云南省九大高原湖泊流域水土流失空間特征及影響因子分析

王 娟，劉曉林*，金平偉，史燕東，周瑞鵬，吳鎮(zhèn)宇，張楚然，黃海容

(1.珠江水利委員會珠江流域水土保持監(jiān)測中心站，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

水土流失是一個全球性的生態(tài)環(huán)境問題，開展水土流失監(jiān)測評價工作可為防治水土流失災害、開展區(qū)域水土保持規(guī)劃、實施水土保持目標責任考核等提供科學依據(jù)[1]，是客觀反映水土保持治理成效和評價治理效益的基礎[2]。水土流失不僅與地形、氣候、植被覆蓋以及人類活動等密切相關，而且各影響因素之間還存在著一定的交互影響和疊加效應，導致水土流失狀況在不同區(qū)域存在明顯的空間差異性[3]。與美國通用土壤流失方程(USLE)、修正的通用土壤流失方程(RUSLE)等模型相比，中國水土流失方程(CSLE)考慮了中國地貌和水土保持措施的特點，能更好地反映中國土壤侵蝕現(xiàn)狀[4]。

云南省九大高原湖泊流域(以下簡稱“九湖流域”)是全省居民最密集、人為活動最頻繁、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)，每年創(chuàng)造的國內生產(chǎn)總值占全省的1/3以上[5]，對云南省的經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。云南省九大高原湖泊以構造斷陷湖為主[6]，為封閉或半封閉湖泊，造成九湖流域內湖泊水資源流動性差、抗干擾能力弱等特點，導致九湖流域生態(tài)系統(tǒng)敏感脆弱的特性。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，因自然因素和人為開發(fā)活動導致的水土流失嚴重、不合理開發(fā)圍墾及水資源利用方式等原因，導致九湖流域相繼出現(xiàn)湖泊水位下降、湖泊水質污染、生物多樣性收到威脅等現(xiàn)象[7-8]。因此，為實現(xiàn)云南省高原湖泊的生態(tài)修復與保護，開展九湖流域水土流失監(jiān)測和特征分析，各流域通過水土流失治理，從而轉變水資源利用方式，維持湖泊水量、恢復湖濱帶等，對于九湖流域的水土保持工作和生態(tài)環(huán)境保護具有重要的意義。然而目前對于九湖流域的研究主要多集中于各別湖泊流域的水土流失情況分析、湖泊面積和水質監(jiān)測、植被分析、保護與治理等方面[9-11]，對整個九湖流域水土流失監(jiān)測工作還未有全面的分析研究，相關資料較為匱乏。因此，本文基于CSLE模型，綜合采用遙感分析、野外調查和監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)修正模型相關因子，得到更符合九湖流域實際情況的土壤侵蝕現(xiàn)狀分布結果。結合SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》等技術標準，進行九湖流域水土流失特征評價，分析不同土地利用利用類型下影響水土流失的關鍵因子，查清九湖流域水土流失強度、面積及空間分布狀況，以期能為水土流失綜合防治決策和生態(tài)環(huán)境建設提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南省九大高原湖泊分布在滇中、滇南、滇西和滇西北，涉及昆明、玉溪、大理、麗江和紅河5個地(州、市)(圖1)，分別為滇池、洱海、撫仙湖、程海、瀘沽湖(云南部分)、異龍湖、杞麓湖、星云湖、陽宗海，湖泊面積分別約為：297.9、249.0、211.0、77.2、48.5、38.0、36.9、34.7、31.0 km2。九湖位于低緯度中的相對高海拔(1 414～2 690 m)地區(qū)，屬亞熱帶氣候，流域內雨量相對充沛，干濕季節(jié)分明，降雨分布極不均勻，多年平均降雨量為930 mm，占全省多年平均降雨量的19%。九湖均為構造斷陷型湖泊，具有東西向窄、南北向長的共有特征[12]。

