鐘旭珍， 劉馨悅， 姚 坤， 王麗霞， 門雷雷

1. 內(nèi)江師范學院 地理與資源科學學院，四川 內(nèi)江 641100；2. 西昌學院 資源與環(huán)境學院，四川 西昌 615000；3. 長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054；4. 中煤科工集團北京土地整治與生態(tài)修復科技研究院有限公司，北京 100013

生態(tài)功能區(qū)劃的基礎(chǔ)是對生態(tài)系統(tǒng)目標的客觀認識和對自然規(guī)律及人類活動關(guān)系的全面考察，它利用生態(tài)學原理和方法，揭示不同自然區(qū)域表現(xiàn)出的相同點以及不同點，使區(qū)域得到環(huán)境保護和資源可持續(xù)開發(fā)[1]．土壤侵蝕是指發(fā)生在外營力作用條件下的土體遷移過程[2]．土壤侵蝕嚴重影響了工農(nóng)業(yè)的正常發(fā)展，造成土壤肥力下降，致使生態(tài)環(huán)境惡化，破壞了水利交通工程設(shè)施等[3]．目前全球土壤侵蝕形勢嚴峻，我國土壤侵蝕現(xiàn)狀也不容樂觀，有研究表明我國土壤侵蝕面積高達32%．研究土壤侵蝕的原因和演變規(guī)律，有效地進行防治，保護生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點[4]．

目前，學術(shù)界對土壤侵蝕的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，提出了通用侵蝕方程(USLE)[5-8]、修正通用方程(RUSLE)[9-11]、水蝕預報模型(WEPP)[12-13]和中國土壤流失方程(CSLE)[14-15]等眾多計算模型．然而，由于不同區(qū)域間的復雜性和特殊性以及研究方法的多樣性，特別是針對屬于丘陵地形的沱江流域，仍然存在一些問題需要進一步探索，例如：對單一尺度的土壤侵蝕研究較多，而對不同尺度土壤侵蝕的空間演變及其侵蝕規(guī)律的差異性研究較少；對土壤侵蝕較為典型的地區(qū)研究較多，而對丘陵、坡耕地等地區(qū)的土壤侵蝕研究較少；對土壤侵蝕的單一研究較多，而對將其與其他學科結(jié)合的研究較少等．

《四川水土流失綜合治理藍圖繪就》中將沱江流域劃定為國家級水土流失重點治理區(qū)，沱江流域位于西部經(jīng)濟實力最強大的國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)——成渝經(jīng)濟區(qū)內(nèi)部，具有重要的國家戰(zhàn)略地位，也是長江上游重要生態(tài)屏障最大的環(huán)境風險帶．目前，極少有人研究沱江流域的水土流失，更沒有人基于生態(tài)功能分區(qū)研究其土壤侵蝕分布狀況，因此，從生態(tài)功能分區(qū)的角度，探討沱江流域(下文可稱為研究區(qū))土壤侵蝕的成因和分布規(guī)律，可以為土壤侵蝕研究提供一個新的范式．明確沱江流域的生態(tài)功能和生態(tài)環(huán)境問題，有利于了解流域內(nèi)土壤侵蝕的狀況，改善沱江流域的生態(tài)環(huán)境，為四川省對該國家級水土流失重點治理區(qū)的防治工作和生態(tài)功能的保護提供理論支撐，推動區(qū)域自然環(huán)境與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)共生，促進可持續(xù)發(fā)展．

