宁夏南部地区水土流失遥感定量研究

张永杰

（宁夏万天晟科技有限公司，宁夏 银川 750021）

土壤侵蚀是指水或风的影响使土壤颗粒脱离和移除。这种情况逐渐发生，导致土壤恶化、迁移，最后在其他地方沉淀下来。土壤侵蚀不仅是地球表面最常见的地理现象，也是造成土壤肥力流失和土地退化的主要原因。由于水土流失和地表径流造成的土壤恶化在世界范围内越来越严重。因此，缓解此类问题将有助于恢复当地的生态系统[1]。土壤对生态系统至关重要，因为它可以维持系统的稳定性。而生态系统的稳定性对土壤保护也至关重要。例如植被的树冠和根系可以减少雨滴和表面径流的侵蚀作用。土壤会有更高的抗侵蚀能力，可以留住更多营养物质，从而降低损失[2]。

宁夏南部地区是黄河上游的重要生态屏障[3]，也是平原地区的重要资源。为保障宁夏南部地区的生态安全，应在该地区开展土壤侵蚀的定量研究。因此该研究采用USLE模型，充分考虑了植被覆盖的季节性变化和土壤的理化性质。用科学的方法，对宁夏南部地区土壤侵蚀的定量评估[4]。通过研究该地区的土壤侵蚀和相关的生态服务价值，为土壤侵蚀控制及生态产品价值转换实现路径提供参考。

1 研究区域和数据

1.1 研究区域

研究区位于宁夏南部地区（35°14′N-36°31′N，105°19′E-106°57′E），面积10370.15km2，如图1所示。地处黄土高原的西北边缘，是典型的大陆性气候，区域降水差异大。年平均日照时数2518.2 小时，年平均气温6.1℃，年平均降水量492.2mm，年蒸发量1753.2mm，研究区呈南高北低之势。海拔大部分在1320～2942m，地形起伏大，沟壑纵横。地表水主要以清水河、泾河、葫芦河、祖厉河几大河流为主，年平均径流量7.28 亿m3。

图1 研究区域地理位置图

1.2 遥感影像

该研究获得了3 个阶段的Landsat8 OLI 图像，覆盖了研究区域。这3 个阶段三景数据（130，37；130，38；和130，39），空间分辨率为30m，时间阶段为2013年12月、2014年6月和2015年2月。所有图像的云层覆盖率都小于3%。遥感图像从美国地质调查局网站下载。

1.3 气象数据

该研究选择了研究区域内和附近的8 个气象站。收集了各气象站的月度和年度平均降雨量。雨量数据从1980年到2013年，跨度达34年。气象数据从中国气象局获得。

1.4 其他数据

除了遥感图像和气象辐射数据外，还获得了其他数据，包括DEM、土壤类型、植被类型、土地利用状况以及研究区域内土壤的物理和化学性质。DEM 数据从美国地质调查局的网站上下载。DEM 的分辨率为30 米。有关土壤类型、物理和化学性质、植被类型和土地利用状况的数据来自国土科学研究院。

1.5 研究方法

土壤保持量是生态系统保持土壤能力的一个指标。可以通过从同一地点的潜在土壤侵蚀量中减去实际土壤侵蚀量来测量。实际土壤侵蚀量是指被侵蚀的土壤的数量。潜在土壤侵蚀量是指在没有植被覆盖或土地管理的情况下被侵蚀的土壤量。土壤侵蚀的实际量可以用USLE 方程直接计算。可以通过取消USLE 方程中的植被覆盖和管理因子C和土壤保持因子P来计算潜在量。

2 结果分析

2.1 土壤保护的结果分析

研究区的土壤侵蚀强度是参照《土壤侵蚀分类与分级标准》（SL 190—2007）进行分级的[5]。该标准规定了水土流失强度的分级模式和土壤侵蚀强度的分级标准。参照这种分级标准，根据土壤侵蚀强度确定土壤侵蚀的实际水平，同时得到土壤侵蚀强度的分级图（图2）。

图2 土壤侵蚀强度的分级图

统计结果见表1，研究区微度侵蚀的总面积为2457.30km2，占总研究面积的23.70%。平均侵蚀模数为4.57t/（km2·a），而每年的土壤侵蚀量为1.12 万t。轻度侵蚀区的总面积为1762.44 km2，占研究区的17.00%，平均侵蚀模数为1418.30 t/（km2·a），而每年的土壤侵蚀量为249.98 万t。受中度侵蚀的区域面积为1895.24 km2，占研究区的18.28%。该区的平均侵蚀模数为3398.89t/（km2·a），而每年的土壤侵蚀量为644.19 万t。强烈侵蚀的区域面积为3139.55km2，占研究区域的30.27%。该区的平均侵蚀模数为6067.87t/（km2·a），而年侵蚀量为1904.93 万t。极强烈侵蚀区的总面积为1115.82 km2，占研究面积的10.75%，而该区的平均侵蚀模数为10784.13g/（km2），年土壤侵蚀量为1203.31万t。

