毛晶晶，汪光勝

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000 )

2000—2015江淮分水嶺區(qū)域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化

毛晶晶，汪光勝

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000 )

基于GIS和RS技術(shù)，利用江淮分水嶺2000年、2005年、2010年、2015年4期遙感影像數(shù)據(jù)，計(jì)算并對(duì)比該區(qū)域4期的土壤侵蝕量，達(dá)到對(duì)江淮分水嶺土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：1)江淮分水嶺區(qū)域土壤侵蝕空間分布主要為皖西山地丘陵區(qū)，皖東環(huán)滁低山丘陵地帶，微度和輕度侵蝕的土壤面積占總面積的99%以上。2)江淮分水嶺區(qū)域15 a間土壤侵蝕模數(shù)總體下降14.21 t/(km2·a)，各等級(jí)土壤侵蝕面積向微度侵蝕轉(zhuǎn)移，土壤侵蝕狀況總體發(fā)生好轉(zhuǎn)。3)15 a間江淮分水嶺區(qū)域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變明顯，耕地面積減少2 208.17 km2(7.23%)，林地、水體面積分別增加133.76 km2(2.80%)、552.34 km2(15.71%)。植被覆蓋度的提高和水域面積的增加是土壤侵蝕改善的根本因素。

土壤侵蝕；USLE；江淮分水嶺

土壤是地球陸地表面的薄弱層，是人類(lèi)賴(lài)以生存的基本環(huán)境資源，而土壤侵蝕已成為當(dāng)今全球環(huán)境變化的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-3]。USLE模型是目前應(yīng)用最為廣泛的土壤侵蝕模型，最先由美國(guó)學(xué)者提出，并進(jìn)行了科學(xué)研究[4-5]，形成了較為完整的研究體系。20世紀(jì)80年代后，開(kāi)始引入我國(guó)，我國(guó)學(xué)者主要從土壤侵蝕的區(qū)域分布[6]和時(shí)間變化[7]角度展開(kāi)定量研究，研究區(qū)域多為省域[8]、河流流域[9]以及地形區(qū)[10]等。這些研究大多采用GIS與USLE模型相結(jié)合的方式，或是對(duì)USLE模型進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，在土壤侵蝕研究中取得了豐富成果。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，江淮分水嶺地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)不斷加強(qiáng)。而目前這種強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該區(qū)域土壤侵蝕狀況是否產(chǎn)生影響，土壤侵蝕是否發(fā)生明顯變化鮮有報(bào)道。因此，本文基于USLE模型，估算江淮分水嶺區(qū)域2000—2015 4個(gè)不同時(shí)期的土壤侵蝕量，以達(dá)到對(duì)土壤侵蝕空間布局、時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而為江淮分水嶺區(qū)域水土保持規(guī)劃和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化等提供科學(xué)有效的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

以江淮分水嶺位于安徽省內(nèi)部的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，研究區(qū)面積約4×104m2，海拔在100～300 m之間，包括合肥、滁州、蚌埠、六安等16個(gè)市(區(qū)、縣)。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛c亞熱帶的過(guò)渡氣候區(qū)，年均降水量900 m，雨量相對(duì)充沛。研究區(qū)的土壤以黃棕壤和粗骨土及黑色石灰土、紫色土、石質(zhì)土等為主，土層大多淺薄、抗侵蝕能力弱，水土流失成為該區(qū)域一個(gè)重要的生態(tài)[11]問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

影像數(shù)據(jù)為覆蓋安徽省2000年、2005年、2010年和2015年(影像獲取時(shí)間均為7月份)的Landsat TM、ETM遙感影像，影像的地面分辨率為30 m；土壤數(shù)據(jù)為全國(guó)第二次土壤普查結(jié)果1∶50萬(wàn)的安徽省土壤分布類(lèi)型圖；地形數(shù)據(jù)為柵格分辨率1∶50萬(wàn)的安徽省DEM數(shù)據(jù)；降水量數(shù)據(jù)來(lái)源于滁州、蚌埠、合肥等19個(gè)離散分布于江淮分水嶺及周邊區(qū)域的氣象站點(diǎn)逐日地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，周邊區(qū)域站點(diǎn)數(shù)據(jù)參與空間插值處理，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為1953—2015。