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

沱江流域位于長江上游，四川省中部，西邊與岷江流域相鄰，東邊與涪江流域相接，經(jīng)緯度范圍為28°53′N-31°36′N和103°38′E-105°50′E，總面積約2.79萬km2．流域形狀瘦長，流經(jīng)綿陽、德陽、成都、遂寧、簡陽、內(nèi)江、自貢、瀘州等城市；其北部上游是崎嶇山區(qū)，中游是廣闊平原，下游進入低山丘陵；流域地勢由西北向東南傾斜，起伏較??；流域內(nèi)森林覆被率僅6.1%，為四川各河域中最低者．近年來，由于以城市化為主的人類經(jīng)濟社會活動影響的加劇，氣候變化以及人口增長，引發(fā)了植被退化、水土流失等一系列生態(tài)問題[16]，開展基于生態(tài)功能分區(qū)的沱江流域土壤侵蝕的研究，有利于有針對性地進行沱江流域的生態(tài)整治．圖1為研究區(qū)位置圖．

審圖號：GS(2016)1605號．

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要有：①研究區(qū)2018年1∶10萬土地利用類型矢量數(shù)據(jù)，來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.resdc.cn)；②研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)，空間分辨率30米，來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺；③2018年沱江流域及周邊地區(qū)28個基礎(chǔ)氣象站的各月累計降雨量，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)；④1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫，來源于中國科學院南京土壤所；⑤重要自然與文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)：包括自然保護區(qū)、文化物質(zhì)遺產(chǎn)等，來源于四川省人民政府官網(wǎng)及各市人民政府官網(wǎng)；⑥地質(zhì)災害數(shù)據(jù)，來源于地質(zhì)云水工環(huán)地質(zhì)信息服務(wù)平臺；⑦其他數(shù)據(jù)：研究區(qū)河流矢量圖、行政區(qū)劃界線、社會經(jīng)濟要素等，來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心及《四川省統(tǒng)計年鑒》．

2 沱江流域生態(tài)功能區(qū)劃

2.1 生態(tài)功能區(qū)劃指標體系

根據(jù)生態(tài)功能區(qū)劃的原則，在充分認識流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，明確區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型的結(jié)構(gòu)與過程特征以及區(qū)域主要生態(tài)環(huán)境問題、成因及其空間分布特征等，并在閱讀相關(guān)參考文獻[17-20]的基礎(chǔ)上，選擇了對研究區(qū)自然人文生態(tài)環(huán)境影響大且作用程度高的土地利用類型因子、河道因子、土壤侵蝕因子、重要自然與文化遺產(chǎn)因子和地質(zhì)災害因子等5個生態(tài)環(huán)境評價因子，制定了沱江流域生態(tài)功能區(qū)劃的指標體系(表1)，對沱江流域生態(tài)功能區(qū)進行劃分．本研究在構(gòu)建生態(tài)功能區(qū)劃指標體系時，既考慮了研究區(qū)的自然環(huán)境敏感因子，也考慮了研究區(qū)的人文環(huán)境因子，將重要自然與文化遺產(chǎn)因子、地質(zhì)災害因子加入指標體系進行生態(tài)功能區(qū)劃分，是本研究的一大特色，研究結(jié)果明確了沱江流域自然文化遺產(chǎn)和地質(zhì)災害的重要性、敏感性和保護區(qū)域，有利于提高流域的災害防護能力及保護研究區(qū)自然文化遺產(chǎn)．

表1 沱江流域生態(tài)功能區(qū)劃指標體系

2.2 生態(tài)功能分區(qū)結(jié)果與分析

根據(jù)建立的指標體系，利用ArcGIS與ENVI等軟件對每個因子進行評價，并劃分出相應(yīng)的生態(tài)功能區(qū)．在劃分過程中，對于具有重疊生態(tài)功能的單元主要依據(jù)生態(tài)功能的重要性原則和主導性原則進行歸并，同時結(jié)合流域界限或行政界限對重疊區(qū)域和生態(tài)功能區(qū)邊界進行調(diào)整，即當生態(tài)功能區(qū)劃邊界接近行政邊界時，應(yīng)努力協(xié)調(diào)行政邊界，以確保行政區(qū)域的空間連續(xù)性，并確保行政區(qū)的綜合規(guī)劃和管理，最終將研究區(qū)劃分為了5大生態(tài)功能區(qū)，劃分結(jié)果如圖2所示．

