九洲江流域水土流失現狀及變化分析

向慧昌，常 進

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，510610，廣州)

隨著社會經濟的快速發(fā)展，人類活動對地表植被造成了極大的破壞，水土流失的速度不斷加快，嚴重制約了我國生態(tài)環(huán)境建設與可持續(xù)發(fā)展[1-4]，水土流失問題成為廣大學者關注的環(huán)境問題之一。水土流失的調查與評價是解決水土流失問題的基礎，受到國內外學者的高度關注[5-7]。目前對水土流失的調查與評價方面的研究主要分為定性與定量2方面，定性多以多因子綜合評判和專家經驗法為主，判斷水土流失發(fā)生發(fā)展的可能[8]。定量則是以經驗模型和物理模型為主，分析評價區(qū)域水土流失狀況。多使用通用土壤侵蝕方程(universal soil loss equation，USLE)[9-10]、修正版的土壤侵蝕模型(revised universal soil loss equation，RUSLE)[5,11]以及中國土壤侵蝕模型(Chinese soil loss equation，CSLE)[12]分析探討土地侵蝕的空間分布及變化特征。但大多數研究選取定性或定量的單一方面進行水土流失評價，通過野外調查定性分析結合經驗模型或物理模型的定量計算來評價區(qū)域水土流失狀況的研究并不多見。

水利部《關于加強水土保持監(jiān)測工作的通知》(水保〔2017〕36號)要求，“各地根據社會關注重點和實際工作需要，有針對性地開展生態(tài)脆弱地區(qū)、禁止開墾陡坡地、湖泊和水庫周邊植物保持帶等區(qū)域的監(jiān)測工作，保障生態(tài)脆弱地區(qū)不遭受破壞、陡坡地面積不增加、植物保持帶生態(tài)功能不降低”。根據這一要求，筆者以九洲江流域為研究對象，采用遙感監(jiān)測與野外實地調查相結合的方法，利用CSIE[13-14]，重點圍繞區(qū)域土地利用、植被覆蓋度和水土流失分布特征、面積和強度等方面開展監(jiān)測，以期了解和掌握九洲江流域水土流失與生態(tài)環(huán)境狀況，為后期防治對策的制訂提供數據支撐。

1 研究區(qū)概況

九洲江是一條跨桂粵2區(qū)(省)的入海河流，地處亞熱帶氣候帶，一年四季溫暖濕潤，發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)陸川縣沙坡鎮(zhèn)秦鏡村的文龍徑，流經廣西玉林市陸川、博白2縣共10個鎮(zhèn)進入廣東湛江市的鶴地水庫，最后注入北部灣。其全長168 km，是典型的雨源型河流，4—9月汛期雨量占全年降雨總量的85%，年徑流量平均為28億m3，但枯水期許多河段接近斷流，集雨面積3 396 km2[15]。流域地勢以低丘為主，中下游兩岸為狹長的河谷平原，受洪水威脅的農田面積約5 300 hm2，下游缸瓦窯站(集水面積3 050 km2)于1906年曾出現洪峰流量5 680 m3/s。研究區(qū)位于廣西境內，坐標為E 109°57′～110°23′、N 21°51′～22°22′。行政區(qū)涉及陸川縣的沙湖、溫泉、沙坡、大橋、橫山、烏石、灘面、良田、古城9個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，以及博白縣的寧潭、英橋、鳳山文地、新田、大垌6個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))(圖1)。

圖1 九洲江流域范圍及涉及行政區(qū)劃圖Fig.1 Scope of the Jiuzhou River Basin and the administrative division map

