基于rusle的涼山土壤侵蝕空間分布特征研究

基于rusle的涼山土壤侵蝕空間分布特征研究

水土流失的成功管理取決于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，對于不同程度的土地，防治的重點(diǎn)是不同。金沙江下游地區(qū)是長江上游水土流失最嚴(yán)重區(qū)域,多年平均輸沙模數(shù)2060t/(km2·a),為金沙江和長江上游流域平均輸沙模數(shù)的4倍。四川省涼山彝族自治州(以下簡稱涼山州)90%以上的土地位于金沙江下游流域,也是我國水土流失極為嚴(yán)重的地區(qū)之一。據(jù)全國第二次土壤侵蝕遙感調(diào)查顯示,涼山州水土流失面積達(dá)2.97×104km2,占幅員面積的49%,水土流失面積比例比全國平均值(37%)高出12個(gè)百分點(diǎn),比四川省平均值(31%)高出18個(gè)百分點(diǎn)。涼山州幅員面積大,各小流域自然條件千差萬別,加之經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),給水土流失治理帶來了很大的困難。為此,定量地分析區(qū)域土壤侵蝕及其空間分布特征,對合理利用土地資源和采取相應(yīng)措施開展退化土地治理具有重要意義。修正通用土壤侵蝕方程(RevisedUniversalSoilLossEquation,RUSLE)是目前應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?此模型考察因素全面,能夠很好的反映一個(gè)地區(qū)的土壤侵蝕狀況;若與地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS)技術(shù)相結(jié)合,更能反映土壤侵蝕的空間分布。RUSLE涉及降雨侵蝕力(R)、坡長因子(L)、坡度因子(S)、土壤可蝕性因子(K)、植被覆蓋因子(C)和水土保持措施因子(P)等6個(gè)因子。降雨侵蝕力因子被定義為總降雨動(dòng)能E與最大30min降雨量(I30)的乘積(R=E*I30)。R因子準(zhǔn)確取值對RUSLE合理估算起著重要作用。因R值計(jì)算需要連續(xù)性降雨強(qiáng)度、降雨量、雨滴動(dòng)能等數(shù)據(jù)難以獲得,特別是山區(qū),資料缺乏尤為嚴(yán)重,因此國內(nèi)外學(xué)者一般嘗試采用易獲得的降雨數(shù)據(jù)來估算。目前,R值簡易估算方法使用的降雨量數(shù)據(jù)主要為日雨量、逐年或多年平均的月雨量和年雨量等,數(shù)學(xué)形式主要有冪次函數(shù)、一次線性函數(shù)、二次線性函數(shù)、三次線性函數(shù)等。而不同計(jì)算方法得到的結(jié)果差異明顯。近年來隨著日雨量整編資料的日趨完善化,降雨侵蝕力簡易算法的研究開始從年雨量和月雨量轉(zhuǎn)向日雨量。章文波等采用中國66個(gè)氣象站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù),提出了根據(jù)日雨量計(jì)算月降雨侵蝕力的方法,此方法與P*I10(P為日降水量,I10為該日最大10min降雨強(qiáng)度)進(jìn)行回歸分析得到,而P*I10本身也是一種簡易計(jì)算方法,并沒有和E*I30值進(jìn)行比較,故此方法的準(zhǔn)確性還有待檢驗(yàn)。Yu和Rosewell通過對澳大利亞南部、新南威爾士州及熱帶地區(qū)的降雨侵蝕力的研究,得出了能夠反映降雨侵蝕力時(shí)間和季節(jié)分布的日降雨計(jì)算模型,但此模型需要參數(shù)多,對參數(shù)的選擇也是一個(gè)難題。Loureiro等和Shamshad等利用rain10和days10這兩個(gè)參數(shù)分別對葡萄牙阿爾加維地區(qū)和馬來西亞檳城島進(jìn)行了回歸分析,也得到了很好的結(jié)果。