中國土壤水力侵蝕的影響因素研究

賀海燕，李小霞，魏 瑋

1.甘肅省甘南藏族自治州卓尼縣氣象局，甘肅卓尼 747600；2.甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣氣象局，甘肅舟曲 746300

隨著人類活動增強，土壤侵蝕已成為當(dāng)今環(huán)境可持續(xù)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)之一[1]。土壤侵蝕可造成土地退化、肥力流失、生產(chǎn)力降低等一系列生態(tài)環(huán)境問題，威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人類糧食安全，制約人類社會可持續(xù)發(fā)展?；诖?，本文通過引入NDVI、地形坡度、土壤質(zhì)地和降水?dāng)?shù)據(jù)，探究全國31個省級行政單位土壤水力侵蝕影響因素，試圖建立多元線性回歸模型以更好預(yù)測未來土壤侵蝕狀況，為了解全國土壤侵蝕影響因素及侵蝕狀況提供了研究基礎(chǔ)與參考。

1 研究區(qū)域概況

中國位于亞歐大陸東側(cè)，太平洋西岸，東西橫跨近60個經(jīng)度，南北近50個緯度，廣闊的陸地國土面積造就了形態(tài)各異的自然景觀[2]。從坡度來看，中國東部、北部坡度較小，而青藏高原周邊（一、二階梯交界處）坡度偏大，尤其體現(xiàn)在橫斷山脈和岡底斯山脈附近。從植被覆蓋情況來看，東部和西北部的植被覆蓋較為稀疏，黃淮海平原、長江中下游平原和松嫩平原的植被分布較少。從降水量來看，降水呈現(xiàn)出明顯的東南多、西北少的分布特點，其中南方部分省份（如江西、浙江以及福建）降水十分集中。從黏土含量來看，南方地區(qū)和三江平原的分布較為廣泛，西部地區(qū)尤其是塔里木盆地等地黏土含量很低，甚至幾乎沒有黏土的分布。砂土含量與黏土含量呈現(xiàn)出相反的分布趨勢，在新疆地區(qū)和河西走廊地區(qū)呈現(xiàn)集中分布的趨勢。淤泥質(zhì)土地的分布并沒有十分明顯的特征，但總體來說以“胡煥庸線”為界，東部多、西部少，在湖北省呈現(xiàn)出一定的高含量分布特征。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文使用的柵格數(shù)據(jù)全部來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/），具體包括NDVI數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)、土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1 km。所有柵格數(shù)據(jù)均使用ArcGIS 10.7與MATLAB R2018a軟件進(jìn)行處理，計算結(jié)果由MATLAB、SPSS25及EXCEL軟件共同處理。

2.2 研究方法

2.2.1 Theil-Sen Median趨 勢 分 析 和Mann-Kendall檢 驗Theil-Sen Median趨勢分析是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計趨勢方法，可減少數(shù)據(jù)異常值的影響[3]。Theil-Sen Median計算n（n-1）/2個數(shù)據(jù)組合的斜率的中位數(shù)，計算公式為：

其中，x代表需要計算的要素；i和j分別表示起始、終止年份。當(dāng)S ＞0時，表示所計算要素呈現(xiàn)增長態(tài)勢；S ＜0時，則呈現(xiàn)減少態(tài)勢。

Mann-Kendall是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，用來判斷趨勢顯著性，它無需樣本服從一定分布，也不受少數(shù)異常值干擾。計算公式為：

式中，xi和xj分別表示像元i年和j年的要素值；n表示時間序列長度；sgn是函數(shù)符號；統(tǒng)計量z取值范圍是（-1，1）。

2.2.2 多元線性回歸多元線性回歸是一種穩(wěn)健的回歸模型，被用于探求單一因變量與多種自變量之間的線性關(guān)系，目前被廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)領(lǐng)域。其計算方程為：

式中，y是因變量（本文中表示侵蝕強度）；a和bi分別表示模型截距與變化系數(shù)；xi表示觀測變量（本文中表示降水、植被情況、土壤情況及坡度等）。

在數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸前，要對每一要素數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理（歸一化處理），其計算公式為：

