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        2009—2019年湖北省土壤侵蝕時空變化分析

        2021-06-07 11:30:18黃躍飛
        中國水土保持 2021年6期
        關(guān)鍵詞:趨勢區(qū)域

        王 海,黃躍飛,趙 泉,黃 婧,陳 穎,劉 海

        (1.武漢智匯元環(huán)??萍加邢薰荆?武漢 430079; 2.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062)

        土壤侵蝕會導(dǎo)致土壤退化、土質(zhì)惡化與土地生產(chǎn)力下降等一系列問題,威脅到生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。定量評價區(qū)域土壤侵蝕強度及其時空分布特征,對減少水土流失、保護和合理利用土地資源具有重要意義[3-4]。當(dāng)前,土壤侵蝕定量研究應(yīng)用最廣泛、實用性較好的計算模型為通用土壤流失方程(USLE)及修正通用土壤流失方程(RUSLE)[5-6]。USLE能較為全面地考慮影響土壤侵蝕的各種因素,具有一定的精度且相對簡單[7],而RUSLE[5,8]根據(jù)實際情況對因子參數(shù)進行了修正,更符合實際情況,適用范圍更廣。

        湖北省位于長江中游洞庭湖以北,是長江經(jīng)濟帶的重要組成部分,在促進長江經(jīng)濟帶發(fā)展和中部崛起戰(zhàn)略中肩負著重要使命。受特殊的自然地理條件及不斷增強的開發(fā)建設(shè)活動影響,湖北省土壤侵蝕嚴重。為了研究其土壤侵蝕動態(tài)變化規(guī)律,采用RUSLE模型,基于2009、2019年兩期相關(guān)數(shù)據(jù)計算土壤侵蝕量,評估土壤侵蝕時空變化特征,以期為湖北省水土保持措施的制定提供科學(xué)參考。

        1 研究區(qū)域與研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        湖北省位于29°01′53″~33°6′47″N、108°21′42″~116°07′50″E之間,東西長約740 km,南北寬約470 km。全省地貌類型多樣,山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)?,地勢大致為東、西、北三面環(huán)山,中間低平,略呈向南敞開的不完整盆地。全省地處亞熱帶,除高山地區(qū)為高山氣候外,大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū),降雨量時空分布不均勻,冬季少雨,夏季多雨,山區(qū)降雨豐富,平原區(qū)和中北部區(qū)域降雨較少[9]。

        由于研究區(qū)面積較大,各地區(qū)之間自然環(huán)境和社會經(jīng)濟條件存在較大差異,故參考《湖北省水土保持規(guī)劃》及區(qū)域內(nèi)主要山脈和地形地貌特征劃分為如下八大分區(qū)(圖1):桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)(Ⅰ區(qū))、南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護區(qū)(Ⅱ區(qū))、江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護人居環(huán)境維護區(qū)(Ⅲ區(qū))、三峽庫區(qū)丘陵平原農(nóng)田防護水質(zhì)維護區(qū)(Ⅳ區(qū))、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護區(qū)(Ⅴ區(qū))、丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護保土區(qū)(Ⅵ區(qū))、大巴山山地保土生態(tài)維護區(qū)(Ⅶ區(qū))和鄂西南武夷山水源涵養(yǎng)保土區(qū)(Ⅷ區(qū))。

        圖1 湖北省水土保持分區(qū)

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)中心(CMDC,http://data.cma.cn),包括位于研究區(qū)內(nèi)17個站點的月降水量及年降水量監(jiān)測數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)采用地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)的SRTMDEMUTM數(shù)字高程數(shù)據(jù),空間分辨率為90 m。土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)提供的1 km的土壤類型及土地利用數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)采用MOD13Q1的NDVI數(shù)據(jù)(https://www.nasa.gov)。

        1.3 研究方法

        采用RUSLE進行計算,模型公式[10]為

        A=R·K·L·S·C·P

        式中:A為年平均土壤侵蝕量,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);L為坡長因子,無量綱;S為坡度因子,無量綱;C為植被覆蓋與管理因子,無量綱;P為水土保持措施因子,無量綱。

