三峡库区不同土地利用背景下的土壤侵蚀时空变化及其分布规律

刘婷，邵景安，2†(．重庆师范大学地理与旅游学院，400047，重庆;2．三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，400047，重庆)



三峡库区不同土地利用背景下的土壤侵蚀时空变化及其分布规律

刘婷1，邵景安1，2†
(1．重庆师范大学地理与旅游学院，400047，重庆;2．三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，400047，重庆)

摘要:土壤侵蚀是影响三峡库区土壤养分流失、河道淤积等一系列生态环境问题的重要原因，本文基于GIS技术，采用通用土壤流失方程，对三峡库区1990、1995、2000、2005和2010年的土壤侵蚀进行计算，并对研究区1990—2010年不同土地利用背景下土壤侵蚀强度的时空变化和分布规律进行定量分析。结果表明:1990—2010年，三峡库区平均土壤侵蚀模数与土壤侵蚀量呈减少的趋势，多年平均土壤侵蚀量为18 356.450 7万t，属于中度侵蚀;从空间上看，研究区微度、轻度侵蚀等级分布面积最广。在同一年分内，6种不同土地利用下土壤侵蚀模数依次为:旱地＞草地＞林地＞未利用地＞水田＞建设用地;不同土地利用下的土壤侵蚀差异显著，不同土地利用对土壤侵蚀的贡献率相差很大;各土地利用类型中，微度侵蚀的面积逐渐增加，中度侵蚀及以上侵蚀等级的侵蚀面积，都不同程度的向低等级转移;随着退耕还林还草及大量农村劳动力的外出，库区的土壤侵蚀总体上呈现转好的趋势，但是局部地区的治理工作仍需加强。

关键词:RUSLE;GIS;土壤侵蚀;土地利用;三峡库区

项目名称:国家水体污染控制与治理科技重大专项课题“三峡库区及上游流域农村面源污染控制技术与工程示范”(2012ZX07104－003)

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融和重力等外营力及人类活动作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积过程［1］，是一个复杂的时空过程，若气候条件相同，土地利用的类型组成、空间配置等土地利用格局就成为土壤侵蚀的主控因素之一［2］。土地利用变化通过改变土壤物理性质、化学性质、植被覆盖、径流速率等，从而改变土壤的抗侵蚀能力以及土壤侵蚀的发生、发展［3 4］。关于土地利用对土壤侵蚀的的影响最早的研究，主要是通过径流小区试验对比不同土地利用方式的土壤侵蚀效应［5］，之后主要借助土壤侵蚀模型，定量计算出不同土地利用方式下的土壤侵蚀。3s技术的发展，为定量分析不同土地利用背景下的土壤侵蚀分布规律提供支撑［6］。目前，利用放射性核素(如137Cs)示踪法，在研究特定土地利用下的土壤侵蚀速率及空间分布的应用研究非常活跃［7］。

人类生产生活主要通过改变土地利用来影响生态环境，研究区内的土壤侵蚀对土地利用的变化响应也比较敏感［8］。三峡库区近20年，土地利用发生很大的变化，特别是三峡工程以及随之而来的移民安置、迁建，对土地利用的扰动十分强烈［9］。2004年，“两工”(农村义务工和劳动积累工)取消过后，大量农村劳动力外出打工，在减轻土地生产的压力的同时，也对土地利用产生一定影响。本文在GIS的支持下，选用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)，对不同土地利用背景下的土壤侵蚀定量分析，在大尺度上讨论土地利用与土壤侵蚀强度的关系。

1　研究区概况

三峡库区(E 29°16'～31°25'，N 106°50'～110° 50')，是指三峡工程175 m水位淹没以及移民搬迁安置所涉及的区域，其位于四川盆地与长江中下游平原结合部，东起湖北省宜昌市，西至重庆市江津区，涉及渝鄂20个区(县)市，总面积达5.8万km2。三峡库区是长江中下游的生态屏障和重要水源地［10］，地处我国地势第2阶梯的东缘，处于3大构造交汇地带［11］。主要以中、小起伏山地为主，占63.66%［12］，根据库区地形特点，总体上可以分为渝西、渝中平行岭谷以及渝东、鄂西低山中山峡谷。渝西、渝中平行岭谷区开发较早，土地利用程度高，但仍有相当部分耕地处于25°左右的斜坡上;鄂西低山中山峡谷区地势复杂、山高坡陡、沟壑纵横、生产生存条件恶劣，水土流失较为严重。库区气候属于中亚热带湿润季风气候，四季分明，气温和降水季节变化较为明显，多年平均降雨量约为1 000～1 200 mm，年均温度18～20℃;土壤以紫色土、黄棕壤、水稻土和石灰岩土为主［13］;植被类型丰富，主要是常绿针(阔)林，落叶针(阔)林。

