基于CSLE的南雄市土壤侵蝕評價及主成分因子分析

李新堯，張曉遠(yuǎn)，劉朱婷

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635)

土壤侵蝕使土地資源遭到破壞和惡化，淤塞河道，污染水質(zhì)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，是我國南方紅壤區(qū)最嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]。定量計算土壤侵蝕模數(shù)、強(qiáng)度和面積，明確土壤侵蝕空間分布規(guī)律和影響因素，對于區(qū)域制定科學(xué)合理的水土保持措施至關(guān)重要。在眾多土壤侵蝕定量測度方法中，通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)和修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)方法[3-4]。但USLE和RUSLE都是一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，是美國學(xué)者依據(jù)當(dāng)?shù)氐脑囼炗^測數(shù)據(jù)模擬建立的，并不完全適用我國特有自然地理條件下的土壤侵蝕估算[5]。2001年，劉寶元等人利用中國的實測數(shù)據(jù)，以通用土壤流失方程為藍(lán)本構(gòu)建出中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE)，該方程充分考慮了我國的水土流失特點(diǎn)，在黃土高原區(qū)、西南喀斯特區(qū)等區(qū)域土壤侵蝕定量研究中得到成功應(yīng)用[6-8]。

南雄市位于粵北水土保持生態(tài)建設(shè)的重要位置[9]，研究其土壤侵蝕分布規(guī)律和主導(dǎo)因子對于粵北山地丘陵區(qū)水土保持工作開展具有重要指導(dǎo)意義。本文基于中國土壤流失方程，對南雄市土壤侵蝕空間分布特征進(jìn)行定量分析，并通過主成分分析法研究了各土壤侵蝕因子的貢獻(xiàn)度，以期為研究區(qū)進(jìn)行水土保持規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南雄市地處廣東省東北部、北江上游，地理位置為E113°55′～114°44′、N24°57′～25°25′，北、東、東南三面分別毗鄰江西省大余縣、信豐縣和全南縣，西、西南分別與廣東省仁化縣、始興縣接壤，市域總面積為2 402 km2。南雄市地處南嶺山脈腹地，南北兩面群山連綿，中部丘陵起伏，地形上也稱“南雄盆地”。該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫為19.7℃，年平均降水量為1 515 mm。土壤類型以紅壤、赤紅壤為主，抗蝕性較弱，母巖易風(fēng)化。南雄市是廣東省北部重要的水土保持生態(tài)維護(hù)區(qū)，被劃入北江上中游省級水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)[10]。由于降水年內(nèi)分布不均且強(qiáng)度大，加之山地、丘陵為主的特殊地貌和人類生產(chǎn)活動的深刻影響，使該地區(qū)水土流失具有點(diǎn)多、面廣、易發(fā)等特點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文收集并處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

1) 覆蓋南雄市的高分1號(GF1C、GF1D)衛(wèi)星影像：來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，其中GF1C影像1景，成像時間為2021年2月18日，GF1D影像2景，成像時間分別為2021年1月1日和2021年2月15日，空間分辨率都為2 m。該數(shù)據(jù)用于更新解譯南雄市土地利用類型和部分水土保持工程措施。根據(jù)解譯的土地利用數(shù)據(jù)對輪作區(qū)字段賦值，生成耕作措施因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

2) 降雨數(shù)據(jù)：南雄市及其周邊雨量站1986—2015年月平均降雨數(shù)據(jù)，用于計算降雨侵蝕力因子。

3) 土壤可蝕性成果數(shù)據(jù)：采用第一次全國水利普查水土保持情況普查土壤可蝕性因子成果，提取南雄市土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)。

4) DEM數(shù)據(jù)：收集南雄市1：50 000比例尺的DEM數(shù)據(jù)，用于計算坡長因子和坡度因子。

5) MODIS歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)：在美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)官網(wǎng)下載覆蓋南雄市范圍250 m空間分辨率的MODIS-NDVI產(chǎn)品(MOD13Q1)，數(shù)據(jù)時間序列為2018—2020年，共69景，該數(shù)據(jù)用于計算植被覆蓋與生物措施因子。

