1980
—2010年間安徽省土壤侵蝕動(dòng)態(tài)演變及預(yù)測(cè)①

趙明松，李德成，張甘霖*（1 安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽淮南 3001； 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 10008）

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1980
—2010年間安徽省土壤侵蝕動(dòng)態(tài)演變及預(yù)測(cè)①

趙明松1，2，李德成2，張甘霖2*
（1 安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽淮南 232001；2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

摘 要：基于修正的通用土壤流失方程（RUSLE）和GIS技術(shù)，定量分析了1980年、2000年、2010年安徽省土壤侵蝕空間分布及動(dòng)態(tài)變化特征，并利用馬爾柯夫模型預(yù)測(cè)了未來30年土壤侵蝕變化趨勢(shì)。利用GIS空間分析方法進(jìn)一步探討了土壤侵蝕強(qiáng)度空間變化與高程、坡度等地形因子間的關(guān)系。結(jié)果表明：1）1980—2010年安徽省土壤侵蝕狀況明顯改善，平均土壤侵蝕模數(shù)由1980年的461.09 t/（km2·a）減少為2010年的245.26 t/（km2·a）；相應(yīng)的侵蝕總量由6 199.92萬t/a減少為3 297.84萬t/a。全省微度侵蝕面積增加了8 188.65 km2；強(qiáng)度以上侵蝕面積減少了1 576.93 km2。2）安徽省3個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布規(guī)律一致，侵蝕強(qiáng)度由北向南逐漸加劇?；幢迸c沿淮平原、江淮丘陵崗地以微度土壤侵蝕為主，皖南丘陵山區(qū)和皖西大別山區(qū)以強(qiáng)度侵蝕為主。3）1980—2010年全省土壤侵蝕等級(jí)減弱面積達(dá)11 762.83 km2，侵蝕等級(jí)加劇面積僅811.21 km2。土壤侵蝕空間變化主要分布在200 ～ 500 m和15° ～ 25°區(qū)域。土壤侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)化逐級(jí)進(jìn)行，主要以向侵蝕程度較弱等級(jí)轉(zhuǎn)化為主，僅有少量微度侵蝕向侵蝕強(qiáng)度較強(qiáng)等級(jí)轉(zhuǎn)化。4）根據(jù)馬爾柯夫方法預(yù)測(cè)，未來 30年安徽省土壤侵蝕狀況逐漸減輕，微度土壤侵蝕面積逐漸增加，其他侵蝕等級(jí)的面積持續(xù)減少。

關(guān)鍵詞：RUSLE；土壤侵蝕；馬爾柯夫模型；動(dòng)態(tài)演變；安徽省

土壤侵蝕是土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外力作用下，被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程，是當(dāng)今人類面臨的一種最普遍、持續(xù)性最強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害［1］。它不僅破壞土地資源，造成河床淤積，加劇旱澇等災(zāi)害，還污染水體，導(dǎo)致土壤肥力降低、農(nóng)作物減產(chǎn)。土壤侵蝕制約了區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。定量評(píng)估區(qū)域土壤侵蝕、揭示其空間動(dòng)態(tài)演變特征是防治區(qū)域水土流失的基礎(chǔ)。

土壤侵蝕時(shí)空變化研究主要有兩類常用的方法。一類主要利用RS技術(shù)、地形數(shù)據(jù)結(jié)合野外調(diào)查，提取不同土壤侵蝕類型及強(qiáng)度與遙感、地形等數(shù)據(jù)的知識(shí)規(guī)則，推測(cè)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布，研究不同侵蝕強(qiáng)度區(qū)域的演變規(guī)律。McHugh［2］通過野外調(diào)查研究了1999—2002年英格蘭和威爾士的旱地土壤侵蝕變化概況。Nigel和Rughooputh［3］利用研究區(qū)土壤侵蝕與環(huán)境因子間的知識(shí)規(guī)則，通過決策樹方法評(píng)價(jià)了毛里求斯島逐月土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)和敏感性。Prasuhn［4］利用10年野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)分析了瑞士中部地區(qū)土壤侵蝕變化。國內(nèi)研究主要集中在小流域和縣級(jí)尺度上，如山西晉西洪水溝小流域［5］、四川省李子溪流域［6］、三峽庫區(qū)紫色巖小流域［7］等地的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化?？h級(jí)尺度上，如安徽省岳西縣［8-9］、江西省興國縣和余江縣［10-11］、西藏中部地區(qū)［12］等地土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化。該類方法中調(diào)查者的專業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和選擇的不同時(shí)段的遙感影像等都會(huì)影響侵蝕強(qiáng)度判別規(guī)則的建立以及評(píng)價(jià)結(jié)果，且該方法只能確定土壤侵蝕強(qiáng)度的面積及變化，無法研究侵蝕模數(shù)和總量的變化。

