向慧昌，常 進(jìn)

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，510610，廣州)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地表植被造成了極大的破壞，水土流失的速度不斷加快，嚴(yán)重制約了我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展[1-4]，水土流失問題成為廣大學(xué)者關(guān)注的環(huán)境問題之一。水土流失的調(diào)查與評(píng)價(jià)是解決水土流失問題的基礎(chǔ)，受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[5-7]。目前對(duì)水土流失的調(diào)查與評(píng)價(jià)方面的研究主要分為定性與定量2方面，定性多以多因子綜合評(píng)判和專家經(jīng)驗(yàn)法為主，判斷水土流失發(fā)生發(fā)展的可能[8]。定量則是以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ蜑橹鳎治鲈u(píng)價(jià)區(qū)域水土流失狀況。多使用通用土壤侵蝕方程(universal soil loss equation，USLE)[9-10]、修正版的土壤侵蝕模型(revised universal soil loss equation，RUSLE)[5,11]以及中國土壤侵蝕模型(Chinese soil loss equation，CSLE)[12]分析探討土地侵蝕的空間分布及變化特征。但大多數(shù)研究選取定性或定量的單一方面進(jìn)行水土流失評(píng)價(jià)，通過野外調(diào)查定性分析結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛭锢砟Ｐ偷亩坑?jì)算來評(píng)價(jià)區(qū)域水土流失狀況的研究并不多見。

水利部《關(guān)于加強(qiáng)水土保持監(jiān)測(cè)工作的通知》(水保〔2017〕36號(hào))要求，“各地根據(jù)社會(huì)關(guān)注重點(diǎn)和實(shí)際工作需要，有針對(duì)性地開展生態(tài)脆弱地區(qū)、禁止開墾陡坡地、湖泊和水庫周邊植物保持帶等區(qū)域的監(jiān)測(cè)工作，保障生態(tài)脆弱地區(qū)不遭受破壞、陡坡地面積不增加、植物保持帶生態(tài)功能不降低”。根據(jù)這一要求，筆者以九洲江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用遙感監(jiān)測(cè)與野外實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，利用CSIE[13-14]，重點(diǎn)圍繞區(qū)域土地利用、植被覆蓋度和水土流失分布特征、面積和強(qiáng)度等方面開展監(jiān)測(cè)，以期了解和掌握九洲江流域水土流失與生態(tài)環(huán)境狀況，為后期防治對(duì)策的制訂提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

九洲江是一條跨桂粵2區(qū)(省)的入海河流，地處亞熱帶氣候帶，一年四季溫暖濕潤，發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)陸川縣沙坡鎮(zhèn)秦鏡村的文龍徑，流經(jīng)廣西玉林市陸川、博白2縣共10個(gè)鎮(zhèn)進(jìn)入廣東湛江市的鶴地水庫，最后注入北部灣。其全長168 km，是典型的雨源型河流，4—9月汛期雨量占全年降雨總量的85%，年徑流量平均為28億m3，但枯水期許多河段接近斷流，集雨面積3 396 km2[15]。流域地勢(shì)以低丘為主，中下游兩岸為狹長的河谷平原，受洪水威脅的農(nóng)田面積約5 300 hm2，下游缸瓦窯站(集水面積3 050 km2)于1906年曾出現(xiàn)洪峰流量5 680 m3/s。研究區(qū)位于廣西境內(nèi)，坐標(biāo)為E 109°57′～110°23′、N 21°51′～22°22′。行政區(qū)涉及陸川縣的沙湖、溫泉、沙坡、大橋、橫山、烏石、灘面、良田、古城9個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，以及博白縣的寧潭、英橋、鳳山文地、新田、大垌6個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))(圖1)。

圖1 九洲江流域范圍及涉及行政區(qū)劃圖Fig.1 Scope of the Jiuzhou River Basin and the administrative division map

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

購買2019年度GF-1遙感影像(2 m分辨率)，2017、2018年度MOD13Q1(250 m分辨率)和Landsat 8 OLI(30 m分辨率)通過地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn/)和GloVis(https:∥glovis.usgs.gov/)下載。基于ENVI和ArcGIS平臺(tái)，將影像投影統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為正軸等面積割圓錐投影(Albers投影)，坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000，采用1985國家高程基準(zhǔn)，1∶1萬比例尺按3°分帶。結(jié)合Google Earth、流域內(nèi)土地利用類型、水土保持重點(diǎn)工程、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目批復(fù)等基礎(chǔ)資料，采用面向?qū)ο?人工交互解譯的方式對(duì)高分遙感影像進(jìn)行初解譯，根據(jù)GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》[16]、影像初分類結(jié)果(圖斑總數(shù)量與圖斑總面積)，以滿足“對(duì)不小于解譯結(jié)果總圖斑數(shù)的抽樣5%的核查對(duì)象，抽取10%作為驗(yàn)證樣本進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證”為最低目標(biāo)，進(jìn)行圖斑抽樣野外調(diào)查，利用無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)記錄區(qū)域內(nèi)的土地利用類型、植被覆蓋度等信息，并與遙感影像顏色、紋理特征進(jìn)行對(duì)比，建立解譯標(biāo)志，對(duì)九洲江流域的土地利用類型、植被覆蓋度進(jìn)行校正。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度因子提取 計(jì)算1年內(nèi)30 m空間分辨率OLI影像歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI，量綱為1)，與1年23個(gè)半月250 m空間分辨率MODIS影像NDVI值，通過融合、插值、重采樣獲取每年24個(gè)半月30 m空間分辨率的植被覆蓋度[17]。

