土壤流失模型(RUSLE)土壤流失评价

9.4土壤流失模型（RUSLE）：土壤流失评价

水土流失(water Loss and Soil Erosion)是当今世界面临的一个重大环境问题，是指在水力、重力、风力等外力的作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括了土壤侵蚀(Soil Erosion)及水的流失两个方面。水土流失是一个受多种因素驱动作用的自然过程，由降雨作为主要侵蚀动力的即为水力侵蚀，其作用多体现于具有一定坡度的山地、丘陵地区，以降水直接冲走表层土壤为主要表现形式。当表层土壤受侵蚀的程度超过一定的安全阈值时，就会形成或引发滑坡、泥石流等剧烈的土壤流失过程，降低区域土壤生产力，严重影响生态系统的平衡。由于这一过程表现出明显的斑块性和异质性，难以用定点实验进行追踪监测，故多以预测估算的方式对之进行研究。

9.4.1 RUSLE模型

RUSLE模型(The Revised Universal Soil Loss Equation)是美国农业部于1997年在通用土壤流失模型USLE(The universal Soil Loss Equation)的基础上修订建立并正式实施的一种适用范围更广的修正模型。自颁布之后即在美国得到了广泛的应用，目前美国各州都己有成功应用的案例。该模型也被世界各国的研究者借鉴，于20世纪90年代被引入中国。

RUSLE模型目前己在国内外的土壤侵蚀预测研究中得到了非常广泛的应用。其计算表达式为：

=⋅⋅⋅⋅(1)

A R K LS C P

图1 RUSLE模型的技术流程图

A为预测土壤侵蚀量(estimated average soil loss in tons per acre per year)，主要指由降雨和径流引起的坡面细沟或细沟间侵蚀的年均土壤流失量。

R 为降雨侵蚀力因子(rainfall-runoff erosivity factor) (MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）,它反映降雨引起土壤流失的潜在能力。在USLE 中，它被定义为降雨动能和最大30 分钟降雨强度的乘积。

K为土壤可蚀性因子(soil erodibility factor) (t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2)，它是衡量土壤抗蚀性的指标，用于反映土壤对侵蚀的敏感性。K 表示标准小区单位降雨侵蚀力引起的单位面积上的土壤侵蚀量。

LS 为坡长坡度因子(L=slope length factor, s=slope steepness factor)(无量纲)，其中 L 为坡长因子，被定义为坡长的幂函数。S 为坡度因子，LS 表示在其他条件不变的情况下，某给定坡长和坡度的坡面上土壤流失量与标准径流小区典型坡面上土壤流失量的比值，它对土壤侵蚀起加速作用。

C 为覆盖与管理因子(cover-management factor) (无量纲)，它指在其他因子相同的条件下，在某一特定作物或植被覆盖下的土壤流失量与耕种后的连续休闲地的流失量的比值。该因子衡量植被覆盖和经营管理对土壤侵蚀的抑制作用。

P 为水土保持措施因子(support practice factor) (无量纲)，它指采取水土保持措施后的土壤流失量与顺坡种植的土壤流失量的比值。

9.4.2 RUSLE 模型所需数据搜集

进行RUSLE 模型的计算需要不同的数据，对所需数据的描述如下：

1) 研究区大比例尺地形图地形图；

2) 研究区降雨量监测数据；

3) 研究区土壤类型图；

4) 研究区土壤普查资料（包括土壤机械组成、粒级含量、有机质含量等数据）；

5) 研究区数字高程数据(DEM)；

6) 研究区不同时段归一化植被指数NDVI 数据；

7) 研究区不同时段土地利用栅格数据

9.4.3 RUSLE 模型中因子的计算 9.4.3.1 R 因子的计算

R 因子的计算一般通过基于月平均降雨量和年平均降雨量的 Wischmeier 公式计算[1]：

212(1.5lg )0.81881= 1.73510

i p p i R ⋅-=⨯∑ (2)

其中 p i 和 p 分别是月均和年均降雨量(mm)。得到R 因子的栅格图如图2所示。

图2 R 因子的栅格图

9.4.3.2 K 因子的计算

K 的估算公式根据不同的土壤组成与搜集数据的多少而变化。如根据美国粒径分级制进行计算的Whischmeier 公式[2]：

4 1.14[2.110(12) 3.35(2) 2.5(3)]100

M OM S p K ⨯⋅-+⋅-+⋅-= (3) 其中，(%%)(1%)M =+⋅-粉砂极细砂粘粒 (据美国粒径分级制)；

OM=土壤有机质含量；

S=结构系数；

P=渗透性等级。得到研究区K 因子的栅格图如图3所示。

图3 K 因子的栅格图

9.4.3.3 LS 因子的计算

在 ARCGIS 中利用流域的 DEM 数据提取出山脊线，然后利用 Distance 模块计算每个栅格到山脊线的垂直距离，以此作为每个栅格的近似坡长，然后采用 Wischmeier 和 Smith 提出的坡长因子计算公式[3]：

=()22.13L αλ

(4)

1

β

αβ=+ (5) 0.8sin /0.08963.0(sin )0.56

θβθ=⋅+ (6) 以上各式中，λ为水平坡长，α为坡长指数，22.13 为标准小区的坡长(m)，θ为利用 DEM 提取的坡度。得到研究区的L 因子的栅格图如图4所示。

S 因子采用McCool 的计算公式以及刘宝元的陡坡计算公式[4][5]：

=10.8sin 0.039%=16.8sin 0.509%14%=10.8sin 0.0314%S S S θθθθθθ⨯+<⎧⎪⨯-≤<⎨⎪⨯+≥⎩

，当，当，当 (7)

利用研究区DEM 数据，在ARCGIS 中Spatial Analyst 模块中的Surface Analysis 功能提取坡度专题图，并转化为弧度单位，然后在Raster Calculator 模块中利用公式7计算得到流域的S 因子层如图5所示.

图4 L 因子的栅格图

图5 S 因子的栅格图

9.4.3.4 C 因子的计算

C 因子的计算首先利用等密度估算模型估算植被覆盖率cov[6]，其计算公式为：

cov soil veg soil

N N N N -=- (7) 式中，soil N 为裸地的 NDVI

值，其取值为对裸地的象元进行随机抽取统计的最低值；