基于土地利用變化的三峽庫區(qū)(湖北段)土壤侵蝕消長研究

黃凱旋, 劉 揚(yáng), 董曉健, 高 超, 張必輝, 褚 琳,2, 丁樹文,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070; 3.湖北省水土保持監(jiān)測(cè)中心站, 武漢 430071)

土壤是人類生存所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤侵蝕會(huì)造成土地退化、土壤肥力流失、河流淤積等現(xiàn)象，還會(huì)污染水體以及造成面源污染等一系列的生態(tài)環(huán)境問題，危害十分嚴(yán)重。土壤侵蝕模型是定量評(píng)價(jià)土壤侵蝕的重要工具之一[1]。1978年美國農(nóng)業(yè)部根據(jù)大量徑流小區(qū)的水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了通用土壤流失方程(USLE)，該方程綜合了降雨、土壤、地形、植被覆蓋與水土保持措施等坡面土壤流失的主要因素，并進(jìn)行了推廣。隨著土壤侵蝕模型研究的不斷深入，在20世紀(jì)90年代后期有關(guān)人員提出了修正通用土壤流失方程(RUSLE)。21世紀(jì)初，劉寶元等[2]以RUSLE方程為原型，考慮我國獨(dú)特的土壤侵蝕特征以及長期形成的水土流失防治措施，建立了中國土壤流失模型(CSLE)。該模型的計(jì)算結(jié)果更符合我國土壤侵蝕的實(shí)際狀況。

土壤侵蝕是土地利用變化所引起的環(huán)境問題之一[3]。土地利用變化與土壤侵蝕的耦合關(guān)系一直是中外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。趙輝等[4]采用遙感監(jiān)測(cè)與土壤侵蝕模型(CSLE)定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，探討縣域尺度土地利用變化與水土流失消長評(píng)價(jià)方式；姜琳等[5]基于RS和GIS技術(shù)，采用RUSLE模型，計(jì)算岷江上游三年的土壤侵蝕量，對(duì)其時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析；Zare等[6]利用RUSLE模型探究了伊朗北部地區(qū)不同土地利用的變化情況對(duì)土壤侵蝕的影響。

本文以三峽庫區(qū)湖北段為研究對(duì)象，基于中國土壤流失模型(CSLE)，運(yùn)用RS和GIS空間分析方法，定量評(píng)價(jià)三峽庫區(qū)湖北段土壤侵蝕，分析不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)化對(duì)土壤侵蝕消長的影響，為三峽庫區(qū)湖北段進(jìn)行合理的土地利用規(guī)劃和防治水土流失提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)(湖北段)位于湖北省西南部，地處長江中游，由宜昌市夷陵區(qū)、秭歸縣、興山縣以及恩施土家族苗族自治州巴東縣共4個(gè)區(qū)縣組成，總面積約11 694.5 km2，位于110°04′—111°39′E，31°04′—31°34′N。著名的三峽大壩位于夷陵區(qū)三斗坪鎮(zhèn)境內(nèi)。研究區(qū)域?qū)儆诟呱降氐匦危瑑砂抖酁閼已虑捅?，地?shì)陡峭。該地區(qū)成土母質(zhì)復(fù)雜，主要的土壤類型有石灰土、紫色土、山地黃棕壤、黃壤等。植被資源比較豐富，自然植被以亞熱帶常綠闊葉林為主。研究區(qū)年均溫度18～20℃，多年平均降雨量為1 000～1 400 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1) 氣象數(shù)據(jù)：來源于國家氣象局氣象中心和湖北省氣象局，從中篩選出三峽庫區(qū)(湖北段)及其周邊2006—2017年月降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(2) 土壤數(shù)據(jù)：來源于湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所1∶20萬湖北省土壤圖。經(jīng)掃描后在ArcGIS 10.2中進(jìn)行數(shù)字化和地理配準(zhǔn)處理。

