基于EI指數(shù)的江蘇省土壤侵蝕縣域差異及變化趨勢分析

代夢夢，田芷源，梁 音，郭紅麗，張 嬙，張藝銘

（1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210008；2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇南京 210029；3.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇泰州 225300）

水土流失面積和土壤侵蝕模數(shù)是表征區(qū)域水土流失嚴(yán)重程度的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)［1-2］。以往的研究大多只關(guān)注水土流失面積占比（如水土流失率［3-4］、水土保持率［5-6］），評價(jià)結(jié)果不夠全面；或使用兩個(gè)指標(biāo)共同表征，但評價(jià)結(jié)果不夠簡明［7］。土壤侵蝕綜合指數(shù)既能表征評價(jià)單元土壤侵蝕模數(shù)的大小，同時(shí)能反映水土流失面積的變化，具有綜合性和可比性的特點(diǎn)［8］。本研究借鑒前人［7，9］提出的計(jì)算方法，進(jìn)一步明確了不同水土保持區(qū)劃各侵蝕等級的權(quán)重值，分析江蘇省在縣級尺度上土壤侵蝕綜合指數(shù)的空間分布和變化趨勢，旨在為江蘇省科學(xué)制定水土流失治理方案提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江蘇省位于我國東部沿海地區(qū)，介于116°18′—121°57′E，30°45′—35°20′N，全省陸地總面積10.72萬km2，共有13個(gè)設(shè)區(qū)市，96個(gè)縣（市、區(qū)）。江蘇省地勢平坦，平原面積占比高達(dá)68.8%。江蘇省屬于亞熱帶向暖溫帶的過渡區(qū)，氣候溫和，雨量適中，四季分明，全年平均氣溫在13～16 ℃，多年平均降水量為800～1 100 mm，但時(shí)空分布不均，降雨多集中在5—9月。依據(jù)全國水土保持區(qū)劃［10］，江蘇省地跨南方紅壤區(qū)及北方土石山區(qū)2 個(gè)一級區(qū)，并進(jìn)一步被劃分為3 個(gè)二級區(qū)和7 個(gè)三級區(qū)（圖1），水土保持功能主要涉及農(nóng)田防護(hù)、水質(zhì)維護(hù)、人居環(huán)境、土壤保持等方面。全省土壤侵蝕以水蝕為主，豐縣和沛縣存在少量風(fēng)蝕。

圖1 江蘇省水土保持區(qū)劃分區(qū)

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 土壤侵蝕綜合指數(shù)EI值的概念

土壤侵蝕綜合指數(shù)（soil erosion aggregative index，EI，公式中用IEI表示）是一項(xiàng)評價(jià)研究單元內(nèi)土壤侵蝕總體狀況的綜合指標(biāo)，是根據(jù)評價(jià)單元內(nèi)各級土壤侵蝕面積和土地總面積量化分級進(jìn)行權(quán)重變換后形成的一個(gè)綜合指標(biāo)數(shù)值，其表達(dá)式為

式中：S為評價(jià)單元土地面積；Ai為第i等級土壤侵蝕面積；Wi為第i等級土壤侵蝕等級權(quán)重；n為土壤侵蝕等級數(shù)，取值為1～6。

2.2 EI指數(shù)的侵蝕學(xué)意義

由式（1）可知：EI 指數(shù)的取值范圍理論上是0～100之間，代表兩個(gè)極端值。其侵蝕學(xué)意義是：當(dāng)EI指數(shù)為0 時(shí)，評價(jià)單元上沒有任何級別可造成水土流失危害的土壤侵蝕發(fā)生，或者說評價(jià)單元內(nèi)全部是微度侵蝕（南方紅壤區(qū)土壤侵蝕模數(shù)≤500 t/km2，北方土石山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)≤200 t/km2），這在平原區(qū)域是實(shí)際存在的，而且比較普遍；當(dāng)EI指數(shù)為100時(shí)說明評價(jià)單元上全部是劇烈侵蝕，這種情況在實(shí)際當(dāng)中是不可能存在的，除非評價(jià)單元很?。ɡ缫粋€(gè)徑流小區(qū)）。一般而言評價(jià)單元的土壤侵蝕綜合指數(shù)大小均是介于這兩個(gè)極值之間，EI值越高表示著該單元的土壤侵蝕對區(qū)域環(huán)境的危害越嚴(yán)重，相反，EI值越低表示該單元土壤侵蝕對區(qū)域環(huán)境的危害越輕。此外，當(dāng)評價(jià)單元以縣級行政區(qū)為單元時(shí)，強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈侵蝕的面積不可能占很高的比例，所以EI值遠(yuǎn)小于100。