另一類方法，主要基于土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型和GIS、RS技術(shù)，獲取土壤侵蝕各因子，評(píng)價(jià)不同時(shí)期的土壤侵蝕模數(shù)、侵蝕量和侵蝕強(qiáng)度分布，研究土壤侵蝕模數(shù)、侵蝕量和侵蝕強(qiáng)度的空間演變特征。通用土壤流失方程（universal soil loss equation，USLE）、修正的通用土壤流失方程（revised universal soil loss equation，RUSLE）等是常用的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，在近期的土壤侵蝕時(shí)空變化研究中應(yīng)用較多。Park等［13］基于RUSLE模型研究了1985—2005年韓國土壤侵蝕危害變化。Meshesha等［14］基于USLE模型研究了1973—2006年埃塞俄比亞南部的Central Rift Valley地區(qū)土壤侵蝕變化。Alkharabsheh等［15］基于RUSLE模型研究了1992—2009年約旦北部某農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤侵蝕變化對(duì)土地覆蓋變化的響應(yīng)。國內(nèi)研究主要集中在流域或省域尺度上，如三江平原［16］、鄱陽湖流域［17］、延河流域［18］、岷江上游［19］、江西省［20］等地的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)演變。該類方法的可靠性主要取決于土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型在研究區(qū)域的適用性。

據(jù)全國第一、二次水土流失遙感調(diào)查，安徽省水土流失面積占總面積的 20.67% 和 13.45%［21］。有關(guān)安徽省土壤侵蝕空間動(dòng)態(tài)變化的研究報(bào)道較少。李德成等［8］利用RS資料研究了安徽省岳西縣1958—1992年土壤侵蝕變化。郝李霞等［9］利用岳西縣 1958年、1982年、1992年水土流失調(diào)查圖和2004年遙感影像分析了該區(qū)域近50年土壤空間侵蝕變化特征。張乃夫［22］利用“3S”技術(shù)和 ULSE研究了安徽省新安江流域2000—2010年的土壤侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化。隨著“中部崛起”戰(zhàn)略實(shí)施，安徽省近年來城鎮(zhèn)化和交通建設(shè)發(fā)展迅猛，不可避免地引起或破壞地表植被，引起新的水土流失。程先富和余芬［23］、趙明松等［24］研究均表明RULSE模型在安徽省土壤侵蝕研究的預(yù)測(cè)精度較可靠。因此，本研究利用1980年、2000年、2010年的降雨、土壤、地形、土地利用等數(shù)據(jù)，借助RUSLE和GIS空間分析方法，定量評(píng)價(jià)1980年、2000年和2010年安徽省土壤侵蝕的空間分布特征，揭示近30年來土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化特征，預(yù)測(cè)土壤侵蝕演變趨勢(shì)，為水土流失防治和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與保護(hù)提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

安徽省地跨長江、淮河中下游，介于 114°54′ ～119°37′E，29°41′ ～ 34°38′N，總面積為13.96萬km2。全省地處亞熱帶與暖溫帶的過渡地區(qū)，年均氣溫14 ～

16°C，年均降水量800 ～ 1 800 mm，總體上由北向南增加。全省地勢(shì)西南高、東北低，海拔6 ～ 1 864 m，地形地貌南北迥異，分為淮北與沿淮平原、江淮丘陵崗地、皖西大別山區(qū)、沿江平原區(qū)和皖南丘陵山區(qū)5個(gè)地理區(qū)域。省內(nèi)主要分布著潮濕雛形土、水耕人為土、濕潤淋溶土、正常新成土、正常有機(jī)土等。省內(nèi)淮河以北以小麥-玉米（大豆）為主，淮河、長江流域以小麥（油菜）-晚稻輪作為主，皖西和皖南山區(qū)為林、茶為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要使用以下數(shù)據(jù)：①1980年、2000年、2010年安徽省78個(gè)市縣級(jí)氣象站降雨量數(shù)據(jù)，來源于安徽省氣象信息中心；②安徽省1︰50萬土壤圖及《安徽土種》，來源于安徽省土壤普查辦公室；③數(shù)字高程模型 SRTM DEM，90 m空間分辨率（http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp）；④1980年、2000年、2010年全省土地利用圖，由Landsat TM影像監(jiān)督分類獲得；⑤2010年全省典型土壤類型理化性質(zhì)，來源于國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制”中安徽省土系調(diào)查的206個(gè)典型樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集，采樣時(shí)間為2010 —2011年。

