大渡河流域土壤侵蝕強度時空變化格局分析

郭 兵，劉麗峰，姜 琳，范業(yè)穩(wěn)，張 慧，何田莉

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049； 2. 華東師范大學 地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241； 3. 武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 433079)

土壤侵蝕嚴重影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，因此，如何定量評價和分析不同地區(qū)、不同尺度下的土壤侵蝕時空變化格局已經成為國內外專家學者研究的熱點問題之一[1-2]。20世紀90年代以來，大量研究學者基于美國農業(yè)部創(chuàng)立的通用土壤流失方程(USLE)及其修正版通用土壤流失方程(RUSLE)開展了大量研究并取得了豐富的研究成果[3-6]。陳思旭等[7]基于GIS和RUSLE模型對南方丘陵山區(qū)(湖南、江西、浙江和福建)的土壤侵蝕狀況進行了定量研究,并分析和探討了土壤侵蝕空間分布特征與坡度、海拔間的關系。齊述華等[8]采用USLE模型的月模式,結合NOAA-AVHRR歸一化植被指數(shù)(NDVI)(1995)和Terra-MODIS增強型植被指數(shù)(EVI)(2005),定量評價和分析了江西省1995年和2005年的土壤侵蝕空間分布。姜琳等[9]綜合運用RS、GIS和RUSLE模型，分析了岷江上游2000,2005,2010年的土壤侵蝕狀況,并對其時空格局動態(tài)變化進行研究和探討。葛永剛等[10]綜合應用137Cs、RS和GIS技術,以云南小江流域土壤侵蝕的評估為例,探索和分析了中國西部山區(qū)觀測資料缺乏、USLE方程不適宜區(qū)域的土壤侵蝕評估與預測方法。程琳等[11]基于GIS和CSLE模型,分析了陜西省2006年土壤侵蝕狀況空間分布格局,并與水利部標準評價結果進行對比和驗證。然而由于大渡河流域地處橫斷山區(qū)，地形破碎度大，地勢陡峻，坡度大于25°的地區(qū)占流域總面積的51%，傳統(tǒng)的USLE和RUSLE模型中坡度坡長因子計算中未充分考慮該坡度區(qū)間[12-13]。此外由于研究實測觀測資料匱乏，針對大渡河流域的土壤侵蝕模型構建及其時空變化格局分析的研究相對較少[13]。

本研究結合大渡河流域特殊的地理國情(地勢陡峻，林地和草地廣布)，改進了坡度坡長因子(LS)和植被覆蓋度因子(C)的計算方法，采用RUSLE月模式的基本形式，構建了大渡河流域土壤流失方程，定量評價了研究區(qū)2005年、2015年的土壤侵蝕狀況，并對其2005—2015年的土壤侵蝕時空變化格局進行了分析和探討。

1 研究區(qū)概況

大渡河流域地處青藏高原南緣與四川盆地西部的過渡地帶(99°42′～103°48′E，28°15′～33°33′N，圖1)，其總體地勢西北高，東南低，平均海拔在3 000 m以上[14]。流域內地質構造復雜，斷裂帶活動頻繁，進而造成巖體相對破碎，松散的表層土壤成為滑坡、泥石流、水土流失的主要物源。土壤類型多樣，主要類型有水稻土、紅壤、棕壤、暗棕壤等[15]。大渡河流域南北狹長縱跨5個緯度帶，氣候差異顯著且垂直變化大，上游屬川西高原氣候區(qū)，寒冷干燥，年均降水700 mm，年均溫在6 ℃以下，而中下游則屬于四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均降水1 100 mm，局部地區(qū)可達1 700 mm[14]。

