南流江流域水土流失狀況與影響因素分析

翁月梅，盧 遠(yuǎn),2，楊坤士，韋麗珍

(1.南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530100；2.南寧師范大學(xué) 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530100)

水土流失是指在水力、重力、風(fēng)力等外營力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失[1]。土壤遭到侵蝕以后，其含有的養(yǎng)分會隨著侵蝕的過程流失，導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量下降。

1917年，美國學(xué)者M(jìn)ILLER[2]進(jìn)行了土壤侵蝕定量研究；1965年，WISCHMEIER et al.[3]經(jīng)過大量的試驗，第一次提出了通用土壤流失方程USLE；20世紀(jì)末，美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究機構(gòu)推出了USLE的修訂版RUSLE[4]。我國在水土流失方面的研究雖起步較晚，但近年來也取得了一系列研究成果，比如：姜娜等[5]針對黃土高原小流域，研究了水土流失特點與坡地不同利用類型的關(guān)系；凡非得等[6]運用GIS技術(shù)，在喀斯特地區(qū)選取降雨、地形、植被覆蓋度、土壤類型及土壤允許流失量等因子進(jìn)行了土壤侵蝕敏感性評價；陳玉東等[7]基于GIS和USLE評估了龍墩水庫小流域土壤侵蝕狀況。目前，雖然RUSLE模型在我國應(yīng)用廣泛，但在廣西南流江流域開展的相關(guān)研究仍較少。

1 研究區(qū)概況

南流江是廣西沿海諸河中獨流入海第一大河，位于北緯21°21′～23°04′、東經(jīng)105°47′～107°41′，自北向南流經(jīng)玉林市、欽州市、北海市，在北海市的合浦縣注入北部灣，全長287 km，流域面積9 270.5 km2，年徑流量達(dá)77.4億m3[8]。流域內(nèi)年均氣溫21.5～22.4 ℃，年降水量可達(dá)1 400～1 700 mm。

南流江流域人口基數(shù)大，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，是廣西重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一。近年來，由于城市化進(jìn)程加快，因此南流江流域水資源環(huán)境不斷惡化。工業(yè)廢水和生活污水流入南流江污染水體，農(nóng)業(yè)耕作使用大量的氮磷鉀肥料污染環(huán)境，且南流江流域夏季高溫多雨，易發(fā)生洪澇災(zāi)害，大量的雨水沖刷導(dǎo)致水土流失加劇。作為廣西重要的經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域和糧食生產(chǎn)基地，在南流江流域開展水土流失研究具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)資料

本研究所用數(shù)據(jù)主要有：①2000年Landsat TM4-5遙感影像和2015年Landsat 8 OLI遙感影像；②1990—2015年廣西多個氣象站點的日降雨數(shù)據(jù)；③廣西1∶100萬土壤類型分布圖和土壤屬性數(shù)據(jù)；④2000年和2015年南流江流域土地利用數(shù)據(jù)。

3 基本原理

3.1 土壤侵蝕計算模型

通過文獻(xiàn)閱讀和方法對比，綜合前人的研究結(jié)論，本研究采用RUSLE模型來計算南流江流域的土壤侵蝕量，其表達(dá)式為

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(MJ·mm·hm2);L為坡長因子；S為坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。

3.2 土壤侵蝕影響因子的計算

3.2.1 降雨侵蝕力因子R的計算

降雨是影響土壤侵蝕的重要因素之一，RUSLE模型中R值的計算方法有很多種，其中威斯奇邁爾(WISCHMEIER)法在沒有極端暴雨的地區(qū)精確度較高、適用性強?？紤]到南流江流域整體降雨較為平穩(wěn)，本研究采用威斯奇邁爾法進(jìn)行R的計算[3]，其公式為

(2)

式中：Pi為各月降雨量，mm；P為年降雨量，mm。

3.2.2 土壤可蝕性因子K的計算

土壤可蝕性因子是對不同類型土壤抗沖蝕能力的評價指標(biāo)，可蝕性大的土壤類型易發(fā)生土壤侵蝕。本研究采用WILLIAMS創(chuàng)建的EPIC模型計算K值，并結(jié)合我國土壤特性，利用張科利等[9]提出的K值修正公式進(jìn)行修正，計算公式為

(3)

K=-0.013 83+0.515 75KEPIC

(4)

式中：KEPIC為EPIC模型計算的K值；SAN為土壤中的砂粒含量；SIL為土壤中的粉粒含量；CLA為土壤中的黏粒含量；C為土壤中的有機碳含量，%;SN=1-SAN/100；K為修正后的K值。