2 數據與方法

2.1 數據采集與處理

購買2019年度GF-1遙感影像(2 m分辨率)，2017、2018年度MOD13Q1(250 m分辨率)和Landsat 8 OLI(30 m分辨率)通過地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn/)和GloVis(https:∥glovis.usgs.gov/)下載?；贓NVI和ArcGIS平臺，將影像投影統(tǒng)一轉換為正軸等面積割圓錐投影(Albers投影)，坐標系統(tǒng)為CGCS2000，采用1985國家高程基準，1∶1萬比例尺按3°分帶。結合Google Earth、流域內土地利用類型、水土保持重點工程、生產建設項目批復等基礎資料，采用面向對象+人工交互解譯的方式對高分遙感影像進行初解譯，根據GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》[16]、影像初分類結果(圖斑總數量與圖斑總面積)，以滿足“對不小于解譯結果總圖斑數的抽樣5%的核查對象，抽取10%作為驗證樣本進行實地驗證”為最低目標，進行圖斑抽樣野外調查，利用無人機現場記錄區(qū)域內的土地利用類型、植被覆蓋度等信息，并與遙感影像顏色、紋理特征進行對比，建立解譯標志，對九洲江流域的土地利用類型、植被覆蓋度進行校正。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度因子提取 計算1年內30 m空間分辨率OLI影像歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI，量綱為1)，與1年23個半月250 m空間分辨率MODIS影像NDVI值，通過融合、插值、重采樣獲取每年24個半月30 m空間分辨率的植被覆蓋度[17]。

式中：NIR為近紅外波段的反射率，nm；R為可見紅光波段反射率，nm。利用以下公式將融合的24個半月30 m空間分辨率NDVI轉換為相應的植被覆蓋度(fractional vegetation cover，FVC，量綱為1)[18]：

式中：NDVImax為當年監(jiān)測區(qū)的植被覆蓋度最大區(qū)域NDVI值(不能大于1)；NDVImin為裸土NDVI值；k為系數。

2.2.2 土地利用類型因子提取 將無人機影像與高分影像進行配準，勾繪典型土地利用類型地塊，建立九洲江流域土地利用遙感解譯標志。基于土地利用遙感解譯標志，利用歸一化差分水體指數(normalized difference water index，NDWI)[19]，量綱為1，設置閾值(NDWI>0.1)提取九洲江流域水體，即河湖庫塘地類；利用NDVI，設置閾值將剩下的非水體地類分為植被地類(NDVI>0.1，包括耕地、園地、林地、草地)、非植被地類(NDVI≤0.1，包括建設用地、交通運輸用地、其他土地)；再將植被地類與非植被地類分別設置參數，通過面向對象分類+人工交互解譯的方式進行精細分類[20]，對于土地利用和水土保持措施解譯結果，總體上抽取不少于總圖斑數的10%進行核查；對于核查圖斑，抽取10%作為驗證樣本進行實地驗證。驗證點位置與遙感影像偏差小于1個遙感影像像元，圖斑屬性判對率應大于90%。研究區(qū)土地利用類型劃分水田、旱地、其他園地、有林地、其他林地、其他草地、城鎮(zhèn)建設用地、農村建設用地、采礦用地、其他建設用地、其他交通用地、河湖庫塘和裸土地13類。

式中G為可見綠光波段反射率，nm。

2.2.3 水土流失因子值計算

降雨侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K計算采用水利部水土保持監(jiān)測中心收集加密雨量站點降水資料、更新計算降雨侵蝕力因子和土壤可蝕性因子，統(tǒng)一下發(fā)各流域管理機構和省級水行政主管部門用于土壤侵蝕計算。

坡長因子L、坡度因子S計算基于九洲江流域10 m空間分辨率的數字高程數據(DEM)，進行坡長坡度計算，獲得流域坡長因子、坡度因子柵格圖。坡長因子

式中：λi、λi-1分別為第i個和第i-1個坡段的坡長，m；m為坡長指數，隨坡度而變，量綱為1[21]。

坡度因子

式中θ為坡度，(°)。生成的L、S柵格數據空間分辨率為10 m。

植被覆蓋與生物措施因子B計算采用融合法與單期高分影像分別計算植被覆蓋與生物措施因子，根據解譯的土壤侵蝕地塊屬性表中土地利用類型計算各地類B因子值，生成B因子柵格圖層。園地、林地和草地B因子計算公式為：

式中：WRi為第i個半月降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例，取值范圍為0～1；SLRi為第i個半月園地、林地和草地的土壤流失比例，量綱為1，取值范圍為0～1。茶園和灌木林地SLRi計算公式為：

果園、其他園地、有林地和其他林地SLRi計算公式為：

SLRi=0.444 68×e(-3.200 96×GD)- 0.040 99×e(FVC-FVC×GD)+0.025。

草地SLRi計算公式為：

式中：GD為喬木林的林下蓋度，取值范圍為0～1，包括除喬木林冠層以外的所有植被(灌木、草本和枯落物)構成的林下蓋度，按實地調查和經驗，有林地GD取值為0.6～0.8，其他園地GD取值0.4～0.6，其他林地GD取值0.2～0.4。非園地、林地、草地地類的B因子查《非園地、林地、草地的B因子賦值表》(1)源自2020年度水土流失動態(tài)監(jiān)測技術指南。

