典型岩溶区小流域土壤流失量估算研究
[关键词]岩溶地区; 小流域; 土地利用; 土壤流失; 估算
[摘要]为研究岩溶区小流域土壤流失状况，以桂林寨底地下河流域为研究对象，以研究区土地利用为基础，采用多元数据集成的方法，将地理信息系统、遥感技术与修正的通用土壤流失方程相结合，估算岩溶区小流域土壤流失量。结果表明，流域平均土壤侵蚀模数为515．38 t /(km2·a)，属于中度侵蚀，年均土壤流失总量为17 007．74 t，强烈及以上土壤流失面积仅占全流域总面积的10．05%，但土壤流失量却占流域土壤流失总量的79．75%。估算结果为岩溶区小流域水土流失研究和治理提供了重要的数据参考。
[作者]蔡德所 王魁 张永祥 马祖陆
[中图分类号]S157．1;P642．25 [文献标识码]A [文章编号]1000-0941(2012)03-0021-03
水土流失是我国西南岩溶区重要的环境问题之一，水土流失给当地环境带来了巨大危害，不仅造成生态的破坏，而且影响到当地社会经济的发展，致使贫困加剧。国内外学者对岩溶区的水土流失进行了多方面的研究[1]，其中以小流域为基本单元的水土流失研究取得了不少成果[2]，小流域的水土流失治理也取得了明显的效果[3]。以小流域为单元已经成为当前岩溶区水土流失研究和治理工作开展的基础。
土地利用是人类作用于岩溶环境的最主要表现形式，不合理的土地利用方式是造成岩溶区水土流失和环境退化的主要因素[4]。以小流域为单元分析土地利用格局对水土流失的影响，对于促进流域综合治理和维护土地可持续利用具有重要的意义[5]。
广西北部是我国西南岩溶区水土流失较为严重的区域之一，本研究以桂林市寨底地下河流域为研究对象，应用遥感(RS) 技术进行土地利用分类，在地理信息系统(GIS) 支持下进行多元数据的集成，结合修正的通用土壤流失方程，计算岩溶区小流域土壤流失的空间分布，以期为该区小流域水土流失研究和治理提供参考。
1 研究区概况
寨底地下河流域位于广西桂林市灵川县境内，面积约33km2，地处北回归线附近的低纬度地区，属亚热带季风气候，四季分明，受季风活动影响降雨年内分布不均，夏季湿热多雨，秋季干旱少雨，雨热基本同季，雨季为4—8 月份，其降雨量占全年降雨量的70%以上。
研究区出露地层主要为泥盆系灰岩，岩性较纯，灰岩覆盖面积占流域总面积的89．5%，主要地貌类型为峰丛洼地，属典型的岩溶区; 流域地下分水岭与地表分水岭基本一致[6]，流域内有总长约5 km的地上河，通过落水洞、漏斗等岩溶结构与地下河联通，基本集中于寨底地下河出口处排泄。研究区为传统的农业区，土地利用方式以农田和果园为主，中西部区域石漠化现象比较严重。
2 土壤流失量计算
2．1 计算方法及数据来源
采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE) 进行土壤流失量计算。RUSLE 是在通用土壤流失方程(USLE) 基础上经补充完善而得到的，其表达式为
A = R·K·LS·C·P
式中: A 为年均土壤侵蚀模数，t /(km2·a) ; R 为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(km2·h·a) ; LS 为地形(坡长坡度) 因子，无量纲; K 为土壤可蚀性因子，t ·km2·h /(MJ·mm·km2 ) ; C 为植被覆盖与管理因子，无量纲; P 为水土保持措施因子，无量纲。
基于RUSLE 模型，针对其5 个因子收集研究区的相关资料: 降雨资料通过研究区内2 个气象自动观测站获取; 土地利用数据通过高精度影像(WorldView-1 影像，分辨率为0．5 m)解译获得; 地形资料通过研究区1∶1 万地形图获得; NDVI(归一化植被指数) 以SPOT5 影像为基础获取。
2．2 RUSLE 各因子值的确定
2．2．1 R 值的确定
周伏建等人基于Wischmeier 提出的EI30算法，提出了基于月降雨量的R 值简易算法[7]，较为适合我国南方地区，本研究即选用该算法估算研究区的R 值。由于研究区面积不大，可认为流域内降雨没有显著差异，因此选用2009 年流域内2 个气象观测站记录的日、月降雨量的平均值计算R 值，计算结果为R =485 000 MJ·mm/(km2·h·a) 。
2．2．2 K 值的确定
根据土地利用现状的分类标准(GB/T 21010—2007)，在ENVI4．8软件中，对研究区2009 年的WorldView-1 遥感影像进行解译，各类土地面积统计结果如表1 所示。
表1 寨底地下河流域土地利用分类统计
根据土地利用类型及分布，在研究区内进行集中采样，每种土地利用类型采集8 ～ 10 个土壤样品在实验室内进行土壤粒径分析，利用Wischmeier 模型计算K 值[8]，计算结果见表2。
其中: 工矿用地土壤流失最为严重，可认为此地类土壤可蚀性最大，经换算后K 值为0．131 7 t·km2·h /(MJ·mm·km2 ) ;交通用地土壤可蚀性赋值为工矿用地的一半，经过换算后K 值为0．065 9 t·km2·h /(MJ·mm·km2 ) ; 住宅用地和水域不发生土壤流失，K 值为0。
表2 研究区土壤可蚀性因子K 值
2．2．3 LS 值的确定
