譚杰峻，鄧 健，范建容，徐京華，德吉色珍

(1.西藏自治區(qū)水土保持局，西藏 拉薩 850000；2.中國科學(xué)院/水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

西藏地區(qū)地域遼闊，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤侵蝕嚴(yán)重且地區(qū)間差異大，其水土流失問題一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。張建國等[1]根據(jù)土壤侵蝕狀況將西藏自治區(qū)劃分為6個區(qū)，即藏東南暖熱濕潤高山深谷水蝕區(qū)，藏東溫帶半濕潤高山峽谷水蝕區(qū)，藏南溫帶半干旱高原寬谷水蝕區(qū)，藏北寒冷半干旱高原水蝕、風(fēng)蝕區(qū)，藏西溫涼干旱高原寬谷風(fēng)蝕區(qū)，以及藏西北寒凍干旱高原凍融侵蝕區(qū)；張鵬等[2]對西藏“一江兩河”地區(qū)的土壤侵蝕狀況和分布特征進(jìn)行了分析，探討了土壤侵蝕的影響因素及防治思路；趙曉麗等[3]應(yīng)用RS和GIS相結(jié)合的方法對西藏中部地區(qū)進(jìn)行了土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測；張琳等[4]對2000—2005、2005—2009年雅魯藏布江中游地區(qū)的水土流失動態(tài)變化進(jìn)行了研究，并預(yù)測了2010—2020年水土流失變化趨勢。

土壤侵蝕模型是估算土壤侵蝕量和進(jìn)行土壤侵蝕評價分析的重要方法。劉寶元等[5]以美國通用土壤流失方程(USLE)為基礎(chǔ)，建立了適用于我國的中國土壤流失方程(CSLE模型)，隨后該模型得到了廣泛應(yīng)用。程琳等[6]利用GIS與CSLE模型對陜西省土壤侵蝕定量評價方法進(jìn)行了研究；高峰[7]基于GIS與CSLE模型研究了廣西喀斯特巖溶區(qū)和典型紅壤區(qū)的土壤侵蝕定量評價方法；秦建軍[8]研究了CSLE模型在土壤侵蝕預(yù)報中的應(yīng)用，得到了開縣水土流失分布規(guī)律，并驗證了CSLE模型在該地區(qū)的適應(yīng)性。但是，應(yīng)用CSLE模型法計算得到的結(jié)果為土壤侵蝕模數(shù)，需根據(jù)現(xiàn)行分級標(biāo)準(zhǔn)，即《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)進(jìn)行強(qiáng)度分級，最終得到區(qū)域土壤侵蝕分布情況?！锻寥狼治g分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)適用于我國絕大部分地區(qū)，但是西藏地區(qū)環(huán)境條件特殊，容許土壤流失量較小，因此需要進(jìn)一步研究適用于該地區(qū)的土壤侵蝕分級指標(biāo)，以配合CSLE模型法使用。