式中：NIR為近紅外波段的反射率，nm；R為可見紅光波段反射率，nm。利用以下公式將融合的24個(gè)半月30 m空間分辨率NDVI轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC，量綱為1)[18]：

式中：NDVImax為當(dāng)年監(jiān)測(cè)區(qū)的植被覆蓋度最大區(qū)域NDVI值(不能大于1)；NDVImin為裸土NDVI值；k為系數(shù)。

2.2.2 土地利用類型因子提取 將無人機(jī)影像與高分影像進(jìn)行配準(zhǔn)，勾繪典型土地利用類型地塊，建立九洲江流域土地利用遙感解譯標(biāo)志。基于土地利用遙感解譯標(biāo)志，利用歸一化差分水體指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)[19]，量綱為1，設(shè)置閾值(NDWI>0.1)提取九洲江流域水體，即河湖庫塘地類；利用NDVI，設(shè)置閾值將剩下的非水體地類分為植被地類(NDVI>0.1，包括耕地、園地、林地、草地)、非植被地類(NDVI≤0.1，包括建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、其他土地)；再將植被地類與非植被地類分別設(shè)置參數(shù)，通過面向?qū)ο蠓诸?人工交互解譯的方式進(jìn)行精細(xì)分類[20]，對(duì)于土地利用和水土保持措施解譯結(jié)果，總體上抽取不少于總圖斑數(shù)的10%進(jìn)行核查；對(duì)于核查圖斑，抽取10%作為驗(yàn)證樣本進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。驗(yàn)證點(diǎn)位置與遙感影像偏差小于1個(gè)遙感影像像元，圖斑屬性判對(duì)率應(yīng)大于90%。研究區(qū)土地利用類型劃分水田、旱地、其他園地、有林地、其他林地、其他草地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地、采礦用地、其他建設(shè)用地、其他交通用地、河湖庫塘和裸土地13類。

式中G為可見綠光波段反射率，nm。

2.2.3 水土流失因子值計(jì)算

降雨侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K計(jì)算采用水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心收集加密雨量站點(diǎn)降水資料、更新計(jì)算降雨侵蝕力因子和土壤可蝕性因子，統(tǒng)一下發(fā)各流域管理機(jī)構(gòu)和省級(jí)水行政主管部門用于土壤侵蝕計(jì)算。

坡長因子L、坡度因子S計(jì)算基于九洲江流域10 m空間分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)，進(jìn)行坡長坡度計(jì)算，獲得流域坡長因子、坡度因子?xùn)鸥駡D。坡長因子

式中：λi、λi-1分別為第i個(gè)和第i-1個(gè)坡段的坡長，m；m為坡長指數(shù)，隨坡度而變，量綱為1[21]。

坡度因子

式中θ為坡度，(°)。生成的L、S柵格數(shù)據(jù)空間分辨率為10 m。

植被覆蓋與生物措施因子B計(jì)算采用融合法與單期高分影像分別計(jì)算植被覆蓋與生物措施因子，根據(jù)解譯的土壤侵蝕地塊屬性表中土地利用類型計(jì)算各地類B因子值，生成B因子?xùn)鸥駡D層。園地、林地和草地B因子計(jì)算公式為：

式中：WRi為第i個(gè)半月降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例，取值范圍為0～1；SLRi為第i個(gè)半月園地、林地和草地的土壤流失比例，量綱為1，取值范圍為0～1。茶園和灌木林地SLRi計(jì)算公式為：

果園、其他園地、有林地和其他林地SLRi計(jì)算公式為：

SLRi=0.444 68×e(-3.200 96×GD)- 0.040 99×e(FVC-FVC×GD)+0.025。

草地SLRi計(jì)算公式為：

式中：GD為喬木林的林下蓋度，取值范圍為0～1，包括除喬木林冠層以外的所有植被(灌木、草本和枯落物)構(gòu)成的林下蓋度，按實(shí)地調(diào)查和經(jīng)驗(yàn)，有林地GD取值為0.6～0.8，其他園地GD取值0.4～0.6，其他林地GD取值0.2～0.4。非園地、林地、草地地類的B因子查《非園地、林地、草地的B因子賦值表》(1)源自2020年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南。

