土壤侵蚀的估算方法

注：N、P、K的价格：参照国家林业局2008年4月28日发布的《中华人民共和国林业行业标准—森林生态系统服务功能评估规范》，氯化钾价格为2200元/吨，磷酸二铵价格为2400元/吨。
元素名称
价格（元/吨）
N
509.04
P
563.52
K
1151.7
表1、NPK价格表
4.2
根据土壤保持量和土壤表土平均厚度（0.6m）来推算因土壤侵蚀而造成的废弃土地面积，再根据机会成本法计算因土地废弃而失去的年经济价值。
图6、栅格计算
3
土壤可蚀性因子K是通过土壤类型数据直接对其进行赋值。
4
通过遥感影像数据获得地表覆盖因子C，首先求NDVI，NDVI的求解在ENVI
中实现，主菜单中transform－ndvi，算归一化植被指数。接着根据NDVI数据来求解植被覆盖度FC，其计算公式为：
FC=(NDVI-NDVI_MIN)/(NDVI_MAX-NDVI_MIN)
土 壤 侵 蚀 的 估 算 方 法
数
据
处
理
流
程
作者：牛健平
时间：2011年10月11日
北京天合数维科技有限公司
（CONTENT）
一、
在计算的过程中，总共涉及到的数据有地形数据、遥感影像数据、气象数据、
土壤类型数据、土壤理性化数据以及统计数据，涉及到的中间参数有水土保持因子P，地标覆盖因子C，地形因子LS，土壤可视性因子K，降水侵蚀因子R，所需要的参数有潜在土壤侵蚀量Ap，现实土壤侵蚀量Ar，土壤保持量Ac，指标结果参数有保护土壤肥力的经济效益Ef，减少土地废弃的经济效益Es，减轻泥沙淤积的经济效益En。
3.1
潜在土壤侵蚀量不考虑地表覆盖类型和土地管理因素，即c=1，p=1，此时，USLE的形式为：
式中，Ap为潜在土壤侵蚀量（吨/平方千米），R为降雨侵蚀力指标，K为土壤可侵蚀因子，LS为坡长坡度因子。
3.2
现实土壤侵蚀量主要考虑了地表覆盖类型和土地管理因素，其计算式为：
式中，Ar为现实土壤侵蚀量（吨/平方千米），R为降雨侵蚀力指标，K为土壤可侵蚀因子，LS为坡长坡度因子，C为地表覆盖因子，P为土壤保持措施因子。
1
在进行土壤侵蚀的估算过程中，需要以下数据：
A、地形数据；
B、遥感影像数据；
C、气象数据，主要是降雨量数据；
D、土壤类型数据；
E、土壤理性化数据；
F、统计数据。
2
在数据处理的过程中，所涉及到的中间参数与计算公式如下。
2.1
按照游松财的方法，水田的P值取0.15，其他土地利用方式基本没有采取水土保持措施，因此取值 Nhomakorabea1.00。
四、
这一步只是简单的数值计算，在此不再详述，但是在计算的过程中注意单位的统一。
注：在进行统计Ac总和的时候，要乘以图像分辨率。还有单位一定要统一！
2.2
地表覆盖因子是根据地面植被覆盖状况不同而反映植被对土壤侵蚀影响的因素，与土地利用类型、覆盖度密切相关。C值的估算采用如下公式：
式中，fC表示植被覆盖度，由遥感影像通过NDVI计算。
2.3
通过数字高程模型（DEM），计算获得坡长和坡度，然后根据黄炎和等建立的方程式，获得LS的空间分布特征。
式中，L，坡长（m）；a，百分比坡度。
三、
所需要的参数有潜在土壤侵蚀量Ap，现实土壤侵蚀量Ar，土壤保持量Ac，在进行了上述的计算以后，其计算比较简单，根据公式，在Spatial Analyst|Raster Caculator…中输入对应公示即可实现。
最后对Ac进行汇总统计，在Spatial Analyst|Zonal statistics中进行。
2.5
采用周伏建和黄炎和等人（1997,2000,2002）根据实测数据提出的R值计算式，该值考虑了月降水量。
式中，R为降雨侵蚀力指标（j.cm/m2.h），Pi为月降雨量（mm）。月降水量Pi：根据气象站点观测的降水点位及数据，进行克里金插值获得。
3
