基于隨機(jī)森林算法的土壤侵蝕影響因子研究
——以贛江上游流域?yàn)槔?/h1>
2020-06-15 10:03:56國佳欣劉士余羅海玲
水土保持通報(bào) 2020年2期
朱 青， 國佳欣， 郭 熙， 韓 逸， 劉士余， 陳 蕾， 羅海玲
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330045)
土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在內(nèi)營力和外營力的共同作用下，發(fā)生風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和堆積的過程[1]。土壤侵蝕不僅會(huì)引起土地退化、土壤肥力下降，還會(huì)造成水體富營養(yǎng)化、水庫河道淤塞、旱澇災(zāi)害加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-4]，因此科學(xué)認(rèn)識(shí)和定量評估區(qū)域土壤侵蝕，分析土壤侵蝕空間分布特征及其影響因素對水土流失防治工作和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要意義[5-6]。近年來，修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE)[7]在各區(qū)域尺度下的土壤侵蝕定量研究方面得到了廣泛應(yīng)用，該方程全面考慮了影響土壤侵蝕的因素[6,8]，具有較強(qiáng)的代表性和實(shí)用性[9]。眾多學(xué)者將RUSLE模型與空間信息技術(shù)(RS和GIS)相結(jié)合對土壤侵蝕進(jìn)行了評估與分析[2,6,10]，但目前對土壤侵蝕及其影響因素的研究多基于單一流域[5,8,11]，缺乏對影響流域內(nèi)不同子流域土壤侵蝕因素的定量分析，這對關(guān)鍵區(qū)域水保措施的開展具有一定的局限性，無法提供針對性的措施建議。因此，準(zhǔn)確掌握影響子流域土壤侵蝕的主要因素，對于提升水土保持工作的精準(zhǔn)化具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。此外，前人研究對土壤侵蝕影響因素的探究多停留在區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析[6,12]、相關(guān)性分析[13]和經(jīng)典回歸模型[8,14]等傳統(tǒng)分析方法，難以揭示因子間的復(fù)雜過程和非線性關(guān)系[15]。而隨機(jī)森林是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，可以有效地解決過度擬合、多元共線性等問題，結(jié)果具有可解釋性，能夠很好地量化自變量對因變量的重要程度，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法的不足[15]，在各行各業(yè)中均有廣泛應(yīng)用[17]。
贛江上游流域?yàn)檑蛾柡饔蜃畲笾Я鳌M江的水源區(qū)，該地區(qū)的土壤侵蝕不僅會(huì)影響到中下游流域的飲水質(zhì)量和糧食安全，還會(huì)影響到鄱陽湖入湖泥沙量，進(jìn)而造成一系列生態(tài)環(huán)境問題，因此該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況是維系鄱陽湖一湖清水，促進(jìn)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和綠色生態(tài)江西建設(shè)的重要保障[18]。但該區(qū)域生態(tài)環(huán)境較為脆弱，部分區(qū)域的土壤侵蝕在自然因素和人為因素的雙重作用下越來越劇烈，水土流失已成為當(dāng)?shù)刂匾纳鷳B(tài)環(huán)境問題之一[19]，引起了學(xué)者們的高度重視，諸多有關(guān)土壤侵蝕的研究在該地區(qū)相繼開展[12,18]；但在量化影響因子與土壤侵蝕之間的研究尚不多見。因此，本文以贛江上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于2015年Landsat 8遙感影像、MODIS NDVI數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)、土壤類型和雨量站點(diǎn)等數(shù)據(jù)，在RS和GIS技術(shù)的支持下，采用RUSLE模型對贛江上游流域土壤侵蝕進(jìn)行定量分析；并將各子流域作為一個(gè)獨(dú)立單元，識(shí)別研究區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)防治區(qū)域，同時(shí)借助隨機(jī)森林算法系統(tǒng)地分析影響因子在不同子流域間的重要程度，旨在科學(xué)準(zhǔn)確地界定影響因子與子流域土壤侵蝕的量化關(guān)系，并在劃分土壤侵蝕重點(diǎn)治理區(qū)時(shí)，為決策者科學(xué)規(guī)劃實(shí)施有針對性的水土保持措施提供參考依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
以贛江上游流域?yàn)榘咐齾^(qū)，該區(qū)地處江西省南部，南嶺之北，位于113°54′—116°38′E，24°29′—27°09′N。流域面積為32 948.72 km2，約占贛江流域面積的39.46%，占贛州市全域面積的83.67%，涉及章貢區(qū)、贛縣區(qū)、興國縣等16個(gè)縣區(qū)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，熱量豐富、降水充沛，多年平均氣溫為18.9 ℃，1月蒸發(fā)量最小，7月蒸發(fā)量最大；多年平均降雨量為1 584.14 mm。流域內(nèi)地勢呈四周高中間低，地形復(fù)雜多樣，多山地丘陵，坡度在5°～25°的區(qū)域占流域面積的64.40%；地貌類型分為西部中、低山構(gòu)造侵蝕地貌，南部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌，中部丘陵、河谷侵蝕堆積地貌和東北部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌和溶蝕地貌。成土母質(zhì)以易產(chǎn)生水土流失的花崗巖類、泥質(zhì)巖類和酸性結(jié)晶巖類風(fēng)化物為主。土壤類型以紅壤為主，約占總面積的82%，可蝕性較高[4]，是典型的南方紅壤丘陵分布區(qū)。流域內(nèi)植被覆蓋率約為64%，植被群落結(jié)構(gòu)單一，多為馬尾松和濕地松林，林下植被匱乏，林下流現(xiàn)象嚴(yán)重[20]。
2 研究數(shù)據(jù)與技術(shù)流程
2.1 數(shù)據(jù)來源
研究所用主要數(shù)據(jù)包括： ①降雨數(shù)據(jù)。贛江上游流域15個(gè)雨量站1981—2015年逐日降雨量數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)； ②土壤數(shù)據(jù)。世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中的中國土壤數(shù)據(jù)集與江西省第二次土壤普查數(shù)據(jù)集； ③高程數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ④植被數(shù)據(jù)。由最大值合成的2015年MODIS MOD13 Q1 NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ⑤土地利用類型數(shù)據(jù)。選用2015年Landsat 8 OLI/TIRS 5景遙感影像(空間分辨率為30 m)，結(jié)合研究區(qū)2015年1∶10 000土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，通過人機(jī)交互解譯共生成8大地類：水田、旱地、草地、園地、林地、建設(shè)用地、未利用地和水域； ⑥2015年年均人口密度柵格數(shù)據(jù)。分辨率為1 km，來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)； ⑦贛江上游流域及其子流域矢量邊界數(shù)據(jù)。由Arc SWAT軟件中的水文分析模塊(watershed delineator)提取而來。
