基于耦合RUSLE 模型和多源數(shù)據(jù)對(duì)江蘇省水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

王子鈺

（江蘇省三河閘管理所,江蘇 淮安 223001）

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)增加,水土流失成為全球面臨的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題之一[1]。江蘇省作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)大省,其水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究對(duì)于可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。耦合RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）模型和多源數(shù)據(jù)能夠?yàn)樵撗芯刻峁┯行У墓ぞ吆头椒╗2-3]。然而,傳統(tǒng)RUSLE 模型在數(shù)據(jù)獲取和精度方面存在一定的局限性。為了克服這些局限性,本文采用多源數(shù)據(jù),包括遙感數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等,以提高水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。研究的目的是在江蘇省范圍內(nèi)全面評(píng)估并揭示江蘇省水土流失的空間分布特征、風(fēng)險(xiǎn)程度,并為相關(guān)部門(mén)提供科學(xué)的決策支持。

1 研究區(qū)概況

江蘇省位于中國(guó)東部、黃海西側(cè),總面積10.72 萬(wàn)km2。省域地勢(shì)平坦,包括沿海平原、河網(wǎng)區(qū)和丘陵地帶,高程介于0～625 m,海岸線達(dá)954 km。主要植被類型包括耕地、園地、林地和草地等,水稻、玉米是該省主要農(nóng)作物。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季炎熱濕潤(rùn),冬季寒冷潮濕。夏季受東南季風(fēng)的影響而濕熱多雨；冬季受西伯利亞高壓控制而寒冷少雨,加之受海洋和湖泊調(diào)節(jié)作用,總體氣候溫和；年平均氣溫在14℃,降水量在800 mm～1200 mm 大于10°的有效積溫多在2000℃～3000℃之間。綜合而言,該省氣候資源呈現(xiàn)由南向北地帶性減少分布。

2 研究方法

2.1 基于RUSLE 模型的水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

通用水土流失方程（Revised universal soil loss equation,RUSLE）是美國(guó)科學(xué)家們通過(guò)長(zhǎng)期研究水土動(dòng)力循環(huán)、植被保護(hù)、土壤質(zhì)地、地形效應(yīng)等因素結(jié)合Rainfall-Runoff-Erosion 模型,建立的區(qū)域水土流失模數(shù)的計(jì)算公式。其將水土流失速率簡(jiǎn)化為坡度、坡長(zhǎng)、植被覆蓋、降水等因子的函數(shù),進(jìn)而提供了一種客觀、科學(xué)的評(píng)估水土流失風(fēng)險(xiǎn)的工具。RUSLE 概念模型如下：

式中；A為年侵蝕模數(shù),t/（km2·a）；R為為降雨侵蝕力,MJ·mm/（hm2·h·a）；采用謝云等[4]人提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吐识?具體為：

式中：Rd是日侵蝕性降雨量；α為調(diào)節(jié)參數(shù),其在暖季（5 月～9 月）、冷季（10 月～4 月）的取值分別為0.3937、0.3101。

K為土壤可蝕性,t·km2·h/（km2·MJ·mm）；通常采用EPIC 模型進(jìn)行率定；方法如下[5]：

式中：San、Sil、Cal、Soc分別為砂礫、粉粒、黏粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量比,Sn1=1-San/100。

LS 為坡長(zhǎng)坡度因子,表示一定地形條件下產(chǎn)生的水土流失速率與標(biāo)準(zhǔn)地形下之比；

式中：S為坡度因子；θ為坡度,（°）；L為坡長(zhǎng)因子；為水平投影坡長(zhǎng)；m為可變坡長(zhǎng)指數(shù)[6]。

C為植被覆蓋與管理因子,標(biāo)準(zhǔn)地表覆被因素截留減蝕能力,基于曲線模型率定：

式中：α、β為曲線參數(shù),通常取值為α=2.5,β=1[7]。

P為有無(wú)支持措施下水土流失速率之比,通常采用基于土地利用類型的賦值法率定[8]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

