操 玥,王世杰,白曉永,李匯文,陳 飛,王明明,吳路華,許 燕,李 琴,田詩琪,楊鈺杰,李朝君,胡澤銀,鄧元紅,路 茜,習(xí)慧鵬,陳 歡,王金鳳,冉 晨,羅旭玲

1 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽 550081 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心,西安 710061 4 中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站,安順 562100 5 貴州師范學(xué)院貴州省流域地理國情監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽 550018

土壤侵蝕是陸地生態(tài)系統(tǒng)普遍存在的主要環(huán)境威脅之一[1- 2],土壤侵蝕直接導(dǎo)致土地退化,破壞土地資源,降低土壤質(zhì)量,可能會對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成一系列威脅[3- 5]。而在我國南方喀斯特地區(qū),巖溶作用強(qiáng)烈,地質(zhì)背景特殊,水土流失后,常常會出現(xiàn)土地石漠化[6- 7],嚴(yán)重制約區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,定量評估喀斯特地區(qū)土壤侵蝕狀況,揭示其時(shí)空演變特征是防治區(qū)域水土流失的基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者針對喀斯特地區(qū)特殊的地貌特征開展研究。Vigiak等利用SWAT模型對多瑙河流域年輸沙量的估算,認(rèn)為該模型在高山和喀斯特地區(qū)存在低估[8]；Zeng等基于RUSLE模型分析了典型喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的時(shí)空演化及其與空間要素的相關(guān)性[9]；Aksoy等利用室內(nèi)試驗(yàn)裝置模擬了喀斯特石漠化地區(qū)降雨和侵蝕情況,并建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚10]；López-Vicente等通過對西班牙比利牛斯山脈內(nèi)陸河流域準(zhǔn)確DEM的獲取,提供了一個(gè)新的DEM以計(jì)算RUSLE模型中的LS因子來準(zhǔn)確評估喀斯特環(huán)境的地形地貌特征[11]；錢慶歡等根據(jù)喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)背景,對傳統(tǒng)的RUSLE模型進(jìn)行改進(jìn),建立了一套適用于喀斯特地區(qū)土壤侵蝕估算的模型[12]以上研究,為喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕研究以及可持續(xù)發(fā)展提供了相應(yīng)的參考。然而,以往的研究大多側(cè)重于傳統(tǒng)經(jīng)典模型在喀斯特地區(qū)的直接使用,或是側(cè)重估算方法的探討,而有關(guān)精確模擬喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的時(shí)空演變過程,尤其是未來的演變趨勢分析和模擬研究較少,而這對于下一步針對性的土壤侵蝕防治工作十分必要。因此,本研究基于改進(jìn)的喀斯特地區(qū)土壤侵蝕計(jì)算方法,對槽谷區(qū)的土壤侵蝕時(shí)空演變過程進(jìn)行定量分析,并對土壤侵蝕等級的未來演變方向進(jìn)行預(yù)測,以期對喀斯特槽谷區(qū)土壤侵蝕治理與防治提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀斯特槽谷區(qū)是中國南方喀斯特分布面積最大的“老、少、邊、山、窮”地區(qū)[13],行政區(qū)劃上橫跨湖北、湖南、重慶、四川和貴州五個(gè)省市,其地理坐標(biāo)為北緯105°31′到13°47′,東經(jīng)26°23′到33°37′,面積約為28.6萬km2,占到了整個(gè)中國南方的14.77%,是南方喀斯特的重要組成部分。氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性氣候,年平均降雨在800 mm以上,土壤以黃壤、石灰土為主。區(qū)域內(nèi)裸露型喀斯特占到了總面積的46.06%,巖溶作用強(qiáng)烈,土被不連續(xù),且地下溶洞及裂隙發(fā)育,廣泛分布的土壤侵蝕導(dǎo)致了研究區(qū)的土層變薄,生態(tài)系統(tǒng)脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要使用了氣象數(shù)據(jù)(基于國家氣象站點(diǎn)觀測的日值數(shù)據(jù)累加至全年)、地形數(shù)據(jù)、土地利用與土壤類型數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)及地理區(qū)劃數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確計(jì)算研究區(qū)的土壤侵蝕狀況,本研究利用克里格插值法對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,使其空間分辨率均為100m。數(shù)據(jù)具體來源如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的日氣象數(shù)據(jù)包括研究區(qū)內(nèi)及周邊區(qū)域90個(gè)站點(diǎn)的降雨(P, mm)、蒸發(fā)(E, mm)及平均溫度(T, ℃)數(shù)據(jù)

