邱婭柳，耿 韌，洪靜雨，吳七斤，洪大林*

（1.南京市高淳區(qū)水務(wù)局，江蘇 南京 211300；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210009）

土壤侵蝕通過剝蝕、搬運(yùn)土壤，切割地表，破壞地面完整性，造成土地退化，危及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，侵蝕泥沙淤積河湖庫塘，加劇洪澇、干旱等災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)土壤侵蝕物攜帶營養(yǎng)物質(zhì)造成水體污染，嚴(yán)重威脅人類的生存和發(fā)展，是全球面臨的主要環(huán)境問題之一[1]。定量計(jì)算土壤侵蝕量可為合理利用和管理土地資源提供科學(xué)依據(jù)[2]，土壤侵蝕模型是定量計(jì)算土壤侵蝕量的重要方法之一[3-5]。通用土壤侵蝕模型（USLE）是世界上應(yīng)用最為廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]，近些年隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的快速發(fā)展，GIS結(jié)合ULSE已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕量的預(yù)報(bào)[1，6]。

ULSE是基于緩坡和年降雨的土壤侵蝕模型，其外延性不是甚好[7]。ULSE在我國的應(yīng)用過程中，應(yīng)注意降雨侵蝕力指標(biāo)、單位轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)設(shè)計(jì)、坡長坡度因子計(jì)算等問題，否則會導(dǎo)致結(jié)果不可比[8]?；谝陨辖Ｋ枷?，劉寶元結(jié)合我國水土流失的實(shí)際情況，提出水土保持措施的三分法分類，建立了適用于我國陡坡農(nóng)地的陡坡公式，采用不同精度降水資料估算降雨侵蝕力的計(jì)算方法，計(jì)算了我國主要土壤可蝕性因子值，建立了中國土壤流失方程（CSLE），并應(yīng)用于第一次全國水利普查水土保持情況普查[9]。本研究選擇南京市高淳慢城地區(qū)為研究對象，采用CSLE與GIS結(jié)合的方法，研究該地區(qū)土壤侵蝕量的時(shí)間和空間變化，以期精確評價(jià)區(qū)域水土流失時(shí)空變化，為區(qū)域水土流失科學(xué)治理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

高淳慢城總面積81.60 km2，主要位于南京市高淳區(qū)境內(nèi)（圖1）。慢城區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆陞^(qū)，東部為茅山山脈的余脈環(huán)繞，青山連綿，山勢平緩，以海拔150 m以內(nèi)低山丘陵為主，呈東北西南走向延伸，是太湖水系與水陽江、青弋江水系的分水嶺。局部山體如大山、荊山等坡度稍陡，但仍然屬于30°以內(nèi)緩坡。研究區(qū)位于北亞熱帶和中亞熱帶過渡地區(qū)，受季風(fēng)環(huán)流影響，區(qū)域性氣候明顯，常年四季分明，平均氣溫16 ℃，最高氣溫39.8 ℃，最低氣溫-14.0 ℃。多年平均降水量1190.8 mm，降水量年內(nèi)分配不均，年際變化較大，最大年降水量1878.6 mm（1991年），最小年降水量569.5 mm（1978年）。土壤以水稻土類為主，主要包括青泥土、白泥土、黃泥土、馬肝土、泥骨土，旱地土壤為沙土、黃土、夜潮土等。區(qū)域內(nèi)農(nóng)用地主要由水田、旱地、水澆地、田坎組成，其中水田面積最大，占51.95%。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

1.2 預(yù)報(bào)模型

采用中國土壤流失方程CSLE（Chinese Soil Loss Equation）評價(jià)典型水土流失現(xiàn)狀和工程建設(shè)導(dǎo)致的水土流失變化[6]。該方程為第一次全國水利普查水土保持情況所使用的土壤侵蝕計(jì)算方程，是將影響水土流失的7個(gè)因子用連乘的形式組成，侵蝕模數(shù)（單位面積年均土壤侵蝕量）計(jì)算式為：

式中，A為土壤侵蝕模數(shù)，t/（hm2·a）；R 為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K 為土壤可蝕因子，t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2；L、S 分別為坡長、坡度因子，無量綱；B為植被蓋度與生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

