基于USLE模型的大小凉山地区土壤侵蚀定量研究

胡云华, 刘斌涛, 宋春风, 贺秀斌

(1.四川省第三测绘工程院, 四川 成都 610500; 2.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所, 四川 成都 610041)



基于USLE模型的大小凉山地区土壤侵蚀定量研究

胡云华1, 刘斌涛2, 宋春风2, 贺秀斌2

(1.四川省第三测绘工程院, 四川 成都 610500; 2.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所, 四川 成都 610041)

[目的] 对四川省凉山地区土壤水力侵蚀状况进行定量研究，为该区水土流失调查提供数据支持。 [方法] 利用四川省地理国情普查数据，基于对USLE模型的本土化研究成果进行分析和研究。 [结果] 凉山彝族自治州平均土壤侵蚀模数为1 207.67 t/(km2·a)，土壤侵蚀面积为15 221 km2，占该区土地总面积的25.19%。从空间分布上看其中金沙江沿岸是凉山彝族自治州土壤侵蚀最为严重的地区，其次是安宁河流域和黑水河流域。 [结论] 凉山州目前水土流失面积较大，水土流失治理的形势依然严峻。

大小凉山地区; USLE; 土壤侵蚀

文献参数： 胡云华, 刘斌涛, 宋春风, 等.基于USLE模型的大小凉山地区土壤侵蚀定量研究[J].水土保持通报，2016,36(4)：232-235.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.041

大小凉山地区由于植被破坏，暴雨集中等特点，成为中国水土流失特别严重的地区之一[1-2]，《四川省国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中明确要求要加强大小凉山水土保持及生物多样性重点生态功能区建设。水土流失和生态环境修复问题是大小凉山地区生态环境建设的重中之重，但由于凉山州幅员面积较大，大部分地区属于经济欠发达，水土流失长期缺乏监测资料，相关的水土流失研究工作也开展的很少[3-5]。为全面掌握四川省地理国情现状，服务经济社会发展和生态文明建设，四川省于2013年启动第一次地理国情普查项目。本研究充分利用四川省地理国情普查成果，以凉山彝族自治州为研究区，在通用水土流失方程的基础上，建立凉山州水土流失模型，为当地水土流失调查提供数据支持，也为基于地理国情数据开展水土流失监测提供理论支持。

1　研究区概况

凉山彝族自治州位于四川省西南部，幅员面积6.04×104km2，境内以山地地貌为主，多为高山和中山，约占幅员面积的70%，山原次之，其余的山间谷地等不到总面积的10%。地势西北高，东南低，起伏巨大，地势最高点位于海拔5 958 m的木里县恰朗多吉峰，最低点位于雷波县大岩洞金沙江谷底305 m，相对高差达5 653 m。全区大部位于金沙江下游，该地区是中国水土流失极为严重的地区之一，当地输沙模数为金沙江和长江上游流域平均输沙模数的4倍[6]。

2　数据来源与研究方法

2.1数据来源

研究区1∶5万DEM数据为2000国家大地坐标系，空间分辨率25 m，1985国家高程基准，高斯—克吕格投影，6°分带，数据成图时间为2013年。2014年地表覆盖分类数据基于融合后的凉山州2014年Landsat 8影像遥感解译获得，属于“四川省地理省情监测”数据成果，空间分辨率15 m，包含了耕地、林地、草地、水域湿地、建设用地及未利用地等6大地表覆盖类型。凉山彝族自治州1∶100万土壤类型图来源于南京土壤所制作的全国1∶100万土壤类型图。凉山彝族自治州内及其周边17国家气象站1981—2014年逐日气象观测数据，数据主要用于凉山彝族自治州地区降雨侵蚀力的计算。

2.2土壤侵蚀模型

目前，土壤侵蚀的评价模型主要是基于通用土壤流失方程(USLE模型)衍生模型及其基于土壤侵蚀过程的物理模型，通用土壤流失方程是美国研制的用于农地和草地坡面多年平均土壤流失量的经验型模型，该模型所依据的资料丰富，涉及区域广，形式简单，因而具有较强的实用性，并在世界范围内得到推广[7-8]。USLE模型在我国也已经取得广泛的应用，由于中国西南地区的地理特殊性，刘斌涛等人对USLE模型的本土化进行了大量研究[9-11]。

本研究借助于凉山彝族自治州及周边的相关研究成果和实测资料，基于刘斌涛等的研究成果[9-11]，得到凉山彝族自治州土壤流失方程：

A=M·R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A——年土壤流失量〔t/(km2·a)〕；M——修正因子，无量纲单位；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；C——植被覆盖因子；P——水土保持措施因子；L，S，C，P均为无量纲单位。

2.2.1降雨侵蚀力因子R降雨侵蚀力因子是降雨导致土壤侵蚀发生的潜在能力。采用第一次全国水利普查水土保持专项普查使用的降雨侵蚀力估算方程，根据1981—2014年的逐日降水量资料，剔除日雨量小于12 mm的非侵蚀性降雨后，计算各气象站多年平均月降雨侵蚀力并进行空间插值。此降雨侵蚀力估算方程由章文波等[12]提出的降雨侵蚀力估算模型改进而来，适用于我国的西南地区(图1)。