工程措施因子E計(jì)算參考2018年廣西自治區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中九洲江流域E因子成果(2)源自2018年廣西自治區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中九洲江流域E因子成果，將水田地類作為工程措施，并進(jìn)行賦值，生成2 m空間分辨率(對(duì)應(yīng)土地利用分類結(jié)果)的E因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

耕作措施因子T賦值采用九洲江流域所涉及區(qū)縣(即玉林市陸川縣、博白縣)耕作措施因子0.417，對(duì)2°以下(含2°)耕地考慮等高耕作措施，因子值統(tǒng)一為0.431(3)源自《耕作輪作措施賦值表》。

2.2.4 土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算

將降雨侵蝕力R、土壤可蝕性因子K、坡長因子L、坡度因子S、植被覆蓋與生物措施因子B、工程措施因子E、耕作措施因子T，代入中國土壤流失CSLE方程[20]，進(jìn)行柵格運(yùn)算。方程如下：

A=RKLSBET。

式中A為土壤侵蝕模數(shù)。當(dāng)土地利用類型為耕地時(shí)，在植被覆蓋與生物措施因子、耕作措施因子中，選取耕作措施因子與其他5個(gè)因子圖層相乘；當(dāng)土地利用類型為非耕地時(shí)，則選取植被覆蓋與生物措施因子，與其他5個(gè)因子圖層相乘，獲取10 m空間分辨率土壤侵蝕模數(shù)柵格數(shù)據(jù)。采用綜合評(píng)判法，依據(jù)SL190—2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[22]，將九洲江流域土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，定性和定量相結(jié)合分析評(píng)價(jià)九洲江流域水土流失分布特征、面積和強(qiáng)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用現(xiàn)狀

2019年九洲江流域土地利用類型(圖2)以有林地和水田為主，2種土地利用類型面積分別為778.47和144.37 km2，分別占流域總面積的62.0%和11.5%，其余土地利用類型占流域總面積的26.5%(表1)。從空間分布來看，有林地占流域面積最大，水田沿河道兩側(cè)分布。建設(shè)用地分布較為集中，形成了上、中、下游3段集聚區(qū)。

表1 2019年九洲江流域土地利用類型面積及比例Tab.1 Areas and proportions of land use types in the Jiuzhou River Basin in 2019

圖2 2019年九洲江流域土地利用類型圖Fig.2 Land use type map of the Jiuzhou River Basin in 2019

3.2 植被覆蓋度

2019年九洲江流域大部分地表都有植被覆蓋且植被覆蓋度都較高，園地、林地和草地3種主要的植被地類總面積952.68 km2，占流域總面積的75.9%；高覆蓋園地和林地占園地和林地總面積的92.3%，中覆蓋度以下(包括中覆蓋度)園地和林地僅占園地和林地總面積的0.5%；草地方面，高覆蓋草地占草地總面積的96.5%，中覆蓋度以下(包括中覆蓋度)草地僅占草地總面的0.2%(圖3和表2)。從空間分布來看，植被覆蓋度沿河道兩側(cè)逐漸升高，沿河道越近，植被覆蓋度越低。這與土地利用現(xiàn)狀相一致，沿河道兩側(cè)多分布人為活動(dòng)較高的建設(shè)用地，人為活動(dòng)越強(qiáng)烈的區(qū)域植被覆蓋度越低。

圖3 2019年九洲江流域植被覆蓋度圖(融合法)Fig.3 Vegetation cover map of the Jiuzhou River Basin in 2019 (Fusion method)

3.3 水土流失及變化

3.3.1 土壤侵蝕模數(shù)及土壤侵蝕量 2019年九洲江流域平均土壤侵蝕模數(shù)為532 t/(km2·a)。從空間分布上來看，高土壤侵蝕模數(shù)集中出現(xiàn)在地表擾動(dòng)劇烈的城鎮(zhèn)建設(shè)、采礦、公路建設(shè)等人為活動(dòng)造成的裸土地區(qū)域；中、中高土壤侵蝕模數(shù)則集中分布于流域的山地、丘陵地區(qū)；九洲江及其支流所在的中部則集中分布低、中低土壤侵蝕模數(shù)地塊(圖4)。土壤侵蝕總量為64萬1 834 t，其中劇烈地塊土壤侵蝕量20萬6 854 t，占流域總侵蝕量的32.2%；微度地塊土壤侵蝕量13萬3 255 t，占流域總侵蝕量的20.8%；中度地塊土壤侵蝕量9萬272 t，占流域總侵蝕量的14.1%(表3)。