(3) DEM 數(shù)據(jù)：來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m。

(4) 遙感影像數(shù)據(jù)：來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS，http:∥glovis.usgs.gov/)，共3期(2005年、2010年、2015年)。影像選用夏季，且基本無云覆蓋?？臻g分辨率為30 m。

(5) 土地利用數(shù)據(jù)：來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)提供的土地覆蓋解譯數(shù)據(jù)，共3期(2005年、2010年、2015年)，空間分辨率為30 m。

2 研究方法

本研究采用中國土壤流失方程(CSLE)，并結(jié)合RS和GIS技術(shù)，完成研究區(qū)域土壤侵蝕量的計(jì)算。CSLE方程形式如下：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為年均單位面積的土壤侵蝕模數(shù)[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·h)/(MJ·mm)]；L為坡長因子(無量綱)；S為坡度因子(無量綱)；B為生物措施因子(無量綱)；E為工程措施因子(無量綱)；T為耕作措施因子(無量綱)。

2.1 降雨侵蝕力因子(R)

本文采用Arnoldus[7]提出的利用月降水和年降水資料修正Fournier指數(shù)，然后利用一個(gè)普遍適用的R因子方程來計(jì)算R值。其計(jì)算公式如下：

(2)

R=α·F+β

(3)

式中：Pi為多年平均月降雨量(mm)；P為多年平均年降雨量(mm)；α，β為模型參數(shù)。參考大量相同或相近的研究區(qū)域文獻(xiàn)[8-13]，取α=1.22，β=3.24。式中R單位是100 (ft·t·in)/(ac·h·a)，該單位需乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)17.02，轉(zhuǎn)化成國際單位(MJ·mm)/(hm2·h·a)。

根據(jù)公式(1)—(3)可計(jì)算得到三峽庫區(qū)及其周邊各雨量站點(diǎn)的降雨侵蝕力因子值。在此基礎(chǔ)上，在ArcGIS 10.2中利用克里格插值生成30 m柵格圖層。

2.2 土壤可蝕性因子(K)

本文運(yùn)用Williams等[14]在EPIC模型中提出的估算方法計(jì)算土壤可蝕性因子值。其計(jì)算公式如下：

(4)

式中：SAN為沙粒含量(%)；SIL為粉粒含量(%)；CLA為黏粒含量(%)；C為有機(jī)質(zhì)含量(%)，其中SN1=1-SAN/100。

根據(jù)式(4)計(jì)算所得的K因子值應(yīng)除以7.593后轉(zhuǎn)化為國際制單位[15]。再將轉(zhuǎn)換后的K因子值對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同的土壤類型進(jìn)行賦值，生成土壤可蝕性因子30 m柵格圖層。

2.3 坡長坡度因子(LS)

本文在計(jì)算坡度因子S時(shí)，當(dāng)坡度θ<5°時(shí)，采用McCool等[16]提出的計(jì)算公式；當(dāng)坡度θ≥5°時(shí)，采用Liu等[17]在黃土高原地區(qū)建立的計(jì)算公式；計(jì)算坡長L因子時(shí)，采用Wischmeier等[18]提出的計(jì)算公式。綜合以上計(jì)算公式如下：

(5)

L=(λ/20)m

(6)

(7)

式中：S為坡度因子；θ為坡度(°)；L為坡長因子；λ為坡長(m)，20為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長(m)；m為坡長指數(shù)。

在ArcGIS 10.2中以DEM圖為底圖提取得到坡度坡長圖，再根據(jù)公式(5)—(7)分別計(jì)算出坡度因子S和坡長因子L，并運(yùn)用柵格計(jì)算器計(jì)算得到研究區(qū)LS因子?xùn)鸥駡D層。

2.4 生物措施因子(B)

首先在ENVI 5.3軟件中對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射校正與幾何校正，再根據(jù)NDVI的計(jì)算公式(8)，利用ETM的第四波段和第三波段計(jì)算植被指數(shù)。

