2000-2015年西南山地土壤侵蝕時(shí)空格局研究

葉 馨

（重慶師范大學(xué)，重慶 401331）

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步，人類對(duì)自然環(huán)境的影響強(qiáng)度和廣度都不斷增強(qiáng)，由此引發(fā)的區(qū)域環(huán)境問題如土壤侵蝕等日漸突出[1]。土壤侵蝕是指土壤或成土母質(zhì)在外力作用下被剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程[2]。我國是土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一，有1/2的耕地和2/3的草原面臨不同程度的水土流失，造成大量的人力、物力、財(cái)力損失，對(duì)國家安全構(gòu)成潛在威脅[3]。近年來，通用土壤流失方程（USLE）和改進(jìn)后的方程（RUSLE）被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕研究。齊述華等人將USLE模型與遙感技術(shù)結(jié)合，對(duì)1995-2005年江西省土壤侵蝕做了研究[4]；高翔進(jìn)行了喀斯特地貌的土壤侵蝕模型估算[5]；韓永偉應(yīng)用模型對(duì)黃土高原生態(tài)區(qū)土壤保持與價(jià)值進(jìn)行了評(píng)價(jià)[6]；Jazouli利用USLE模型與GIS、遙感結(jié)合，模擬了摩洛哥某流域的土壤侵蝕[7]。

我國在時(shí)間尺度上的研究多集中于中短期，區(qū)域尺度上多集中于縣域等中等尺度[3]。對(duì)于西南山地這種地形跨越較大、水系交錯(cuò)、降雨時(shí)空分布不均且水土流失頻發(fā)的地域，目前進(jìn)行綜合研究的并不多。川渝地區(qū)的土壤研究側(cè)重在土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)變化與驅(qū)動(dòng)因子的研究，研究區(qū)域又以三峽庫區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、丘陵區(qū)的坡耕地等為主[8-11]；基于云南地區(qū)的土壤侵蝕研究集中在河谷段落、流域以及鐵礦區(qū)附近[12-14]；貴州地理環(huán)境獨(dú)特，對(duì)喀斯特地區(qū)的土壤研究 較多[15-16]。因此，作為西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域，為防止其生態(tài)環(huán)境惡化，使退化的生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)與重建，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用，研究其土壤侵蝕的時(shí)空格局演變具有重要意義[17]。

1 研究區(qū)概況

西南山地指四川、貴州、云南和重慶，大致位于東經(jīng)97°～111°，北緯21°～35°之間，總面積約為114萬km2。區(qū)內(nèi)河流縱橫，峽谷廣布，地形以高原和山地為主，還有廣泛分布的喀斯特地貌、河谷地貌和盆地。在氣候上，從南部的熱帶向北部的亞熱帶過渡，干濕季明顯且復(fù)雜多變。區(qū)內(nèi)雨量豐富，平均為1 000～1 300 mm，且自西南向西北遞減。在地形上，從海拔4 000 m以上的青藏高原向東、東南降到2 000 m以下的云貴高原、500 m以下的四川盆地，該區(qū)域是西部青藏高原向東部丘陵平原的過渡地區(qū)。在地勢(shì)上，由西北向東南降低，其跨越全國地勢(shì)的第一、二級(jí)階梯，主要有橫斷山區(qū)、云貴高原和四川盆地。全區(qū)的土壤類型主要有紫色土、紅壤、黃壤、棕壤、石灰土、水稻土、粗骨土和新積土等。