圖1 云南省九大高原湖泊分布位置示意

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

a)遙感影像數(shù)據(jù)。采用研究區(qū)2 m分辨率的高分遙感影像進行土地利用與水土保持措施解譯，時相為2021年1月至2021年5月。收集研究區(qū)2018—2020年3年的MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)產(chǎn)品，MODIS植被產(chǎn)品獲取網(wǎng)址為：https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search，用于計算植被覆蓋度，時間分辨率為每16天一期，每年23期，通過插值獲得24期，空間分辨率為250 m。

b)地形數(shù)據(jù)。收集研究區(qū)1∶5萬比例尺數(shù)字地形圖(DLG)，用于地形坡度分析，計算坡度坡長因子。

c)土壤侵蝕模數(shù)計算各因子數(shù)據(jù)。R因子通過收集九湖流域1986—2015年站點逐日的降雨數(shù)據(jù)，采用降雨侵蝕力因子計算方法[13]獲得；K因子基于第一次全國水利普查中土壤可蝕性柵格空間數(shù)據(jù)成果(30m分辨率)[14]，依據(jù)1∶5萬土壤類型分布圖，采集典型土壤樣品進行理化分析，計算K因子值[15]，并利用徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)完成土壤可蝕性K因子修正；L、S基于地形數(shù)據(jù)，采用符素華等開發(fā)的坡度坡長因子計算工具[16]獲得；B基于土地利用和植被覆蓋計算獲得；E根據(jù)水土保持措施賦值獲得；T根據(jù)輪作措施賦值表查找獲得。

2.2 土壤侵蝕計算

采用中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)計算土壤侵蝕模數(shù)[17]：

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、S——坡長和坡度因子，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。

將上述7個因子坐標統(tǒng)一后，依據(jù)《2021年度水土流失動態(tài)監(jiān)測技術指南》規(guī)定，生成10 m分辨率的柵格圖層，相乘得到土壤侵蝕模數(shù)，具體方法可參考《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術規(guī)定(試行)》[18]。

2.3 相關因子信息提取及分析方法

a)土地利用。土地利用方式改變了原有地表植被類型、覆蓋度和微地形，從而影響土壤侵蝕的動力和抗侵蝕阻力系統(tǒng)，是影響土壤侵蝕最重要的因素。根據(jù)土壤侵蝕計算要求，將土地利用分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他土地共八大地類進行分析。

b)植被覆蓋。地表植被覆蓋狀況與土壤侵蝕存在著密切的聯(lián)系，是進行園林草土壤侵蝕模數(shù)計算的重要因子。采用歸一化植被指數(shù)二分法[19]計算得到園林草植被覆蓋度，按低覆蓋(≤30%)、中低覆蓋(30%～45%)、中覆蓋(45%～60%)、中高覆蓋(60%～75%)和高覆蓋(>75%)5個等級進行分級分析。

c)地形坡度。坡度指水平面和局部地表之間的夾角，表示地表面在某點的傾斜程度，在影響土壤侵蝕的因子中，坡度是一個非常重要的因子?；?∶5萬地形圖生成30 m分辨率DEM，依據(jù)《2021年度水土流失動態(tài)監(jiān)測技術指南》規(guī)定，重采樣至10 m分辨率后，應用三維空間分析工具提取地形坡度，按照平地(≤5°)、緩坡(5～8°)、中等坡(8～15°)、較陡坡(15～25°)、陡坡(25～35°)和極陡坡(>35°)6個等級進行分級分析。

d)水土流失。將土壤侵蝕模數(shù)按照SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》[20]，分為微度(<500 t/(km2·a))、輕度(500～2 500 t/(km2·a))、中度(2 500～5 000 t/(km2·a))、強烈(5 000～8 000 t/(km2·a))、極強烈(8 000～15 000 t/(km2·a))和劇烈(>15 000 t/(km2·a))6個強度等級，并統(tǒng)計輕度及其以上各級土壤侵蝕強度面積之和，即水土流失面積。

e)野外調查驗證。建立土地利用類型和水土保持措施等水土流失因子解譯標志，復核驗證九湖流域水土流失模型計算成果精度。依據(jù)SL 592—2012《水土保持遙感監(jiān)測技術規(guī)范》，選取典型耕地、林地、園地、草地和建設用地進行實地驗證，現(xiàn)場復核精度為93.27%，說明模型計算結果較貼合九湖流域的實際情況，監(jiān)測結果是相對合理的。

