趙茜茜 趙永華

(長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

土壤侵蝕作為土地退化的形式之一，主要是指土壤或成土母質(zhì)在外力的作用下發(fā)生破壞、移動、運(yùn)輸和沉積的過程[1]。土壤侵蝕對土地利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源利用和人類社會的可持續(xù)發(fā)展等方面均產(chǎn)生不良影響，已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會和環(huán)境問題[2]。秦嶺地區(qū)位于我國中部，有“中華龍脈”之稱，與淮河共同組成我國南北方分界線，也是我國中西部的重要生態(tài)屏障，在維護(hù)我國的生態(tài)安全和生物多樣性有重要地位[3]。然而，由于多年來的不合理開發(fā)，秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況曾經(jīng)一度惡化，使整個地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重影響。近年來，隨著“兩山理論”的提出和以及秦嶺地區(qū)生態(tài)保護(hù)力度的加大，生態(tài)環(huán)境治理的成效顯著，區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕狀況總體趨于改善，但在局部農(nóng)耕區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，土壤侵蝕的治理現(xiàn)狀仍然嚴(yán)峻[4]。

國內(nèi)外對于土壤侵蝕的研究及相關(guān)試驗(yàn)起步較早，直至20世紀(jì)60年代，在大量的小區(qū)觀測和模擬降雨試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，美國農(nóng)業(yè)部提出的通用土壤流失方程模型(USLE)，為了彌補(bǔ)該方程只能適用于平緩坡地的不足，20世紀(jì)90年代，美國農(nóng)業(yè)部提出了修正土壤流失方程模型(RUSLE)[5]。在此基礎(chǔ)上，美國推出了水蝕預(yù)報(bào)模型(WEPP)和淺溝侵蝕預(yù)報(bào)模型(EGEM)[6]。此外，歐洲和荷蘭也開發(fā)了歐洲土壤侵蝕模型(EUROSEM)和土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型(LISEM)。21世紀(jì)，我國的研究人員在通用土壤流失方程(USLE)的基礎(chǔ)上，建立了中國土壤流失方程(CSLE)。風(fēng)蝕模型研究以修正風(fēng)蝕方程模型(RWEQ)、農(nóng)田土壤風(fēng)蝕模型、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?37CS風(fēng)蝕模型該模型等模型為主[7]。我國研究人員也利用RWEQ模型實(shí)現(xiàn)了對青海、內(nèi)蒙古、新疆等地的風(fēng)蝕量的計(jì)算，以評價這些地區(qū)的風(fēng)蝕量的動態(tài)變化[8]。隨著3S技術(shù)的發(fā)展，土壤侵蝕研究實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的動態(tài)監(jiān)測，并與土壤流失模型結(jié)合，應(yīng)用于土壤侵蝕的研究中。但是，這些研究的熱點(diǎn)區(qū)域集中在水土流失多發(fā)區(qū)和農(nóng)耕區(qū)，研究尺度以徑流小區(qū)或中小流域?yàn)橹鳎瑢τ谝陨降貫榛A(chǔ)的林地的土壤侵蝕研究較少。因此通過計(jì)算秦嶺地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，分析土壤侵蝕時空格局，對于開展區(qū)域內(nèi)水土流失綜合治理以及生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

秦嶺地區(qū)位于我國生態(tài)保護(hù)核心地區(qū)之一，重要的水源涵養(yǎng)地區(qū)，總面積約15.85萬km2，占國土總面積的1.67%。秦嶺地區(qū)處于我國自然條件、地理風(fēng)貌和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過渡地帶，區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，地貌類型多樣；氣候特征差異較大；是眾多河流、水庫的水源地，區(qū)域橫跨長江流域和黃河流域；植被變化明顯，類型多樣；區(qū)域內(nèi)人口數(shù)量較多，集中分布在山前平原和山谷盆地；一三產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)；城鎮(zhèn)化水平快速提升[9]。區(qū)域作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，生態(tài)保護(hù)力度不斷加強(qiáng)，對秦嶺地區(qū)作為研究區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕及其驅(qū)動力研究，可以明確區(qū)域內(nèi)生態(tài)保護(hù)的薄弱地區(qū)以及主要影響因素，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)的永續(xù)保護(hù)[10]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 高程數(shù)據(jù)

數(shù)字高程數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)集，下載于地理空間數(shù)據(jù)云(https：//www.gscloud.cn/)，該數(shù)據(jù)集是目前唯一覆蓋全球的高分辨率數(shù)字高程影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為30m。

2.1.2 降水?dāng)?shù)據(jù)