圖2 沱江流域生態(tài)功能區(qū)劃結(jié)果

可以看出：由于耕地是沱江流域最主要的用地類型，因此農(nóng)業(yè)種植區(qū)是分布最廣泛的生態(tài)功能區(qū)，主要分布于沱江流域中、下游平原和低山丘陵區(qū)，面積約為15 739.63 km2，整治重點是提高耕地質(zhì)量，防止和控制土壤次生鹽堿化，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)．河道保護區(qū)主要分布在沱江3 000 m緩沖區(qū)，面積約為2 754.73 km2，沱江為長江一級支流，流域靠沿岸的工礦企業(yè)成長較快，大量未經(jīng)處理的廢水排入河道，以及受生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染等污染源的影響，沱江水質(zhì)惡化嚴重．該區(qū)需考慮改善河流的水質(zhì)和水土保持，強化水質(zhì)污濁處理，同時適當構(gòu)筑水生態(tài)景觀工程，開發(fā)地域特性與水生態(tài)學性相結(jié)合的旅游產(chǎn)業(yè)．土壤侵蝕控制區(qū)主要分布于沱江流域的西北部和中部山區(qū)，面積約為2 208.16 km2，該區(qū)地形起伏度大，土壤侵蝕敏感性較強，水土流失較為嚴重，針對該區(qū)要提高植被覆蓋率，不斷加大水土流失治理力度，防治土壤侵蝕繼續(xù)惡化．重要自然與文化遺產(chǎn)保護區(qū)主要分布于成都、瀘縣、自貢市轄區(qū)及安岳縣，面積約為3 283.19 km2．該區(qū)主要是對因人類活動干擾而引起的原有價值損失進行保護，應(yīng)發(fā)揮本地區(qū)的自然景觀和文化遺產(chǎn)優(yōu)勢，依托國家級文物保護單位、歷史文化名鎮(zhèn)等旅游資源，有計劃地開展生態(tài)文化旅游業(yè)，要在保護現(xiàn)有生態(tài)資源的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建生態(tài)保護區(qū)以及珍稀物種和植物保護區(qū)，更好地保護本地區(qū)自然文化遺產(chǎn)的多樣性和自然性．地質(zhì)災害保護區(qū)主要分布于沱江流域東北部的綿竹市、安縣、汶川縣、都江堰市等及東南部的內(nèi)江市轄區(qū)，面積約為2 538.21 km2，是崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)，應(yīng)識別地質(zhì)災害風險，確定易發(fā)生地質(zhì)災害的區(qū)域和危險區(qū)域，建立地質(zhì)災害信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，對地質(zhì)災害群體進行監(jiān)測和預防，以減少災害造成的損失，保護人民的生命和財產(chǎn)安全．

3 基于生態(tài)功能分區(qū)的沱江流域土壤侵蝕分析

3.1 土壤侵蝕計算

土壤侵蝕是指土壤及成土母質(zhì)在水力、風力、凍融或重力等外力作用下，土壤物理結(jié)構(gòu)或化學成分發(fā)生破壞、搬運等過程[21]．影響土壤侵蝕的因素分為自然因素和人為因素．目前，水土流失對我國土壤環(huán)境構(gòu)成重大威脅，是地球上最大的生態(tài)問題之一，四川省是全國水土流失嚴重的地區(qū)之一．研究采用的模型為修正通用土壤侵蝕方程RUSLE，該模型的表達式為

A=R·K·LS·C·P

(1)

其中A為土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)，乘以100后單位轉(zhuǎn)換為t/(km2·a)〕；R為降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K為土壤可侵蝕量〔(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)〕；LS為坡度坡長侵蝕量，C為植被覆蓋量，P為水土保持因子，LS，C，P均為無量綱．

