基于GIS和RUSLE模型的1993—2020年貴州省土壤保持量評(píng)價(jià)

摘 要：對(duì)中國(guó)西南山區(qū)貴州省的土壤保持量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為該地的生態(tài)安全、生態(tài)文明建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展等提供理論參考。基于貴州省1993年、2000年、2010年和2020年共4個(gè)時(shí)期的數(shù)字高程模型（DEM）、土地利用、土壤類(lèi)型、降水量、遙感影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE），結(jié)合GIS中的空間分析方法，評(píng)價(jià)1993—2020年貴州省土壤保持量的變化趨勢(shì)和空間分布。貴州省土壤保持強(qiáng)度在1993—2000年急劇升高，而2000—2020年又呈緩慢下降趨勢(shì)；全省土壤保持功能等級(jí)以一般重要和重要等級(jí)為主；全省土壤保持量變化以不變?yōu)橹?，土壤保持量減少區(qū)域的面積約占總面積的1/3。評(píng)價(jià)結(jié)果揭示了貴州省土壤保持強(qiáng)度、重要性等級(jí)、土壤保持量時(shí)空分布及變化特征?？傮w來(lái)看，貴州省未來(lái)的土壤保持及生態(tài)保護(hù)工作任務(wù)仍然嚴(yán)峻。

關(guān)鍵詞：土壤保持；土壤流失；RUSLE；喀斯特；貴州省

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.1；P964 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）3-130-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.03.031

0 引言

土壤侵蝕是目前全球性土地退化的主要原因之一，其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題備受關(guān)注，因此對(duì)土壤保持能力的研究也愈發(fā)重要［1-3］?？焖贉?zhǔn)確地對(duì)區(qū)域土壤保持量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，對(duì)該地水土保持和生態(tài)恢復(fù)十分關(guān)鍵。修正的通用土壤流失方程（RULSE）是常用的土壤侵蝕研究方法之一，在定量評(píng)估區(qū)域土壤侵蝕及土壤保持量的研究中發(fā)揮著重要作用［4-5］。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在該模型的適用性上開(kāi)展了多方面的研究，取得了一系列實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。寧婷等［6］對(duì)山西省生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能進(jìn)行了重要性評(píng)估；武國(guó)勝等［7］對(duì)福建省長(zhǎng)汀縣的土壤保持功能及生態(tài)系統(tǒng)變化進(jìn)行了研究；蔣春麗等［8］對(duì)2000—2010年黑龍江省的土壤保持量進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)；陸傳豪等［9］的研究表明，土壤保持服務(wù)空間分布受到地形和人類(lèi)活動(dòng)等因素的顯著影響。以上研究均揭示了不同區(qū)域土壤保持量變化的客觀(guān)規(guī)律，為各區(qū)域水土保持規(guī)劃及可持續(xù)發(fā)展決策部署提供了理論依據(jù)，但目前多數(shù)研究對(duì)象以平原或河流分布廣泛的地區(qū)為主，對(duì)中國(guó)西南山區(qū)的研究較少。因此，該研究選擇中國(guó)西南山區(qū)貴州省作為長(zhǎng)序列研究對(duì)象，以期為中國(guó)西南山區(qū)的土壤保持理論研究提供參考。

貴州省位于中國(guó)西南腹地，是全國(guó)第一個(gè)國(guó)家級(jí)大數(shù)據(jù)綜合試驗(yàn)區(qū)，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分和西南地區(qū)的重要交通樞紐。然而，由于貴州省廣布的喀斯特地貌和其土地利用的不合理極易造成石質(zhì)荒漠化［10-12］，再加上極端天氣增多，旱澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大，給貴州省廣大區(qū)域的水土保持、生態(tài)文明建設(shè)帶來(lái)不小的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。鑒于此，采用GIS空間分析方法和RUSLE模型定量評(píng)價(jià)1993—2020年貴州省的土壤保持強(qiáng)度狀況，對(duì)其時(shí)空變化及分布情況進(jìn)行研究，以此為貴州省人地矛盾尖銳背景下的生態(tài)文明建設(shè)和水土保持工作提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

