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摘 要：汾河上游属黄河中游土壤侵蚀嚴重区，为了给汾河上游水土流失防治、生态治理和土地合理利用提供科技与数据支撑，基于2018年土地利用数据，借助修正的通用土壤流失方程和地理信息系统、遥感技术，计算汾河上游土壤侵蚀模数，并对其空间分布情况进行分析，结果表明：汾河上游最大土壤侵蚀模数为48 117.10 t/（km2·a），平均侵蚀模数为2 781.74 t/（km2·a），侵蚀强度等级比较高的区域主要分布在东北部和西南部;不同土地利用类型的土壤侵蚀强度差异较大，土壤侵蚀主要发生在海拔高、坡度大、植被覆盖度低的有林地、人工及其他草地和耕地，这三者的潜在土壤侵蚀量较大，采矿用地、未利用地、其他林地、园地平均侵蚀模数也较大，应加强土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜绝乱砍滥伐、不合理矿山开采等，尽可能减少人为土壤侵蚀;随着海拔的上升土壤侵蚀强度先急剧增大后缓慢减小，1 200～2 000 m是土壤侵蚀主要海拔段;土壤侵蚀模数随着坡度的增大而增大，8°～35°坡度范围是流域土壤侵蚀的严重区域和水土流失治理的重点区域。
关键词：土壤侵蚀;通用土壤流失方程;土地利用类型;汾河上游
中图分类号：S157.1;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.015
Abstract：The upstream of the Fenhe River is a serious soil erosion area in the middle reaches of the Yellow River. In order to provide scientific and data support for soil erosion control， ecological management and rational land use in the upstream of the Fenhe River， based on the 2018 land use data， with the help of the revised general soil loss equation and geographic information system， remote sensing technology， the paper calculated the soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River and analyzed its spatial distribution. The results show that the maximum soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River is 48 117.1 t/（km2·a）， the average erosion modulus is 2 781.74 t/（km2·a） and the areas with higher erosion intensity are mainly distributed in the northeast and southwest; soil erosion of different land use types are quite different and soil erosion mainly occurs in woodland， artificial grassland and cultivated land areas with high altitudes， large slopes and low vegetation coverage， the potential soil erosion is relatively larger. The average erosion modulus of mining land， unused land， other woodland and garden land is also relatively larger. Land use control should be strengthened and grassland， woodland and cultivated land should be used rationally， put an end to deforestation， unreasonable mining， et al. and reduce man-made soil erosion as much as possible; with the increase in altitude， the intensity of soil erosion firstly increases sharply and then slowly decreases. 1200-2000 m is the main altitude section of soil erosion; the modulus of soil erosion increases with the increase of slope. The slope of 8°-35° is the serious area of soil erosion in the watershed and the key area of soil erosion control.
Key words： soil erosion; general soil loss equation; land use type; upstream of Fenhe River