1.3 RUSLE模型及因子確定

本研究采用RUSLE模型評(píng)價(jià)安徽省3個(gè)時(shí)期土壤侵蝕空間分布特征：

式中：A 為土壤侵蝕量，單位 t/（km2·a）；R 為降雨侵蝕力因子，單位 MJ mm/（hm2·h·a）；K 為土壤可蝕性因子，單位 t·hm2·h/（MJ·hm2·mm）；LS 為坡長坡度因子，無量綱；C 為植被覆蓋與管理因子，無量綱；P 為水土保持措施因子，無量綱。

1.3.1 R因子 安徽省和福建省同屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，氣候條件較相似，本研究采用周伏建等［25］提出公式計(jì)算R值。利用全省氣象站點(diǎn)的年降雨量，計(jì)算各站點(diǎn)3個(gè)時(shí)期的R值，再用ArcGIS插值生成各時(shí)期R值的空間分布。1980年、2000年、2010年全省R值平均為445.42 ± 137.68、379.61 ± 52.84、362.30 ± 118.48 MJ·mm/（hm2·h·a）。

1.3.2 K因子 采用Williams等在EPIC模型中的估算方法，并根據(jù)文獻(xiàn)［26-27］的研究成果，進(jìn)行修訂。本研究利用《安徽土種》中記錄的第二次土壤普查時(shí)期典型剖面的屬性數(shù)據(jù)計(jì)算1980年的K值，利用安徽省土系調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算2010年的K值。在ArcGIS中與土壤類型圖斑鏈接生成K值空間分布圖，并轉(zhuǎn)為柵格形式。在ArcGIS中將1980年和2010年的K值分布圖取均值代替2000年的K值。1980年和2010年全省土壤K值平均為0.1154 ± 0.0298 t·hm2·h/（MJ·hm2·mm）和0.0761 ± 0.0427 t·hm2·h/（MJ·hm2·mm）。

1.3.3 LS因子 在流域尺度上，LS因子可利用DEM 提取。本研究中 L因子采用 Wischmeier和Smith［28］提出的公式計(jì)算。S因子采用分段計(jì)算：緩坡（＜ 14°）采用McCool等［29］提出的公式，陡坡（≥14°）采用Liu等［30］提出的公式。詳細(xì)公式參見文獻(xiàn)［28-30］。1.3.4 C因子和 P因子 區(qū)域尺度上常根據(jù)對(duì)土地利用圖進(jìn)行賦值獲取 C和 P因子。參考以往研究［23， 31］，根據(jù)安徽省土地利用情況，確定各土地利用類型平均C值：旱地為0.31，居民地為0.2，水田為0.18，草地為0.06，疏林地為0.017，林地為0.006，裸巖為0。P因子賦值如下：林地、疏林地和草地為1，旱地為0.35，水田為0.15，居民用地和裸巖均為0。

本研究中土壤侵蝕各因子的空間分辨率統(tǒng)一為100 m。利用RUSLE模型和ArcGIS空間分析功能，生成安徽省1980年、2000年和2010年土壤侵蝕空間分布圖，統(tǒng)計(jì)全省和各地理區(qū)域的土壤侵蝕狀況。參考水利部《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190—2007）進(jìn)行重分類，得到3個(gè)時(shí)期全省土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖，利用ArcGIS空間分析功能研究不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)演變特征，進(jìn)一步探討土壤侵蝕空間變化與高程、坡度的關(guān)系。本研究中假定30年間安徽省水域面積不變，未納入研究范圍。