使用ENVI軟件對(duì)影像進(jìn)行拼接，利用江淮分水嶺行政矢量文件進(jìn)行裁剪，并在ArcGIS10.0軟件中，參照安徽省1︰50萬(wàn)地形圖，對(duì)影像進(jìn)行幾何校正；采用高斯—克呂格投影和二項(xiàng)式校正，配準(zhǔn)精度均小于0.5個(gè)像元。

采用監(jiān)督分類(lèi)與目視解譯相結(jié)合的方式，參照中國(guó)科學(xué)院土地利用覆蓋分類(lèi)體系，將土地利用類(lèi)型分為林地、草地、耕地、水體、建設(shè)用地和未利用地6大類(lèi)。2000年與2015年土地利用分類(lèi)如圖1所示，由圖1可以看出，15 a間江淮分水嶺土地利用類(lèi)型分布發(fā)生了明顯的變化，以建設(shè)用地的變化最為明顯。

圖1 2000年(左圖)、2015年(右圖)江淮分水嶺區(qū)域土地利用分類(lèi)

2 研究方法

2.1 USLE土壤流失方程

基于GIS平臺(tái)，采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部1978年刊出的通用土壤流失方程(USLE)，該模型主要受降雨因子、地形因子、土壤侵蝕因子、土地利用因子的影響，并被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕的定量計(jì)算和分析[12-13]。

通用土壤流失方程USLE基本形式為[7]：

A=R·K·L·S·C·P.

(1)

式中:A表示土壤侵蝕量,( t/hm2·a)；R表示降雨侵蝕力因子,(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)；K表示土壤可蝕性因子,(t/m·J)；L表示坡長(zhǎng)因子,m；S表示坡度因子,%；C表示覆蓋與管理因子；P表示水土保持因子。

2.2 降雨侵蝕力因子R值

R值是反映一個(gè)區(qū)域土壤侵蝕性降雨宏觀特征的重要指標(biāo)，反映了土壤的潛在侵蝕能力，主要受降水相關(guān)的綜合因素影響。本文根據(jù)安徽省降水與多年總結(jié)的侵蝕特性，采用基于月平均降水量和年降水量的經(jīng)驗(yàn)公式，公式[14]為

(2)

式中：pi為第i月平均降水量,mm；p為年降水量,mm。計(jì)算江淮分水嶺區(qū)域各站點(diǎn)平均侵蝕力度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 江淮分水嶺區(qū)域各站點(diǎn)年平均降雨量及年平均侵蝕力度

由表1可知，江淮分水嶺區(qū)域多年年均降水量在1 000 mm左右，南部整體高于北部；年均侵蝕力度多數(shù)分布在250～400(MJ·mm)/(hm2·h·a)之間，年均侵蝕力度與年均降水量分布一致性較好，部分地區(qū)出現(xiàn)年均降水量高，而年均侵蝕力度較低的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)檫@些地區(qū)月降水量相對(duì)均衡。

2.3 土壤可蝕性因子K值

K值本身是土壤抵抗水蝕能力大小的一個(gè)相對(duì)綜合指標(biāo)，K值的大小通常與土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤通透性具有相關(guān)性。K值越大，其抗沖蝕能力越小，反之其抗沖蝕能力越強(qiáng)。本研究結(jié)合江淮分水嶺流域1∶50萬(wàn)的土壤類(lèi)型圖采用EPIC模型中的K值估算公式[15]，計(jì)算不同土壤類(lèi)型的K值，公式如下：

(3)

式中：Wd為砂粒含量,%；Wi為粉粒含量,%；Wt為黏粒含量,%；Wc為有機(jī)碳含量,%。其中,K值的單位為國(guó)際制，(t·hm2·h)/(MJ·hm2·mm)，結(jié)果如表2所示。