土壤侵蚀属于全球性生态环境问题，受气候变化的驱动[1]。黄河流域是中国乃至世界上水土流失最严重区域，截至2018年，黄土高原仍有21.37万km2的水土流失面积需要治理[2]。土壤侵蚀和水土流失，不仅造成土壤退化、农业减产、滑坡泥石流灾害等，而且导致河道泥沙淤积，影响人类的生产生活甚至生命财产安全、破坏动植物的生存环境[3-4]。汾河上游属黄河中游土壤侵蚀严重区，关于汾河土壤侵蚀的研究已有不少成果，主要集中于土壤侵蚀时空变化、不同时期土壤侵蚀强度及面积分布等方面[5-8]。当前，以具有适用范围广、全面考虑土壤侵蚀过程的影响因子、计算简单且精度较高等优点的通用土壤流失方程USLE为典型代表的土壤侵蚀预报模型，已成为国内外流域土壤侵蚀风险评估的有效手段[9-10]，如：Mengesha等[11]采用RUSLE、GIS和RS技术对尼罗河上游德姆贝查地区的土壤侵蚀进行了评价，根据土壤侵蚀严重程度提出了水土保持措施优先级;Prasannakumar等[12]利用RUSLE和GIS生成空间侵蚀图，作为制定环境敏感山区土地规划的有效输入;文雅等[13]采用USLE估算了广东省山区的土壤侵蚀量;胡刚等[14]基于RUSLE，对卧虎山水库流域土壤侵蚀进行了全面分析;马力等[15]基于USLE原理和3S技术对1997—2015年南京市水土流失进行了定量监测，建立了水土流失监测方法。本研究以汾河上游为研究区，采用GIS、RS技术和RUSLE，定量分析汾河上游土壤侵蚀特征，以期为汾河上游水土流失防治、生态治理和土地合理利用提供科技与数据支撑。 1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
汾河上游地形地貌以山地丘陵为主，流域面积3 884.56 km2，属于温带大陆性季风气候区，年均降水量427.6 mm，降雨主要集中在6—9月，雨热同期，植被具有从森林草原向干旱草原过渡的特点，土壤以褐土和浅色草甸土为主。汾河上游是“京津冀生态协同圈”的重要组成部分，也是华北平原生态屏障和山西省重要的水源涵养区，在国家生态安全格局中具有重要的地位。但是，汾河上游流域地形破碎，沟壑纵横，煤炭开采、林木采伐等生产活动破坏地表植被，使得汾河上游流域成为土壤侵蚀严重区域。
1.2 数据来源及处理
本研究使用数据及来源：2018年汾河上游30 m分辨率DEM数据，来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn）;1981—2010年宁武、静乐2个气象站月均年均降水数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn），2011—2018年降水数据源自这2个气象站;2018年汾河上游30 m分辨率landsat8遥感影像数据，来源于地理空间数据云;2018年汾河上游土地利用现状调查数据，来源于忻州市政府;土壤颗粒级配（砂粒、粉粒、黏粒含量）和有机碳含量数据，来源于世界土壤数据库中国土壤数据集（Harmonized World Soil Database version 1.1，HWSD）。将所有数据统一重采样为30 m分辨率，以便于进行土壤侵蚀模数的计算。
1.3 研究方法
2 结果与分析
2.1 流域土壤侵蚀强度
按照上述方法逐网格计算2018年汾河上游单位面积土壤流失量，按照《土壤侵蚀分类分级标准》[25]对土壤侵蚀强度进行分级，利用GIS生成汾河上游土壤侵蚀强度分布图（见图1），可以看出，土壤侵蚀强度较高的区域主要集中在东北部、西南部及河流两岸的山地丘陵，而西北管涔山和中部汾河沟谷地区土壤侵蚀强度较低。
汾河上游最大侵蚀模数达48 117.10 t/（km2·a），平均侵蚀模数为2 781.74 t/（km2·a）。由表2可知，汾河上游流域微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别为1 583.46、939.07、548.40、372.48、370.21、70.94 km2，分别占流域面积的40.76%、24.17%、14.12%、9.59%、9.53%、1.83%，其中中度及以上土壤侵蚀面积1 362.03 km2、占总面积的35.07%，表明汾河上游流域土壤侵蚀以中度以下为主。上述结果与王晓慧等[26-27]对中阳县土壤侵蚀定量评价结果基本一致。
2.2 不同土地利用类型的土壤侵蚀强度差异
利用GIS和土地利用现状图，统计不同土地利用类型的土壤侵蚀参数，见表3。由表3可以看出：耕地、有林地、人工及其他草地面积较大，是土地利用的主要类型，其他地类面积较小;在3类主要地类中，人工及其他草地平均土壤侵蚀模数最大，其次为耕地，最小的是有林地，分别为4 829.97、1 791.64、1 293.60 t/（km2·a）;采矿用地、未利用地、其他林地、园地虽然平均侵蚀模数也比较大，但是土壤侵蚀面积相对有限，土壤侵蚀总量相对较小。
3类主要地类间土壤侵蚀强度差异明显（见表4）。耕地土壤侵蚀强度主要集中在中度及以下，其面积占比达89.19%;有林地以微度侵蚀为主，其面积占比为70.52%;人工及其他草地微度侵蚀面积占比为33.28%，中度及以上的面积占比为50.51%。
综合分析各地类的面积、平均侵蚀模数、土壤侵蚀强度可知，土地利用与土壤侵蚀强度密切相关，应加强土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜绝乱砍滥伐、不合理矿山开采等，尽可能减少人为土壤侵蚀。
2.3 不同地形条件的土壤侵蚀强度差异
根据汾河上游的海拔范围，分为<1 200、1 200～1 400、1 400～1 600、1 600～1 800、1 800～2 000、2 000～2 200、2 200～2 400、>2 400 m共8个海拔段，利用GIS将土壤侵蚀栅格图层与之进行空间叠加、分段统计，结果见表5。可以看出：流域内土壤侵蚀与海拔密切相关，随着海拔的上升，土壤侵蚀强度先急剧增大后缓慢减小;海拔1 200～2 000 m各海拔段的平均土壤侵蚀模数分别为3 149.22、3 063.93、3 002.45、2 772.40 t/（km2·a），均属中度侵蚀，是流域土壤侵蚀的主要海拔段;海拔1 200 m以下、2 000～2 200 m和2 200～2 400 m的平均土壤侵蚀模数分别为1 158.30、1 728.69、503.97 t/（km2·a），属轻度侵蚀;海拔2 400 m以上的平均土壤侵蚀模数为139.16 t/（km2·a），属微度侵蚀。