1.4 馬爾柯夫預(yù)測(cè)方法

馬爾柯夫方預(yù)測(cè)方法通過對(duì)各個(gè)時(shí)刻事件不同狀態(tài)的初始概率及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，來研究不同狀態(tài)的變化趨勢(shì)［32］。該方法在土壤侵蝕演變、土地利用變化等領(lǐng)域中應(yīng)用較多［8-9］。該方法預(yù)測(cè)土壤侵蝕演變的關(guān)鍵在于確定各侵蝕等級(jí)間的相互轉(zhuǎn)移的概率矩陣T。計(jì)算轉(zhuǎn)移概率矩陣T，就是求出從狀態(tài)Ei轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)Ej的轉(zhuǎn)移概率Tij（i，j=1，2，……，n）。一般采用頻率近似概率的思想求出每個(gè) Tij。具體計(jì)算過程參見文獻(xiàn)［32］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 全省 安徽省 1980年土壤侵蝕總量為6 199.92萬t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為461.09 t/（km2·a）；2000年侵蝕總量為4 773.54萬t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為355.01 t/（km2·a）；2010年侵蝕總量為3 297.84 萬t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為245.26 t/（km2·a）。與1980年相比，2000年和2010年全省平均侵蝕模數(shù)和侵蝕總量分別減少了23.01% 和46.81%。自1980年以來全省土壤侵蝕狀況好轉(zhuǎn)，侵蝕總量和平均侵蝕模數(shù)均呈降低趨勢(shì)。

圖1為安徽省1980年、2000年和2010年土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖。3個(gè)時(shí)期全省土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布格局相似，以微度侵蝕為主，侵蝕強(qiáng)度由北至南逐漸加劇。中度及強(qiáng)度侵蝕主要分布在皖南丘陵山區(qū)和皖西大別山區(qū)，微度侵蝕主要分布在淮北與沿淮平原、江淮丘陵和沿江平原，這與程先富和余芬［23］的研究結(jié)果一致。全省土壤侵蝕空間格局主要受地形特征主導(dǎo)，南部和西部多為山區(qū)丘陵，地形起伏較大；北部多為平原地勢(shì)平坦。此外，全省降雨量南多北少的空間格局，一定程度上也加劇了土壤侵蝕的空間分布格局。

表1為不同時(shí)期土壤侵蝕概況統(tǒng)計(jì)。從侵蝕面積來看，1980年、2000年和2010年全省微度侵蝕面積不斷增加，分別占全省陸地總面積的84.01%、87.20% 和90.10%。全省其他侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的面積逐漸減少，其中強(qiáng)度及強(qiáng)度侵蝕以上的面積在 3個(gè)時(shí)期分別為3 097.81、2 332.25 km2和1 520.88 km2，占總面積的2.29%、1.73% 和1.13%。30年以來全省微度侵蝕面積增加了8 188.65 km2，增幅達(dá)7.25%；強(qiáng)度以上侵蝕面積減少了1 576.93 km2，減幅達(dá)50% 以上。1980—2010年全省不同侵蝕強(qiáng)度的面積，總體上由高等級(jí)侵蝕向低等級(jí)侵蝕轉(zhuǎn)移。

從侵蝕量上看，自1980年以來各侵蝕等級(jí)的侵蝕量總體上呈減少趨勢(shì)，其中微度和中度侵蝕量先增加后減小。劇烈、極強(qiáng)度和輕度侵蝕量減少較多，分別為784.63、755.93和677.70萬t/a，減幅達(dá)86.77%、56.35%和 41.13%。強(qiáng)度侵蝕面積雖然較小，但其侵蝕模數(shù)較大，進(jìn)而使其對(duì)全省侵蝕量的貢獻(xiàn)也較大。1980年全省土壤侵蝕量主要貢獻(xiàn)是輕度和極強(qiáng)度侵蝕，其侵蝕量占全省侵蝕總量的25.68% 和21.64%。到2000年和2010年，全省土壤侵蝕量的主要貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)為微度和輕度侵蝕，二者之和均占侵蝕總量的 40%以上。劇烈和極強(qiáng)度侵蝕量對(duì)全省侵蝕量的貢獻(xiàn)逐漸減小，所占比例由1980年的14.58% 和21.64% 減少為3.63% 和17.76%。上述結(jié)果表明，近30年來安徽省土壤侵蝕逐漸減弱，水土保持成效顯著。

