基于RULSE 方程的承德市土壤侵蚀空间分布研究

史璐瑶

（河北省承德水文勘测研究中心，河北 承德067000）

北方土石山区域面积达75.4万km2， 其中有12.8万km2遭受水土流失，是我国水力土壤侵蚀典型区之一［1］。 该地区为农牧交错带、干旱与半干旱过渡区，人为活动强烈、地表覆被程度较低，加之夏季暴雨集中，极易产生水土流失。近40年来区域实施了“三北”防护林建设、退耕还林还草工程，使得生态环境有一定恢复，土壤侵蚀程度得到有效遏制［2-3］。 在区域尺度上定量估算土壤侵蚀量与解析其空间分布特征是促进水土保持治理的关键。 本研究拟以多源环境数据为基础， 定量揭示承德市土壤侵蚀模数及其强度分布，以期为区域国土资源管理提供参考依据。

1 研究区概况

承德市地处我国华北平原向内蒙古高原过渡带，属于农牧交错区，地理坐标为北纬40°12′～42°37′E，东经115°54′～119°15′E，区域面积3.97万km2。 该市地势自北向南倾斜，依次是燕山山地、海河平原，海拔介于200～2118m，地势相差较大。 区域为温带大陆性季风气候，四季分明、雨热同期，夏季降水量集中，多年平均降水量539mm，气温9 ℃。 该市土壤侵蚀类型有风力、水力、冻融侵蚀3种，其中风力侵蚀主要分布在西北部裸露土石山区， 冻融侵蚀以北部山地区为主，水力侵蚀则广泛分布。

2 RULSE原理与研究数据

2.1 RULSE模型原理

通用土壤流失方程 （RUSLE） 是美国学者Wischmeier［3］于20世纪60年代通过试验总结而提出，且经国内外学者校正后而广泛应用于估算土壤模数的经验模型。 该模型综合考虑了土壤侵蚀发生的动力来源、受体防护、土壤性质、地形等侵蚀环境因子，将土壤侵蚀量描述如下［4-5］：

式中 A为年侵蚀模数 （t·km-2a-1）；R为降雨侵蚀动力因子（MJ·mm/（hm2·h·a）），计算如式（2）；K为土壤可蚀性因子（t·hm2·h/（hm2·MJ·mm））；计算如式（3）；LS为坡长及坡度因子，计算如式（4）～（5）；C为植被覆盖和作物管理因子；P为水土保持措施因子，林地、草地为1，旱地0.4，果园0.7，城镇道路为0，未利用地为1。

式中 Pi为月平均降雨量（mm），P为年平均降雨量（mm），i=1，2…12；SAN、SIL、GLA分别为砂粒、粉砂、黏粒含量百分比；C为有机质含量百分比；SN=1-SAN/100。

2.2 数据来源与处理

基于RULSE方程，选取对侵蚀发育敏感的环境因子作为侵蚀程度预测模型的输入变量。 具体数据如下：

表1 土壤侵蚀敏感性环境因子数据集

使用ENVI 5.5处理landsat8 OLI影像，经辐射定标、地形校正后提取植被指数。 其他图件资料和栅格化数据通过ArcGIS10.6平台进行空间处理计算。将上述环境因子统一坐标、分辨率（30m），利用栅格计算器与重分类工具进行土壤侵蚀建模与侵蚀强度分级［5］。

3 结果与分析

3.1 承德市RULSE各因子空间分布

提取RULSE各因子是估算土壤侵蚀模数的关键。 图1为基于遥感和GIS技术的承德市土壤侵蚀环境因子空间分布图。

图1 承德市RULSE各因子空间分布

如图1所示， 研究区降雨侵蚀力介于1390～2465（MJ·mm/（hm2·h·a））之间，平均值为1865（MJ·mm/（hm2·h·a）），呈现自南向北减少分布，这与区域降雨量分布特征一致。C因子（图1（a））值介于0.34～1.00之间，北部土石山区植被生长状况较差，因而C因子为低值，东南大部分地区为园地、耕地、建设用地，该地C 不能反映真实的植被管理状况，因而该地C因子可能被高估。 P因子（图1（b））空间分布与C因子分布相逆，具有相似空间特征，其值介于0.12～1.00。S因子（图1（c））呈斑块状分布，与L因子格局近似。 K因子（图1（f））值域为0.16～0.83，空间分布受DEM、河流影响。

