RUSLE为USLE的改进型, 相比于USLE具有更广的应用范围及更高的精度。其基本形式为

A=R· K· LS· C· P(1)

式中, A为土壤侵蚀量(t· hm^-2· a^-1); R为降雨侵蚀力因子(MJ· mm· hm^-2· h^-1· a^-1); K为土壤可侵蚀性因子(t· hm²· h· MJ^-1· mm^-1· hm^-2); LS为坡长、坡度因子(无量纲); C为覆盖与管理因子(无量纲); P为水土保持措施因子(无量纲)。

应用RUSLE的关键是确定方程各因子指标值, 应用GIS和RUSLE模型预测水土流失的关键也是各因子图的生成。

2.2.1 降雨侵蚀力因子计算

降雨侵蚀力因子R是一项评价降雨引起土壤分离和搬运的动力指标, 反映了降雨对土壤侵蚀的潜在能力。土壤本身有一定的抗蚀能力, 只有当降雨的雨速、雨量达到一定等级时, 才能造成土壤侵蚀。汛期降雨是影响土壤侵蚀的最重要的气候因子, 它所造成的土壤侵蚀往往占其年土壤侵蚀量的90%以上。因此, 本研究用汛期降雨量作为计算R的基础。由于缺乏雨量站的详细降雨资料, 这里采用Wischmeier提出的直接利用多年各月平均降雨量推求R值的经验公式^[7], 即

R=∑i=1121.735×101.5×lgPi2P-0.818(2)

式中, P_i为汛期各月平均降雨量(mm); P为年降雨量(mm)。本研究收集到了研究区及其周边12个雨量站自1986~2000年的月平均降水数据, 气象站的分布如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 宣化县周边雨量站分布Fig.1 Distribution of rain gauge station around Xuanhua county

利用研究区12个雨量站的多年月平均降水数据, 基于式(2)得到每个雨量站的多年平均降雨侵蚀力因子R, 采用Kriging插值法进行空间内插, 得到研究区降雨侵蚀力的空间分布图(图2)。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 宣化县降雨侵蚀力因子分布Fig.2 Distribution of Rainfall erosivity index of Xuanhua county

从图2可以看出, 研究区西南部降雨量较小, 东北部降雨量较大, 整体降雨分布受地区分布影响。研究区汛期R值范围是81.4~143.4, 平均值为102.69。

2.2.2 土壤可蚀性因子估算

土壤可蚀性因子(K)定义为单位降雨侵蚀力在标准区上所造成的土壤流失量, 反映了其他影响侵蚀的因子不变时, 不同类型土壤所具有的不同的侵蚀速度。对研究区典型土壤类型进行了土壤理化属性测量, 测量内容包括土壤结构、有机质等信息, 共测量土壤样本185个。基于所获取的土壤剖面数据, 采用EPIC模型中的土壤可蚀性计算方法计算研究区不同土壤类型的土壤可蚀性^[8], 即

K={0.2+0.3exp[0.0256SAN(1-SIL/100)]}SILCLA+SIL0.31.0-AB0.25CC+exp(3.72-2.95C)1.0-0.7SN1SN1+exp(-5.51+22.9SN1(3)