其中，xmin和xmax分別表示每一要素當(dāng)中出現(xiàn)的最小值和最大值。

3 結(jié)果與討論

3.1 全國植被覆蓋與降水的變化情況

基于Theil-Sen Median趨勢分析和Mann-Kendall檢驗，本文測算了2000—2015年全國植被覆蓋（圖1a）和降水變化情況（圖1b）。結(jié)果表明：植被變化上，我國黃土高原地區(qū)植被呈顯著增加趨勢，范圍基本擴展至祁連山附近，這與近年來我國“退耕、還林、還草”制度關(guān)系極為密切；東北地區(qū)大興安嶺、西南地區(qū)云貴高原附近也展現(xiàn)出較大規(guī)模植被覆蓋度的增加，這可能與全球氣候變暖條件下，水熱條件改善有著十分密切關(guān)系[4-5]。

圖1 我國2000—2015年歸一化植被指數(shù)（NDVI）（a）、降水量（b）空間變化趨勢

此外，我國大部分地區(qū)植被覆蓋度呈減少態(tài)勢，這一現(xiàn)象在沿海地區(qū)尤其顯著，以長三角、珠三角和京津冀地區(qū)較為典型，這三大區(qū)域是中國城市化發(fā)展最為迅速的地區(qū)，近十幾年的發(fā)展使得下墊面植被大面積砍伐，替代的是城市硬化路面與林立的高樓，改變了區(qū)域土壤侵蝕狀況[6]。

植被變化與全球氣候變暖導(dǎo)致區(qū)域水循環(huán)過程發(fā)生改變，主要是對降水和蒸散發(fā)過程的影響。我國北方大部分地區(qū)降水量呈顯著增加態(tài)勢，尤其在黃土高原地區(qū)和大興安嶺山脈十分明顯；南方地區(qū)降水量大致在浙閩皖交界處增加較顯著，大灣區(qū)附近降水也呈逐年增多態(tài)勢。但南北方降水原因不同，北方地區(qū)近年來實施大規(guī)模生態(tài)保護林建設(shè)，植被增加使得區(qū)域水循環(huán)強度增大，如增強區(qū)域蒸散發(fā)，增大空氣相對濕度，更易產(chǎn)生降水尤其是極端降水事件[7]；而南方地區(qū)更多受到全球氣候變暖等大尺度天氣系統(tǒng)影響，如歐亞大陸積雪會影響歐亞大陸上空空氣對流系統(tǒng)，這一系統(tǒng)會進(jìn)一步影響我國降水整體空間布局，使得東南與西南地區(qū)呈相反的變化趨勢。但無論如何，降水變化會對土壤侵蝕產(chǎn)生十分深遠(yuǎn)影響。

3.2 土壤水力侵蝕影響因素及模型構(gòu)建

土壤侵蝕主要受植被覆蓋、降水、坡度及區(qū)域土壤質(zhì)地影響。表1計算了全國31個省級行政單位5個不同維度土壤水力侵蝕與環(huán)境因子之間關(guān)系。結(jié)果表明：所選取的指標(biāo)均與土壤水力侵蝕有著較密切關(guān)系，但坡度影響最顯著。隨著侵蝕強度加劇，坡度對其影響先增高后降低，說明坡度與土壤侵蝕強度之間并不是呈簡單的線性關(guān)系。黏土和淤泥與土壤侵蝕強度之間負(fù)相關(guān)性，淤泥顯著性明顯較低。砂土和黏土有著較高顯著性與相關(guān)性，這與以往的研究并不相符。

表1 土壤水力侵蝕與各指標(biāo)之間的關(guān)系

植被與土壤侵蝕程度之間呈負(fù)相關(guān)，隨著侵蝕強度增大植被覆蓋度作用逐漸變小。這是因為植被主要作用是通過冠層截留降水，但冠層截留作用有限，這種截留在雨量很小時能極大發(fā)揮作用，減少入滲土壤的降水，雨量較大時，僅能截留住一定量的雨量，大部分降水依然會入滲土壤中，甚至形成坡面徑流，為土壤侵蝕提供動力基礎(chǔ)。降雨量與土壤侵蝕強度呈現(xiàn)正相關(guān)，值得注意的是土壤侵蝕與短時間降水密切相關(guān)，而對于年均降水目前研究并未指出存在相關(guān)性。在大的驅(qū)動力條件下，降水增加的確能夠增加年內(nèi)土壤侵蝕強度。

