鄧 威， 汪晶晶， 白 云， 李玉成， 葉 寅， 張學(xué)勝

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所， 安徽 合肥 230001)

土壤侵蝕是全球性的環(huán)境問題之一，不僅導(dǎo)致土壤退化、土地生產(chǎn)力降低，而且隨徑流泥沙運(yùn)移的污染物質(zhì)對(duì)下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生較大影響[1]。土壤侵蝕模型是研究土壤侵蝕的重要方法，它能夠定量評(píng)估土壤侵蝕的空間分布特征。國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了眾多模型來研究土壤侵蝕，其中以修正通用土壤流失方程(RUSLE)應(yīng)用最為廣泛，且國(guó)內(nèi)學(xué)者[2-5]結(jié)合中國(guó)實(shí)際，對(duì)RUSLE參數(shù)因子進(jìn)行修正，具有很好的應(yīng)用效果。目前對(duì)巢湖流域的土壤侵蝕和養(yǎng)分流失研究[6-9]中，尺度主要集中在縣域或環(huán)湖河流層次，關(guān)注重點(diǎn)在土壤侵蝕的面積、總量和空間分布上。

苦驢河上游是巢湖主要支流——派河的重要水源地，同時(shí)也是發(fā)生土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的主要地區(qū)。面向“水十條”派河國(guó)控?cái)嗝婵己诉_(dá)標(biāo)、引江濟(jì)淮對(duì)派河水質(zhì)提出高要求及國(guó)家級(jí)巢湖生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)等多方需求，派河上游苦驢河等小流域土壤侵蝕及污染問題成為學(xué)者和政府關(guān)注的重點(diǎn)。

本研究基于高精度遙感影像、數(shù)字高程模型(DEM)、2018年研究區(qū)實(shí)地土壤調(diào)查獲得的土壤數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，利用RUSLE模型定量描述苦驢河上游土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失的空間分布特征，分析了土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度、高程和土地利用等因子的關(guān)系，以期為派河流域水土流失防治和生態(tài)治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

苦驢河上游小流域(31°43′—31°49′ N，116°54′—116°60′ E)位于安徽省合肥市肥西縣，是派河上游的子流域，總面積48.09 km2，海拔為32～164 m，平均海拔61 m(見封2附圖1)，地勢(shì)南高北低，以丘陵崗地為主；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫15～16 ℃，降雨量年際變化不大，年均降雨量約1 100 mm，且降雨多集中在7—10月份；土壤類型以黃棕壤和水稻土為主；土地利用為林地、旱地、水田、水體和居民用地。受地形地貌、自然氣候、生產(chǎn)活動(dòng)(毀林開荒)等因素的影響，研究區(qū)內(nèi)部分地區(qū)侵蝕較為嚴(yán)重，土壤侵蝕與養(yǎng)分流失已成為主要環(huán)境問題之一。

1.2 數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理

本研究使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：①10 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)(見封2附圖1)；②苦驢河上游小流域內(nèi)小型氣象站2016年至2018年的月降雨數(shù)據(jù)；③安徽省國(guó)防科技情報(bào)研究所提供的2018年高分二號(hào)影像，進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正和圖像融合等預(yù)處理后波段運(yùn)算提取NDVI數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)；④根據(jù)不同土地利用的分布狀況，結(jié)合均勻布點(diǎn)的原則，共采集49個(gè)表層土壤樣品，參照《土壤農(nóng)化分析》對(duì)基本理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析，利用激光粒度儀測(cè)定基本機(jī)械組成；⑤流域劃分?jǐn)?shù)據(jù)，從派河水污染治理“十三五”規(guī)劃中獲得。