本研究集成多源地理空間數(shù)據(jù)開(kāi)展江蘇省水土流失評(píng)價(jià)。其中,計(jì)算R因子的數(shù)據(jù)源為NASA/GPM_L3/IMERG_V06,其空間分辨率為0.1°,時(shí)間分辨率為0.5 h,采用降尺度方法結(jié)合公式（2）提取R因子分布信息。K因子由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供,其分辨率為1 km,采用經(jīng)典EPIC 模型計(jì)算而來(lái)。LS因子經(jīng)SAGAGIS 軟件結(jié)合DEM數(shù)據(jù)提取,其中DEM 數(shù)據(jù)由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局獲取,產(chǎn)品號(hào)為USGS/SRTMGL1_003,空間分辨率達(dá)30 m。C因子數(shù)據(jù)源為區(qū)域2020 年平均NDVI 數(shù)據(jù),NDVI 由研究區(qū)2020 年的Landsat-8 數(shù)據(jù)經(jīng)均值合成法得到。P因子數(shù)據(jù)源為30 m 分辨率的Globeland 產(chǎn)品。需說(shuō)明的是,文中R、DEM、NDVI等數(shù)據(jù)提取是通過(guò)google earth engine（https://code.earthengine.google.com/）云平臺(tái)完成,其他數(shù)據(jù)處理、水土流失評(píng)價(jià)是通過(guò)ArcGIS10.8 平臺(tái)進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 江蘇省水土流失因子空間分布特征

無(wú)量綱地形參數(shù)LS因子見(jiàn)圖1,區(qū)域地形總體平坦因此其LS值域范圍較小,僅為0～17,呈現(xiàn)明顯隨海拔高程分異特征。即高值區(qū)集中于山地丘陵等地區(qū),其值可達(dá)5～17；而其他平原地區(qū)僅為0～4 之間。用EPIC 模型計(jì)算得到江蘇K因子空間分布介于0～0.06（t·hm2·h）/（MJ·hm2·mm）之間,盡管其總體水平相對(duì)較低,但仍表現(xiàn)出地帶性差異。可見(jiàn),在省域西部局地的K值較高,可達(dá)0.04（t·hm2·h）/（MJ·hm2·mm）以上,然而在大部分地區(qū)的K值較低,僅為0～0.02（t·hm2·h）/（MJ·hm2·mm）。R因子是該地土地退化流失的重要自然因素之一,分析研究區(qū)R因子值域范圍介于6895 MJ·mm（hm2·h）～10485 MJ·mm（hm2·h）,R因子分布中心值位于蘇南,以帶狀向蘇北減少。區(qū)域降雨侵蝕力空間分布的年際變化主要受季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度影響。C因子表示地表覆被(如植被、生物質(zhì)等）對(duì)截留減蝕的能力,區(qū)域C因子空間格局相對(duì)穩(wěn)定,介于0～1 之間,整體呈破碎化分布。利用賦值法得到研究區(qū)P因子呈斑塊狀分布,值域介于0～1,水體和林地的P值較低；然而平原耕地區(qū)、裸地的P值較高。

3.2 江蘇省水土流失空間分布特征

如圖2所示,江蘇省水土流失模數(shù)介于0～13014 t/（hm2·a）,統(tǒng)計(jì)得到其空間平均值為20.16 t/（hm2·a）,說(shuō)明全省水土流失強(qiáng)度綜合特征為輕度(水土流失模數(shù)值域?yàn)?00 t/（hm2·a）～2500 t/（hm2·a））。水土流失模數(shù)呈現(xiàn)地帶性特征,水土流失風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)位于南部、西南山地丘陵等江南地區(qū),由于該地為緩斜坡面,加之人為活動(dòng)影響易產(chǎn)生坡面、坡耕地侵蝕,局部水土流失多在2560 t/（hm2·a）～8050 t/（hm2·a）之間,安裝土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)屬于中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)等級(jí)。江北地區(qū)水土流失模數(shù)空間連續(xù)性較好,相對(duì)高值區(qū)聚集于洪澤湖、淮河、黃河故道附近,這些地區(qū)主要為溝道侵蝕,水土流失模數(shù)多介于500 t/（hm2·a）～2000 t/（hm2·a）之間。蘇北的沛縣、蘇東射陽(yáng)等地水土流失風(fēng)險(xiǎn)最低,多在500 t/（hm2·a）以下,主要因?yàn)檫@些地面地面完整性好、無(wú)溝壑和起伏地表。需指出的是,在省域東部濱海地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)較高,流失模數(shù)可達(dá)3000 t/（hm2·a）左右,這是由于海岸帶風(fēng)暴潮、潮汐、海浪侵蝕所致。

