舒曉藝，盧 遠

(南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣西 南寧 530001)

0 引言

土壤侵蝕會引起土地退化、土壤肥力下降等一系列生態(tài)問題，是世界三大環(huán)境問題之一[1]。無論農(nóng)村、城市、山區(qū)或丘陵都存在土壤侵蝕問題。它的產(chǎn)生與地形、氣候和土地利用等因素息息相關(guān)。土地利用是指人類有目的地開發(fā)利用土地資源的一切活動[2]，包括土地資源的數(shù)量、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。不同的土地利用變化改變下墊面情況，改變土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)[3，4]。土地覆被強調(diào)土地的自然屬性以及人類活動的結(jié)果，不合理的土地利用能夠加劇土壤侵蝕的其它因素的變化(如地形條件的改變、土壤特性的惡化、植被資源被破壞等)，是導(dǎo)致水土流失的主要原因[5]。土地利用/覆被與土壤侵蝕相互影響，土壤侵蝕的加劇會影響土地利用/覆被的轉(zhuǎn)變，反之，會影響土壤侵蝕的轉(zhuǎn)變。一直以來，有諸多學(xué)者研究后認為，土壤侵蝕中最重要的可控因素之一是如何對其土地進行合理利用[6-12]。目前，國際上比較通用的計算土壤侵蝕量的方法是利用USLE模型，這個模型最早是由美國學(xué)者Wischmeier在1965年提出[13]。這個模型因為精度良好、計算因子比較簡單，所以各國學(xué)者計算土壤侵蝕量的時候通常都以該模型為基礎(chǔ)進行延伸，通過添加修正因子，建立了適合研究區(qū)域的通用土壤流失方程。如江忠善等[14]考慮淺溝侵蝕對坡面侵蝕的影響構(gòu)建的坡面土壤流失預(yù)報模型，劉寶元等[15]建立的CSLE方程。

右江河谷位于桂西北土石山區(qū)，受地質(zhì)、地貌條件的影響，地形起伏變化大，地貌主要以山地為主，土質(zhì)疏松，土壤侵蝕環(huán)境較為復(fù)雜[16]。近年來受毀林開荒種果、種蔗等不合理的土地利用和降雨比較集中等因素影響，該地區(qū)已經(jīng)成為廣西水土流失較為嚴重的地區(qū)之一。本文主要對右江河谷地區(qū)2005、2010、2015年三個時期的土壤侵蝕進行定量分析。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

右江河谷地區(qū)地處桂西北，由三縣一區(qū)組成。其地勢總體由西北向東南傾斜，地形起伏大，是典型的山區(qū)，其山地占該研究區(qū)域總面積的73.4%，丘陵、平原僅占26.6%，如圖1所示。研究區(qū)土壤類型主要有紅壤、石灰土和水稻土等。該區(qū)屬典型的南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21～22 ℃，冬季溫暖，春季溫度回升快，素有“天然溫室”之譽，光熱條件優(yōu)越，四季分明；降雨較集中，年降雨量為1 200 mm左右，其中6-8月降雨量占全年的75%左右，極易造成水土流失[17]。近年來，右江河谷區(qū)經(jīng)濟發(fā)展速度加快，特別是田陽、田東兩縣不僅是國家級商品糧基地縣還是重要的甘蔗和蔗糖生產(chǎn)基地，擁有面積達2.206萬hm2的廣西最大的芒果生產(chǎn)基地[18,19]。

該地區(qū)以山地、丘陵為主，極易發(fā)生水土流失。從土地利用情況來看，林地的面積占比較大，分布廣，耕地主要集中在坡度較緩處，其余土地利用類型分布零散。近年來由于芒果產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，當(dāng)?shù)厝嗣袢圆捎脗鹘y(tǒng)的煉山方式整地，占用林地、開墾陡坡種植芒果，造成園地植被單一，林分風(fēng)險性增高，同時也降低其生態(tài)功能，增加了水土流失的危險。

圖1 右江河谷位置分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理

本研究所用的數(shù)據(jù)包括地形圖、土地利用數(shù)據(jù)、2005、2010、2015年3期來源于地理空間數(shù)據(jù)云的12景遙感影像、第二次普查資料的土壤類型數(shù)據(jù)、全國第一次水利調(diào)查水土保持專項調(diào)查成果、中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的包括全區(qū)92個臺站點覆蓋88個縣區(qū)1981-2016年逐日降水量、經(jīng)過插值處理的多年平均降雨數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)云全區(qū)范圍內(nèi)30m分辨率的ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)。其中，土地利用數(shù)據(jù)及Landsat 8 OLI、Landsat 5數(shù)據(jù)經(jīng)過人機交互解譯結(jié)合地面實驗得到(表1)。