(8)

式中：NIR對(duì)應(yīng)紅外波段，即第四波段；R對(duì)應(yīng)紅光波段，即第三波段。再對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行提取，其計(jì)算公式如下：

(9)

式中：f為植被覆蓋度；NDVImax與NDVImin分別為NDVI的最大值與最小值。

不同植被覆蓋度下的B值根據(jù)蔡崇法等[19]的研究計(jì)算，其公式如下：

(10)

2.5 工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)

匯總多年三峽庫區(qū)及其周邊各水土保持監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)坡度、土地利用類型、工程措施、耕作措施等，得出三峽庫區(qū)的工程措施和耕作措施的分布規(guī)律，進(jìn)而得到ET因子值及其對(duì)應(yīng)的坡度、土地利用類型等條件。

E值為工程措施因子，無量綱，指通過改變小地形(如坡改梯、引水等)來改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，以減少或防止土壤侵蝕而采取的措施。考慮到研究范圍大，工程措施多且難以準(zhǔn)確定位的問題，可以嘗試通過以某一小流域?yàn)閱挝皇占芯繀^(qū)工程措施數(shù)據(jù)，嘗試提出把各工程措施減少水土流失的效果平攤到整個(gè)流域內(nèi)進(jìn)行估算，然后進(jìn)行賦值(0～1之間)。即將某一坡度下無工程措施的小區(qū)裸地E值定為1，并記錄土壤侵蝕量，然后同時(shí)觀測(cè)同等坡度、立地條件下不同工程措施小區(qū)的土壤侵蝕量，計(jì)算其比值，從而得到E值。

T值為耕作措施因子，無量綱，指以犁、鋤、耙等為耕(整)地農(nóng)具所采取的措施，以達(dá)到保水保土保肥的目的。根據(jù)調(diào)查的當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣和參考前人已有的耕作措施研究結(jié)果，可考慮等高耕作等措施，然后進(jìn)行賦值(0～1之間)估算。即將某一坡度下無耕作措施的小區(qū)裸地T值定為1，并記錄土壤侵蝕量，然后同時(shí)觀測(cè)同等坡度、立地條件下不同耕作措施小區(qū)的土壤侵蝕量，計(jì)算其比值，得出最后T值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

在ArcGIS 10.2中，通過疊置分析生成2005—2010年和2010—2015年兩個(gè)時(shí)段的土地利用變化圖，在Excel 2010中統(tǒng)計(jì)得出兩時(shí)期的土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣表(表1)。通過分析，可得到以下結(jié)論：

研究區(qū)這3個(gè)時(shí)期均以林地分布面積最廣，占總面積的76.37%～76.67%。其次為耕地和草地?？傮w來說，2005—2010年土地利用變化不顯著，2010—2015年變化較大。林地面積在持續(xù)減少，從2005年的8 965.82 km2減少到2015年的8 931.16 km2，共減少了34.66 km2。其次是耕地面積，在這10 a里共減少17.24 km2。與之對(duì)應(yīng)的是建設(shè)用地面積的增加，10 a共增加35.79 km2，增加幅度達(dá)到了63.43%?？傮w來說，三峽庫區(qū)湖北段2005—2015年轉(zhuǎn)出林地面積和轉(zhuǎn)入建設(shè)用地面積較大，其他的土地利用類型面積變化幅度較小。

2005—2010年時(shí)段三峽庫區(qū)湖北段各土地利用類型轉(zhuǎn)移面積占總面積的0.11%。林地面積減少最多，共減少了5.17 km2，主要轉(zhuǎn)移至水域和建設(shè)用地。而水域面積增加最多，達(dá)到2.72 km2，主要是由林地轉(zhuǎn)入，這是由于三峽水庫的蓄水造成的。