(2)

(3)

α=21.239β-7.3967

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Rk——第k个月的降雨侵蚀力〔MJ·mm/(hm2·h)〕； N——计算数据序列长度； M——第i年第k个月侵蚀性降雨的次数； Pdikj——第i年第k个月第j次侵蚀性降雨量(mm)，取日降雨量≥12mm作为侵蚀性降雨； α，β——模型参数，通过公式以上估算； Pd0——侵蚀性降雨的多年平均值(mm)； R——多年平均降雨侵蚀力〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕。

图1　凉山彝族自治州多年平均降雨侵蚀力分布

2.2.2土壤可蚀性因子K土壤可蚀性是反映土壤对降雨渗透能力及其对降雨和径流剥蚀、搬运敏感程度的一个重要指标，是影响土壤流失的内在重要因素，K值的大小与土壤质地有较高的相关性。K值的求法主要有：直接测定、诺谟图法、公式法。直接测定法可信度高但成本高。诺谟图法需要的参数较多，而且有些参数的准确获取相当困难；公式法简单方便，本研究采用被广泛用来进行K值计算的Williams等在EPIC[13]模型中的估算方法计算土壤可蚀性K值。

(8)

式中：Sa——粒径0.05～2 mm沙粒的百分含量(%)；Si——粒径0.002～0.05 mm粉砂的百分含量(%)；Ci——粒径<0.002 mm黏粒的百分含量(%)；C——有机碳的百分含量(%)。

Sn=1-Sa/100

(9)

由于国外土壤可蚀性实测值与中国实测值之间存在明显的差异，由EPIC模型计算的值通常要比实际的值偏大，因此国外关于土壤可蚀性估算的研究成果不能直接在我国使用。本研究采用张科利[14]实测研究成果(图2)，修正的土壤可蚀性计算公式为：

Krejst=0.515 7Kepic-0.013 8

(R2=0.613，P=0.106)

(10)

图2　凉山彝族自治州土壤可蚀性分布

2.2.3坡长坡度因子LS主要采用了杨子生等[15]根据云南昭通的实测资料发展和修正而来的模型计算坡长，其计算公式为：

(11)

式中：λ——坡长(m)；λ直接利用ArcGIS水文分析功能计算可得。

(12)

S因子，在坡度θ<10°的情况下，通用土壤流失方程的算法在在凉山彝族自治州也仍然可用。刘宝元[16]根据黄土高原绥德/安塞和天水试验站的观测资料建模，修正了10°以上坡度因子的计算方法，S=21.91 sin(θ)-0.96。但西南地区地形地貌有异于黄土高原，25°以上坡耕地广泛存在。刘斌涛[9]基于西南土石山区典型区域的径流小区资料，提出了10°～25°范围和大于25°范围的S因子修正公式，本研究基于其研究成果，建立凉山州坡度因子S的计算公式(图3)。

(13)

式中：S——坡度因子；θ——坡度。

图3　凉山彝族自治州坡长坡度因子分布

2.2.4地表覆盖因子C与水土保持措施因子P本研究基于区域相似性，根据四川、重庆、云南地区已有的基础种植植被类型C值的研究[17-19]结合野外调查单元水土保持措施资料(包括种植制度，植被盖度、作物种类、土地利用)，确定凉山州各地表覆盖类型C值经验值(表1)。参考刘斌涛等[8]西南土石山区不同利用方式水平梯田P值研究成果，西南土石山区水田的P值为0.01，水旱轮作田的P值为0.052 8，凉山州水旱轮作比例较高，因此区水田P值为0.052 8，旱地水土保持措施因子P为0.136 2，园地P值为0.103 5。林地、草地、人工堆掘地、荒漠与裸露地表、水面无水土保持措施，P值取1，硬化地表房屋建筑用地和构筑物P值取0，部分硬化地表交通设施用地P值取0.2(图4)。

图4　凉山彝族自治州地表覆盖和水土保持措施因子分布

编码地表覆盖类型CP0110水田0.10.05280120旱地0.450.13620200园地0.450.10350310乔木林0.021.000320灌木林0.051.000330其他林地0.101.000420沼泽草甸0.081.000430人工草地0.081.000440其他草地0.081.000500房屋建筑用地0.100.000600交通设施用地0.200.200700构筑物0.200.000800人工堆掘地1.001.000900荒漠与裸露地表1.001.001010水面0.001.00

2.2.5土壤侵蚀评价分级研究参照《土壤侵蚀分类分级标准(SL190-2007)》将研究区土壤侵蚀进行分级：<500 t/(km2·a)为微度侵蚀；500～2 500 t/(km2·a)为轻度侵蚀；2 500～5 000 t/(km2·a)为中度侵蚀；5 000～8 000 t/(km2·a)为强度侵蚀；8 000～15 000 t/(km2·a)为极强度侵蚀；≥15 000 t/(km2·a)为剧烈侵蚀。