2 數(shù)據(jù)的獲取與處理

數(shù)據(jù)來源主要包括4個(gè)部分.一是DEM數(shù)據(jù)來源于SRTM90m Digital Elevation Data，已在全球得到廣泛應(yīng)用[18]。二是結(jié)合遙感降水?dāng)?shù)據(jù)，通過降水降尺度研究獲取2000-2015年1 km空間分辨率降水結(jié)果，按照就近原則并取平均獲得4期的降水?dāng)?shù)據(jù)（2000：2000-2001；2005：2004-2006；2010：2009-2011；2015：2014-2015），并進(jìn)一步計(jì)算降雨侵蝕力。三是土地利用/覆被數(shù)據(jù)來源于“全國生態(tài)十年”數(shù)據(jù)，將土地利用/覆被分為6個(gè)I級(jí)類、25個(gè)II級(jí)類。四是1∶100萬土壤類型數(shù)據(jù)、1∶25萬道路、水系、行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)——西南山地科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將所有空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一投影坐標(biāo)Albers等積投影并重采樣到90 m的空間分辨率再參與空間運(yùn)算。

3 研究方法

3.1 侵蝕模型構(gòu)建

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對(duì)土壤侵蝕的研究都是在充分考慮復(fù)雜多變的氣候和地理?xiàng)l件下，將不同的遙感信息與非遙感信息結(jié)合，再基于ArcGIS的空間分析技術(shù)，對(duì)水土流失進(jìn)行定量分析?；竟綖椋?/p>

式中，USLE為土壤侵蝕模數(shù)即年平均土壤流失量，t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/（MJ·hm2·mm）；LS為地形因子中的坡度和坡長因子；C為地表植被覆蓋因子；P為土壤保持因子。

本文基于模型原理，采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評(píng)價(jià)（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，INVEST）模型，通過對(duì)該模型所需關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，得到研究區(qū)的實(shí)際土壤侵蝕量[19]。具體參數(shù)的計(jì)算和處理如下。

3.1.1 降雨侵蝕力R

降雨量的強(qiáng)度大小是影響一個(gè)區(qū)域水土流失質(zhì)量的重要因素，也是導(dǎo)致土壤侵蝕變化的原因，通常，降雨量的時(shí)空分布不均是導(dǎo)致土壤侵蝕時(shí)空分異的動(dòng)力因素。本文主要參考重慶市涪陵區(qū)降雨侵蝕力時(shí)間分布特征的降雨侵蝕力回歸模型[20]，基本公式為：

式中，R年為年降雨侵蝕力，MJ·mm（hm2·h·a）；P年為年降雨量，mm。其中，年降雨量數(shù)據(jù)由4期（2000-2015年）的月降雨量數(shù)據(jù)累計(jì)得到。

3.1.2 土壤可蝕性因子K

土壤可蝕性是土壤對(duì)侵蝕外力的敏感性反應(yīng)，由土壤本身的屬性特征決定，同時(shí)受外在環(huán)境的影響。本文通過借鑒相關(guān)研究成果并咨詢專家意見，得到西南山地的土壤可蝕性K值，再結(jié)合土壤類型圖進(jìn)一步得到K值的空間分布圖[21-24]。

3.1.3 地形因子LS

地形因子是坡度、坡長等因子與降雨流動(dòng)能量關(guān)系的表征，通過對(duì)降雨流動(dòng)能量的影響，間接影響土壤侵蝕。本文直接將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入INVEST模型中運(yùn)算得到該參數(shù)。

3.1.4 水土保持因子P與地表植被覆蓋因子C

植被覆蓋因子C指在相同的外在條件下，對(duì)于某一特定作物，輪作的土壤流失量與連續(xù)休閑地的土壤流失量之比，該值介于0～1[25]。水土保持因子C定義為采取保護(hù)措施的土壤流失量與順坡耕地的土壤流失量之比，0表示采取保護(hù)措施，該地區(qū)不會(huì)發(fā)生土壤侵蝕，1表示未采取任何措施，可能發(fā)生土壤侵蝕[26]。本文結(jié)合蔡崇法等人的研究，結(jié)合土地利用類型圖得到C、P的值（見表1）[27]。

3.2 土壤侵蝕分級(jí)