在计算的过程中主要涉及到潜在土壤侵蚀量Ap，现实土壤侵蚀量Ar以及土壤保持量Ac三个参数，可以通过以上5个中间参数来获得，其计算公式如下。
1.2
百分比坡度a是用slope来实现的。
图4、百分比坡度的生成
1.3
地形因子LS计算的模型为：
图5、地形因子LS的计算模型
2
根据气象站点观测的降水点位及数据，进行克里金插值获得月降雨量数据
Pi，再根据Pi计算土壤侵蚀力指标R。
2.1
2.2
土壤侵蚀力指标P是在Arcmap下Spatial Analyst|Raster Caculator…中计算而来。
2.4
采用陈明华等人建立的土壤可蚀性K值的计算公式：
K= 10- 3(160. 80 - 2. 31X1 + 0. 38X2 + 2. 26X3 + 1. 31X4 + 14. 67X5)
式中:K—可蚀性K值(美国习用单位) ;X1、X2、X3、X4、X5 分别表示细砾(1～ 3mm )%、细砂(0. 05～ 0. 25mm )%、粗粉粒(0. 01～ 0. 05 mm )%、细粉粒(0. 005～ 0. 01mm )%、有机质(10g/kg)。
En=Ac÷p×24%×C
式中，En，减轻泥沙淤积的经济效益（元/a）；Ac，土壤保持量（t/a）；P，土壤的容重（t/m3）；C，水库工程费用（元/m3）。
注：土壤容量取26.5吨/立方米，核算过程中采用的水库清淤工程费用为6.94元/立方米，此数据来源于硕士论文。
二、
总体处理流程如下图所示：
图1、数据处理流程图
式中：NDVI_MIN为NDVI的最小值，NDVI_MAX为NDVI的最大值。
由此，我们可以根据公式
来计算C值，在Arcmap中Spatial Analyst|Raster Caculator…实现。
5
按照游松财的方法，水田的P值取0.15，其他土地利用方式基本没有采取水
土保持措施，因此取值为1.00。
3.3
由上两式可得到土壤保持量：
Ac=Ap－Ar
式中，Ap为潜在土壤侵蚀量（吨/平方千米），Ar为现实土壤侵蚀量（吨/平方千米），Ac为土壤保持量（吨/平方千米）。
4
指标结果参数总共涉及到的数据有保护土壤肥力的经济效益Ef、减少土地废弃的经济效益Es和减轻泥沙淤积的经济效益En三个参数，其计算公式与所需参数值见下。
1
运用DEM数据得到的最后结果是求出了地形因子LS，在求LS的过程中，需要坡长L和百分比坡度a，其求解主要在Arcmap中完成。
1.1
坡长的求解主要参考汤国安老师的ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程
中的第十一章中的水文分析来完成，Arcmap中建立模型如下图所示：
图2、无洼地DEM生成模型
图3、生成坡长L模型
4.1
土壤侵蚀使大量土壤营养物质流失，主要表现在N、P、K等营养物质的流失。
式中，Ef为保护土壤肥力的经济效益（元/ a）；Ac，土壤保持量（t/hm2a）；De，土壤密度（t/m3）；Co,土壤有机质含量（kg/t）；R，薪柴转化为土壤有机质的比例，一般为2；C，薪柴的平均价格（元/kg）；Ci，土壤中N、P、K的纯含量；Pi，N、P、K的价格。
Es=Ac÷P÷0.6×B÷10000
式中，Es，减少土地废弃的经济效益（元/a）；Ac，土壤保持量（t/a）；P，土壤的容重（t/m3）；B，湿地年均收益（元/hm2）。
注：土壤容量取26.5吨/立方米，湿地年均收益根据崔丽娟（2004年）研究推算，湿地年均收益为245.5元/平方米。
4.3
按照我国主要流域的泥沙运动规律，全国土壤侵蚀流失的泥沙有24%淤积于水库、江河、湖泊，这部分泥沙直接造成了水库江河、湖泊蓄水量的下降，在一定程度上增加了干旱、洪涝灾害发生的机会，因此可根据蓄水成本计算损失价值。