為了能夠反映降雨侵蝕力的長期特征,需要對至少20a的降雨系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,但這些模型建立時(shí),使用資料年限往往少于20a。另外,由于降雨侵蝕力的簡易算法均屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?且每一個(gè)地區(qū)的氣候都有它的唯一性,那么不同的地區(qū)需要對其進(jìn)行不同的考慮。上述三種采用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法中,以rain10和days10模型結(jié)構(gòu)最為簡單,且便于統(tǒng)計(jì)分析。本文擬采用年均rain10和days10這兩個(gè)參數(shù)建立我國西南地區(qū)年均降雨侵蝕力簡易計(jì)算模型。進(jìn)而利用GIS,根據(jù)RUSLE的計(jì)算結(jié)果,分析涼山州土壤侵蝕的空間分布特征,以期為涼山州以及類似地區(qū)的水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。1氣候、地貌條件涼山州位于四川省西南部、金沙江下游,介于100.1°~103.9°E、26.0°~29.3°N間,是我國西南云、貴、川三省接壤地帶“金三角”的腹心區(qū)域。全州幅員面積60115km2,位于青藏高原向四川盆地的過渡地帶,地勢西北高,東南低,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地表起伏大,高差懸殊,海拔最高為木里縣恰朗多吉峰5958m,最低處雷波縣大巖洞金沙江谷底僅305m;境內(nèi)以山地、高原為主,占全州幅員面積90%以上。涼山州屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫10.1~19.3℃,日溫差大,年溫差小,立體氣候明顯。州內(nèi)雨量充沛,但地區(qū)分布不均且干濕季分明,干熱河谷地帶年均降雨僅600~800mm,隨著海拔的升高,年均降雨量逐漸增大,州北部最大降水中心年降水量高達(dá)2200mm。冬半年少雨干暖,夏半年云雨較多,氣候涼爽,雨季降水量占年降水量的90%以上。州內(nèi)土壤類型繁多,據(jù)統(tǒng)計(jì)有黃壤、紅壤、水稻土等共21種,大多土壤厚度不足100cm,而旱地土壤厚度多在50cm左右,土層淺薄。2010年全州常住人口453萬,其中農(nóng)村人口占72.48%,是一個(gè)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的地區(qū)。土地利用以林地、草地和耕地為主,耕地又以坡耕地為主,坡耕地占全州耕地的2/3。2數(shù)據(jù)收集和分析2.1dem模型及數(shù)據(jù)根據(jù)研究需要,收集了涼山州土壤、地形、降雨和土地利用等相關(guān)資料。降雨數(shù)據(jù)為我國西南地區(qū)19個(gè)氣象站1956—1984年逐日降水量和涼山州內(nèi)及周邊18個(gè)氣象站1971—2010年逐日降水量。涼山州數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)采用等高距為20m的等高線生成60m×60m的柵格數(shù)據(jù),然后經(jīng)填洼處理得到。另外,采用了中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所編制的涼山州2000年1∶20萬土地利用圖;土壤圖由四川省1∶100萬土壤分布圖經(jīng)掃描矢量化后獲得;土壤屬性數(shù)據(jù)來自于四川土種志和涼山州土種志,且采用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)將土壤質(zhì)地分類由前蘇聯(lián)卡慶斯基分類制轉(zhuǎn)換為美國農(nóng)業(yè)部分類制。