圖2 江蘇省土壤侵蝕模數(shù)和水土流失風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布

3.3 江蘇省水土流失風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)特征

由水利部頒布《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL 190-2007）》可知,不同水土流失風(fēng)險(xiǎn)的模數(shù)閾值依次為：微度（0～5 t/（hm2·a））、輕度（5 t/（hm2·a）～25 t/（hm2·a））、中度（25 t/（hm2·a）～50 t/（hm2·a））、強(qiáng)烈（50 t/（hm2·a）～80 t/（hm2·a））、極強(qiáng)（80 t/（hm2·a）～150 t/（hm2·a））和劇烈（＞150 t/（hm2·a））。據(jù)此,利用ArcGIS 平臺(tái)中3D Analysis toos →Recalss →reclassify 工具,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到各水土流失風(fēng)險(xiǎn)的面積分布,其結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果可知,江蘇省水土流失風(fēng)險(xiǎn)以微度為主,其面積約占省域總面積的53.05%,而輕度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)次之,面積占28.75%,隨后依次是劇烈（6.95%）、中度（5.85%）、強(qiáng)度（3.80%）和極強(qiáng)（1.60%）。

圖3 各水土流失風(fēng)險(xiǎn)的面積分布

3.4 江蘇省各市水土流失量統(tǒng)計(jì)特征

鑒于江蘇省水土流失模型空間異質(zhì)性背景,為更好促進(jìn)區(qū)域侵蝕治理,利用ArcGIS10.8 →Spatial analysis tools→zonal →zonal statistics as table 模塊,生成各市平均水土流失模數(shù),再將其與各市面積相乘,得到相應(yīng)的流失量,其結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn),全省以無(wú)錫平均水土流失模數(shù)最高,達(dá)43.83 t/（hm2·a）,但其面積較小,因此該市總流失量為2.19×107t,占全省總流失量的12.43%。南通、蘇州、南京、鹽城、鎮(zhèn)江、連云港、常州等地的水土流失模數(shù)次之,介于18.03 t/（hm2·a）～26.57 t/（hm2·a）之間,泰州、揚(yáng)州等地相對(duì)較小,依次為6.27 t/（hm2·a）、7.61 t/（hm2·a）。上述地市的水土流失風(fēng)險(xiǎn)屬輕度等級(jí),僅徐州、宿遷屬微度等,相應(yīng)地其平均水土流失模數(shù)依次為3.43 t/（hm2·a）、4.49 t/（hm2·a）。從水土流失量來(lái)看,鹽城、蘇州、無(wú)錫和南通等地對(duì)該省水土流失量貢獻(xiàn)最大,依次占19.43%、14.40%、13.49%、12.43%,因此是區(qū)域水土保持重點(diǎn)區(qū)。

表1 江蘇省各地市水土流失量統(tǒng)計(jì)特征

4 結(jié)論

本研究利用GIS 技術(shù)結(jié)合RUSLE 模型,綜合評(píng)價(jià)了江蘇省水土流失風(fēng)險(xiǎn),主要結(jié)論如下：①江蘇省平均水土流失風(fēng)險(xiǎn)屬輕度,每年約1.76×108t 的土壤發(fā)生流失,這對(duì)區(qū)域土地生產(chǎn)較為不利；②全省各市中鹽城、蘇州、無(wú)錫和南通四地產(chǎn)生的土壤流失量占全省一半以上,從水土保持角度來(lái)看,這些地方的侵蝕發(fā)展需得到關(guān)切。③江蘇地區(qū)土地經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高,加之處于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),該地發(fā)生水土流失后土壤質(zhì)量不易恢復(fù),因此急需開(kāi)展可持續(xù)的水土保持和侵蝕治理戰(zhàn)略。鑒于區(qū)域溝壑侵蝕、坡面侵蝕類型廣泛發(fā)育,未來(lái)需采用更精細(xì)的模型量化微尺度上水土流失量,進(jìn)一步揭示水土流失隱蔽性問(wèn)題。