工程措施因子E計算參考2018年廣西自治區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測工作中九洲江流域E因子成果(2)源自2018年廣西自治區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測工作中九洲江流域E因子成果，將水田地類作為工程措施，并進行賦值，生成2 m空間分辨率(對應土地利用分類結果)的E因子柵格數據。

耕作措施因子T賦值采用九洲江流域所涉及區(qū)縣(即玉林市陸川縣、博白縣)耕作措施因子0.417，對2°以下(含2°)耕地考慮等高耕作措施，因子值統(tǒng)一為0.431(3)源自《耕作輪作措施賦值表》。

2.2.4 土壤侵蝕模數計算

將降雨侵蝕力R、土壤可蝕性因子K、坡長因子L、坡度因子S、植被覆蓋與生物措施因子B、工程措施因子E、耕作措施因子T，代入中國土壤流失CSLE方程[20]，進行柵格運算。方程如下：

A=RKLSBET。

式中A為土壤侵蝕模數。當土地利用類型為耕地時，在植被覆蓋與生物措施因子、耕作措施因子中，選取耕作措施因子與其他5個因子圖層相乘；當土地利用類型為非耕地時，則選取植被覆蓋與生物措施因子，與其他5個因子圖層相乘，獲取10 m空間分辨率土壤侵蝕模數柵格數據。采用綜合評判法，依據SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》[22]，將九洲江流域土壤侵蝕模數計算結果進行分級，定性和定量相結合分析評價九洲江流域水土流失分布特征、面積和強度。

3 結果與分析

3.1 土地利用現狀

2019年九洲江流域土地利用類型(圖2)以有林地和水田為主，2種土地利用類型面積分別為778.47和144.37 km2，分別占流域總面積的62.0%和11.5%，其余土地利用類型占流域總面積的26.5%(表1)。從空間分布來看，有林地占流域面積最大，水田沿河道兩側分布。建設用地分布較為集中，形成了上、中、下游3段集聚區(qū)。

表1 2019年九洲江流域土地利用類型面積及比例Tab.1 Areas and proportions of land use types in the Jiuzhou River Basin in 2019

圖2 2019年九洲江流域土地利用類型圖Fig.2 Land use type map of the Jiuzhou River Basin in 2019

3.2 植被覆蓋度

2019年九洲江流域大部分地表都有植被覆蓋且植被覆蓋度都較高，園地、林地和草地3種主要的植被地類總面積952.68 km2，占流域總面積的75.9%；高覆蓋園地和林地占園地和林地總面積的92.3%，中覆蓋度以下(包括中覆蓋度)園地和林地僅占園地和林地總面積的0.5%；草地方面，高覆蓋草地占草地總面積的96.5%，中覆蓋度以下(包括中覆蓋度)草地僅占草地總面的0.2%(圖3和表2)。從空間分布來看，植被覆蓋度沿河道兩側逐漸升高，沿河道越近，植被覆蓋度越低。這與土地利用現狀相一致，沿河道兩側多分布人為活動較高的建設用地，人為活動越強烈的區(qū)域植被覆蓋度越低。

圖3 2019年九洲江流域植被覆蓋度圖(融合法)Fig.3 Vegetation cover map of the Jiuzhou River Basin in 2019 (Fusion method)

3.3 水土流失及變化

3.3.1 土壤侵蝕模數及土壤侵蝕量 2019年九洲江流域平均土壤侵蝕模數為532 t/(km2·a)。從空間分布上來看，高土壤侵蝕模數集中出現在地表擾動劇烈的城鎮(zhèn)建設、采礦、公路建設等人為活動造成的裸土地區(qū)域；中、中高土壤侵蝕模數則集中分布于流域的山地、丘陵地區(qū)；九洲江及其支流所在的中部則集中分布低、中低土壤侵蝕模數地塊(圖4)。土壤侵蝕總量為64萬1 834 t，其中劇烈地塊土壤侵蝕量20萬6 854 t，占流域總侵蝕量的32.2%；微度地塊土壤侵蝕量13萬3 255 t，占流域總侵蝕量的20.8%；中度地塊土壤侵蝕量9萬272 t，占流域總侵蝕量的14.1%(表3)。

