李成志，連晉姣，陳洪松?，馮騰，付智勇

(1.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，410125，長沙；2.中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，547100，廣西環(huán)江；3.中國科學院大學，100049，北京)

喀斯特地區(qū)縣域土壤侵蝕估算及其對土地利用變化的響應

李成志1,2,3，連晉姣1,2，陳洪松1,2?，馮騰1,2,3，付智勇1,2

(1.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，410125，長沙；2.中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，547100，廣西環(huán)江；3.中國科學院大學，100049，北京)

喀斯特地區(qū)土層淺薄，不合理的土地利用導致嚴重的水土流失，加劇石漠化程度。為定量分析生態(tài)工程實施前后土壤侵蝕狀況及其對土地利用變化的響應，基于GIS技術和RMMF模型，對環(huán)江縣1991、2000和2010年土壤侵蝕進行模擬，并采用鄰近水文站和徑流小區(qū)泥沙監(jiān)測數據進行驗證。結果表明：1991、2000和2010年研究區(qū)土壤侵蝕模數分別為76.36、76.46和49.60 t/(km2·a)，與相關監(jiān)測數據比較一致；土壤侵蝕總量分別為34.76萬、34.80萬和22.58萬t，主要來源于非喀斯特區(qū)(均約占全縣侵蝕總量的94%)。研究區(qū)微度侵蝕面積占90%以上，輕度及以上等級所占比例較小。對比不同土地利用類型的土壤侵蝕模數，旱地遠大于其他類型，其次是中覆蓋度草地和其他林地。相同降雨條件下，由于旱地面積減少，2010年土壤侵蝕量較1991年減少4.21 萬t；2010年喀斯特區(qū)、非喀斯特區(qū)土壤侵蝕量較2000年分別減少了4.21%和8.76%。這預示生態(tài)工程實施后，環(huán)江縣耕地減少、林地增加，土壤侵蝕減少。本研究為評估喀斯特地區(qū)土壤侵蝕現狀以及退耕還林的水土保持效應提供參考依據。

土壤侵蝕； RMMF模型； 喀斯特； 土地利用

在我國西南喀斯特地區(qū)，由于長期的溶蝕作用，碳酸鹽巖巖層孔隙和孔洞發(fā)育，形成了特殊的雙層水文地質結構。同時，喀斯特坡地土壤總量少、異質性強，導致該區(qū)水土流失過程具有隱蔽性、復雜性以及空間異質性等特點[1-2]。土地利用類型變化會改變植被類型、地表覆蓋度、土壤性質、徑流速率等，進而影響土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展[3-4]；因此，了解不同土地利用類型下的土壤侵蝕狀況，研究土壤侵蝕對土地利用變化的響應，對合理規(guī)劃利用土地和保護生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

土壤侵蝕估算模型作為定量評價土壤侵蝕的工具，在我國西南喀斯特地區(qū)已使用的土壤侵蝕模型有USLE/RUSLE、RMMF、WEPP及SWAT等。其中，USLE/RUSLE是經驗統(tǒng)計模型，所需參數少，在喀斯特地區(qū)應用較多[5-9]；但由于相關基礎研究薄弱，且缺乏野外試驗的支持，部分參數無法直接獲取，多使用經驗公式換算或借鑒其他類型區(qū)，模擬結果具有較大的不確定性，與定位觀測結果具有較大的差異。而WEPP模型在貴州花江喀斯特石漠化地區(qū)進行了適用性的探討[10]，發(fā)現該模型不適用于直接估算喀斯特地區(qū)土壤侵蝕模數。SWAT模型在貴州貓?zhí)恿饔蚰M結果良好[11]，但需要大量基礎資料構建模型，難以推廣應用。RMMF模型(Revised Morgan-Morgan-Finney)通過引入植被覆蓋度參數計算降雨侵蝕過程以及構建基于物理過程的輸沙模塊，具有一定的物理基礎，對數據輸入要求適中已經成功應用于英國、美國、泰國、尼泊爾、印度尼西亞、馬來西亞等國家，在我國黃土高原地區(qū)祖歷河流域[12]和延河流域[13]土壤侵蝕估算精度也得到驗證。在我國喀斯特地區(qū)，Feng等[14]應用RMMF模型模擬了古周喀斯特小流域(10.22 km2)的土壤侵蝕，得到較好的模擬結果；但是，RMMF模型能否應用于喀斯特地區(qū)較大區(qū)域(例如縣域)土壤侵蝕估算，目前還缺乏相關研究。筆者應用RMMF模型，在縣域尺度(以環(huán)江縣為例)進行土壤侵蝕量模擬和驗證，并分析土壤侵蝕強度空間分布特征，以期定量評價土地利用類型變化對土壤侵蝕的影響，為更大尺度水土保持功能評價及相關政策制訂提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