貴州省地域總面積為17.62萬(wàn)km2，共有6個(gè)地級(jí)市、3個(gè)自治州；位于東經(jīng)103°36′～109°35′、北緯24°37′～29°13′，與四川、湖南、廣西、云南、重慶等省份毗鄰；平均海拔1 100 m，地形地貌以山地、丘陵為主，地勢(shì)西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜；區(qū)域內(nèi)的巖溶地貌發(fā)育尤為典型，單喀斯特（出露）面積占區(qū)域面積的60%左右；全省處于雨熱同期的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。貴州省還擁有豐富的自然資源，是中國(guó)西南地區(qū)生態(tài)屏障的重要組成部分。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選取時(shí)間段為1993—2020年。歸一化植被指數(shù)（NDVI）和數(shù)字高程模型（DEM）等柵格數(shù)據(jù)主要來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云，研究區(qū)及周邊區(qū)域基礎(chǔ)氣象站點(diǎn)的日降水?dāng)?shù)據(jù)則由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)服務(wù)中心提供，土壤質(zhì)地及有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)由寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供。矢量數(shù)據(jù)包括土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)和行政邊界數(shù)據(jù)。

2.2 土壤保持量計(jì)算

為快速準(zhǔn)確地定量評(píng)估貴州省在各時(shí)期的土壤保持量，研究采用修正的通用土壤流失方程（RULSE），表達(dá)公式見(jiàn)式（1）至式（3）［13-15］，結(jié)合GIS空間分析方法及工具進(jìn)行定量計(jì)算。

Ap=R·K·LS" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

Ar=R·K·LS·C·P" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

Ac=Ap-Ar=R·K·LS·（1-C·P）" " " " " " " " " " " " " （3）

式（1）至式（3）中：Ap 表示潛在土壤侵蝕量， t/（hm2·a）；Ar 表示實(shí)際土壤侵蝕量， t /（hm2·a）；Ac 表示土壤保持強(qiáng)度， t /（hm2·a）；R 表示降雨侵蝕力因子，（MJ·mm）/（hm２·h·a）；K 表示土壤可蝕性因子，（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm）；LS 表示坡長(zhǎng)坡度因子；C表示植被覆蓋與管理因子；P表示水土保持措施因子。

2.3 降雨侵蝕力因子（R）

通常當(dāng)自然界的降水量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)就會(huì)誘發(fā)地表發(fā)生土壤侵蝕，它是導(dǎo)致土壤侵蝕及流水最主要的外部驅(qū)動(dòng)因素，各區(qū)域因氣候和降水特征的不同也顯示出不同的區(qū)域土壤侵蝕特點(diǎn)。在降雨侵蝕力因子計(jì)算模型的選擇中，參照胡續(xù)禮等［16］的研究成果，采用精確性和穩(wěn)定性兼顧的CREAMS模型對(duì)降雨侵蝕力因子進(jìn)行計(jì)算。降雨侵蝕力因子的計(jì)算公式見(jiàn)式（4）。

[R=1.03P1.51iPi≥d12]" " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式（4）中：R表示降雨侵蝕力因子，（MJ·mm）/（hm２·h·a）；Pi 表示日降水量，mm；d12表示達(dá)到土壤侵蝕性的降水標(biāo)準(zhǔn)（Pi≥12 mm）。降雨侵蝕力因子R由該區(qū)及周?chē)鷧^(qū)域基礎(chǔ)氣象站點(diǎn)的日降水量在GIS中的克里金插值法計(jì)算得出。

2.4 土壤可蝕性因子（K）

土壤可蝕性因子（K）是土壤對(duì)外來(lái)侵蝕能力的綜合體現(xiàn)，不同的土地類(lèi)型決定著不同的土壤類(lèi)型，而不同類(lèi)型土壤的K值不同，K值越大代表土壤越容易受到外力的侵蝕。結(jié)合研究區(qū)的土地和土壤類(lèi)型實(shí)際情況，采用Sharply等［17］的研究成果來(lái)計(jì)算K值，計(jì)算公式見(jiàn)式（5）。

