贛南地區(qū)水土流失時(shí)空變化和評價(jià)研究

楊 潔，汪邦穩(wěn)，2

(1.江西省水土保持科學(xué)研究所，江西南昌330029;2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875)

水土流失是我國生態(tài)環(huán)境問題的集中體現(xiàn)[1]，水土流失評價(jià)是水土流失研究的重要內(nèi)容之一[2]。鑒于當(dāng)前我國建立的區(qū)域水土流失評價(jià)模型還不夠成熟以及建立模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難以獲取，因此水土流失評價(jià)模型的推廣與應(yīng)用受到了限制。我國進(jìn)行區(qū)域水土流失評價(jià)大都采用美國通用土壤流失方程(USLE)[3-4]，由于我國侵蝕環(huán)境具有自身的特點(diǎn)，直接應(yīng)用USLE模型不太合適，因此劉寶元等基于USLE模型，結(jié)合我國的實(shí)際構(gòu)建了中國土壤流失預(yù)報(bào)方程(China Soil Loss Erosion，簡稱CSLE)[5]。本研究利用CSLE模型，在構(gòu)建該模型各因子算法適合贛南地區(qū)侵蝕環(huán)境的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對贛南地區(qū)近30年來不同時(shí)期的水土流失進(jìn)行了評價(jià)，為該地區(qū)水土保持規(guī)劃和水土流失綜合防治提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持，對維護(hù)該地區(qū)的生態(tài)安全和保障區(qū)域糧食安全具有重要的意義。

1 評價(jià)方法

劉寶元等基于美國USLE的建模經(jīng)驗(yàn)所建立的中國土壤流失預(yù)報(bào)方程(CSLE)為

式中:A為多年平均土壤流失量，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·a);K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm·a);S為坡度因子，無量綱;L為坡長因子，無量綱;B為水土保持生物措施因子，無量綱;E為水土保持工程措施因子，無量綱;T為水土保持耕作措施因子，無量綱。

根據(jù)贛南地區(qū)侵蝕環(huán)境特征，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，我們對CSLE模型中的各因子算法和值的獲取進(jìn)行了研究，構(gòu)建了針對該區(qū)水土流失評價(jià)的各因子值計(jì)算和獲取方法。在此基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對模型中的各因子值進(jìn)行獲取，然后在ArcGIS軟件的支持下，依據(jù)CSLE模型獲取贛南地區(qū)不同時(shí)期水土流失柵格數(shù)據(jù)，從而對該地區(qū)的水土流失進(jìn)行評價(jià)。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 R值獲取

從1980、1998、2008年贛南地區(qū)18個(gè)觀測站點(diǎn)的日降雨量資料中獲取R值。

2.2 K值獲取

土壤數(shù)據(jù)主要包括土壤類型、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別來源于江西省水土保持科學(xué)研究所和《江西紅壤》、《中國土種志》。K值是在贛南土壤類型矢量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)土種志和土壤圖資料，通過查獲所有土壤類型的理化性質(zhì)(沙粒、粉粒、黏粒、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳含量)計(jì)算得到的。

2.3 SL值獲取

基于覆蓋贛南地區(qū)的1∶5萬地形圖，利用ANUDEM生成贛南地區(qū)的DEM。

2.4 B值獲取

植被數(shù)據(jù)包括覆蓋贛南地區(qū)的1980年MSS、1998年TM和2008年TM及覆蓋贛南地區(qū)25 m分辨率的DEM。

2.5 E值獲取

數(shù)據(jù)包括以縣(區(qū))為單位的1980、1998和2008年各年的基本農(nóng)田面積、經(jīng)果林面積、水平竹節(jié)溝面積、塘壩或山塘數(shù)量、谷坊數(shù)量等。

3 贛南地區(qū)不同時(shí)期水土流失分布特征

利用各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取各因子值數(shù)據(jù)，然后將獲取的各因子值數(shù)據(jù)在ArcInfo下依據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，獲取贛南地區(qū)不同時(shí)期的水土流失分布。