本研究選取2000年與2011年全國31個大陸省級行政單位土壤侵蝕強度、植被覆蓋、降水、坡度與土壤質(zhì)地構(gòu)建多元線性回歸模型（表2）。結(jié)果表明：各個模型均能較好預(yù)測土壤侵蝕程度。

表2 土壤水力侵蝕的多元線性回歸模型構(gòu)建

從不同土壤侵蝕分級看，降水是影響輕度侵蝕的主要因素，坡度次之。主要是二者能為下墊面的土壤提供侵蝕的原始動力和物質(zhì)，促使侵蝕的發(fā)生。隨著侵蝕強度的增加，土壤質(zhì)地作用明顯加強，并且黏土和淤泥在高強度侵蝕過程中也能為侵蝕提供正向作用。這是因降水量和坡度達(dá)到足夠大條件下，黏土和淤泥能被雨水沖散，形成的小土壤團聚體，在受到坡面重力影響下沿破面向下，造成土壤侵蝕。

從年際角度看，隨著植被和降水變化，輕、中度侵蝕中植被作用明顯減弱，而強烈條件下的作用明顯加強。這是因為部分地區(qū)植被增加對于低強度降水而言影響有限，在降水強度達(dá)到高水平時，植被可通過擴大葉面積來增強降水截留，進(jìn)而影響土壤侵蝕。降水對于土壤侵蝕影響并無定律，侵蝕程度不同下作用強度不同。坡面、土壤質(zhì)地等因素屬于相對穩(wěn)定的因素，但由于植被和降水改變，導(dǎo)致在不同年份、侵蝕強度下同一要素的作用強度有所不同。

4 結(jié)論

通過搜集全國植被覆蓋數(shù)據(jù)（NDVI）、全國降水格網(wǎng)數(shù)據(jù)（前兩款數(shù)據(jù)時間為2000—2015年）、全國坡度數(shù)據(jù)以及全國土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)，探究了這四類因素對全國31個省級行政單位的土壤侵蝕程度影響情況，并構(gòu)建了多元線性回歸模型，以期預(yù)測未來的土壤侵蝕變化情況。結(jié)果表明：

（1）2000—2015年來，我國黃土高原地區(qū)、大興安嶺地區(qū)以及云貴高原地區(qū)的植被呈現(xiàn)明顯增加態(tài)勢；我國北方降水顯著增加，南方大部分地區(qū)降低，浙閩皖交界處與大灣區(qū)的降水量總體呈現(xiàn)增加態(tài)勢。

（2）影響土壤侵蝕的主要因素是坡度，植被與土壤侵蝕呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，土壤質(zhì)地在土壤侵蝕過程中也發(fā)揮了重要作用。

（3）多元線性回歸模型能夠較好預(yù)測土壤侵蝕強度，隨年際的變化，各個因素對土壤侵蝕的影響有所變化。

雖然本研究取得了一定的成果，但在許多方面仍存在不足之處。首先，土壤侵蝕數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，是以省級行政尺度進(jìn)行分析的，這樣的分析會使得其他要素在進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計時存在較大的誤差，因此，在今后的研究過程中可以盡量將其轉(zhuǎn)化為柵格格網(wǎng)數(shù)據(jù)對單個像元直接進(jìn)行相關(guān)性分析。其次，對降水?dāng)?shù)據(jù)的選取較為粗糙，土壤侵蝕主要與短時間強降雨有關(guān)，因此應(yīng)該選取相應(yīng)時段進(jìn)行分析研究。最后，本研究缺乏一些實測數(shù)據(jù)，僅僅通過遙感數(shù)據(jù)對土壤侵蝕進(jìn)行研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。今后的研究應(yīng)在上述3個方面進(jìn)行改進(jìn)。