土壤侵蝕動態(tài)變化分析
——以四川省涼山州為例

姚 昆，張存杰，何 磊，李玉霞，鐘旭珍

1. 西昌學院 資源與環(huán)境學院，四川 西昌 615000；2. 國家氣候中心系統(tǒng)運控室，北京 100081；3. 成都信息工程大學 軟件工程學院，成都 610103；4. 電子科技大學 自動化工程學院，成都 610054；5. 內(nèi)江師范學院 地理與資源科學學院，四川 內(nèi)江 641100

土壤侵蝕是一種常見的自然災(zāi)害，區(qū)域的土壤類型、氣候、地質(zhì)條件等自然因素決定了其先天狀況，而后天的人類活動又對其變化產(chǎn)生明顯的驅(qū)動作用[1-2]． 土壤侵蝕不僅會造成水體富營養(yǎng)化和土地生產(chǎn)能力嚴重下降等系列環(huán)境問題，還會加劇生態(tài)環(huán)境的脆弱程度[3]．

近年來，隨著RS和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，學者們在區(qū)域水力侵蝕的定量監(jiān)測與評估上取得了諸多成果，提出了通用流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)[4-6]、修正土壤侵蝕方程(Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE)[3，7-8]、水蝕預報模型(Water Erosion Prediction Project，WEPP)[9-10]和中國土壤流失方程(China Soil Loss Equation，CSLE)[11-13]等眾多計算模型． 其中，RUSLE模型在諸多模型中最為典型． 黃鳳琴等[14]利用RUSLE模型完成涼山地區(qū)2000年土壤侵蝕的空間分布特征分析；鄒雅婧等[15]將RUSLE模型與地理探測器相結(jié)合，實現(xiàn)了渭北礦區(qū)2018年土壤侵蝕狀況的定量評估與驅(qū)動因素分析；胡先培等[16]基于RUSLE模型對貴州銅仁地區(qū)1987-2015年土壤侵蝕的時空特征進行了詳細分析；操玥等[17]以RUSLE模型為基礎(chǔ)，完成了我國喀斯特槽谷地區(qū)2000-2015年土壤侵蝕時空演變及未來發(fā)展規(guī)律的探索分析． 以上成果均已證明，相比其他模型，RUSLE具有所需參數(shù)較少、計算過程相對簡單快捷、應(yīng)用范圍適用性廣和計算結(jié)果準確度相對較高的優(yōu)點，能作為區(qū)域土壤侵蝕定量評估的一項重要技術(shù)手段．

涼山州作為四川省土壤侵蝕監(jiān)測與恢復治理的重點區(qū)，全州約有49%的地區(qū)存在土壤侵蝕現(xiàn)象[14]． 因此，加強該地區(qū)土壤侵蝕的定量評估及變化監(jiān)測具有十分重要的意義． 然而，截至目前對該地區(qū)土壤侵蝕的研究仍有兩項主要不足尚需完善． 第一，雖然該地區(qū)是全省土壤侵蝕的重點監(jiān)測區(qū)，但是查閱文獻資料可知，對其開展的研究卻幾乎處于空白；第二，已有成果均只完成該地區(qū)特定年份土壤侵蝕的定量評估，僅側(cè)重從空間角度分析其分布規(guī)律[4，14]，忽略了其時間變化規(guī)律的探索分析，無法全面地掌握其真實變化狀況．

為有效彌補以上兩點不足，更全面地掌握該地區(qū)土壤侵蝕的真實變化規(guī)律，本研究基于RUSLE模型完成涼山州1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年土壤侵蝕模數(shù)的計算，并從時間與空間相結(jié)合的視角，對其空間分布與時空變化規(guī)律進行較詳細的分析，以期為該地區(qū)土壤侵蝕治理與保護措施的制定提供科學的理論參考．

1 研究區(qū)概況

涼山州(圖1)地處四川省西南部，地理坐標為26°03′-29°18′N，100°03′-103°52′E，面積約6.04×104km2，包括西昌市、冕寧縣和德昌縣等17個市縣． 其地質(zhì)構(gòu)造相對復雜，地形崎嶇，地表起伏變化明顯，地勢呈現(xiàn)西北向東南和北部向西部傾斜的變化形態(tài)，西北和北部地區(qū)海拔均相對較高，地形起伏變化也相對明顯． 該地區(qū)平均海拔約2 634.43m，地貌主要為山地和高原且約占全州總面積的90%，也有少量的平原和丘陵． 區(qū)域年平均氣溫為10.1～19.3 ℃[14]，年降水呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，年均降雨量1 000～1 100 mm，降水主要集中于5-10月． 土地景觀主要為有林地、灌木林地、高覆蓋和中覆蓋度草地以及耕地． 紅壤、紫色土、棕壤和暗棕壤等為主要的土壤類型． 受先天自然條件的影響，該地區(qū)是滑坡、泥石流和水土流失的多發(fā)區(qū)和重點監(jiān)測區(qū)．