3.1.1 降雨力侵蝕因子

降雨侵蝕力是定量評估土壤侵蝕的首要影響因子，表征降雨引起侵蝕的潛在能力，與降雨量、降雨動能、降雨歷時等因素緊密相關(guān)．研究利用Wischmeier模型完成沱江流域2018年降雨侵蝕力的計算，并采用反距離權(quán)重插值模型完成其空間插值，獲取沱江流域連續(xù)的降雨柵格表面．Wischmeier表達式為

(2)

其中R為降雨侵蝕力，Pi為月降雨量；P為年降雨量．

3.1.2 土壤可侵蝕因子

土壤可侵蝕性表征土壤對侵蝕的敏感性，是土壤抵抗侵蝕力的綜合體現(xiàn)，是影響土壤流失量的內(nèi)在因素．土壤類型不同，K值不同．K值越大，土壤越容易受到侵蝕；K值越小，則土壤受侵蝕可能性越小．研究使用1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)，采用EPIC模型[22]完成K的計算．

(3)

3.1.3 坡度坡長因子

地貌特征會對地表徑流、植被分布和人類活動等產(chǎn)生明顯的影響，坡長因子L和坡度因子S是降雨侵蝕土壤的加速因子，LS常?；贒EM進行提?。狙芯坎捎梦墨I[23]提出的模型完成研究區(qū)坡長的計算，表達式為

(4)

其中

坡度因子的計算采用文獻[24]針對西南山地區(qū)進行修正的模型完成，表達式為

(5)

其中λ為坡長，θ為坡度，m為指數(shù)．

3.1.4 植被與水土保持因子

在區(qū)域土壤侵蝕的定量評價和研究中，植被是一個重要的參數(shù)．C因子表征植被覆蓋度對土壤侵蝕的抑制能力，它為無量綱參數(shù)，其值大小變化在0～1之間[25]．水土保持因子P是表示實施專門水土保持措施后的土壤流失量與未實施任何專門措施而種植時的土壤流失量之比，其值大小變化在0～1之間．研究基于區(qū)域相似性，根據(jù)相關(guān)研究成果[26-29]，結(jié)合沱江流域特征，確定沱江流域地表植被覆蓋因子C和水土保持因子P的經(jīng)驗值(表2)．將不同土地利用類型的C值和P值在 ArcGIS 10.2中賦值于土地利用類型矢量圖中，然后轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，得到流域植被覆蓋因子圖和水土保持因子柵格圖．

表2 沱江流域各土地利用類型的CP因子賦值

3.1.5 沱江流域土壤侵蝕結(jié)果

研究將R，L，S，K，C和P各因子圖層設(shè)置同一投影坐標Albers_Conic_Equal_Area，像元大小為30 m×30 m，然后采用ArcGIS 10.2柵格運算，將上述各因子柵格圖層相乘，得到土壤侵蝕模數(shù)(t/(hm2·a))空間分布圖，再乘以系數(shù)100，轉(zhuǎn)換單位為t/(km2·a)．根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)規(guī)定的分級指標[30]，即微度侵蝕為<500 t/(km2·a)；輕度侵蝕為500～2 500 t/(km2·a)；中度侵蝕為2 500～5 000 t/(km2·a)；強度侵蝕5 000～8 000 t/(km2·a)；極強度侵蝕為8 000～15 000 t/(km2·a)；劇烈侵蝕為≥15 000 t/(km2·a)．對沱江流域土壤侵蝕柵格圖進行分類，得到沱江流域2018年土壤侵蝕強度等級圖(圖3)和2018年土壤侵蝕強度分級表(表3)．