2.1.2 各地理區(qū)域 表2為安徽省5大地理區(qū)域不同時(shí)期的土壤侵蝕量統(tǒng)計(jì)。1980—2010年，各地理區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度差異較大，其中皖南丘陵山區(qū)和皖西大別山區(qū)土壤侵蝕最嚴(yán)重，3個(gè)時(shí)期的平均土壤侵蝕強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于全省平均水平；淮北與沿淮平原侵蝕最弱，平均土壤侵蝕強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于全省平均水平，平均侵蝕模數(shù)均不足 100 t/（km2·a）（表 2）。不同地理區(qū)域的平均土壤侵蝕模數(shù)最大相差約 10 ～ 30倍。皖南丘陵山區(qū)和皖西大別山區(qū)的土壤侵蝕總量最大，二者之和占全省侵蝕總量的70% 以上。

圖1 安徽省土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil erosion intensity in Anhui Province

表1 安徽省土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of soil erosion in Anhui Province

表2 1980—2010年各地理區(qū)域土壤侵蝕量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of soil erosion in various geographic areas from 1980 to 2010

從各地理區(qū)域的平均土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕總量的變化來看，1980年以來各地理區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度總體上減弱。各地理區(qū)域減小的幅度存在明顯差異，其中淮北與沿淮平原的土壤侵蝕先加劇再減弱，其他區(qū)域侵蝕強(qiáng)度逐漸減弱。從1980—2010年，皖西大別山區(qū)和皖南丘陵山區(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)變化較大，分別減少871.11 t/（km2·a）和420.57 t/（km2·a），侵蝕量分別減少1 155.68萬t和1 227.07萬t。淮北與沿淮平原和沿江平原的平均土壤侵蝕模數(shù)分別減少43.85 t/（km2·a）和65.50 t/（km2·a），侵蝕量分別減少208.11萬t和98.62萬t。

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度空間演變特征

2.2.1 1980—2000年土壤侵蝕空間變化特征 圖2為安徽省土壤侵蝕強(qiáng)度空間變化分布圖，表 3為1980—2000年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣。1980—2000年，全省土壤侵蝕狀況總體上減輕，土壤侵蝕強(qiáng)度變化區(qū)域主要分布在皖西大別山區(qū)和皖南丘陵山地區(qū)。土壤侵蝕減弱的面積達(dá)7 416.13 km2，其中土壤侵蝕減弱一個(gè)等級(jí)（如輕度侵蝕轉(zhuǎn)化為微度侵蝕）的面積為7 378.82 km2，減弱兩個(gè)及兩個(gè)等級(jí)以上的面積僅為37.31 km2。土壤侵蝕加劇的面積為446.56 km2，主要分布在皖南山區(qū)的地形起伏較大區(qū)域，其中侵蝕強(qiáng)度增加一個(gè)等級(jí)（如微度侵蝕轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕）的面積為285.25 km2，侵蝕強(qiáng)度增加兩個(gè)及兩個(gè)等級(jí)以上的面積為161.31 km2。

圖2 安徽省土壤侵蝕強(qiáng)度變化空間分布Fig.2 Spatial distribution of changes in soil erosion intensity in Anhui Province

表3 安徽省1980—2000年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣（km2）Table 3 Transition matrixes of various soil erosion grade area from 1980 to 2000 in Anhui Province

從不同土壤侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移方向看，微度土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積較少，不足自身面積的1%，僅有少量面積向輕度、中度侵蝕轉(zhuǎn)移。輕度侵蝕轉(zhuǎn)移面積占28.24%，主要向微度侵蝕轉(zhuǎn)移，僅有少量面積轉(zhuǎn)化為侵蝕程度較強(qiáng)的等級(jí)。中度及中度侵蝕等級(jí)以上的轉(zhuǎn)移面積較大，且向各侵蝕等級(jí)均有轉(zhuǎn)移。中度土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積占48.83%，主要向輕度侵蝕轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積占45.98%。強(qiáng)度土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積占69.41%，主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)移；僅有極少量面積轉(zhuǎn)化為極強(qiáng)度侵蝕，不足12 km2。極強(qiáng)度土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積占63.82%，主要向強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移；僅有極少量面積轉(zhuǎn)化為劇烈侵蝕，不足1 km2。劇烈土壤侵蝕主要向極強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移，面積占69.58%。