3.2.3 地形因子LS的計算

地形因子LS由坡長因子L和坡度因子S組成，地形對地表徑流的形成具有很大的影響。南流江流域地處我國西南地區(qū)，地形復(fù)雜且破碎，土壤侵蝕在空間上的分布差異明顯，用傳統(tǒng)RUSLE模型中的算法計算地形因子得到的結(jié)果與實際地形存在較大的差異。為了減小誤差，坡度因子S采用劉斌濤等[10]提出的坡度因子的修正算法計算，公式為

(5)

坡長因子L的計算采用楊子生[11]提出的公式,即

(6)

式中：L0為坡長，m。

3.2.4 植被覆蓋因子C的計算

基于土地利用分類和植被覆蓋度的大小，通過植被覆蓋度與土地利用分類數(shù)據(jù)的結(jié)合，得到的植被覆蓋因子較為準(zhǔn)確。根據(jù)計算出的研究區(qū)植被覆蓋度，綜合考慮研究區(qū)的土地利用分類和廣西2 319個土壤侵蝕野外調(diào)查成果，對不同地類進(jìn)行C因子的賦值。本研究采用像元二分法計算植被覆蓋度，計算公式為

VC=(NDVI-NDVImin)/

(NDVImax-NDVImin)×100%

(7)

式中：VC為植被覆蓋度，%；NDVI為區(qū)域內(nèi)某個像元的NDVI值；NDVImin和NDVImax分別為統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)的最小和最大NDVI值。

3.2.5 水土保持措施因子P的計算

水土保持措施因子P是對不同土地利用類型水土保持狀況的反映，根據(jù)不同土地利用類型的水土保持狀況，取不同的P值。本研究根據(jù)水土保持措施的研究[12]，結(jié)合前人在桂南沿海諸河流域的土壤侵蝕研究成果[13]，分別給不同的土地利用類型賦P值，見表1。

表1 不同土地利用類型P值

3.3 RUSLE模型運算

將各個影響因子進(jìn)行疊乘運算，并乘以常數(shù)100進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到南流江流域的土壤侵蝕結(jié)果。通過區(qū)域統(tǒng)計功能，得到南流江流域2000年土壤侵蝕模數(shù)均值為43.32 t/(km2·a)，最大土壤侵蝕模數(shù)為29 126.80 t/(km2·a)，最小土壤侵蝕模數(shù)為1.71 t/(km2·a)，土壤侵蝕總量為39.90萬t；2015年土壤侵蝕模數(shù)均值為138.09 t/(km2·a)，最大土壤侵蝕模數(shù)為53 057.00 t/(km2·a)，最小土壤侵蝕模數(shù)為1.03 t/(km2·a)，土壤侵蝕總量為128.01萬t。

4 土壤侵蝕現(xiàn)狀及特征分析

4.1 土壤侵蝕現(xiàn)狀

根據(jù)《南方紅壤丘陵區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 657—2014)，將研究區(qū)的土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈6個等級[14]。分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤侵蝕強度分類標(biāo)準(zhǔn)

利用ArcGIS中的分區(qū)統(tǒng)計功能(Zonal Statistics)統(tǒng)計不同侵蝕強度的面積總和，結(jié)果見表3。

表3 南流江流域水土流失面積統(tǒng)計

由表3可知：2000年南流江流域的水土流失總面積為103.91 km2，其中輕度侵蝕面積91.25 km2，占總侵蝕面積的87.82%，中度及以上侵蝕面積僅占12.18%，表明2000年南流江流域整體情況良好，未發(fā)生大面積水土流失；2015年南流江流域的水土流失面積為594.64 km2，其中輕度侵蝕面積446.41 km2，占總侵蝕面積的75.07%。對比可知，2015年的水土流失狀況較2000年更加嚴(yán)重，表現(xiàn)為土壤侵蝕面積的增加和部分地區(qū)土壤侵蝕狀況加劇，說明南流江流域水土流失態(tài)勢不容樂觀。

4.2 降雨—輸沙關(guān)系

降雨侵蝕力是土壤侵蝕中的一個重要指標(biāo)[15]。本研究收集南流江流域1990—2015年歷年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)(見圖1和圖2)，對比徑流量和輸沙量之間的增減趨勢，發(fā)現(xiàn)南流江流域輸沙量和降雨量年際變化較大。由圖1和圖2可知，南流江流域多年平均徑流量2.4億m3,最大年徑流量為2002年的4.05億m3，最小年徑流量為2007年的1.15億m3；多年平均輸沙量114.58萬t,最大年輸沙量為2013年的247.0萬t,最小年輸沙量是2007年的16.9萬t。從徑流量和輸沙量的折線圖走勢可以看出，輸沙量同徑流量的變化趨勢呈較強的一致性。