2.3 權(quán)重分值的多項(xiàng)式法推算

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)［11］，按照土壤侵蝕模數(shù)的大小，將土壤侵蝕強(qiáng)度分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈6 級，不同等級土壤侵蝕強(qiáng)度對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的危害不同。江蘇省地跨南方紅壤區(qū)和北方土石山區(qū)兩大水土保持區(qū)劃［10］，二者在土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)上略有不同。

針對南方紅壤區(qū)，本研究引入梁音等［1］提出的多項(xiàng)式方程模擬法對各級別的土壤侵蝕模數(shù)中值進(jìn)行修正，擬合后得到的多項(xiàng)式方程為

式中：Y為土壤侵蝕模數(shù)中值；X為土壤侵蝕等級級別，取值為1～6，該方程的決定系數(shù)r2=0.9991。

將數(shù)值6代入式（2），得到南方紅壤區(qū)劇烈等級的預(yù)測中值為18 700 t·km-2·a-1，將其權(quán)重賦值為100，計(jì)算各侵蝕強(qiáng)度等級的實(shí)際模數(shù)中值占18 700的比重，進(jìn)而確定各等級的權(quán)重，如表1所示。由于微度侵蝕不構(gòu)成水土流失危害，研究將其權(quán)重值確定為0。

表1 江蘇省紅壤區(qū)土壤侵蝕模數(shù)修正中值及權(quán)重指標(biāo)

針對北方土石山區(qū)，研究借鑒梁音等［1］的方法，對各級別的土壤侵蝕模數(shù)中值進(jìn)行修正，擬合后得到的多項(xiàng)式方程為

式中：Y為土壤侵蝕模數(shù)中值，X為土壤侵蝕等級級別，取值為1～6，該方程的決定系數(shù)r2=0.9987。

將數(shù)值6 代入式（3），得到北方土石山區(qū)劇烈等級的預(yù)測中值為18 490 t·km-2·a-1，將其權(quán)重賦值為100，計(jì)算各侵蝕強(qiáng)度等級的實(shí)際模數(shù)中值占18 490 的比重，進(jìn)而確定各等級的權(quán)重，如表2所示。

表2 江蘇省土石山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)修正中值及權(quán)重指標(biāo)

2.4 數(shù)據(jù)來源及計(jì)算

計(jì)算土壤侵蝕綜合指數(shù)EI 值所需的土壤侵蝕模數(shù)，來源于江蘇省2019—2021年水土流失動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。應(yīng)用式（1）計(jì)算得到江蘇省96個(gè)縣（區(qū)）的EI值，進(jìn)而分析EI值的縣域差異及其隨時(shí)間的變化趨勢。研究成果采用ArcGIS10.6制圖展示。

3 結(jié)果與討論

3.1 EI計(jì)算結(jié)果

研究統(tǒng)計(jì)了2019—2021 年不同縣（區(qū)）EI 的計(jì)算結(jié)果（表3）。由表3可知，全省96個(gè)縣（區(qū)）3 年間EI 值分別介于0.003～6.1997、0.003～2.7175、0.004～2.4089 之間。全省EI 均值分別為0.2997、0.2152、0.1997，與張玉剛等［12］研究得出的2002—2011年江蘇省EI值0.31相近。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，96個(gè)縣（區(qū)）EI 的極差、均值、變異系數(shù)均呈明顯的減小趨勢，表明經(jīng)過2 年的水土流失治理，江蘇省土壤侵蝕的面積和程度減輕，縣域之間發(fā)生土壤侵蝕狀況的差異減小。

表3 EI計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)江蘇省96個(gè)縣（區(qū)）EI的分布情況，本研究將其按土壤侵蝕嚴(yán)重程度分為極輕微（EI值＜0.01）、輕微（0.1＞EI 值≥0.01）、較嚴(yán)重（1＞EI 值≥0.1）和嚴(yán)重（EI 值≥1）4 個(gè)等級。研究統(tǒng)計(jì)了不同土壤侵蝕嚴(yán)重等級下的縣（區(qū)）數(shù)量（表4），統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，江蘇省96 個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕嚴(yán)重等級以輕微和較嚴(yán)重為主，這兩個(gè)等級的縣（區(qū)）數(shù)量歷年占比之和均超過70%，極輕微等級的縣（區(qū)）數(shù)量3 a 間增加了5個(gè)，數(shù)量占比由2019年的18.75%上升至2021年的23.96%，嚴(yán)重等級的縣（區(qū)）數(shù)量則由5 個(gè)減少至3 個(gè)。以上結(jié)果表明近年來江蘇省水土流失得到有效控制。