3　结果与分析

3.1凉山彝族自治州水土流失强度

调查结果表明，凉山彝族自治州平均土壤侵蚀模数为1 207.67 t/(km2·a)，平均已达到轻度侵蚀级别；在复杂地形条件下，凉山彝族自治州土壤侵蚀的潜在可能性很高，是土壤侵蚀的极度敏感区。凉山彝族自治州土壤侵蚀面积为15 221.15 km2，占土地总面积的25.19%，其中轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀的面积分别为：5 537，4 997，2 336，1 614和737 km2，分别占土地总面积的9.16%，8.27%，3.87%，2.67%，1.22%。当前凉山州水土流失面积较大，水土流失治理的形势依然严峻。

3.2凉山彝族自治州土壤侵蚀空间分布

表2列出了凉山彝族自治州各县(市)的土壤侵蚀强度等级面积数据。从表中可以看出，凉山彝族自治州各县(市)中金阳县的土壤侵蚀情况最为严重，其土壤侵蚀面积比例46.53%；其次为普格县、美姑县、布拖县、甘洛县、昭觉县，土壤侵蚀面积占全县国土面积的比例都在35%以上。水土流失面积最大的地区是盐源县，其次依次是会理县、美姑县和昭觉县，水土流失面积都在1 000 km2以上。

图5为凉山彝族自治州土壤侵蚀强度的空间分布格局。从图5可以看出，金沙江沿岸(雷波、金阳、布拖、宁南、会东、会理)是凉山彝族自治州土壤侵蚀较为强烈的地区。同时，由于该地区也是金沙江下游重力侵蚀最为严重的地区之一[6]，在未来的治理过程中，应结合地质灾害防治特点，推广相应的坡面治理工程、沟道治理工程和泥石流滩地综合利用等治理工程，有效防治水土流失。安宁河流域(喜德、冕宁、西昌、德昌)和黑水河流域(普格、宁南)，土壤侵蚀强度基本在轻度以上，地势相对较缓，但农业生产发达，坡耕地广泛分布，在未来治理过程中，应重视坡面防护及坡耕地水土保持。安宁河谷和盐源盆地虽然耕地面积大，但由于地势平坦，农业生产条件好，土壤侵蚀强度较低。凉山彝族自治州西部的木里和冕宁县西部由于森林覆盖度高，土壤侵蚀强度较低，该地区水土流失治理应以生态环境保护为主，尽量减少人类活动对地表的扰动。

图5　凉山彝族自治州土壤侵蚀现状图

行政区划行政面积/km2水蚀面积/km2水蚀面积比例/%各级土壤侵蚀面积/km2轻度中度强烈极强烈剧烈西昌市265590333.9929127617310657木里县132539327.033033448995101盐源县8407169320.1372852425312364德昌县228453723.50137204765664会理县4522161635.7345645735730343会东县322489027.592892832009621宁南县166755733.40217177108478普格县190583643.8924021421313237布拖县168564338.1828421394448金阳县158673846.532572713611857昭觉县2699102237.8728035218512778喜德县220573233.211722711289665冕宁县442285719.3951822285266越西县225771631.72268304784521甘洛县215682038.06329301896537美姑县2573108842.2744233413311464雷波县293264221.8932625038198合计604321522125.195537499723361614737

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Soil Erosion Estimation in Liangshan Mountain Areas of Sichuan Province Based on USLE Model

HU Yunhua1, LIU Bintao2, SONG Chunfeng2, HE Xiubin2

(1.TheThirdSurveyingandMappingEngineeringInstituteinSichuanProvince,Chengdu，Sichuan610500,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China)

[Objective] The quantitative study of soil hydraulic erosion in Liangshan area of Sichuan Province was conducted to provide data support for the investigation of soil erosion in this area. [Methods] Data of geographic conditions in Sichuan Province were obtained from previous provincial investigation and then processed based on the localization research of USLE model. [Results] Annual average amount of soil erosion in Liangshan Region is 1 207.67 t/(km2·a). Soil erosion area is 15 221 km2, accounting for 25.19% of this area. Area around Jinsha River is the most serious soil erosion areas, followed by Anning River basin and Heishui River basin. [Conclusion] Soil erosion area is still large, and the situation of soil erosion is still grim in this place.

Liangshan mountain areas of Sichuan Province; USLE; soil erosion

2015-08-31

2015-11-03

四川省地理国情监测工程技术研究中心开放基金项目“基于多源遥感影像数据的大小凉山地区森林资源动态监测”(GC201507); 2014年度地理空间信息工程国家测绘地理信息局重点实验室开放基金项目(201419)

胡云华(1988—),男(汉族),四川省自贡市人,硕士研究生,助理工程师,主要从事地理信息系统与水土保持方面的研究工作。E-mail:huyunhua1@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0232-05

S157.1