基于上述模型算出的土壤侵蝕量，參照中國水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007），將西南山地2000-2015年的土壤侵蝕分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈6個(gè)等級(jí)，得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的時(shí)空分布圖。水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)如表2所示。之后，導(dǎo)入Excel進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，定量分析各侵蝕等級(jí)間的相互轉(zhuǎn)變特征。

表1 不同土地利用的C、P值

表2 水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

4 研究結(jié)果與分析

4.1 土壤侵蝕現(xiàn)狀特征分析

4.1.1 時(shí)間尺度特征

由表3可知，2000年西南山地土壤侵蝕總面積為1 127 492.27 km2，其中微度占35.33%，輕度占17.87%，中度占14.23%，強(qiáng)度占8.64%，極強(qiáng)占9.49%，劇烈侵蝕占14.44%，總體屬中度侵蝕，土壤質(zhì)量適中；2005年中度侵蝕以下所占面積較2000年略有上升，強(qiáng)度侵蝕以上比例下降，說明水土流失逐步改善；2010年侵蝕強(qiáng)度與2005年相比明顯降低，其中微度侵蝕幅度提高了4.87%，面積增加了55 004.46 km2，劇烈侵蝕幅度降低了2.35%，面積減少了26 518.44 km2；2015年與2010年相比較劇烈侵蝕占比上升2.67%，面積增加30 099.75 km2，微度侵蝕占比下降4.79%，面積減少54 008.13 km2。綜上所述，在時(shí)間尺度上研究區(qū)土壤侵蝕整體好轉(zhuǎn)，尤其在2010年水土流失有明顯改善，其中以貴州最好，其次是云南，而川渝地區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較高。

4.1.2 空間尺度特征

西南山地受空間差異性和自然環(huán)境區(qū)域性、復(fù)雜性影響，侵蝕程度的空間分布存在差異。川渝地區(qū)的侵蝕程度普遍高于云貴地區(qū)，這是外部總特征，各省市內(nèi)部空間分布趨勢(shì)和走向不同，具體表現(xiàn)在4個(gè)方面。

（1）從重慶市土壤侵蝕多年平均來看，劇烈侵蝕占比1.28%，面積為14 410.43 km2，微度面積為30 917.77 km2，占2.74%。發(fā)生強(qiáng)侵蝕的區(qū)域主要是渝東北部、東南部和南部，中部和西部較輕，空間分布呈塊狀，總體呈中度侵蝕，如圖1所示。

圖1 重慶市土壤侵蝕分類分級(jí)圖

表3 2000-2015年西南山地土壤侵蝕面積

（2）從四川省土壤侵蝕多年平均來看，劇烈區(qū)面積為80 900.51 km2，占7.81%，微度侵蝕區(qū)面積為149 045.82 km2，占13.22%。發(fā)生強(qiáng)侵蝕的區(qū)域集中在川西北部高原、西南部山地和川東平行嶺谷區(qū)，呈南北縱向分布，包括康定縣、九龍縣、雅江縣、瀘定縣、汶川縣、茂縣、寶興縣和閬中等地，總體侵蝕程度中度偏上，如圖2所示。

圖2 四川省土壤侵蝕分類分級(jí)圖

（3）從云南省土壤侵蝕多年平均來看，劇烈區(qū)面積約為38 441.17 km2，占3.41%，微侵蝕區(qū)面積約為83 132.83 km2，占14.75%。發(fā)生強(qiáng)侵蝕的區(qū)域分布在西部、西北部、東北部，包括橫斷山脈縱谷區(qū)和青藏高原南延段，且有自西北向東南的縱向分布，總體侵蝕程度中度偏下，如圖3所示。

圖3 云南省土壤侵蝕分類分級(jí)圖

（4）從貴州省土壤侵蝕多年平均來看，劇烈區(qū)面積為18 821.59 km2，占1.67%，微度侵蝕區(qū)面積為74 028.6 km2，占6.57%。發(fā)生強(qiáng)侵蝕的區(qū)域主要在北部、西南部和東部少許地區(qū)，包括興義市、普安縣、水城縣、六枝特區(qū)、仁懷市、桐梓縣等海拔較高區(qū)縣；中部和南部較輕，為西秀區(qū)、花溪區(qū)等人口密集區(qū)?？傮w屬輕度侵蝕，空間分布呈環(huán)狀，如圖4所示。