3.1 水土流失的時(shí)間變化

參照水利部《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)，統(tǒng)計(jì)出贛南地區(qū)各時(shí)期不同侵蝕強(qiáng)度的面積分布如表1。

表1 贛南地區(qū)不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度分布 km2

從表1可知各個(gè)時(shí)期不同級別的土壤侵蝕面積分布狀況，總體上土壤侵蝕強(qiáng)度明顯減弱，表明自1980年贛南地區(qū)開始實(shí)施水土保持重點(diǎn)治理工程以來，水土流失得到了有效控制，尤其是中輕度土壤侵蝕面積有了明顯減少，這是因?yàn)橹休p度土壤侵蝕地區(qū)土地資源被破壞程度較輕，所以治理修復(fù)較強(qiáng)烈以上水土流失區(qū)容易。而強(qiáng)烈以上土壤侵蝕面積自1980至2008年總體呈下降趨勢，但1980至1998年正值我國改革開放、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)造成了新的水土流失，致使這一時(shí)期強(qiáng)烈以上土壤侵蝕面積有所增加。1998至2008年隨著國家水土保持重點(diǎn)治理工程的加強(qiáng)和退耕還林還草工程的實(shí)施，強(qiáng)烈以上土壤侵蝕面積呈減少態(tài)勢。

3.2 水土流失的空間變化

利用不同時(shí)期土壤侵蝕的柵格數(shù)據(jù)，在ArcMap下進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，分別獲取1980至1998年、1998至2008年期間的土壤侵蝕變化空間分布圖。由該圖和相關(guān)資料可知，1980至1998年期間侵蝕模數(shù)增大的區(qū)域主要分布在贛南的北部地區(qū)，侵蝕模數(shù)減小的地區(qū)主要分布在贛南的南部地區(qū);1998至2008年侵蝕模數(shù)增大的地區(qū)主要分布在贛南的南部地區(qū)，侵蝕模數(shù)減小的地區(qū)主要分布在贛南的北部地區(qū)。

通過對不同海拔土壤侵蝕變化面積統(tǒng)計(jì)可知:①無論是1980至1998年期間還是1998至2008年期間，海拔150 m以下土壤侵蝕處于惡化的面積都是最小，海拔600 m以上區(qū)域侵蝕變化處于穩(wěn)定的面積都是最大，這是因?yàn)楹０蔚偷牡胤街饕獮樗?、海拔高的地方主要為山地，這些地方受人類活動(dòng)影響小，故能相對穩(wěn)定。②土壤侵蝕惡化和改善的區(qū)域都比較集中地分布在海拔200—450 m的地區(qū)。這主要是因?yàn)橼M南地區(qū)海拔200—450 m是人類活動(dòng)比較集中的區(qū)域，受人類干擾影響很大。在這個(gè)海拔高度范圍內(nèi)，土壤侵蝕狀況改善的主要原因一方面是自然的原因，在無人為干擾的情況下植被正向演替;另一方面是人為的原因，主要是退耕還林和實(shí)施封禁治理的結(jié)果。在海拔200—450 m區(qū)域土壤侵蝕惡化的原因，可能是開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目和不合理的人類生產(chǎn)生活活動(dòng)所致。不同時(shí)段土壤侵蝕惡化現(xiàn)象在海拔600 m以上的地區(qū)也有分布，這可能是人為或自然的火燒山使得植被遭到破壞所致。