表1 數(shù)據(jù)來源與精度統(tǒng)計表

參照中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫土地利用分類體系，根據(jù)本次研究對象，將土地利用類型按一級體系分六大類，并將其中的耕地分出二級類水田、旱地兩類。研究期間，對土地利用解譯結(jié)果以小流域為單位進行實地抽查驗證，其中，田東縣三百小流域的不合理比例為1∶100，右江區(qū)陽圩小流域的不合理比例為0∶100，所以整體土地利用類型的精度良好。

圖2 土壤侵蝕的技術(shù)路線圖

1.3 土壤侵蝕量的估算方法

年均土壤侵蝕模數(shù)用RUSLE方程計算，其計算式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

A為土壤侵蝕模數(shù)(t/km2·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·km2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為地形因子(無量綱，0～1)；C為地表覆蓋與管理因子(無量綱，0～1)；P為水土保持措施因子(無量綱，0～1)。

R因子采用劉元寶等[20]提出的算式計算， Rk為k月的降雨侵蝕力(MJ·mm/(hm2·h)), R為多年降雨侵蝕力(MJ·mm/(hm2·h·a)),算式如下：

(3)

K因子采用WIliams等[21]在EPIC模型中的估算方法，并根據(jù)張科利等[22]的研究進行修訂。算式為：

K=-0.01383+0.51575KEPIC

(4)

LS因子采用劉斌濤等[23]修正后的地形因子計算，L是坡長因子，S是坡度因子。

(5)

(6)

C因子首先根據(jù)遙感影像統(tǒng)計NDVI的最大值和最小值，根據(jù)NDVI通過公式求出植被覆蓋度，通過植被覆蓋度計算各地類的C因子并整合。

(7)

P因子一般取值在0～1之間，水土保持措施做得越完善取值越趨向于1，反之趨向于0，結(jié)合宏觀地貌類型和微觀坡面形態(tài)特征，根據(jù)右江河谷地區(qū)的實際情況進行標(biāo)準賦值。

由于研究區(qū)地質(zhì)地貌復(fù)雜，山地中石山(30%)、土山(65.4%)，喀斯特地區(qū)土壤不連續(xù)，地表多為土、石、水混合，純凈像元分布較為散亂，所以為了減少測算誤差，引進M因子，M因子為裸巖修正因子，通過計算裸巖率和結(jié)合喀斯特石漠化敏感性評價并使用混合像元分解模型確定，M因子是RUSLE模型修正的關(guān)鍵，對正確測算研究區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)具有重大的實現(xiàn)意義。修正后方程為：

A=(R×K×L×S×C×P)×M

(8)

2 研究結(jié)果

2.1 土壤侵蝕變化總體特征

通過計算得到研究區(qū)2005年、2010年、2015年的土壤侵蝕模數(shù)分別為141.62 t/hm2·a、166.96 t/hm2·a、119.79 t/hm2·a，整體呈先上升后下降趨勢。10a間平均土壤侵蝕模數(shù)在120～170 t/hm2·a區(qū)間內(nèi)。2005-2010年土壤侵蝕模數(shù)上升主要是由于2005年后，芒果園地的大量開墾，造成園地和原有的坡耕地被開墾，局部水土流失增強。2010年后，種植的經(jīng)濟作物生長良好，林下水土流失情況減緩，加上水土保持措施增強以及國家退耕還林政策的不斷開展，土壤侵蝕情況得到了一定的改善。

2.2 土壤侵蝕強度時空變化分析

土壤侵蝕強度分級圖，總共分為6級(圖3)。從圖3可以看出，土壤侵蝕主要分布在研究區(qū)的東北-東南方向，通過arcgis的空間疊加工具，疊加土地利用柵格數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)東南方向的侵蝕主要是水田和草地的侵蝕，10a間研究區(qū)整體的土壤侵蝕強度變化呈先上升后下降的趨勢。土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕面積變化趨勢相同。

圖3 不同時期土壤侵蝕強度圖

通過分區(qū)統(tǒng)計工具統(tǒng)計各強度的土地利用面積情況可以看出(表2)，研究區(qū)的土壤侵蝕主要集中在輕度侵蝕和中度侵蝕，侵蝕面積占總面積的11%左右。2005-2010年，輕度侵蝕和中度侵蝕的面積比增加了1.29%和0.35%，強度和極強度侵蝕的面積比變化不大，分別為0.03%和0.06%，劇烈侵蝕的面積保持不變。2010-2015年，微度侵蝕的面積比增加了2.36%，輕度侵蝕和中度侵蝕的面積比增加了-1.32%和-0.69%，強度和極強度侵蝕的面積比增加了-0.23%和-0.11%，劇烈侵蝕面積比增加了-0.01%，總體的土壤侵蝕面積情況有變好的趨勢。