2.2 技術(shù)流程
研究主要分為兩個(gè)流程：①在空間信息技術(shù)RS和GIS的支持下，利用RUSLE模型對贛江上游流域土壤侵蝕特征進(jìn)行定量評估，得到研究區(qū)2015年土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖。為保證各模型因子計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文統(tǒng)一采用30 m×30 m柵格單元大小、投影坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_50N； ②為減少數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，選用最鄰近法對土壤侵蝕柵格圖重采樣至250 m，將其與MODIS NDVI數(shù)據(jù)的空間分辨率保持一致。在R軟件中調(diào)用隨機(jī)森林算法程度包RandomForest對贛江上游子流域中的影響因子(R，K，LS，C，P)進(jìn)行重要性分析，以確定影響流域中土壤侵蝕的關(guān)鍵因子。
3 研究方法
3.1 RUSLE模型
本文選用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)[7]對贛江上游流域土壤侵蝕量進(jìn)行估算，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
A=R·K·L·S·C·P
(1)
式中：A為土壤流失量〔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/(hm2·MJ·mm)〕；LS為坡長坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子；LS，C，P均為無量綱。
3.1.1 降雨侵蝕力因子(R)R是指降雨過程對土壤流失存在的潛在影響力[9]。本文選用Renard等[21]提出的降雨侵蝕力算法模型，將贛江上游流域15個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)用如下公式進(jìn)行計(jì)算：
(2)
式中：Pa為年均降雨量(mm)。將研究區(qū)15個(gè)雨量站的降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得到的R值(表1)進(jìn)行克里金插值[22]。
表1 贛江上游流域雨量站及其降雨侵蝕力
3.1.2 土壤可蝕性因子(K) 土壤可蝕性因子K是表征土壤性質(zhì)對侵蝕敏感程度的指標(biāo)[7]。本文應(yīng)用侵蝕—生產(chǎn)力評價(jià)模型(EPIC)[23]進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：
(3)
式中：K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；Wd為砂粒含量(%)；Wi為粉粒含量(%)；Wt為黏粒含量(%)；Wc為有機(jī)碳含量(%)。
3.1.3 坡長坡度因子(LS)LS是反映地形地貌特征對土壤侵蝕影響的指標(biāo)[7]。
考慮到研究區(qū)坡度大于10°的區(qū)域占總面積的59.30%，本文采用RUSLE模型計(jì)算的坡度因子公式不適宜南方丘陵區(qū)實(shí)際情況，因此本文借鑒Liu等[24]和McCool等[25]提出的坡度坡長計(jì)算方法對LS因子進(jìn)行提?。?/p>
(4)
式中：S為坡度因子；θ為坡度(°)；L為坡長因子；λ為水平投影坡長(m)； 22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長；m為可變坡長指數(shù)，即坡面角度的正切值。
3.1.4 植被覆蓋與管理因子(C)C為侵蝕動(dòng)力的抑制因子，對水土保持具有積極作用[7]，其與土地利用類型、植被覆蓋度密切相關(guān)[26]。根據(jù)野外考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重，主要發(fā)生在海拔500 m以下的林地類型中，且在海拔200 m以下大多為馬尾松和濕地松林，林下流普遍存在。因此，本文在咨詢相關(guān)專家意見和研究報(bào)道[10,22]的基礎(chǔ)上，結(jié)合植被覆蓋度和海拔的影響，對不同的土地利用類型賦予不同的C值(表2)。植被覆蓋度fc計(jì)算公式為：
(5)
式中：fc為植被覆蓋度，fc值介于0～1之間，fc越趨近于1，植被覆蓋度越高。本研究以2%和98%的累計(jì)百分比為置信度區(qū)間，讀取對應(yīng)的像元值為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值和最大值。
表2 贛江上游流域植被與覆蓋管理因子C取值
3.1.5 水土保持措施因子(P)P是指實(shí)施水土保持措施下土壤的流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量之比[7]，范圍在0～1之間，p=0表示在水土保持措施后不發(fā)生侵蝕，P=1表示未采取相應(yīng)水土保持措施。贛江上游流域?yàn)槲覈攸c(diǎn)水土流失綜合治理區(qū)，全域范圍內(nèi)開展了多種水保措施，主要集中在經(jīng)果林開發(fā)、基本農(nóng)田改造等。鑒于這種情況，本文在參考相關(guān)學(xué)者研究成果[4-5,12]的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域內(nèi)水土保持措施在不同生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)弱程度，對不同土地利用類型的P因子進(jìn)行賦值，結(jié)果詳見表3。
表3 贛江上游流域水土保持措施因子P取值
3.2 基于隨機(jī)森林的重要性分析
隨機(jī)森林(random forest, RF)是一種基于分類樹的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，其對多元共線性不敏感，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果對缺失和非平衡的數(shù)據(jù)有較好的容忍度。變量的重要性評估是RF算法的一個(gè)重要特點(diǎn)，它通過利用Bootstrap方法，從原始數(shù)據(jù)集中進(jìn)行有放回的隨機(jī)抽取，形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。在使用Bootstrap對原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行抽取時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)未被抽取的概率為(1-N-1)N，其中N為原始數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的總量。這些未被抽中的數(shù)據(jù)稱為袋外數(shù)據(jù)。模型主要是利用袋外數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，其隨自變量的變換而產(chǎn)生預(yù)測誤差，RF算法可以根據(jù)誤差的變化來計(jì)算自變量的重要性，重要性值越大，表明對土壤侵蝕的影響越大[15,17]。本研究基于R軟件中的Random Forest程序包，采用回歸算法來計(jì)算各影響因子的重要性評分，其中決策樹的數(shù)量與分割節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別設(shè)置為500，2。
