王 萌, 劉 云, 宋 超, 李春蕾, 肖文發(fā)

(1.北京農(nóng)學(xué)院 北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 102206;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)與環(huán)境保護研究所, 北京 100000)

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融或重力等外營力作用下，被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1]。作為全球最大的生態(tài)環(huán)境問題之一，土壤侵蝕會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，理化性質(zhì)變差，土地荒漠化，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，河流、湖泊泥沙淤積等諸多環(huán)境問題[2]。中國由于人口眾多，地質(zhì)條件和地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土壤侵蝕已嚴(yán)重威脅著人類生存與社會經(jīng)濟發(fā)展，成為21世紀(jì)人類社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)之一[3]。

修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE模型),是由美國農(nóng)業(yè)部在通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)的基礎(chǔ)上修正而成的[4]。RUSLE模型因其簡潔的計算公式和較低的數(shù)據(jù)需求已成為全球應(yīng)用廣泛的土壤侵蝕定量估算模型[5]。在模型使用的過程中，往往忽略植被覆蓋的季節(jié)動態(tài)性和降水的季節(jié)不均勻性，采用年總降水計算的降水侵蝕力因子和單一的植被覆蓋因子參與運算。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，快速獲取陸地植被覆蓋狀態(tài)成為可能，因此充分考慮植被覆蓋的季節(jié)變化特征與降水組合具有可行性。中國學(xué)者也運用該模型做了大量研究：許月卿等[6]對貴州貓?zhí)恿饔虻耐寥狼治g量進行了計算；彭建等[7]對云南麗江的土壤侵蝕特征進行了分析；蔣春麗等[8]對黑龍江省土壤保持量多年的空間分布特征進行了評價；李天宏等[9]對延河流域多年的土壤侵蝕動態(tài)變化進行了研究,等等。這些研究結(jié)果對管理部門采取相關(guān)措施，減少土壤侵蝕，推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

三峽庫區(qū)東起湖北宜昌，西至重慶江津，地理位置為東經(jīng)105°50′—111°40′，北緯28°31′—31°44′，包括湖北省和重慶市共20個區(qū)、縣，總面積約為5.78×104km2。庫區(qū)屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫17～19 ℃，年降水量為1 000～1 200 mm。地貌以山地、丘陵為主；土壤類型以紫色土、石灰土、黃壤、黃棕壤為主；土地利用類型包括林地、灌叢、草地、果園、耕地、水體和城鎮(zhèn)建設(shè)用地等。自庫區(qū)建成以來，土地利用和植被覆蓋發(fā)生巨大變化，加劇了土壤侵蝕的發(fā)生。由于生態(tài)環(huán)境的脆弱性及其作為長江中下游生態(tài)安全屏障的重要地位，三峽庫區(qū)成為中國水土保持工作的重點地區(qū)[11]。三峽工程實施后，國家采取了一系列的封山育林措施，評估三峽大壩建成后的土壤侵蝕情況，可以間接評估三峽庫區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能是否得到提升。

本文應(yīng)用擬GIS和RS技術(shù)，基于多源數(shù)據(jù)，采用RUSLE模型計算長江三峽庫區(qū)2000，2005，2010年的土壤侵蝕量，分析該地區(qū)土壤侵蝕強度分布特點，評價三峽庫區(qū)建成后的10 a間土壤侵蝕的動態(tài)變化，以期為區(qū)域土壤侵蝕合理化治理提供依據(jù)。

1 計算方法

1.1 RUSLE模型

修正通用土壤流失方程(RUSLE)的表達式為:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A——年平均土壤侵蝕量；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕性因子；LS——坡長、坡度因子；C——植被覆蓋與管理因子；P——水土保持措施因子。RUSLE模型的應(yīng)用，關(guān)鍵在于R，K，LS，C，P這些因子的確定和求算。