2　材料与方法

2.1数据来源

2.1.1三峡库区及其周边日降雨量监测数据数据来源于国家气象局气象信息中心和重庆市气象局。

2.1.2土壤数据数据来源于中国科学院南京土壤研究所1∶100万中国土壤数据库—数字化土壤图(包括土壤类型数据)。

2.1.3土地利用数据数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心提供的1∶10万土地利用土地覆盖解译数据(http:∥www．resdc．cn/b-f/b-f．asp)，以及实地踏勘的解译，共为5期(1900、1995、2000、2005和2010年)，解译结果得到实地验证，并达到精度要求。

2.1.4DEM数据数据来源于中国西部数据中心，空间分辨率为90 m。三峡库区矢量边界，依据三峡建设委员会，对所囊括渝鄂30个区(县)市的行政边界自行制作，将所有栅格数据统一转换为空间分辨率为90 m，图像统一转为Albers等积投影，并参与空间运算。

2.2土壤侵蚀模型

采用目前应用范围广泛的修正通用土壤流失方程(RUSLE)［14］，计算土壤侵蚀量，该模型充分考虑不同的气候和地理条件，且可以直接利用遥感数据，在ARCGIS技术支持下，对土壤侵蚀进行定量分析，具有广泛的适用性。其基本算法如下:

式中:A为土壤侵蚀模数即年平均土壤流失量，t/ (hm2·a);K为土壤可侵蚀性因子，t·hm2·h/(MJ· hm2·mm);R为降水侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h· a);L，S分别为坡长和坡度因子;C为植被覆盖或作物管理因子;P为水土保持措施因子。模型的参数计算及赋值详见表1。

表1　RUSLE各因子获取方法Tab．1　Acquisition method of each factor in RUSLE

2.3土壤侵蚀强度计算与不同土地利用背景下的土壤侵蚀

基于上述算法，利用Arcgis中的栅格计算器，获得土壤侵蚀量，据中国水利部 2008年颁布的SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》，通过Arcgis重分类工具，将库区1990—2010年的土壤侵蚀分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈6个等级，得到研究区1990—2010年土壤侵蚀强度时空分布图，利用Excel进行分类统计。在此基础上，分析库区土壤侵蚀特征及时空变化。

为掌握研究区不同土地利用下的土壤侵蚀变化，利用 ArcGIS 9.3中的 zonal statistics功能，用研究区1990—2010年的土地利用图识别统计土壤侵蚀图以及土壤侵蚀强度等级图，分别得到不同土地利用下的土壤侵蚀数量特征 ，以及不同土地利用类型下6种侵蚀等级面积的分布情况。并采用SPSS统计软件，对不同土地利用方式下的土壤侵蚀，进行单因素方差分析和LSD检验分析。

3　结果与分析

3.1库区土壤侵蚀总体概况分析

利用 RUSLE，计算得到库区 1990—2010年土壤侵蚀总量和平均土壤侵蚀模数。由表2可见，1990—2010年三峡库区土壤侵蚀状况总体呈现变好的趋势，平均土壤侵蚀模数介于 2 500～3 500 t/(km2·a)，多年平均为2 989.95 t/(km2·a)，土壤侵蚀量介于15 000万～21 000万t，多年平均侵蚀量模数为18 356.450 7万t，属于中度侵蚀。其中，20世纪90年代过程中，经历了1990—1995年的增大阶段，这与1995年的侵蚀性降水程度远大于1990年有很大关系，再到1995—2000年的减小阶段，进入21世纪初的前5年，则一直处于不断增大过程，究其原因主要是移民就地开垦坡耕地，土地利用度升高，加剧局部地区的水土流失，以及由三峡工程一期蓄水而引起的地质灾害频发，2005年过后，随着退耕还林工程的不断推进，各种水土保持措施的不断实施，三峡库区的水岩环境随时间趋于新的平衡，库区的土壤侵蚀呈现不断减弱的趋势，至2010年的土壤侵蚀量降到20年最低。