環(huán)江毛南族自治縣(E 107°51′～108°43′，N 24°44′～25°33′)位于廣西壯族自治區(qū)河池市，地處云貴高原東南緣，九萬大山南麓，總面積約為4 500 km2。屬中亞熱帶南緣的季風氣候區(qū), 氣候溫暖，雨量充沛，1991、2000和2010年降雨量分別為1 496、1 534和1 280 mm，屬平水年(1980—2010年降雨量平均值為1 465 mm)。龍江的主要支流大環(huán)江和小環(huán)江由北向南流經該縣，地勢北高南低，中部偏南為丘陵，略呈盆地。縣內碳酸鹽巖分布廣泛，喀斯特地貌約占全縣面積的40%(圖1)。全縣主要以紅壤、黃壤和石灰(巖)土為主。環(huán)江縣從2002年全面開展退耕還林還草工程，截至2012年共計實施退耕還林32.6 km2。

圖1 環(huán)江縣2010年土地利用類型分布圖Fig.1 Spatial distribution of land use type in Huanjiang County in 2010

2 材料與方法

2.1 數據來源

本研究所用的DEM數據和Landsat TM數據來源于地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m。Landsat TM影像的獲取日期分別為1991年的第301天、2000年第310天、2010年第305天。此外，模型所需降雨量監(jiān)測數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，土壤類型數據(1∶100萬)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)，土地利用數據(1990、2000和2010年)來源于中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所數字山地與遙感應用中心(http:∥digitalmountain.imde.ac.cn)。

2.2 土壤侵蝕模型

2.2.1 RMMF模型的簡介 RMMF模型模擬年均土壤侵蝕量分為徑流階段和泥沙階段2個模塊，通過比較土壤剝蝕量與徑流運輸量，取其中的小值為模擬結果[14-15]。

徑流模塊包括降雨侵蝕力(Ke/(J·m-2))和地表有效累計流量(Qc/mm)2部分。

降雨侵蝕力為穿透雨量侵蝕力(Kdt/(J·m-2))與葉片排雨量侵蝕力(Kld/(J·m-2))之和，穿透雨量侵蝕力的計算參考相似地區(qū)公式[16]，葉片排雨量侵蝕力僅與植被高度有關[17]，公式如下：

Ke=Kdt+Kld，

(1)

Kdt=Dt36.8[1-0.691exp(-0.038I)]，

(2)

Kld=(15.8H0.5)-5.87(H>0.15，否則Kdt=0)。

(3)

其中：

Ld=RfCc；

(4)

Dt=Rf-Ld；

(5)

Rf=R(1-Pi)；

(6)

Cc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

(7)

式中：Dt為穿透雨量，mm；I為降雨強度，mm/h；H為植被高度，m；Ld為葉片排雨量，mm；Rf為有效降雨量，mm；Cc為植被覆蓋度，%；R為年降雨量，mm；Pi為植被降雨截留率，%；NDVI為TM圖像的近紅外和戲外反射光譜比值，NDVIsoil和NDVIveg分別指裸土和全植被覆蓋的NDVI值。