表2 2005、2010、2015年土壤侵蝕情況分析表/km2

2.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)本文對土地利用的歸并方法，把土地利用分成8大類，得到研究區(qū)土地利用分布圖(圖4)。從圖4和表2可以看出，研究區(qū)主要占比面積以林地、水田為主。林地和耕地是河谷中分布最廣的土地利用類型，園地呈零散狀分布，且逐年增多。此外，水田主要沿河流分布，遠離河的地帶多分布著旱地和園地，離河流較遠的山地上主要是林地。河谷地區(qū)地勢平坦，人口相對稠密，具備開展農(nóng)業(yè)的勞動力資源。研究區(qū)土地利用零星分散、經(jīng)濟發(fā)展主要依靠農(nóng)業(yè)為主。由于政策導(dǎo)向性原因，坡度大于25°的坡地要實施退耕還林還草，所以當(dāng)?shù)氐钠露容^高的地方的林地保護得較好。由于降雨時樹冠截留，減少雨滴的濺蝕作用，落葉覆蓋在地表，從而保證了林地以下的土地不會因為暴雨而被沖刷，減少土壤侵蝕的發(fā)生。

2.4 土地利用與土壤侵蝕的關(guān)系

2.4.1 變化環(huán)境下土壤侵蝕模數(shù)變化

利用Zonal Satistics as Table工具，把土地利用圖與土壤侵蝕圖進行空間疊置，分別對各類型的土地利用的土壤侵蝕進行統(tǒng)計分析，得表3。從表格中可以看出，10a 間各地類的土壤侵蝕模數(shù)呈下降趨勢。侵蝕主要分布在旱地、園地、草地、未利用地等幾個地類上。

圖4 不同時期土地利用分布圖

旱地的土壤侵蝕模數(shù)在2005-2010年上升了15.07t/hm2·a，主要是因為旱地的土地利用面積增加了48.32km2，2010-2015年由于對旱地進行了坡改梯等水土保持措施，所以旱地的土壤侵蝕模數(shù)下降至120.27 t/hm2·a，說明水土保持工作初見成效。

園地的土壤侵蝕模數(shù)在2005—2010年期間基本保持不變，說明在2010年以前人們管理園地的水土保持意識不強。2005年園地面積僅有222.93km2，5年間，園地面積增加到703.21 km2，增長量幾乎是2005年園地面積的2倍。在地類面積上升，侵蝕模數(shù)大致不變的情況下，土壤侵蝕的面積應(yīng)該也有相應(yīng)的增長。

林地作為研究區(qū)十年來最主要的地類轉(zhuǎn)變來源，受影響最大。從土壤侵蝕模數(shù)可以看出，在2005-2010年林地減少量達到最大值(減少604.04km2)期間，林地的土壤侵蝕模數(shù)從83.47 t/hm2·a增長到了131.76 t/hm2·a，說明林地受地類轉(zhuǎn)換的擾動比較強烈。

未利用地主要由裸地，裸巖構(gòu)成，所以土壤侵蝕嚴重，在實地考察過程中發(fā)現(xiàn)10a間裸露的未利用地上生長了一些灌叢，植被覆蓋度與管理因子值減小，土壤侵蝕模數(shù)就下降了。

建設(shè)用地的侵蝕模數(shù)主要原因是城鎮(zhèn)化發(fā)展加快，道路硬化、農(nóng)村居民點轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建成區(qū)等因素都導(dǎo)致建設(shè)用地的侵蝕模數(shù)下降。

水域的侵蝕模數(shù)從2005年的下降主要是由于在2006年修建的百色水利樞紐，水庫周邊的工程修建使得水土保持措施因子P較2005年好。

表3 不同土地利用類型的侵蝕模數(shù)/t·hm-2·a

2.4.2 土壤侵蝕強度時空分析

結(jié)合表2、表3和表5可以看出，研究區(qū)不同時期不同地類的土壤侵蝕強度面積有不同的特征。就水田和旱地而言，10年間水田和旱地的面積逐漸減少，土壤侵蝕模數(shù)和土壤侵蝕強度面積也呈下降趨勢。