審圖號：GS(2019)3333號．圖1 研究區(qū)地理位置和行政區(qū)劃

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)修正土壤侵蝕方程(RUSLE)，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，包括：1990-2018年涼山州及周邊地區(qū)氣象站的各月累計降雨量，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)；1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫，來源于中國科學院南京土壤所；涼山州數(shù)字高程模型(DEM)，空間分辨率30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺；1990-2018年涼山州1∶10萬土地利用類型矢量數(shù)據(jù)和《中國土種志》，來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.resdc.cn)．

2.2 RUSLE模型

修正通用土壤侵蝕方程的數(shù)學表達式為：

A=R×L×S×K×C×P

(1)

式中：A為侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；L為坡長因子；S為坡度因子；K為土壤可侵蝕，(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)；C和P則為植被與水土保持因子，它們均無單位；侵蝕模數(shù)乘以100，單位轉(zhuǎn)換為t/(km2·a)．

2.2.1 降雨侵蝕力

降雨是引起土壤侵蝕改變的主要外在驅(qū)動力，本研究利用Wischmeier模型[2，3，18]完成氣象站侵蝕力計算，并采用反距離權(quán)插值模型完成數(shù)據(jù)處理，分辨率30 m． 表達式為：

(2)

式中：R為降雨侵蝕力；P1為月降雨量；P為年降雨量．

2.2.2 土壤可侵蝕性

由于不同類型的土壤理化性質(zhì)和質(zhì)地組成均存在差異，因此其可侵蝕性K在受到外在影響力作用時，也會有呈現(xiàn)出不同的敏感性． 本研究采用EPIC模型[3，18]完成K因子的計算． 表達式為：

(3)

式中：SAN為砂粒比例，%；SIL為粉粒比例，%；CLA為粘粒比例，%；C為有機質(zhì)比例，%；SNI=1-SAN/100，美制和國際制轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.131 7．

2.2.3 坡度坡長因子

地形變化會對地表徑流、植被分布和人類活動等產(chǎn)生明顯的影響，會影響區(qū)域土壤侵蝕的狀況． 本研究采用劉寶元等[19]提出的模型完成該地區(qū)坡長的計算，表達式為：

(4)

式中：L為坡長因子；λ為單位坡長；m為坡長指數(shù)．

坡度因子的計算研究采用劉斌濤等[20-21]針對西南山地區(qū)進行修正的模型完成，表達式為：

(5)

式中：S為坡度因子；θ為坡度．

2.2.4 植被覆蓋因子與水土保持措施因子

植被覆蓋因子C能有效地表征出植被覆蓋度對土壤侵蝕削減的能力，通常覆蓋度越高土壤侵蝕現(xiàn)象相對越弱． 水土保持措施因子P則是用于衡量水土保持措施對土壤侵蝕抑制能力的客觀指標．C和P因子的取值均為0～1．C和P均可通過模型計算與賦值兩種方式得到，考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，本研究主要采用賦值法完成以上兩個參數(shù)值的確定． 已有成果顯示，學者們通過野外實測得出了西南土石區(qū)部分土地類型的C和P值[4，21]，本研究在參考這些相似地區(qū)成果的基礎(chǔ)上[4，14，20，21]，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H完成C和P因子的賦值(表1)．

表1 各土地類型C和P因子

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕分級

本研究利用RUSLE模型完成研究區(qū)1990-2018年不同年份土壤侵蝕模數(shù)的計算，并參照2007年水利部頒布的《土壤侵蝕分級標準》實現(xiàn)各數(shù)據(jù)的分級(圖2)．