1.2 RUSLE模型各因子的計算

1.2.1 降雨侵蝕因子R的估算 降水是引起土壤侵蝕的重要原因之一，主要是由降雨雨滴所攜帶的動能對土粒產(chǎn)生沖擊而引發(fā)土壤侵蝕。R值是降雨能量和強度的函數(shù)，在實際研究工作中一般用來反映降雨對土壤侵蝕的影響[10]。國內(nèi)，章文波等[11]利用日降雨量建立的中國降雨侵蝕力模型得到了廣泛應(yīng)用，王明曉[12]結(jié)合章文波和其他學(xué)者的降雨侵蝕力模型，以長江三峽庫區(qū)近40 a來的降雨資料為基礎(chǔ)，通過差值計算和回歸分析，得到了適用于長江三峽庫區(qū)的降雨侵蝕力R值簡便算法，計算公式為：

(2)

式中：R——年降雨侵蝕力；Pi(≥12mm，否則以0計算)為月降雨量(mm)。

1.2.2 土壤可蝕性因子K的估算 在眾多影響土壤侵蝕的因素中，土壤自身的抗侵蝕能力也是不可忽略的，國際上通常用土壤可蝕性K值來衡量[13]。K值大小表示土壤被侵蝕的難易程度，反映土壤對侵蝕外營力剝蝕和搬運的敏感性，是進行土壤侵蝕定量評價的重要參數(shù)[14]。土壤可蝕性作為土壤特性，可蝕性K值具有唯一性，即一種土壤只能有一個值[15]。本研究選用吳昌廣等結(jié)合前人研究成果經(jīng)過計算、實測和驗證得到的三峽庫區(qū)各土類土壤可蝕性K值[16]見表1。

1.2.3 坡度坡長因子LS的估算LS因子反映了地形地貌特征中坡長與坡度對土壤侵蝕的影響，二者是降雨侵蝕動力的加速因子。地形因子通過影響坡面徑流的流速和流量，進而影響水流的攜沙能力和土壤侵蝕強度。坡度因子S是指標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下，任意坡度下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下的單位面積土壤流失量之比值。同樣，坡長L因子是指在其他條件相同的情況下，任意坡長的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下單位面積土壤流失量之比值。坡度因子采用Nearing等[17]提出的坡度因子連續(xù)函數(shù)回歸方程估算，公式為：

(3)

式中：θ——坡度(°)，該方程綜合考慮了緩坡和陡坡的影響，適用于各種坡度因子計算。

坡長因子采用Moore等[18]提出的RUSLE坡長因子計算公式：

(4)

式中:λ——水平坡長(m)；m——坡長指數(shù)；22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長(m)，其中m取值如下：

(5)

1.2.4 植被覆蓋與管理因子C的估算 植被覆蓋與管理因子C反映的是覆蓋和管理對土壤侵蝕的影響，定義為在一定條件下有植被覆蓋坡地的土壤流失量與同等條件下適時翻耕、連續(xù)休閑對照地上的土壤流失量之比。它是一個無量綱數(shù)，其值變化范圍在0～1之間。C因子評價的是所有與覆蓋有關(guān)的變量對土壤侵蝕的綜合作用，是侵蝕動力的抑制因子。為解決遙感應(yīng)用的局限性，部分學(xué)者嘗試?yán)脷w一化植被指數(shù)提取區(qū)域尺度上的C值。Lin等[19]建立的C因子與NDVI的非線性回歸方程適用廣泛。

C=〔(1-NDVI)/2〕1+NDVI

(6)

本文以2000，2005，2010年30 d合成的MODIS-NDVI(MOD13A3)產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，利用公式(6)計算得到三峽庫區(qū)的C值。

1.2.5 水土保持措施因子P的估算 水土保持措施P因子是指采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量，比值介于0～1。水土保持措施主要包括耕作措施和工程措施兩大類，如等高耕作，帶狀耕作，修筑梯田等達到保水保土保肥，減少徑流量，以達到保持土壤的目的.本研究參考三峽庫區(qū)土地利用圖及相關(guān)研究成果和參考文獻[20-21]，確定P值(表2)，土地利用圖由TM影像獲取。