1.3 土壤侵蝕的估算

本研究基于目前廣泛應(yīng)用的修正的通用土壤流失模型[14],其計(jì)算公式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中,A為年平均土壤流失量(t hm-2a-1)；R為降雨及徑流因子((MJ mm)/(hm2h))；K為土壤可蝕性因子((t hm2h)/(hm2MJ mm))；L、S為坡長、坡度因子；C表示植被與經(jīng)營管理因子；P表示水土保持措施因子。

根據(jù)喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)背景,對以上模型中的降雨侵蝕力因子進(jìn)行改進(jìn),并結(jié)合土壤允許流失量對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正,具體參數(shù)及其計(jì)算方法與過程見文獻(xiàn)[12]。依據(jù)SL190—2007《土壤侵蝕分類分級中的水力侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)》將槽谷區(qū)的土壤侵蝕進(jìn)行分級。

1.4 CA-Markov模型

CA-Markov模型是基于馬爾科夫鏈,根據(jù)事件目前的狀態(tài)預(yù)測其將來變動狀況的一種預(yù)測方法,作為一種具有時(shí)空計(jì)算特征的動力學(xué)模型,被廣泛用于土壤侵蝕等領(lǐng)域[15- 16]。將土壤侵蝕等級分布格局中的每一個(gè)柵格模擬為一個(gè)元胞,每個(gè)元胞的土壤侵蝕等級類型為元胞的狀態(tài)?；谟绊懲寥狼治g等級的年均降水、土壤可蝕性、海拔、坡度、植被與經(jīng)營管理因子、水土保持措施因子以及巖性等影響土壤侵蝕等級的因子數(shù)據(jù),并應(yīng)用IDRISI軟件中的 Logistic模塊獲取適宜性分布圖集,在 CA-Markov模塊下完成模擬運(yùn)算,從而模擬土壤侵蝕等級空間格局的變化。

1.5 精度驗(yàn)證

模擬預(yù)測的關(guān)鍵在于其預(yù)測結(jié)果的正確性。本研究采用Kappa系數(shù)作為模型精度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),來評價(jià)計(jì)算結(jié)果與預(yù)測結(jié)果之間的一致性,其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[17- 18]。

表2 Kappa系數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 槽谷區(qū)土壤侵蝕的空間分布特征

槽谷區(qū)2000年土壤侵蝕總量約為61.86×107t/a,年平均侵蝕模數(shù)約為21.61 t hm-2a-1；2005年土壤侵蝕總量約為16.48×107t/a,年平均侵蝕模數(shù)約為5.76 t hm-2a-1；2010年土壤侵蝕總量約為15.93×107t/a,年平均侵蝕模數(shù)約為5.57 t hm-2a-1；2015年土壤侵蝕總量約為2.97×107t/a,年平均侵蝕模數(shù)約為1.04 t hm-2a-1。與2000年相比,2005年、2010年以及2015年整個(gè)區(qū)域土壤侵蝕總量和平均侵蝕模數(shù)分別降低了73.36%、74.25%及95.20%；2000至2015年間,槽谷區(qū)的土壤侵蝕總量逐年減少,平均侵蝕模數(shù)逐年降低,侵蝕狀況整體在減輕。此外,根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)云平臺提供的地貌分區(qū)依據(jù),本研究對喀斯特槽谷區(qū)不同地貌類型下的土壤侵蝕狀況進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同地貌類型之間的土壤侵蝕狀況存在較大差異。其中,淮南與長江中下游平原年平均侵蝕模數(shù)最小,為3.34 t hm-2a-1；其次為江南與南嶺山地和貴州高原,分別為7.52 t hm-2a-1、7 t hm-2a-1,約為平原地區(qū)侵蝕模數(shù)的兩倍；而四川盆地與漢中盆地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較大,分別為12.81 t hm-2a-1、11.82 t hm-2a-1,達(dá)到平原地區(qū)侵蝕模數(shù)的近四倍。

圖1 喀斯特槽谷區(qū)土壤侵蝕等級空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of soil erosion intensity in karst valley圖中A—E為地貌單元分區(qū),依次代表淮南與長江中下游平原、漢中盆地、四川盆地、江南與南嶺山地以及貴州高原

