基于RUSLE的祖厲河上游會師流域土壤侵蝕及敏感性分析

柴亞昕，胡彥婷，張富，高凡潔，包炳琛，蔣承洋

（甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070）

土壤侵蝕致使土地資源破壞、荒漠化加劇、生產力降低等，對我國生態環境建設造成嚴重影響，是我國嚴重的環境問題之一［1-2］。據2019年全國水土保持公報顯示，水土流失面積為271.08萬km2，其中輕度水土流失面積為170.55萬km2、中度46.36萬km2、強烈20.46萬km2、極 強 烈15.97萬km2、劇 烈17.74萬km2［3］。分布范圍較廣且嚴重，因此，防治土壤侵蝕的發生發展任務刻不容緩［4］。

土壤侵蝕敏感性指在自然狀況下發生土壤侵蝕的潛在可能性及其程度，對區域土壤侵蝕的防治具有指導意義［5］。目前，國外土壤侵蝕研究應用較為廣泛的方法為Wischmeier和Smith提出的通用土壤流失方程（RUSLE）模型，該模型適應大多數地理背景下的土壤侵蝕評價，國內劉寶元等［6］在RUSLE的基礎上，將耕作因子（T）、生物因子（B）和工程因子（E）引入，建立了中國土壤流失方程。王禮先等［7］依據陡坡坡面的特點，得到了有關陡坡的坡面侵蝕模型。趙明月［8］、張乃夫等［9］依據RUSLE方程，結合ArcGIS等軟件技術對青海湖流域、安徽新安江流域依據不同標準進行了流域尺度上的土壤侵蝕敏感性評價，得到不同土壤侵蝕敏感性分區并提出防治對策及建議，對土壤侵蝕的預防治理提供了參考依據。由此可見，采用RUSLE模型進行土壤侵蝕分析具有適用性廣、結果較為準確等優點，為區域土壤侵蝕評價提供了有效的方法。

祖厲河流域為典型的黃土高原丘陵溝壑區，地形破碎，溝壑縱橫，水資源稀缺，生態環境惡劣，水土流失嚴重，研究其侵蝕現狀對黃土高原干旱半干旱區的侵蝕規律具有一定的代表意義。目前對祖厲河流域的土壤侵蝕相關研究較為缺乏，焦金魚、貴立德［10-11］對祖厲河流域的土壤侵蝕治理模式及時空分異等進行了研究，但現有成果缺乏對祖厲河流域土壤侵蝕敏感性的評價。本研究采用較為成熟的RUSLE模型對祖厲河上游流域進行土壤侵蝕及其敏感性分析，為今后流域內土壤侵蝕預防治理提供科學依據，進一步為該地區生態環境可持續發展提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

祖厲河是黃河上游的一級支流［12］，處于黃土高原西部、甘肅省中部，為隴中黃土高原的一部分，地理位置E 104°12'～105°33'，N 35°18'～36°34′，流域 總面積10 653 km2［13］。研究區位于祖厲河上游、會寧縣南部包括會師鎮、丁家溝鎮、西鞏驛鎮、中川鎮、華家嶺鎮、新添堡回族鄉、翟家所鄉、侯家川鎮、八里灣鄉、老君坡鄉、太平店鎮和黨家峴鄉12個鄉鎮，面積為983.86 km2，氣候屬半濕潤向半干旱過渡地帶，空氣干燥，降水量少且分布不均，年平均降水量400 mm，年均氣溫6～8 ℃，土壤類型以黃綿土、灰鈣土和灰褐土為主，為生態脆弱區［14-15］。土地利用方式以耕地、草地和林地為主。地理位置見圖1。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 材料和方法

1.2.1數據來源研究采用的降水量數據來自甘肅省水文站，為研究區內及周圍紅土、中川、太平店、會寧、西鞏驛、甘溝驛、大溝、老莊、黃家灣、黨家峴和邵家溝11個雨量站點的月均降水量和年均降水量；土壤類型數據來自世界土壤數據庫（http://westdc.westgis.ac.cn/）；2019年DEM數據和Landsat8 OLI/TIR衛星遙感影像數據由地理空間數據云網站下載（http://www.gscloud.cn），分辨率為30 m；2019年土地利用現狀數據采用ENVI、eCognition、ArcGIS等技術手段對30 m分辨率的Landsat8 OLI/TIRS影像進行處理，并進行人工校核與對比得到土地利用數據，精度為95%以上。

1.2.2研究方法土壤侵蝕現狀研究 土壤侵蝕敏感性的評價方法采用RUSLE土壤侵蝕模型［16］，計算公式為：

式中：A為年土壤流失量，單位為t/（hm2·a）；R為降水侵蝕力因子，單位為MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，單位為t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；S、L為土壤所處地面的坡度與坡長；C為植被覆蓋管理因子；P為水土保持措施因子。