本研究以西藏雅魯藏布江中游地區(qū)扎葉巴小流域為研究對象，根據(jù)CSLE模型法與多因子綜合法分別得到的研究區(qū)土壤侵蝕分布結(jié)果，研究制定該區(qū)域的土壤侵蝕分級指標(biāo)，并通過差異指數(shù)分析與相對誤差理論對指標(biāo)進(jìn)行精度評價，篩選出最佳指標(biāo)作為該地區(qū)的土壤侵蝕分級指標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在西藏雅魯藏布江中游地區(qū)拉薩河右岸的扎葉巴小流域。該小流域位于東經(jīng)91°12′06″～91°18′17″、北緯29°40′24″～29°46′37″，南北長約11.5 km，平均寬約6.1 km，流域面積70.75 km2，主河道長15.7 km；地處青藏高原東南部，屬高原內(nèi)陸山間盆地，地勢北高南低，河谷寬約100 m，兩側(cè)為高山，地面高程3 681～5 443 m；位于高原溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，干、濕季節(jié)分明，與我國同緯度地區(qū)相比，具有氣溫低、日溫差大、年溫差小及降水強(qiáng)度小、蒸發(fā)旺盛等高原氣候特征。根據(jù)拉薩氣象站資料，研究區(qū)多年平均氣溫為7.8 ℃，年最高氣溫為30.4 ℃，年最低氣溫為-16.5 ℃；多年平均降水量為400 mm，降水在年內(nèi)分配極不均勻，雨季主要集中在6—9月，期間降水量約占全年的89%。受氣候、地形條件影響，流域植被具有典型的垂直分布規(guī)律，在河谷地帶分布有人工林(以北京楊、旱柳為主)，在河谷兩側(cè)坡地廣泛分布以沙生槐為主的灌叢或灌叢草地，在兩側(cè)高山主要分布高寒草甸。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究植被覆蓋度信息來自2016年Landsat 8影像數(shù)據(jù)(空間分辨率為30 m)，土地覆被信息來自2017年1月20日GF-1數(shù)據(jù)(多光譜分辨率8 m、全色分辨率2 m)；地形因子及坡度信息來自DEM數(shù)據(jù)(分辨率30 m)；采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)2012—2016年的日降雨量數(shù)據(jù)，計算降雨侵蝕力；通過實測表層土壤顆粒組成與有機(jī)質(zhì)含量，計算土壤可蝕性。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗方案

(1)利用ArcGIS軟件的波段集統(tǒng)計工具對CSLE模型法和多因子綜合法分析結(jié)果的柵格圖層作相關(guān)性分析，計算兩種方法結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，判斷二者是否具有較強(qiáng)的相關(guān)性，為后續(xù)以多因子綜合法分析結(jié)果為參考研究該區(qū)域土壤侵蝕分級指標(biāo)提供依據(jù)。

(2)根據(jù)多因子綜合法分析結(jié)果，得到不同強(qiáng)度等級的土壤侵蝕面積所占比例，并初步劃分CSLE模型法結(jié)果中6個強(qiáng)度等級的土壤侵蝕模數(shù)間斷值，再以多因子綜合法結(jié)果的侵蝕強(qiáng)度空間分布情況為參考，對微度侵蝕、劇烈侵蝕兩個極端強(qiáng)度等級作進(jìn)一步的修正，使其在面積比例與空間分布上基本與多因子綜合法結(jié)果相吻合。

(4)從差異指數(shù)與相對誤差兩個方面對這8組分級指標(biāo)作精度評價，綜合分析各試驗組精度情況，篩選出最佳結(jié)果作為該區(qū)域的土壤侵蝕分級指標(biāo)。

2.2.2 侵蝕評價方法

(1)CSLE模型法。CSLE模型[7]的基本形式為

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為單位面積年平均土壤流失量，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·h/(MJ·mm)；L為坡長因子；S為坡度因子；B為水土保持生物措施因子；E為水土保持工程措施因子；T為水土保持耕作措施因子。

(2)多因子綜合法。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)，通過獲取的研究區(qū)植被蓋度、土地覆被類型、坡度數(shù)據(jù)，利用Arc/Info空間分析功能，綜合分析得到土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖，再結(jié)合野外調(diào)查的水土保持措施信息進(jìn)行修正，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤侵蝕分類分級指標(biāo)

2.2.3 精度評價方法

(1)相關(guān)性分析。相關(guān)性分析是對兩個或多個具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個變量因素的密切程度[9]。相關(guān)系數(shù)(r)計算公式為

(2)

(2)差異指數(shù)。差異指數(shù)表達(dá)不同土壤侵蝕模型在計算各級土壤侵蝕強(qiáng)度中的差異程度[10]。其計算公式為

Dij,n=[(Ai,n-Aij,n)/Ai,n+(Aj,n-Aij,n)/Aj,n]/2

(3)

式中：Dij,n為差異指數(shù)，介于0～1之間，值越大代表差異越大，值越小代表差異越小；Ai,n為采用第i種土壤侵蝕模型計算的第n級土壤侵蝕強(qiáng)度的面積；Aj,n是采用第j種土壤侵蝕模型計算的第n級土壤侵蝕強(qiáng)度的面積；Aij,n是采用第i種和第j種土壤侵蝕模型都被計算為第n級土壤侵蝕強(qiáng)度的面積。

