王雅瀾 李梓涵 邵懷勇

摘要：基于通用水土流失方程，結(jié)合GIS、RS技術(shù)方法，對四川省赤水河中上游水土流失防治區(qū)2009—2013年土壤侵蝕性動(dòng)態(tài)進(jìn)行評價(jià)分析，建立R、K、LS、C、P五項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，并利用空間分析功能進(jìn)行強(qiáng)度分級、時(shí)空上的統(tǒng)計(jì)與分析和主要侵蝕因子識別。結(jié)果表明，5年間，該地區(qū)輕微度侵蝕面積最大，達(dá)到70%～82%，有增長趨勢，其保持率達(dá)到84%～94%，主要侵蝕因子為C因子;中微度侵蝕面積占20%左右，在14%～22%波動(dòng)，保持率49%～77%，主要侵蝕因子為C因子;其余侵蝕強(qiáng)度面積占比很小，向更低強(qiáng)度轉(zhuǎn)化的比例較低，影響因子復(fù)雜。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕;動(dòng)態(tài)評價(jià);因子識別;GIS;RS

中圖分類號：S157.1;X835? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0023-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.006? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Based on universal soil loss equation， the method combined with GIS and RS technology， The dynamic evaluation and analysis of soil erodibility in the soil erosion control area in the middle and upper reaches of Chishui River in Sichuan province from 2009 to 2013 were carried out， established R， K， LS， C and P five indexes， and by using spatial analysis function in intensity classification， statistics and analysis on the time and space， and main erosion factor identification. The results showed that the area of slight erosion was the largest in 5 years， reaching 70%～82%， with an increasing trend， and its retention rate reached 84%～94%， and the main erosion factor was C factor; Moderate erosion area accounted for about 20%， fluctuated between 14% and 22%， and the retention rate varied from 49% to 77%. The main erosion factor was C factor. The ratio of other erosion intensity areas was small， and the ratio of transformation to lower intensity was low.

Key words： soil erosion; dynamic evaluation; factors identification; GIS; RS

土壤侵蝕是發(fā)生在特定時(shí)空條件下的土體遷移過程，是嚴(yán)重的土壤退化問題，而中國是土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一[1，2]，土壤嚴(yán)重侵蝕所導(dǎo)致的水土流失嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和民生發(fā)展，因此對土壤侵蝕性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測及未來預(yù)測迫在眉睫。

國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，總結(jié)提出了一系列土壤侵蝕模型，包括通用土壤侵蝕方程（USLE）、水蝕預(yù)測模型（WEPP）、SHE（System Hydrologic European）等[3-5]。其中應(yīng)用最為廣泛的為美國學(xué)者Wischmeier和Smith提出的USLE模型。馮奇等[6]利用USLE模型對丹江口水庫區(qū)域進(jìn)行了土壤侵蝕年內(nèi)季節(jié)性分布變化的研究，得到侵蝕嚴(yán)重地區(qū)和季節(jié)，提出需要加強(qiáng)水土保持工作的時(shí)間;陸建忠等[7]對鄱陽湖流域進(jìn)行USLE模型量化計(jì)算，并對土壤侵蝕量進(jìn)行時(shí)空變化分析。

基于上述論述，本研究以通用土壤流失方程（USLE）為基礎(chǔ)，利用空間信息技術(shù)（GIS/RS），在氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等的支持下，對四川省赤水河中上游水土流失防治區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕性時(shí)空分布動(dòng)態(tài)分析、變化趨勢預(yù)測及主要侵蝕因子識別。

1? 研究區(qū)概況

四川省赤水河中上游防治區(qū)位于四川省東南部，川滇黔渝四省（市）交界處，地理坐標(biāo)27°40′57″N—29°00′31″N，105°08′53″E—106°22′31″E，包括合江縣、納溪縣、敘永縣、古藺縣4個(gè)縣（區(qū)），總土地面積9 707.9 km2。區(qū)域內(nèi)地勢南高北低，最大高程1 835 m，最大高差1 675 m，地形多為丘陵和高原，年平均氣溫17.5～18.0 ℃，年降雨量達(dá)1 400 mm左右，主要集中在5—9月，集中性暴雨易造成山洪災(zāi)害，導(dǎo)致水土流失情況嚴(yán)重。

2? 研究模型及結(jié)果

2.1? USLE模型

采用USLE模型進(jìn)行土壤侵蝕力的量化計(jì)算分析，其計(jì)算表達(dá)式如下：

式中，A為土壤侵蝕量（侵蝕模數(shù)）[t/（hm2·年）];R為降雨侵蝕力因子[（MJ·mm）/（hm2·h·年）];K為土壤可蝕性因子[（t·hm2·h）/（MJ·mm·hm2）];LS為地形因子（坡長坡度因子），無量綱;C為植被覆蓋度因子，無量綱;P為水土保持措施因子，無量綱。

