南方紅壤區(qū)水土流失治理成效的多尺度趨勢分析

石海霞，梁 音，朱緒超，曹龍熹

(1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，210008，南京； 2.中國科學院大學，100049，北京)

隨著“兩山理論”的普及與深入，以及山水林田湖草生命共同體生態(tài)綜合修復工程的實施，南方紅壤區(qū)的生態(tài)環(huán)境進一步改善，其中水土流失綜合治理是生態(tài)修復的主要內(nèi)容之一，對水土流失綜合治理成效進行評估是制定水土保持規(guī)劃的關鍵。孫昕等[1]選擇治理程度存在差異的3條小流域進行了生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的水土保持綜合效益定量評價和比較，說明構(gòu)建的指標體系和采用的評價方法具有一定適用性，且不同的治理投入與時間，水土保持綜合效益存在差異；尹輝等[2]對不同水土保持措施配置和實施情況的湘中丘陵4大治理區(qū)，進行水土保持效益灰色關聯(lián)評價，并將各區(qū)的水土保持治理效益進行了排序，得出長、株、潭丘陵區(qū)的效益最高；何長高等[3]回顧江西省的治理歷程和模式，利用普查數(shù)據(jù)分析江西水土流失的變化趨勢，闡述了幾十年來的水土流失治理成效，為該省今后的發(fā)展提供了經(jīng)驗借鑒。由以上研究可以看出，目前針對紅壤區(qū)水土流失治理成效的評估多基于單一尺度和短時間序列，對該類型的水土保持成效分析起到示范作用，但不能代表整個區(qū)的治理狀況；故本研究從全區(qū)、重點工程縣和典型流域3個尺度分析水土流失治理成效，能準確客觀地表征南方紅壤區(qū)的水土流失治理成效，為該區(qū)山水林田湖草生命共同體生態(tài)修復工程的評價提供參考。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)水利部2013頒布的《全國水土保持區(qū)劃》，南方紅壤區(qū)以大別山為北屏，巴山、巫山為西障，西南以云貴高原為界，包括湘西、桂西，東南直抵海域并包括臺灣、海南島及南海諸島。位于我國熱帶、亞熱帶季風氣候區(qū)，年均溫15～25 ℃，年均降雨量800～2 000 mm，山地丘陵廣布，地形破碎[4]。主要植被類型為常綠針葉林、闊葉林、針闊混交林以及熱帶季雨林。土壤類型包括棕壤、黃紅壤和紅壤等。總土地面積118萬km2，占國土總面積的12.3%，包括浙江、江西、福建、湖南、廣東、海南等15個省(自治區(qū)、直轄市)，共888個縣(市、區(qū))。

圖1 南方紅壤區(qū)典型區(qū)域的位置圖Fig.1 Location of typical areas in the red soil region of South China

2 材料與方法

2.1 研究對象

根據(jù)《全國水土保持區(qū)劃》中對南方紅壤區(qū)的劃分，紅壤全區(qū)的范圍如圖1所示，省級土壤侵蝕趨勢分析缺少河南、臺灣、香港和澳門的數(shù)據(jù)。重點工程縣按照以下4類進行選?。阂皇菄壹壦亮魇е攸c防治區(qū)所在縣、國家水土保持科技示范園所在縣(含中科院野外CERN站)、國家水土保持生態(tài)文明工程所在縣和國家級水土保持清潔小流域所在縣，共涉及177個縣(圖1灰色部分)，約占南方紅壤區(qū)888個縣級行政單位的20%，分布在桐柏山大別山預防保護區(qū)、新安江預防保護區(qū)、湘資沅澧上游預防保護區(qū)、東江上游預防保護區(qū)、東南沿海開發(fā)監(jiān)督區(qū)、湘資沅澧中游治理區(qū)和贛江上游治理區(qū)等；典型小流域在江西、浙江、福建和廣東省境內(nèi)，選擇經(jīng)過長期水土流失綜合治理、有連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的小流域共26條，位置分布見圖1的小三角；同時，選擇了贛江、信江和饒河具有長期徑流泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)的中尺度江河流域，地處原中央蘇區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)包括：1)紅壤全區(qū)的土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于我國土壤侵蝕遙感普查和第1次水利普查公告[5]，縣級的土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于省級水土保持公報；2)江河徑流量和輸沙量分別使用各控制站外洲、梅巷、虎山和渡峰坑的近60年的逐年實測值，來源于《江西省水土保持公報》[6]；3)小流域土壤侵蝕模數(shù)、植被覆蓋率和人均純收入數(shù)據(jù)從已發(fā)表的學術論文[7-16]中獲得。