表2 江淮分水嶺區(qū)域各土壤類(lèi)型K值

2.4 地形因子LS值

地形因子LS表示在其他地理環(huán)境因子相同的條件下，某一給定坡度和坡長(zhǎng)的坡面上，土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)土壤流失量的比值，該因子反映了地形起伏對(duì)土壤侵蝕的增減作用，一般情況下，侵蝕作用會(huì)隨著坡度的增高、坡長(zhǎng)的增大加劇[16]。基于DEM數(shù)據(jù)提取坡度因子S，采用參考Liu[17]等改進(jìn)的坡度公式進(jìn)行坡度計(jì)算。

(4)

式中：S表示坡度因子，θ為像元坡度，(°)。

坡長(zhǎng)因子L需標(biāo)準(zhǔn)化到22.13 m的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上，美國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)表達(dá)坡度為9%，寬2 m，坡長(zhǎng)為22.13 m，并連續(xù)保持順坡耕作裸露休閑狀態(tài)，坡長(zhǎng)為λ(m)坡地上的平均侵蝕量，公式為

L=(l/22.13)m.

(5)

式中：L表示坡長(zhǎng)因子，l表示像元坡長(zhǎng)，l的計(jì)算見(jiàn)式(6)，m表示坡長(zhǎng)指數(shù)，m的取值見(jiàn)式(7)。

(6)

式中：li為第i個(gè)像元坡長(zhǎng)，Di為沿徑流方向第i像元坡長(zhǎng)的水平投影距離(在柵格圖像中為兩相鄰像元中心距，隨方向而異)；θi為第i個(gè)像元的坡度，(°)；i為自山脊像元至待求像元個(gè)數(shù)。

(7)

式中：β為像元坡度比,%。

2.5 覆蓋管理因子C值及水土保持因子P值

地表覆蓋因子C是指在相同的土壤、坡度和降雨條件下，某一特定作物或植被下的土壤流失量與耕種過(guò)后連續(xù)休閑地的土壤流失量比值[18]。由于地表植被覆蓋狀況的不同，土壤侵蝕的抑制力大小也不同，當(dāng)植被覆蓋率低時(shí)，C值為1。當(dāng)水土保持狀況較好時(shí)，C值為0。根據(jù)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的地表覆蓋因子C的取值見(jiàn)表3。

水土保持措施因子P是指特定保持措施下的土壤流失量，與未實(shí)施保持措施之前相應(yīng)地塊順坡耕作時(shí)的土壤流失量之比值。土壤保持措施主要通過(guò)調(diào)整水流匯流方向、減少斜坡坡度、徑流量、徑流速。當(dāng)P值為1，表示未采用任何保持措施的區(qū)域；當(dāng)P值為0，表示不可能發(fā)生土壤侵蝕的區(qū)域，即水體。本文依據(jù)湯麗潔在巢湖流域水土流失評(píng)估成果[16]并結(jié)合安徽省土地利用及農(nóng)事活動(dòng)情況，對(duì)P進(jìn)行賦值,見(jiàn)表3。

表3 各地類(lèi)C值、P值

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕的空間分布

在ArcGIS軟件中利用通用土壤流失方程對(duì)各因子進(jìn)行柵格計(jì)算。得到2000—2015 4個(gè)典型時(shí)期的土壤侵蝕空間分布(見(jiàn)圖2)。為量化江淮丘陵土壤侵蝕空間分布狀況，依據(jù)水利部劃分的土壤侵蝕等級(jí)[19]，對(duì)江淮分水嶺區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行劃分，并統(tǒng)計(jì)研究區(qū)2000—2015各等級(jí)土壤侵蝕面積(見(jiàn)表4)。

圖2 2000—2015江淮分水嶺區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)

侵蝕等級(jí)平均侵蝕模數(shù)/[t/km2·a]2000年2005年2010年2015年面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%微度<500400001296746399688996671401606797136404327797801輕度500～25001203842912122572229651093682645827972003中度2500～50001008002441106502686052014654810133強(qiáng)烈5000～800025920063261100632002004818760045極強(qiáng)8000～15000115200281227003086500215770014劇烈>1500028800071440003154000400