圖1 研究區(qū)位置及概況Fig.1 Location of the study region

2 研究方法

2.1 大渡河流域土壤流失方程

USLE[16]和RUSLE[17-18]模型在我國得到了廣泛的應用，相關研究學者基于USLE和RUSLE模型結合不同研究區(qū)的地理國情，分別構建和發(fā)展了眾多國產化模型和方程，如蘆山地震災區(qū)土壤流失方程[19]、云南省金沙江流域土壤流失方程[20]、中國土壤流失方程[21]、黑龍江省土壤流失方程[22]、北京土壤流失方程[23]等。本研究基于齊述華等[8]提出的改進通用土壤流失方程的月模式，發(fā)展了大渡河流域土壤流失方程(Soil Loss Eroion for Dadu River Basin，DRBSLE)，其公式為：

(1)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2a) ;R為降雨侵蝕力因子，MJmm/(hm2ha);K為土壤可蝕性因子，thm2h/(hm2MJmm);L為坡長因子，無量綱(0～1)；S為坡度因子，無量綱(0～1)；C為地表覆蓋與作物管理因子，無量綱(0～1)；P為水土保持措施因子，無量綱(0～1)。

2.2 各指標提取方法

1)降雨侵蝕力(R)

降雨侵蝕力反映降雨對土壤造成侵蝕的動力指標，表征降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，其大小與降雨量、降雨強度相關[24-25]。本研究基于日降雨數(shù)據(jù)和章文波等[24]提出的修正日降雨侵蝕力模型結合Cokriging 插值法，計算和提取了大渡河流域降雨侵蝕力數(shù)據(jù)，其空間分辨率為250 m。

(2)

2)土壤可蝕性(K)

土壤可蝕性反映土壤對降雨擊濺或地表徑流沖刷等剝蝕和搬運作用的敏感程度，用于評價土壤抵抗侵蝕的能力[19]。環(huán)境政策綜合氣候模型(EPIC)是計算土壤可蝕性K的方法之一，其計算公式為：

式中：Sn=1-Sa/100,Sa為沙粒含量，%；Si為粉粒含量，%；Cl為黏粒含量，%；Co有機碳含量，%。

然而，張科利等[26]研究發(fā)現(xiàn)，EPIC模型計算和提取的土壤可蝕性K值與不同地區(qū)的土壤可蝕性K實測值存在一定差異，進而提出了K值的修正公式：KM=-0.01383+0.51575KEPIC。

3)坡度坡長因子(LS)

結合大渡河流域陡峻的地形和部分徑流小區(qū)資料，參照劉斌濤[19]提出的陡坡狀況下坡度因子的計算公式，提取了大渡河流域的坡度因子S，公式如下：

(4)

式中：S為坡度因子(無量綱)，θ為坡度(°)。

4)地表覆蓋與作物管理因子(C)

地表覆蓋與作物管理因子是指在其它條件相同的情況下，具有一定作物或植被覆蓋的地表與完全裸露的地表的土壤流失量之比，其值介于0～1之間[8]。由于大渡河流域地處橫斷山區(qū)并且流域面積較大，地面實測數(shù)據(jù)很難獲取，因此本研究采用基于植被蓋度的遙感反演方法。大渡河流域的林地和草灌地廣布，占總流域面積的90%以上。江善忠等[13]提出了針對草地的C值與植被蓋度的定量關系模型，而Vander Kniff J M提出的利用NDVI確定C值的方法在確定林地的C值中獲得了廣泛應用[2]。本研究綜合以上兩種方法提取了大渡河流域的地表覆蓋與作物管理因子(C)，公式如下：

式中：Cgrass為草地C值；fc為草地植被蓋度，其中fc則通過像元二分模型和NDVI數(shù)據(jù)反演提取。

式中：Cforest為林地C值，NDVI為林地的歸一化植被指數(shù)。

5)水土保持措施因子(P)

水土保持措施因子是指在一定水土保護措施條件下，實際水土流失面積與標準情況下水土流失面積之比，其值介于0～1之間[6,11]。由于缺乏大渡河流域的小區(qū)實測數(shù)據(jù)，本研究結合前人的相關研究和第一次全國水利普查水土保持普查項目中部分成果，根據(jù)1∶10萬土地利用類型矢量數(shù)據(jù)確定了大渡河流域的水土保持措施因子P值，其中該土地利用類型數(shù)據(jù)由國家自然資源和地理空間基礎信息庫項目辦公室提供，見表1。

