牧羊河流域土壤侵蚀变化研究

刘蜀鄂，史正涛

(云南师范大学旅游与地理科学学院，云南昆明650092)

水资源是城市发展所需的最基本的资源，城市水资源的可持续供给取决于对城市水源地的建设与保护。随着我国经济建设的发展，城市规模在扩大、人口在增加，城市用水量也在逐渐增多，水的供需矛盾凸显，水资源短缺成为城市社会经济发展所面临的主要问题之一。松华坝水库位于昆明市北郊，是昆明市最主要的饮用水源，承担着市区50%以上的供水，因此如何对松华坝水库集流区生态环境进行保护是关系到昆明市发展的重大问题。流域土壤侵蚀是生态环境变化的主要驱动因子，它会使水源区植被退化，导致水源区水源涵养功能下降、河川径流量减少［1］。牧羊河是松华坝水库的两条入库河流之一，研究该流域土壤侵蚀变化，对于科学地进行水土保持规划、加强水源区生态保护与建设，保证昆明市用水安全具有重要的意义。

在水源区及自然保护区土壤侵蚀研究中，周宏飞等［2］、王大庆等［3］对新疆天山天池自然保护区草地的土壤侵蚀状况进行了研究，认为该地区土壤侵蚀量与土壤容重、径流深、降雨量、降雨强度之间存在多元线性回归关系，但研究是基于径流小区的观测，未能揭示研究区的土壤侵蚀变化规律。三江源区的水土保持研究也仅侧重于生态监测实践及水土保持项目建设［4］，未分析源区水土保持现状。而在其他区域的土壤侵蚀研究中，则广泛运用GIS和RS技术来分析土壤侵蚀现状及发展趋势［5－6］。同时，大多数研究都侧重于土壤侵蚀模型因子的提取和计算，分析土壤侵蚀的空间分布或侵蚀随时间变化的特征，而对人类活动造成的各种土壤侵蚀强度之间的相互转移特征缺乏足够的认识。土壤侵蚀强度之间的相互转移能更好地反映土壤侵蚀的变化趋势及人类活动对土壤侵蚀造成的影响，因此将常用于土地覆被变化的转移矩阵分析法［7］运用到流域土壤侵蚀强度变化研究中，能较好地揭示流域土壤侵蚀强度变化特征。

1 研究区概况

牧羊河是昆明市松华坝水源区的主要入库河流之一，距昆明市区 30 km，地处东经 102°45'—102°49'、北纬 25°10'—25°28'之间，流域内分布有嵩明县阿子营乡、滇源镇、盘龙区松华乡等3个乡镇，北接寻甸县，西与富民县相连，流域总面积351 km2，海拔1980—2760 m，流域平均高程 2244.37 m，沟道平均比降为15‰，海拔2200 m以上山区面积占流域总面积的57.38%。流域属北亚热带湿润山地季风气候，主要受西南印度洋和东南太平洋季风影响，年均降雨量1005.80 mm，年均气温14.5℃，常年主要风向为西南风，平均风速2.2 m/s，最大风速19 m/s。流域土壤主要为地带性黏性红壤，偏酸性。地形地貌复杂多样，以红层溶蚀地貌为主，梁王山、大摆等地岩溶地貌较为发育。

2 研究方法

2.1 研究模型

采用修正的通用土壤流失方程［8］计算年土壤流失量，其公式为

式中:A为年均土壤流失量，t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a);K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(MJ·hm2·mm);LS为坡长与坡度因子(无量纲);C为植被覆盖因子(无量纲);P为水土保持措施因子(无量纲)。

2.2 数据处理

由于研究区内只有1个设置在流域出口的中和水文站，降雨资料为该站1955—2010年逐月降雨量。为了得到流域降雨侵蚀力分布图，先利用流域附近站点的海拔与各月多年平均降雨量理清月平均降雨量随海拔变化的关系［9］;按照降雨量随地形而变化的规律，利用DEM在研究区内均匀布点，以周伏建等［10］的降雨侵蚀力计算公式计算各点的降雨侵蚀力，然后运用Kriging插值法进行流域降雨侵蚀力空间差值计算。