1.2.1 土地利用信息獲取

本研究基于不同高分辨率遙感影像資料解譯和野外實(shí)地調(diào)查獲取慢城地區(qū)不同時(shí)段的土地利用數(shù)據(jù)，遙感影像數(shù)據(jù)源來自Googleearth，覆蓋慢城地區(qū)的有2015年、2014年和2007年等年度的0.6 m分辨率的Quickbird和1 m分辨率的IKONOS影像。為了研究工程建設(shè)等人類活動對慢城地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)的影響，本文選擇2015年的影像作為土地利用現(xiàn)狀資料，選擇2007年的影像作為建設(shè)前的土地利用資料，以2014年影像作為建設(shè)中期的土地利用資料數(shù)據(jù)源。結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查的土地利用方式及其在高分辨率影像中的特征，采用人工目視解譯的方法判讀影像中的土地利用方式信息，在ArcGIS中編輯面圖層shp文件，勾勒出每種土地利用類型斑塊的輪廓并賦予相應(yīng)的屬性，最后計(jì)算每種土地利用斑塊的面積。

1.2.2 降雨侵蝕力計(jì)算

本研究采用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力，其計(jì)算公式如下：

根據(jù)2007年、2014年和2015年高淳站的逐日降水資料，由以上方程式，計(jì)算可得2007年、2014年和2015年慢城的降雨侵蝕力因子分別為2412.1MJ·mm·hm-2·h-1·a-1、7109.48MJ·mm·hm-2·h-1·a-1和 6549.55MJ·mm·hm-2·h-1·a-1。由于慢城地區(qū)的降雨量分布比較均勻，整個(gè)地區(qū)只采用一個(gè)降雨侵蝕力因子值。在慢城邊界polygon文件的屬性列表中添加相應(yīng)字段并分別賦2007年、2014年和2015年降雨侵蝕力值。在Arcgis中生成2007年、2014年和2015年的慢城地區(qū)的降雨侵蝕力的柵格文件。

1.2.3 土壤可蝕性計(jì)算

王彬?qū)Ρ确治隽薝SLE、RUSLE2、EPIC和Dg-OM模型的土壤可蝕性計(jì)算方程[10]，結(jié)果表明Dg-OM模型計(jì)算我國土壤可蝕性的效果更好。因此，本研究采用Dg-OM來計(jì)算慢城地區(qū)的土壤可蝕性，其計(jì)算公式如下：

式中，fi為土壤中粒徑百分比（%）；mi為小于該粒徑算術(shù)平均值（mm）；OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量（g kg-1）；Dg為平均幾何粒徑（mm）。

查閱我國第二次土壤普查資料，可知慢城地區(qū)小于0.002 mm土壤粒徑的含量為23.3%，粒徑組成0.002～0.02 mm的含量為30.3%，粒徑組成0.02～0.05 mm的含量為44.6%，粒徑組成0.05～2 mm的含量為1.4%，土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.69g kg-1。將該地區(qū)的土壤粒徑數(shù)據(jù)和土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)，代入式（6）可得慢城地區(qū)的土壤可蝕性因子值為 0.025726 t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2。在慢城地區(qū)polygon文件的屬性列表中添加K字段，字段類型為double，賦值為0.025726，運(yùn)用Arcgis進(jìn)行矢量向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

1.2.4 LS因子計(jì)算

根據(jù)已獲得的30 m數(shù)字高程柵格數(shù)據(jù)DEM（ASTER GDEM），來計(jì)算慢城地區(qū)坡長因子L和坡度因子S。其計(jì)算公式如下：