4 結(jié)果與分析
4.1 各因子特征
1981—2015年平均降雨侵蝕力因子R為9 092.31 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，變幅在7 569.60～11 621.35 (MJ·mm)/(hm2·h·a)之間，標(biāo)準(zhǔn)差為1 036.69 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，這與馬良等[27]對江西省約50 a來降雨侵蝕力變化范圍研究結(jié)果基本一致。由圖1可以看出，流域內(nèi)降雨侵蝕力總體呈四周高，中間低的分布趨勢。其中，降雨侵蝕力的高值區(qū)主要集中分布在東北部的寧都縣、石城縣氣象站附近，低值區(qū)位于北部的贛縣區(qū)氣象站附近。土壤可蝕性K值范圍在0～0.02 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)之間，均值為0.018 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)。
注:地貌類型分圖中，1為低海拔平原; 2為低海拔臺(tái)地; 3為低海拔丘陵; 4為小起伏低山; 5為小起伏中山; 6為中海拔丘陵; 7為中起伏低山; 8為中起伏中山。
圖1 贛江上游流域因子空間分布
從圖1可以看出，土壤可蝕性高值區(qū)域主要呈條帶狀和塊狀分布在中部低海拔臺(tái)地和西部的中海拔丘陵處，而海拔相對較高處的山地、丘陵土壤可蝕性較小，朱成剛等[28]對犁河谷土壤理化性質(zhì)及可蝕性特征研究時(shí)也得到類似結(jié)果。研究區(qū)LS因子范圍在0.038～48.98之間，均值為5.51，標(biāo)準(zhǔn)差為4.60，該結(jié)果與李新艷等[29]對贛南地區(qū)LS因子計(jì)算范圍相一致。由圖1可知，在贛江上游流域不同地貌類型中，低海拔平原的LS因子最小，均值為0.66；中起伏中山最大，均值為14.91。整個(gè)流域四周的LS因子較大，中部較小，且北部總體小于南部，這與贛南四周高山環(huán)繞，中部丘陵起伏，平原和小盆地散布、河流水系呈輻輳狀向中心—章貢區(qū)匯集的地形特征相吻合(圖1)。贛江上游流域C因子均值為0.018，標(biāo)準(zhǔn)差為0.043。從圖1可以看出，低值區(qū)分布較為廣泛，這與該區(qū)域內(nèi)植被生長狀況良好，植被覆蓋度總體達(dá)63.54%有關(guān)。水土保持措施因子P主要依據(jù)不同土地利用類型賦值而來，均值為0.79，標(biāo)準(zhǔn)差為0.33。高值區(qū)主要呈片狀分布在林地、草地類型中；低值區(qū)則主要呈塊狀分布在建設(shè)用地和水田類型中。
4.2 模型結(jié)果驗(yàn)證
本文將RUSLE模型估算出的2015年研究區(qū)土壤侵蝕總量與2001年江西省水利廳第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果[30]進(jìn)行對比。該模型估算出的贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a；調(diào)查結(jié)果記錄贛州市的土壤侵蝕總量為4.87×107t/a，且研究區(qū)約占贛州市的83.67%，因此RUSLE模型估算出的結(jié)果按比例換算約為公報(bào)的84.52%(相對誤差在20%以內(nèi))，結(jié)果在合理范圍內(nèi)，具有較高的可信度。另外，李恒凱等[12]利用RUSLE模型對2013年贛州市土壤侵蝕進(jìn)行估算時(shí)得出輕度侵蝕以上所占面積為16 177.17 km2，與本文贛江上游流域輕度侵蝕以上面積為15 399.70 km2相接近。綜上可知，該模型的土壤侵蝕估算結(jié)果較為準(zhǔn)確。
4.3 流域土壤侵蝕總體特征
根據(jù)水利部最新頒布的南方紅壤土壤侵蝕的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(SL657-2014)[31]，將研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為微度〔<500 t/(km2·a)〕、輕度〔500～1 500 t/(km2·a)〕、中度〔1 500～3 000 t/(km2·a)〕、強(qiáng)烈〔3 000～5 000 t/(km2·a)〕、極強(qiáng)烈〔5 000～10 000 t/(km2·a)〕和劇烈〔>10 000 t/(km2·a)〕6種等級。從圖2可以看出，贛江上游流域主要以微度和輕度侵蝕為主，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；局部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈以上的侵蝕強(qiáng)度，主要分布在研究區(qū)西北部等海拔相對較低與植被覆蓋度低的低海拔臺(tái)地、丘陵地區(qū)；而微度侵蝕的區(qū)域則分散在植被覆蓋度高的小起伏低山和低海拔平原等地區(qū)。
圖2 贛江上游流域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布
從表4可以看出，流域微度侵蝕面積所占比重最大，占流域面積的53.26%；中度侵蝕的面積為3 943.95 km2，占11.97%；強(qiáng)烈以上的侵蝕面積占總面積的10.19%，占比相對較高，因此須重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域土壤侵蝕的防治工作，以有效減少水土流失。從侵蝕量上來看，流域內(nèi)以中度和強(qiáng)烈侵蝕為主，兩者所占比重相當(dāng)，各占侵蝕總量的25.00%，24.27%；劇烈侵蝕占比最小，僅為3.69%。整體而言，贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 046.38 t/(km2·a)，低于陸建忠等[22]觀測到的2000年贛江流域平均土壤侵蝕模數(shù)〔1 321.09 t/(km2·a)〕，表明近15 a來研究區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，但總體上仍遠(yuǎn)大于南方紅壤丘陵區(qū)土壤允許流失量500 t/(km2·a)的標(biāo)準(zhǔn)，因此流域內(nèi)水土流失治理任務(wù)依然艱巨。
表4 贛江上游流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)分析
4.4 子流域土壤侵蝕特征
本文利用Arc SWAT軟件，根據(jù)研究區(qū)地形特征進(jìn)行子流域的劃分，經(jīng)過水文分析模塊計(jì)算后共得到26個(gè)子流域(圖3)。從圖4可以看出，各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大。其中子流域9，11，15處于中度侵蝕級別，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 672.66，1 715.83，1 565.36 t/(km2·a)；其余子流域均為輕度侵蝕，子流域14最小，為645.59 t/(km2·a)。從土壤侵蝕量來看(圖4)，子流域15最大，其數(shù)值達(dá)到了4.18×106t/a，其次為子流域20；最小的是子流域9，為8.38×104t/a。