（1）降水侵蝕力因子（R）

本研究采用月均降水和年均降水的Ganasri B P［17］模型，公式為：

式中：R表示降水侵蝕力因子，單位為（MJ·m）/（hm2·h·a）；P表示年均降水量，單位為（mm）；Pi表示月均降水量，單位（mm）。

（2）土壤可蝕因子（K）

研究采用Williams［18］等提出的EPIC模型中的計算方法獲得K值大小，計算式如下：

式中：SAN表示土壤中砂粒量（單位：%）；SIL表示土壤中粉粒含量（單位：%）；CLA表示為土壤中粘粒含量（單位：%）；C為有機碳的含量（單位：%）；其中SN1=1-SAN/100。

（3）坡度坡長因子（LS）

坡度因子S的計算采用Desmet［19］等提出的公式：

坡長因子L的計算采用Mccool［20］等提出的公式：

式中：θ為利用DEM提取的坡度，單位為°；λ為坡長，單位為m；m為坡長指數。

（4）植被覆蓋與管理因子（C）

本研究采用蔡崇法［21］等提出的C值模型，C值在0到1之間，C值越大，代表植被覆蓋越低，土壤侵蝕越嚴重。公式為：

式中：c為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數，NDVImax和NDVImin代表研究區植被歸一化指數最大值和最小值。

（5）水土保持措施因子（P）

水土保持措施因子P表示了采用特定措施后土壤流失量與標準小區土壤流失量之間的比值，其大小決定了水土保持措施采取的強弱，通常在0到1之間［22］，1代表未采取任何水土保持措施的土地利用區域，包括坡耕地、裸地，建筑用地，0代表不會發生土壤侵蝕的土地利用區域，如水域。通過參考張富等［23］對黃土高原丘陵溝壑區第5副區典型小流域的調查研究，結合前人P值的確定方法，對會師流域梯田、灌木林地值取為0.01、林地為0.17、草地為0.3、水澆地為0.35。

1.2.3土壤侵蝕敏感性評價標準（1）土壤侵蝕敏感性評價依據

依據國家環?？偩职l布的《生態功能區劃技術暫行規程》土壤侵蝕敏感性的分級標準，結合研究區實際情況，采用自然間斷法對各土壤侵蝕因子的敏感性進行分級賦值，見表1。

表1 土壤侵蝕敏感性評價指標及分級賦值Table 1 Evaluation index of soil erosion sensitivity and classification assignment

（2）土壤侵蝕敏感性綜合評價方法

將以上各因子進行空間疊加，利用土壤侵蝕敏感性綜合指數公式進行評價，可綜合反映土壤侵蝕敏感性發生的規律，其公式為［24］：

式中：SSj指的是i空間單元土壤侵蝕敏感性指數，Ci指i因素敏感性所占等級值。

土壤侵蝕潛在危險指數（SEPDI）可對水土流失潛在危險性大小進行評價，其計算公式為［25］：

式中：M1為不敏感區面積；M2為輕度敏感區面積；M3為中度敏感區面積；M4為重度敏感區面積；M5為極度敏感區面積。SEPDI值在1到9之間，值越大表明該區域或地類水土流失潛在危險度越大。

2 結果與分析

數據在ArcGIS中通過柵格計算器，采用普通克里金插值法計算出的降水侵蝕力進行空間插值，得到研究區降雨侵蝕力大小在1 464.41～2 011.88 MJ·mm/（hm2·h·a）；土 壤 可 蝕 性 在0.224 6～0.303 7 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；坡度坡長值在0～18.44；植被覆蓋與管理因子大小在0～1之間。

2.1 土壤侵蝕現狀

參考SL190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》中的“水力侵蝕強度分級標準”，得到祖歷河上游會師流域土壤侵蝕現狀表（表2）和空間分布圖（圖2）。祖歷河上游會師流域土壤侵蝕模數為37.37 t/（km2·a），各侵蝕強度的面積從大到小依次為微度＞輕度＞中度＞強烈＞極強烈＞劇烈，年均侵蝕模數分別為184.1、1 025.29、3 414.45、6 281.63、10 331.70和39 540.50 t/（km2·a）。年 均 土 壤 侵 蝕 量 分 別 為16.54、7.29、2.93、2.11、1.86和3.08萬t/a。祖歷河上游流域土壤侵蝕強度等級為強烈及以上主要為海拔高、坡度陡，植被覆蓋度較低的區域，極易發生水土流失?？梢缘贸?，研究區土壤侵蝕強度增加，侵蝕模數變大，但面積降低，其年均土壤侵蝕量也降低。