2.2土壤侵蝕模數(shù)通用土壤侵蝕的方程的基本形式表達(dá)如下M=R×K×L×S×C×P(1)式中M為土壤侵蝕模數(shù)[t/(hm2·a)];R為降雨侵蝕力[MJ·mm/(hm2·hr·a)];K為土壤可蝕性值[t·hm2·hr/(hm2·MJ·mm)];L為坡長因子,S為坡度因子,C為植被覆蓋因子,P為水土保持措施因子,均無量綱。2.2.1壤可蝕性因子土壤可蝕性因子(K)為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕力引起的土壤流失率。目前土壤可蝕性因子多采用1995年Williams等在EPIC模型中提出的K因子估算方法計(jì)算式中Sn=1-Sd/100;Sd、Si、Ci分別為土壤砂粒、粉砂和粘粒含量(%);C為土壤有機(jī)碳含量(%);0.1317為單位換算系數(shù)。2.2.2坡度法在實(shí)際工作中,一般將坡度因子與坡長因子結(jié)合起來,作為一個(gè)復(fù)合因子(即地形因子LS),較單因子計(jì)算更方便,計(jì)算公式如下式中S為坡度(°),L為坡長(m)。其中坡長L在ArcInfo軟件中采用非累積流量法計(jì)算。此方程建立在坡度為5~45°的地區(qū)。通過對涼山州DEM的分析與統(tǒng)計(jì),全州坡度介于5~45°的區(qū)域占91.7%,因而此方程適用于涼山州。2.2.3土地利用c值植被覆蓋度因子反映植被覆蓋和田間管理措施對土壤侵蝕的影響,與土壤侵蝕量成反比,對土壤侵蝕具抑制作用,其值介于0~1。本文中借鑒前人的研究結(jié)果,并結(jié)合實(shí)際情況,給定了不同土地利用的C值(表1)。水土保持措施因子是指在特定水土保持措施的土壤流失與起伏地耕作的相應(yīng)土壤流失之比。對于復(fù)雜地區(qū),可以根據(jù)前人的研究結(jié)果,結(jié)合研究區(qū)的水土保持措施進(jìn)行人為賦值(表2)。2.3顯著回歸關(guān)系數(shù)王萬忠等計(jì)算的全國大部分地區(qū)1956—1984年間年均降雨侵蝕力適用性較廣,且被眾多學(xué)者引用。本文引用了其中西南地區(qū)19個(gè)氣象站年均降雨侵蝕力作為我國西南地區(qū)年均降雨侵蝕力的實(shí)際值(以下簡稱R值),并利用逐日降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到了這19個(gè)氣象站1956—1984年的年均rain10和days10參數(shù),隨后建立了R值與rain10和days10之間的線性和非線性回歸關(guān)系。最后,選擇其中的最佳回歸方程來計(jì)算涼山州及周邊18個(gè)氣象站1971—2010年的年均降雨侵蝕力,以此增加年均降雨侵蝕力的空間分布密度,提高空間插值精度。回歸關(guān)系式如下式中rain10為月降雨量≥10mm的年均降雨(mm),days10為日降雨量≥10mm的年均天數(shù)。通過相關(guān)系數(shù)(R2)、顯著性檢驗(yàn)(F-test),均方根誤差(RMSE)和相對誤差(Re)對回歸方程進(jìn)行了評價(jià)(表3)。R值與rain10和days10的線性和非線性回歸都通過了0.001的顯著性檢驗(yàn),且相關(guān)系數(shù)均>0.9,說明R值與rain10和days10具顯著相關(guān)性。