圖3 研究區(qū)子流域空間分布
綜上可知，子流域9，11，15是贛江上游流域水土流失的關(guān)鍵區(qū)域，為重點(diǎn)防治區(qū)。其中子流域9，11位于低緩河谷區(qū)，在流域總出水口附近；子流域15位于研究區(qū)西部低海拔丘陵地帶。由表5可以看出，3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的紅壤類型占比均達(dá)到了70%，降雨量均在1 400 mm以上。且從子流域15來看，其現(xiàn)有土地利用類型主要是以植被覆蓋度較高的林地為主，占比接近90%，坡度坡長因子較大，分別為18.17°和87.98 m，高程為506.33 m。與之相比，子流域9，11建設(shè)用地面積占比相對較大，人口密度分別為256.16和636.55人/km2，林地、園地受人類活動(dòng)干擾嚴(yán)重，植被覆蓋度較低，分別為37.48%和40.28%；坡度均在15°以下，坡長適中，高程分別為149.92和201.30 m。
圖4 子流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)
表5 重點(diǎn)防治區(qū)域地理環(huán)境因素狀況
4.5 影響土壤侵蝕因子的重要性分析
為進(jìn)一步厘清土壤侵蝕影響因子的重要性，本文在子流域劃分的基礎(chǔ)上，通過250 m網(wǎng)格化采樣后，在R軟件中采用隨機(jī)森林中的回歸算法對R，K，LS，C，P因子進(jìn)行重要性評分，然后將其換算為相對重要程度。從圖5可以看出，各子流域回歸系數(shù)R2均在0.7以上，擬合效果較好；子流域間的土壤侵蝕受C因子和LS因子影響較大，這與前人研究結(jié)果相一致[2,14,32]，且兩者重要程度分別在30%和20%以上，其中C因子重要程度最高可達(dá)48.54%，表明C因子在很大程度上影響著該區(qū)域的土壤侵蝕，體現(xiàn)了流域內(nèi)整體的相似性[11]；但在子流域9，11，21中，LS因子重要程度比C因子更大，說明在這三個(gè)子流域中，地形因素對土壤侵蝕起著主導(dǎo)作用；P因子的重要程度均在10%以上；R因子和K因子對土壤侵蝕的重要程度偏低，均未超過10%，表明這兩種因子在整體上的差異性相對較小，各子流域間的變化起伏不大。此外，在重點(diǎn)防治區(qū)域中，C因子對子流域15土壤侵蝕的重要程度達(dá)到了42.88%，其次為LS因子，重要程度為21.88%；P和K因子重要程度分別為18.87%，7.2%；R因子最低，僅為6.04%。而在子流域9，11中，LS因子重要程度分別為36.15%，38.15%；C因子次之，為32.86%和28.00%；R因子最低，分別為2.83%，5.52%。
圖5 子流域土壤侵蝕影響因子重要性分析
5 討 論
贛江上游流域土壤侵蝕主要受到C因子和LS因子影響，且C因子對子流域土壤侵蝕的重要程度較大，均在30%以上。這與Kosmas C等[33]研究結(jié)果相一致，其認(rèn)為植被覆蓋和土地利用是最重要的影響因素，并且在一定程度上超過了降雨強(qiáng)度和坡度的影響。但胡剛等[14]在基于RUSLE模型估算臥虎山水庫子流域土壤侵蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)LS因子為主要因素，究其原因，本文研究區(qū)地處南方紅壤丘陵區(qū)，林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重[20]，因此C因子在賦值時(shí)兼顧到了海拔的影響，涵蓋了部分地形因素。但C因子在各子流域中的重要程度具有差異性，這主要是因?yàn)椴煌恋乩妙愋烷g的差異性較大[32]，C因子賦值相差甚遠(yuǎn)，且植被覆蓋度在不同土地利用類型上的變化對土壤侵蝕具有放大效應(yīng)[34]。
由重點(diǎn)防治區(qū)域結(jié)果分析可知(表5)，其紅壤類型占比均達(dá)到了70%以上，該土壤土層薄、酸性強(qiáng)、黏重板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量低，保肥保水能力較差[4,19]，受到侵蝕的敏感程度高；在降雨量較大的情況下，容易引起土壤發(fā)生分離和搬運(yùn)，對土壤侵蝕具有潛在影響[9]；且從子流域15來看，雖然區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較高，達(dá)到63.81%，但植被群落結(jié)構(gòu)單一，林下植被匱乏，“遠(yuǎn)看青山在，近看水土流”是研究區(qū)林下流的真實(shí)寫照[20]，尤其是海拔500 m以下的林下水土流失較為嚴(yán)重，因此在對C因子賦值時(shí)未將植被覆蓋度考慮在內(nèi)；從圖5可以看出，C因子對子流域15土壤侵蝕的重要程度最高，為42.88%，LS因子次之。因此，針對子流域15可采取增加林下覆蓋度，形成層次分明的針闊混交林地，以減少地表徑流量的生物措施為主，以改變坡長坡度、控制徑流的工程措施為輔。與之相比，子流域9，11則位于低緩河谷區(qū)，受到人類干擾活動(dòng)較大。陳思旭等[3]研究發(fā)現(xiàn)在南方丘陵山區(qū)，土地利用率較高的地方多集中在緩坡和海拔小于500 m的人口密集區(qū)，其多以種植柑橘，油茶和桉樹等經(jīng)濟(jì)作物為主，植被覆蓋度相對較低，本文研究結(jié)果與此相保持一致。LS因子對子流域9，11的土壤侵蝕重要程度分別為36.15%，38.15%，C因子次之。因此在制定水保措施時(shí)，一方面應(yīng)考慮實(shí)施合理的工程措施進(jìn)行微地形生態(tài)修復(fù)；另一方面可以改善土地利用類型的使用情況，注重植被覆蓋度的提高，防止人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)造成進(jìn)一步破壞。
本研究基于RUSLE模型，分析了國內(nèi)水土流失重點(diǎn)區(qū)—贛江上游流域2015年土壤侵蝕的空間分布特征，對影響土壤侵蝕因子(R，K，LS，C，P)的重要性進(jìn)行了定量化分析，標(biāo)識(shí)了易發(fā)生水土流失的關(guān)鍵子流域，明確了各影響因子在流域之間的重要程度，這對于選擇合適的水土保持措施來緩解關(guān)鍵區(qū)域的土壤侵蝕狀況具有重要意義。本文下一步將縮小研究尺度，著重開展重點(diǎn)防治區(qū)域(子流域9，11，15)土壤侵蝕的內(nèi)在機(jī)理研究，掌握小尺度下的徑流輸沙機(jī)制，以更好地完善子流域的水土保持工作。但本文還存在一定的不足之處，如在結(jié)果驗(yàn)證方面，只是借鑒已有的相關(guān)文獻(xiàn)做參考，后期會(huì)在流域內(nèi)建立徑流試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行模型參數(shù)的修正，使計(jì)算結(jié)果更為精確。另外，評估模型中的因子數(shù)據(jù)精度不一，因此在柵格計(jì)算過程中難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；且未能考慮林地類型及其垂直分層結(jié)構(gòu)對土壤侵蝕的影響，而是在實(shí)地考察和詢問相關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，以海拔作為C因子對林下流賦值的依據(jù)。
6 結(jié) 論
贛江上游流域總體處于輕度侵蝕水平，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大，其中子流域9，11，15是水土流失的重點(diǎn)防治區(qū)域；C因子和LS因子是各流域內(nèi)土壤侵蝕的主要因素，R因子和K因子的重要程度偏低，均未超過10%。研究考慮了不同子流域的土壤侵蝕情況，明確了各子流域科學(xué)管理與治理的優(yōu)先順序及其主控因子，可為決策者提供有針對性的水保措施建議。