需要說明的是，盡管1)中2期土壤侵蝕普查方法和遙感影像信息源等精度不盡相同[17]，這會導致局部土壤侵蝕數(shù)據(jù)有一定差異，但對大尺度來講，不影響其土壤侵蝕的宏觀變化趨勢。郭春香[18]曾以江西瀲水河為例，對我國土壤侵蝕普查中水蝕模型進行對比研究，表明兩者估算結(jié)果相差不大。因此，雖然本研究中用的2期數(shù)據(jù)獲取方法不同，但能夠總體反映區(qū)域和縣尺度上土壤侵蝕的總體變化趨勢。

2.3 研究方法

全區(qū)和重點工程縣的成效分析均采用侵蝕面積和土壤侵蝕綜合指數(shù)進行表征，典型流域尺度采用徑流量、輸沙量、平均土壤侵蝕模數(shù)、平均植被覆蓋率和人均純收入等參數(shù)進行表征。

土壤侵蝕綜合指數(shù)(EI)[19]是評價區(qū)域土壤侵蝕總體狀況的綜合指標，是根據(jù)一個單元內(nèi)各級土壤侵蝕面積和土地總面積量化分級，進行權重變換后形成的一個綜合指標數(shù)值，其表達式為

(1)

式中：wi為評價單元土壤侵蝕等級權重分值；Ai為第i等級侵蝕的面積，km2；S為評價單元的土地總面積，km2；i為土壤侵蝕等級數(shù)，取值范圍為1～5之間的整數(shù)，n=5。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅壤全區(qū)水土流失治理成效

南方紅壤區(qū)從2002年到2011年，土壤侵蝕面積整體減少0.5 萬km2(表1)，其中減少幅度較大的是中度侵蝕面積，共減少1.6 萬km2，減幅為21.6%，強烈侵蝕面積減少0.1萬km2，而輕度、極強烈和劇烈侵蝕面積有增加趨勢，分別增加1.5、0.7和0.2 萬km2，充分說明南方紅壤區(qū)水土流失狀況總體趨于好轉(zhuǎn)，但局部有加重趨勢。

表1 2002年到2011年南方紅壤區(qū)土壤侵蝕面積的變化Tab.1 Variation of soil erosion area in the red soil region of South China between 2002 and 2011 104 km2

從省級行政分布來看，湖北、浙江、江西等7省土壤侵蝕面積有所減少(表2)，其中湖北省的土壤侵蝕面積減幅最大，由2002年的6萬843 km2降為2011年的3萬6 903 km2，降幅達39.3%；廣西、廣東和海南等4省區(qū)的土壤侵蝕面積呈增加趨勢，其中廣西的土壤侵蝕面積增加了4萬164 km2，增幅超過3.8倍。統(tǒng)計侵蝕強烈以上的面積，廣西、廣東、安徽、湖南、江蘇和海南均增加，而江西、湖北、福建和浙江呈下降趨勢，其中，廣西強烈以上侵蝕面積增幅最大，共增加1萬2 863 km2，江西省強烈以上侵蝕面積減少7 433 km2，減幅最大。

應用公式(1)計算各省的EI(表2)。結(jié)果表明2011年廣西和湖北的EI分別為4.88和3.57，均高于其他省份，說明這2個省的土壤侵蝕程度較其他省嚴重。與2002年相比，江西、湖北、浙江、福建、湖南和安徽的EI有減少趨勢，說明這6個省的土壤侵蝕程度有減輕趨勢。其中：江西省的EI減少2.57，減幅最大；廣西、廣東、海南和江蘇的EI有增加趨勢，說明這4個省的土壤侵蝕有加劇趨勢，其中廣西的EI增幅高達7.7倍，究其原因是裸巖面積的統(tǒng)計口徑不一致；上海市的土壤侵蝕狀況變化不明顯。

