基于InVEST模型的黄土高原土壤侵蚀研究
成图展示：
一、研究背景与意义
土壤持续性侵蚀现象作为牵动全球民心的一种重大区域性环境问题，越来越广泛受到当前世界各国政府领导人及土壤科技工作者高度密切的关注。我国也是世界上土壤持久性侵蚀危害最普遍、最严重的国家之一，其监测范围几乎遍及全国各地。土壤受到侵蚀影响的主要成因十分复杂，危害相当严重，土壤侵蚀引起的具体危害主要表现在:
(1)直接破坏当地土壤资源，自然生态的失衡恶化；
(2)对水资源造成威胁，使水土保持能力下降；
(3)生态环境恶化，严重影响人民的生活。
随着当代社会物质文明的全面发展和进步，人们都越来越重视经济社会与地球环境的整体和谐稳定发展，但是在近年来对于我国环境污染的严重土壤及其侵蚀破坏程度却也不断地加重，在发展农业建设和民生工程领域等众多方面均带来了其极为直接不利的环境影响，它已经日益被发展为一项全球性严峻的大环境问题。
二、研究方法
InVEST [1]模型中泥沙输移比模块( Sediment De- livery Ｒatio model) 以基于像元尺度的 USLE 计算方法为基础，集土地利用数据、土壤质地数据以及数字高程模型、降水数据、植被覆盖因子和水土保持措施因子等数据于一体，以栅格为计算单元实现模型运行过程，并产生基于流域及基于栅格单元的两种评估结果。本研究采用 InVEST 模型 3.9版本的泥沙输移比模块 ( Sediment Delivery Ｒatio model) 。根据该模型理论基础，模型的评估结果已十分成熟，输出结果为流域尺度上的总和或平均值。模型驱动所需数据因子主要分为: 地形因子LS、降水侵蚀力因子Ｒ、土壤可蚀性因子 K、土地利用数据 LUCC、植被覆盖因子 C 和水土保持措施因子 P 等数据。USLE模型表达式为：
式中: Ｒ 表示降雨侵蚀力因子；K 表示土壤可蚀性因子；L 表 示 坡 长 因 子；S表示坡度因子; C 表示植被覆盖因子，P 表示水保措施因子。
三、数据来源
模型中所需数据、来源及用途
四、数据准备
1.地形因子LS
地形（LS）因子是 USLE 方程最重要的临界参数之一，反映了坡度与地表的关系，其本质是雨滴或沉积物移动直到能量耗尽时的距离。通常情况下，坡度越陡，坡长越长，则越容易发生侵蚀危害。InVEST 模型会根据用户输入的坡度阈值自动完成 LS 因子的计算并生成 LS 图层。需要指出的是，模型会自动对低坡度区域和高坡度区域选用不同的公式进行计算。
1）30米的DEM数据拼接后，利用研究区边界裁剪拼接好的DEM数据即研究区的DEM数据（如图）
2）研究区的DEM数据进行填洼：空间分析 → 水文分析 → 填洼（如图）
2.降水侵蚀力因子R
降水侵蚀力是 USLE 模型中的首要基础因子，是评价降水引起土壤分离和搬运的动力指标，反映了降水条件对土壤侵蚀的潜在影响。降雨侵蚀力（R）因子有不同的计算方法，通过各种算法的对比及数据获取难易情况，本文采用章文波[2]等提出的降水量算法来估算降水侵蚀力因子，具体公式为：
式中：
以2015年降水侵蚀力因子计算为例：
利用2015年的年降水数据计算降水侵蚀力因子：空间分析工具 → 地图代数工具 → 栅格计算器：输入公式（如图）
3.土壤可蚀性因子K
土壤可蚀性衡量了土壤颗粒被水力分离和搬运的难易程度，是反映土壤对侵蚀敏感程度的指标，通常用标准小区上单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失量来表示。K 因子反映了土壤本身性质不同所引起的侵蚀量差异，其中的土壤质地、有机质含量、土体结构、通透性等决定了土壤的可蚀性。本研究采用 Williams[3] 等提出的 EPIC 模型中的公式采用土壤颗粒组成数据和土壤有机碳数据进行计算，得到土壤可蚀性 K 值栅格图层，具体公式如下：
式中：SAN为砂粒(%)，SIL为粉粒(%)，CLA为黏粒(%)， C为土壤中的有机碳 (%)，SN=1-SAN/100