根据汾河上游流域的实际情况，将坡度分为6级，利用GIS进行空间叠置分析，得到不同坡度的土壤侵蚀面积、平均土壤侵蚀模数，见表6。可以看出：平均土壤侵蚀模数随着坡度的增大逐渐增大，从最小值738.71 t/（km2·a）增大到最大值4 829.56 t/（km2·a）;土壤侵蚀面积随坡度的增大先增加后急剧减少，坡度为8°～15°的面积最大（1 443.02 km2），占流域面积的37.15%;坡度为0°～25°的侵蚀量随坡度增大持续增加，大于25°后侵蚀量大幅度减小;坡度为15°～25°的侵蚀总量约为422万t/a，约占流域侵蚀总量的39%;坡度为8°～35°的土壤侵蚀量約占流域侵蚀总量的87%，是土壤侵蚀治理的主要对象，应从改变微地貌角度进行水土流失治理。
3 结 论
基于RUSLE模型，采用RS和GIS相结合的方法，计算了汾河上游土壤侵蚀模数，并对其空间分布情况进行了分析，结果表明：汾河上游最大土壤侵蚀模数为48 117.10 t/（km2·a），平均侵蚀模数为2 781.74 t/（km2·a），侵蚀强度比较高的区域主要分布在东北部和西南部;不同土地利用类型的土壤侵蚀差异较大，土壤侵蚀主要发生在海拔高、坡度大、植被覆盖度低的有林地、人工及其他草地和耕地，采矿用地、未利用地、其他林地、园地平均侵蚀模数也较大，应加强土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜绝乱砍滥伐、不合理矿山开采等，尽可能减少人为土壤侵蚀;随着海拔的上升土壤侵蚀强度先急剧增大后缓慢减小，1 200～2 000 m是土壤侵蚀主要海拔段;土壤侵蚀模数随着坡度的增大而增大，8°～35°坡度范围是流域土壤侵蚀的严重区域和水土流失治理的重点区域。 随着区域土地利用类型和生态要素的改变，土壤侵蚀因子发生着动态变化，此外，研究区气象站点有限，降雨侵蚀力因子计算精度有待提升，土壤数据比例尺较小等，所以本研究具有一定的局限性。在后续研究中，可使用卫星遥感降雨数据产品，布设小流域控制站和坡面径流场等，开展水土流失影响因子及土壤流失量等常年持续性观测，以提高土壤侵蚀因子和土壤侵蚀强度等的计算精度。
参考文献：
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【责任编辑 张智民】
关键词：土壤侵蚀;通用土壤流失方程;土地利用类型;汾河上游
中图分类号：S157.1;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.015
Abstract：The upstream of the Fenhe River is a serious soil erosion area in the middle reaches of the Yellow River. In order to provide scientific and data support for soil erosion control， ecological management and rational land use in the upstream of the Fenhe River， based on the 2018 land use data， with the help of the revised general soil loss equation and geographic information system， remote sensing technology， the paper calculated the soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River and analyzed its spatial distribution. The results show that the maximum soil erosion modulus in the upstream of the Fenhe River is 48 117.1 t/（km2·a）， the average erosion modulus is 2 781.74 t/（km2·a） and the areas with higher erosion intensity are mainly distributed in the northeast and southwest; soil erosion of different land use types are quite different and soil erosion mainly occurs in woodland， artificial grassland and cultivated land areas with high altitudes， large slopes and low vegetation coverage， the potential soil erosion is relatively larger. The average erosion modulus of mining land， unused land， other woodland and garden land is also relatively larger. Land use control should be strengthened and grassland， woodland and cultivated land should be used rationally， put an end to deforestation， unreasonable mining， et al. and reduce man-made soil erosion as much as possible; with the increase in altitude， the intensity of soil erosion firstly increases sharply and then slowly decreases. 1200-2000 m is the main altitude section of soil erosion; the modulus of soil erosion increases with the increase of slope. The slope of 8°-35° is the serious area of soil erosion in the watershed and the key area of soil erosion control.