表2 2002年到2011年紅壤區(qū)各省土壤侵蝕面積和EI的變化Tab.2 Variation of soil erosion area and EI of each province in the red soil region between 2002 and 2011

3.2 重點工程縣水土流失治理成效

177個重點工程縣的EI平均值從2002年的2.77減少到2011年的2.20(表3)，呈下降趨勢。其中：有112個縣的EI減少，占總縣數(shù)的63.3%；有63個縣的EI呈上升趨勢，土壤侵蝕狀況有加劇趨勢。從重點工程縣所在的類型區(qū)來看，2011年各類別EI平均值相較于2002年都減少，生態(tài)文明工程縣EI平均值減少最多，水土流失治理成效最顯著，其次是國家重點治理區(qū)、科技示范園和清潔小流域所在縣。從宏觀分布(圖2)上來看，2011年贛南、湘中、皖西、浙閩沿海各縣EI減少，湘南、皖南山區(qū)、粵東沿?？h稍有增加。

按國家水土流失防治區(qū)分析(表4)，除湘資沅澧上游預防保護區(qū)和東江上游預防保護區(qū)侵蝕面積和EI稍有增加，其他區(qū)域土壤侵蝕總體轉(zhuǎn)好，尤其是贛江上游治理區(qū)EI減幅達42.4%。分析不同侵蝕強度下的變化趨勢，湘資沅澧中游治理區(qū)主要是輕度侵蝕面積增加，中度侵蝕面積明顯減小；贛江上游治理區(qū)和東南沿海開發(fā)監(jiān)督區(qū)僅輕度侵蝕面積微增，其他強度侵蝕面積均顯著減少；桐柏山大別山預防保護區(qū)各級強度侵蝕面積均減少；新安江預防保護區(qū)強烈以上侵蝕面積細微增加，輕度和中度侵蝕面積減幅在50%以上；湘資沅澧上游預防保護區(qū)強烈以上侵蝕增加劇烈，增幅達904.84%；東江上游預防保護區(qū)各級強度侵蝕面積都增加，輕度侵蝕增幅最大，達80.64%。

表3 2002年到2011年各類重點工程縣EI平均值的變化Tab.3 Variation of EI average in each key project county type between 2002 and 2011

圖2 2002年和2011年重點工程縣的EIFig.2 EI of key project counties in 2002 and 2011

表4 2002年到2011年國家級重點防治區(qū)侵蝕面積和EI的變化

圖3 典型江河徑流量和輸沙量的年際變化Fig.3 Interannual variation of runoff and sediment in typical rivers

趙其國[20]指出：南方紅壤區(qū)水土流失面積減少幅度與所治理面積極不相符，就是由于人為活動影響不斷產(chǎn)生新的水土流失。珠江三角洲經(jīng)濟迅猛發(fā)展，用地緊張，城鎮(zhèn)和建設用地侵占林草地和耕地，生產(chǎn)建設活動新增水土流失不容小覷。此外，湘南和粵東山區(qū)耕地數(shù)量不足，農(nóng)業(yè)開發(fā)強度過高，出現(xiàn)較大面積的坡耕地，造成人為侵蝕。這些山區(qū)以農(nóng)林業(yè)為基礎，經(jīng)濟基礎薄弱，水土流失治理投入不足，治理進度與經(jīng)濟社會的發(fā)展不匹配[21]。

3.3 典型流域水土流失治理成效

圖3是近60年來贛江、信江和饒河的逐年徑流量和輸沙量，不難看出，贛江和信江流域徑流量無明顯的增加趨勢，但輸沙量顯著減少。贛江自1983年以來輸沙量均小于多年平均值；信江基本符合豐水多沙、枯水少沙的規(guī)律，1990年之后輸沙量顯著降低，基本低于多年平均值[22]。而饒河徑流量微弱下降，輸沙量卻呈上升趨勢。1998年之前徑流對輸沙量影響顯著；1998年大洪水之后徑流量和輸沙量急劇減小，水沙的年際變化不甚一致；2010年到2015年輸沙量急劇上升，超過多年平均值[23]。