        本研究中R、K、L、S、C、P因子分別由年(月)降水量、土壤類型數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)等計算獲取。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 土壤侵蝕時空分布特征

        計算湖北省2009、2019年土壤侵蝕模數(shù),并依據(jù)水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)[11]劃分侵蝕等級,分別統(tǒng)計出湖北省及各分區(qū)2009、2019年平均土壤侵蝕模數(shù)、土壤侵蝕面積與土壤侵蝕量,見表1。

        表1 2009、2019年湖北省及各分區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計

        由表1可知,2009、2019年湖北省整體屬中度侵蝕,2019年土壤侵蝕面積比2009年減少3 250.65 km2,土壤侵蝕量降低18.93%,說明湖北省土壤侵蝕較為嚴重,但侵蝕強度正呈下降趨勢。從各分區(qū)土壤侵蝕情況來看,Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)、土壤侵蝕面積與土壤侵蝕量均呈增長趨勢,其他區(qū)的則均呈下降趨勢,其中:Ⅳ區(qū)、Ⅷ區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)下降趨勢最明顯;Ⅶ區(qū)、Ⅷ區(qū)土壤侵蝕面積減少量最多;Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)數(shù)值變化較小。

        對湖北省及各分區(qū)不同侵蝕強度區(qū)域的面積進行統(tǒng)計,得到2009、2019年不同侵蝕強度面積比例,見表2。結(jié)果顯示:2009、2019年湖北省大部分區(qū)域是微度侵蝕區(qū)。2009年除微度侵蝕外以極強烈侵蝕區(qū)域占比最大,其次是強烈侵蝕區(qū)域;2019年除微度侵蝕外以中度侵蝕區(qū)域占比最大,其次是極強烈侵蝕區(qū)域。2009—2019年輕度及中度侵蝕面積呈增長趨勢,面積占比增加4.17百分點;強烈侵蝕及以上區(qū)域面積呈減少趨勢,面積占比減少6.00百分點。

        表2 2009、2019年湖北省及各分區(qū)不同侵蝕強度面積比例

        從湖北省各分區(qū)不同侵蝕強度區(qū)域面積比例來看,2009、2019年Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)微度侵蝕區(qū)域(無明顯侵蝕區(qū)域)面積占比相近,均在90%以上,遠大于其他區(qū)域。除微度侵蝕區(qū)域外,2009、2019年Ⅰ區(qū)以輕度和劇烈侵蝕區(qū)域為主,Ⅴ區(qū)以極強烈及劇烈侵蝕區(qū)域為主,Ⅵ區(qū)以中度和強烈侵蝕區(qū)域為主;2009年Ⅳ區(qū)以強烈和極強烈侵蝕區(qū)域為主,Ⅶ區(qū)以強烈和極強烈侵蝕區(qū)域為主,Ⅷ區(qū)以極強烈和劇烈侵蝕區(qū)域為主,2019年Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ區(qū)侵蝕強度均有所降低。

        2009—2019年湖北省土壤侵蝕狀況空間差異比較明顯。無明顯侵蝕區(qū)域主要分布在湖北省中部地區(qū),侵蝕等級較高區(qū)域主要分布在湖北省東部、西南部,侵蝕等級較低區(qū)域主要分布在湖北省西北部。分析其原因,R值空間分布是西低東高,植被覆蓋度空間分布是西高東低,C值空間分布則是西低東高,因此湖北省西部侵蝕強度低于東部。此外,因為處于盆地和平原地區(qū),耕地、水域及建設(shè)用地面積較大,土壤侵蝕多為微度侵蝕,所以中部地區(qū)多為無明顯侵蝕區(qū)域。