地形因子选用第四次全国土壤侵蚀普查技术规程中建议的 McCool公式［11］及 Liu B Y 等［12］对陡坡情况下修正的 LS因子计算式，即

式中:θ为流域坡度，(°);λ为计算出的近似坡长，m;m为λ的系数，由流域坡度决定:当 θ≤1°时 m 为 0.2，1°＜ θ≤3°时 m 为0.3，3°＜ θ≤5°时 m 为0.4，θ＞5°时 m 为0.5。

C因子的提取采用蔡崇法等提出的植被覆盖度因子与植被覆盖度之间的数学回归方程，其计算式为

式中:c为植被覆盖度，c≥78.3%时 C=0，c=0 时 C=1［13］。

c通过对遥感影像进行栅格计算得到，其计算式为

c

式中:N为影像各像元的归一化植被指数(即NDVI)值;Nsoil是流域内裸地的N值，为在野外调查得到的裸地像元统计的最小值;Nveg为纯植被像元的N值［14］;其余符号意义同前。

对于Nsoil和Nveg像元值的确定，将N图中像元最大值作为Nveg，裸地像元值的选取则是将像元值按从小到大的顺序进行排列，并统计从最小值像元开始占像元总数5%的像元的N值，将这一N值作为Nsoil值。同时C因子也受到土地利用现状的影响，在考虑两者的基础上计算出有植被覆盖像元的C值。

土壤可蚀性因子K则是在土壤分布图的基础上通过实验并结合相关资料确定。在遥感解译得到的土地利用类型图上，根据坡度及相关研究成果，确定各土地利用类型的P值。

提取地形因子的数字高程模型是下载自国家科学数据共享网的分辨率为30 m的DEM数据。遥感影像选用了1992、2000年的TM影像及2010年的ALOS影像，并对三期影像进行遥感解译及植被覆盖度提取。

3 结果分析

3.1 土壤侵蚀面积的时间变化格局

将1992、2000、2010年土壤侵蚀等级分布图利用ArcGIS转换为矢量格式，然后进行叠加分析，统计相同属性的面积，分别计算1992—2000年、2000—2010年的侵蚀等级面积变化转移矩阵，并结合Excel制成流域不同侵蚀强度面积转移矩阵表(表1、2)，转移总面积与流域总面积误差为1.28%，在允许误差范围内。

表1 1992—2000年牧羊河流域土壤侵蚀强度面积转移矩阵

表2 2000—2010年牧羊河流域土壤侵蚀强度面积转移矩阵

1992—2000年的各侵蚀强度面积变化规律为:无明显侵蚀向微度侵蚀和轻度侵蚀转移面积较大，微度侵蚀则主要向轻度侵蚀和无明显侵蚀转移，轻度侵蚀向微度侵蚀转移面积最大，中度侵蚀向轻度侵蚀转移的面积占中度侵蚀强度面积的比率为17.41%，但因中度侵蚀面积小，其转向轻度侵蚀的面积也小。在该时段内，无明显侵蚀的整体转移率达到了37.00%，超过了其面积的1/3，而其他侵蚀强度的整体转移率都在20%以内。在面积转移率为10%以上的强度转移中，微度侵蚀转向轻度侵蚀的面积最大，这表明2000年的土壤侵蚀在1992年的基础上加剧了。