地表有效累計徑流指的是每個柵格及來自上方匯流區(qū)域的既沒有被保持在地表又沒有入滲或滲漏至地下部分的地表徑流量[14]：

Qc=Tr(Q+Qcup)

(8)

式中：Qc為地表有效累計徑流，mm；Tr是滲漏比例參數，指向下游匯流的流量與向地下滲漏的量的比例；Q代表當前柵格的地表徑流量，mm；Qcup是指上游的地表有效累計徑流量，mm。在計算地表有效累計徑流時使用ArcView GIS 3.3中拓展模塊HydroTools 1.0，選擇組合匯流方式(MDD8)并添加Tr圖層，本研究中喀斯特區(qū)坡度大于8°區(qū)域Tr設置為0.08[14]，非喀斯特區(qū)和坡度小于8°的喀斯特區(qū)設置為1。

當平均降雨發(fā)生日降水量(R0/mm)超過土壤水分存儲量(Rc/mm)時則產生地表徑流：

Q=Rf·exp(-Rc/R0)·(L/10)0.1；

(9)

Rc=1 000·Ms·Bd·Ehd·(Et/E0)0.5。

(10)

式中：L為柵格單元大小，取30 m；Ms為田間持水量，%；Bd為土壤密度，t/m3；Ehd為土壤有效水文深度，m；Et/E0為實際蒸散與潛在蒸散之比。

輸沙模塊包括土壤剝蝕量與徑流運輸量2個部分。

土壤剝蝕量為降雨濺蝕量(F/(t/(hm2·a1))與徑流沖蝕量(Hp/(t/(hm2·a1))之和：

J=F+Hp；

(11)

F=K·Ke·10-3。

(12)

(13)

式中：K為土壤可蝕性，g/J；Coh為土壤凝聚力，kPa；S為坡度，(°)；Gc為地被覆蓋度，%。

徑流運輸量計算公式如下：

(14)

式中：G為徑流運輸量，t/(hm2·a)；C和P為通用土壤方程(USLE)中的植被作物管理因子。

2.2.2 RMMF模型的參數率定 基于研究區(qū)的地質地貌情況，部分模型參數分為喀斯特區(qū)與非喀斯

特區(qū)進行率定，其中，土壤參數按照不同植被類型和不同土壤類型進行設置，根據環(huán)江縣第2次土壤普查成果《環(huán)江土壤》中土壤機械組成和有機質含量，由美國華盛頓州立大學開發(fā)的土壤水特性軟件SPAW計算得到田間持水量和土壤密度，參照文獻Morgan等[15]計算土壤可蝕性和設置土壤凝聚力?？λ固貐^(qū)植被特征參數，如植被冠層高度、植被降雨截留率、土壤有效水文深度、實際與潛在蒸散比、地被覆蓋度等[18]和Feng等[14]在喀斯特區(qū)的調查數據和參數進行設置。非喀斯特區(qū)則參考Morgan等[14]中的參考值進行設置。植被和作物管理因子參考Chen等[9]設置。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕總體概況和結果驗證

3.1.1 土地利用類型變化 環(huán)江縣土地利用類型以林地為主，占研究區(qū)面積的70.00%左右；其次為耕地和草地，分別占研究區(qū)總面積的16.00%和11.70%左右；水域和建筑用地很小 (表1)。與1991年各土地利用類型面積相比，喀斯特區(qū)2000年林地面積有下降趨勢，減少了2.13 km2，其他地類面積變化不大。與2000年相比，2010年林地面積增加了4.43 km2，其中有林地和灌木林地分別減少了3.55 km2和5.91 km2，其他林地增加了12.70 km2，主要是未成林造林地；耕地面積減少3.9 km2，其中旱地減少8.78 km2，水田面積增加4.88 km2，草地面積變化不大。非喀斯特區(qū)各種土地利用類型面積變化較喀斯特區(qū)明顯：與1991相比，2000年耕地面積增加9.27 km2，林地面積減少8.72 km2；2010年耕地面積較2000年減少了23.51 km2，主要是旱地面積減少，林地面積增加了25.77 km2。