2010—2015年期間研究區(qū)各土地利用類型轉(zhuǎn)移面積占總面積的0.80%，較2005—2010年的顯著提高。該時(shí)段土地利用變化主要體現(xiàn)在耕地和林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，其他土地利用類型變化幅度較小。2010—2015年中，有0.91%的耕地和0.21%的林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。建設(shè)用地面積顯著增加，其增加幅度達(dá)56.63%。這說明2010—2015年研究區(qū)開發(fā)土地的力度較大，城鎮(zhèn)化速率較2005—2010年明顯加快。園地面積增加了13.65 km2，說明當(dāng)?shù)貫榇罅Πl(fā)展經(jīng)濟(jì)，不斷引進(jìn)適合當(dāng)?shù)胤N植的果樹(如橘樹)，以提高農(nóng)民的收入。

表1 2005-2015年研究區(qū)土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 土壤侵蝕消長情況

根據(jù)上述各因子研究方法與計(jì)算結(jié)果，分別繪制出三峽庫區(qū)湖北段各因子值的柵格圖。利用各因子圖和CSLE模型，運(yùn)用ArcGIS柵格計(jì)算器得到三峽庫區(qū)湖北段2005年、2010年、2015年土壤侵蝕圖。

根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007)[20]，得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度模數(shù)分級(jí)表(表2)，并根據(jù)其分類標(biāo)準(zhǔn)得到2005年、2010年、2015年的土壤侵蝕分級(jí)圖(圖1)。

從2005—2015年來看，土壤侵蝕類型主要以微度侵蝕(83.65%～89.32%)和輕度侵蝕(6.77%～4.93%)為主。其中微度侵蝕占比的增幅較大，達(dá)6.78%，其他5個(gè)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)占比均呈減小趨勢(shì)(圖2)?？傮w來說，研究區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)有向微度侵蝕遷移的趨勢(shì)，說明研究區(qū)的土壤侵蝕治理有一定的成效。

表2 三峽庫區(qū)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為進(jìn)一步探討不同土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積的動(dòng)態(tài)變化情況，運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣法對(duì)2005—2010年、2010—2015年兩個(gè)時(shí)期不同土壤侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)移變化進(jìn)行分析(表3)。結(jié)果表明：總體來看，2005—2010年不同等級(jí)土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移量較2010—2015年大。其中2005—2010年高強(qiáng)度的土壤侵蝕向微度侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)化明顯，其中輕度侵蝕中有43.21%轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，中度侵蝕有39.86%轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，強(qiáng)烈侵蝕有37.03%轉(zhuǎn)化為微度侵蝕。同時(shí)，也有3.75%的中度侵蝕區(qū)域轉(zhuǎn)為了輕度侵蝕；強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域分別有0.66%和6.96%轉(zhuǎn)為了輕度侵蝕和中度侵蝕。2010—2015年土壤侵蝕的轉(zhuǎn)換率不如2005—2010年，但是趨勢(shì)和2005—2010年相同。分別有33.33%，37.45%，40.04%，40.67%和34.55%的輕度，中度，強(qiáng)烈，極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕轉(zhuǎn)化為了微度侵蝕，中度侵蝕中有2.62%轉(zhuǎn)化為了輕度侵蝕?？傮w來說，2010—2015年土壤侵蝕變化程度相對(duì)較小，比較穩(wěn)定。

圖1 2005-2015年三峽庫區(qū)湖北段土壤侵蝕分級(jí)

圖2 2005-2015年三峽庫區(qū)湖北段土壤侵蝕強(qiáng)度面積比例

2006年5月，三峽大壩全線建成。在此之后至2010年，三峽水庫的水位逐年提升，淹沒了大片土地，從而導(dǎo)致土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)降低較為明顯。而2011年5月，國務(wù)院已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了三峽水庫蓄水對(duì)長江中下游帶來的不利影響，并采取相應(yīng)的措施改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)狀況，如封山育林、退耕還林還草以及禁止亂砍濫伐等，使得2010—2015年當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)狀況穩(wěn)定，并有向好發(fā)展的態(tài)勢(shì)?？傮w來說，2005—2015年三峽庫區(qū)土壤侵蝕情況得到了比較明顯的改善，當(dāng)?shù)卣卫硭亮魇У某尚б呀?jīng)有所顯現(xiàn)。