由圖1可以看出,4個(gè)時(shí)期槽谷區(qū)土壤侵蝕等級空間分布相似,均以微度侵蝕為主。2000年時(shí)重度以上侵蝕主要發(fā)生在四川盆地以及漢中盆地,而其他地區(qū)均有微度以上的侵蝕狀況；2005—2010年,淮南與長江中下游平原、江南與南嶺山地以及貴州高原地區(qū)的侵蝕都逐漸降低到微度或輕度侵蝕,與此同時(shí)漢中盆地以及四川盆地也由重度以上侵蝕轉(zhuǎn)為中度以下侵蝕；到2015年,整個(gè)區(qū)域以微度侵蝕為主,土壤侵蝕狀況進(jìn)一步好轉(zhuǎn)。

在計(jì)算出槽谷區(qū)各像元的土壤侵蝕等級圖后,對四個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕總量和侵蝕面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表3所示。

由表3為可以看出,輕度及輕度以下侵蝕等級的面積在不斷增加,分別為209.59×105hm2、270.91×105hm2、272.26×105hm2以及285.72×105hm2,占研究區(qū)總面積的73.21%、94.64%、95.10%以及99.81%；而其他侵蝕等級的面積逐年減少,其中重度及重度以上侵蝕面積在四個(gè)時(shí)期分別為46.97×105hm2、5.84×105hm2、2.09×105hm2以及0.07×105hm2,占區(qū)域總面積的16.4%、2.04%、0.73%以及0.02%。15年來輕度及輕度以下侵蝕等級的面積增加了76.13×105hm2,增幅達(dá)36.32%；重度及重度以上侵蝕面積減少了46.90×105hm2,降幅達(dá)到99.85%。從侵蝕面積來看,槽谷區(qū)2000—2015年侵蝕等級總體上由高等級在向低等級轉(zhuǎn)移。

表3 喀斯特槽谷區(qū)不同侵蝕等級統(tǒng)計(jì)

從侵蝕總量上來看,21世紀(jì)以來槽谷區(qū)各侵蝕等級的侵蝕總量總體上都呈減少趨勢。其中微度侵蝕和輕度侵蝕量先增加后減少,中度侵蝕量先減少再增加又減少,而重度及重度以上侵蝕量在不斷減少。15年間,重度侵蝕、極重度侵蝕以及劇烈侵蝕分別減少了1465.03×105t/a、2051.37×105t/a以及851.09×105t/a,降幅達(dá)到了99.95%、99.87%及99.89%。2000年時(shí),雖然重度及重度以上侵蝕面積僅占研究區(qū)面積的15%左右,但其侵蝕模數(shù)大,進(jìn)而貢獻(xiàn)了超過70%的土壤侵蝕量；而到了2015年,重度及重度以上侵蝕面積銳減,其貢獻(xiàn)率也降低至3.49%,此時(shí)土壤侵蝕總量的主要來源轉(zhuǎn)移至微度及輕度侵蝕等級,其貢獻(xiàn)率超過了85%。以上結(jié)果表明,自2000年以來槽谷區(qū)土壤侵蝕程度逐漸降低,水土保持措施成效明顯。

2.2 土壤侵蝕等級的動態(tài)變化

圖2 槽谷區(qū)土壤侵蝕等級變化空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of changes in soil erosion intensity in karst valley

為了進(jìn)一步了解喀斯特槽谷區(qū)土壤侵蝕的定量變化,對四個(gè)時(shí)期的不同土壤侵蝕等級進(jìn)行兩兩對比,計(jì)算研究區(qū)2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年以及2000—2015年四個(gè)時(shí)間段土壤侵蝕變化的轉(zhuǎn)移矩陣表(表4—表7)和轉(zhuǎn)移矩陣圖(圖2),并根據(jù)土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移的方向,將其變化程度分為九個(gè)等級,分別為劇烈好轉(zhuǎn)(土壤侵蝕等級降低5個(gè)等級)、重度好轉(zhuǎn)(土壤侵蝕等級降低4個(gè)等級)、中度好轉(zhuǎn)(土壤侵蝕等級降低3個(gè)等級)、輕度好轉(zhuǎn)(土壤侵蝕等級降低2個(gè)等級)、微度好轉(zhuǎn)(土壤侵蝕等級降低1個(gè)等級)、保持穩(wěn)定(土壤侵蝕等級不變)、微度惡化(土壤侵蝕等級升高1個(gè)等級)、輕度惡化(土壤侵蝕等級升高2個(gè)等級)、中度惡化(土壤侵蝕等級升高3個(gè)等級)、重度惡化(土壤侵蝕等級升高4個(gè)等級)以及劇烈惡化(土壤侵蝕等級升高5個(gè)等級)。