式（5）中：SAN表示砂粒的含量，%；SIL表示粉砂的含量，%；CAL表示黏粒的含量，%；C表示有機(jī)質(zhì)的含量，%；SN=1-SAN/100。

2.5 坡長(zhǎng)坡度因子（LS）

坡長(zhǎng)坡度因子采用貴州省的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。上述模型中坡度因子S的計(jì)算公式是根據(jù)美國(guó)實(shí)際的耕地坡度情況建立的，而貴州省坡度大于15°的土地面積占比較大，因此繼續(xù)使用原計(jì)算模型來(lái)計(jì)算坡度因子S并不符合該研究區(qū)實(shí)際。此處采用Liu等［18］、Mccool等［19］的研究方法，通過(guò)分段計(jì)算對(duì)坡度因子S的計(jì)算模型進(jìn)行修正，公式見(jiàn)式（6）。

坡長(zhǎng)因子L則采用Wischmeier等［20］提出的算法，見(jiàn)式（7）。

[L=λ/22.13α]

式（7）中：λ 表示特指的集水面積，m2； 22.13 m表示標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長(zhǎng)；θ 表示坡度，°；α 表示坡長(zhǎng)因子指數(shù)。

2.6 植被覆蓋與管理因子（C）

植被覆蓋與管理因子（C）的取值范圍為0～1，是侵蝕動(dòng)力的主要阻礙因素。參考蔡崇法等［21］、譚炳香等［22］的研究方法及成果，植被覆蓋與管理因子C的計(jì)算公式見(jiàn)式（8）。

式（8）中：C表示植被覆蓋與管理因子，fg表示植被的覆蓋度，NDVImax、NDVImin分別表示歸一化植被指數(shù)（NDVI）的最大值和最小值，ρNIR 表示近紅外波段，ρR 表示紅外波段。

2.7 水土保持措施因子（P）

結(jié)合貴州省地形地貌、耕種習(xí)慣及土地利用類(lèi)型等綜合因素，并參考許月卿等［23］在貴州省的研究成果，確定各土地利用類(lèi)型的P值，見(jiàn)表1。P的取值范圍為0～1，0代表不會(huì)發(fā)生侵蝕，1代表未采取措施。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 土壤保持強(qiáng)度時(shí)空演變總體特征

1993年土壤保持強(qiáng)度Ac的取值范圍為2.39～14 731.10 t /（hm2·a），平均約為1 698.70 t /（hm2·a）。從分布上看，土壤保持強(qiáng)度較高的區(qū)域主要分布在六盤(pán)水市、黔西南布依族苗族自治州（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“黔西南州”）、安順市及銅仁市，而土壤保持強(qiáng)度較低的區(qū)域主要分布在貴州中部的貴陽(yáng)市及貴州西北部的畢節(jié)市區(qū)域。

2000年土壤保持強(qiáng)度Ac的取值范圍為2.12～22 296.40 t /（hm2·a），平均約為2 197.93 t /（hm2·a）。從分布上看，土壤保持強(qiáng)度較高的區(qū)域主要分布在黔東南苗族侗族自治州（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“黔東南州”）、黔南布依族苗族自治州（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“黔南州”）及安順市的部分區(qū)域，而土壤保持強(qiáng)度較低的區(qū)域與1993年幾乎一致，主要分布在貴州中部的貴陽(yáng)市及貴州西北部的畢節(jié)市區(qū)域。

2010年土壤保持強(qiáng)度Ac的取值范圍為2.33～23 281.70 t /（hm2·a），平均約為1 987.83 t /（hm2·a）。從分布上看，土壤保持強(qiáng)度較高的區(qū)域主要分布在黔西南州、安順市及黔南州，而土壤保持強(qiáng)度較低的區(qū)域主要分布在貴陽(yáng)及畢節(jié)市區(qū)域。

2020年土壤保持強(qiáng)度Ac的取值范圍為2.98～14 414.70 t /（hm2·a），平均約為1 825.95 t /（hm2·a）。從分布上看，土壤保持強(qiáng)度較高的區(qū)域主要分布在黔西南州、安順市、黔南州及黔東南州，而土壤保持強(qiáng)度較低的區(qū)域與前三個(gè)時(shí)期有所不同，除主要分布在貴州省中部的貴陽(yáng)市、西北部的畢節(jié)市以外，在貴州北部的遵義市也有分布。