式中, SAN、SIL及CLA分别为土壤中沙粒、粉粒及粘粒含量; C为土壤有机碳含量(%); SN1=1-SAN/100。

以上K值单位为美制单位(t· acre· h· 100^-1acre^-1· ft^-1· tonf^-1· in^-1), 即: 吨· 英· 亩· 小时· 每百英亩· 英尺· 吨力· 英寸, 但国际上通常用公制单位t· hm²· h· MJ^-1· mm^-1· hm^-2, 美制乘以0.1317即可换算为公制单位。宣化县典型土壤类型的土壤可蚀性K值如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 宣化县典型土壤类型K值 Tab.1 K value of typical soil type in Xuanhua county (t· hm2· h· MJ-1· mm-1· hm-2) 土种名称 K 土种名称 K 薄层暗实状褐土性土 0.321 7 黄土状栗钙土 0.220 5 薄层暗实状棕壤性土 0.386 3 黄土状淋溶褐土 0.398 1 薄层粗散状褐土性土 0.491 6 黄土状石灰性褐土 0.406 1 中层粗散状栗钙土 0.278 4 砾石层壤质潮土 0.337 1 薄层粗散状棕壤性土 0.510 2 砾石层砂壤质洪冲积栗褐土 0.225 3 薄层灰质褐土性土 0.254 8 砾石层砂壤质洪冲积石灰性褐土 0.377 0 薄腐厚层暗实状淋溶褐土 0.250 8 砾石层粘壤质洪冲积暗栗钙土 0.383 5 薄腐厚层粗散状淋溶褐土 0.415 1 砾石层粘壤质洪冲积栗钙土 0.329 7 薄腐厚层灰质淋溶褐土 0.251 1 砾石层粘壤质洪冲积潮褐土 0.594 5 薄腐中层暗实状淋溶褐土 0.199 7 厚层暗实状石灰性褐土 0.172 2 薄腐中层暗实状棕壤 0.207 5 轻壤质洪积冲积物褐土性土 0.190 9 厚腐中层粗散状暗栗钙土 0.333 8 壤质潮土 0.426 7 薄腐中层粗散状淋溶褐土 0.214 2 砂壤质洪冲积石灰性褐土 0.285 2 薄腐中层粗散状棕壤 0.309 3 砂质洪冲积褐土性土 0.448 7 薄腐中层硅质淋溶褐土 0.269 2 酸性石质土 0.236 4 薄腐中层灰质淋溶褐土 0.401 6 基质岩类褐土性粗骨土 0.401 1 薄层灰质棕壤性土 0.624 0 粘壤质洪冲积潮褐土 0.140 0 薄腐中层泥质淋溶褐土 0.258 4 粘壤质洪冲积栗褐土 0.414 4 薄腐中层泥质棕壤 0.184 1 粘壤质洪冲积石灰性褐土 0.288 1 钙质石质土 0.155 4 粘壤质黄土状栗褐土 0.500 2 钙质岩类棕壤性粗骨土 0.352 1 粘壤质洪冲积石灰性褐土 0.288 1 厚层粗散状栗钙土 0.444 7 厚层粗散状栗褐土 0.440 4 厚腐厚层暗实状暗栗钙土 0.401 1 中腐厚层暗实状棕壤 0.332 5 厚腐中层粗散状暗栗钙土 0.333 8 中腐厚层粗散状棕壤 0.323 4 厚腐中层暗实状山地草甸土 0.130 6 中腐厚层灰质棕壤 0.438 4 黄土状暗栗钙土 0.382 9 中性石质土 0.283 1

表1 宣化县典型土壤类型K值 Tab.1 K value of typical soil type in Xuanhua county (t· hm2· h· MJ-1· mm-1· hm-2)

最后, 根据研究区1:10万土壤类型图得到整个研究区的土壤可蚀性因子分布图(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 宣化县土壤可蚀性因子分布图Fig.3 Distribution of soil erodibility factor

可以看出, 宣化县K值范围为0~0.09, 平均值为0.046 1。厚腐中层暗实状山地草甸土、粘壤质洪冲击潮褐土等K值较小, 不易发生土壤侵蚀, 薄层灰质棕壤性土、砾石层粘壤质洪冲积潮褐土等K值较大, 较易发生土壤侵蚀。

2.2.3 地形因子

地形地貌特征对土壤侵蚀的影响集中表现在坡长与坡度两方面, 因此, 一般用坡长(L)与坡度(S)因子估算地形因素对土壤侵蚀的影响, 二者是降雨侵蚀动力的加速因子。坡长因子是在其他条件相同的情况下, 特定坡长的坡地土壤流失量与标准径流小区坡长的坡地土壤流失量之比值; 坡度因子则是在其他条件相同的情况下, 特定坡度的坡地土壤流失量与标准径流小区坡度的坡地土壤流失量之比值。本研究利用Moore and Burch ^[9]提出的方法进行LS因子的计算, 即

LS=(FA· CS/22.13)^0.4(sin Slope/0.089 6)^1.3(4)

式中, FA为流水累积; CS为像元大小; Slope为坡度。利用研究区1:5万DEM, 在ArcGIS扩展模块ARC Hydro的支持下提取研究区的流水累计信息, 坡度则直接利用ArcGIS的空间分析模块进行提取, 计算得到整个研究区的LS值, 如图4所示。进行分析可以看出, 宣化县的LS值范围为0~73.4, 平均值为4.801。

图4

Fig.4

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	图4 宣化县坡长坡度因子分布Fig.4 Distribution of LS factor

2.2.4 植被覆盖与水土保持措施因子

植被覆盖因子(C)是指在一定条件下有植被覆盖或实施田间管理的坡地土壤流失量与同等条件下实施清耕的连续休闲地土壤流失量的比值。它是侵蚀动力的抑制因子, 起着保持水土的作用。欧洲土壤局在做欧洲土壤侵蚀评价中根据D.E.Jone提出以NDVI指数形式计算USLE_C值, 这是在大区域尺度上利用粗分辨率遥感植被指数NDVI资料计算C值最有效、最实用的方法^{[10, 11]}, 即