由圖2可以看出,4個(gè)時(shí)段槽谷區(qū)土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移方向相似,均有超過60%的地區(qū)土壤侵蝕等級保持穩(wěn)定。研究時(shí)段內(nèi)(2000—2015年)有39.80%的區(qū)域土壤侵蝕等級降低,僅有0.03%的區(qū)域土壤侵蝕等級升高,總體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢。其中,2000年—2005年好轉(zhuǎn)的面積最大,占到了研究區(qū)面積的32.49%,2005—2010年好轉(zhuǎn)面積最小,僅占研究區(qū)面積的9.47%。此外,在2005—2010年這一時(shí)期,土壤侵蝕等級惡化的區(qū)域(14.29%)超過了好轉(zhuǎn)的區(qū)域(9.47%),這是由于2010年該地區(qū)降雨量較2005年增加了近10%[19],降雨侵蝕力增加從而導(dǎo)致土壤侵蝕更加嚴(yán)重。但總體而言,槽谷區(qū)的土壤侵蝕在向好轉(zhuǎn)的方向發(fā)展。

由表4可以看出,在2000—2005年這一時(shí)段,輕度侵蝕、中度侵蝕以及重度侵蝕以向微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,極重度侵蝕以及劇烈侵蝕都以向輕度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主。其中,微度侵蝕等級的面積基本保持穩(wěn)定；輕度侵蝕等級主要向微度侵蝕轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率為61.25%；中度侵蝕向微度及輕度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率分別為48.35%和36.03%；重度、極重度以及劇烈侵蝕同樣以向微度及輕度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率為43.65%和41.34%、36.89%和45.36%以及26.32%和46.23%。重度及重度以上侵蝕等級向低侵蝕等級的轉(zhuǎn)移率都達(dá)到了90%以上,表明在2000—2005年這一時(shí)段槽谷區(qū)的土壤侵蝕狀況顯著好轉(zhuǎn)。

表4 槽谷區(qū)2000—2005年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣/×102hm2

由表5可以看出,在2005—2010年這一時(shí)段,輕度侵蝕以向微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,中度及中度以上侵蝕等級都以向輕度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主。其中,微度侵蝕等級的面積依然保持基本穩(wěn)定；輕度侵蝕等級主要向微度侵蝕轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率為29.48%；中度侵蝕向輕度及微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率分別為61.29%和16.72%；重度、極重度以及劇烈侵蝕以向輕度及中度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率為62.18%和20.32%、57.98%和25.26%以及46.52%和33.68%。重度及重度以上侵蝕等級向低侵蝕等級的轉(zhuǎn)移率依然在93%以上,較上一時(shí)段而言,高等級侵蝕從以向微度侵蝕轉(zhuǎn)移為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜉p度侵蝕等級為主,轉(zhuǎn)移強(qiáng)度較上一個(gè)五年稍有降低,但仍然呈現(xiàn)出高侵蝕等級向低侵蝕等級轉(zhuǎn)變的趨勢,表明在2005—2010年這一時(shí)段槽谷區(qū)的土壤侵蝕狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)。

表5 槽谷區(qū)2005—2010年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣/×102hm2

由表6可以看出,在2010—2015年這一時(shí)段,極重度及極重度以下侵蝕以向微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,劇烈侵蝕持續(xù)向重度及重度以下侵蝕等級轉(zhuǎn)移。其中,微度侵蝕等級的面積繼續(xù)保持基本穩(wěn)定；輕度、中度、重度以及極重度侵蝕等級主要向微度侵蝕轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率為88.64%、86.18%、77.74%以及69.81%；劇烈侵蝕持續(xù)向重度、中度以及微度等更低侵蝕等級轉(zhuǎn)移,其轉(zhuǎn)移率分別為27.83%、25.29%以及24.90%。中度及中度以上侵蝕等級向低侵蝕等級的轉(zhuǎn)移率都達(dá)到了97%以上,表明在2010—2015年這一時(shí)段槽谷區(qū)的土壤侵蝕狀況明顯好轉(zhuǎn)。