2.2? 各侵蝕因子提取結(jié)果

降雨侵蝕力因子（R）采用由Richardson等[8]建立的冪函數(shù)結(jié)果形式的模型。對研究區(qū)4個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，4個(gè)站臺R在1 499～2 850 [（MJ·mm）/（hm2·h·年）]，年間差異較大。

土壤可蝕性因子（K）采用Wischmeier和Smith對EPIC模型中K進(jìn)行簡化的計(jì)算方法[9]，結(jié)合全國第二次土壤調(diào)查的土壤類型數(shù)據(jù)，在《中國土種志》中查閱各類土壤理化性質(zhì)，利用公式（5）進(jìn)行K計(jì)算，各土類K在0.19～0.28[（t·hm2·h）/（MJ·mm·hm2）]。

地形因子中坡長因子計(jì)算公式如下：

式中，λ為坡長;L為坡長因子;22.1為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)域坡長，根據(jù)多次試驗(yàn)總結(jié)得到;p為坡長指數(shù)，其取值計(jì)算公式如下：

坡度因子采用洪華生等[10]的方法將計(jì)算分段考慮，將公式合并。對赤水河中上游防治區(qū)的坡長坡度因子進(jìn)行計(jì)算，該地區(qū)地形因子為0～145。

植被覆蓋度因子（C）采用蔡崇法等[11]利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）計(jì)算植被覆蓋度的方法，進(jìn)而計(jì)算C。利用經(jīng)過圖像預(yù)處理的3期遙感影像進(jìn)行植被覆蓋度提取，進(jìn)而計(jì)算5年的C，3期影像C整體較低，北部及中東部地區(qū)較高。

水土保持措施因子（P）參照美國農(nóng)業(yè)部手冊703號及趙磊等[12]對P的選取方法進(jìn)行賦值。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 土壤侵蝕定量定性結(jié)果

利用ArcGIS地圖代數(shù)運(yùn)算，基于式（1），將各因子計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊置分析，得到各時(shí)期土壤侵蝕模數(shù)。在研究過程中綜合考慮研究區(qū)各種自然氣象條件，假設(shè)2009—2013年土壤可蝕性因子（K）與坡度坡長因子（LS）保持不變，即研究區(qū)域內(nèi)土壤類型和地形在該時(shí)段內(nèi)保持不變[7]。

為研究赤水河中上游防治區(qū)土壤侵蝕變化趨勢，并對未來土壤侵蝕趨勢進(jìn)行預(yù)測，利用上述方法分別估算2009、2011和2013年赤水河中上游防治區(qū)土壤侵蝕量，按照國家水利部2007年制定的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）進(jìn)行等級劃分，結(jié)果見圖1。

土壤侵蝕模數(shù)在0～200為Ⅰ級輕微度侵蝕;200～2 500為Ⅱ級中微度侵蝕;2 500～5 000為Ⅲ級重微度侵蝕;5 000～8 000為Ⅳ級輕度侵蝕;8 000～15 000為Ⅴ級中度侵蝕;大于15 000為Ⅵ級重度侵蝕。

結(jié)果（圖1）顯示，赤水河中上游防治區(qū)在2009—2013年總體土壤侵蝕較弱，侵蝕程度為輕微度侵蝕;侵蝕較嚴(yán)重區(qū)域主要分布在古藺縣北部及東北部和敘永縣中西部地區(qū)，主要為中微度侵蝕，同時(shí)伴有少部分重微度侵蝕和輕度侵蝕。

3.2? 數(shù)量演變分析

對土壤侵蝕等級分布結(jié)果進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，赤水河中上游防治區(qū)5年間輕微度侵蝕占比最大，有輕微波動(dòng)，由2009年的6 871.5 km2逐漸上升至2011年的7 876.9 km2再下降至2013年的7 366.2 km2，5年間占比總體增加5.1個(gè)百分點(diǎn);而中微度侵蝕占比與輕微度侵蝕呈相反趨勢，占比總體減少3.5個(gè)百分點(diǎn);重微度侵蝕至重度侵蝕4個(gè)等級的侵蝕面積占比很小，總占比在1%～2%，5年間各強(qiáng)度面積變化不明顯，可忽略不計(jì)。

3.3? 空間演變分析

對土壤侵蝕等級分布結(jié)果進(jìn)行空間疊置分析，結(jié)果見圖2。基于圖2制作各區(qū)縣各強(qiáng)度面積變化比例和轉(zhuǎn)移矩陣，見表2至表4。