3 結果分析

3.1 九湖流域水土流失空間特征分析

據(jù)統(tǒng)計(表1)，2021年九湖流域水土流失面積共有1 306.92 km2，占土地總面積的16.67%，水土流失面積占比低于云南省流失比例(21.30%)。從侵蝕強度等級方面看，主要以輕度侵蝕為主，輕度侵蝕面積占水土流失總面積的66.89%，占比超過三分之二；其次中度侵蝕面積占水土流失總面積的18.47%；此外，強烈侵蝕面積占水土流失總面積的7.82%；極強烈侵蝕面積占水土流失總面積的4.97%；劇烈侵蝕面積占水土流失總面積的1.86%?？傮w表現(xiàn)為隨著侵蝕強度等級升高，水土流失面積逐漸減小。

表1 2021年云南省九湖流域水土流失分級面積統(tǒng)計 單位：km2

九湖流域水土流失空間分布情況見圖2，其中洱海流域、程海流域、杞麓湖流域、星云湖流域和陽宗海流域的水土流失面積占比均超過九湖流域均值(16.67%)，分別為19.00%、20.77%、20.43%、17.26%、25.96%。

從不同土地利用類型來看(表2)，林地和耕地是主要發(fā)生水土流失的地類，水土流失面積分別占九湖流域水土流失面積的35.69%、31.60%。從各地類不同侵蝕強度等級下的水土流失面積可以得到，園地、林地、草地和交通運輸用地主要以輕度侵蝕為主；建設用地主要以輕度和中度侵蝕為主；其他土地水土流失面積較小，不到水土流失總面積的1%。高強度侵蝕主要集中在耕地中，其極強烈和劇烈侵蝕總面積占九湖流域極強烈和劇烈侵蝕面積的82.85%，占比超過四分之三。結合表1可以得到，耕地高強度水土流失主要分布在滇池流域和洱海流域，其次是星云湖流域和撫仙湖流域，是九湖流域中高強度水土流失優(yōu)先治理的主戰(zhàn)場。

圖2 九湖流域水土流失空間分布

表2 2019—2021年云南省九湖流域不同土地利用水土流失面積變化統(tǒng)計 單位：km2

3.2 九湖流域土地利用特征分析

進一步分析九湖流域中不同土地利用類型下的水土流失特征，統(tǒng)計得到九湖流域2021年各地類面積排序分別為：林地>耕地>水域及水利設施用地>建設用地>草地>園地>交通運輸用地>其他土地，各地類占土地總面積的比例分別為45.18%、17.88%、14.25%、10.00%、6.85%、3.19%、2.59%和0.06%，主要以林地為主。具體到不同湖泊分布流域內部的地類分布特征，各湖泊流域的土地利用類型分布特征具有相似性(圖3)，林地面積均較高。

圖3 云南省九湖流域土地利用面積分布

從各流域內的土地利用面積占比來看，瀘沽湖林地比例最大，占瀘沽湖流域總面積的59.30%；其次為洱海流域、程海流域，林地占比分別為55.05%、46.57%；而撫仙湖流域林地面積比例最小，只占32.98%。除林地外，耕地在杞麓湖、星云湖和陽宗海等流域占比較高，分別占流域總面積的33.99%、32.84%和24.59%；園地在異龍湖流域占比遠高于其他湖泊，占流域總面積高達17.84%；草地在陽宗海流域面積占比較高，達到13.35%；撫仙湖、程海和瀘沽湖等流域的水域及水利設施用地面積占比均超過20%；建設用地在滇池、杞麓湖流域占比較高，分別占流域總面積的16.28%和11.33%；其他土地利用類型在九大高原湖泊流域面積占比均小。

利用土壤侵蝕柵格數(shù)據(jù)疊加土地利用矢量數(shù)據(jù)，計算各土地利用的平均侵蝕模數(shù)，按照SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》將結果分為無水土流失和有水土流失兩類，統(tǒng)計分析不同地類下有水土流失地類與各因子的相關性，定量評價影響不同土地利用類型發(fā)生水土流失的主控因子，結果見表3。

表3 不同土地利用類型有水土流失區(qū)域中主控因子分析

結果得到，S因子和坡度是影響耕地和建設用地發(fā)生水土流失的主要因子，在0.01置信水平下均達到0.7以上。由于S因子是基于坡度計算得到，因此可以認為耕地和建設用地的主控因子是坡度。園地、林地和草地主要以B因子影響為主，即植被覆蓋度是影響園地、林地和草地水土流失的主要因子。此外，坡度也是影響園地、林地和草地水土流失的主要因子之一。降雨侵蝕力因子R及土壤可蝕性K因子等在九湖流域對各地類水土流失的影響相對較小。因此，針對影響九湖流域各土地利用類型水土流失的主要影響因子展開進一步的分析。