3.1.2 土壤侵蝕概況 由RMMF模型計算的土壤侵蝕模數經單位轉換后，1991、2000和2010年環(huán)江縣土壤侵蝕特征如表2所示?？λ固貐^(qū)1991、2000、2010年喀土壤侵蝕模數分別為9.50、10.51和6.03 t/(km2·a)，平均值為8.68 t/(km2·a)；非喀斯特區(qū)3年土壤侵蝕模數分別為126.04、125.46和81.97 t/(km2·a)，平均值為111.16 t/(km2·a)?？λ固貐^(qū)和非喀斯特區(qū)3年土壤侵蝕總量的平均值分別為1.68 萬t 和29.03萬t，非喀斯特區(qū)3年土壤侵蝕總量均占全縣侵蝕總量的94%以上，說明環(huán)江縣土壤侵蝕導致的泥沙流失主要發(fā)生在非喀斯特區(qū)。

依據中國水利部2008年頒布的SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》以及2009年頒布的喀斯特區(qū)土壤侵蝕分級標準，分別對喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)土壤侵蝕強度進行分級(圖2)，環(huán)江縣以微度侵蝕為主且廣泛分布于全縣各處，輕度及其以上強度等級主要分布于環(huán)江縣東北部分。

圖2 1991、2000和2010年環(huán)江縣土壤侵蝕等級分布圖Fig.2 Spatial distribution of different soil erosion grades in Huanjiang County in 1991, 2000 and 2010

3.1.3 RMMF模型結果驗證 在本研究中，由模型模擬估算的喀斯特區(qū)年土壤侵蝕模數介于6.03～10.51 t/(km2·a)，與陳洪松等[19]在環(huán)江縣的徑流小區(qū)觀測結果0.6～27.2 t/(km2·a)以及黃承標等[20]在環(huán)江縣木論自然保護區(qū)徑流小區(qū)觀測結果1.17～5.87 t/(km2·a)均比較相近。非喀斯特區(qū)以紅壤為主，模型估算的年土壤侵蝕模數為81.97～126.04 t/(km2·a)，與謝小立等[21]的徑流小區(qū)觀測結果2.22～277.01 t/(km2·a)比較相近。由于環(huán)江水文站沒有泥沙觀測數據，筆者選擇同流域下游的三岔水文站泥沙數據進行對比，三岔站1986—2015年輸沙模數為18.4～222 t/(km2·a)，平均值為88.88 t/( km2·a)，與RMMF模型模擬的土壤侵蝕模數(表2)相近。這表明該模型可應用于環(huán)江縣土壤侵蝕特征分析，且模擬結果比較可靠。

3.2 不同土地利用類型土壤侵蝕數量特征

環(huán)江縣不同土地利用類型土壤侵蝕特征統(tǒng)計分析見表3。旱地土壤侵蝕模數均最大，并且遠遠大于同地貌區(qū)域其他土地利用類型的土壤侵蝕模數，喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)3年土壤侵蝕模數的平均值分別為92.89和538.03 t/(km2·a)，主要原因是旱地受耕作影響，地表土壤疏松，更易發(fā)生土壤侵蝕[22]；而林地和草地，人類干擾較小，植被和土壤都較為穩(wěn)定，不易發(fā)生土壤侵蝕。從土壤侵蝕量看，旱地產生的土壤侵蝕量也是最大，1991年分別占喀斯特和非喀斯特區(qū)土壤侵蝕總量的86.29%和74.63%，2000年分別占85.73%和74.44%，2010年分別占84.46%和70.50%。此外，中覆蓋度草地和其他林地土壤侵蝕模數較大，其余土地利用類型下土壤侵蝕模數較小，其中喀斯特區(qū)有林地土壤侵蝕模數最小，非喀斯特區(qū)高覆蓋度草地土壤侵蝕模數最小。