Key words： soil erosion; general soil loss equation; land use type; upstream of Fenhe River
土壤侵蚀属于全球性生态环境问题，受气候变化的驱动[1]。黄河流域是中国乃至世界上水土流失最严重区域，截至2018年，黄土高原仍有21.37万km2的水土流失面积需要治理[2]。土壤侵蚀和水土流失，不仅造成土壤退化、农业减产、滑坡泥石流灾害等，而且导致河道泥沙淤积，影响人类的生产生活甚至生命财产安全、破坏动植物的生存环境[3-4]。汾河上游属黄河中游土壤侵蚀严重区，关于汾河土壤侵蚀的研究已有不少成果，主要集中于土壤侵蚀时空变化、不同时期土壤侵蚀强度及面积分布等方面[5-8]。当前，以具有适用范围广、全面考虑土壤侵蚀过程的影响因子、计算简单且精度较高等优点的通用土壤流失方程USLE为典型代表的土壤侵蚀预报模型，已成为国内外流域土壤侵蚀风险评估的有效手段[9-10]，如：Mengesha等[11]采用RUSLE、GIS和RS技术对尼罗河上游德姆贝查地区的土壤侵蚀进行了评价，根据土壤侵蚀严重程度提出了水土保持措施优先级;Prasannakumar等[12]利用RUSLE和GIS生成空间侵蚀图，作为制定环境敏感山区土地规划的有效输入;文雅等[13]采用USLE估算了广东省山区的土壤侵蚀量;胡刚等[14]基于RUSLE，对卧虎山水库流域土壤侵蚀进行了全面分析;马力等[15]基于USLE原理和3S技术对1997—2015年南京市水土流失进行了定量监测，建立了水土流失监测方法。本研究以汾河上游为研究区，采用GIS、RS技术和RUSLE，定量分析汾河上游土壤侵蚀特征，以期为汾河上游水土流失防治、生态治理和土地合理利用提供科技与数据支撑。 1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
汾河上游地形地貌以山地丘陵为主，流域面积3 884.56 km2，属于温带大陆性季风气候区，年均降水量427.6 mm，降雨主要集中在6—9月，雨热同期，植被具有从森林草原向干旱草原过渡的特点，土壤以褐土和浅色草甸土为主。汾河上游是“京津冀生态协同圈”的重要组成部分，也是华北平原生态屏障和山西省重要的水源涵养区，在国家生态安全格局中具有重要的地位。但是，汾河上游流域地形破碎，沟壑纵横，煤炭开采、林木采伐等生产活动破坏地表植被，使得汾河上游流域成为土壤侵蚀严重区域。
1.2 数据来源及处理
本研究使用数据及来源：2018年汾河上游30 m分辨率DEM数据，来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn）;1981—2010年宁武、静乐2个气象站月均年均降水数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn），2011—2018年降水数据源自这2个气象站;2018年汾河上游30 m分辨率landsat8遥感影像数据，来源于地理空间数据云;2018年汾河上游土地利用现状调查数据，来源于忻州市政府;土壤颗粒级配（砂粒、粉粒、黏粒含量）和有机碳含量数据，来源于世界土壤数据库中国土壤数据集（Harmonized World Soil Database version 1.1，HWSD）。将所有数据统一重采样为30 m分辨率，以便于进行土壤侵蚀模数的计算。
1.3 研究方法
2 结果与分析
2.1 流域土壤侵蚀强度
按照上述方法逐网格计算2018年汾河上游单位面积土壤流失量，按照《土壤侵蚀分类分级标准》[25]对土壤侵蚀强度进行分级，利用GIS生成汾河上游土壤侵蚀强度分布图（见图1），可以看出，土壤侵蚀强度较高的区域主要集中在东北部、西南部及河流两岸的山地丘陵，而西北管涔山和中部汾河沟谷地区土壤侵蚀强度较低。
汾河上游最大侵蚀模数达48 117.10 t/（km2·a），平均侵蚀模数为2 781.74 t/（km2·a）。由表2可知，汾河上游流域微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别为1 583.46、939.07、548.40、372.48、370.21、70.94 km2，分别占流域面积的40.76%、24.17%、14.12%、9.59%、9.53%、1.83%，其中中度及以上土壤侵蚀面积1 362.03 km2、占总面积的35.07%，表明汾河上游流域土壤侵蚀以中度以下为主。上述结果与王晓慧等[26-27]对中阳县土壤侵蚀定量评价结果基本一致。