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朱 青， 國佳欣， 郭 熙， 韓 逸， 劉士余， 陳 蕾， 羅海玲
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330045)
土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在內(nèi)營力和外營力的共同作用下，發(fā)生風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和堆積的過程[1]。土壤侵蝕不僅會(huì)引起土地退化、土壤肥力下降，還會(huì)造成水體富營養(yǎng)化、水庫河道淤塞、旱澇災(zāi)害加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-4]，因此科學(xué)認(rèn)識(shí)和定量評估區(qū)域土壤侵蝕，分析土壤侵蝕空間分布特征及其影響因素對水土流失防治工作和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要意義[5-6]。近年來，修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE)[7]在各區(qū)域尺度下的土壤侵蝕定量研究方面得到了廣泛應(yīng)用，該方程全面考慮了影響土壤侵蝕的因素[6,8]，具有較強(qiáng)的代表性和實(shí)用性[9]。眾多學(xué)者將RUSLE模型與空間信息技術(shù)(RS和GIS)相結(jié)合對土壤侵蝕進(jìn)行了評估與分析[2,6,10]，但目前對土壤侵蝕及其影響因素的研究多基于單一流域[5,8,11]，缺乏對影響流域內(nèi)不同子流域土壤侵蝕因素的定量分析，這對關(guān)鍵區(qū)域水保措施的開展具有一定的局限性，無法提供針對性的措施建議。因此，準(zhǔn)確掌握影響子流域土壤侵蝕的主要因素，對于提升水土保持工作的精準(zhǔn)化具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。此外，前人研究對土壤侵蝕影響因素的探究多停留在區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析[6,12]、相關(guān)性分析[13]和經(jīng)典回歸模型[8,14]等傳統(tǒng)分析方法，難以揭示因子間的復(fù)雜過程和非線性關(guān)系[15]。而隨機(jī)森林是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，可以有效地解決過度擬合、多元共線性等問題，結(jié)果具有可解釋性，能夠很好地量化自變量對因變量的重要程度，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法的不足[15]，在各行各業(yè)中均有廣泛應(yīng)用[17]。
贛江上游流域?yàn)檑蛾柡饔蜃畲笾Я鳌M江的水源區(qū)，該地區(qū)的土壤侵蝕不僅會(huì)影響到中下游流域的飲水質(zhì)量和糧食安全，還會(huì)影響到鄱陽湖入湖泥沙量，進(jìn)而造成一系列生態(tài)環(huán)境問題，因此該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況是維系鄱陽湖一湖清水，促進(jìn)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和綠色生態(tài)江西建設(shè)的重要保障[18]。但該區(qū)域生態(tài)環(huán)境較為脆弱，部分區(qū)域的土壤侵蝕在自然因素和人為因素的雙重作用下越來越劇烈，水土流失已成為當(dāng)?shù)刂匾纳鷳B(tài)環(huán)境問題之一[19]，引起了學(xué)者們的高度重視，諸多有關(guān)土壤侵蝕的研究在該地區(qū)相繼開展[12,18]；但在量化影響因子與土壤侵蝕之間的研究尚不多見。因此，本文以贛江上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于2015年Landsat 8遙感影像、MODIS NDVI數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)、土壤類型和雨量站點(diǎn)等數(shù)據(jù)，在RS和GIS技術(shù)的支持下，采用RUSLE模型對贛江上游流域土壤侵蝕進(jìn)行定量分析；并將各子流域作為一個(gè)獨(dú)立單元，識(shí)別研究區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)防治區(qū)域，同時(shí)借助隨機(jī)森林算法系統(tǒng)地分析影響因子在不同子流域間的重要程度，旨在科學(xué)準(zhǔn)確地界定影響因子與子流域土壤侵蝕的量化關(guān)系，并在劃分土壤侵蝕重點(diǎn)治理區(qū)時(shí)，為決策者科學(xué)規(guī)劃實(shí)施有針對性的水土保持措施提供參考依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
以贛江上游流域?yàn)榘咐齾^(qū)，該區(qū)地處江西省南部，南嶺之北，位于113°54′—116°38′E，24°29′—27°09′N。流域面積為32 948.72 km2，約占贛江流域面積的39.46%，占贛州市全域面積的83.67%，涉及章貢區(qū)、贛縣區(qū)、興國縣等16個(gè)縣區(qū)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，熱量豐富、降水充沛，多年平均氣溫為18.9 ℃，1月蒸發(fā)量最小，7月蒸發(fā)量最大；多年平均降雨量為1 584.14 mm。流域內(nèi)地勢呈四周高中間低，地形復(fù)雜多樣，多山地丘陵，坡度在5°～25°的區(qū)域占流域面積的64.40%；地貌類型分為西部中、低山構(gòu)造侵蝕地貌，南部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌，中部丘陵、河谷侵蝕堆積地貌和東北部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌和溶蝕地貌。成土母質(zhì)以易產(chǎn)生水土流失的花崗巖類、泥質(zhì)巖類和酸性結(jié)晶巖類風(fēng)化物為主。土壤類型以紅壤為主，約占總面積的82%，可蝕性較高[4]，是典型的南方紅壤丘陵分布區(qū)。流域內(nèi)植被覆蓋率約為64%，植被群落結(jié)構(gòu)單一，多為馬尾松和濕地松林，林下植被匱乏，林下流現(xiàn)象嚴(yán)重[20]。
2 研究數(shù)據(jù)與技術(shù)流程
2.1 數(shù)據(jù)來源
研究所用主要數(shù)據(jù)包括： ①降雨數(shù)據(jù)。贛江上游流域15個(gè)雨量站1981—2015年逐日降雨量數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)； ②土壤數(shù)據(jù)。世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中的中國土壤數(shù)據(jù)集與江西省第二次土壤普查數(shù)據(jù)集； ③高程數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ④植被數(shù)據(jù)。由最大值合成的2015年MODIS MOD13 Q1 NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ⑤土地利用類型數(shù)據(jù)。選用2015年Landsat 8 OLI/TIRS 5景遙感影像(空間分辨率為30 m)，結(jié)合研究區(qū)2015年1∶10 000土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，通過人機(jī)交互解譯共生成8大地類：水田、旱地、草地、園地、林地、建設(shè)用地、未利用地和水域； ⑥2015年年均人口密度柵格數(shù)據(jù)。分辨率為1 km，來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)； ⑦贛江上游流域及其子流域矢量邊界數(shù)據(jù)。由Arc SWAT軟件中的水文分析模塊(watershed delineator)提取而來。