表3 1991、2000和2010年環(huán)江縣不同土地利用類型土壤侵蝕量特征

3.3 土壤侵蝕對土地利用變化的響應

RMMF模型估算的土壤侵蝕量主要受到降雨參數和土地利用類型數據的影響，筆者使用1991年降雨數據對2000年和2010年土壤侵蝕量進行情景模擬，以探討相同降雨條件下土壤侵蝕對土地利用變化的響應。

降雨條件相同時，喀斯特區(qū)各地類土壤侵蝕模數變化較小(表4)，2010年土壤侵蝕模數較1991年減少0.25 t/(km2·a)。非喀斯特區(qū)中，旱地土壤侵蝕模數變化最大，1991和2010年土壤侵蝕模數分別為617.28和543.38 t/(km2·a)；其次為其他林地，2000年土壤侵蝕模數最大，為76.04 t/(km2·a)，1991和2010年土壤侵蝕模數分別為67.67和61.07 t/(km2·a)。2010年土壤侵蝕模數減少主要原因是退耕還林等生態(tài)工程實施后區(qū)域植被整體呈恢復趨勢，植被覆蓋度增加[23-24]，使得土壤侵蝕量由徑流輸運量限制轉變?yōu)橥寥绖冸x量限制，從土壤中分離的泥沙顆粒減少，土壤侵蝕模數減少。

與1991年相比，2000和2010年喀斯特區(qū)土壤侵蝕量分別增加294.51 t和減少494.47 t，其中旱地分別增加320.95 t和減少523.67 t，灌木林地土壤侵蝕量分別減少39.08 t和60.03 t。非喀斯特區(qū)旱地土壤侵蝕量持續(xù)減少，2010年土壤侵蝕量較1991年少39 613.19 t，占全縣土壤侵蝕減少量的95.28%。此外，2010年其他林地土壤侵蝕量較2000年增加了2 175.30 t，主要是因為其他林地面積明顯增加。

表4 情景模擬下1991、2000和2010年不同土地利用類型土壤侵蝕特征

4 結論

本研究應用RMMF模型，根據喀斯特/非喀斯特地貌類型分別對滲漏比例圖層進行賦值，定量評估了環(huán)江縣的土壤侵蝕總量和土壤侵蝕強度，并應用水文站泥沙監(jiān)測數據和徑流小區(qū)觀測數據對模型結果進行驗證，侵蝕量與觀測結果較為吻合。得到如下結論：

1)土壤侵蝕產沙主要發(fā)生在非喀斯特區(qū)。1991、2000和2010年喀斯特區(qū)3年平均土壤侵蝕總量為1.68萬t，非喀斯特區(qū)為29.03萬t，非喀斯特區(qū)3年土壤侵蝕總量均占全縣侵蝕總量的94%以上。

2)不同土地利用類型土壤侵蝕模數和土壤侵蝕量差異較大。從土壤侵蝕模數來看，旱地最大，其次為中覆蓋度草地和其他林地，喀斯特區(qū)有林地最小，非喀斯特區(qū)高覆蓋度草地最小。從土壤侵蝕量來看，旱地最大，分別占喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)侵蝕總量的80%和70%以上，是主要的土壤侵蝕來源。

3)生態(tài)工程實施后，由于耕地減少、林地增加，土壤侵蝕總量降低。在降水條件相同的情況下(1991年降雨數據)，旱地的變化對土壤侵蝕變化影響最大，其次為其他林地，其他土地利用類型影響較小。2010年土壤侵蝕量較1991年減少4.21 萬t。其中，非喀斯特區(qū)2010年旱地較1991年減少3.96 萬t，占全縣土壤侵蝕減少量的95.28%。2000年生態(tài)工程實施前后，喀斯特區(qū)土壤侵蝕由增加(1.60%)變?yōu)闇p少(-4.21%)，而非喀斯特區(qū)土壤侵蝕減少程度加大(由-4.24%變化為-8.76%)。