表2 不同土地利用類型的水土保持措施因子

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽庫區(qū)2000-2010年土壤侵蝕強度分析

應(yīng)用RUSLE模型計算2000，2005和2010年土壤侵蝕模數(shù)，根據(jù)水利部頒發(fā)的SL190-2007《土壤侵蝕強度分類分級標(biāo)準(zhǔn)》[22]，將庫區(qū)的土壤侵蝕劃分為微度侵蝕〔<5 t/(hm2·a)〕、輕度侵蝕〔5～25 t/(hm2·a)〕、中度侵蝕〔25～50 t/(hm2·a)〕、強度侵蝕〔50～80 t/(hm2·a)〕、極強度侵蝕〔80～150 t/(hm2·a)〕和劇烈侵蝕〔>150 t/(hm2·a)〕6個標(biāo)準(zhǔn)(表3)，制作三峽庫區(qū)2000，2005和2010年的土壤侵蝕強度等級空間分布圖(附圖3)。

由附圖3可以看出：2000年，三峽庫區(qū)除上段河流地帶外，其他地區(qū)土壤侵蝕較為嚴(yán)重，尤其是三峽庫區(qū)中段大部分地區(qū)表現(xiàn)為強度以上等級。隨著時間的推移，土壤侵蝕在一定程度上得到改善，強度等級減弱，尤其是三峽庫區(qū)的河流上段和中段地區(qū)。進一步比較2000，2005，2010年3個年份三峽庫區(qū)河流沿岸的土壤侵蝕情況，表現(xiàn)為以劇烈侵蝕和極強度侵蝕等級為主。分析其原因，可能是自三峽工程開展以來，庫區(qū)移民、城鎮(zhèn)擴建、毀林開荒等活動對地表植被造成破壞，引起長江沿岸土壤侵蝕等級強度惡化。

對比三峽庫區(qū)2000—2010年的土壤侵蝕具體情況(見表3)，可見三峽庫區(qū)土壤侵蝕狀況在2000—2010年得到一定程度的改善。主要體現(xiàn)在：強度以上等級(即強度，極強度和劇烈3個等級)土壤侵蝕面積大幅減少。面積由2000年的1.71×106hm2下降為2010年的6.82×105hm2，侵蝕比例由2000年的29.57%下降為2010年的11.80%；微度、輕度、中度侵蝕面積逐漸增加，由2000年的4.07×107hm2上升為2010年的5.11×107hm2，侵蝕比例由2000年的70.44%上升為2010年的88.21%。

表3 2000，2005和2010年三峽庫區(qū)各侵蝕強度等級的土壤侵蝕面積和比例

三峽庫區(qū)2000—2010年各區(qū)縣的土壤侵蝕模數(shù)見圖1。由圖1可見，2000年三峽庫區(qū)內(nèi)開縣和云陽的平均土壤侵蝕模數(shù)最高，達到60～75 t/(hm2·a)，巫溪、巫山、奉節(jié)、萬州和秭歸等區(qū)縣平均土壤侵蝕模數(shù)次之，為45～60 t/(hm2·a), 其他各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)都小于45 t/(hm2·a)。2005年各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)進一步減少，均小于45 t/(hm2·a)，平均土壤侵蝕模數(shù)比較大的區(qū)縣僅有7個(開縣、萬州、云陽、奉節(jié)、巫溪、巫山和興山)，為30～45 t/(hm2·a)，其他各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)均小于30 t/(hm2·a)。到2010年，所有區(qū)縣平均土壤侵蝕模數(shù)進一步減少，僅有5個(開縣、巫溪、巫山、巴東和秭歸)的平均土壤侵蝕模數(shù)為30～45 t/(hm2·a)，其它各區(qū)縣的平均土壤侵蝕模數(shù)均小于30 t/(hm2·a)。