表3 沱江流域2018年土壤侵蝕強度分級柵格統(tǒng)計

圖3 沱江流域2018年土壤侵蝕強度等級及生態(tài)功能區(qū)分布圖

從圖3和表3可看出：目前沱江流域土壤侵蝕現(xiàn)狀主要是微度侵蝕和輕度侵蝕，分別占研究區(qū)面積的76.42%和18.62%，主要分布在流域低矮的平原和丘陵區(qū)；各等級侵蝕柵格數(shù)從大到小排序為微度、輕度、中度、強度、極強度、劇烈．中度侵蝕區(qū)主要分布在灌木林地和疏林地等地區(qū)；強度和極強度侵蝕區(qū)主要分布在北部林地及中部中江、金堂及成都市轄區(qū)，呈條帶狀分布；小范圍劇烈侵蝕區(qū)呈點狀分布于沱江流域西北部，范圍大約在東經(jīng)103°25′-104°10′，北緯31°5′-31°40′，主要處于坡度較陡的林地和中、低覆蓋度草地．

由此可知，沱江流域不同土地利用類型下的土壤侵蝕強度差異明顯．流域中部、西北部草地林地覆蓋區(qū)多處于強度侵蝕及以上土壤侵蝕等級，流域中部、東南部旱地利用區(qū)多屬于中度及以下土壤侵蝕等級，因此加強草地和林地這兩種土地利用類型的合理規(guī)劃和管理是控制沱江流域整體土壤侵蝕狀況的關(guān)鍵．

3.2 不同生態(tài)功能區(qū)內(nèi)土壤侵蝕分布特征

基于生態(tài)功能區(qū)劃分結(jié)果，將5大生態(tài)功能區(qū)矢量圖層轉(zhuǎn)換為柵格圖層，分別賦值地質(zhì)災害保護區(qū)、重要自然與文化遺產(chǎn)保護區(qū)、河道保護區(qū)、土壤侵蝕控制區(qū)、農(nóng)業(yè)種植區(qū)1、2、3、4、5，將土壤侵蝕等級微度、輕度、中度、強度、極強度、劇烈分別賦值為1、2、3、4、5、6，將沱江流域生態(tài)功能分區(qū)柵格圖和土壤侵蝕等級圖進行疊加分析，方法是ArcGIS 10.2空間分析中的邏輯運算“組合與”，得到沱江流域不同生態(tài)功能區(qū)下不同等級土壤侵蝕分布情況(表4)．

由表4及圖3可知，生態(tài)功能區(qū)與土壤侵蝕分布關(guān)系密切，不同生態(tài)功能區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕分布差異明顯．從空間分布來看，農(nóng)業(yè)種植區(qū)覆蓋了大部分微度、輕度土壤侵蝕等級，土壤侵蝕控制區(qū)主要分布強度以上土壤侵蝕等級．從數(shù)量分布來看，縱向上，除土壤侵蝕控制區(qū)和地質(zhì)災害保護區(qū)外，其他幾個生態(tài)功能區(qū)內(nèi)分布的土壤侵蝕等級柵格數(shù)量均從微度到劇烈逐漸減少；由于地質(zhì)災害保護區(qū)主要分布于沱江流域東北部的綿竹市、安縣、汶川縣等以劇烈侵蝕為主的地區(qū)，因此該功能區(qū)內(nèi)的劇烈侵蝕數(shù)量較多．橫向上，相比其他幾個生態(tài)功能區(qū)內(nèi)同等級的土壤侵蝕，農(nóng)業(yè)種植區(qū)內(nèi)的微度和輕度土壤侵蝕等級柵格數(shù)量是同等級中最多的；而土壤侵蝕控制區(qū)內(nèi)的微度侵蝕柵格數(shù)量是最少的，極強度和劇烈侵蝕數(shù)量是最多的，這表明土壤侵蝕控制區(qū)內(nèi)土壤侵蝕較嚴重，應(yīng)著重加強其水土保持工作，防治土壤侵蝕繼續(xù)惡化；重要自然與文化遺產(chǎn)保護區(qū)內(nèi)的極強度和劇烈侵蝕數(shù)量是同等級中最少的，沒有劇烈侵蝕地區(qū)，以微度和輕度侵蝕為主；河道保護區(qū)內(nèi)土壤侵蝕也以微度、輕度為主．總體上土壤侵蝕控制區(qū)和地質(zhì)災害保護區(qū)應(yīng)該著重進行土壤侵蝕的治理和地質(zhì)災害的防護，其他幾個生態(tài)功能區(qū)以微度、輕度侵蝕為主，應(yīng)著重發(fā)揮或保護其生態(tài)功能，最終達到土壤侵蝕的治理和生態(tài)功能的發(fā)揮協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的雙贏目標．