2.2.2 2000—2010年土壤侵蝕空間變化特征 表4 為 2000—2010年的土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣。與過去20年相比，2000—2010年全省土壤侵蝕狀況總體上持續(xù)減輕，各侵蝕等級(jí)間均有相互轉(zhuǎn)移；土壤侵蝕空間變化格局相似，變化區(qū)域主要分布在皖西和皖南山區(qū)（圖2右）。全省土壤侵蝕減弱的面積達(dá)7 564.49 km2，其中侵蝕減弱一個(gè)等級(jí)的面積為6 262.07 km2，減弱兩個(gè)及兩個(gè)等級(jí)以上的面積僅為1 302.42 km2。土壤侵蝕加劇的面積為2 512.87 km2，主要分布在皖南山區(qū)的地形起伏較大區(qū)域，其中侵蝕強(qiáng)度增加一個(gè)等級(jí)的面積為2 424.36 km2，侵蝕強(qiáng)度增加兩個(gè)及兩個(gè)等級(jí)以上的面積僅為88.51 km2。這一時(shí)期全省土壤侵蝕空間變化范圍較大，侵蝕減弱和加劇的面積均高于過去20年。這與張乃夫［22］的研究結(jié)果相一致，該研究表明 2000年以后安徽省新安江流域土壤侵蝕狀況減輕，無論在面積和分布范圍上侵蝕變化均較大，其中侵蝕面積總體減少14.65%，其中輕度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度侵蝕面積減少較多分別為23.48%、81.04% 和42.44%。

表4 安徽省2000—2010年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣（km2）Table 4 Transition matrixes of various soil erosion grade area from 2000 to 2010 in Anhui Province

2000—2010年，全省微度土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積較少，轉(zhuǎn)移面積占 1.56%，主要轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，面積達(dá)1 771.69 km2，僅有少量面積向中度和強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移。輕度侵蝕轉(zhuǎn)移面積占40.52%，主要向微度土壤侵蝕轉(zhuǎn)移，僅有少量面積轉(zhuǎn)化為侵蝕程度較強(qiáng)的等級(jí)。中度侵蝕轉(zhuǎn)移面積占 70.73%，向輕度和微度侵蝕轉(zhuǎn)移的面積分別占 31.77% 和 26.70%。強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移面積占 73.20%，主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)移。極強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移面積占 62.57%，主要向強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移。劇烈土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積占79.17%，主要向極強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移。

綜上分析，安徽省近 30年土壤侵蝕總體上明顯改善，侵蝕減弱的總面積達(dá)11 762.83 km2，侵蝕加劇的面積僅811.21 km2。土壤侵蝕變化呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：微度侵蝕僅有少量面積向侵蝕強(qiáng)度較強(qiáng)等級(jí)轉(zhuǎn)化，其他侵蝕等級(jí)主要向侵蝕程度較弱等級(jí)轉(zhuǎn)化；隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增加，侵蝕轉(zhuǎn)移的面積占本侵蝕強(qiáng)度面積的比例逐漸增加；土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移是逐級(jí)轉(zhuǎn)化的。

2.3 土壤侵蝕動(dòng)態(tài)演變預(yù)測(cè)

表5為2000—2010年全省土壤侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移概率矩陣。表 6為利用馬爾柯夫模型預(yù)測(cè)的全省未來30年各土壤侵蝕等級(jí)的面積。結(jié)果表明，若按現(xiàn)在的土壤侵蝕狀況和水土保持措施發(fā)展下去，未來 30年全省土壤侵蝕狀況總體上逐漸減輕：微度土壤侵蝕面積逐漸增加，其他侵蝕等級(jí)的面積持續(xù)減少，其中輕度以上侵蝕面積變化較明顯，說明目前的水土保持措施較得當(dāng)。

表5 安徽省2000—2010年土壤侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移概率矩陣（%）Table 5 Transition probability matrixes of various soil erosion grades from 2000 to 2010 in Anhui Province

表6 安徽省不同土壤侵蝕等級(jí)面積的預(yù)測(cè)（km2）Table 6 Prediction of soil erosion areas at different levels in Anhui Province

全省微度土壤侵蝕面積，到 2020年增加到125 595.79 km2，占總面積的93.41%；預(yù)計(jì)到2040年增加到總面積的94.89%。輕度土壤侵蝕，到2020年減少到總面積的5.60%，比2010年減少2 934.23 km2；預(yù)計(jì)到2040年減少到總面積的4.57%。輕度以上土壤侵蝕面積總和，到2020年減少到總面積的1% 以下，預(yù)計(jì)到2040年減少到總面積的0.5% 以下。與2010年相比，2020年輕度以上土壤侵蝕面積減少幅度較大，均減少一半以上。