2.2 技術(shù)流程
研究主要分為兩個(gè)流程：①在空間信息技術(shù)RS和GIS的支持下，利用RUSLE模型對贛江上游流域土壤侵蝕特征進(jìn)行定量評估，得到研究區(qū)2015年土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖。為保證各模型因子計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文統(tǒng)一采用30 m×30 m柵格單元大小、投影坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_50N； ②為減少數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，選用最鄰近法對土壤侵蝕柵格圖重采樣至250 m，將其與MODIS NDVI數(shù)據(jù)的空間分辨率保持一致。在R軟件中調(diào)用隨機(jī)森林算法程度包RandomForest對贛江上游子流域中的影響因子(R，K，LS，C，P)進(jìn)行重要性分析，以確定影響流域中土壤侵蝕的關(guān)鍵因子。
3 研究方法
3.1 RUSLE模型
本文選用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)[7]對贛江上游流域土壤侵蝕量進(jìn)行估算，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
A=R·K·L·S·C·P
(1)
式中：A為土壤流失量〔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/(hm2·MJ·mm)〕；LS為坡長坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子；LS，C，P均為無量綱。
3.1.1 降雨侵蝕力因子(R)R是指降雨過程對土壤流失存在的潛在影響力[9]。本文選用Renard等[21]提出的降雨侵蝕力算法模型，將贛江上游流域15個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)用如下公式進(jìn)行計(jì)算：
(2)
式中：Pa為年均降雨量(mm)。將研究區(qū)15個(gè)雨量站的降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得到的R值(表1)進(jìn)行克里金插值[22]。
表1 贛江上游流域雨量站及其降雨侵蝕力
3.1.2 土壤可蝕性因子(K) 土壤可蝕性因子K是表征土壤性質(zhì)對侵蝕敏感程度的指標(biāo)[7]。本文應(yīng)用侵蝕—生產(chǎn)力評價(jià)模型(EPIC)[23]進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：
(3)
式中：K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；Wd為砂粒含量(%)；Wi為粉粒含量(%)；Wt為黏粒含量(%)；Wc為有機(jī)碳含量(%)。
3.1.3 坡長坡度因子(LS)LS是反映地形地貌特征對土壤侵蝕影響的指標(biāo)[7]。
考慮到研究區(qū)坡度大于10°的區(qū)域占總面積的59.30%，本文采用RUSLE模型計(jì)算的坡度因子公式不適宜南方丘陵區(qū)實(shí)際情況，因此本文借鑒Liu等[24]和McCool等[25]提出的坡度坡長計(jì)算方法對LS因子進(jìn)行提?。?/p>
(4)
式中：S為坡度因子；θ為坡度(°)；L為坡長因子；λ為水平投影坡長(m)； 22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長；m為可變坡長指數(shù)，即坡面角度的正切值。
3.1.4 植被覆蓋與管理因子(C)C為侵蝕動(dòng)力的抑制因子，對水土保持具有積極作用[7]，其與土地利用類型、植被覆蓋度密切相關(guān)[26]。根據(jù)野外考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重，主要發(fā)生在海拔500 m以下的林地類型中，且在海拔200 m以下大多為馬尾松和濕地松林，林下流普遍存在。因此，本文在咨詢相關(guān)專家意見和研究報(bào)道[10,22]的基礎(chǔ)上，結(jié)合植被覆蓋度和海拔的影響，對不同的土地利用類型賦予不同的C值(表2)。植被覆蓋度fc計(jì)算公式為：
(5)
式中：fc為植被覆蓋度，fc值介于0～1之間，fc越趨近于1，植被覆蓋度越高。本研究以2%和98%的累計(jì)百分比為置信度區(qū)間，讀取對應(yīng)的像元值為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值和最大值。
表2 贛江上游流域植被與覆蓋管理因子C取值
3.1.5 水土保持措施因子(P)P是指實(shí)施水土保持措施下土壤的流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量之比[7]，范圍在0～1之間，p=0表示在水土保持措施后不發(fā)生侵蝕，P=1表示未采取相應(yīng)水土保持措施。贛江上游流域?yàn)槲覈攸c(diǎn)水土流失綜合治理區(qū)，全域范圍內(nèi)開展了多種水保措施，主要集中在經(jīng)果林開發(fā)、基本農(nóng)田改造等。鑒于這種情況，本文在參考相關(guān)學(xué)者研究成果[4-5,12]的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域內(nèi)水土保持措施在不同生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)弱程度，對不同土地利用類型的P因子進(jìn)行賦值，結(jié)果詳見表3。
表3 贛江上游流域水土保持措施因子P取值
3.2 基于隨機(jī)森林的重要性分析
隨機(jī)森林(random forest, RF)是一種基于分類樹的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，其對多元共線性不敏感，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果對缺失和非平衡的數(shù)據(jù)有較好的容忍度。變量的重要性評估是RF算法的一個(gè)重要特點(diǎn)，它通過利用Bootstrap方法，從原始數(shù)據(jù)集中進(jìn)行有放回的隨機(jī)抽取，形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。在使用Bootstrap對原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行抽取時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)未被抽取的概率為(1-N-1)N，其中N為原始數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的總量。這些未被抽中的數(shù)據(jù)稱為袋外數(shù)據(jù)。模型主要是利用袋外數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，其隨自變量的變換而產(chǎn)生預(yù)測誤差，RF算法可以根據(jù)誤差的變化來計(jì)算自變量的重要性，重要性值越大，表明對土壤侵蝕的影響越大[15,17]。本研究基于R軟件中的Random Forest程序包，采用回歸算法來計(jì)算各影響因子的重要性評分，其中決策樹的數(shù)量與分割節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別設(shè)置為500，2。