表6 槽谷區(qū)2010—2015年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣/×102hm2

由表7可以看出,在2000—2015年這一時(shí)段,微度侵蝕等級的面積基本保持穩(wěn)定,輕度、中度、重度、極重度以及劇烈侵蝕都以向微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率分別為98.30%、93.76%、87.74%、77.99%以及62.16%。2000至2015這15年間,槽谷區(qū)土壤侵蝕等級由高等級向低等級轉(zhuǎn)移率達(dá)到了98%以上,表明在2000—2015年這一時(shí)段槽谷區(qū)的土壤侵蝕狀況好轉(zhuǎn)十分顯著。

表7 槽谷區(qū)2000—2015年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣/×102hm2

綜上分析可得,槽谷區(qū)近15年來土壤侵蝕狀況明顯改善,整個(gè)研究區(qū)內(nèi)有113924.8×102hm2的區(qū)域侵蝕程度減弱,僅有98.79×102hm2的區(qū)域侵蝕程度加劇。隨著土壤侵蝕等級的升高,由高等級向低等級發(fā)生轉(zhuǎn)移的比率逐漸增加；土壤侵蝕等級持續(xù)由高等級向低等級轉(zhuǎn)移,輕度及輕度以上侵蝕等級以向微度侵蝕轉(zhuǎn)移為主,表明當(dāng)前的水土保持措施有效緩解了槽谷區(qū)的土壤侵蝕狀況。

2.3 槽谷區(qū)土壤侵蝕未來情景預(yù)測

基于Markov模型模擬的2010—2015年土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移矩陣建立的轉(zhuǎn)換規(guī)則,以2010年和2015年為起始年份,利用CA-Markov模型模擬2015和2020年的土壤侵蝕等級分布格局,得到2015年和2020年土壤侵蝕等級的預(yù)測圖。

圖3 槽谷區(qū)土壤侵蝕等級變化預(yù)測圖(圖中R(real calculation)表示實(shí)際計(jì)算結(jié)果,P(prediction)表示預(yù)測結(jié)果)Fig.3 Prediction map of changes in soil erosion intensity in karst valley(R in the figure is real calculation results and P is prediction results)

由圖3和表8可以看出,槽谷區(qū)2015年土壤侵蝕的實(shí)際計(jì)算值與預(yù)測值在各侵蝕等級的面積基本相當(dāng),其空間分布格局也很接近,表明預(yù)測結(jié)果具有一定的可靠性。到2020年,槽谷區(qū)土壤侵蝕等級基本為微度和輕度侵蝕,中度及中度以上侵蝕等級面積僅占研究區(qū)面積的0.03%,土壤侵蝕程度繼續(xù)向好轉(zhuǎn)的趨勢發(fā)展。

表9為槽谷區(qū)2015—2020年土壤不同侵蝕等級面積轉(zhuǎn)移矩陣。由表9可以看出,在2015—2020年這一時(shí)段,高侵蝕等級繼續(xù)向低侵蝕等級轉(zhuǎn)移。其中,微度侵蝕等級面積繼續(xù)以穩(wěn)定為主；輕度侵蝕等級以向微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率為46.79%；中度及重度侵蝕等級以向微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移為主,其轉(zhuǎn)移率為80.66%和58.26%；極重度及劇烈侵蝕等級逐漸向重度以下侵蝕等級轉(zhuǎn)移。以上模擬預(yù)測的結(jié)果表明,未來槽谷區(qū)土壤侵蝕狀況將進(jìn)一步改善,這也是國家方針政策繼續(xù)支持和人們對土地的依附性減少是密切相關(guān)且符合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展趨勢的結(jié)果。

表8 槽谷區(qū)不同等級侵蝕面積實(shí)際值與預(yù)測值對比 /×102hm2

表9 槽谷區(qū)2015—2020年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣/×102hm2

3 討論

為了定量驗(yàn)證CA-Markov模型計(jì)算結(jié)果的精度,對2015年土壤侵蝕等級的計(jì)算值和模擬值進(jìn)行Kappa系數(shù)檢驗(yàn),其總體Kappa系數(shù)為0.9788,各個(gè)等級的系數(shù)結(jié)果如表10所示。由表10可以看出,微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、重度侵蝕、極重度侵蝕和劇烈侵蝕等級對應(yīng)的Kappa系數(shù)分別為0.9822、0.6586、0.8390、0.9112、0.8898和0.9353,根據(jù)表2的Kappa系數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)可得2015年土壤侵蝕等級的預(yù)測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)為一致性顯著(微度侵蝕等級)甚至最佳(其他等級),表明模型的計(jì)算結(jié)果可信度很高。