3.2 土壤保持功能重要性分級(jí)

研究采用《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定指南》的分級(jí)方法對(duì)貴州省土壤保持功能的重要性進(jìn)行分級(jí)，先確定分界值，再根據(jù)分界值對(duì)整體進(jìn)行分級(jí)［15］。考慮到研究區(qū)水土流失現(xiàn)狀及為了更好地進(jìn)行定量評(píng)估，采用1993—2020年各時(shí)期土壤保持強(qiáng)度的平均值作為參考值。將貴州省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能重要性等級(jí)分為極其重要、重要、一般重要共3個(gè)等級(jí)，其中一般重要等級(jí)的面積占全省總面積的47.62%，全省各地市州一般重要等級(jí)的面積占比較高，且主要分布在貴陽(yáng)市、畢節(jié)市、遵義市等區(qū)域；重要等級(jí)的面積占全省總面積的39.53%，且在全省各地市州均有分布，而黔東南州、黔西南州、六盤(pán)水市、銅仁市在此等級(jí)中的面積占比相對(duì)較高；極其重要等級(jí)的面積占全省總面積的12.86%，在全省各地市州也均有分布，而黔東南州、黔南州、黔西南州、六盤(pán)水市、銅仁市等地區(qū)在此等級(jí)中的面積占比較高。從全省分布來(lái)看，貴州省土壤保持功能重要性等級(jí)以一般重要和重要為主；結(jié)合貴州省的總體地形地貌來(lái)看，極其重要等級(jí)的面積在全省分布呈現(xiàn)溝壑狀分布。

3.3 1993—2020年貴州省土壤保持量變化情況

為了解貴州省土壤保持量的長(zhǎng)期變化情況，采用線(xiàn)性回歸法來(lái)量化1993—2020年的土壤保持量，通過(guò)計(jì)算得出減少、不變、增多3種結(jié)果。土壤保持量減少的面積占全省總面積的32.97%，主要分布在黔西南州、六盤(pán)水市、銅仁市、遵義市等區(qū)域；土壤保持量不變的面積占全省總面積的43.49%，主要分布在黔南州、貴陽(yáng)市、遵義市、畢節(jié)市等區(qū)域；土壤保持量增多的面積占全省總面積的23.54%，主要分布在黔東南州、黔南州、畢節(jié)市、遵義市等區(qū)域。從全省分布來(lái)看，貴州省土壤保持量變化以不變?yōu)橹鳌＝Y(jié)合貴州省的地形地貌來(lái)看，土壤保持量減少的面積在全省分布呈現(xiàn)溝壑狀分布。

4 結(jié)論

運(yùn)用GIS的空間分析方法并結(jié)合修正的通用土壤流失方程（RUSLE），對(duì)1993年、2000年、2010年、2020年4個(gè)時(shí)期貴州省土壤保持強(qiáng)度時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①1993—2000年貴州省土壤保持強(qiáng)度急劇升高，而2000—2020年又呈緩慢下降趨勢(shì)。從整個(gè)時(shí)期來(lái)看，貴州省土壤保持強(qiáng)度在總體上處于較低水平?？梢?jiàn)，貴州省未來(lái)土壤保持及生態(tài)保護(hù)工作任務(wù)仍較為嚴(yán)峻。

②貴州省土壤保持功能重要性等級(jí)以重要和一般重要為主；極其重要等級(jí)雖占全省總面積的比例較小，但在全省各區(qū)域均有分布，其中黔東南州、黔南州、黔西南州、六盤(pán)水市、銅仁市等地區(qū)在此等級(jí)中占比較高。結(jié)合貴州省的地形地貌來(lái)看，極其重要等級(jí)的面積在全省分布呈現(xiàn)溝壑狀分布。

③貴州省土壤保持量變化以不變?yōu)橹鳎寥辣３至繙p少區(qū)域的面積約占全省總面積的1/3，主要分布在黔西南州、六盤(pán)水市、銅仁市、遵義市等區(qū)域。結(jié)合貴州省的地形地貌來(lái)看，土壤保持量減少區(qū)域的面積在全省分布也呈現(xiàn)溝壑狀分布。

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