表3 2005-2015年研究區(qū)不同等級(jí)土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.3 土地利用變化與土壤侵蝕消長關(guān)系分析

通過對(duì)2005—2010年和2010—2015年土地利用變化圖和土壤侵蝕強(qiáng)度變化圖的疊加，統(tǒng)計(jì)分析不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化對(duì)土壤侵蝕消長的影響。結(jié)果表明：從大體趨勢(shì)上看，2005—2010年和2010—2015年不同土地利用方式下的土壤侵蝕強(qiáng)度面積變化情況相似。園地、草地轉(zhuǎn)為耕地，林地轉(zhuǎn)為耕地、園地，以及耕地、林地、園地、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕強(qiáng)度的增大，其中草地轉(zhuǎn)為耕地的增強(qiáng)作用更加明顯。耕地轉(zhuǎn)為林地、園地和草地以及園地轉(zhuǎn)為林地對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度具有減弱作用，說明在研究區(qū)實(shí)行退耕還林政策具有良好的水土保持效應(yīng)。園地轉(zhuǎn)為草地有時(shí)會(huì)有增強(qiáng)作用，有時(shí)減弱作用較明顯，這和草地的植被覆蓋度密切相關(guān)。

注：土地利用變化方式編號(hào)如下：12表示耕地轉(zhuǎn)為林地；13表示耕地轉(zhuǎn)為園地；14表示耕地轉(zhuǎn)為草地；16表示耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；21表示林地轉(zhuǎn)為耕地；23表示林地轉(zhuǎn)為園地；24表示林地轉(zhuǎn)為草地；26表示林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；31表示園地轉(zhuǎn)為耕地；32表示園地轉(zhuǎn)為林地；34表示園地轉(zhuǎn)為草地；36表示園地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；41表示草地轉(zhuǎn)為耕地；42表示草地轉(zhuǎn)為林地；43表示草地轉(zhuǎn)為園地；46表示草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。本研究不考慮水域變化。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)的主要土地利用類型為林地和耕地，分別占總面積的76%和12%左右。總體來看，2010—2015年研究區(qū)土地利用變化程度比2005—2010年大。2005—2010年由于三峽水庫蓄水，導(dǎo)致研究區(qū)水域面積有所增加；而2010—2015年有較多的耕地和林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，建設(shè)用地的面積增加幅度達(dá)到56.63%。這說明2010—2015年研究區(qū)的城鎮(zhèn)化速率較2005—2010年明顯加快。同時(shí)，為提高當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平，不斷引進(jìn)果樹，使得園地面積增加5.62%。

(2) 研究區(qū)的土壤微度和輕度侵蝕面積占比最大。受到三峽水庫水位不斷上升的影響，2005年研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度變化較大。其中微度侵蝕面積增加較多，占2005年微度侵蝕面積的4.75%；增加的微度侵蝕區(qū)域大部分來源于輕度侵蝕區(qū)域和中度侵蝕區(qū)域。而2010—2015年隨著一系列生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施，如退耕還林還草，以及坡耕地的治理等，植被覆蓋度有所增加，模型中B，E，T值均有所減小，土壤侵蝕總量得到了有效地控制，并繼續(xù)呈現(xiàn)出逐年遞減的趨勢(shì)；當(dāng)?shù)赝寥狼治g強(qiáng)度變化幅度減小，生態(tài)狀況趨于穩(wěn)定向好發(fā)展?？傮w來說，土壤侵蝕的輕度、中度和強(qiáng)烈侵蝕有向微度侵蝕遷移的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)厮亮魇е卫沓尚б殉醪斤@現(xiàn)。