C=exp(-α·NDVIβ-NDVI)(5)

式中, α 、β 为决定NDVI_C曲线形状的参数, α =2、 β =1被认为是合理的。根据Landsat TM遥感影像, 计算得到宣化县NDVI, 从而计算得到宣化县植被覆盖因子, 如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 宣化县植被覆盖因子分布Fig.5 Distribution of vegetation cover factor

由于实验区选择的特殊性, 整个县在一景Landsat TM遥感影像上, 从而不需要考虑影像的时相性。

水土保持措施因子P是采取水保措施后, 土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值^[12]。目前, 径流地区土壤侵蚀的P因子值一般通过试验观测确定, 而在流域土壤侵蚀研究中, 则难以通过实测方法确定相关参数值, 并由于土地利用/土地覆被能够基本反映植被覆盖率的高低与水土保持措施的差异, 往往采用依据土地利用类型赋值的方法确定P值。本研究参考蔡崇法等人^[13]的研究结果, 并结合当地土地利用及农事活动情况, 确定2000年的宣化县不同土地利用类型的P值(表2)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 不同土地利用类型P值 Tab.2 P value of different landuse type 土地利用类型 P 水田 0.01 旱地 0.40 林地 1.00 疏林地 1.00 其他林地 0.70 灌草地 1.00 水域 0.00 城镇居民点 0.00 裸岩 0.00

表2 不同土地利用类型P值 Tab.2 P value of different landuse type

宣化县2000年土地利用通过对覆盖宣化县的Landsat TM遥感影像监督分类得到, 经验证分类的精度可达90%以上。最后, 将相应的P值赋给宣化县的土地利用, 得到水土保持措施因子分布图, 如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 宣化县水保措施因子分布Fig.6 Distribution of water and soil conservation factor

在ArcGIS空间分析模块的支持下, 将各因子图层相乘得到宣化县土壤侵蚀量。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分级标准》(SL190-96), 结合试验区的土壤侵蚀量实际分布特征, 确定土壤侵蚀强度分级标准, 将同一侵蚀强度的像元归并, 形成土壤侵蚀强度等级分布图。

基于RUSLE的宣化县2000年土壤侵蚀现状如图7所示。

从图7可以看出, 宣化县土壤侵蚀以微度、轻度、中度为主, 土壤侵蚀严重地区主要分布在宣化县西北部的山区, 是土壤侵蚀防治的重点区域。不同级别土壤侵蚀面积、土壤侵蚀量统计信息如表3所示。

图7

Fig.7

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	图7 宣化县土壤侵蚀分布Fig.7 Distribution of soil erosion

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 2000年宣化县土壤侵蚀强度等级及侵蚀程度比例对比 Tab.3 Level of soil erosion intensity and erosion of the extent of the proportion of comparative 侵蚀模数 /(t· hm-2· a-1) 侵蚀程度 面积/km2 面积比重/% 侵蚀模数平均值 /(t· hm-2· a-1) 土壤侵蚀量 /(104t· a-1) 土壤侵蚀量 比重/% [0~10) 微度侵蚀 1 520.69 60.74 3.34 50.79 15.78 [10~25) 轻度侵蚀 575.07 22.97 16.25 93.45 29.02 [25~50) 中度侵蚀 303.39 12.12 34.77 105.49 32.76 [50~100) 强度侵蚀 96.30 3.85 64.47 62.08 19.28 [100~200) 极强度侵蚀 7.90 0.32 123.08 9.72 3.02 ≥ 200 剧烈侵蚀 0.19 0.01 228.91 0.43 0.14

表3 2000年宣化县土壤侵蚀强度等级及侵蚀程度比例对比 Tab.3 Level of soil erosion intensity and erosion of the extent of the proportion of comparative

可以看出, 宣化县2000年土壤侵蚀 (侵蚀程度大于轻度侵蚀)面积为982.85 km², 占总面积的39.25%, 其中轻度土壤侵蚀等级占侵蚀总面积58.51%, 中度土壤侵蚀等级占侵蚀总面积30.87%, 强度、极强度、剧烈土壤侵蚀等级面积占10.62%。宣化县平均土壤侵蚀模数为13.92 t· hm^-2· a^-1, 属于轻度侵蚀。土壤侵蚀量总量为321.97× 10⁴ t· a^-1, 其中以轻度和微度所占比例最大, 可达44.80%, 微度侵蚀与强度侵蚀所占比例接近, 分别为15.78%与19.28%, 极强度侵蚀虽然土壤侵蚀模数较高, 但是面积很小, 所占比例仅为0.32%。因此轻度、中度土壤侵蚀是宣化县的重点侵蚀级别, 其整治、治理对宣化县土壤侵蚀总量的缩减具有重要意义。