3 討論

地形是影響土壤侵蝕的自然要素，它控制著地表物質(zhì)和能量的再分配，決定著地表徑流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向。陳明華等［33］在5° ～ 26°坡度范圍的人工擾動(dòng)土和5° ～ 37°坡度范圍的自然原狀土的試驗(yàn)表明不同坡度等級(jí)的土壤侵蝕量相差2 ～ 3倍。表7、表8為近30年土壤侵蝕強(qiáng)度變化區(qū)域在不同海拔、坡度帶的分布面積。1980—2000年和2000—2010年全省土壤侵蝕變化面積在不同海拔帶、坡度帶存在明顯差異。不同高程帶上，土壤侵蝕加劇和減弱的面積均在200 ～500 m區(qū)域最大，以此為中心向上、向下遞減。不同坡度帶上，侵蝕加劇和減弱的面積均在15° ～ 25°區(qū)域最大，以此為中心向上、向下遞減。該區(qū)域是全省土壤侵蝕變化的敏感區(qū)域，無論是侵蝕加劇還是減弱都極易發(fā)生。坡耕地開墾極易引發(fā)水土流失，特別在15°以上的順坡開墾方式，25°以上開墾造成水土流失的概率為100%。因此＞ 25°區(qū)域嚴(yán)禁農(nóng)業(yè)開墾，5° ～25°為保護(hù)性開墾，宜采用橫坡耕作或梯田耕作，并輔助等高籬、田埂保護(hù)等植物措施。因此全省應(yīng)在該區(qū)域加強(qiáng)水土保持政策的宣傳和侵蝕治理工作。

表7 不同高程帶土壤侵蝕變化面積Table 7 Area changes of soil erosion intensity at different elevation zones

表8 不同坡度帶土壤侵蝕變化面積Table 8 Area changes of soil erosion intensity at different slope levels

近30年來，安徽省土壤侵蝕狀況總體減弱，這主要與當(dāng)?shù)氐乃帘３种卫砉ぷ髅懿豢煞?。?1980年以后，全省水土保持工作逐步恢復(fù)并走入正軌，尤其是近年來，在各級(jí)黨委、政府的正確領(lǐng)導(dǎo)和大力支持下，水土保持工作進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。80年代以來全省累計(jì)治理水土流失面積112萬hm2，其中建設(shè)水平梯田8.17萬hm2，水保林28萬hm2，經(jīng)濟(jì)林14.49萬hm2，種草0.77萬hm2，封禁治理57.03萬hm2，其他措施3.57萬hm2［21］。

在水土流失嚴(yán)重的皖西和皖南丘陵山區(qū)，地形因素主導(dǎo)著土壤侵蝕特征［23］。對(duì)于地形平緩的地區(qū)（如＜15°），可以通過相應(yīng)的保護(hù)性開墾，減少水土流失同時(shí)解決山區(qū)人民的生活生產(chǎn)需求。如安徽黃山地區(qū)、岳西縣等地的茶葉梯田，潛山縣高標(biāo)準(zhǔn)石埂田。自1998年，通過國債項(xiàng)目，全省有2個(gè)市、3個(gè)縣和23條小流域被命名為全國水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)“十百千”示范城市、示范縣和示范小流域［21］，這些地方主要分布在皖西和皖南山區(qū)。合理的水土保持措施、政策的大力支持是全省尤其是皖西和皖南山區(qū)土壤侵蝕減弱的主要原因。

馬爾柯夫模型是利用某一變量的現(xiàn)狀和動(dòng)向預(yù)測(cè)未來狀態(tài)的一種分析手段，主要關(guān)注變量的前后狀態(tài)，忽略鄰域變量的狀態(tài)對(duì)其轉(zhuǎn)移規(guī)律的影響。因此，該方法僅能預(yù)測(cè)變量的變化結(jié)果，無法預(yù)測(cè)變化結(jié)果的空間分布，但其計(jì)算結(jié)果可作為多種方法的一種對(duì)比。元胞自動(dòng)機(jī)和元胞自動(dòng)機(jī)-馬爾柯夫模型是目前較流行的土壤侵蝕和土地利用空間變化模擬方法，今后的工作需在該領(lǐng)域繼續(xù)深入研究。