表4 2019—2021年江蘇省各土壤侵蝕嚴(yán)重等級縣（區(qū)）數(shù)量

3.2 EI指數(shù)空間分布

根據(jù)EI 的計(jì)算方法，計(jì)算得到2019—2021 年每個(gè)縣（區(qū)）的EI 值并進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì)，江蘇全省96 個(gè)縣（區(qū)）的空間分布結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，江蘇省歷年各縣（區(qū)）土壤侵蝕嚴(yán)重等級空間分布特征基本一致，均表現(xiàn)為北部和西部丘陵山區(qū)的土壤侵蝕嚴(yán)重等級較高，中西部平原地區(qū)的土壤侵蝕嚴(yán)重等級較低。

圖2 江蘇省2019—2021年土壤侵蝕嚴(yán)重等級空間分布

2019年EI最高值出現(xiàn)在徐州市鼓樓區(qū)（6.1997），最低值出現(xiàn)在泰州市的姜堰區(qū)（0.0003）和興化市（0.0003）。全省有5個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為嚴(yán)重（EI 值≥1），分別是徐州市鼓樓區(qū)（6.1997）、常州市溧陽市（2.0171）、鎮(zhèn)江市句容市（1.6172）、南京市溧水區(qū)（1.2869）、淮安市盱眙縣（1.0297）。全省有37 個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為較嚴(yán)重（1＞EI值≥0.1），主要分布在北部沂沭低山丘陵平原區(qū)和西南部的寧鎮(zhèn)揚(yáng)及宜溧低山丘陵地區(qū)；有36個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為輕微（0.1＞EI值≥0.01），主要分布在東部里下河平原及蘇東濱海平原地區(qū)；有18個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為極輕微（EI 值＜0.01）主要分布在東南長江三角洲平原區(qū)。

2020 年EI 最高值與2019 年一致，出現(xiàn)在徐州市鼓樓區(qū)（2.7175），最低值則僅出現(xiàn)在泰州市興化市（0.0003）。全省有5個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為嚴(yán)重（EI 值≥1），分別是徐州市鼓樓區(qū)（2.7175）、徐州市賈汪區(qū)（1.3532）、常州市溧陽市（1.1606）、南京市溧水區(qū)（1.0924），淮安市盱眙縣（1.0763）。全省有33 個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為較嚴(yán)重（1＞EI值≥0.1），有37個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為輕微（0.1＞EI 值≥0.01），有21個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為極輕微（EI值＜0.01）。這與2019年的空間分布規(guī)律極為相似，除極輕微等級縣（區(qū)）向蘇東濱海平原地區(qū)擴(kuò)展。

2021 年EI 的極值分布與2020 年一致，最高值出現(xiàn)在徐州市鼓樓區(qū)（2.4089），最低值出現(xiàn)在泰州市興化市（0.0004）。全省減少至3個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為嚴(yán)重（EI值≥1），分別是徐州市鼓樓區(qū)（2.4089）、徐州市賈汪區(qū)（1.2105）、常州市溧陽市（1.1822）。全省有33 個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為較嚴(yán)重（1＞EI值≥0.1），有37個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為輕微（0.1＞EI值≥0.01），有23 個(gè)縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重等級表現(xiàn)為極輕微（EI 值＜0.01）。與2020 年相比，極輕微等級縣（區(qū)）數(shù)量進(jìn)一步增加，嚴(yán)重等級縣（區(qū)）數(shù)量減少。

3.3 EI變化趨勢

經(jīng)過2019—2021年的治理，江蘇省水土保持狀況總體好轉(zhuǎn)：總體表現(xiàn)為土壤侵蝕等級為嚴(yán)重和較嚴(yán)重的縣（區(qū)）數(shù)量減少，表現(xiàn)為極輕微和輕微的縣（區(qū)）數(shù)量增加。其中，較為明顯的是西南寧鎮(zhèn)山脈一帶，該區(qū)域范圍內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重等級為嚴(yán)重的縣（區(qū)）數(shù)量由2019年的3個(gè)，減少至2020年的2個(gè)和2021年的1個(gè)。

從96 個(gè)縣（區(qū)）2019—2021 年土壤侵蝕綜合指數(shù)（EI）的變化情況來看（表5，圖3），全省有59 個(gè)縣（區(qū)）水土保持狀況持續(xù)向好，出現(xiàn)EI 呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢（21＜20＜19），占全省縣（區(qū)）數(shù)量的61.46%。

表5 江蘇省2019—2021年不同EI指數(shù)變化縣（區(qū)）數(shù)量統(tǒng)計(jì)

全省有19 個(gè)縣（區(qū)）的EI 呈現(xiàn)波動減小的趨勢，其中15 個(gè)縣（區(qū)）的EI 表現(xiàn)為2020 年＜2021 年＜2019 年，占全省縣（區(qū)）數(shù)量的15.63%，主要分布在鎮(zhèn)江市；另有徐州市云龍區(qū)、連云港市東?？h、淮安市盱眙縣、宿遷市泗洪縣4 個(gè)縣（區(qū)）的EI 表現(xiàn)為2021 年＜2019 年＜2020 年，占全省縣（區(qū)）數(shù)量的4.17%，且這4個(gè)縣（區(qū)）水土流失率均較高。