1.3 土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失量計(jì)算

1.3.1 土壤侵蝕量計(jì)算 本研究采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)對(duì)研究區(qū)的土壤侵蝕量進(jìn)行定量評(píng)估，表達(dá)式為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A為年土壤侵蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕；R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕； LS為坡度坡長(zhǎng)因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨是引起土壤侵蝕和水土流失的重要因子之一，降雨侵蝕力因子能夠反映降雨對(duì)土壤侵蝕的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中國(guó)不同地區(qū)提出多種降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法[10-12]。本研究利用研究區(qū)內(nèi)一座小型氣象站2016年至2018年的平均月降雨量數(shù)據(jù)，采用吳素業(yè)[13]以安徽省岳西縣降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的月降雨模型來計(jì)算降雨侵蝕力。由于研究區(qū)面積較小，降雨的空間分布較均勻，故采用唯一降雨侵蝕力因子R值為4 029.38 (MJ·mm)/(hm2·h·a)。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性因子反映土壤對(duì)侵蝕的敏感性，是評(píng)價(jià)土壤遭受侵蝕難易程度的重要指標(biāo)。本研究采用Williams等[14]在EPIC模型中K因子的計(jì)算方法，并根據(jù)張科利等[15]的研究進(jìn)行修正，數(shù)據(jù)來自研究區(qū)內(nèi)49個(gè)土壤樣品的檢測(cè)結(jié)果。K為美制單位，乘以0.1317轉(zhuǎn)化為國(guó)際單位(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))。經(jīng)計(jì)算得到土壤可蝕性因子K值柵格圖(圖1a)。

(3) 坡度坡長(zhǎng)因子(LS)。坡度坡長(zhǎng)因子反映坡度和坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響，是降雨侵蝕動(dòng)力的加速因子[16]。坡長(zhǎng)因子采用Wischmeier等[17]提出的計(jì)算方法。坡度因子采用分段計(jì)算，緩坡(<14°)采用McCool等[18]提出的方法，陡坡(>14°)采用Liu等[19]提出的方法。經(jīng)計(jì)算得到坡度坡長(zhǎng)因子P值柵格圖(圖1b)。

(4) 植被覆蓋與管理因子(C)。植被覆蓋與管理因子反映植被覆蓋與管理措施對(duì)土壤侵蝕的影響，是侵蝕動(dòng)力的抑制因子。本文根據(jù)李苗苗等[20]提出的像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度，并采用蔡崇法等[21]提出的方法計(jì)算植被覆蓋與管理因子。經(jīng)計(jì)算得到植被覆蓋與管理因子C值柵格圖(圖1c)。

(5) 水土保持措施因子(P)。水土保持措施因子反映了水土保持措施對(duì)土壤的保護(hù)作用，本文以土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合前人研究[9,22-23]，根據(jù)各土地利用對(duì)水土保持措施因子進(jìn)行賦值。未利用土地(裸地為主)無任何水土保持措施，賦值為1；居民用地和水域賦值為0，即土壤侵蝕視為0；林地賦值為1；旱地賦值為0.35；水田賦值為0.15。賦值得到水土保持措施因子P值柵格圖(圖1d)。

圖1 RUSLE模型因子

1.3.2 養(yǎng)分流失量計(jì)算 將苦驢河上游小流域土壤樣品的全氮(TN)、全磷(TP)、有機(jī)碳(SOC)數(shù)據(jù)，在ArcGIS中生成養(yǎng)分空間分布圖，并轉(zhuǎn)為柵格圖。在ArcGIS中將土壤侵蝕柵格圖與土壤養(yǎng)分柵格圖相乘得到土壤養(yǎng)分流失量空間分布圖，再乘以柵格面積得到土壤養(yǎng)分流失總量。

2 結(jié)果與分析

2.1 精度驗(yàn)證

根據(jù)《安徽省水土保持公報(bào)(2016—2017年)》，江淮丘陵區(qū)中東部水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)(涉及肥西縣、肥東縣和蜀山區(qū)等共3市11區(qū)縣)土壤侵蝕狀況以微度侵蝕為主，輕度及中度侵蝕次之。輕度侵蝕面積占總面積的5.31%，中度侵蝕面積占總面積的2.34%，強(qiáng)度及以上侵蝕面積占總面積的1.86%；苦驢河上游小流域輕度侵蝕占總面積的13.29%，中度侵蝕面積占總面積的1.61%，強(qiáng)度及以上侵蝕面積占總面積的1.15%。總體來看，苦驢河上游小流域與江淮丘陵區(qū)中東部水土流失預(yù)防區(qū)的土壤侵蝕狀況一致，但研究區(qū)輕度及以下侵蝕面積占總面積的比例高于預(yù)防區(qū)平均水平，而強(qiáng)度及以上侵蝕面積占總面積的比例低于預(yù)防區(qū)平均水平。

本研究通過將RUSLE模型預(yù)測(cè)結(jié)果與水土保持試驗(yàn)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)精度。由于研究區(qū)內(nèi)無水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)，故利用臨近的金寨縣椿樹崗的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由安徽水利廳提供。數(shù)據(jù)表明2018年標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的侵蝕模數(shù)為343.54 t/(km2·a)，模型預(yù)測(cè)結(jié)果為394.45 t/(km2·a)。模型預(yù)測(cè)結(jié)果較監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)稍高，但總體精度可靠，可進(jìn)行下一步處理分析。