0表示該地區(qū)侵蝕強(qiáng)度不變，正數(shù)表示侵蝕強(qiáng)度升高，負(fù)數(shù)表示侵蝕強(qiáng)度下降。由圖2、表2至表4可知，在3個(gè)時(shí)間段內(nèi)，赤水河中上游防治區(qū)78%左右區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度未改變，空間分布較為分散，4個(gè)縣（區(qū)）均勻分布;另有20%左右的區(qū)域上升或下降一個(gè)強(qiáng)度，其中2009—2011年和2009—2013年兩時(shí)段下降一個(gè)強(qiáng)度的面積比上升一個(gè)強(qiáng)度的面積多10%左右，而2011—2013年則少5%左右，由此可以看出，2009—2011年土壤整治與防治工作較2011—2013年更好。從空間分布上來看，古藺縣東南部和合江縣中東部強(qiáng)度變化較明顯，土壤侵蝕程度不穩(wěn)定，從3個(gè)時(shí)段變化面積占比情況（表2）可以看出，納溪縣和敘永縣的防治措施較合江縣和古藺縣更有效，但觀其客觀原因，合江縣有部分河流直接流經(jīng)，古藺縣地形比較多變，因此侵蝕程度變化較另外兩個(gè)縣明顯;其余強(qiáng)度變化面積（包括惡化與好轉(zhuǎn)）極小，可忽略不計(jì)。綜上所述，赤水河中上游防治區(qū)總體水土流失情況較為穩(wěn)定且良好，得到防治的區(qū)域分布在東北部和東南部，主要為赤水河河道附近以及海拔較高區(qū)域。

根據(jù)表3、表4可以看出，輕微度侵蝕變化率較小，3個(gè)時(shí)間段未發(fā)生變化的區(qū)域保持在82%～94%;而中微度侵蝕未發(fā)生變化的比例逐漸下降，其向輕微度侵蝕轉(zhuǎn)化的比例有所下降，5年間重微度侵蝕未變化比率達(dá)到76%，其向輕微度侵蝕和中微度侵蝕變化的比例僅達(dá)到1%左右;由高侵蝕強(qiáng)度向低侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的比例僅為20.98%，而由低侵蝕強(qiáng)度向高侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)換比例中最大值為30.44%。由此可以推斷，該地區(qū)5年間土壤侵蝕變化較為嚴(yán)重，且侵蝕嚴(yán)重區(qū)域正逐步向其他低程度部分?jǐn)U張，水土保持措施不當(dāng)。

3.4? 主要影響因子識別

由于各因子數(shù)據(jù)的獲取條件、制約條件、量綱等的不同，無法進(jìn)行比較，因此對各因子進(jìn)行歸一化處理，并利用該區(qū)域統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算得到圖3和表5。

可以看出Ⅰ、Ⅱ級主要侵蝕因子為C因子，占比分別達(dá)到53%和47%，5年間基本保持不變，其次為R因子，占比達(dá)到20%～30%，自2009年起有上升趨勢;Ⅲ級主要侵蝕因子為R因子和C因子，二者占32%，5年間上下波動(dòng);Ⅳ、Ⅴ級主要侵蝕因子為R因子，占比在33%，5年間上下波動(dòng)，其他因子占比均勻，除K、P因子外其他因子均有下降趨勢;Ⅵ級由于P因子接近于零，可以判定其水土流失是由于土地利用不合理造成的。

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以提出如下措施：①對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級區(qū)域增加植被覆蓋度，例如退耕還林等;②對于Ⅳ、Ⅴ級區(qū)域應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)因素，除提高植被覆蓋度外還應(yīng)注意地形起伏，加大對起伏度大的區(qū)域的防治力度;③對于Ⅵ級區(qū)域應(yīng)著重考慮區(qū)域土地利用管理，拆除不合理建筑，合理使用土地;④降雨對各侵蝕強(qiáng)度區(qū)域均有一定影響，治理過程中需要加大對降雨及其可能造成危害的監(jiān)測。

4? 小結(jié)

1）不同侵蝕強(qiáng)度面積占比差異顯著。5年間輕微度侵蝕占比最大?？傮w水土流失情況較為良好，侵蝕較嚴(yán)重區(qū)域主要分布在古藺縣北部及東北部、敘永縣中西部地區(qū)。

2）侵蝕強(qiáng)度變化區(qū)域空間分布明顯。4個(gè)縣（區(qū)）整體強(qiáng)度變化穩(wěn)定，古藺縣東南部和合江縣中東部地區(qū)土壤侵蝕程度不太穩(wěn)定，2009—2011年土壤整治與防治工作較2011—2013年更好，后期需要加大防治工作力度。

3）不同侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣變率差異明顯，但不變化比例仍占多數(shù)。從整體上來看，大部分地區(qū)仍為輕微度和中微度侵蝕且程度不變化，少部分地區(qū)侵蝕強(qiáng)度向加重方向發(fā)展，得到防治的區(qū)域分布在東北部和東南部，主要為赤水河河道附近以及海拔較高區(qū)域。

4）不同侵蝕強(qiáng)度主要侵蝕因子不同，且基本不變。對于不同侵蝕強(qiáng)度區(qū)域應(yīng)采取不同的應(yīng)對措施，其中增加植被覆蓋度、合理使用土地資源是最為重要的應(yīng)對措施。

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