我國西南地區(qū)的年均降雨侵蝕力大多在3000MJ·mm/(hm2·hr·a)以上,而本文計(jì)算得到的RMSE值約400MJ·mm/(hm2·hr·a),占年均降雨侵蝕力的13%左右,說明式(4)和式(5)都具有較高的精確性;從Re可以看出式(4)的計(jì)算結(jié)果總體沒有偏差,而式(5)的計(jì)算結(jié)果總體略偏小。上述結(jié)果表明無論是線性還是非線性的回歸方程,R值都與rain10呈正相關(guān),而與days10呈負(fù)相關(guān)。也就是說,全年日降水≥10mm的日數(shù)愈小,而全年日降水≥10mm的累計(jì)降雨量越大,則降雨侵蝕力R越大。式(4)比式(5)不僅檢驗(yàn)結(jié)果有優(yōu)勢,且二元一次方程結(jié)構(gòu)簡單,也能給數(shù)據(jù)的計(jì)算帶來方便。因此,本文采用式(4)計(jì)算涼山州年均降雨侵蝕力。對降水而言,距離權(quán)重反比法(IDW)估值精度高于其他插值方法。所以,在ArcGIS中采用IDW對R值進(jìn)行插值運(yùn)算,獲取涼山州年均降雨侵蝕力分布圖。3結(jié)果與討論3.1水土流失概況及年際變化情況按照土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)(SL190_2007),將涼山州土壤侵蝕程度分為6級,并分別統(tǒng)計(jì)了每個(gè)土壤侵蝕等級的平均土壤侵蝕模數(shù)、土壤侵蝕量、土壤侵蝕面積百分比和土壤侵蝕量百分比。涼山州西北部的理塘河中、下游流域及雅礱江中游地區(qū)雖然山高坡陡,但高蓋度的林地、草地面積比例高,且該區(qū)域人口密度小,人類活動(dòng)給環(huán)境帶來的影響不大,因此水土流失并不嚴(yán)重。位于中部的安寧河谷底部侵蝕強(qiáng)度低,這是由于安寧河谷為一個(gè)寬谷,底部地勢平坦,不易造成大面積水土流失;但其左岸支流孫水河流域及西昌以下的干旱河谷區(qū)域土壤侵蝕非常嚴(yán)重,導(dǎo)致安寧河干流的輸沙模數(shù)仍然很大,根據(jù)《涼山州主要河流泥沙變化趨勢及治理對策研究》報(bào)告,與孫水河匯流前,安寧河多年平均輸沙模數(shù)為590t/km2,而匯流后安寧河干流多年平均輸沙模型達(dá)1010t/km2,越往下河流含沙量越大。涼山州東部和南部侵蝕較強(qiáng),特別是金沙江干流沿岸、雅礱江下游、黑水河和美姑河等流域侵蝕最為嚴(yán)重,這些區(qū)域坡度陡峭,坡耕地分布廣,人口壓力大,人地矛盾突出,且自然植被的覆蓋度也較低,因此極易造成水土流失(圖1)?？傮w上,涼山州57%的區(qū)域?qū)儆谳p度及輕度以上侵蝕類型(表4)。雖然劇烈侵蝕類型面積僅占區(qū)域總面積的7%,但其年均土壤侵蝕量占了全州總土壤侵蝕量的46%,涼山州80%以上的土壤侵蝕量來自強(qiáng)烈及強(qiáng)烈以上侵蝕類型。3.2微度侵蝕類型及面積根據(jù)涼山州的地形特征,將坡度分成了0°~6°、6°~15°、15°~25°、25°~35°、35°~45°和>45°等6個(gè)等級。然后分別統(tǒng)計(jì)了每個(gè)坡度等級的土壤侵蝕強(qiáng)度分布及其土壤侵蝕量所占涼山州土壤侵蝕總量的比例(表5)。坡度0~6°的區(qū)域由于地勢平坦,土壤侵蝕以微度侵蝕為主,占該區(qū)域的82%,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,理論上該區(qū)域不存在強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕類型。6°~15°、15°~25°、25°~35°三個(gè)坡度等級侵蝕分布較一致,微度侵蝕類型超過40%,輕度侵蝕占20%左右,中度侵蝕占10%左右,但強(qiáng)烈及強(qiáng)烈以上侵蝕隨著坡度的增加而增多,土壤侵蝕量也隨坡度的增加而增大,坡度15°~25°比6°~15°區(qū)域面積增加不到一倍,而土壤侵蝕量增加了2倍多;坡度為15°~25°與25°~35°區(qū)域面積相差不大,但后者土壤侵蝕量明顯增大。