3.3 九湖流域植被覆蓋特征分析

統(tǒng)計分析九湖流域不同等級植被覆蓋狀況(表4)，結果得到九湖流域園林草植被以高覆蓋和中高覆蓋為主，高覆蓋等級植被面積為1 209.40 km2，占植被總面積的27.93%；中高覆蓋植被等級面積為1 167.77 km2，占植被總面積的26.97%。其他3個植被覆蓋度等級面積占比相差不大，中覆蓋等級植被面積占植被總面積的18.21%，中低覆蓋等級植被面積占植被總面積的13.39%，低覆蓋等級植被面積占植被總面積的13.50%。

表4 云南省九湖流域植被覆蓋度面積統(tǒng)計 單位:km2

具體到各湖泊流域內的園林草植被分布特征，低覆蓋等級植被面積在杞麓湖和異龍湖流域的比重較大，達到20.85%和20.82%；中低覆蓋等級植被面積在程海和陽宗海流域的比重較大，達到17.99%和16.68%；中高覆蓋植被面積在瀘沽湖和杞麓湖的占比較高，分別達到了44.70%和31.38%；高覆蓋植被面積在滇池的占比最高，占比為33.14%，撫仙湖和異龍湖的高覆蓋植被覆蓋面積次之，占比分別達到31.93%和26.14%。

從不同植被覆蓋度下的水土流失面積分布來看(圖4)，其中各強度等級的土壤侵蝕主要集中在低植被覆蓋度區(qū)域，且主要以輕度侵蝕和中度侵蝕為主。整體上表現(xiàn)為隨著植被覆蓋度增加，水土流失面積顯著減少。

圖4 云南省九湖流域植被覆蓋變化與土壤侵蝕面積分布關系

3.4 九湖流域地形坡度特征分析

地形坡度是影響水土流失的主要影響因素之一，從九湖流域的地形特征來看(表5)，坡度小于8°的平坦土地所占比例為45.28%，接近二分之一，說明九湖流域坡度較為平緩；8～25°的坡度占比39.49%，超過三分之一；坡度25°以上陡坡地所占比例為15.23%。

表5 云南省九湖流域地形坡度分級面積統(tǒng)計 單位:km2

分析九湖流域不同坡度等級下的水土流失情況(圖5)，結果得到九湖流域水土流失面積主要分布在8～25°，其次在25～35°。據(jù)統(tǒng)計，大于15°以上的坡度等級上水土流失面積占九湖流域總水土流失面積的82.66%。為此以15°為界進一步分析了各湖泊流域的水土流失情況，得到滇池流域、星云湖流域和杞麓湖流域在小于等于15°和大于15°以上的水土流失面積相差不大；異龍湖流域、撫仙湖流域和陽宗海流域坡度大于15°以上水土流失面積占比在56%～66%；洱海流域、瀘沽湖流域和程海流域水土流失主要聚集在大于15°以上坡度等級，占比在68%～78%。

a)滇池

c)杞麓湖

4 結論

基于CSLE模型，利用九湖流域內小流域監(jiān)測站點資料及修正模型相關因子數(shù)據(jù)，并結合野外實地調查，得到云南省九大高原湖泊流域的水土流失監(jiān)測成果，分析九湖流域水土流失特征及其關鍵因子，結論如下。

a)九湖流域2021年水土流失面積為1 306.92 km2，占土地總面積的16.67%，水土流失面積占比低于云南省流失比例(21.30%)。九湖流域中極強烈和劇烈侵蝕面積主要分布在耕地中，占九湖流域極強烈和劇烈侵蝕面積的82.85%，主要集中在滇池流域和洱海流域。

b)在九湖流域中，植被覆蓋度和坡度是影響各土地利用類型水土流失的主要因子；其中，隨著植被覆蓋度增加，水土流失面積顯著減少；此外，水土流失主要集中在15°以上坡度等級，占九湖流域總水土流失面積的82.66%。

c)根據(jù)九湖流域水土流失特點，水土流失主要分布在林地和耕地，需保護和建設以水土保持林、水源涵養(yǎng)林為主的植被體系，加強遠山封育保護，山腰實施以林草植被建設、坡耕地整治為主的水土流失綜合治理，據(jù)不同湖泊的水土流失特點因況施策。