輸沙量反映流域土壤侵蝕強度和水土流失等狀況，受氣候條件、地質(zhì)地貌和人為活動影響[24]。地質(zhì)地貌無人類干擾相對不變；氣候條件中降雨對輸沙量的影響最大，自然條件下呈正相關；人為活動是主導因素，包括各項水利、水保工程等。贛江作為水土流失重點區(qū)被納入了第1批國家級水保重點治理項目，蓄水保土能力不斷提高，輸沙量變化趨勢線斜率為-19.91，呈顯著減少趨勢[25]。信江隨著經(jīng)濟發(fā)展，采砂規(guī)模逐漸擴大，導致局部河床下切，過水斷面增加，流速減小，輸沙量反而降低，斜率為-3.96。而界牌和信州水利樞紐的建成對饒河流域的水沙關系有一定影響[23]，近幾十年饒河輸沙量趨勢線的斜率為0.79，輸沙量呈輕微上升趨勢，可能是因為大洪水之后輸沙量急劇減少導致河床下降、河岸崩塌，土壤侵蝕程度加劇。

以小流域為單元的水土流失綜合治理是我國水土保持的特色，查閱國內(nèi)近30年來在期刊上公開發(fā)表的關于小流域水土流失綜合治理成效的文獻60余篇，篩選出頻度排名前3的評價指標為土壤侵蝕模數(shù)、植被覆蓋率和人均純收入，頻度分別為0.72、0.66和0.64。同時找出了數(shù)據(jù)相對完整、治理年限超過10年的26個典型小流域，分析治理前后土壤侵蝕模數(shù)、植被覆蓋率和人均純收入的變化，并以直方圖的形式表征于圖4，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小流域土壤侵蝕模數(shù)平均下降76%，減幅最大達95%，植被覆蓋率平均增幅72%，增幅最大超過7倍，人均純收入平均增加194%，最多增加約24.5倍(表5)，說明經(jīng)過長期的水土流失綜合治理，南方紅壤區(qū)小流域的治理成效顯著。

圖4 小流域治理前后的指標變化Fig.4 Index variation of small watersheds after governance

表5 紅壤區(qū)26個典型小流域治理前后的指標變化

4 結(jié)論

1)紅壤區(qū)從2002年到2011年間，土壤侵蝕面積總體呈下降趨勢，共減少0.5萬km2，年均減少556 km2，主要是中度和強烈侵蝕面積減少，輕度、極強烈和劇烈侵蝕面積增加，輕度侵蝕多數(shù)是從中度侵蝕轉(zhuǎn)化而來，而極強烈和劇烈侵蝕面積增加，預示著局部土壤侵蝕在加劇。從省級變化趨勢來看，江西、湖北、浙江、福建、湖南和安徽6省境內(nèi)土壤侵蝕狀況呈好轉(zhuǎn)趨勢，而廣西、廣東、海南和江蘇4省土壤侵蝕狀況有加劇趨勢。

2)從177個重點工程縣的EI來看，有112個縣的土壤侵蝕程度有減輕趨勢，占63.3%；從空間分布來看，贛南、湘中、皖西及浙閩沿海各縣土壤侵蝕狀況有不同程度的好轉(zhuǎn)，而湘南、皖南山區(qū)和粵東沿海各縣有局部加重趨勢；根據(jù)各類重點工程縣的EI變化，顯然生態(tài)文明工程縣的EI平均值減幅最大，水土流失治理成效最顯著，其次是國家級重點防治區(qū)、科技示范園和清潔小流域所在縣。

3)從典型流域尺度來看，近幾十年來江河流域的徑流量隨著時間的推移有輕微上升趨勢，但輸沙量顯著下降，且隨著小流域內(nèi)的平均植被覆蓋率和農(nóng)民人均純收入的不斷增加，其平均土壤侵蝕模數(shù)也呈下降趨勢，水土流失綜合治理成效顯著。