表2　三峡库区1990—2010年土壤侵蚀的数量特征Tab．2　Soil erosion in the Three Gorges Reservoir Region during 1990—2010

3.2三峡库区土壤侵蚀强度空间分布

根据中国水利部2008年颁布土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)［21］，将土壤侵蚀分为微度、轻度、中度、强度、极强烈和剧烈6个等级，得到三峡库区1990—2010年的土壤侵蚀强度等级空间分布图(图1)。从空间上看，整个三峡工程建设的 20年间，库区的土壤侵蚀强度具有很大的趋同性。从整体上看，大体呈现万州至秭归的峡谷地区侵蚀强度高，该地区分布着大量坡度在≥25°的陡坡和急陡坡，渝西平行岭谷、秭归以西的鄂西低山中山峡谷侵蚀强度相对较低，这与三峡库区地势东陡西南缓相吻合。微度侵蚀、轻度侵蚀主要分布在库区的东部和西部，且在空间上展布连续性大，这些地区地形起伏不大，并分布着大量的建设用地，由降雨造成的土壤侵蚀能力弱。极强度侵蚀、剧烈侵蚀主要发生在库区中部的巫山、巫溪、奉节、云阳和开县等高山峡谷区，这些地区地形起伏大，降雨侵蚀力强，土壤因子敏感;此外，又是库区移民搬迁建设工程最为密集地区，从而导致这些地区的土壤侵蚀较为严重。

从时间上看(图2)，1990—1995年间，土壤侵蚀强度升高的地区占11.5%，主要分布在江津、宜昌以及渝中的万州、云阳和开县地区;而土壤侵蚀强度降低的面积只占6%，分布在秦巴山区的兴山、巴东及库尾重庆段，而该地区恰好是耕地转换为林地、草地的地区。1995—2000年侵蚀强度等级降低的占到13.8，与1990—1995年相比，等级降低的面积有所增加;等级升高的面积仅占1.3%，主要分布在重庆主城—万州的沿江地段，以及秦巴山区的兴山、巴东和秭归，这地区与1995—2010年间建设用地的新建及林地开垦为耕地相契合，2000—2005年土壤侵蚀强度等级降低面积只占2%，而等级升高的占到13.8%，且主要位于侵蚀等级较低的地区。2005—2010年土壤侵蚀强度等级降低面积占14.1%，主要分布在侵蚀强度等级比较高的地区。

图1　1990—2010年三峡库区土壤侵蚀等级分布图Fig．1　Soil erosion in the Three Gorges Reservoir Region during 1990—2010

图2　1990—2010年三峡库区土壤侵蚀等级变化图Fig．2　Changes of soil erosion in the Three Gorges Reservoir Region during 1990—2010

3.3不同土地利用背景下的土壤侵蚀变化

土地利用方式的转变是导致土壤侵蚀变化的重要原因，从表3可知，不同土地利用对土壤侵蚀的贡献差异较大。就土壤侵蚀面积而言依次为:林地 ＞旱地＞草地＞水田＞建设用地＞未利用地 ，林地的侵蚀面积最大，占总面积的47%以上。就土壤侵蚀量而言(图3):旱地＞林地＞草地＞未利用地＞水田＞建设用地，其中，旱地的贡献率最大，占总侵蚀量的57%以上，2000年旱地侵蚀量贡献率最大(58.08%)，这与国家实施严格的耕地保护政策有很大的关系。就平均侵蚀模数而言(图4)，旱地最大，属于中度侵蚀，其他地类为轻度侵蚀或微度侵蚀。建设用地虽人为干扰度强，但其规划地多在海拔不高、坡度较低处，因而平均侵蚀模数不高。从时间上来看，各土地利用类型平均侵蚀模数的变化趋势一致，呈M型的动态格局，这与总的平均侵蚀模数的变化是一致的。各土地利用类型的侵蚀量变化趋势，基本与平均侵蚀模数相似，除1990—1995年的水田、1995—2000年的建设用地的土壤侵蚀量变化趋势与总变化量相反。