35°~45°和>45°的區(qū)域,以輕度土壤侵蝕為主,其次是微度侵蝕,強(qiáng)烈及強(qiáng)烈以上土壤侵蝕面積比例進(jìn)一步增多?？偟膩碚f,坡度越大,土壤侵蝕越嚴(yán)重。坡度<6°區(qū)域的土壤侵蝕明顯比6°~15°的土壤侵蝕輕,一個(gè)原因是坡度緩,另一個(gè)重要的原因就是坡度<6°區(qū)域中水域和建筑用地等幾乎不存在土壤侵蝕的土地利用類型占的比例較多。6°~35°區(qū)域坡度較陡,經(jīng)統(tǒng)計(jì)該區(qū)域約16%的土地為旱地,受人類活動(dòng)影響較大,因此土壤侵蝕較為嚴(yán)重,35°以上區(qū)域雖然人類活動(dòng)減弱,與6°~35°區(qū)域相比,旱地比例減少為了6%,但由于坡度非常陡,因此土壤侵蝕仍很嚴(yán)重。涼山州坡度>6°的區(qū)域占93.6%,坡度陡峭是造成涼山州水土流失的重要因素之一。3.3草地土壤侵蝕在不同土地利用類型中,工礦用地及裸土的土壤侵蝕最嚴(yán)重,90%都為劇烈侵蝕,由于面積僅占全州土地面積的0.02%,對土壤侵蝕量的貢獻(xiàn)小(表6)。涼山州大部分旱地土壤厚度不足50cm,土壤結(jié)構(gòu)不良,土體松散,且雨季地面覆蓋度小,雨水對地表沖刷強(qiáng)烈,因而旱地土壤侵蝕十分嚴(yán)重,其中強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕比例分別占11%和26%,劇烈侵蝕更高達(dá)43%。同時(shí)旱地分布廣泛,涼山州50%以上的土壤侵蝕量都來自旱地,是造成涼山州水土流失的主要土地利用類型。低蓋度草地、跡地或經(jīng)濟(jì)林地侵蝕也較嚴(yán)重,其次為疏林地和中蓋度草地,有林地和高蓋度草地土壤侵蝕最輕。高蓋度草地雖然面積比中蓋度草地多,但由于植被覆蓋度的提高,土壤侵蝕量明顯減少,同樣,有林地的面積約為疏林地的兩倍,但土壤侵蝕量百分比反而低了很多。涼山州85%的土壤侵蝕量都來自于旱地和植被覆蓋度不高的中蓋度草地及疏林地,因此旱地的退耕還林(草)工程及坡耕地改造和提高林草地的植被覆蓋度是改善水土流失狀況的關(guān)鍵。3.4土壤侵蝕模數(shù)分布為了更深入地了解土地利用和坡度對土壤侵蝕分布的影響,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了涼山州旱地、中蓋度草地、高蓋度草地、疏林地、灌木林地和有林地分別在0°~6°、6°~15°、15°~25°、25°~35°、35°~45°和>45°等6個(gè)坡度等級下的土壤侵蝕狀況(圖2)。中蓋度草地和疏林地的侵蝕較嚴(yán)重,從25°開始,出現(xiàn)了劇烈的土壤侵蝕;灌木林地以輕度和中度侵蝕為主;有林地和高蓋度草地侵蝕最輕,以微度侵蝕為主,隨著坡度的增大,部分有林地和高蓋度草地也出現(xiàn)了輕度侵蝕。涼山州旱地土壤侵蝕最為嚴(yán)重,旱地除了坡度為0°~6°區(qū)域主要為微度和輕度侵蝕外,其他坡度等級的土壤侵蝕大部分為強(qiáng)烈及強(qiáng)烈以上侵蝕,25°以上幾乎全部為劇烈侵蝕。旱地坡度從0°~6°增加到6°~15°后,平均侵蝕模數(shù)增加近4倍,并且隨著坡度的增加,土壤侵蝕模數(shù)顯著增大;>6°的坡耕地土壤侵蝕量占旱地土壤侵蝕量的99%,>25°的陡坡耕地占旱地面積比例不到30%,而土壤侵蝕量占旱地土壤侵蝕量的一半(表7)。坡耕地造成了涼山州嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象,若將6°~25°間的旱地通過坡改梯,使其坡度低于6°,那么這部分土地的土壤侵蝕將以微度和輕度為主;同時(shí),>25°的旱地實(shí)施退耕還林還草,植被經(jīng)中蓋度草地和疏林地逐漸過渡到高蓋度草地和有