式中，L為坡長因子，無量綱；λ為坡長（m）；S為坡度因子，無量綱；θ為坡度值（°）。

根據(jù)以上方程，用區(qū)域LS因子計(jì)算工具（LS-TOOL）計(jì)算出慢城地區(qū)坡度和坡長因子。

1.2.5 BET因子計(jì)算

植被覆蓋與生物措施因子B采用直接賦值法，根據(jù)前人研究成果并結(jié)合本研究區(qū)土地利用實(shí)際情況確定慢城地區(qū)不同土地利用的B因子值[6]。8種土地利用方式具體B值賦值結(jié)果：居民地為0；水體為0；林地為0.05；旱地為0.1943；建筑用地為0；草地為0.045[6]；水田為0.1；道路為0。由于慢城地區(qū)的水土保持工程措施和耕作措施較少，因此本研究不考慮水土保持工程措施和耕作措施對土壤侵蝕的影響，即工程措施因子和耕作措施因子統(tǒng)一按1賦值處理。將2007年、2014年和2015年的土地利用polygon文件中屬性列表中分別添加字段，并按照上文確定的B值進(jìn)行賦值，再運(yùn)用Arcgis10.2生成2007年、2014年和2015年的B因子?xùn)鸥裎募?/p>

1.2.6 侵蝕模型計(jì)算

得到各個(gè)地塊的各因子?xùn)鸥駡D層后，根據(jù)中國土壤流失方程（CSLE）的土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算公式，用Arcgis10.2來計(jì)算慢城地區(qū)2007年、2014年和2015年的土壤侵蝕模數(shù)M。然后根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190-2007）來確定土壤侵蝕分級指標(biāo)，依據(jù)此指標(biāo)用Arcgis10.2柵格再分類模塊（Reclassify）生成研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕的時(shí)間變化

隨著慢城區(qū)域開發(fā)過程，區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢。2014年、2015年慢城區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)分別為12.53 t/（km2·a）、11.54 t（/km2·a），分別為2007年（4.38 t（/km2·a））的2.86倍、2.63倍，2015年慢城區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)較2014年下降了7.9%（圖2）。2014年、2015年慢城區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)極大值分別為 995.04 t/（km2·a）、916.67 t/（km2·a），分別為2007年（301.43 t/（km2·a））的3.30 倍、3.04倍，2015年慢城區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)較2014年下降了7.9%（圖2）。

圖2 2007年、2014年和2015年慢城地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)

總體而言，2007年慢城區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)小于2014年和2015年土壤侵蝕模數(shù)，2015年土壤侵蝕模數(shù)較2014年小幅下降。這是由于2010年后伴隨慢城區(qū)域旅游開發(fā)、交通建設(shè)等過程，區(qū)域土壤侵蝕不斷加劇，使得土壤侵蝕模數(shù)大幅增加。在后期由于建設(shè)強(qiáng)度的降低，同時(shí)對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，區(qū)域土壤侵蝕得到了有效控制，土壤侵蝕模數(shù)逐漸降低。此外，不同年份降雨量的差異也是導(dǎo)致區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)變化的重要因素。

2007年、2014年和2015年區(qū)域土壤侵蝕皆以微度和輕度侵蝕為主（圖3），2007年、2014年和2015年微度和輕度侵蝕面積百分比之和分別為97.3%、83.3%和83.3%。2007年微度和輕度侵蝕面積百分比之和分別較2014年、2015年增加14.0%和14.0%（圖3）。2014年和2015年各級侵蝕強(qiáng)度面積百分比較為接近，無顯著差異（圖3）。

總體而言，2007年慢城地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度小于2014年和2015年的土壤侵蝕強(qiáng)度，2014年和2015年慢城地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度差異不大。這一方面可以解釋為2007年的年降雨量較2014年和2015年小，而2014年和2015年的年降雨量差異不大；另一方面也可以解釋為2007年生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目較少，對植被和地表的擾動較小，因而土壤流失較少。而2014年和2015年，有大量生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，造成該地區(qū)地表的擾動和植被的破壞，因而土壤流失較為嚴(yán)重。

圖3 不同年限慢城地區(qū)侵蝕強(qiáng)度面積百分比對比圖

表1統(tǒng)計(jì)了不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)，由于居民點(diǎn)、水體、建筑用地和道路不產(chǎn)生土壤侵蝕，因此對以上土地利用不做分析。4種土地利用方式的平均土壤侵蝕強(qiáng)度均隨時(shí)間進(jìn)程呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。2014年和2015年慢城區(qū)域林地、旱地、草地和水田平均土壤侵蝕模數(shù)約為2007年平均土壤侵蝕模數(shù)的3倍，而2014年和2015年4種土地利用方式平均土壤侵蝕模數(shù)差異不大。從表1中可以看出，不同年份不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)均為旱地＞林地＞草地＞水田。