圖1 南流江流域多年徑流量變化

圖2 南流江流域多年輸沙量變化

運用CORREL函數(shù)計算輸沙量與降雨侵蝕力因子之間的關(guān)系，見圖3。由圖3可知，輸沙量與降雨侵蝕力呈線性關(guān)系，決定系數(shù)R2=0.35。

圖3 輸沙量與降雨侵蝕力因子的關(guān)系

4.3 不同高程對土壤侵蝕的影響

將土壤侵蝕強度分級圖與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到表4。由表4可知，2000年90～150 m高程帶侵蝕面積為36.01 km2，占比34.65%；其次是150～300 m高程帶，侵蝕面積為29.60 km2，占比28.49%。

表4 南流江流域不同高程不同侵蝕強度等級面積統(tǒng)計

2015年30～90 m高程帶侵蝕面積197.79 km2，占比為33.26%，其次是90～150 m高程帶，侵蝕面積為175.92 km2，占比29.58%。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，土壤侵蝕主要集中在30～150 m的低海拔地帶，低海拔地帶適宜人類居住和耕作，人類活動較多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中，對自然環(huán)境造成一定破壞，因此水土流失情況較為嚴(yán)重。

4.4 不同坡度對土壤侵蝕的影響

將坡度數(shù)據(jù)與土壤侵蝕強度分級圖進(jìn)行疊加分析，得到表5。由表5可知：2000年和2015年的土壤侵蝕集中發(fā)生在坡度≤5°的地帶，隨著坡度的增大，土壤侵蝕面積逐漸減少。2000年坡度≤5°地帶的土壤侵蝕面積總和為31.38 km2，2015年坡度≤5°地帶的土壤侵蝕面積總和為174.69 km2；同一坡度的土壤侵蝕面積從輕度侵蝕到劇烈侵蝕遞減，輕度侵蝕面積占比最大。結(jié)果表明，研究區(qū)≤5°區(qū)域面積較大，適宜人類居住和耕作，開發(fā)強度高，因此水土流失強度高。

表5 南流江流域各坡度不同侵蝕強度等級面積統(tǒng)計

4.5 不同土地利用類型對土壤侵蝕的影響

將土地利用分類數(shù)據(jù)與土壤侵蝕分級圖進(jìn)行空間疊加分析，見表6。由表6可知，2000年建設(shè)用地侵蝕面積最大，耕地、未利用地、林地、草地、交通運輸用地、園地依次遞減。2015年南流江流域林地的土壤侵蝕面積最大，耕地、園地、建設(shè)用地、草地、水域、交通運輸用地及未利用地依次遞減，林地土壤侵蝕面積為339.34 km2，占總侵蝕面積的57.07%，耕地侵蝕面積為90.04 km2，占比15.14%。南流江流域人口密集，開墾強度大，墾殖系數(shù)高，農(nóng)業(yè)耕作大規(guī)模使用化肥，導(dǎo)致耕地土壤侵蝕嚴(yán)重。人類為滿足自身需求，大規(guī)模破壞原生植被，種植經(jīng)濟林和經(jīng)濟作物，雖然能夠帶來經(jīng)濟效益，但對生態(tài)環(huán)境的破壞性極大，容易導(dǎo)致大規(guī)模的水土流失。

表6 南流江流域各土地利用類型不同侵蝕強度等級面積統(tǒng)計

5 結(jié) 語

南流江流域整體水土流失強度不大，大部分處于輕度侵蝕，2000年的土壤侵蝕模數(shù)為43.32 t/(km2·a)，土壤侵蝕總量為39.90萬t；2015年土壤侵蝕模數(shù)為138.09 t/(km2·a)，土壤侵蝕總量為128.01萬t。

從降雨的角度分析，降雨量大的年份降雨侵蝕力因子的值較大，輸沙量也隨之增大，輸沙量與降雨侵蝕力呈線性關(guān)系，其決定系數(shù)R2=0.35。從DEM的角度分析，南流江流域農(nóng)業(yè)活動主要集中在低海拔地帶，水土流失主要發(fā)生在30～150 m高程。從坡度的角度分析，坡度≤5°的地帶適宜人類居住和耕作，開發(fā)強度大，水土流失強度高。從土地利用類型角度分析，南流江流域2000年建設(shè)用地的水土流失面積最大，耕地、未利用地、林地等依次遞減；2015年林地水土流失面積最大，耕地、園地、建設(shè)用地等依次遞減。