表1 研究区土壤侵蚀强度分级统计

研究区的主要水土流失形式是强烈侵蚀，水土流失面积占整个研究区的30.27%。水力侵蚀面积为10370.15km2。潜在和实际的土壤侵蚀量以及研究区的土壤保持量，可以通过公式（1）～公式（3）进一步计算。

式中：Ts为实际土壤侵蚀量，t；Tq为潜在土壤侵蚀量，t；T为土壤保持量，t，S为面积，hm2。通过将研究区每个单位像素的土壤侵蚀模数乘以单个像素的面积，宁夏南部地区的实际土壤侵蚀量（Ts）估计达到4003.53 万t，而潜在土壤侵蚀量估计达到6838.16 万t，土壤保持量（T）经计算达到2834.63 万t。

2.2 土壤固定的价值

土壤具有吸收和保存营养物质的能力。这种保肥能力主要是通过在土壤腔体表面吸附分子养分来实现的，但不改变养分的物质结构。这种通过物理吸附来保肥的方法有助于防止养分被浸出，同时使养分在土壤中呈现出一定的浓度梯度。为衡量生态系统的土壤固定价值，通常根据体积密度和土壤厚度将研究区的土壤保持总量转化为土地面积。该土地面积表示生态系统中水土保持功能固定的土地面积，并采用机会成本法计算土地面积将产生的年收入，如公式（4）所示。

式中：Vg为研究区域内生态系统的土壤固定值；T为土壤保护总量；h为土层厚度；v为单位面积土地的年收入。

土壤保持量为28.3463t。参照《土壤侵蚀分类与分级标准》（SL 190—2007），土壤体积密度（Pb）为1.35 g/cm3。此外，该地区的平均土壤厚度估计为50cm。宁夏南部地区的土地覆盖类型主要为林地、草地和耕地。此外，单位面积土地的年收入（v）是根据1999年中国林业收入的研究结果估算的，约为50000 元/（km2·a）。经计算研究区域内生态系统的土壤固定值为209.97 亿元。

水土流失会对河流、湖泊、水库等产生淤积作用，会削弱该地区的蓄水能力，破坏宁夏南部地区的水源涵养功能。就宁夏南部地区而言，遏制水土流失就等于增加宁夏南部地区的蓄水能力。根据以往对中国主要流域水土流失造成的土壤流失和泥沙堆积方向和运动的研究结果表明，水土流失产生的土壤流失有24%将沉积在水库和河流的底部，33%滞留在河道中，而37%最终进入海洋[6]。用工程和技术方法对研究区域内沉积在水库和河流中的淤泥的疏浚成本进行测量，以评估生态系统中清淤的价值损失。为计算清淤成本，该文参考了《森林生态系统服务功能评估规范》中规定的水库清淤的工程成本，该成本为6.11元/m3。经计算得到，宁夏南部地区的泥沙减少值预计达到43.39 亿元。

由于研究区土壤保护的生态服务价值巨大，有必要提高该地区的生态环境质量。在研究区的低海拔地区，建设水电站、砍伐森林、修建公路和铁路、开采矿砂等人类活动可能导致植被恶化，从而导致水土流失[7]。建议如下：应该不断推出一系列的生态恢复和重建项目，以促进生态环境的恢复。此外，需要适当限制人类活动，如建造水电站、人为因素造成的森林砍伐、修建公路和铁路、开采矿砂等。

3 结论

从研究结果来看，宁夏南部地区的实际水土流失量为4003.53 万t，水土保持量为2834.63 万t。研究区的主要土壤侵蚀强度等级为强烈侵蚀，面积为3139.35km2，占研究区的30.27%，主要集中分布在研究区的东部。研究区总体的土壤固定价值达到253.36 亿元。总的来说，应持续推进水土流失综合治理，加强资源、生态和环境的统筹，不断提升区域生态系统服务功能和价值。降雨量对土壤侵蚀有主导性影响，研究区的土壤保持量（T）为2834.63 万t，生态系统服务价值为209.97 亿元。RS 和GIS 技术能够快速估算。然而，这种评估含有相当大的不确定性。目前还很难用经验模型来揭示宁夏南部地区土壤侵蚀的物理过程。