2.2 不同土壤侵蝕強(qiáng)度的分布特征

根據(jù)水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL-2007)，將研究區(qū)的土壤侵蝕劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕，得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布特征(見封2附圖2)。研究區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)不連續(xù)塊狀和條帶狀分布的特征，主要侵蝕級(jí)別為微度侵蝕和輕度侵蝕，分別占總面積的83.95%和13.29%。中度及以上土壤侵蝕呈條帶狀分布在南部丘陵和河道兩岸。

研究區(qū)土壤侵蝕的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(見表1)表明，全流域平均土壤侵蝕模數(shù)為394.45 t/(km2·a)，為微度侵蝕，年侵蝕量為1.90×104t。微度和輕度侵蝕地區(qū)侵蝕量分別占總侵蝕量的15.79%和34.61%，強(qiáng)度及以上侵蝕面積比例為0.54%，侵蝕量貢獻(xiàn)率達(dá)到35.55%，主要由于研究區(qū)地形變化劇烈，疏林地較多，植被覆蓋率較低。部分地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度超過1.50×104t/(km2·a)，應(yīng)是今后水土保持工作的重點(diǎn)區(qū)域。

表1 苦驢河上游小流域土壤侵蝕特征

2.3 不同坡度等級(jí)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度分析

研究區(qū)坡度范圍為0°～25°，根據(jù)水利部頒布的水力侵蝕坡度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(2007)，將研究區(qū)劃分為0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°這4個(gè)坡度等級(jí)。通過疊加分析，得到不同坡度等級(jí)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度分布結(jié)果(見表2)。

表2 不同坡度等級(jí)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征

由表2可知，研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度呈明顯的正相關(guān)，且隨著坡度增加，強(qiáng)度及以上侵蝕的面積比例逐漸增加。0°～5°地區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)最低，且主要以微度侵蝕為主；15°～25°地區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為4 788.74 t/(km2·a)，稍低于強(qiáng)度侵蝕水平，該地區(qū)內(nèi)強(qiáng)度及以上侵蝕面積比例為31.71%。總體而言，8°～25°地區(qū)的土壤侵蝕最嚴(yán)重，以3.66%的侵蝕面積貢獻(xiàn)21.78%的侵蝕總量，表明坡度在8°～25°的區(qū)域是今后水土流失防治的重點(diǎn)。

2.4 不同高程及土地利用的土壤侵蝕強(qiáng)度分析

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)土地利用在不同高程的分布，分為0～50,50～80,80～110,110～170 m這4個(gè)高程范圍。通過疊加統(tǒng)計(jì)，得到不同高程及土地利用的土壤侵蝕強(qiáng)度分布結(jié)果(見表3)。由表3可知，研究區(qū)高程主要集中在50～80 m，面積占總面積的71.66%，對(duì)全流域土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為49.16%。高程在80 m以上范圍內(nèi)土壤侵蝕最為嚴(yán)重，侵蝕面積占全流域面積的7.92%，土壤侵蝕量占侵蝕總量的28.13%。

表3 不同高程及土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度特征

土壤侵蝕主要發(fā)生在旱地、林地和未利用地3種土地利用中，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為285.78，655.04，1 022.55 t/(km2·a)，其中林地土壤侵蝕模數(shù)較旱地高出約400 t/(km2·a)，一方面因?yàn)榱值刂饕植荚谇鹆甑貐^(qū)，坡度坡長(zhǎng)因子影響較大，且無任何水土保持措施，易發(fā)生土壤侵蝕，另一方面因?yàn)檠芯繀^(qū)林地植被覆蓋率較低，為51.76%，多為經(jīng)濟(jì)林和次生林，土壤侵蝕抑制作用較低。