審圖號：GS(2019)3333號．圖2 1990-2018年涼山州土壤侵蝕空間分布

1997-2000年全國進行了第二次土壤侵蝕遙感調(diào)查，結(jié)果顯示(圖2)，涼山州約有49%的區(qū)域存在較明顯的土壤侵蝕現(xiàn)象[14]；2000年本研究微度侵蝕約占全州總面積的48.04%，表明這些區(qū)域幾乎不存在較明顯的土壤侵蝕現(xiàn)象，土壤侵蝕問題可忽略不計；2000年存在土壤侵蝕較明顯區(qū)域約占全州總面積的51.96%，與國家公布的49%基本吻合，間接說明研究采用的方法是基本可行的． 1990-2018年整個研究時段內(nèi)，微度和輕度侵蝕在整個地區(qū)的分布范圍均最廣，在全州的面積占比最大；然而，極強烈和劇烈侵蝕分布的范圍相對較窄，在全州的面積占比也最少；而中度和強烈侵蝕則主要分布于這兩大片區(qū)周邊，在全州面積的占比也處于居中的位置；以上分析表明，近30年內(nèi)，全州雖然約一半地區(qū)都存在較明顯的土壤侵蝕現(xiàn)象，但就整個地區(qū)而言，土壤侵蝕強度整體仍然處于輕等水平． 以2018年為例，各等級占全州面積的比例分別為：微度47.99%，輕度25.23%，中度10.78%，強烈7.24%，極強烈6.55%及劇烈2.21%；除侵蝕現(xiàn)象可忽略不計的微度外，在侵蝕現(xiàn)象較明顯的其余5個強度等級中，輕度和中度的比例已占該片區(qū)面積總和的69.24%．

3.2 空間分布規(guī)律分析

結(jié)合圖2分析可知：本研究計算得到的涼山州土壤強度空間分布特征與胡云華等[4]和黃鳳琴等[14]的成果基本吻合；涼山州土壤侵蝕在空間分布上整體呈現(xiàn)出明顯的梯度差異，整體上西部和中部地區(qū)土壤侵蝕的強度相對較弱，土壤侵蝕的分布面積也相對較少，相比之下，東部和南部地區(qū)土壤侵蝕的強度相對較高，侵蝕分布的面積也相對較廣．

同時，結(jié)合地形、土地利用類型和其他相關(guān)資料對各強度侵蝕的空間分布狀況進行進一步分析可知：涼山州西部的理塘河中下游和雅礱江中部地區(qū)，雖然區(qū)域海拔整體相對較高，地勢相對陡峭，地形起伏也較明顯，但有林地、灌木林地和高覆蓋度草地等植被覆蓋度較高的區(qū)域占據(jù)了該地區(qū)大部分，大量生長茂盛的植被有效地抑制了區(qū)域土壤侵蝕的嚴重程度和分布擴散，同時該地區(qū)人口密度也相對較低，人類活動不明顯，這亦未能對其土壤侵蝕狀況的改變產(chǎn)生較明顯的驅(qū)動作用；研究區(qū)中部的安寧河谷平原區(qū)地勢相對平緩，大量的城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和居民點均主要集中于此，這里是涼山州社會經(jīng)濟的發(fā)展的重要地區(qū)，河谷平原先天的自然條件優(yōu)勢和有效的人工治理措施，有力地削減了土壤侵蝕的強度和范圍，河谷平原兩側(cè)的大部分地區(qū)，雖然海拔相對較高，但是植被覆蓋率也相對較高，也對土壤侵蝕起到一定的抑制作用；全州范圍內(nèi)西部和南部地區(qū)土壤侵蝕的強度相對嚴重且分布范圍也相對較廣，特別是美姑河、黑水河和金沙江干流沿岸這些區(qū)域土壤侵蝕現(xiàn)象更加明顯． 這些地區(qū)不僅山高坡陡，耕地資源相對豐富且分布廣泛，人地關(guān)系相對緊張，并且植被也主要以覆蓋程度相對較低的疏林地、中低覆蓋度草地為主． 先天的自然條件和后天的人為因素共同造成了這些地區(qū)土壤侵蝕問題相對明顯．

3.3 侵蝕與坡度變化的關(guān)系

本研究根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)，將涼山州坡度分為≤5°，(5°，8°]，(8°，15°]，(15°，25°]，(25°，35°]和>35°總計6個不同的區(qū)間，并完成各區(qū)間不同強度分布規(guī)律的分析(圖3)．

