流域的土地覆盖、土地利用与土壤侵蚀风险之间的关系，结果表明土壤侵蚀风险的增加主要与森林向其它土地覆盖的转变有关；Sinha等[12]采用USLE方程估算了耕地土壤流失现状，结果显示土壤流失受人类活动即作物因素的影响显著。

结合相关文献资料，利用土壤侵蚀方程和GIS技术等定量估算土壤侵蚀速率、侵蚀特征的研究还鲜有报道。因此，文章以绥中县宽邦镇大栗小流域为例，将RUSLE方程和GIS技术相结合定量估算了其平均土壤侵蚀速率，确定不同子流域的土壤侵蚀状况和等级，探讨土壤侵蚀强度与土地利用类型、不同坡度的关系，旨在为科学防治辽西低山丘陵区小流域土壤侵蚀提供一定指导。

1 研究区概况

大栗小流域位于绥中县宽邦镇境内，属六股河下游，介于E120°3′51″-120°8′43″、N40°32′59″-40°37′10″之间，总面积31.08km2，可划分成DS1、DS2、DS3三个子流域，所对应的面积分别为5.30km2、14.94km2、10.84km2。流域内地形以丘陵地貌为主，气候属温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量620.80mm，年内分配不均匀，多集中在7、8、9三个月。土壤类型以棕壤土为主，pH值接近6.3，树种以人工林为主，灌木树种主要有紫穗槐、荆条、棉槐，刺槐等，经济林主要有白梨、苹果，林木成材率较低，林草植被覆盖率67.13%。

大栗小流域土地总面积3107.50hm2，其中耕地737.71hm2(占比23.74%)，经济林155.90hm2(占比5.02%)，设施农用地6.65hm2(占比0.21%)，林地1910.13hm2(占比61.47%)，荒地62.10hm2(占比2.00%)，村镇及工矿用地145.62hm2(占比4.69%)，果园20.00hm2(占比0.64%)，河滩地69.39hm2(占比2.23%)。农、林、果用地比例为1∶2.59∶0.24，农业用地中，坡耕地259.70hm2，坡度集中在3-15°，占总耕地的35.20%。

2 研究方法

2.1 数据来源

文章所用数据主要有：①2020年月尺度和年降雨量，流域内降雨数据由雨量监测站提供；②流域内土壤属性和类型数据来源于1:100万中国土壤类型数据库，土壤理化性质由野外实测确定；③流域内数字高程模型DEM来源于测绘所得数据，空间分辨率5m；④2020年土地利用图由无人机航拍影像图测定；⑤以植物生长期无人机拍摄的四景可见光正射影像图提供2020年流域植被覆盖度数据来源。

2.2 RUSLE模型因子

大栗小流域土壤侵蚀速率利用RUSLE方程来估算，其表达式为：

A=R×K×S×L×C×P

(1)

式中：A为土壤侵蚀速率，t/hm2·a；R为降雨侵蚀力因子，[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K为土壤可蚀性因子，[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]；S为坡度因子(无量纲)；L为坡长因子(无量纲)；C为地表覆盖与作物管理因子(无量纲)；P为水保措施因子(无量纲)，无量纲因子的取值区间为0-1。

1)采用降雨侵蚀力因子R反映降雨对土壤侵蚀的影响，文章利用Wischmeier[13]所给出的简化算法计算R因子值，即：

(2)

式中：P为年降水量，mm；Pi为月降水量，mm。将大栗小流域2020年月降雨量和年降雨量数据代入公式，经反距离和加权内插运算生成流域内年降雨侵蚀力图。

2)采用土壤可蚀性因子K描述土壤对侵蚀的敏感程度，文章利用Williams[14]所提出的有机碳含量和土壤机械组成公式计算K因子值，即：

(3)

式中：SAN为0.050-2.000mm的沙粒质量分数，%；SIL为0.002-0.050mm黏粒的质量分数，%；其中SN1=1-SAN/100；C为土壤有机碳质量分数，%；CLA为<0.002mm黏粒质量分数，%。

采用Arc GIS软件和1∶100万土壤类型数据，从绥中县土壤类型中裁剪出大栗小流域的土壤类型，并结合野外调查实测的土壤理化性质和土壤数据库找到绥中县的土种，确定大栗小流域土壤类型及其有机碳、黏粒、粉粒、沙粒质量分数，将相关数据代入计算公式求出K因子值。

3)坡度、坡长因子SL。文章利用Mc Cool的缓坡坡度公式、刘保元[15]的陡坡坡度公式和Desmet的经典公式计算坡度因子S、坡长因子L值，即：

S=10.8sinθ+0.03；θ<5°
S=16.8sinθ-0.50；5°≤θ<10°
S=21.91sinθ-0.96；θ≥10°

(4)

L=(λ/22.1)n

(5)

(6)

式中：n为坡长指数(量纲1)；θ为坡度，°；λ为坡长，m。在Arc GIS软件中输入分辨率5m的DEM数据，从而提取坡度θ、坡长λ值，将提取数据代入以上公式求出坡度坡长因子SL值。

4)植被覆盖与管理因子C。采用植物生长期无人机拍摄的四景可见光正射影像图和ENVI、Arc GIS软件[16]，结合蔡崇法等[17]建立的覆盖度与C值的关系以及像元二分法模型求解的流域植被覆盖度来计算C因子值，即：