4 結(jié)果與分析
4.1 各因子特征
1981—2015年平均降雨侵蝕力因子R為9 092.31 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，變幅在7 569.60～11 621.35 (MJ·mm)/(hm2·h·a)之間，標(biāo)準(zhǔn)差為1 036.69 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，這與馬良等[27]對江西省約50 a來降雨侵蝕力變化范圍研究結(jié)果基本一致。由圖1可以看出，流域內(nèi)降雨侵蝕力總體呈四周高，中間低的分布趨勢。其中，降雨侵蝕力的高值區(qū)主要集中分布在東北部的寧都縣、石城縣氣象站附近，低值區(qū)位于北部的贛縣區(qū)氣象站附近。土壤可蝕性K值范圍在0～0.02 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)之間，均值為0.018 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)。
注:地貌類型分圖中，1為低海拔平原; 2為低海拔臺(tái)地; 3為低海拔丘陵; 4為小起伏低山; 5為小起伏中山; 6為中海拔丘陵; 7為中起伏低山; 8為中起伏中山。
圖1 贛江上游流域因子空間分布
從圖1可以看出，土壤可蝕性高值區(qū)域主要呈條帶狀和塊狀分布在中部低海拔臺(tái)地和西部的中海拔丘陵處，而海拔相對較高處的山地、丘陵土壤可蝕性較小，朱成剛等[28]對犁河谷土壤理化性質(zhì)及可蝕性特征研究時(shí)也得到類似結(jié)果。研究區(qū)LS因子范圍在0.038～48.98之間，均值為5.51，標(biāo)準(zhǔn)差為4.60，該結(jié)果與李新艷等[29]對贛南地區(qū)LS因子計(jì)算范圍相一致。由圖1可知，在贛江上游流域不同地貌類型中，低海拔平原的LS因子最小，均值為0.66；中起伏中山最大，均值為14.91。整個(gè)流域四周的LS因子較大，中部較小，且北部總體小于南部，這與贛南四周高山環(huán)繞，中部丘陵起伏，平原和小盆地散布、河流水系呈輻輳狀向中心—章貢區(qū)匯集的地形特征相吻合(圖1)。贛江上游流域C因子均值為0.018，標(biāo)準(zhǔn)差為0.043。從圖1可以看出，低值區(qū)分布較為廣泛，這與該區(qū)域內(nèi)植被生長狀況良好，植被覆蓋度總體達(dá)63.54%有關(guān)。水土保持措施因子P主要依據(jù)不同土地利用類型賦值而來，均值為0.79，標(biāo)準(zhǔn)差為0.33。高值區(qū)主要呈片狀分布在林地、草地類型中；低值區(qū)則主要呈塊狀分布在建設(shè)用地和水田類型中。
4.2 模型結(jié)果驗(yàn)證
本文將RUSLE模型估算出的2015年研究區(qū)土壤侵蝕總量與2001年江西省水利廳第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果[30]進(jìn)行對比。該模型估算出的贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a；調(diào)查結(jié)果記錄贛州市的土壤侵蝕總量為4.87×107t/a，且研究區(qū)約占贛州市的83.67%，因此RUSLE模型估算出的結(jié)果按比例換算約為公報(bào)的84.52%(相對誤差在20%以內(nèi))，結(jié)果在合理范圍內(nèi)，具有較高的可信度。另外，李恒凱等[12]利用RUSLE模型對2013年贛州市土壤侵蝕進(jìn)行估算時(shí)得出輕度侵蝕以上所占面積為16 177.17 km2，與本文贛江上游流域輕度侵蝕以上面積為15 399.70 km2相接近。綜上可知，該模型的土壤侵蝕估算結(jié)果較為準(zhǔn)確。
4.3 流域土壤侵蝕總體特征
根據(jù)水利部最新頒布的南方紅壤土壤侵蝕的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(SL657-2014)[31]，將研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為微度〔<500 t/(km2·a)〕、輕度〔500～1 500 t/(km2·a)〕、中度〔1 500～3 000 t/(km2·a)〕、強(qiáng)烈〔3 000～5 000 t/(km2·a)〕、極強(qiáng)烈〔5 000～10 000 t/(km2·a)〕和劇烈〔>10 000 t/(km2·a)〕6種等級。從圖2可以看出，贛江上游流域主要以微度和輕度侵蝕為主，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；局部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈以上的侵蝕強(qiáng)度，主要分布在研究區(qū)西北部等海拔相對較低與植被覆蓋度低的低海拔臺(tái)地、丘陵地區(qū)；而微度侵蝕的區(qū)域則分散在植被覆蓋度高的小起伏低山和低海拔平原等地區(qū)。
圖2 贛江上游流域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布
從表4可以看出，流域微度侵蝕面積所占比重最大，占流域面積的53.26%；中度侵蝕的面積為3 943.95 km2，占11.97%；強(qiáng)烈以上的侵蝕面積占總面積的10.19%，占比相對較高，因此須重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域土壤侵蝕的防治工作，以有效減少水土流失。從侵蝕量上來看，流域內(nèi)以中度和強(qiáng)烈侵蝕為主，兩者所占比重相當(dāng)，各占侵蝕總量的25.00%，24.27%；劇烈侵蝕占比最小，僅為3.69%。整體而言，贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 046.38 t/(km2·a)，低于陸建忠等[22]觀測到的2000年贛江流域平均土壤侵蝕模數(shù)〔1 321.09 t/(km2·a)〕，表明近15 a來研究區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，但總體上仍遠(yuǎn)大于南方紅壤丘陵區(qū)土壤允許流失量500 t/(km2·a)的標(biāo)準(zhǔn)，因此流域內(nèi)水土流失治理任務(wù)依然艱巨。
表4 贛江上游流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)分析
4.4 子流域土壤侵蝕特征
本文利用Arc SWAT軟件，根據(jù)研究區(qū)地形特征進(jìn)行子流域的劃分，經(jīng)過水文分析模塊計(jì)算后共得到26個(gè)子流域(圖3)。從圖4可以看出，各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大。其中子流域9，11，15處于中度侵蝕級別，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 672.66，1 715.83，1 565.36 t/(km2·a)；其余子流域均為輕度侵蝕，子流域14最小，為645.59 t/(km2·a)。從土壤侵蝕量來看(圖4)，子流域15最大，其數(shù)值達(dá)到了4.18×106t/a，其次為子流域20；最小的是子流域9，為8.38×104t/a。
圖3 研究區(qū)子流域空間分布