3.2 承德市土壤侵蚀分布特征分析

图3为承德市土壤侵蚀模数空间分级。 统计表明，研究区平均土壤侵蚀模数为2438.69t/（km2·a），表明该地土壤侵蚀相对较轻， 土壤侵蚀总量0.68 亿t/a。从空间上看，该市土壤侵蚀强度斑块呈块状分布，其中，微度侵蚀等级以班状、带状分布，在河流上游或沟谷皆有分布； 强度和极强度呈斑点状离散无序分布，这种分布特征主要由人为活动干扰导致。 轻度、中度侵蚀斑块呈面状连续性分布。统计显示，各侵蚀强度斑块分布面积依次占： 微度 （20.24%）＞轻度（50.71%）＞中度 （26.07%）＞强度 （2.15%）＞极强（0.83%），以轻度侵蚀为主。

图2 承德市土壤侵蚀空间分布

3.3 不同土地利用下土壤侵蚀分布特征分析

承德市用地类型中区以建设用地（城乡建设地、道路、工矿用地）面积最大，占全市总面积的47.21%，其次是园地，达23.00%；植被用地（林地、草地）呈离散分布，占18.85%；耕地面积较少，仅为6.34%，其他用地面积为3.08%。 表1统计了不同土地利用类型下土壤侵蚀强度分布情况。可知，建设用地是区域土壤侵蚀发生的主要用地类型，侵蚀程度以微度、轻度、中度占优，分布面积分别为3791，4888，1960km2。 经实地调查发现，由于承德市土地资源开发强度大、人为活动影响强烈， 许多待建设开发用地地表覆被程度低、水保措施不全，从而易受侵蚀，而其中已建成的建设用地由于地表固结而不易侵蚀。 林草地由于较好的植被条件减弱降雨侵蚀力， 因此大部分地区以微度、轻度侵蚀为主，面积达3791，4888km2。 园地和耕地是区域主要生态农业用地， 这两种用地类型中强度及其以上的侵蚀面积达249km2， 占该地类面积的6.49%，这是不容忽视的。

表1 不同土地利用类型土壤侵蚀强度面积分布单位：km2

3.4 不同坡度条件下土壤侵蚀分布特征分析

利用ArcGIS平台的Zonal histogram工具将土壤侵蚀强度图与坡度分级图进行叠加统计， 得到不同坡度条件下侵蚀模数分布，结果如表2。 各坡度条件下 侵 蚀 面 积 分 布 依 次 为2°～5°（38.44%）＞0°～2°（28.08%）＞5°～8°（23.00%）＞8°～10°（8.85%）＞10°～17°（1.62%）。 该市大部分地区地形平坦， 陡坡分布较少，缓平地区的土壤侵蚀面积分布最广泛。 其中0°～2°地带以轻度侵蚀为主， 约5756km2， 占该坡度面积的52.66%。 2°～5°的坡度带中， 轻度侵蚀面积达7785km2， 其 次 是 微 度、 中 度 侵 蚀， 分 别 达3032，2388km2。 其他坡度条件下也以轻度侵蚀分布面积最多。 从侵蚀强度来看，微度、轻度乃至及强度侵蚀，均大部分集中于2°～5°的地带，因此该坡度带是区域水土保持治理的主要区域。

表2 不同坡度条件下土壤侵蚀强度面积分布单位：km2

4 结语

本文基于多源环境数据，在遥感与GIS技术支持下，利用RULSE 方程估算了承德市土壤侵蚀空间分布。 结论如下：承德市土壤总量为0.68亿t/a，平均土壤侵蚀模数为2438.69t/（km2·a）， 土壤侵蚀强度呈斑块状分布，以轻度、中度、微度侵蚀为主，强度以上侵蚀面积占10.79%。 在不同坡度带上，2°～5°是该市侵蚀发生面积最大的坡度带， 是区域水土流失治理重点区。在各土地利用类型中，侵蚀面积最大的建设用地， 众多建设用地地类中未采取有效的植被覆盖管理，加上人为活动破坏地表，导致易于产生侵蚀。