表10 預(yù)測精度驗(yàn)證表

基于RUSLE模型的計(jì)算結(jié)果主要估算了由降雨引起的土壤侵蝕,與降雨、地形、土壤性質(zhì)以及植被覆蓋和土地利用有關(guān)[14,20],因此對于水土流失變化的研究往往需要將降雨、土壤性質(zhì)、地形地貌、植被覆蓋以及土地利用結(jié)合起來考慮。土壤和地形對水蝕影響較大,但相對穩(wěn)定。因此,有學(xué)者將土壤侵蝕的變化主要?dú)w因于暴雨、不當(dāng)?shù)耐恋乩靡约巴嘶闹脖籟21]。而降雨是否產(chǎn)生侵蝕又往往取決于土地利用和植被條件,植被密度越大,對雨滴的截留作用越小,降雨對土壤表面顆粒的影響也就越小[21- 22],因此植被覆蓋和土地利用在某種程度上超過了降雨強(qiáng)度和地形因素的影響,而被認(rèn)為是導(dǎo)致土壤侵蝕量發(fā)生變化的關(guān)鍵因素[23]。在過去的一個(gè)世紀(jì)里,人類活動加劇,自然植被大量減少。自2000年以來,喀斯特槽谷區(qū)開展了退耕還林還草、石漠化專項(xiàng)治理、天然林保護(hù)等一系列生態(tài)修復(fù)工程[24- 25],使得植被覆蓋度顯著增加[26],土地利用發(fā)生重大變化[27],生態(tài)環(huán)境明顯改善,土壤侵蝕狀況明顯好轉(zhuǎn),治理成效顯著。隨著生態(tài)修復(fù)/保護(hù)工程的進(jìn)一步實(shí)施與加強(qiáng),槽谷區(qū)的生態(tài)環(huán)境可能會得到進(jìn)一步的改善,進(jìn)而使得土壤侵蝕以及石漠化等生態(tài)環(huán)境問題能夠得到進(jìn)一步的解決。

4 結(jié)論

喀斯特槽谷區(qū)2000—2015年土壤侵蝕分布以微度侵蝕為主,侵蝕總量由61.86×107t/a 減少至2.97×107t/a,區(qū)域年平均侵蝕模數(shù)由21.61 t hm-2a-1降低至1.04t hm-2a-1,侵蝕狀況整體在減輕。15年來輕度及輕度以下侵蝕等級的面積增加了76.13×105hm2,增幅達(dá)36.32%；重度及重度以上侵蝕面積減少了46.90×105hm2,降幅達(dá)到99.85%。不同地貌類型之間的土壤侵蝕狀況存在一定差異,平原地區(qū)侵蝕模數(shù)最小,盆地地區(qū)侵蝕模數(shù)最大,達(dá)到平原地區(qū)侵蝕模數(shù)的近四倍。

研究時(shí)段內(nèi)有39.80%的區(qū)域土壤侵蝕等級降低,侵蝕程度減弱,僅有0.03%的區(qū)域土壤侵蝕等級升高,侵蝕程度加劇,15年間槽谷區(qū)輕度及輕度以上侵蝕等級都逐漸向微度侵蝕等級轉(zhuǎn)移,土壤侵蝕等級由高等級向低等級轉(zhuǎn)移率達(dá)到了98%以上,總體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢。

基于CA-Markov模型模擬槽谷區(qū)土壤侵蝕等級的未來演變趨勢,總體Kappa系數(shù)達(dá)到了0.9788,且各土壤侵蝕等級的系數(shù)也在0.65以上,表明預(yù)測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的一致性顯著,能夠較為準(zhǔn)確的反映未來槽谷區(qū)土壤侵蝕等級的分布狀況。到2020年,槽谷區(qū)土壤侵蝕等級基本為微度和輕度侵蝕,中度及中度以上侵蝕等級面積僅占研究區(qū)面積的0.03%,土壤侵蝕程度繼續(xù)好轉(zhuǎn),未來槽谷區(qū)土壤侵蝕狀況將進(jìn)一步改善。