來源于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)下設(shè)的國家環(huán)境信息中心(NCEI)(http：//www.ncei. noaa.gov/data/)。選取秦嶺地區(qū)及其周邊共75個氣象站觀測資料，1985—2021年逐日降水量數(shù)據(jù)，對逐日降水量求和，得到逐月降水量，利用協(xié)同克里金模型對其進(jìn)行空間插值，通過重采樣，得到空間分辨率為100m的月降水量數(shù)據(jù)。

2.1.3 土地利用數(shù)據(jù)

采用武漢大學(xué)楊杰、黃昕撰寫的《The 30m annual land cover datasets and its dynamics in China from 1990 to 2021》。數(shù)據(jù)使用Langsat圖像，形成1985—2021年年度土地覆蓋產(chǎn)品。數(shù)據(jù)集將土地利用類型分為農(nóng)田、森林、灌木林、草地、水體、冰雪、未利用地、建設(shè)用地和濕地共9類。

2.1.4 NDVI數(shù)據(jù)

1985—1999年NDVI數(shù)據(jù)采用我國5km分辨率逐月NDVI數(shù)據(jù)集(1982—2000)，數(shù)據(jù)集來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.geodata.cn)。該數(shù)據(jù)集是根據(jù)NASA AVHRR CDR NDVI V5版逐日數(shù)據(jù)，進(jìn)行月度合成、鑲嵌和裁剪之后制作而成的月最大值NDVI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為5km。2000—2021年NDVI數(shù)據(jù)采用中國區(qū)域250mNDVI數(shù)據(jù)集(2000—2022)，數(shù)據(jù)集來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https：//cstr.cn/)。合成方式采用月最大值合成，數(shù)據(jù)空間分辨率為250m。

2.1.5 土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)

采用中國土壤質(zhì)地空間分布數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與環(huán)境研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https：//www.resdc.cn/)。數(shù)據(jù)分為Sand(砂土)、Silt(粉砂土)與clay(黏土)3大類，每一類數(shù)據(jù)均通過百分比來反映不同質(zhì)地顆粒的含量。

2.1.6 土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)

采用中國土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)集，來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https：//cstr.cn/)。該數(shù)據(jù)集是基于第二次土壤普查獲取到的土壤剖面數(shù)據(jù)編制而成。

2.2 研究方法

本文利用中國土壤流失方程CSLE模型計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)：

M=R×K×LS×B×E×T

(1)

式中，M為單位面積上的土壤侵蝕模數(shù)，t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K為土壤可蝕性因子，t·hm·h·hm-1·MJ-1·mm-1；LS為坡度坡長因子，無量綱；B為生物措施因子，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[11]。

利用模型計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)，根據(jù)水利部《土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190-2007)，劃分為6個等級，分別是微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕。

表1 水力侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 降雨侵蝕力因子計(jì)算

本文利用月降水資料，采用水利部文件《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失測算導(dǎo)則》計(jì)算月降雨侵蝕力因子：

Rm=0.183pm1.996

(2)

式中，Rm為第m月的降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1；pm為第m月的降水量，mm。

2.2.2 土壤可蝕性因子計(jì)算

本文采用EPIC模型中Williams提出的公式計(jì)算土壤可蝕性因子：

(3)

2.2.3 坡度坡長因子計(jì)算

根據(jù)劉寶元等提出的LS修正公式進(jìn)行計(jì)算，公式：

(4)

(5)

(6)

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

2.2.4 生物措施因子計(jì)算

采用蔡崇法等提出的生物措施B因子與FVC的關(guān)系方程計(jì)算B值，公式：

(7)

式中，F(xiàn)VC為植被蓋度，是表征植被發(fā)育的重要指標(biāo)，%。

利用像元二分模型對歸一化植被指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到植被覆蓋度FVC，公式：

(8)

式中，NDVImax為圖像中NDVI最大值；NDVImin為NDVI圖像中的最小值。

2.2.5 工程措施因子計(jì)算

工程措施因子通過對土地利用的形式和不同等級的坡度的耕地進(jìn)行賦值的方法確定，依據(jù)美國農(nóng)業(yè)部和覃香杰等的研究，對秦嶺地區(qū)不同土地利用類型按表2進(jìn)行賦值，對不同坡度的耕地按表3進(jìn)行賦值。

表2 秦嶺地區(qū)不同土地利用類型工程措施因子值

表3 秦嶺地區(qū)不同坡度的耕地的工程措施因子值

2.2.6 耕作措施因子計(jì)算

通過查《全國輪作制度區(qū)劃及輪作措施分類表》，獲取秦巴山區(qū)旱地一熟二熟兼水田二熟區(qū)耕作措施因子值，結(jié)合土地利用類型，對耕地進(jìn)行賦值為0.403，其它土地利用類型賦值為1。