(3)相對誤差。相對誤差是測量所造成的絕對誤差與被測量真值之比再乘以100%所得數(shù)值，以百分?jǐn)?shù)表示。一般來說，相對誤差反映測量的可信程度[11]。其計算公式為

δ=Δ/L×100%

(4)

式中：δ為相對誤差，%；Δ為絕對誤差；L為真值。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

依據(jù)試驗方案對CSLE模型結(jié)果進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)間斷值劃分，得到各強(qiáng)度等級之間的間斷值及其微調(diào)值范圍為30、(80、100)、(380、400)、(650、700)、1 200，單位為t/(km2·a)。對微調(diào)值進(jìn)行排列組合，得到各試驗組分級指標(biāo)數(shù)據(jù)，見表2。

表2 各試驗組分級指標(biāo)數(shù)據(jù) t/(km2·a)

3.2 精度分析

3.2.1 相關(guān)性分析

對CSLE模型法與多因子綜合法得到的柵格圖層進(jìn)行相關(guān)性分析，二者相關(guān)系數(shù)為0.87，說明兩種方法得到的土壤侵蝕結(jié)果呈正相關(guān)，且相關(guān)性較強(qiáng)，因此以多因子綜合法的土壤侵蝕結(jié)果作為參考，對CSLE模型法分級指標(biāo)進(jìn)行研究具有一定可靠性。

3.2.2 差異指數(shù)分析

將CSLE模型法的研究結(jié)果經(jīng)不同試驗組分級指標(biāo)重新分級后，與多因子綜合法結(jié)果作差異指數(shù)分析，從各強(qiáng)度等級面積的差異指數(shù)(圖1)和各試驗組差異指數(shù)和(圖2)兩個方面，通過整體與局部綜合分析，對不同試驗組土壤侵蝕分級指標(biāo)作精度評價。結(jié)果顯示：在各強(qiáng)度等級差異指數(shù)上，微度侵蝕和劇烈侵蝕標(biāo)準(zhǔn)分別為30和1 200 t/(km2·a)，各試驗組二者的差異指數(shù)不變，分別為0.15和0.60，可見CSLE模型與多因子綜合法計算的微度侵蝕差別較小，而劇烈侵蝕差別較大；輕度侵蝕方面，試驗組2、4、7、8的差異指數(shù)相對較低，差異指數(shù)為0.69，故該強(qiáng)度等級的微調(diào)值取100 t/(km2·a)；中度侵蝕方面，各試驗組差異指數(shù)均在0.45附近，相差不大，說明380、400 t/(km2·a)的微調(diào)值對中度侵蝕強(qiáng)度等級分級均可行；強(qiáng)烈侵蝕方面，試驗組1、2、5、7的差異指數(shù)為0.66左右，相對其他組較小；極強(qiáng)烈侵蝕方面，試驗組1、2、3、4的差異指數(shù)為0.76，另外4組為0.79，二者出入不大，取較小者的微調(diào)值650 t/(km2·a)。對各試驗組差異指數(shù)和進(jìn)行統(tǒng)計，從圖2可以看出，試驗組2、4的差異指數(shù)和最小，分別為3.35和3.36。再結(jié)合局部各強(qiáng)度等級的差異指數(shù)分析結(jié)果(圖1)，得到各強(qiáng)度等級之間劃分值為30、100、(380、400)、650、1 200，單位為t/(km2·a)，與試驗組2、4相符。

3.2.3 相對誤差分析

CSLE模型研究結(jié)果經(jīng)各試驗組分級指標(biāo)重新分級后與多因子綜合法結(jié)果作相對誤差分析，從各試驗組結(jié)果整體的相對誤差(圖3)和各強(qiáng)度等級的相對

圖1 各試驗組不同強(qiáng)度等級差異指數(shù)