2000—2010年這10 a間，僅秭歸縣的平均侵蝕模數(shù)變化異常，2000—2005年期間，秭歸縣的平均侵蝕模數(shù)由45～60 t/(hm2·a)減少為15～30 t/(hm2·a)，而2005—2010年期間，秭歸縣的平均侵蝕模數(shù)由15～30 t/(hm2·a)增加為30～45 t/(hm2·a)，其他區(qū)縣的平均侵蝕模數(shù)在2000—2010年的10 a間均在逐漸減少?？傮w上來看，2000,2005,2010年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為36.75,26.00,22.79 t/(hm2·a),平均侵蝕模數(shù)呈下降趨勢。

圖1 2000,2005和2010年三峽庫區(qū)各區(qū)縣土壤侵蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕

2.2 三峽庫區(qū)2000-2010年土壤侵蝕動態(tài)變化

計算土壤侵蝕強度的面積轉(zhuǎn)移矩陣見表4。由表4可以看出：2000—2005年,侵蝕強度沒有發(fā)生變化的面積為3.53×106hm2,占庫區(qū)總面積的61.14%.侵蝕強度增強的面積為2.01×105hm2，占庫區(qū)總面積的3.48%。侵蝕強度降低的面積為2.04×106hm2，占庫區(qū)總面積的35.38%。高強度侵蝕級別向低于其1～2級的侵蝕級別轉(zhuǎn)移趨勢明顯。

2005—2010年土壤侵蝕強度的面積轉(zhuǎn)移矩陣見表5。由表5可以看出：侵蝕強度沒有發(fā)生變化的面積為4.14×106hm2，占庫區(qū)總面積的71.71%。侵蝕強度增強的面積為4.60×105hm2，占庫區(qū)總面積的7.97%。侵蝕強度降低的面積為1.17×106hm2，占庫區(qū)總面積的20.32%。高強度侵蝕級別向低于其1級的侵蝕級別轉(zhuǎn)移趨勢明顯。

比較2個階段(2000—2005年期間，2005—2010年期間)，土壤侵蝕等級減弱的面積總體增加,但第1階段土壤侵蝕減弱的比例高于第2階段。

表4 2000-2005年土壤侵蝕強度面積轉(zhuǎn)換矩陣 102 hm2

表5 2005-2010年土壤侵蝕強度面積轉(zhuǎn)換矩陣 102 hm2

3 討論與結(jié)論

(1) 三峽庫區(qū)土壤侵蝕情況時間和區(qū)域特點明顯，2000—2005年期間，三峽庫區(qū)河流中段大部分地區(qū)表現(xiàn)為強度以上等級，而在2005—2010年期間，該區(qū)域土壤侵蝕強度等級減弱；相對而言，10 a期間，庫區(qū)河流其他區(qū)域的土壤侵蝕強度等級比較弱。

(2) 三峽庫區(qū)土壤侵蝕狀況在2000—2010年間得到一定程度的減弱，強度以上土壤侵蝕面積由2000年的1.71×106hm2下降為2010年的6.82×105hm2；庫區(qū)內(nèi)平均侵蝕模數(shù)由2000年的36.75 t/(hm2·a)下降為2010年的22.79 t/(hm2·a)。

(3) 三峽庫區(qū)經(jīng)過多年侵蝕治理，強度、極強度、劇烈侵蝕面積逐漸減少的同時，輕度、中度土壤侵蝕面積在逐漸增加并逐漸成為侵蝕情況的主流；但部分區(qū)縣的平均侵蝕模數(shù)和輕度侵蝕以上面積占比都有小幅度的增加，需要進一步加強對輕度、中度土壤侵蝕的治理。

本研究仍存在一定的不足，在運用RUSLE模型進行各因子的計算過程中，利用了國內(nèi)外已有的研究方法和相關(guān)地區(qū)的研究成果，由于不同地域差別的影響以及各數(shù)據(jù)精度的限制，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。今后的研究需要重點關(guān)注如何提高數(shù)據(jù)精度，同時結(jié)合實地考察來驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。

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