LS 因子反映地形对水土流失的影响，在RUSLE 方程中L和S 可以单独计算也可以合在一起计算。本研究利用研究区1∶1万数字化等高线图，在ArcGIS 软件中生成DEM，以此为基础在ArcGIS 软件中生成坡度栅格数据，采用Burch 等人提出的像元坡段思路[9]，采用参考文献[9-10]中的方法，计算出研究区5 m×5 m像元的L、S 值和L、S 图层，分别见图1 和图2。
2．2．4 C值的确定
C 因子反映了植被覆盖和经营管理措施对水土流失的影响，但是覆盖和管理因素无法独立评估，二者的综合作用往往受到许多交互作用的显著影响[8]。RUSLE 中C 值是某种状态下种植作物地块上的土壤流失量与对应的清耕、连续休闲地块土壤流失量的比值，结合于嵘等人[11-12]的研究成果，利用NDVI和植被覆盖率之间的关系对C 因子进行估算。首先利用研究区2009 年的SPOT5 影像计算出NDVI，进而求出植被覆盖率，在此基础上计算得出C 值，具体计算公式见参考文献[11-12]。
2．2．5 P 值的确定
P 因子指的是某种水保措施下的土壤流失量与对应的顺坡耕作条件下土壤流失量的比值。目前对P 值的估算多以土地利用类型为基础，很少采用专门的水土保持措施，因此本研究中P 值参照美国农业部手册703 号和相关的文献[11]进行率定，结果见表3。
表3 研究区水土保持措施因子P 值
3 土壤流失量计算结果及讨论
3．1 土壤流失量计算结果
在ArcGIS 中将各因子转化为栅格图进行计算，可得到研究区基于土地利用的年均土壤侵蚀量图，根据《岩溶地区水土流失综合治理技术标准》(SL 461—2009)，将寨底地下河流域土壤侵蚀强度划分为6 个等级，得到研究区土壤侵蚀强度分级图(图略) 。
统计结果表明，寨底地下河流域年均土壤流失总量为17 007．74 t，年均侵蚀模数为515．38 t /(km2·a) ; 按照《岩溶地区水土流失综合治理技术标准》划分，寨底地下河流域土壤侵蚀强度属于中度，其年均土壤侵蚀模数约为岩溶区容许土壤流失量50 t /(km2·a) 的10 倍。
3．2 讨论
3．2．1 土壤流失分级统计
对研究区土壤侵蚀按侵蚀级别和土壤流失量进行统计，其结果见表4。其中，强烈、极强烈和剧烈侵蚀面积之和虽只占流域总面积的10．05%，但土壤流失量却占总流失量的79. 75%，由此可见岩溶区强烈以上侵蚀造成的土壤流失对环境的影响。
因此，在水土保持工作中，应针对这些区域的特性采取专门的措施，加强对该区生态环境的保护工作。
表4 研究区土壤流失统计结果
3．2．2 不足
在研究区土壤流失估算中，直接采用了前人的研究成果，这在研究方法上并不十分严谨，有些应用问题需要进一步商榷。同时，个别数值是在参考文献的基础上进行拟定的，如工矿区的土壤可蚀性因子计算，研究中直接赋予最大值，这会导致计算结果与实际监测结果有一定的偏差，但对于岩溶区小流域土壤流失量估算仍具有一定的参考意义。
[参考文献]
[1]王魁，马祖陆，蔡德所，等．我国岩溶地区水土流失研究进展及发展趋势[J]．中国水土保持， 2011(9) : 30-32， 41．
[2]付丛生，陈建耀，曾松青，等．国内外实验小流域水科学研究综述[J]．地理科学进展， 2011， 30(3) : 259-267．
[3]倪含斌，张丽萍，倪含辉．基于GIS 的小流域水土流失综合治理研究进展[J]．水土保持研究，2006，13 (2) : 66-68，77．
[4]张鲁，周跃，张丽彤．国内外土地利用与土壤侵蚀关系的研究现状与展望[J]．水土保持研究， 2008， 15(3) : 43-48．[5]赵文武，傅伯杰，陈利顶，等．黄土丘陵沟壑区集水区尺度
土地利用格局变化的水土流失效应[J]．生态学报，2004，24(7) : 1358-1364．
[6] 易连兴，夏日元，唐建生，等．地下水连通介质结构分析———以寨底地下河系统实验基地示踪试验为例[J]．工程勘察， 2010(11) : 38-41．
[7] 周伏建，陈明华，林福兴，等．福建省降雨侵蚀力指标R 值[J]．水土保持学报， 1995，9(1) : 13-18．
[8]Wischmeier W H，Smith D D．Predicting Rainfall Erosion Losses: A Guide to Consevation Planning，Agriculture Handbook No．537[M]．Washington，D C: U．S．Department of Agriculture，1978: 17-28．
[9]Burch G J，Moore I D．Physical basis of the length-slope factor in the universal soil loss equation[J]．Soil Science Society of America， 1986， 50(5) : 1294-1298．
[10]黄金良，洪华生，张珞平，等．基于GIS 和USLE 的九龙江流域土壤侵蚀量预测研究[J]．水土保持学报，2004，18(5) : 75-79．
[11]蔡崇法，丁树文，史志华，等．应用USLE 模型与地理信息系统IDRISI 预测小流域土壤侵蚀量的研究[J]．水土保持学报， 2000， 14(2) : 19-24．
[12]于嵘，亢庆，张增祥，等．USLE/RUSLE 模型中植被覆盖因子多光谱影像计算[J]．遥感信息， 2006(1) : 12-16．
[作者简介]蔡德所(1952—)，男，湖北武汉市人，教授，博导，主要从事光纤传感监测与生态修复技术的研究及应用工作。