4.2 土壤侵蝕時(shí)空格局演變

圖4 貴州省土壤侵蝕分類分級(jí)圖

為了研究西南山地在2000-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)的轉(zhuǎn)變特征，本文分析了4期的等級(jí)升降變化，如表4所示。從時(shí)間上看，2000-2005年降級(jí)區(qū)面積占14.16%，升級(jí)區(qū)占2.08%；2005-2010年降級(jí)區(qū)面積占11.5%，升級(jí)區(qū)占4.44%。2000-2010年降幅大于增幅，劇烈、極強(qiáng)度和強(qiáng)度侵蝕降為中度、輕度或微度侵蝕，說明水土流失情況好轉(zhuǎn)。2010-2015年降級(jí)區(qū)面積占3.51%，升級(jí)區(qū)占23.27%，侵蝕面積大幅度增加，侵蝕等級(jí)明顯上升，且增幅大于降幅，表明水土流失加劇。總的來說，這15年間土壤侵蝕總量穩(wěn)定，水土保持質(zhì)量呈先增后減的趨勢(shì)，但仍要加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，建立可持續(xù)發(fā)展生態(tài)戰(zhàn)略。

從空間上看，降級(jí)區(qū)域主要集中在川西南、南部，年均占比2.85%；渝東北部占0.27%；貴州和云南大面積侵蝕等級(jí)下降，分別占1.22%和5.49%。升級(jí)區(qū)域分布在川西北部，年均占4.77%；渝中、西部占1.04%；云南東、東北部占2.14%；貴州東、東南部占2.46%。其中，2010-2015年土壤侵蝕有明顯的惡化（見圖5（c）），從微度、輕度或中度轉(zhuǎn)為強(qiáng)度以上等級(jí)占比22.79%，由微度、輕度轉(zhuǎn)為中度占26.15%，云貴兩省較明顯。圖5的圖例中，惡化代表侵蝕等級(jí)的上升，改善代表侵蝕等級(jí)的下降，平衡代表侵蝕等級(jí)不變。

5 結(jié)論

西南山地土壤侵蝕時(shí)空分布的研究表明，2000-2015年，土壤侵蝕狀況總體穩(wěn)定，屬中度侵蝕，但各省市存在差異性。

從時(shí)間上看，2000-2010年，研究區(qū)的土壤侵蝕狀況整體好轉(zhuǎn)，尤其在2010年水土流失有明顯改善，其中貴州最好，其次是云南，而川渝地區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度都相對(duì)較高。2010-2015年侵蝕等級(jí)有明顯上升，這可能與當(dāng)?shù)卣摺⑸鷳B(tài)措施、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)，有待深入研究和探討?？傮w上，2000年來研究區(qū)水土質(zhì)量呈先上升后下降趨勢(shì)，增幅大于降幅，土壤侵蝕的強(qiáng)度總體穩(wěn)定，并受降雨量、土地利用和相關(guān)生態(tài)政策影響。

從空間上看，土壤侵蝕改善區(qū)主要集中在川西南、南部、渝東北部、貴州和云南大部分區(qū)域。惡化區(qū)為川西北、渝中、渝西、滇東北、黔東和黔東南。因此，這些區(qū)域當(dāng)是水土保持與生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。

2010-2015年，西南山地土壤侵蝕明顯惡化，可能與當(dāng)?shù)氐恼咦兓蛉宋囊蛩赜泻艽蟮年P(guān)系，有待更進(jìn)一步的深入研究。

圖5 2000-2015年西南山地土壤侵蝕等級(jí)變化圖