3 結(jié)果與分析

通過對秦嶺地區(qū)土壤侵蝕量進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，秦嶺地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)隨著時間的推移呈現(xiàn)降低的趨勢，表現(xiàn)為1985—2021年，其土壤侵蝕模數(shù)高值逐漸減小且趨于穩(wěn)定。具有顯著的空間異質(zhì)性，表現(xiàn)為高值集中分布在東部和南部地區(qū)，并逐漸向西部和北部區(qū)域遞減。

3.1 土壤侵蝕時間變化趨勢

秦嶺地區(qū)土壤侵蝕總體時間序列見圖1，顯示了土壤侵蝕模數(shù)隨時間變化的基本情況。結(jié)果表明，1985—2021年，秦嶺地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，表明區(qū)域內(nèi)水土流失的現(xiàn)狀正在逐漸趨于改善。此外，年內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)也呈現(xiàn)季節(jié)性的變化，具體表現(xiàn)為，冬春季處于土壤侵蝕的低值時段，夏秋季處于土壤侵蝕高值時段。

圖1 秦嶺地區(qū)土壤侵蝕時間變化趨勢

3.2 土壤侵蝕空間變化趨勢

秦嶺地區(qū)土壤侵蝕1985—2021年空間變化分布情況見圖2，通過利用2021年土壤侵蝕模數(shù)空間分布圖與1985年土壤侵蝕模數(shù)空間分布圖，兩圖做差得到。結(jié)果表明，1985—2021年，秦嶺地區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)總體改善局部惡化的態(tài)勢，即河谷和山區(qū)盆地的土壤侵蝕模數(shù)增加，而山區(qū)坡地呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。土壤侵蝕模數(shù)增加的地區(qū)主要集中在河谷和山間盆地地帶，區(qū)域內(nèi)的東中西部均有分布，東部由于河網(wǎng)密集，山坡坡度較小，分布面積更大，同時，中部海拔較高的高山地區(qū)受植被因素影響，也有分布。

圖2 秦嶺地區(qū)土壤侵蝕空間變化格局

4 結(jié)論與討論

4.1 土壤侵蝕時間特征分析

從時間尺度看，秦嶺地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)30多年來呈現(xiàn)波動緩慢下降的趨勢，指示該區(qū)域水土保持條件正逐年優(yōu)化。秦嶺地區(qū)年內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)的變化呈現(xiàn)冬季為最小值，夏季為最大值。然而年內(nèi)的變化受降水的顯著影響，降水季節(jié)分布異常時，土壤侵蝕量也隨降水量的增多而增大。此外，季節(jié)性的強(qiáng)降雨和秋季的持續(xù)性降水也使得土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)增加。然而，秦嶺地區(qū)地形條件復(fù)雜，天氣狀況變幻莫測，氣候異常年份極易出現(xiàn)水熱條件不同步，影響植被的正常生長，而植被作為水土保持的重要因子，其生長受到制約必然對水土保持產(chǎn)生負(fù)面影響。

4.2 土壤侵蝕空間特征分析

從空間尺度上看，秦嶺地區(qū)土壤侵蝕高值主要集中在東部地區(qū)，低值主要集中在中西部，與降水量的分布狀況相吻合，也印證了區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕量深受降水條件的影響。通過對比秦嶺地區(qū)1985—2021年土壤侵蝕高低值分布地區(qū)可以看出，30多年來，秦嶺地區(qū)土壤侵蝕高值中心呈現(xiàn)逐漸東移的趨勢，低值所占面積則逐漸擴(kuò)大。30多年來，秦嶺地區(qū)土壤侵蝕變化分布可以看出，70%的區(qū)域土壤侵蝕量有小幅減少，表明區(qū)域內(nèi)水土流失現(xiàn)狀趨于改善。然而，占秦嶺地區(qū)總面積的將近30%的土地的土壤侵蝕量仍有一定程度的增加，在全球氣候變化和不合理的人類活動的干擾下，表明秦嶺地區(qū)生態(tài)脆弱區(qū)域的水土流失風(fēng)險(xiǎn)依舊存在[12]。

4.3 土壤侵蝕主要影響因素分析

秦嶺地區(qū)位于我國氣候、植被等因素過渡地帶，地形地貌復(fù)雜，土壤種類繁多，人類活動影響深刻。降雨因子在影響土壤侵蝕過程中作為首要的自然因子，影響土壤侵蝕的年際和季節(jié)性變化，并在大的空間尺度上，影響土壤侵蝕量的空間分布。土壤作為土壤侵蝕發(fā)生的主體，植被類型作為影響水土保持的重要因子，由于其存在局部性的差異，在土壤侵蝕過程中，是導(dǎo)致土壤侵蝕空間格局分異的基礎(chǔ)。人類活動作為非自然因素，對于土壤侵蝕的影響更加直接，人類通過耕作、陡坡開墾和道路、城市施工，改變或者破壞地表原有植被條件或生長周期，導(dǎo)致小范圍的土壤侵蝕加劇[13]。