綜上可知，子流域9，11，15是贛江上游流域水土流失的關(guān)鍵區(qū)域，為重點(diǎn)防治區(qū)。其中子流域9，11位于低緩河谷區(qū)，在流域總出水口附近；子流域15位于研究區(qū)西部低海拔丘陵地帶。由表5可以看出，3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的紅壤類型占比均達(dá)到了70%，降雨量均在1 400 mm以上。且從子流域15來看，其現(xiàn)有土地利用類型主要是以植被覆蓋度較高的林地為主，占比接近90%，坡度坡長因子較大，分別為18.17°和87.98 m，高程為506.33 m。與之相比，子流域9，11建設(shè)用地面積占比相對較大，人口密度分別為256.16和636.55人/km2，林地、園地受人類活動(dòng)干擾嚴(yán)重，植被覆蓋度較低，分別為37.48%和40.28%；坡度均在15°以下，坡長適中，高程分別為149.92和201.30 m。
圖4 子流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)
表5 重點(diǎn)防治區(qū)域地理環(huán)境因素狀況
4.5 影響土壤侵蝕因子的重要性分析
為進(jìn)一步厘清土壤侵蝕影響因子的重要性，本文在子流域劃分的基礎(chǔ)上，通過250 m網(wǎng)格化采樣后，在R軟件中采用隨機(jī)森林中的回歸算法對R，K，LS，C，P因子進(jìn)行重要性評分，然后將其換算為相對重要程度。從圖5可以看出，各子流域回歸系數(shù)R2均在0.7以上，擬合效果較好；子流域間的土壤侵蝕受C因子和LS因子影響較大，這與前人研究結(jié)果相一致[2,14,32]，且兩者重要程度分別在30%和20%以上，其中C因子重要程度最高可達(dá)48.54%，表明C因子在很大程度上影響著該區(qū)域的土壤侵蝕，體現(xiàn)了流域內(nèi)整體的相似性[11]；但在子流域9，11，21中，LS因子重要程度比C因子更大，說明在這三個(gè)子流域中，地形因素對土壤侵蝕起著主導(dǎo)作用；P因子的重要程度均在10%以上；R因子和K因子對土壤侵蝕的重要程度偏低，均未超過10%，表明這兩種因子在整體上的差異性相對較小，各子流域間的變化起伏不大。此外，在重點(diǎn)防治區(qū)域中，C因子對子流域15土壤侵蝕的重要程度達(dá)到了42.88%，其次為LS因子，重要程度為21.88%；P和K因子重要程度分別為18.87%，7.2%；R因子最低，僅為6.04%。而在子流域9，11中，LS因子重要程度分別為36.15%，38.15%；C因子次之，為32.86%和28.00%；R因子最低，分別為2.83%，5.52%。
圖5 子流域土壤侵蝕影響因子重要性分析
5 討 論
贛江上游流域土壤侵蝕主要受到C因子和LS因子影響，且C因子對子流域土壤侵蝕的重要程度較大，均在30%以上。這與Kosmas C等[33]研究結(jié)果相一致，其認(rèn)為植被覆蓋和土地利用是最重要的影響因素，并且在一定程度上超過了降雨強(qiáng)度和坡度的影響。但胡剛等[14]在基于RUSLE模型估算臥虎山水庫子流域土壤侵蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)LS因子為主要因素，究其原因，本文研究區(qū)地處南方紅壤丘陵區(qū)，林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重[20]，因此C因子在賦值時(shí)兼顧到了海拔的影響，涵蓋了部分地形因素。但C因子在各子流域中的重要程度具有差異性，這主要是因?yàn)椴煌恋乩妙愋烷g的差異性較大[32]，C因子賦值相差甚遠(yuǎn)，且植被覆蓋度在不同土地利用類型上的變化對土壤侵蝕具有放大效應(yīng)[34]。
由重點(diǎn)防治區(qū)域結(jié)果分析可知(表5)，其紅壤類型占比均達(dá)到了70%以上，該土壤土層薄、酸性強(qiáng)、黏重板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量低，保肥保水能力較差[4,19]，受到侵蝕的敏感程度高；在降雨量較大的情況下，容易引起土壤發(fā)生分離和搬運(yùn)，對土壤侵蝕具有潛在影響[9]；且從子流域15來看，雖然區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較高，達(dá)到63.81%，但植被群落結(jié)構(gòu)單一，林下植被匱乏，“遠(yuǎn)看青山在，近看水土流”是研究區(qū)林下流的真實(shí)寫照[20]，尤其是海拔500 m以下的林下水土流失較為嚴(yán)重，因此在對C因子賦值時(shí)未將植被覆蓋度考慮在內(nèi)；從圖5可以看出，C因子對子流域15土壤侵蝕的重要程度最高，為42.88%，LS因子次之。因此，針對子流域15可采取增加林下覆蓋度，形成層次分明的針闊混交林地，以減少地表徑流量的生物措施為主，以改變坡長坡度、控制徑流的工程措施為輔。與之相比，子流域9，11則位于低緩河谷區(qū)，受到人類干擾活動(dòng)較大。陳思旭等[3]研究發(fā)現(xiàn)在南方丘陵山區(qū)，土地利用率較高的地方多集中在緩坡和海拔小于500 m的人口密集區(qū)，其多以種植柑橘，油茶和桉樹等經(jīng)濟(jì)作物為主，植被覆蓋度相對較低，本文研究結(jié)果與此相保持一致。LS因子對子流域9，11的土壤侵蝕重要程度分別為36.15%，38.15%，C因子次之。因此在制定水保措施時(shí)，一方面應(yīng)考慮實(shí)施合理的工程措施進(jìn)行微地形生態(tài)修復(fù)；另一方面可以改善土地利用類型的使用情況，注重植被覆蓋度的提高，防止人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)造成進(jìn)一步破壞。
本研究基于RUSLE模型，分析了國內(nèi)水土流失重點(diǎn)區(qū)—贛江上游流域2015年土壤侵蝕的空間分布特征，對影響土壤侵蝕因子(R，K，LS，C，P)的重要性進(jìn)行了定量化分析，標(biāo)識(shí)了易發(fā)生水土流失的關(guān)鍵子流域，明確了各影響因子在流域之間的重要程度，這對于選擇合適的水土保持措施來緩解關(guān)鍵區(qū)域的土壤侵蝕狀況具有重要意義。本文下一步將縮小研究尺度，著重開展重點(diǎn)防治區(qū)域(子流域9，11，15)土壤侵蝕的內(nèi)在機(jī)理研究，掌握小尺度下的徑流輸沙機(jī)制，以更好地完善子流域的水土保持工作。但本文還存在一定的不足之處，如在結(jié)果驗(yàn)證方面，只是借鑒已有的相關(guān)文獻(xiàn)做參考，后期會(huì)在流域內(nèi)建立徑流試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行模型參數(shù)的修正，使計(jì)算結(jié)果更為精確。另外，評估模型中的因子數(shù)據(jù)精度不一，因此在柵格計(jì)算過程中難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；且未能考慮林地類型及其垂直分層結(jié)構(gòu)對土壤侵蝕的影響，而是在實(shí)地考察和詢問相關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，以海拔作為C因子對林下流賦值的依據(jù)。
6 結(jié) 論
贛江上游流域總體處于輕度侵蝕水平，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大，其中子流域9，11，15是水土流失的重點(diǎn)防治區(qū)域；C因子和LS因子是各流域內(nèi)土壤侵蝕的主要因素，R因子和K因子的重要程度偏低，均未超過10%。研究考慮了不同子流域的土壤侵蝕情況，明確了各子流域科學(xué)管理與治理的優(yōu)先順序及其主控因子，可為決策者提供有針對性的水保措施建議。
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