3.3 土壤侵蝕主控因子分析

在影響土壤侵蝕的因子中，降雨是氣候因子，是造成土壤侵蝕的原動(dòng)力，是主要的驅(qū)動(dòng)因子，而土壤可蝕性、地形、水土保持生物措施和水土保持工程措施4個(gè)因子都是陸地表面因子，其中:土壤可蝕性因子是通過對土壤質(zhì)地和土壤孔隙度的改善來減小降雨對土壤的侵蝕的;地形因子是通過改變降雨徑流的二次分配影響土壤侵蝕的;水土保持生物措施因子和水土保持工程措施因子一方面是通過增加地表粗糙度、改變微地形、減小降雨對地表的擊濺、降低徑流二次分配動(dòng)能來減小土壤侵蝕的，另一方面是通過生物代謝作用改良土壤來影響土壤可蝕性的。為了分析地形、土壤、水土保持生物措施和水土保持工程措施因子對土壤侵蝕的影響程度，在ArcMAP支持下，用分析工具(Analysis Tools)中的隨機(jī)布點(diǎn)(generate random points)函數(shù)，在工作區(qū)域隨機(jī)布設(shè)100個(gè)樣點(diǎn)，得到樣點(diǎn)分布圖層，然后把該圖層分別與各因子圖疊加，利用gridspot工具分別在相應(yīng)圖層上獲取相應(yīng)分布點(diǎn)的值，采用SPSS軟件分析不同時(shí)期各因子對土壤侵蝕的影響程度，從而得到如表2所示的各因子與土壤侵蝕的相關(guān)系數(shù)。

表2 不同時(shí)期各因子與土壤侵蝕的相關(guān)系數(shù)

從表2可以看出，不同時(shí)期地表各因子對土壤侵蝕影響程度的顯著性不同:1980年土壤可蝕性、地形和水土保持生物措施因子與土壤侵蝕的相關(guān)性都表現(xiàn)為顯著，其中土壤可蝕性、水土保持生物措施因子與土壤侵蝕的相關(guān)性表現(xiàn)為極顯著;1998年土壤可蝕性和水土保持生物措施因子與土壤侵蝕的相關(guān)性表現(xiàn)為極顯著;2008年只有土壤可蝕性因子與土壤侵蝕的相關(guān)性表現(xiàn)為極顯著。所以，從1980到1998再到2008年，地表各因子與土壤侵蝕的顯著性關(guān)系越來越差，結(jié)合土壤侵蝕的影響因子和土壤侵蝕動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，可知隨著贛南地區(qū)水土流失面積的逐漸減小，土壤侵蝕強(qiáng)度在逐漸變?nèi)?，對土壤侵蝕影響顯著的地表因子也越來越少。這主要是由于1980年以來隨著贛南地區(qū)水土流失治理力度的逐漸加大，植被狀況得到明顯改善，微地形也得到了改觀，所以水土保持生物措施和地形因子對土壤侵蝕的影響越來越小。紅壤是贛南地區(qū)的主要土壤，其可蝕性強(qiáng)，在短時(shí)間內(nèi)其主要特性很難改變，因而土壤可蝕性因子就成為影響該區(qū)土壤侵蝕的主導(dǎo)因子。

從以上可以看出，不同時(shí)期的土壤侵蝕主導(dǎo)因子有所不同:1980年影響土壤侵蝕的主導(dǎo)因子有土壤可蝕性、水土保持生物措施和地形因子，1998年的主導(dǎo)因子有土壤可蝕性和水土保持生物措施因子，2008年只有土壤可蝕性因子。這說明加強(qiáng)水土流失治理可以減少影響土壤侵蝕的主導(dǎo)因子，反之可以針對不同時(shí)期影響土壤侵蝕的主導(dǎo)因子進(jìn)行有針對性的治理，從而使治理收到更好的效果。

3.4 贛南地區(qū)土壤侵蝕預(yù)測

利用式(1)模型對贛南地區(qū)的土壤侵蝕進(jìn)行預(yù)測。在影響土壤侵蝕的因子中，降雨、地形、土壤都是自然因子，短時(shí)間內(nèi)受人類活動(dòng)影響很小，而植被和水土保持措施則隨著土地利用和植被覆蓋的變化差異很大，受人類活動(dòng)影響明顯。所以，研究中以水土保持生物措施和工程措施因子為對象，分析其在無人類干擾和人類采取有利措施保護(hù)下未來一段時(shí)間內(nèi)的變化，進(jìn)而分析在其影響下的土壤侵蝕變化趨勢。