1990—1995年间水田侵蚀面积的减少，主要是城镇化的快速发展，使大量耕地转化为城镇用地，林地的土壤侵蚀量增多，一方面由于林地的面积增加，另一方面可能由于部分耕地转化为经济林。王延平等［11］研究表明，经济林在长期人为经营的状态下，加之坡度较大，水土流失较严重。

1995—2000年间耕地的侵蚀面积飓升，其源于国家严格保护耕地的政策实施，导致耕地面积大幅度增加。草地侵蚀总量的减少，源于实验性蓄水及大江截流导致的大面积草地被淹没。

2000—2005年三峡工程蓄水、移民迁建安置以及退耕还林的实施，使得耕地侵蚀面积减少;但是，三峡工程的实施，破坏了库区的水岩环境，导致灾难频发，移民就地开垦，加剧了局部地区的水土流失，从而使得侵蚀量处于增加状态。林地侵蚀量的增加，源于陡坡耕地的退耕，从而使得林地面积剧增。建设用地侵蚀量的增加，归因于城市化的的建设以及移民安置、迁建。

表3　三峡库区不同土地利用背景下的土壤侵蚀面积Tab．3　Area of soil erosion under different land use in the Three Gorges Reservoir Region　km2

图3　不同土地利用背景下的土壤侵蚀量变化Fig．3　Total amount of soil erosion under different land use

图4　不同土地利用下平均侵蚀模数变化Fig．4　Average erosion modulus under different land use

2005—2010年间，农业人口大量“析出”，特别是青壮年劳动力大量进城务工，耕地尤其是一些难以被机械化代替的坡耕地大量被闲置，使得耕地侵蚀量明显降低。建设用地侵蚀面积的显著增长，主要归根于城市化的快速发展。

采用SPSS统计软件，对不同土地利用方式下的土壤侵蚀，进行单因素方差分析［22］。表 4结果显示，F检验值为 627.851，同时，显著性水平为sig.0.000(接近0)，说明不同土地利用方式下的土壤侵蚀，具有极显著差异。通过LSD检验比较，显著性水平 sig.0.000结论与单因素方差分析一致。但通过LSD多重比较中，并没有显示出水田、建设用地和未利用地之间的显著性差异。

3.4不同土地利用背景下土壤侵蚀强度

从面积上看(表5和图5)，三峡库区超过60%处于微度、轻度侵蚀水平，其面积所占全区侵蚀面积的比例在不断增加，中度及其以上侵蚀等级的侵蚀面积，都不同程度的向低等级转移。由表5可知，对于水田、建设用地和未利用地这3种类型，从面积上看，主要处于微度侵蚀水平;林地与草地其大部分处于微度到中度侵蚀的状况，是控制库区整个土壤侵蚀状况的关键类型;旱地在6种侵蚀等级上都有分布，且比较均匀，这表明旱地仍然是控制库区水土流失的重点整理目标。从变化趋势上看，旱地、林地、草地、水域和建设用地在这2年对应的微度侵蚀的面积，均呈现增大趋势，林地增加最大，2010年的微度侵蚀面积比1990年增加680 km2;其次为建设用地、旱地、水域和草地，建设用地的增加速率最大，主要归功于城市化的建设，以及移民安置、迁建和设施配套等的扩建。旱地、林地、水域和建设用地的轻度侵蚀总变化趋势是增大的，草地则呈正“W”型变化。对于中度侵蚀到剧烈侵蚀面积的变化，旱地、林地和草地都基本上保持逐年递减的趋势。建设用地以及未利用地在中度及其以上侵蚀等级中，所占的面积很小，对土壤侵蚀的影响不明显。水田在6种侵蚀等级上的面积随着时间的变化，基本上是不断减小的，这与从1990—2000年，水田减少近800 km2有很大关系。

表4　三峡库区不同土地利用方式显著性水平Tab．4　Significance level of different land use from LSD

表5　1990—2010年三峡库区不同土地利用下土壤侵蚀面积比例Tab．5　Percentage of area of soil erosion under different land use during 1990—2010　%

4　结论

土地利用变化是导致土壤侵蚀变化的重要原因之一，笔者以三峡库区为研究对象，利用GIS技术，结合修正的通用土壤侵蚀模型(RUSLE)，计算其土壤侵蚀量，揭示了库区20年来的土壤侵蚀变化格局，并对库区1990—2010年的土壤侵蚀变化特征，以及不同土地利用下的土壤侵蚀进行研究分析，结果表明:

图5　1990—2010年三峡库区土壤侵蚀强度面积比例Fig．5　Percentage of area of soil erosion in the Three Gorges Reservoir Region during 1990—2010

1)三峡库区土壤侵蚀属中度侵蚀。1990—2010年，三峡库区土壤侵蚀量和土壤平均侵蚀模数均呈下降趋势，但局部地区的土壤侵蚀仍然十分严峻，这些地方应作为水土流失重点治理区域。

2)不同土地利用下的土壤侵蚀差异显著，不同土地利用对土壤侵蚀的贡献率差距较大。在库区6种不同土地利用类型之间，在同一年份的土壤侵蚀模数基本上保持:旱地＞草地 ＞林地＞未利用地 ＞水田＞建设用地。表明旱地是库区土壤侵蚀综合治理的难点和重点。

3)各土地利用类型中，微度侵蚀的面积逐渐增加，中度及以上侵蚀等级的侵蚀面积都不同程度的向低等级转移。

4)库区土壤侵蚀模数虽逐渐下降，但是局部地区仍然十分严重，应继续进行土地利用格局优化，积极落实退耕还林、坡改梯工程，加强旱地的水土保持工程。

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Spatial and temporal variation of soil erosion under different land uses in the Three Gorges Reservoir Region

Liu Ting1，Shao Jing'an1，2
(1．College of Geographical Science，Chongqing Normal University，400047，Chongqing，China; 2．Key Laboratory of Surface Process and Environment Remote Sensing in the Three Gorges Reservoir Area，400047，Chongqing，China)

Abstract:［Background］ Soil erosion is an important cause of soil nutrient loss，river channel sedimentation and many other ecological environment problems in the Three Gorges Reservoir Region．And severe soil loss in the Three Gorges Reservoir Region is in a widespread．［Methods］Taking the Reservoir Region as the study area，based on Geographical Information System，the Revised Universal Soil Loss Equation(RUSLE)was used to calculate the soil erosion of the five years，1990，1995，2000，2005 and 2010，in the Three Gorges Reservoir Region．ANOVA was used to analyze the significant impact on soil erosion in different land use．In addition，quantitative analysis was used to investigate the temporal and spatial variation of soil erosion intensity from 1990 to 2010;then the spatial distribution rules and spatial temporal characteristic of soil erosion under the different types of land use were studied．And all of above aimed to provide the supports for the sustainable development of the Three Gorges Reservoir Region．［Results］During the period of 1990—2010，the value of average soil erosion modulus and the amount of soil erosion in the Three Gorges Reservoir Region were generally in a decreasing trend with the amount of 183.564 507 million tons，and it was graded as medium eroded area，in 2005 there was a certain degree of rebound with 19 282.74 million tons．From space，the slight and light erosion were the most widely distributed grades of soil erosion in this study area．The annual modulus of soil erosion of six different land use types in the same year was as:dry farmland＞grassland ＞forestland＞unused land＞paddy field＞construction land;one-way ANOVA revealed the soil erosion under different land use patterns，with a very significant difference，and there was solid difference in contribution rate of soil erosion by different kinds of land uses．The area of slight erosion in all 6 land use types gradually increased．Concurrently，erosion areas in moderate-and higher-erosion level transferred to the lower level at varying degree．［Conclusions］These above findings demonstrate that with returning farmland into forest and grass as well as large transferring of rural labor，the soil erosion in the Three Gorges Reservoir Region shows an improving trend as a whole，but the governance work in some parts of the Region still needs to be strengthened．The result of this study will be helpful to establish the quantitative relationship between land use and soil erosion，and also helpful in the adjustment of land use type in the future．

Keywords:RUSLE;GIS;soil erosion;land use;the Three Gorges Reservoir Region

中图分类号:X52

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)03-0001-09

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．001

收稿日期:2015 08 13修回日期:2015 12 08

第一作者简介:刘婷(1991—)，女，硕士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:liu_tt@sohu．com

通信作者†简介:邵景安(1976—)，男，博士，研究员。主要研究方向:土地利用和生态过程。E-mail:shao_ja2003@sohu．com