6) 南雄市近年實施的水土保持工程項目資料，按照不同的工程措施類型進(jìn)行因子賦值，經(jīng)重采樣生成水土保持工程措施因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1土壤侵蝕模數(shù)計算方法

南雄市地處南方紅壤區(qū)，土壤侵蝕類型為水力侵蝕，采用中國土壤流失方程[11]計算土壤侵蝕模數(shù)，該方程針對中國的水土流失特點(diǎn)建立提出，對不同空間尺度的水力侵蝕區(qū)具有較好的適用性。方程基本形式為：

A=RKLSBET

(1)

式中:

A——土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；

R——降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；

K——土壤可蝕性因子，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；

L和S——坡長因子和坡度因子，無量綱；

B——植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；

E——工程措施因子，無量綱；

T——耕作措施因子，無量綱。

由于上述土壤侵蝕因子計算方法已經(jīng)較為成熟，這里不再贅述。

基于中國土壤流失方程和計算獲取的各土壤侵蝕因子，在ArcGIS10.2軟件中利用柵格計算器工具(Raster Calculator)進(jìn)行柵格圖層的疊加計算，得到基于柵格像元的土壤侵蝕模數(shù)值，再根據(jù)相關(guān)土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行重分類，得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布柵格，最后進(jìn)行土壤侵蝕空間可視化制圖和柵格統(tǒng)計分析。

2.2.2土壤侵蝕因子貢獻(xiàn)度分析方法

基于R、K、L、S、B、E、T這7個土壤侵蝕因子?xùn)鸥駡D層，利用ArcGIS空間分析中的值提取至點(diǎn)功能，提取采樣點(diǎn)(隨機(jī)選取755組)各侵蝕因子像元值。使用SPSS軟件對各土壤侵蝕因子進(jìn)行相關(guān)分析，若不同侵蝕因子之間具有顯著相關(guān)性，則將其降維，采用主成分分析法PCA(Principal Component Analysis)[12-13]，確定主成分，分析各土壤侵蝕因子的貢獻(xiàn)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕空間分布特征

在ArcGIS軟件中，利用柵格計算器計算研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，根據(jù)土壤侵蝕模數(shù)大小將其重分類為輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈5個級別，制作土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布示意(見圖1)，并統(tǒng)計不同土壤侵蝕強(qiáng)度的面積和占比。

圖1 2021年南雄市土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布示意

根據(jù)計算結(jié)果，2021年南雄市土壤侵蝕面積(輕度及以上)為242.37km2，占南雄市國土面積的10.09%；土壤侵蝕模數(shù)在0～73 691.7 t/(km2·a)，平均侵蝕模數(shù)為193.1 t/(km2·a)。侵蝕強(qiáng)度以輕度為主，面積為226.91km2，占土壤侵蝕總面積的93.61%；其次中度侵蝕面積為10.56km2，占土壤侵蝕總面積的4.36%；強(qiáng)烈侵蝕面積為4.04 km2，占土壤侵蝕總面積的1.67%；極強(qiáng)烈侵蝕面積為0.82 km2，占土壤侵蝕總面積的0.34%；劇烈蝕面積為0.04 km2，占土壤侵蝕總面積的0.02%。從土壤侵蝕空間分布特征來看，輕度侵蝕主要分布于南雄盆地周邊坡度較大的有林地或疏林地，中度及以上侵蝕則分布于受人為活動影響較大的人為擾動用地。

3.2 土壤侵蝕因子貢獻(xiàn)度分析

南雄市土壤侵蝕空間分布特征受到7個土壤侵蝕因子的共同影響，但不同因子的影響程度有主次之分，為了探討影響南雄市土壤侵蝕的主要因子，利用主成分分析法分析各土壤侵蝕因子的貢獻(xiàn)度。首先利用SPSS軟件對755組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，得知各土壤侵蝕因子之間具有顯著的相關(guān)性，KMO檢驗的值為0.747，適合進(jìn)行主成分分析。采用主成分分析法，提取土壤侵蝕因子中特征值大于1的因子(見表1所示)，共提取了4個因子，每個主成分因子解釋原有7個因子總方差百分比分別為38.091%、16.768%、16.392%和14.804%，總共解釋了原有變量總方差的86.055%。總體上，提取的4個主成分信息丟失較少，效果較為理想，因此，采用這4個主成分因子對原有的7個因子進(jìn)行降維。