2.2 不同土地利用类型的土壤侵蚀强度差异
利用GIS和土地利用现状图，统计不同土地利用类型的土壤侵蚀参数，见表3。由表3可以看出：耕地、有林地、人工及其他草地面积较大，是土地利用的主要类型，其他地类面积较小;在3类主要地类中，人工及其他草地平均土壤侵蚀模数最大，其次为耕地，最小的是有林地，分别为4 829.97、1 791.64、1 293.60 t/（km2·a）;采矿用地、未利用地、其他林地、园地虽然平均侵蚀模数也比较大，但是土壤侵蚀面积相对有限，土壤侵蚀总量相对较小。
3类主要地类间土壤侵蚀强度差异明显（见表4）。耕地土壤侵蚀强度主要集中在中度及以下，其面积占比达89.19%;有林地以微度侵蚀为主，其面积占比为70.52%;人工及其他草地微度侵蚀面积占比为33.28%，中度及以上的面积占比为50.51%。
综合分析各地类的面积、平均侵蚀模数、土壤侵蚀强度可知，土地利用与土壤侵蚀强度密切相关，应加强土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜绝乱砍滥伐、不合理矿山开采等，尽可能减少人为土壤侵蚀。
2.3 不同地形条件的土壤侵蚀强度差异
根据汾河上游的海拔范围，分为<1 200、1 200～1 400、1 400～1 600、1 600～1 800、1 800～2 000、2 000～2 200、2 200～2 400、>2 400 m共8个海拔段，利用GIS将土壤侵蚀栅格图层与之进行空间叠加、分段统计，结果见表5。可以看出：流域内土壤侵蚀与海拔密切相关，随着海拔的上升，土壤侵蚀强度先急剧增大后缓慢减小;海拔1 200～2 000 m各海拔段的平均土壤侵蚀模数分别为3 149.22、3 063.93、3 002.45、2 772.40 t/（km2·a），均属中度侵蚀，是流域土壤侵蚀的主要海拔段;海拔1 200 m以下、2 000～2 200 m和2 200～2 400 m的平均土壤侵蚀模数分别为1 158.30、1 728.69、503.97 t/（km2·a），属轻度侵蚀;海拔2 400 m以上的平均土壤侵蚀模数为139.16 t/（km2·a），属微度侵蚀。
根据汾河上游流域的实际情况，将坡度分为6级，利用GIS进行空间叠置分析，得到不同坡度的土壤侵蚀面积、平均土壤侵蚀模数，见表6。可以看出：平均土壤侵蚀模数随着坡度的增大逐渐增大，从最小值738.71 t/（km2·a）增大到最大值4 829.56 t/（km2·a）;土壤侵蚀面积随坡度的增大先增加后急剧减少，坡度为8°～15°的面积最大（1 443.02 km2），占流域面积的37.15%;坡度为0°～25°的侵蚀量随坡度增大持续增加，大于25°后侵蚀量大幅度减小;坡度为15°～25°的侵蚀总量约为422万t/a，约占流域侵蚀总量的39%;坡度为8°～35°的土壤侵蚀量約占流域侵蚀总量的87%，是土壤侵蚀治理的主要对象，应从改变微地貌角度进行水土流失治理。
3 结 论
基于RUSLE模型，采用RS和GIS相结合的方法，计算了汾河上游土壤侵蚀模数，并对其空间分布情况进行了分析，结果表明：汾河上游最大土壤侵蚀模数为48 117.10 t/（km2·a），平均侵蚀模数为2 781.74 t/（km2·a），侵蚀强度比较高的区域主要分布在东北部和西南部;不同土地利用类型的土壤侵蚀差异较大，土壤侵蚀主要发生在海拔高、坡度大、植被覆盖度低的有林地、人工及其他草地和耕地，采矿用地、未利用地、其他林地、园地平均侵蚀模数也较大，应加强土地用途管制，合理利用草地、林地和耕地，杜绝乱砍滥伐、不合理矿山开采等，尽可能减少人为土壤侵蚀;随着海拔的上升土壤侵蚀强度先急剧增大后缓慢减小，1 200～2 000 m是土壤侵蚀主要海拔段;土壤侵蚀模数随着坡度的增大而增大，8°～35°坡度范围是流域土壤侵蚀的严重区域和水土流失治理的重点区域。 随着区域土地利用类型和生态要素的改变，土壤侵蚀因子发生着动态变化，此外，研究区气象站点有限，降雨侵蚀力因子计算精度有待提升，土壤数据比例尺较小等，所以本研究具有一定的局限性。在后续研究中，可使用卫星遥感降雨数据产品，布设小流域控制站和坡面径流场等，开展水土流失影响因子及土壤流失量等常年持续性观测，以提高土壤侵蚀因子和土壤侵蚀强度等的计算精度。
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【责任编辑 张智民】