由圖2和表4可以看出，江淮分水嶺區(qū)域土壤侵蝕程度總體較低，且有進(jìn)一步減輕的趨勢(shì)，4個(gè)時(shí)期的微度侵蝕的面積占比均在96%以上，中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)侵蝕和劇烈侵蝕的總占比不足0.4%，其中,2015年江淮分水嶺區(qū)域劇烈侵蝕等級(jí)的面積近似為0。土壤侵蝕較嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在皖西山地丘陵區(qū)、皖東環(huán)滁低山丘陵地帶、巢湖西南側(cè)低山丘陵帶；西南部侵蝕較強(qiáng)，但有明顯減輕的趨勢(shì)，其他區(qū)域土壤侵蝕變化并不明顯。

3.2 土壤侵蝕的時(shí)間變化

對(duì)2000—2015期間研究區(qū)土壤侵蝕面積數(shù)據(jù)進(jìn)行變化量和變化率的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5，由表5可知，微度侵蝕和劇強(qiáng)侵蝕的土壤面積前一時(shí)期減少，后增加，且輕微侵蝕增加幅度不斷提高；劇烈侵蝕土壤面積變化量均較小；其他侵蝕等級(jí)的土壤面積均前一階段增加后一階段減少，其中輕度減少量最大，且減少幅度快速增加。說(shuō)明2000—2005土壤侵蝕強(qiáng)度整體有所增強(qiáng)，2005—2010和2010—2015期間，土壤侵蝕強(qiáng)度整體明顯減輕。

對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕量匯總得到2000—2015侵蝕模數(shù)，2000年、2005年、2010年、2015年土壤侵蝕模數(shù)分別為98.74 t/(km2·a)、99.95 t/(km2·a)、89.39 t/(km2·a)、84.53 t/(km2·a)。2005年土壤侵蝕模數(shù)有少量增加，增幅為1.23%，其他年份的土壤侵蝕模數(shù)均有所減小，到2015年，土壤侵蝕模數(shù)較2000年減少了14.21 t/(km2·a)，降幅為14.39%。侵蝕模數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，土壤侵蝕強(qiáng)度有所減輕，這與3個(gè)階段土壤侵蝕面積變化得出的結(jié)論相同。

表5 各等級(jí)土壤侵蝕變化統(tǒng)計(jì)

2000—2015期間微度侵蝕面積增加1.09%，增幅明顯，輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積分別減少31.22%、45.63%、27.62%、49.91%、100%，水土保持狀況改善。

3.3 土壤侵蝕強(qiáng)度變化因素

為研究江淮分水嶺區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度變化的主要影響因素，基于遙感解譯數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了2000年和2015年研究區(qū)土地利用情況(見(jiàn)表6)。由表6可知，耕地面積減少最多，達(dá)2 208.17 km2，減少了7.23%，草地面積減少了72.16 km2，降幅為17.54%，未利用地面積減少了9.74 km2，降幅為11.35%；建設(shè)用地面積大幅增加，增加了1 703.97 km2，增幅為49.73%，水體面積增加了552.34 km2，增幅為15.71%，林地面積增加了133.76 km2，增幅為2.80%。

表6 江淮分水嶺2000—2015土地利用變化情況

在通用土壤流失方程中，降水因子R、土壤可蝕性因子K、地形因子LS與自然環(huán)境相關(guān)性大，無(wú)法定量化，長(zhǎng)期較為穩(wěn)定。CP因子直接受到土地利用方式的影響，因此，CP因子對(duì)土壤侵蝕模數(shù)起著決定性作用，轉(zhuǎn)變土地利用方式可以認(rèn)為是土壤侵蝕問(wèn)題解決的關(guān)鍵。結(jié)合表3可知， 2015年土壤侵蝕程度與總量的下降與耕地面積大幅減少、建設(shè)用地、林地、水體的增加有一定關(guān)系，耕地面積的大幅度減少使得C和P因子降幅明顯。因此，可以在保持耕地的核心地位上，壓縮農(nóng)業(yè)用地，重點(diǎn)抓好皖中丘陵區(qū)的農(nóng)田建設(shè)，采用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，提高土地生產(chǎn)率，逐步建成旱澇保收，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基本農(nóng)田，擴(kuò)大林草種植面積，復(fù)墾回填，建立高效的城市規(guī)劃體系，節(jié)約城市土地面積。建設(shè)用地大量增加，導(dǎo)致地面硬化，土壤不易侵蝕，使得15a間土壤侵蝕狀況改善與建設(shè)用地的增加呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié) 論