圖3 不同坡度的侵蝕變化

結(jié)合圖3可知：① 涼山州土壤侵蝕有3.80%分布于≤5°，4.71%分布于(5°，8°]，28.28%分布于(8°，15°]，26.31%分布于(15°，25°]和21.49%分布于>35°的區(qū)間；從侵蝕面積在各坡度區(qū)間的變化可知，該地區(qū)整體以25°坡為變化分界點；當坡度<25°時，區(qū)域整體侵蝕面積與坡度成正相關(guān)變化關(guān)系，相反，當坡度>25°時，區(qū)域整體侵蝕面積則隨坡度值的增加而降低． ② 同時，各強度等級在不同坡度區(qū)間的變化也呈現(xiàn)出較明顯的差異性；在(5°，25°]區(qū)間內(nèi)，微度的面積比例隨坡度增大而升高，在5°向8°過渡的區(qū)間基本保持不變，而坡度>25°時其分布范圍隨坡度增大而變窄；劇烈的分布范圍與坡度一直呈正相關(guān)關(guān)系，且未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，坡度越大其分布范圍越廣；中度、強烈和極強烈的變化轉(zhuǎn)折點均出現(xiàn)在25°，輕度則存在25°和35°兩個轉(zhuǎn)折點． ③ 結(jié)合相關(guān)資料分析可知[22]，25°為變化轉(zhuǎn)折點可能是由于當坡度處于25°以下時，隨其升高而產(chǎn)生的區(qū)域斜面面積逐漸減小，降雨對土壤的滲透能力也減弱，以上會促進地區(qū)土體下滑速度和水流能量的快速增加，驅(qū)動土壤侵蝕分布范圍的擴大；而坡度處于25°臨界點以上時，斜面面積逐漸增大，對土壤侵蝕范圍的擴大反而起到一定的抑制作用．

3.4 時空動態(tài)變化

3.4.1 空間演變分析

為了解涼山州土壤侵蝕的空間演變狀況，本研究利用ArcGIS 10.4軟件完成該地區(qū)1990-2018年土壤侵蝕強度空間變化的疊加分析[23-25](圖4)．

0代表侵蝕強度等級未發(fā)生改變；正數(shù)代表強度等級升高，數(shù)值越大強度惡化的程度越突出；相反地，負數(shù)代表侵蝕強度等級下降，其絕對值越大代表強度下降的等級越明顯，侵蝕狀況也好轉(zhuǎn)得越明顯．審圖號：GS(2019)3333號．圖4 1990-2018年涼山州土壤侵蝕強度等級變化

結(jié)合圖4對該地區(qū)整個研究時段內(nèi)各土壤侵蝕的空間變化規(guī)律進行分析可知：① 1990-2005年內(nèi)，研究區(qū)有74.35%的區(qū)域侵蝕強度未發(fā)生等級改變，表明這些地區(qū)土壤侵蝕的強度等級無變化；分別有9.37%和1.77%的地區(qū)上升了1個和2個等級，它們主要分布于涼山州南部和西南部地區(qū)，侵蝕強度呈現(xiàn)加重的變化狀態(tài)；該時段內(nèi)有9.61%和1.63%的地區(qū)下降了1個和2個等級，侵蝕強度有好轉(zhuǎn)的變化狀態(tài)，它們則主要分布于涼山州北部地區(qū)；該時段內(nèi)強度等級變化數(shù)值在3及以上的地區(qū)面積比例均在1%以下，且主要零散地分布于整個研究區(qū)． ② 2005-2018年內(nèi)，涼山州有74.97%的地區(qū)侵蝕強度未發(fā)生等級變化；有5.54%和1.54%的地區(qū)侵蝕等級分別上升了1和2個等級，區(qū)域侵蝕強度加劇，它們主要集中于涼山州中部和東部地區(qū)；相似地，有13.57%和1.33%的地區(qū)侵蝕等級下降了1個和2個等級，它們主要集中于涼山州西部；而其他等級的面積比例變化和分布特征與1990-2005年一致． ③ 就1990-2018年整個時間段分析，全州有83.22%地區(qū)侵蝕等級未發(fā)生改變；各分階段內(nèi)全州也均有70%以上的地區(qū)侵蝕強度未發(fā)生改變，表明研究區(qū)土壤侵蝕強度整體具有較高的穩(wěn)定性；同時，本研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)侵蝕強度的空間變化與降雨侵蝕力和林草地變化均有相似性，這客觀地說明降雨和土地利用類型對區(qū)域土壤侵蝕狀況的改變有較明顯的驅(qū)動作用；特別地，強度等級變化特征與降雨侵蝕力的變化規(guī)律吻合程度更高，一定程度上可以說明降雨對該地區(qū)土壤侵蝕變化的影響力比土地利用類型的影響力更明顯．

3.4.2 結(jié)構(gòu)演變分析

本研究完成1990-2018年各等級侵蝕面積的統(tǒng)計，并計算出各年份不同等級在全州的面積比例分布可掌握其結(jié)構(gòu)演變化規(guī)律(圖5)．