表1 主成分因子的特征值及貢獻(xiàn)率

使用最大方差旋轉(zhuǎn)方法對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便找出各主成分與侵蝕因子的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的因子載荷系數(shù)(見表2)，可以看出坡長因子L、坡度因子S、植被覆蓋與生物措施因子B可歸為第1個主成分，土壤可蝕性因子K和耕作措施因子T可歸為第2個主成分，工程措施因子E和耕作措施因子T可歸為第3個主成分，降雨侵蝕力因子R可單獨(dú)歸為1個主成分，這說明L、S、B，K、T，E、T，R分別代表著同類型的指標(biāo)，同一主成分的因子之間具有一定的聯(lián)系。

根據(jù)表2還可以看出，降雨侵蝕力因子R對研究區(qū)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)度最高，其在第4主成分上的因子載荷系數(shù)為0.955，公因子方差為0.940，這是因為降雨侵蝕力是一個綜合指標(biāo)，能全面反映當(dāng)?shù)氐慕邓?、地形、地表覆蓋等狀況，加之南雄市處于華南丘陵地區(qū)，侵蝕性降雨多，對土壤侵蝕強(qiáng)度有直接影響。坡度因子S和坡長因子L在第1主成分上的因子載荷系數(shù)都大于0.9，公因子方差分別為0.933、0.913，這說明坡度因子S和坡長因子L對土壤侵蝕也有較大影響，因而土壤侵蝕多發(fā)生在坡度較大的山丘區(qū)。工程措施因子E、植被覆蓋與生物措施因子B分別與第3、第1主成分密切相關(guān)，其公因子方差均超過了0.86，是影響土壤侵蝕的次要因子。土壤可蝕性因子K和耕作措施因子T與第2主成分都有較強(qiáng)關(guān)系，對土壤侵蝕也有一定的影響，但二者重要性是7個因子最低的。

表2 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷系數(shù)

4 結(jié)語

通過CSLE定量研究南雄市土壤侵蝕空間分布特征，并分析了各侵蝕因子的貢獻(xiàn)度。南雄市土壤侵蝕面積共242.37 km2，占土地總面積的10.09%。侵蝕強(qiáng)度以輕度為主，面積占土壤侵蝕總面積的93.61%，主要分布于南雄盆地周邊坡度較大的有林地或疏林地；中度及以上侵蝕面積占比較小，分布于受人為活動影響較大的人為擾動用地。7個土壤侵蝕因子之間具有明顯的相關(guān)性，可歸為4個主成分，其中降雨侵蝕力因子對南雄市土壤侵蝕的貢獻(xiàn)度最高，其次是坡度因子和坡長因子，再次是工程措施因子、植被覆蓋與生物措施因子，土壤可蝕性因子和耕作措施因子對土壤侵蝕的貢獻(xiàn)度最低。

根據(jù)南雄市土壤侵蝕分布特征和主要影響因子，其土壤侵蝕以林地上的輕度侵蝕(自然侵蝕)為主，兼之人為擾動用地上的小范圍中度侵蝕(人為侵蝕)，自然侵蝕主要受到高強(qiáng)度降雨、地形坡度坡長較大等因素的影響，人為侵蝕主要是由于植被破壞、沒有采取有效的水土保持措施等。針對不同類型的侵蝕應(yīng)采取不同的應(yīng)對措施，對有自然侵蝕的林地，應(yīng)通過封育保護(hù)、對采伐跡地進(jìn)行補(bǔ)植補(bǔ)種等措施，提高植被覆蓋度，減少降雨侵蝕；對水土保持效果不良的桉樹林及低效林進(jìn)行林分改造，營造林下植被，抑制林下水土流失。對造成人為侵蝕的生產(chǎn)建設(shè)項目，應(yīng)采取攔擋、覆蓋等臨時措施，及時對裸露地表進(jìn)行植被恢復(fù)，以避免強(qiáng)降雨直接對地表進(jìn)行沖刷，從而有效控制人為水土流失。