基于USLE模型，對(duì)江淮分水嶺區(qū)域2000年、2005年、2010年、2015年4個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕量進(jìn)行了時(shí)空研究，得出如下結(jié)論：

1)江淮分水嶺區(qū)域土壤侵蝕總體上以微度、輕度侵蝕(0～2 500 t/ km2·a)為主，占流域侵蝕總面積的99%以上。重度侵蝕主要分布在皖西山地丘陵區(qū)，皖東環(huán)滁低山丘陵地帶，巢湖西南側(cè)低山丘陵帶。

2)江淮分水嶺區(qū)域2000年土壤侵蝕模數(shù)為98.74 t/(km2·a)，2005年為99.95 t/(km2·a)，2010年為89.39 t/(km2·a)，2015年為84.54 t/(km2·a)，土壤侵蝕模數(shù)總體呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，各等級(jí)土壤侵蝕面積向微度侵蝕轉(zhuǎn)移，總體轉(zhuǎn)移量達(dá)436.05 km2，土壤侵蝕狀況總體發(fā)生好轉(zhuǎn)，水土保持狀況改善。

3)2000—2015江淮分水嶺區(qū)域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變明顯，耕地面積下降7.23%，林地、水體面積分別增加133.76 km2(2.80%)、552.34 km2(15.71%)。15 a來(lái)研究區(qū)的土壤侵蝕程度與總量的下降依賴(lài)于該區(qū)域生態(tài)性退耕還湖、還林政策以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。但其中也有相當(dāng)部分原因在于建設(shè)用地對(duì)土壤的固化，此部分土壤實(shí)際侵蝕狀況有待進(jìn)一步研究。

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Dynamic changes of soil erosion in Jianghuai watershed area from 2000 to 2015

MAO Jingjing, WANG Guangsheng

(Geography Information and Tourism College, Chuzhou University, Chuzhou 239000,China)

Based on GIS and RS technology, the four remote sensing image data of Jianghuai watershed 2000, 2005, 2010 and 2015 were used to calculate and compare the soil erosion of the region, to achieve the goal of temporal and spatial dynamic monitoring of soil erosion of the Jianghuai watershed. The results show that: (a) The spatial distribution of soil erosion in the Jianghuai watershed area is mainly in the hilly area of west Anhui and around the Chuzhou. In addition, the soil area of mired and mild erosion accounts for more than 90 % of the total area. (b) During the 15 years, the total soil erosion modulus of the Jianghuai watershed decreased by 14.21 t/(km2·a). The soil erosion intensity of each grade was transferred to the micro erosion, and in better circumstances. (c) The change of land use type in the Jianghuai watershed in 15 years is obvious. The cultivated land area decreased by 2208.17 km2(7.23%). The woodland and water area increased by 133.76 km2(2.80%) and 552.34 km2(15.71%), respectively. The improvement of vegetation coverage and the increase of water area are the fundamental factors of soil erosion improvement. The result can provide the scientific basis for the improvement of soil erosion in the Jianghuai watershed area.

soil erosion; USLE; Jianghuai watershed area

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.06.004

2017-04-14

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201610377019)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201610377042)；滁州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(2016CXXL048)

毛晶晶 (1995- )，女，本科生，研究方向：地理信息系統(tǒng).

S157.1

A

1671-4679(2017)06-0017-07

[責(zé)任編輯：郝麗英]