全省有18 個(gè)縣（區(qū)）的EI 呈現(xiàn)波動增大的趨勢，其中16 個(gè)縣（區(qū)）的EI 表現(xiàn)為2020 年＞2021 年＞2019 年，占全省縣（區(qū)）數(shù)量的16.67%，主要分布在蘇州市和南通市，另有常州市鐘樓區(qū)和泰州市興化市2個(gè)縣（區(qū)）的EI表現(xiàn)為2021年＞2019年＞2020年，占全省縣（區(qū)）數(shù)量的2.08%。

3.4 EI變化程度

具體到96 個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)EI 的變化數(shù)值來看，各縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)變化不大，絕大部分縣（區(qū)）EI 的變化集中在-0.02～0.02 之間（表6、圖4），這主要是因?yàn)榻K省水土保持狀況較好，EI總體較小。

表6 江蘇省2019-2021年不同EI變化范圍內(nèi)縣（區(qū)）數(shù)量

圖4 江蘇省2019—2021年土壤侵蝕綜合指數(shù)空間變化

經(jīng)過2019—2020 年的治理，全省有75 個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)（EI）減小，有21個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)（EI）增加（表6），表明絕大部分縣（區(qū)）水土流失治理工作取得成效，但仍有部分縣（區(qū)）的土壤侵蝕嚴(yán)重程度有所增強(qiáng)。具體而言，徐州市鼓樓區(qū)EI 值減小最為明顯，從6.1997 下降至2.7175，降低了3.4822，此外常州市溧陽市、鎮(zhèn)江市句容市、南京市建鄴區(qū)EI 值減小較多，分別降低了0.8565、0.6679 和0.4173。EI 值增加的縣（區(qū)）中徐州市賈汪區(qū)、南京市秦淮區(qū)和淮安市盱眙縣EI值增加最多，分別為0.3595、0.3240和0.0466。

經(jīng)過2020—2021 年的治理，全省有72 個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)EI減小，有4個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)EI 保持不變，有20 個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)EI增加（表6）。除南京市溧水區(qū)和徐州市鼓樓區(qū)分別減少了0.3737 和0.3086，以及鎮(zhèn)江市潤州區(qū)、無錫市濱湖區(qū)和常州市溧陽市分別增加了0.0331、0.0248 和0.0216 外，其余91 個(gè)縣（區(qū)）的EI變化值集中在-0.2～0.02之間。

綜合2019—2021 年治理成果，全省有77 個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)EI減小，有1個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)EI 保持不變，有18 個(gè)縣（區(qū)）土壤侵蝕綜合指數(shù)EI 增加（表6）。徐州市鼓樓區(qū)EI 減小最為明顯，降低了3.7909，其次是常州市溧陽市、鎮(zhèn)江市句容市、南京市溧水區(qū)和南京市建鄴區(qū)，分別降低了0.8350、0.6756、0.5683 和0.4200；南京市秦淮區(qū)EI 值增加最多，其次是徐州市賈汪區(qū)和揚(yáng)州市廣陵區(qū)，分別增加了0.3224、0.2168和0.0304。

以上數(shù)據(jù)表明，2019—2021年絕大部分縣（區(qū)）土壤侵蝕狀況得到不同程度的改善，這主要源于近年來開展的小流域治理工程，大幅減少了水土流失面積；少部分縣（區(qū)）的EI 值增加，這主要是因?yàn)槌鞘邪l(fā)展需要造成在強(qiáng)烈及以上水土流失面積占比的上升。由此可見，水土流失治理不能僅關(guān)注面積的變化，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對侵蝕強(qiáng)度變化的監(jiān)管。

4 結(jié) 語

通過對江蘇省縣域EI的計(jì)算和分析，得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）江蘇省2019—2021年各縣（區(qū)）土壤侵蝕嚴(yán)重等級空間分布特征基本一致，均表現(xiàn)為北部和西部丘陵山區(qū)的土壤侵蝕嚴(yán)重等級較高，中西部平原地區(qū)的土壤侵蝕嚴(yán)重等級較低。

（2）2019—2021年EI總體減小的縣（區(qū)）數(shù)量占81.25%，EI 總體增大的縣（區(qū)）數(shù)量占18.75%，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)這該部分縣（區(qū)）的水土流失治理。

（3）江蘇省水土保持狀況較好，各縣（區(qū)）EI 變化較小，主要集中在-0.02～0.02之間。