表1 不同土地利用類型P 值

3 結果與分析

3.1 大渡河流域土壤侵蝕空間格局分析

基于大渡河流域土壤流失方程反演和提取了2005年和2010年的土壤侵蝕強度，參照《土壤侵蝕分類分級中的水力侵蝕強度分級標準》對大渡河流域土壤侵蝕強度進行了分級：<500t/(km2·a)為微度侵蝕；500～2 500 t/(km2·a)為輕度侵蝕；2 500～5 000 t/(km2·a)為中度侵蝕；5 000～8 000 t/(km2·a)為強度侵蝕；8 000～15 000 t/(km2·a)為極強度侵蝕；>15 000 t/(km2·a)為劇烈侵蝕，進而對大渡河流域2005年和2015年的土壤侵蝕空間分布格局進行了分析和探討(圖2、表2、圖3)。

(a)2005 (b)2015圖2 大渡河流域2005年和2015年土壤侵蝕強度分級Fig.2 Classification map of soil erosion intensity for 2005 and 2015 in Dadu River Basin

表2 2005年、2015年不同等級土壤侵蝕強度對比

圖 3 不同等級土壤侵蝕強度面積比率和侵蝕量比率對比Fig.3 Comparisons of area ratios and erosion quantity ratios for different levels of erosion intensity

2005年，大渡河流域土壤侵蝕總量為5 442.35萬t，平均土壤侵蝕模數(shù)為709.12 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕。不同等級土壤侵蝕區(qū)空間分布格局差異顯著：從侵蝕面積來看，微度侵蝕區(qū)分布最廣，占流域總面積的57.04%，其次為輕度侵蝕區(qū)和中度侵蝕區(qū)，分別占流域總面積的38.03%、3.93%，劇烈侵蝕區(qū)分布面積最小，所占面積百分比為0.01%；從侵蝕量來看，輕度侵蝕區(qū)貢獻的侵蝕量最大，占侵蝕總量的57.31%，其次為輕度侵蝕區(qū)和微度侵蝕區(qū)，所占侵蝕總量百分比為14.48%；從空間分布來看，微度侵蝕區(qū)主要分布大渡河流域中上游地區(qū)的河谷地帶，主要原因在于該地帶地勢平坦，坡度較小，植被覆蓋較高，因此土壤侵蝕強度較小，輕度侵蝕區(qū)主要分布于大渡河流域中上游地區(qū)的高山峽谷地帶，該地區(qū)河谷深切，地勢陡峻，地質結構復雜多樣，結構破碎穩(wěn)定性差，滑坡、泥石流、崩塌等災害頻發(fā)，導致該地區(qū)土壤侵蝕強度較大，中度和劇烈侵蝕區(qū)則主要分布于下游的瀘定縣、九龍縣、漢源縣、金口河區(qū)、樂山市、峨邊彝族自治縣等，主要原因在于該地區(qū)植被蓋度較小，降水集中，人類活動強度較大，土地墾殖率較高，耕作粗放，且工程建設和開發(fā)項目較多，導致土壤侵蝕強度較大。

2015年，大渡河流域土壤侵蝕總量為6 546.93萬t，平均土壤侵蝕模數(shù)為849.92 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕，不同侵蝕強度區(qū)的空間分布格局存在顯著差異：微度侵蝕區(qū)分布面積最廣，占流域總面積的52.57%，侵蝕量占侵蝕總量的25.33%，主要分布于大渡河流域中上游的河谷地帶，如班碼縣、色達縣、金川縣、小金縣、丹巴縣等；輕度侵蝕區(qū)面積占流域總面積的40.21%，侵蝕量所占流域侵蝕總量百分比為52.56%，主要分布于大渡河流域的中上游地區(qū)的高山峽谷區(qū)，該地區(qū)雖然植被蓋度較高，但是降水較多，坡度陡峻，地形破碎度較高，因此總體上屬于輕度侵蝕；中度以上侵蝕區(qū)總面積占流域總面積的7.22%，但是侵蝕總量卻占流域侵蝕總量的22.11%，與該區(qū)地震、滑坡、泥石流以及人類活動干擾有關。