4 結(jié)論

1980—2010年，安徽省土壤侵蝕狀況好轉(zhuǎn)，平均侵蝕模數(shù)和侵蝕總量均呈逐漸降低趨勢(shì)。皖西大別山區(qū)和皖南丘陵山區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)變化較大，淮北與沿淮平原和沿江平原的土壤侵蝕模數(shù)變化較小。30年來全省微度侵蝕面積增加了8 188.65 km2；強(qiáng)度以上侵蝕面積減少了1 576.93 km2。

1980年、2000年和2010年，全省以微度侵蝕為主，侵蝕強(qiáng)度空間分布規(guī)律一致，侵蝕強(qiáng)度由北向南逐漸加劇。1980—2010年，全省土壤侵蝕狀況明顯改善，侵蝕強(qiáng)度減弱面積達(dá)11 762.83 km2，侵蝕強(qiáng)度加劇面積僅 811.21 km2；變化區(qū)域主要分布在皖西大別山區(qū)和皖南丘陵山地區(qū)。土壤侵蝕空間變化呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：微度侵蝕僅有少量面積向侵蝕強(qiáng)度較強(qiáng)等級(jí)轉(zhuǎn)化，其他侵蝕等級(jí)主要向侵蝕程度較弱等級(jí)轉(zhuǎn)化；隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增加，土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積占本侵蝕強(qiáng)度面積的比例逐漸增加；侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移是逐級(jí)轉(zhuǎn)化的。若按當(dāng)前的土壤侵蝕狀況和水土保持措施發(fā)展下去，未來30年全省土壤侵蝕狀況總體上逐漸減輕，微度土壤侵蝕面積逐漸增加，其他侵蝕等級(jí)的面積持續(xù)減少。

致謝：感謝長江三角洲科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)（http://nnu.geodata.cn）為本研究提供了1980年和2000年安徽省土地利用圖，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所陳良富研究員提供了2010年安徽省土地利用數(shù)據(jù)。

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中圖分類號(hào)：S157.1

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.026

基金項(xiàng)目：①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41501226）、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（Y412201431）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)子課題（XDA05050503）、國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)（2008FY110600）、安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2015A034）和安徽理工大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目（ZY020）資助。

* 通訊作者（glzhang@issas.ac.cn）

作者簡(jiǎn)介：趙明松（1983—），男，安徽淮南人，博士，講師，主要從事數(shù)字土壤制圖、土壤侵蝕遙感調(diào)查研究。E-mail：zhaomingsonggis@163.com

Dynamic Evolution and Prediction of Soil Erosion in Anhui Province from 1980 to 2010

ZHAO Mingsong1，2， LI Decheng2， ZHANG Ganlin2*
（1 School of Surveying and Mapping， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui 232001， China； 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China）

Abstract:Based on revised universal soil loss equation （RUSLE） and GIS technique， this research analyzed the spatial distribution of soil erosion in 1980， 2000， and 2010， and its dynamic evolution in Anhui Province， and predicted soil erosion change over the next 30 years based on Markov model.Furthermore， this paper explored relationships of spatial change of soil erosion intensity with elevation and slope based on spatial analysis of GIS.The results showed: 1） soil erosion of Anhui Province obviously improved from 1980 to 2010， and mean soil erosive modulus decreased from 461.09 t/（km2·a） to 245.26 t/（km2·a）， the amount of soil erosion decreased from 6 199.92 × 104t/a to 3 297.84 × 104t/a.Slight soil erosion areas increased by 8 188.65 km2，and intensive soil erosion areas reduced by 1 576.93 km2.2） Spatially， soil erosion strengthened from north to south in three periods.Slight soil erosion mainly distributed in Huaibei Plain and Jianghuai Hilly Region， while intensive soil erosion mainly in hilly mountain of southern and western Anhui.3） From 1980 to 2010， area of soil erosion grade weakened was 11 762.83 km2，area of soil erosion strengthened only was only 811.21 km2.Soil erosion change mainly distributed in region of 200 ～ 500 m and 15° ～ 25°.Soil erosion grade transformed stepwise.Erosion grade mainly transformed into weaker grade， and only a few of slight erosion transformed into the stronger grade.4） According to the Markov prediction， soil erosion improved over the next 30 years，area of slight soil erosion gradually increased while areas of other erosion grades declined.

Key words:RUSLE； Soil erosion； Markov model； Spatial dynamic evolution； Anhui Province