2.5 養(yǎng)分流失分析

將土壤侵蝕柵格圖與土壤SOC,TN,TP分布柵格圖相乘得到土壤養(yǎng)分流失空間分布特征(見封2附圖3—5)。根據(jù)土壤侵蝕和養(yǎng)分流失圖可以看出，土壤養(yǎng)分流失與土壤侵蝕的空間分布趨勢(shì)一致，南高北低，尤其是南部丘陵養(yǎng)分流失最嚴(yán)重。研究區(qū)土壤SOC,TN,TP平均流失量分別為3.66,0.27,0.07 t/(km2·a)。將TN,TP流失量分別折算(折算比為2.17和5.88)為每hm2每年流失5.86 kg尿素和4.12 kg過磷酸鈣，因此養(yǎng)分流失對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均產(chǎn)生較大影響。對(duì)研究區(qū)不同土地利用的土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表4)。結(jié)果表明各土地利用的養(yǎng)分流失狀況差異顯著，其中水田的平均養(yǎng)分流失量最小，未利用地的平均養(yǎng)分流失量最大，主要原因?yàn)槲蠢玫氐耐寥狼治g最嚴(yán)重，土壤流失量越大，隨泥沙運(yùn)攜的養(yǎng)分流失越多。研究區(qū)因土壤侵蝕引起的土壤SOC流失量為175.34 t/a，TN流失量為12.87 t/a，TP流失量為3.13 t/a。

表4 不同土地利用的土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失特征

3 討 論

(1) 研究區(qū)主要土地利用為林地、旱地和水田等。未利用地的平均土壤侵蝕模數(shù)最大，為1 022.55 t/(km2·a)，其次是林地655.04 t/(km2·a)。對(duì)不同土地利用類型的RUSLE模型因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表5)，與同類型研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋與管理因子C值存在較大差異，林地較多情況賦值小于0.01[21,23]，根據(jù)蔡崇法等[21]提出的方法逆推得到植被覆蓋率約為73%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本研究的林地植被覆蓋率(51.76%)，而研究區(qū)林地的植被覆蓋與管理因子C值為0.08，兩者差別較大。其余因子則數(shù)值差別較小，對(duì)土壤侵蝕計(jì)算結(jié)果影響較小，因此本研究與同類型研究差別主要在于林地植被覆蓋率的高低對(duì)植被覆蓋與管理因子的影響。

表5 不同土地利用類型的模型因子特征

(2) 研究區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)植被的影響比較強(qiáng)烈，一方面表現(xiàn)為對(duì)林地的破壞，村民大肆砍伐林木，部分地區(qū)天然植被已不復(fù)存在，近幾年政府進(jìn)行清潔小流域建設(shè)時(shí)開始封山育林，但時(shí)間較短，效果不顯著，現(xiàn)存植被多為次生林和人工林；另一方面是對(duì)林種的改變，該地區(qū)原生林主要為針葉林、闊葉林和灌木林等混交林，后經(jīng)過村民改造大面積種植苗木，導(dǎo)致該地區(qū)植被覆蓋率降低，易發(fā)生土壤侵蝕。

(3) 由于研究區(qū)內(nèi)地形、土壤、氣象等因素短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生較大變化，故植被覆蓋和水土保持措施的變化將對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生較大影響。因此在苦驢河上游小流域水土保持工作中，提高植被覆蓋度和增加水土保持措施是減少土壤侵蝕最有效的措施。常用的方法包括退耕還林[24]、植物籬[25]、秸稈覆蓋[26]和坡改梯[27]等，考慮到實(shí)際效果和操作成本，發(fā)現(xiàn)退耕還林、植物籬攔截和秸稈覆蓋較為可取。

4 結(jié) 論

(1) 苦驢河上游小流域平均土壤侵蝕模數(shù)為394.45 t/(km2·a)，侵蝕強(qiáng)度主要為微度和輕度侵蝕，強(qiáng)度及以上侵蝕主要發(fā)生在小流域南部丘陵和河道兩岸。

(2) 土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度呈明顯的正相關(guān)，且隨著坡度增加，強(qiáng)度及以上侵蝕面積比例逐漸增加。同一高程范圍內(nèi)，土地利用類型對(duì)土壤侵蝕影響不同。研究區(qū)內(nèi)未利用地的土壤侵蝕最嚴(yán)重，平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到1 022.55 t/(km2·a)，其次是林地，土壤侵蝕模數(shù)為655.04 t/(km2·a)。而旱地和水田平均土壤侵蝕模數(shù)較低，分別為285.78和139.80 t/(km2·a)。

(3) SOC，TN和TP平均流失量分別為3.66，0.27，0.07 t/(km2·a)。養(yǎng)分流失與土壤侵蝕的空間分布趨勢(shì)一致，南高北低，南部丘陵水土流失較為嚴(yán)重。