3.2 2005—2015年大渡河流域土壤侵蝕強度變化分析

2005—2015年，大渡河流域土壤侵蝕強度變化呈增加趨勢，主要表現(xiàn)為中、強度侵蝕區(qū)面積的擴大和侵蝕總量的增加(圖2、表2、圖3)。相比2005年，2015年大渡河流域平均侵蝕模數(shù)增加140.8 t/(km2·a)，為849.92 t/(km2·a)，侵蝕總量也由5 442.35萬t增長為6 546.93萬t。2005—2015年，微度侵蝕區(qū)面積減小了3 791.88km2，而中度、強度和極強度侵蝕區(qū)面積則有不同程度的增加，分別為1 358.94 km2、270.75 km2、75.75 km2。

土地利用變化是影響土壤侵蝕時空變化分布格局的重要因素，也是人類可調控的主要因子，本研究結合土壤侵蝕強度指數(shù)(公式(5))分析了不同土地利用類型上的土壤侵蝕強度空間分布狀況及其相關性。

(5)

式中：Wj為第j種土地利用類型的土壤侵蝕強度指數(shù)；Ri為第j種土地利用類型第i類土壤侵蝕強度分級值；Pij為第j種土地利用類型第i類土壤侵蝕強度所占的面積百分比，每一等級土壤侵蝕強度從弱到強依次賦值為1、2、3、4、5、6。

研究結果：2005年，水田、旱地的微度侵蝕區(qū)所占面積百分比最大，分別為100%、98.88%，然而2015年，其微度侵蝕區(qū)面積百分比有一定程度的減小，相應的輕度侵蝕區(qū)面積則有較大程度的增加，面積百分比分別增加4.2%、16.5%，兩者的土壤侵蝕強度指數(shù)也表現(xiàn)為一定幅度的增加，分別為4.65、18.21，主要原因在于大量的陡坡開墾，植被破壞遭到嚴重破壞，水土流失強度和總量增加；2005—2015年，草地、草甸的土壤侵蝕強度變化表現(xiàn)為總體穩(wěn)定(兩者的土壤侵蝕強度指數(shù)變化較小)，局部加劇，主要表現(xiàn)為微度和輕度侵蝕區(qū)面積基本不變，中度和強度侵蝕區(qū)面積有一定程度的增加，主要原因在于草地、草甸多分布于高山、峽谷地帶，人類活動強度較小，因此總體上兩者的侵蝕強度變化不大，但是由于受地質災害的影響(地震、滑坡、泥石流等)，局部地區(qū)植被遭到破壞，土壤在裸露情況下加上強降雨的沖刷，土壤侵蝕強度增加；2005—2015年，有林地和灌木林地的土壤侵蝕強度呈現(xiàn)增加趨勢，土壤侵蝕強度指數(shù)增幅分別為16.22、10.82，主要表現(xiàn)為微度侵蝕區(qū)面積減小，輕度和中、強度侵蝕區(qū)面積增加，主要與地質災害和人類毀林開墾相關，特別是蘆山地震的影響，巖體結構遭到破壞，土壤松散，植被破壞，加上密集降水的沖刷，土壤侵蝕量增加。

(a)2005年(b)2015年(c)2005—2015年圖4 不同土地利用類型土壤侵蝕強度變化分析Fig. 4 Erosion intensity variation analysis on different land use types