3.3.2 2018—2019年水土流失變化情況 與2018年研究區(qū)水土流失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，2019年九洲江流域輕度及以上土壤侵蝕面積減少13.07 km2。在各類型土壤侵蝕強(qiáng)度消長變化方面，中度土壤侵蝕強(qiáng)度面積增加最多，為5.5%；強(qiáng)烈土壤侵蝕強(qiáng)度面積和微度土壤侵蝕面積也稍有增加，分別為2.1%和1.2%。劇烈、極強(qiáng)烈土壤侵蝕強(qiáng)度面積明顯下降，分別減少27.4%和24.1%；輕度土壤侵蝕強(qiáng)度面積減少7.8%(表4)。

表2 2019年九洲江流域植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of vegetation cover in the Jiuzhou River Basin in 2019

圖4 九洲江流域土壤侵蝕圖Fig.4 Soil erosion map of the Jiuzhou River Basin

2018年九洲江流域發(fā)生土壤侵蝕的地塊(圖4)，在2019年的監(jiān)測(cè)結(jié)果中都不同程度的向微度土壤侵蝕進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其中輕度土壤侵蝕地塊向微度轉(zhuǎn)化的比例最多，占到2018年輕度土壤侵蝕總面積的78.7%；中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈土壤侵蝕地塊分別為57.2%、47.1%、48.7%、48.6%。

未發(fā)生土壤侵蝕強(qiáng)度變化的地塊方面，有1 005.95 km2的地塊在2018、2019年土壤侵蝕強(qiáng)度均為微度；2018年監(jiān)測(cè)結(jié)果中的劇烈土壤侵蝕地塊，有42.3%在2019年的土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果中仍然為劇烈；極強(qiáng)烈、強(qiáng)烈、中度、輕度土壤侵蝕地塊分別為41.1%、40.3%、26.4%、17.1%(表5)。

表3 2019年九洲江流域水力侵蝕量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of water erosion in the Jiuzhou River Basin in 2019

表4 九洲江流域年度水力侵蝕強(qiáng)度消長情況Tab.4 Annual fluctuation of water erosion intensity in the Jiuzhou River Basin

表5 九洲江流域年度水力侵蝕強(qiáng)度地塊轉(zhuǎn)變情況Tab.5 Annual changes of water erosion intensity plots in the Jiuzhou River Basin

續(xù)表5 Continued tab.5

4 結(jié)論與討論

1)2019年九洲江流域土地利用類型以有林地和水田為主，2種土地利用類型面積分別占流域總面積的62.0%和11.5%。大部分地表都有植被覆蓋且植被覆蓋度都較高。從空間分布來看，水田、建設(shè)用地主要沿河道兩側(cè)分布，沿河道距離越近，人為活動(dòng)越強(qiáng)烈，植被覆蓋度越低。

2)2019年九洲江流域平均土壤侵蝕模數(shù)為532 t/(km2·a)，流域土壤侵蝕總量為64萬1 834 t。劇烈和極強(qiáng)烈的土壤侵蝕發(fā)生在人為活動(dòng)強(qiáng)烈的采礦用地以及大規(guī)模開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目造成的裸土地區(qū)域。

3)與2018年全區(qū)水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，2019年九洲江流域土壤侵蝕面積減少13.07 km2，中度、強(qiáng)烈、微度土壤侵蝕強(qiáng)度面積有所增加，劇烈、極強(qiáng)烈、輕度土壤侵蝕強(qiáng)度面積下降較為明顯。輕度土壤侵蝕地塊向微度轉(zhuǎn)化的比例最多，占到2018年輕度土壤侵蝕總面積的78.7%。有42.3%在2019年的土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果中仍然為劇烈。人為活動(dòng)造成的水土流失對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響仍然較大。

研究從土地利用與植被覆蓋2個(gè)角度出發(fā)，采用中國土壤侵蝕方程定性與定量分析九洲江流域水土流失現(xiàn)狀，增進(jìn)對(duì)九洲江流域水土流失的認(rèn)識(shí)，為九洲江流域水土流失治理措施的制訂提供了科學(xué)依據(jù)。研究的結(jié)果表明，人為活動(dòng)集聚區(qū)普遍水土流失嚴(yán)重，而人為活動(dòng)與水土流失的關(guān)系，是一個(gè)更為復(fù)雜和深入的過程，亟待更深層次的研究。另外，利用土壤侵蝕方程進(jìn)行科學(xué)分析時(shí)應(yīng)結(jié)合流域?qū)嶋H，警惕“異參同效”現(xiàn)象。