3.4.1 土壤侵蝕因子值的確定

(1)B值的確定。根據(jù)對贛南現(xiàn)狀的調(diào)查和植被演替規(guī)律，結(jié)合地形條件，在2008年土地利用和植被蓋度的基礎(chǔ)上和在ArcGIS的Workstation支持下，利用AML語言編寫程序，計(jì)算獲取贛南地區(qū)未來10年和30年的植被蓋度狀況，并賦予相應(yīng)的B值。

(2)E值的確定。水土保持工程在蓄水?dāng)r沙方面具有其他措施不可替代的作用。贛南地區(qū)的水土流失多分布在低山丘陵區(qū)，在這些地區(qū)布設(shè)的工程措施一般為谷坊和水平竹節(jié)溝。因此，利用贛南地區(qū)土地利用和植被演替恢復(fù)時(shí)間，結(jié)合已經(jīng)實(shí)施的水土保持工程、1983年以來中央對贛南水土流失治理投資增長比例和各縣(區(qū))水土流失治理面積的增長比例、各縣(區(qū))現(xiàn)狀水土流失面積，對未來10年、30年贛南各縣(區(qū))水土保持工程措施潛在治理面積進(jìn)行計(jì)算，并用E值計(jì)算方法得到相應(yīng)的E值。

3.4.2 土壤侵蝕變化趨勢

在獲取土壤侵蝕影響因子值的基礎(chǔ)上，利用式(1)獲取未來10年和30年的土壤侵蝕強(qiáng)度及面積分布。在獲取未來不同時(shí)期土壤侵蝕分布圖的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件功能，依據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》，對獲取的未來不同時(shí)期的土壤侵蝕分布圖的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到未來不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果(表3)。

從表3可以看出，在未來的10和30年里，微度侵蝕的面積將不斷增加，輕度以上的侵蝕面積將不斷減少。10年后和30年后贛南地區(qū)水土流失面積分別為3 563和1 693 km2;強(qiáng)烈以上侵蝕面積分別為956和453 km2。與2008年相比，10年后水土流失面積減少44.8%，30年后水土流失面積減少74.4%;從空間格局上分析，10年后和30年后的水土流失區(qū)主要分布在河道兩側(cè)，因?yàn)檫@里主要是人類居住的區(qū)域，受人類活動(dòng)影響最大，易造成水土流失。

表3 預(yù)測未來不同時(shí)期贛南地區(qū)土壤侵蝕狀況 km2

4 結(jié)語

(1)1980年以來，贛南地區(qū)水土流失面積和土壤侵蝕模數(shù)在逐漸減小，尤其是近10年來水土流失面積減小的速度在加快，這說明近30年來特別是近10年來，贛南地區(qū)水土流失治理迅速，效果明顯。但是，目前贛南地區(qū)水土流失仍然比較嚴(yán)重，尤其是強(qiáng)烈以上的侵蝕面積所占比重較大。

(2)降雨是水土流失的源動(dòng)力，是水土流失的主要控制因子。水土流失的地表各因子在不同時(shí)期對水土流失影響的主導(dǎo)程度不同。如1980年影響水土流失的地表主導(dǎo)因子有土壤可蝕性、水土保持生物措施和水土保持工程措施因子，1998年主導(dǎo)因子就變成了土壤可蝕性和水土保持生物措施因子，到2008年主導(dǎo)因子就只有土壤可蝕性因子了。這說明隨著區(qū)域水土流失治理程度的提高，影響水土流失的主導(dǎo)因子會(huì)逐漸變少，據(jù)此可以針對不同時(shí)期影響水土流失的主導(dǎo)因子進(jìn)行綜合治理，從而使治理收到更好的效果。

(3)以水土保持生物措施和工程措施因子作為水土流失變化的主導(dǎo)因子，以現(xiàn)階段的治理水平和速度，對贛南地區(qū)未來10年和30年的水土流失狀況進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果是，在未來的10年和30年里，贛南地區(qū)的水土流失面積將會(huì)進(jìn)一步減小，尤其是強(qiáng)烈以上的流失面積減小迅速，這說明贛南地區(qū)水土流失潛在可治理面積還比較大，需要進(jìn)一步加強(qiáng)綜合治理。

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