表1 不同土地利用類型土壤侵蝕

2.2 土壤侵蝕的空間變化

從圖2中可以看出，不同年份土壤侵蝕模數(shù)較大值主要分布在中南部和東北部低山丘陵區(qū)，這是由于該區(qū)域地形坡度較大，土壤侵蝕較為強(qiáng)烈。西部龍墩河水庫附近侵蝕也較為強(qiáng)烈，但分布面積較小，龍墩河水庫附近畜禽養(yǎng)殖導(dǎo)致了植被覆蓋度較低和地表擾動，因而引起較大的土壤侵蝕。西部和中東部土壤侵蝕模數(shù)較小，這些地方地形起伏較為平緩，植被覆蓋度高，分布較多水體和建筑物。從2.1部分對慢城地區(qū)土壤侵蝕的時(shí)間變化的分析和圖3中可以看出慢城地區(qū)以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，與第一次全國水利普查水土保持情況普查中江蘇省土壤侵蝕強(qiáng)度狀況一致，也與林杰在南京江寧地區(qū)的研究結(jié)果一致[11]。

從表1中可以看出，旱地在4種平均土壤侵蝕模數(shù)中土地利用最高值，這與旱地較為頻繁的農(nóng)事活動造成表層土壤擾動有關(guān)[12-13]。慢城地區(qū)旱地較大的平均土壤侵蝕模數(shù)與許月卿在貴州貓?zhí)恿饔騕14]、張雪華在東北黑土區(qū)[15]的研究結(jié)果一致。水田的平均土壤侵蝕模數(shù)是4種土地利用中最低的，旱地的平均土壤侵蝕模數(shù)為水田平均土壤侵蝕模數(shù)的3.7～3.9倍。

2.3 土壤侵蝕防治措施

由以上分析可知，旱地的平均土壤侵蝕模數(shù)是4種土地利用的最大值，應(yīng)加強(qiáng)對旱地的治理，緩坡修建水平梯田，陡坡退耕還林還草。慢城地區(qū)中南部和東北部低山丘陵區(qū)土壤侵蝕較為強(qiáng)烈，亦應(yīng)加強(qiáng)這些部位的土壤侵蝕治理工作。對于分水嶺應(yīng)選擇耐旱、抗風(fēng)、根系發(fā)達(dá)、保土能力強(qiáng)的樹種，實(shí)行喬、灌、草結(jié)合。對于坡地，應(yīng)營造坡地水保林草，并輔以相應(yīng)的工程措施，如魚鱗坑、水平梯田等。對于侵蝕溝，應(yīng)結(jié)合固溝、攔沙工程，如修建谷坊（柳谷坊、柳土坊）和攔沙壩，配套營造溝底（包括溝口）防沖林。慢城地區(qū)龍墩河水庫地區(qū)的土壤侵蝕也較為嚴(yán)重，對于這些部位土壤侵蝕的治理，應(yīng)在入庫徑流和泥沙的主要溝道內(nèi)結(jié)合谷坊，設(shè)置掛淤林。水庫邊岸上，林地條件較好，可營造速生優(yōu)質(zhì)的杉木、馬尾松、刺槐、楊樹等。岸邊周圍，地形平緩，可因地制宜開發(fā)經(jīng)濟(jì)林。

3 結(jié)論

（1）隨著慢城區(qū)域開發(fā)過程，區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢。慢城地區(qū)2007年土壤侵蝕模數(shù)明顯小于2014年和2015年，2015年土壤侵蝕模數(shù)較2014年小幅下降。

（2）慢城地區(qū)土壤侵蝕以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，不同年份土壤侵蝕模數(shù)較大值分主要分布在中南部和東北部低山丘陵區(qū)，西部龍墩河水庫附近侵蝕也較為強(qiáng)烈。旱地平均土壤侵蝕模數(shù)為4種土地利用的最高值。

（3）高淳慢城區(qū)域水土保持工作重點(diǎn)為加強(qiáng)對旱地的治理、緩坡修建水平梯田、陡坡退耕還林還草，慢城地區(qū)中南部、東北部低山丘陵區(qū)和龍墩河水庫地區(qū)為區(qū)域水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域。