表4 不同土地利用類型植被覆蓋度與管理因子值

就園地而言，雖然土壤侵蝕模數(shù)在2005-2010a期間比較穩(wěn)定，但是從土地利用類型轉(zhuǎn)變看，園地增長迅速；從土壤侵蝕等級面積分布情況看，輕度以上的侵蝕面積從2005年的29.77km2增加至2010年的83.44km2，增加了64.32%。2010-2015年期間園地面積基本保持不變，植被經(jīng)過了一段時間的生長，水土保持能力增強，加上梯園地的保護得當(dāng)，土壤侵蝕強度由高級逐漸向低級轉(zhuǎn)移。雖然土壤侵蝕情況從2010-2015年是轉(zhuǎn)好的，但是從土壤侵蝕強度的面積來看，2015年各等級的土壤侵蝕面積仍比2005年大，特別是劇烈侵蝕的面積是2005年的5倍。

就林地而言，由于林地在2005-2010年被大量砍伐，破壞了林地原有的水土保持能力，導(dǎo)致林地的輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕的面積均上漲，林地的侵蝕面積由486.31km2增加至2010年的662.67km2。2010年之后經(jīng)過退耕還林、退草還林措施和森林生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)，林地的侵蝕強度由高級逐漸向低級轉(zhuǎn)變，各地類侵蝕面積情況減少。

表5 不同時期不同地類的侵蝕強度面積/km2

3 結(jié)果和討論

本研究主要利用GIS和RS技術(shù)，以百色右江河谷區(qū)域為研究區(qū)，時間跨度橫跨2005-2015年，結(jié)合修正后的RUSLE模型和土地利用圖，分析當(dāng)?shù)?0年間土壤侵蝕的時空變化特征，得出以下結(jié)論：

(1)右江河谷地區(qū)水熱資源豐富，降雨量充沛。河谷以平原為主體，宜進行農(nóng)業(yè)立體開發(fā)；河谷兩側(cè)山地宜種植作物兼養(yǎng)殖家畜實現(xiàn)種養(yǎng)混和農(nóng)業(yè)。應(yīng)加強對農(nóng)戶的培訓(xùn)，避免傳統(tǒng)的種植方式對土壤侵蝕的影響。研究區(qū)少有洪澇、大旱等自然災(zāi)害情況發(fā)生，所以土地利用/覆被變化將會是造成當(dāng)?shù)赝寥狼治g的最主要的原因之一，可以說，合理的使用土地，就可以長遠的防止當(dāng)?shù)赝寥赖乃亮魇闆r發(fā)生。

(2)土壤侵蝕主要分布在河谷兩側(cè)的山坡和丘陵上，河谷區(qū)的土壤侵蝕分布并不強烈。就2015年的土壤侵蝕模數(shù)來看，侵蝕最嚴重的地類是草地和未利用地，侵蝕模數(shù)分別為637.51t/hm2·a和429.06t/hm2·a；土壤侵蝕程度主要集中在輕度和中度侵蝕。

(3)土地利用類型和土壤侵蝕之間存在一定的聯(lián)系，土地利用類型的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致土壤侵蝕情況變嚴重。有的地類雖然面積增大，但是土壤侵蝕模數(shù)下降，例如園地，園地在2005-2010年間面積增加了480.28km2，土壤侵蝕模數(shù)略下降，這時候考慮園地的土壤侵蝕情況需要從該地類不同強度的土壤侵蝕面積去考慮，僅憑土壤侵蝕模數(shù)判斷土地利用與土壤侵蝕之間的關(guān)系是不準確的。

(4)雖然10年間土壤侵蝕模數(shù)呈整體下降的趨勢，劇烈侵蝕面積大幅減少。從土壤侵蝕模數(shù)和土壤侵蝕強度來看，受人為擾動強烈的地類土壤侵蝕情況還是不容樂觀，特別是水田、旱地、園地這幾類地類，保持農(nóng)用地的安全和土地質(zhì)量對于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物種植具有很大的意義，不應(yīng)該為了發(fā)展建設(shè)用地就無節(jié)制的占用城郊周邊的水土和旱地，這是不合理的；由于研究區(qū)地貌主要以山地為主，園地大部分集中在有一定坡度的地塊上，受強降雨等天氣影響時容易發(fā)生水土流失，加上當(dāng)?shù)夭糠謭@地中作物種植單一，果樹間往往沒有種植其他作物，土壤裸露程度高，不利于水土保持。建議在種植時采取坡改梯、作物間種等措施，加強林地、園地的植被優(yōu)化。