圖5 各侵蝕強度面積比例變化

結(jié)合圖5分析可知：① 1990-2018年內(nèi)，微度和中度的面積比例均呈現(xiàn)減少的變化形態(tài)，面積比例分別減少了2.65%和0.56%，而輕度、強烈、極強烈和劇烈的面積比例均呈現(xiàn)增加的變化狀態(tài)，輕度增加了1.32%、強烈增加了0.04%、極強烈增加了1.23%、劇烈則增加了0.62%，微度在面積比例減少的類別中變化幅度最明顯，而輕度是面積比例增加的等級中最突出的；② 整個研究期內(nèi)，輕度、中度和強烈這3個等級的面積比例變化幅度相對平緩，未出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折點；③ 近30年內(nèi)，微度、極強烈和劇烈的面積比例在2010年出現(xiàn)明顯的折點改變，2010年微度的面積比例達到全期的最大值53.45%，相反極強烈和劇烈的面積比例為全期的最小值，僅有4.27%和1.00%，結(jié)合資料分析可知，研究區(qū)自2000年左右開始實施“天然林保護”和“退耕還林”等生態(tài)環(huán)境保護工程，林草地的大量恢復對促進區(qū)域水土流失起到了有效的抑制作用，同時2010年的降雨量又達到整個時期的最低值，促進了這一年研究區(qū)土壤侵蝕狀況的進一步緩解．

4 結(jié)論與討論

4.1 討 論

涼山州作為川西南土壤侵蝕監(jiān)測的重點區(qū)域，實現(xiàn)其土壤侵蝕時空動態(tài)變化規(guī)律的探索分析具有重要的意義． 之前已有成果大都以該地區(qū)某一年份侵蝕狀況進行評估，僅側(cè)重于從空間角度對其變化規(guī)律展開分析；相比之下，本研究以該地區(qū)多期成果為基礎(chǔ)，從時間與空間相結(jié)合的角度對其侵蝕變化規(guī)律進行了將詳細分析，能有效彌補單一角度分析不全面的不足，能更全面反應(yīng)地區(qū)侵蝕狀況真實的變化規(guī)律；同時，本研究進行空間分布規(guī)律變化分析時，能實現(xiàn)侵蝕與高程的關(guān)系探索以及從不同地貌特征對其進行進一步探討，這在今后的研究中仍然需要進一步完善．

涼山州自2000年來，相繼實施了“天然林保護” “退耕還林” “退牧還草”和“國土整治”等系列生態(tài)工程，它們有力地促進了州內(nèi)林草地的大面積恢復，驅(qū)使了植被覆蓋狀況的明顯好轉(zhuǎn)，對氣候起到了一定的調(diào)節(jié)作用，也對改善地區(qū)土壤侵蝕狀況起到了較大的促進作用；然而，由于受地區(qū)幅員面積相對較廣、地質(zhì)構(gòu)成復雜、土壤相對貧瘠和生態(tài)環(huán)境脆弱等先天因素的影響，部分地區(qū)的綜合治理仍然存在一定的難度． 針對該地區(qū)土壤侵蝕綜合治理，可以從如下3方面進行思考：第一，研究區(qū)內(nèi)有雅礱江、安寧河和金沙江等眾多江河水系，水電公司和政府在進行水電資源的開發(fā)時，應(yīng)該制定更加科學有效的環(huán)保策略促進環(huán)境質(zhì)量的提高；第二，州內(nèi)坡耕地在農(nóng)用地的占比相對較大，應(yīng)加強坡耕地的科學管理，禁止過度放牧和毀林開荒，25°以下坡耕地可以適當轉(zhuǎn)為梯田，25°以上應(yīng)繼續(xù)實施“退耕還林” “退牧還草”等措施；第三：加強對小流域地區(qū)水土流失狀況的實時監(jiān)測與分析，對潛在易發(fā)區(qū)進行科學預防，對已存在地區(qū)結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H進行綜合整治．

4.2 結(jié) 論

本研究以涼山州為研究對象，以GIS和RS技術(shù)為支撐，基于RUSLE模型對該地區(qū)1990-2018年土壤侵蝕時空動態(tài)變化狀況進行分析，結(jié)果表明研究方法基本可行，預期目標也基本被實現(xiàn)，成果具有較高的準確性和理論參考價值，主要結(jié)論如下：

涼山州土壤侵蝕在結(jié)構(gòu)組成和空間分布特征上均呈現(xiàn)出明顯的差異性；侵蝕強度等級與坡度有著密切的聯(lián)系；近30年內(nèi)，各強度等級的面積比例均在時間尺度上呈現(xiàn)出不同的變化，2010年為明顯變化的轉(zhuǎn)折點；逐步分析可知，土地利用類型是驅(qū)動地區(qū)土壤侵蝕狀況改變的主要原因，結(jié)合地區(qū)特色更科學地實施土地利用規(guī)劃將有助于改變涼山州的土壤侵蝕狀況．