3.3 土地利用變化對土壤侵蝕強度變化的影響

土地利用變化是影響土壤侵蝕強度變化的重要因素，而大渡河流域土地利用的變化主要受人類活動和自然災害的影響，因此定量分析土地利用變化對土壤侵蝕強度變化的影響，可以為該流域土壤侵蝕的防治提供重要的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。1998年，國家實施退耕還林還草政策以來取得了顯著的成效，為了具體分析退耕還林還草政策對大渡河流域水土保持狀況的影響，本研究提取了2005—2015年由耕地變?yōu)榱?、草地的區(qū)域，進而對其相應的土壤侵蝕強度空間格局進行了分析，結果表明：2005年退耕前的耕地中，微度侵蝕區(qū)面積最廣，占退耕還林還草區(qū)總面積的54.84%，其次為輕度侵蝕區(qū)和重度侵蝕區(qū)，面積百分比分別為34.88%和7.22%，而2015年退耕還林還草后，該區(qū)域的土壤侵蝕強度總體上屬于微度侵蝕，其主要原因在于該流域內旱地多為陡坡開墾(>25°)，退耕還林還草后地表植被得以恢復，一定程度上減小了區(qū)域土壤侵蝕強度。此外，該地區(qū)由于地質災害活動頻繁，土地利用也受到很大的影響，為了進一步分析人類活動和地質災害對土壤侵蝕變化的影響，本研究提取了2005—2015年由林、草地變?yōu)槁阃?、稀疏草地和旱地的區(qū)域，并對相應的土壤侵蝕強度進行了分析(表3)，結果發(fā)現(xiàn)：2005年，林、草地退化前的區(qū)域中微度侵蝕區(qū)面積最廣，占區(qū)域面積的60.30%，其次為輕度和中度侵蝕區(qū)，面積百分比分別為33.66%、5.09%，而2015年林、草地退化后，該區(qū)域的微度侵蝕區(qū)面積減小，面積百分比減小10.31%，輕度、中度和強度侵蝕區(qū)面積均有一定程度的增加，面積百分比分別增加7.54%、1.76%，主要原因在于自然災害，如地震(特別是蘆山地震)、滑坡、泥石流，破壞了巖體結構和植被覆蓋，造成表層土壤結構松散，再加上降雨時段集中，進而加劇了水土流失，此外，人類活動，如砍伐森林、無節(jié)制地陡坡開荒、廣種薄收,很大的破壞了脆弱的生態(tài)環(huán)境，進而加大了區(qū)域土壤侵蝕強度。

表3 不同土地利用類型變化下各土壤侵蝕強度等級面積百分比Tab.3 Comparisons of area ratios of different erosion levels for different land use types

注：A代表林地和草地；B代表由林、草地變?yōu)槁阃?、稀疏草地和旱地；C代表耕地；D代表退耕后的林地和草地。

4 結論

本研究基于多源地空耦合數(shù)據(jù)，結合GIS、RS和RUSLE月模型，構建了大渡河流域土壤流失方程，進而定量評價了研究區(qū)2005年、2015年的土壤侵蝕狀況，并對2005—2015年的土壤侵蝕時空變化格局進行了分析和探討。

1)2005年、2015年，大渡河流域土壤侵蝕總量分別為5 442.35萬t和6 546.93萬t，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為709.12 t/(km2·a)、849.92 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕。然而其空間分布則表現(xiàn)為小面積的高強度侵蝕，主要分布于中上游地區(qū)的高山峽谷地帶以及下游的瀘定縣、九龍縣、漢源縣、樂山市、峨邊彝族自治縣等地區(qū)。

2)2005—2015年，大渡河流域土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)總體穩(wěn)定，局部加劇的狀況，其中侵蝕強度增加區(qū)主要分布于下游地區(qū)的瀘定縣、漢源縣、石棉縣等地區(qū)以及中上游地區(qū)的河谷兩側，而侵蝕強度減小區(qū)則主要分布于久治縣、班碼縣 、色達縣、阿壩縣等地區(qū)。

3)近十年來國家退耕還林還草政策的實施有效地改善了流域水土流失狀況，然而不合理的人類活動(如陡坡開墾、粗放耕作、濫伐森林等)和頻繁的地質災害極大地加劇了研究區(qū)土壤侵蝕強度。