RMMF模型使用的降雨參數有3個：年降雨量、平均降雨發(fā)生日降水量以及降雨強度。由于未獲取研究區(qū)內次降雨數據，降雨強度使用季風氣候區(qū)的推薦值30 mm/h，這在一定程度上影響了模擬精度；此外，匯流時河道閾值的設置也會影響估算結果，是模型應用中需要重點考慮的問題。

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EstimationofsoilerosionanditsresponsetolandusechangeinKarstregionsatcountyscale

LI Chengzhi1, 2, 3, LIAN Jinjiao1, 2, CHEN Hongsong1, 2, FENG Teng1, 2, 3, FU Zhiyong1, 2

(1.Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, 410125, Changsha, China; 2.Huanjiang Observation and Research Station for Karst Ecosystems, Chinese Academy of Sciences,547100, Huanjiang, Guangxi, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China)

BackgroundIn the Karst region of Southwest China, where is characterized with the fragile ecological environment and sharp contradiction between the large population and limited land resources, rocky desertification is severe. The changes of land use types and degrees of human disturbances would affect soil loss amount and levels of rocky desertification. Therefore, it is important to simulate the soil erosion in the Karst area and to study the response of soil erosion to land use type changes.MethodsBased on the modified RMMF model and ArcGIS technology, this paper simulated the soil erosion in Huanjiang County in 1991, 2000 and 2010. The response of soil erosion to land use type changes was simulated under the same rainfall condition.ResultsFine agreements of RMMF simulated soil loss and observations from hydrological stations were obtained. The results showed that the soil erosion modulus decreased from 76.36 t/(km2·a) in 1991 and 76.46 t/(km2·a) in 2000 to 49.60 t/(km2·a) in 2010. The sediment yields were 34.76×104, 34.80×104and 22.58×104t for 1991, 2000 and 2010, respectively. The non-Karst area is the main sediment source area, and its mean soil loss amount accounted for about 94% of total soil loss amount of Huanjiang County. Most areas suffered from slight degree of soil erosion, accounting for more than 90%, while the other areas suffered from higher levels of soil erosion, accounting for very small proportion. Compared with values of other land use types, the soil erosion modulus of dry land was much larger, followed by medium coverage grassland. Specifically, over 80% and 70% of soil loss amounts were from dry lands for Karst area and non-Karst area, respectively. For the same land use type, the non-Karst area had a larger soil erosion modulus than the Karst area. In the scenario simulation, the rainfall data of 1991 was used instead of the original rainfall data to estimate soil erosion in 2000 and 2010, and the sediment yield decreased 4.21×104t from 1991 to 2010 due to the decrease in dry land area. The sediment yields in 2010 decreased by 4.21% and 8.76% of those in 2000 for Karst area and non-Karst area, respectively.ConculsionsThese results indicated that the soil erosion amount had reduced since 2010 by reducing the dry land area and increasing vegetation coverage in Huanjiang County. This study may provide a reference basis for regional soil erosion estimation and soil-water conservation effectiveness assessment in Karst region.

soil erosion; RMMF model; Karst; land use type

S157.1

A

2096-2673(2017)05-0039-09

10.16843/j.sswc.2017.05.006

2017-03-31

2017-06-21

項目名稱： 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)“黔桂喀斯特山地水土要素時空變化過程及其生態(tài)效應”(2015CB452703)；國家重點研發(fā)計劃“水土流失/漏失關鍵過程與阻控技術”(2016YFC0502403)

李成志(1990—)，男，碩士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail: lichengzhi15@mails.ucas.ac.cn

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陳洪松(1973—)，男，博士，研究員。主要研究方向：水土保持與生態(tài)水文。E-mail: hbchs@isa.ac.cn