        2.2 土壤侵蝕變化趨勢分析

        基于像元尺度分析湖北省土壤侵蝕量空間變化特征(圖2)。湖北省土壤侵蝕量呈現(xiàn)增長趨勢的區(qū)域面積為42 685.03 km2,占研究區(qū)總面積的23.01%;無明顯變化的區(qū)域面積為67 987.55 km2,占36.65%;呈現(xiàn)減少趨勢的區(qū)域面積為74 838.38 km2,占40.34%。同時,呈現(xiàn)增長趨勢的區(qū)域主要分布在湖北省東部山地丘陵地區(qū);無明顯變化的區(qū)域主要分布在湖北省中部平原和丘陵地區(qū);呈現(xiàn)減少趨勢的區(qū)域主要分布在湖北省西部。

        圖2 湖北省土壤侵蝕變化趨勢空間分布

        2.3 土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移分析

        為了進一步分析湖北省土壤侵蝕時空變化,將2009、2019年的土壤侵蝕分級圖進行疊加分析,得到2009—2019年的土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣,見表3。

        表3 湖北省2009—2019年土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣 km2

        從表3可知:2009、2019年區(qū)域土壤侵蝕強度未發(fā)生改變的區(qū)域占62.95%,低等級侵蝕強度向高等級轉(zhuǎn)移的面積占12.13%,高等級侵蝕強度向低等級轉(zhuǎn)移的面積占24.93%,土壤侵蝕發(fā)生惡化的區(qū)域明顯少于土壤侵蝕得到改善的區(qū)域。從各等級侵蝕強度轉(zhuǎn)移幅度分析,微度侵蝕、中度侵蝕主要向輕度侵蝕轉(zhuǎn)移,輕度侵蝕主要向微度侵蝕轉(zhuǎn)移,強烈侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)移,極強烈侵蝕主要向強烈侵蝕轉(zhuǎn)移,劇烈侵蝕主要向極強烈侵蝕轉(zhuǎn)移。因此,研究區(qū)整體呈現(xiàn)高等級侵蝕強度向低等級轉(zhuǎn)移的特征。

        3 結(jié)論與討論

        3.1 結(jié) 論

        本研究利用RUSLE模型,結(jié)合2009、2019年相關(guān)數(shù)據(jù),定量評估了湖北省土壤侵蝕狀況,并對其時空變化特征進行了分析。結(jié)果表明:

        (1)湖北省整體土壤侵蝕屬中度侵蝕,土壤侵蝕狀況仍較為嚴重,但侵蝕強度呈下降趨勢。從各分區(qū)來看,平均土壤侵蝕模數(shù)Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)呈上升趨勢;Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)、Ⅷ區(qū)呈下降趨勢。

        (2)空間上,無明顯侵蝕區(qū)域主要分布在湖北省中部平原地區(qū),侵蝕等級較低區(qū)域主要分布在湖北省西北部丘陵地區(qū),侵蝕等級較高區(qū)域主要分布在湖北省東部、西南部的山地地區(qū),總體呈現(xiàn)東部高(增加)、中部不變、西部低(減少)的空間格局。土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移以高等級向低等級轉(zhuǎn)移為主,土壤侵蝕增加的區(qū)域明顯少于得到改善的區(qū)域,湖北省整體的土壤侵蝕狀況有所改善。

        3.2 討 論

        結(jié)合湖北省各分區(qū)土壤侵蝕特征,分別采用相應(yīng)的修復(fù)措施:鄂東地區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)增長趨勢,建議采取植樹、種草、固坡等生態(tài)措施,增加植被覆蓋度,減小降雨侵蝕動力,增強土壤抗蝕性,提高生態(tài)系統(tǒng)功能;鄂西地區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)減少趨勢,建議以保護為主,在加強天然林及人工林保護的同時,實施封山育林,改善其生態(tài)環(huán)境。

        另外,本研究仍存在一些不足。在RUSLE模型因子計算過程中,因子計算很關(guān)鍵,各個因子的數(shù)據(jù)精度不一,在計算的過程中難免產(chǎn)生誤差,并且部分因子參數(shù)主要是參考了相關(guān)學(xué)者的研究成果,與實際數(shù)據(jù)會有一定誤差。因此,對RUSLE模型的修正和參數(shù)的率定是以后研究工作的重點。

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