3.3.2 2018—2019年水土流失變化情況 與2018年研究區(qū)水土流失監(jiān)測數據相比，2019年九洲江流域輕度及以上土壤侵蝕面積減少13.07 km2。在各類型土壤侵蝕強度消長變化方面，中度土壤侵蝕強度面積增加最多，為5.5%；強烈土壤侵蝕強度面積和微度土壤侵蝕面積也稍有增加，分別為2.1%和1.2%。劇烈、極強烈土壤侵蝕強度面積明顯下降，分別減少27.4%和24.1%；輕度土壤侵蝕強度面積減少7.8%(表4)。

表2 2019年九洲江流域植被覆蓋度統(tǒng)計Tab.2 Statistics of vegetation cover in the Jiuzhou River Basin in 2019

圖4 九洲江流域土壤侵蝕圖Fig.4 Soil erosion map of the Jiuzhou River Basin

2018年九洲江流域發(fā)生土壤侵蝕的地塊(圖4)，在2019年的監(jiān)測結果中都不同程度的向微度土壤侵蝕進行轉化，其中輕度土壤侵蝕地塊向微度轉化的比例最多，占到2018年輕度土壤侵蝕總面積的78.7%；中度、強烈、極強烈、劇烈土壤侵蝕地塊分別為57.2%、47.1%、48.7%、48.6%。

未發(fā)生土壤侵蝕強度變化的地塊方面，有1 005.95 km2的地塊在2018、2019年土壤侵蝕強度均為微度；2018年監(jiān)測結果中的劇烈土壤侵蝕地塊，有42.3%在2019年的土壤侵蝕強度監(jiān)測結果中仍然為劇烈；極強烈、強烈、中度、輕度土壤侵蝕地塊分別為41.1%、40.3%、26.4%、17.1%(表5)。

表3 2019年九洲江流域水力侵蝕量統(tǒng)計Tab.3 Statistics of water erosion in the Jiuzhou River Basin in 2019

表4 九洲江流域年度水力侵蝕強度消長情況Tab.4 Annual fluctuation of water erosion intensity in the Jiuzhou River Basin

表5 九洲江流域年度水力侵蝕強度地塊轉變情況Tab.5 Annual changes of water erosion intensity plots in the Jiuzhou River Basin

續(xù)表5 Continued tab.5

4 結論與討論

1)2019年九洲江流域土地利用類型以有林地和水田為主，2種土地利用類型面積分別占流域總面積的62.0%和11.5%。大部分地表都有植被覆蓋且植被覆蓋度都較高。從空間分布來看，水田、建設用地主要沿河道兩側分布，沿河道距離越近，人為活動越強烈，植被覆蓋度越低。

2)2019年九洲江流域平均土壤侵蝕模數為532 t/(km2·a)，流域土壤侵蝕總量為64萬1 834 t。劇烈和極強烈的土壤侵蝕發(fā)生在人為活動強烈的采礦用地以及大規(guī)模開發(fā)建設項目造成的裸土地區(qū)域。

3)與2018年全區(qū)水土保持動態(tài)監(jiān)測結果相比，2019年九洲江流域土壤侵蝕面積減少13.07 km2，中度、強烈、微度土壤侵蝕強度面積有所增加，劇烈、極強烈、輕度土壤侵蝕強度面積下降較為明顯。輕度土壤侵蝕地塊向微度轉化的比例最多，占到2018年輕度土壤侵蝕總面積的78.7%。有42.3%在2019年的土壤侵蝕強度監(jiān)測結果中仍然為劇烈。人為活動造成的水土流失對生態(tài)環(huán)境的影響仍然較大。

研究從土地利用與植被覆蓋2個角度出發(fā)，采用中國土壤侵蝕方程定性與定量分析九洲江流域水土流失現狀，增進對九洲江流域水土流失的認識，為九洲江流域水土流失治理措施的制訂提供了科學依據。研究的結果表明，人為活動集聚區(qū)普遍水土流失嚴重，而人為活動與水土流失的關系，是一個更為復雜和深入的過程，亟待更深層次的研究。另外，利用土壤侵蝕方程進行科學分析時應結合流域實際，警惕“異參同效”現象。