表4 沱江流域不同生態(tài)功能區(qū)下不同等級土壤侵蝕分布狀況 /個

4 結(jié)論與討論

研究運用RS和GIS技術(shù)，選取環(huán)境敏感因子，建立生態(tài)功能區(qū)劃指標體系，對環(huán)境因子進行評價，劃分出對應(yīng)的生態(tài)功能區(qū)，選用RUSLE模型計算研究區(qū)的土壤侵蝕，測評和分析了不同生態(tài)功能分區(qū)內(nèi)土壤侵蝕的分布特征，主要結(jié)論為：

1) 沱江流域劃分為5大生態(tài)功能區(qū)，分別為農(nóng)業(yè)種植區(qū)、河道保護區(qū)、土壤侵蝕保護區(qū)、重要自然與文化遺產(chǎn)保護區(qū)和地質(zhì)災害保護區(qū)．

2) 目前沱江流域土壤侵蝕以微度和輕度侵蝕為主，分別占研究區(qū)面積的76.42%和18.62%．流域不同土地利用類型下的土壤侵蝕強度差異明顯，中部、西北部草地林地覆蓋區(qū)多處于強度及以上土壤侵蝕等級，中部、東南部耕地利用區(qū)多屬于中度及以下土壤侵蝕，因此加強草地和林地這兩種土地利用類型的合理規(guī)劃和管理是控制沱江流域整體土壤侵蝕狀況的關(guān)鍵．

3) 生態(tài)功能區(qū)與土壤侵蝕分布關(guān)系密切．土壤侵蝕控制區(qū)和地質(zhì)災害保護區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕問題較為突出；其他幾個生態(tài)功能區(qū)均以微度、輕度侵蝕為主，土壤侵蝕等級柵格數(shù)量均從微度到劇烈逐漸減少．可根據(jù)不同生態(tài)功能區(qū)內(nèi)土壤侵蝕分布特征，決定其主要進行水土流失治理還是發(fā)揮相應(yīng)生態(tài)功能，實現(xiàn)環(huán)境治理和生態(tài)功能的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展．

4) 研究以生態(tài)功能分區(qū)為背景進行土壤侵蝕測評分析，打破了傳統(tǒng)的以行政區(qū)劃為背景的研究，將生態(tài)功能區(qū)與土壤侵蝕有機結(jié)合起來，分析研究區(qū)不同生態(tài)功能背景下的土壤侵蝕空間分布特征，研究結(jié)果可為相關(guān)部門對具有不同生態(tài)功能的地區(qū)進行針對性的生態(tài)環(huán)境整治提供科學依據(jù)．需要指出的是，基于生態(tài)功能分區(qū)的土壤侵蝕研究處于探索性階段，還存在一些問題需要深入思考和完善．如：①生態(tài)功能分區(qū)需要考慮的因素較多，研究方法也多樣，文章針對性地選取區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感因子構(gòu)建指標體系，相關(guān)研究中，如何針對不同地區(qū)，建立科學合理的生態(tài)功能分區(qū)指標體系仍是研究難點之一；②分區(qū)指標閾值界定及技術(shù)實現(xiàn)問題，針對不同地區(qū)確定指標閾值需考慮區(qū)域差異性；③生態(tài)功能分區(qū)與土壤侵蝕研究具有交叉性，如何更加準確地分析和探討不同生態(tài)功能區(qū)內(nèi)土壤侵蝕的分布規(guī)律和成因以及整治措施，是有待進一步研究的問題．