圖2 各試驗組差異指數(shù)和

圖3 各試驗組相對誤差

誤差(表3)兩個方面，對不同試驗組土壤侵蝕分級指標(biāo)作精度評價。結(jié)果顯示：微度侵蝕和劇烈侵蝕相對誤差分別為6.21%和0，這與制訂各試驗組分級指標(biāo)的試驗方案有關(guān)；輕度侵蝕的相對誤差普遍較高，分別為-34.00%和-41.41%，是6個級別中變化最大的，這與兩種方法計算土壤侵蝕量的方式有關(guān)，取相對誤差較小的試驗組2、4、7、8；中度侵蝕的各試驗組相對誤差普遍較小，其中試驗組2、4、7、8相對其他組更小，僅為2.37%和3.26%；強(qiáng)烈侵蝕等級各試驗組相對誤差起伏較大，最小值為試驗組5、7的-2.8%，最大值為試驗組3、4的-11.6%，其他組相對誤差值居中；極強(qiáng)烈侵蝕等級方面，后4組的相對誤差最小，為-5.71%，而前4組較大，為17.14%。從土壤侵蝕強(qiáng)度等級方面綜合考慮，試驗組2、4、7、8各等級相對其他組效果較好。各試驗組相對誤差如圖3所示，試驗組2、5、7、8的相對誤差與其他4組相比較小，分別為10.95%、10.42%、8.52%、9.60%；試驗組1、3、4、6的相對誤差分別為12.86%、13.94%、12.04%、11.50%，較前面4組稍大但不明顯，主要原因在于各強(qiáng)度等級之間的間斷值微調(diào)，使得各試驗組間差異并不大。綜上所述，通過各強(qiáng)度等級面積的相對誤差與各試驗組相對誤差兩方面分析可得，試驗組2、7、8的土壤侵蝕分級指標(biāo)精度較好，相對誤差分別為10.95%、8.52%、9.60%。

表3 各試驗組不同強(qiáng)度等級相對誤差

3.3 土壤侵蝕分級指標(biāo)

從試驗結(jié)果的差異指數(shù)與相對誤差分析可看出，試驗組2的土壤侵蝕分級指標(biāo)精度能滿足要求，這是兩個不同角度精度分析的共同結(jié)果。試驗組2的分級指標(biāo)各強(qiáng)度等級之間的間斷值為30、100、380、650、1 200，單位為t/(km2·a)。因此，綜合考慮篩選出試驗組2的結(jié)果作為研究區(qū)土壤侵蝕分級指標(biāo)(表4)。

表4 研究區(qū)土壤侵蝕分級指標(biāo) t/(km2·a)

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)差異指數(shù)分析各試驗組結(jié)果的精度情況，試驗組2、4的差異指數(shù)和最小，分別為3.35和3.36，相對于其他各組精度較高，且各強(qiáng)度等級差異指數(shù)的總體情況也是各試驗組中較好的。因此，從差異指數(shù)分析的角度篩選出試驗組2、4的土壤侵蝕分級指標(biāo)滿足要求。

(2)根據(jù)相對誤差分析各試驗組結(jié)果的精度情況，試驗組2、5、7、8的整體相對誤差絕對值較小，其相對誤差分別為10.95%、10.42%、8.52%、9.60%，與其他4組結(jié)果相比精度較好；根據(jù)各強(qiáng)度等級的相對誤差分析結(jié)果，試驗組2、4、7、8各強(qiáng)度等級的整體相對誤差較好。因此，從相對誤差分析的角度篩選出的結(jié)果為試驗組2、7、8。

(3)根據(jù)差異指數(shù)分析和相對誤差分析結(jié)果，篩選出試驗組2的精度較高，綜合考慮后，最終選取試驗組2的結(jié)果作為該區(qū)域土壤侵蝕分級指標(biāo)。即微度侵蝕<30 t/(km2·a)、輕度侵蝕30～100 t/(km2·a)、中度侵蝕100～380 t/(km2·a)、強(qiáng)烈侵蝕380～650 t/(km2·a)、極強(qiáng)烈侵蝕650～1 200 t/(km2·a)、劇烈侵蝕>1 200 t/(km2·a)。