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.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程國家重點實驗室，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，同時土壤侵蝕物攜帶營養(yǎng)物質(zhì)造成水體污染，嚴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]。定量計算土壤侵蝕量可為合理利用和管理土地資源提供科學依據(jù)[2]，土壤侵蝕模型是定量計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?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[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、單位轉(zhuǎn)換、標準小區(qū)設(shè)計、坡長坡度因子計算等問題，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算方法，計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)土壤侵蝕量的時間和空間變化，以期精確評價區(qū)域水土流失時空變化，為區(qū)域水土流失科學治理提供技術(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)域為低山丘陵區(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)報模型

采用中國土壤流失方程CSLE（Chinese Soil Loss Equation）評價典型水土流失現(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算方程，是將影響水土流失的7個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地調(diào)查獲取慢城地區(qū)不同時段的土地利用數(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)水土流失風險的影響，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，最后計算每種土地利用斑塊的面積。

1.2.2 降雨侵蝕力計算

本研究采用日雨量計算降雨侵蝕力，其計算公式如下：

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，整個地區(qū)只采用一個降雨侵蝕力因子值。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 土壤可蝕性計算

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

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，運用Arcgis進行矢量向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

1.2.4 LS因子計算

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

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因子計算工具（LS-TOOL）計算出慢城地區(qū)坡度和坡長因子。

1.2.5 BET因子計算

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值進行賦值，再運用Arcgis10.2生成2007年、2014年和2015年的B因子?xùn)鸥裎募?/p>

1.2.6 侵蝕模型計算

得到各個地塊的各因子?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)計算公式，用Arcgis10.2來計算慢城地區(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準》（SL 190-2007）來確定土壤侵蝕分級指標，依據(jù)此指標用Arcgis10.2柵格再分類模塊（Reclassify）生成研究區(qū)土壤侵蝕強度等級圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕的時間變化

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)強度的降低，同時對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護意識的加強，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)土壤侵蝕強度小于2014年和2015年的土壤侵蝕強度，2014年和2015年慢城地區(qū)土壤侵蝕強度差異不大。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)項目的實施，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重。

圖3 不同年限慢城地區(qū)侵蝕強度面積百分比對比圖

表1統(tǒng)計了不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)，由于居民點、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度均隨時間進程呈現(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，土壤侵蝕較為強烈。西部龍墩河水庫附近侵蝕也較為強烈，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)土壤侵蝕較為強烈，亦應(yīng)加強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、根系發(fā)達、保土能力強的樹種，實行喬、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為加強對旱地的治理、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區(qū)域。