坡度直接影响径流的冲刷能力, 是控制土壤侵蚀发生的重要因子。为分析宣化县不同坡度的土壤侵蚀情况, 本研究将宣化县坡度分为6级, 分别为[0° ~6° ), [6° ~15° ), [15° ~25° ), [25° ~35° ), [35° ~45° ), [45° ~90° ], 然后与土壤侵蚀进行叠置分析, 得到不同坡度带土壤侵蚀分布情况(表4)。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 坡度和土壤侵蚀的面积比例关系 Tab.4 Ratio relationship of slope and soil erosion area 坡度带/° 微度侵蚀 面积/km2 微度侵蚀 比例/% 轻度侵蚀 面积/km2 轻度侵蚀 比例/% 中度侵蚀 面积/km2 中度侵蚀 比例/% 强度侵蚀 面积/km2 强度侵蚀 比例/% 极强度侵 蚀面积/km2 极强度侵 蚀比例/% 剧烈侵蚀 面积/km2 剧烈侵蚀 比例/% [0~6) 994.94 65.46 85.86 14.94 27.76 9.15 6.48 6.73 0.36 5.08 0.01 5.26 [6~15) 323.08 21.26 204.96 35.66 89.78 29.61 22.53 23.41 1.21 17.07 0.01 5.26 [15~25) 141.81 9.33 179.97 31.31 108.89 35.91 36.34 37.76 2.37 33.43 0.04 21.05 [25~35) 45.80 3.01 78.08 13.59 56.34 18.58 22.22 23.09 2.19 30.89 0.05 26.32 [35~45) 12.54 0.83 22.46 3.91 17.56 5.79 7.36 7.65 0.79 11.14 0.08 42.11 [45~90] 1.81 0.12 3.41 0.59 2.90 0.96 1.32 1.37 0.17 2.40 0.00 0.00

表4 坡度和土壤侵蚀的面积比例关系 Tab.4 Ratio relationship of slope and soil erosion area

从表4可以看出, 随坡度的增加, 强度侵蚀及极强度侵蚀面积所占比例递增, 这表明了坡度对极强度侵蚀及剧烈侵蚀的发生起着直接作用, 坡度越大, 越有可能发生极强度及剧烈侵蚀。从整体来看, [15° ~25° )是侵蚀比例最大的坡度带, 因此治理宣化县严重土壤侵蚀的重点应放在这一坡度带, 对极强度以上侵蚀应重点放在坡度较大地区。对于强度及以下土壤侵蚀等级来说, 在[0° ~25° )带, 随坡度增加侵蚀比例增加; 在[25° ~90° ]带, 随坡度增加侵蚀比例减少, 其原因是宣化整体地势平坦, [25° ~90° ]的地面面积比例小, 坡度大地区起关键作用的可能是降水、土地利用等因子。

将土壤侵蚀强度图层与土地利用图层进行叠置分析, 获取宣化县不同土地利用类型的水土流失信息(表5)。

表5

Tab.5

表5(Tab.5)

表5 不同土地利用类型的土壤侵蚀程度分布情况 Tab.5 Distribution of different land usetypes of soil erosion(km2) 土地利用类型 土壤侵蚀程度 微度 轻度 中度 强度 极强度 剧烈 水田 115.13 00 0 00 0000 0000 旱地 873.96 117.32 0024.95 004.89 0.35 0.10 林地 009.04 019.22 0009.21 02.1 0.14 0000 疏林地 011.55 017.55 0008.93 002.84 0.20 0000 灌木林地、草 地及其他林 地(果园、茶园) 375.20 422.31 262.7 87.1 6.44 0.19 水域、居民 及裸岩 126.93 00 0 00 0000 0000

表5 不同土地利用类型的土壤侵蚀程度分布情况 Tab.5 Distribution of different land usetypes of soil erosion(km2)

从表5可以看出, 不同土地利用类型的水土流失差异较大, 水土流失主要发生于灌草地和旱地这两类, 水土流失面积占宣化县2000年总水土流失面积的93.897%。其中灌草地的水土流失面积最大, 可达778.74 km², 强度以上水土流失面积占整个宣化县强度以上水土流失面积的89.82%; 其次是旱地, 水土流失较为严重。除灌草地、旱地两者之外, 疏林地的水土流失面积略多, 其他土地利用类型则很少。所以, 灌草地和旱地应是防治水土流失重点关注的土地利用类型^[14]。