圖2 土壤侵蝕強度空間分布Fig.2 Spatial distribution map of soil erosion intensity

表2 會師流域土壤侵蝕現狀Table 2 Current status of soil erosion in Huishi watershed

2.2 土壤侵蝕敏感性評價

2.2.1單因子土壤侵蝕敏感性評價依據土壤侵蝕敏感性評價指標，得到會師流域單因子土壤侵蝕敏感性狀況（表3）。其中，R對土壤侵蝕的敏感性主要為極敏感，面積211.72 km2，占比為21.52%；K對土壤侵蝕的敏感性以輕度和中度敏感為主，面積為796.14 km2，占比為80.91%；LS主要為不敏感，面積892.05 km2，占比90.67%；C主要為高度敏感，面積350.14 km2，占比35.59%；P以中度敏感為主，面積為797.05 km2，占比81.01%。影響土壤侵蝕敏感性的主要為R和P因子，說明降水的大小和水土保持措施的布設情況對土壤侵蝕敏感性起著主導作用。

表3 單因子土壤侵蝕敏感性評價結果表Table 3 Results of single-factor soil erosion sensitivity evaluation

2.2.2土壤侵蝕敏感性綜合評價在ArcGIS軟件中采取自然間斷法進一步對祖歷河上游會師流域的土壤侵蝕敏感性等級進行劃分，得到不敏感、低度、中度、高度和極敏感5個敏感等級（圖3），分別占總面積的27.61%、49.00%、20.75%、2.23%、0.42%，以低度敏感為主（表4）。分析可知，土壤侵蝕敏感性空間分布總體呈南部高，北部低的趨勢。敏感性較高地區主要分布在地形溝壑密度較大、坡度較陡、降雨侵蝕力較高的區域，空間分布明顯，多為未采取合理水土保持措施的草地、林地和耕地，受人為擾動面積大，發生土壤侵蝕潛在可能性高，需做好水土流失發生發展預防工作。

表4 土壤侵蝕敏感性綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of soil erosion sensitivity

圖3 土壤侵蝕敏感性空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil erosion sensitivity

土壤侵蝕潛在危險指數（SEPDI）的值為2.05，為低度敏感，與祖歷河上游會師流域土壤侵蝕敏感性統計結果一致。

2.2.3不同坡度影響下土壤侵蝕與敏感性分析坡度是影響土壤侵蝕的主要地形因素，將坡度分為0°～5°、0°～5°、0°～5°、0°～5°、＞35°5個等級，面積分別為106.34、461.60、338.83、71.28和8.50 km2。研究區不同坡度范圍內都以微度侵蝕為主，在小于5°區域，輕度及以上侵蝕面積相對較高，比例較大，5°以上范圍內輕度及以上侵蝕比例隨坡度增大而逐漸增大（圖4）。研究區在不同坡度范圍內土壤侵蝕敏感性都以微度和輕度為主，且隨著坡度上升，不敏感區比例降低，中度及以上敏感區總面積比例升高（圖5）。整體上土壤侵蝕和其敏感性狀況都隨坡度的增加而出現加劇的現象。

圖4 不同坡度土壤侵蝕強度Fig.4 Soil erosion intensity map of different slopes

圖5 不同坡度土壤侵蝕敏感性Fig.5 Soil erosion sensitivity map of different slopes

2.2.4不同土地利用影響下土壤侵蝕強度與敏感性分析研究區主要土地利用類型為耕地、草地、林地、建筑用地、水域及水利設施用地、交通運輸用地和其他用地，面積分別為616.11、162.94、118.11、27.33、6.79、19.85和6.43 km2。不同土地利用類型土壤侵蝕都以微度侵蝕為主，侵蝕程度較高的為草地、建筑用地和其他用地，輕度及以上侵蝕面積占比分別為12.15%、13.74%和13.86（圖6）。不同土地利用下土壤侵蝕敏感性都以低度敏感為主，敏感性較高的地區集中在耕地、草地、建設用地和其他用地上（圖7）。

圖6 不同土地利用類型土壤侵蝕強度Fig.6 Soil erosion intensity of different land uses

圖7 不同土地利用土壤侵蝕敏感性Fig.7 Soil erosion sensitivity of different land uses

2.2.5土壤侵蝕與敏感性關系分析土壤侵蝕敏感性對未來土壤侵蝕發生發展方向有一定影響，微度侵蝕隨著敏感性增強，面積比例呈降低趨勢，但在極敏感處有升高；輕度侵蝕隨敏感性增強呈下降趨勢；中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕隨敏感性增強總體呈現先降低，后升高趨勢，在中度敏感處發生轉折（表5）?？傮w來說，在敏感性較高的區域，土壤侵蝕強度有所升高，土壤侵蝕敏感性與土壤侵蝕有著一定的相互促進關系。