2000—2010年的面积变化规律为:无明显侵蚀向微度侵蚀转移了15.73%;微度侵蚀向无明显侵蚀和轻度侵蚀转移的比率较小但面积较大，向中度侵蚀转移的面积比率小于0.01%;轻度侵蚀向微度侵蚀转移了 2734.17 hm2，占其面积的27.38%，转移面积为该时段最大值;中度侵蚀向轻度侵蚀转移的比率最大，为68.41%。这一时段，中度侵蚀的整体转移率最大，为70.58%;轻度侵蚀次之，为30.03%;微度侵蚀的整体转移率未超过7.18%，无明显侵蚀的整体转移率为19.37%。受轻度侵蚀向微度侵蚀大量转移的影响，2010年的土壤侵蚀模数比2000年的变小了。

从整体转移变化来看，无明显侵蚀面积在第一阶段(1992—2000年)净减少，第二阶段(2000—2010年)转出与转入差异不大，在两个阶段内其面积整体呈现减少趋势;微度侵蚀面积在第一阶段净减少1710.04 hm2，在第二阶段净增大2037.88 hm2，整体上呈先减后增的变化;轻度侵蚀面积是所有侵蚀强度中转移波动幅度最大的，在第一阶段转出小于转入，差值为2013.84 hm2，在第二阶段大幅度转出，净转出值为1935.26 hm2，先增大后减小;中度侵蚀面积整体上也是先增大后减小。这与流域侵蚀总量先增大后减小的变化特征是一致的。

3.2 土壤侵蚀变化特征

表3是牧羊河流域不同阶段各侵蚀强度的侵蚀量及所占比例。由表3知，流域各侵蚀强度在3个阶段的侵蚀量均以轻度侵蚀为最大，轻度侵蚀的侵蚀量占总侵蚀量的比例分别为68.68%、73.44%、64.41%;其次是微度侵蚀，在流域总侵蚀量中所占的比例分别为 30.73%、25.16%、35.07%;侵蚀量最小的是中度侵蚀，占总侵蚀量的比例在1.50%以内。因此，各侵蚀强度侵蚀量占总侵蚀量的比例以轻度侵蚀最大，占60%以上，微度侵蚀次之，中度侵蚀最小。

从侵蚀量的时段变化方面看，与1992年相比，2000年的微度侵蚀量增加了，占总侵蚀量的比例却下降了5.57%，这是由2000年的平均侵蚀模数上升使得总侵蚀量增加所致;轻度侵蚀变化幅度最大，2000年轻度侵蚀量比1992年增加了22035.40 t，侵蚀量所占比例上升了4.76%;中度侵蚀量最小，其变化幅度也最小，2000年中度侵蚀量在1992年的基础上增加了1121.82 t，侵蚀量所占比例上升了0.81%。2010年与2000年相比，微度侵蚀量增加了5447.89 t，微度侵蚀量占总侵蚀量的比例增大了9.91%;轻度侵蚀量减少了22685.13 t，占总侵蚀量的比例降低了9.03%;中度侵蚀量只减少了1151.09 t，占总侵蚀量的比例下降了0.88%。整体来看，1992—2010年轻度侵蚀量及占流域总侵蚀量的比例变化波动最大，其次是微度侵蚀，中度侵蚀变化绝对值最小。

表3 牧羊河流域不同阶段各侵蚀强度的侵蚀量及所占比例

3.3 流域土壤侵蚀的空间分布

牧羊河流域土壤侵蚀以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，北部侵蚀强度明显小于南部，其中:北部微度侵蚀面积明显大于南部，东部微度侵蚀面积也比西部要大，无明显侵蚀、中度侵蚀在流域零星分布。

4 结语

(1)牧羊河流域土壤侵蚀强度不大，主要为微度侵蚀和轻度侵蚀。

(2)牧羊河流域土壤侵蚀强度面积变化规律为:1992—2000年间主要是微度侵蚀向轻度侵蚀转移，2000—2010年间则是轻度侵蚀向微度侵蚀转移。

(3)牧羊河流域的土壤侵蚀总量呈先增大后减小的变化趋势，且2010年的总量要大于1992年的总量;轻度侵蚀的总侵蚀量变化最大。

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