黄土高原的土壤可蚀性计算：
1）打开土壤质地数据的属性表，导出属性表（如图）
2）在EXCLE里面打开导出的属性表，利用土壤可蚀性因子的计算公式计算出K值（如图）
3）保留VALUE和K值字段与土壤质地数据关联（如图）
4）符号化K值字段（如图）
4.物理系数表（CSV表）
1）植被覆盖因子(C)
植被覆盖因子是指一定条件下有植被覆盖或实施田间管理的土壤侵蚀总量与实施清耕的连续休闲地土壤侵蚀总量的比值，介于 0 ～ 1 之间。C 因子与土地利用类型、植被覆盖度密切相关。它是控制土壤侵蚀的积极因素，反映了植被类型、覆盖度等对土壤侵蚀的影响。借鉴前人研究成果得知，蔡崇法[4]的 C 因 子研究方法针对流域侵蚀评估比较精准可靠，本研究亦采用蔡崇法的 C 因子研究方法得到不同植被覆盖度下的林地、草地及其他土地利用 类型的 C 值。
NDVI为归一化植被指数，计算公式为：
植被覆盖因子计算公式为：
式中：C为植被覆盖因子；c为植被覆盖度
2）水土保持措施(P)
水土保持措施因子是指采取特定水土保持措施时的土壤侵蚀量与不采取任何措施的顺坡耕作时相应侵蚀量的比值。取值在 0 ～ 1之间，极值 0 代表无侵蚀地区，极值 1 表示未采取任何水保措施的地区。参考以往相关研究并结合当地土地利用及农事活动情况确定相应的土地利用类型 P 值。
土地利用类型、 C 值和 P 值（CSV表）
| 土地利用类型 | C值 | P值 |
|---|---|---|
| 耕地 | 0.05 | 0.35 |
| 草地 | 0.04 | 1 |
| 林地 | 0.03 | 1 |
| 建设用地 | 0 | 0 |
| 水域 | 0 | 0 |
| 未利用地 | 1 | 1 |
注：物理系数表根据自己所做的区域结合前人的研究来确定的
5.土地利用数据
以黄土高原2015年的土地利用数据为例：基于RS和GIS技术结合Landsat5 TM影像，根据《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)标准将研究区内的土地利用分为耕地、林地、草地、水域、未利用地、建设用地等类型。土地利用数据用来确定水土保持措施因子、分析土地利用动态变化以及研究土壤侵蚀与土地利用关系，一般以矢量或者栅格的方式呈现，需要用到GIS的拼接、裁剪、投影、属性编辑及条件分析功能。（注：利用遥感影像具体解译土地利用类型数据的步骤就省略了，后面要用到土地利用数据就在这里提一下，具体的以自己人工解译的数据为主）
五、InVEST模型输出结果
在InVEST模型的SDR模块力输入数据准备的DEM数据（填洼）、降水侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、土地利用数据、流域数据和物理系数表（如图）
注：InVEST模型输出的数据解读可以参照自己所使用InVEST软件版本的使用手册
六、土壤侵蚀模数计算
基于上述计算的土壤侵蚀各影响因子的基础上，得出澜沧江流域(青海段)的土壤侵蚀模数图，根据国家《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-96）将研究区域的土壤侵蚀强度分为六个侵蚀等级：微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀。对土壤侵蚀模数进行重新分类，以获得澜沧江流域(青海段)土壤侵蚀强度类型的空间分布。
土壤侵蚀模数分级表
| 等级 | 微度 | 轻度 | 中度 | 强烈 | 极强烈 | 剧烈 |
| 侵蚀模数[t/(km2·a)] | <1000 | 1000-2500 | 2500-5000 | 5000-8000 | 8000-15000 | >15000 |
好了，就到这儿了！
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