表5 會師流域土壤侵蝕狀況與土壤侵蝕敏感性情況Table 5 Soil erosion status and soil erosion sensitivity in Huishi watershed

極度敏感區面積較小，土地利用類型主要為一些未利用的土地和裸地以及一些施工場地，分布較零散，人類活動頻繁，采取水土保持措施少，土壤侵蝕的防護能力差，可制定合理的水土保持措施，控制工程施工，對土壤侵蝕敏感性高的地區進行治理。高度和中度敏感區主要土地利用類型為耕地、林地、草地和未采取合理水土保持措施的建設用地，水土保持措施以梯田為主，應以預防為主，加強區域水土保持監測，完善各項水土保持措施，采取相應的坡改梯、老舊梯田改造等工程，加強封禁治理、營造水土保持林等，提高植被覆蓋，控制水土流失發生發展。低度敏感區土壤侵蝕發生潛力較小，應加強生態建設，完善水土保持工程體系。不敏感區域則主要以預防為主。

3 討論

會師流域為祖厲河上游侵蝕監測的重要區域，本研究在RUSLE模型計算土壤侵蝕的基礎上，進一步開展了土壤侵蝕敏感性的評價，結合了人類活動的影響，分析研究區侵蝕現狀及其發生發展的潛在可能性，能對土壤侵蝕發生發展方向進行預測，可更加精準開展土壤侵蝕預防治理。

祖歷河上游會師流域在5°以上區域隨坡度的增加出現侵蝕強度加劇、侵蝕敏感性增強的現象，這與前人的研究具有一致性［26-27］，但在0°～5°土壤侵蝕輕度及以上，侵蝕敏感性低度及以上面積占比都相對較高，主要為祖歷河上游會師流域地處黃土丘陵溝壑區，5°以下區域分布相對較少，地形平坦，存在未采取有效水土保持措施的旱平地和建設用地，植被覆蓋度低，受人類活動的影響大［28］，易發生水土流失。在不同的土地利用下草地、建設用地和其它用地的土壤侵蝕強度和侵蝕敏感性都相對較高，由于這些區域多為未能有效治理的坡耕地、裸露的荒地、水流匯集地和建設用地等，土壤質地松軟，植被覆蓋程度較低，保土保肥能力較差，在降水的驅動下易沖刷引起土壤侵蝕，發生土壤侵蝕的潛在可能性大，未來需進一步做好增加植被覆蓋面積工作，優化水土保持措施，減少水土流失。

土壤侵蝕是多項因子共同作用的結果［17］，研究土壤侵蝕敏感性時基于較為成熟的RUSLE模型，但對不同影響因子敏感性的分級賦值受一定主觀因素的影響，在不同地區，氣候、地貌、植被和土壤等自然因素的差異對土壤侵蝕敏感性的影響不同，其賦值依據研究區實際情況而定，本研究參考了大量前人的分級賦值方法，結合研究區的特點，對影響土壤侵蝕敏感性的因子進行分級，使結果更具有一定的準確性。此外，在計算影響土壤侵蝕的各因子時，由于獲取因子數據的精度不同，可采取的計算公式各有差異，對所得的結果造成一定的誤差，在今后可更加深入研究，建立更加適宜于研究區土壤侵蝕的計算模型。

4 結論

本研究采用RUSLE模型，結合ArcGIS技術，定量與定性地分析了祖厲河上游流域土壤侵蝕及其敏感性狀況，研究表明：

（1）祖歷河上游會師流域土壤侵蝕主要以微度和輕度侵蝕為主，占研究區總面積的92.49%。侵蝕量占比最大的為輕度侵蝕，占總侵蝕量的31.44%。土壤侵蝕敏感性主要為低度敏感，面積為482.14 km2，占研究區總面積的49.00%，總體敏感性較低，發生土壤侵蝕的潛在可能性較小。

（2）在坡度分布上，5°以上祖歷河上游會師流域土壤侵蝕及其敏感性較高，且隨著坡度增大，土壤侵蝕加劇，在坡度25°以上區域應加大土壤侵蝕的預防和治理；在不同土地利用下，坡耕地、裸地及一些未利用地的土壤侵蝕和敏感性程度較高。

（3）祖歷河上游會師流域土壤侵蝕敏感性較高的地區，土壤侵蝕強度相對較大，可對敏感性較高地區重點監測，布設合理措施，提前做好土壤侵蝕預防，減少土壤侵蝕惡化。