ExG-ExR=3×G-2.4×R-B

(7)

式中：ExG-ExR为过绿减过红植被指数；B、G、R为蓝、绿、洪3波段像元值，利用ENVI软件的波段计算器处理流域的正射影像图，即可求出植被覆盖度fc，即：

(8)

式中：b1、bmax、bmin为植被指数值及其最大、最小值，用过绿减过红植被指数统计直方图和ENVI软件确定纯裸地、纯植被的值，最大值bmax、最小值bmin取植被指数频率的累计95%和5%所对应值[18]，具体如下：

C=1；(fc=0)
C=0.6508-0.34361gfc；(0C=0；(fc≥78.3%)

(9)

5)水保措施因子P。根据相关研究报道和大栗小流域水土保持实地调查现状，针对不同用地类型赋予相应的P因子值，水保措施因子P的赋值表，见表2。

表2 水保措施因子P的赋值表

3 结果分析

3.1 土壤侵蚀分布特征

依据RUSLE方程中各因子的运算关系获取土壤侵蚀影响因子格栅图，在同一坐标下利用Arc GIS软件转化成0.5m×0.5m的像元，经叠加计算确定相应的土壤侵蚀量，然后按照《土壤侵蚀分类分级标准》生成大栗小流域土壤侵蚀强度分级图。土壤侵蚀特征统计表，见表3。

表3 土壤侵蚀特征统计表

2020年大栗小流域属于轻度侵蚀，平均土壤侵蚀速率22.87t/(hm2·a)达到规定允许流失量5t/(hm2·a)的4.6倍。从侵蚀面积占比上，轻度及以下侵蚀等级所占比例达到78.33%，中度及以上侵蚀等级所占比例达到21.66%，表明大栗小流域以轻度侵蚀为主；从侵蚀量占比上，中度及以上侵蚀等级的侵蚀量占比为82.07%，相当于轻度及以下侵蚀等级侵蚀量占比的4.58倍，说明大栗小流域局部侵蚀较为严重，应该加强土壤侵蚀治理。

各子流域土壤侵蚀速率特征，见表4。结果显示从低到高土壤侵蚀速率排序为DS1

表4 各子流域土壤侵蚀特征

3.2 土壤侵蚀与坡度的关系

土壤侵蚀与坡度密切相关，故防治大栗小流域土壤侵蚀的关键是揭示不同坡度下的土壤侵蚀变化规律。根据等级划分标准，按照0°-5°、5°-8°、8°-15°、15°-25°、25°-35°将流域坡度重分类，通过空间叠加分析土壤侵蚀速率图与分类后的坡度等级图生成各坡度级别的土壤侵蚀分布特征，不同坡度上的土壤侵蚀特征统计表，见表5。

表5 不同坡度上的土壤侵蚀特征统计表

从表5可以看出，大栗小流域的土壤侵蚀速率随着坡度的不断增加而增大，总体处于5.63-112.28/t(hm2·a1)范围。坡度为8-15°时，大栗小流域土壤侵蚀量和侵蚀面积均最高，所对应的数值为为6521.49t/a和229.35hm2，按等级标准达到中度侵蚀；坡度为25-35°时，大栗小流域土壤侵蚀量和侵蚀面积均最低，所对应的数值为190.91t/a和1.70hm2，按等级标准达到极强烈侵蚀。土壤侵蚀主要集中于5-25°坡度上，5-25°坡度范围内的土壤侵蚀量占比达到92.36%，应作为小流域土壤侵蚀重点预防和治理区，必须采取有效的整治措施。不同坡度土壤侵蚀等级面积占比，见图1。

图1 不同坡度土壤侵蚀等级面积占比

从图1可以看出，各个坡度级别的侵蚀量占比在不同侵蚀强度下具有明显差异，对各个坡度等级上微度侵蚀量所占比例整体呈下降趋势，而其它侵蚀强度则呈现上升后下降的变化趋势，表明坡度分级标准能够有效区分不同坡度与侵蚀等级之间的关系。

3.3 土壤侵蚀与土地利用的关系

在Arc GIS软件中叠加分析流域土地利用类型图与土壤侵蚀强度图，从而揭示各用地类型的土壤侵蚀分布特征和土壤侵蚀量，不用用地类型的土壤侵蚀强度，见表6；不同用地类型的土壤侵蚀量，见表7。

表6 不用用地类型的土壤侵蚀强度

从表6可以看出，道路、林地、坡耕地的土壤侵蚀主要集中于轻度和微度侵蚀等级，而沟渠以微度侵蚀为主。

表7 不同用地类型的土壤侵蚀量

从表7可以看出，坡耕地的土壤侵蚀面积比例最高达到82.85%，沟渠和林地的土壤侵蚀面积比例为0.77%、10.98%，从低到高土壤侵蚀速率排序为沟渠<坡耕地<道路<林地，林地的土壤侵蚀速率53.67t/(hm2·a1)为沟渠、坡耕地、道路的25.80倍、2.81倍、2.56倍，坡耕地的土壤侵蚀量最高为9371.98t/a，为沟渠、道路、林地988.61倍、13.95倍、2.69倍。