喀斯特地区县域土壤侵蚀估算及其对土地利用变化的响应

李成志，连晋姣，陈洪松†，冯腾，付智勇

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，410125，长沙；2.中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，547100，广西环江；3.中国科学院大学，100049，北京)

喀斯特地区县域土壤侵蚀估算及其对土地利用变化的响应

李成志1,2,3，连晋姣1,2，陈洪松1,2†，冯腾1,2,3，付智勇1,2

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，410125，长沙；2.中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，547100，广西环江；3.中国科学院大学，100049，北京)

喀斯特地区土层浅薄，不合理的土地利用导致严重的水土流失，加剧石漠化程度。为定量分析生态工程实施前后土壤侵蚀状况及其对土地利用变化的响应，基于GIS技术和RMMF模型，对环江县1991、2000和2010年土壤侵蚀进行模拟，并采用邻近水文站和径流小区泥沙监测数据进行验证。结果表明：1991、2000和2010年研究区土壤侵蚀模数分别为76.36、76.46和49.60 t/(km2·a)，与相关监测数据比较一致；土壤侵蚀总量分别为34.76万、34.80万和22.58万t，主要来源于非喀斯特区(均约占全县侵蚀总量的94%)。研究区微度侵蚀面积占90%以上，轻度及以上等级所占比例较小。对比不同土地利用类型的土壤侵蚀模数，旱地远大于其他类型，其次是中覆盖度草地和其他林地。相同降雨条件下，由于旱地面积减少，2010年土壤侵蚀量较1991年减少4.21 万t；2010年喀斯特区、非喀斯特区土壤侵蚀量较2000年分别减少了4.21%和8.76%。这预示生态工程实施后，环江县耕地减少、林地增加，土壤侵蚀减少。本研究为评估喀斯特地区土壤侵蚀现状以及退耕还林的水土保持效应提供参考依据。

土壤侵蚀； RMMF模型； 喀斯特； 土地利用

在我国西南喀斯特地区，由于长期的溶蚀作用，碳酸盐岩岩层孔隙和孔洞发育，形成了特殊的双层水文地质结构。同时，喀斯特坡地土壤总量少、异质性强，导致该区水土流失过程具有隐蔽性、复杂性以及空间异质性等特点[1-2]。土地利用类型变化会改变植被类型、地表覆盖度、土壤性质、径流速率等，进而影响土壤侵蚀的发生和发展[3-4]；因此，了解不同土地利用类型下的土壤侵蚀状况，研究土壤侵蚀对土地利用变化的响应，对合理规划利用土地和保护生态环境具有重要的意义。

土壤侵蚀估算模型作为定量评价土壤侵蚀的工具，在我国西南喀斯特地区已使用的土壤侵蚀模型有USLE/RUSLE、RMMF、WEPP及SWAT等。其中，USLE/RUSLE是经验统计模型，所需参数少，在喀斯特地区应用较多[5-9]；但由于相关基础研究薄弱，且缺乏野外试验的支持，部分参数无法直接获取，多使用经验公式换算或借鉴其他类型区，模拟结果具有较大的不确定性，与定位观测结果具有较大的差异。而WEPP模型在贵州花江喀斯特石漠化地区进行了适用性的探讨[10]，发现该模型不适用于直接估算喀斯特地区土壤侵蚀模数。SWAT模型在贵州猫跳河流域模拟结果良好[11]，但需要大量基础资料构建模型，难以推广应用。RMMF模型(Revised Morgan-Morgan-Finney)通过引入植被覆盖度参数计算降雨侵蚀过程以及构建基于物理过程的输沙模块，具有一定的物理基础，对数据输入要求适中已经成功应用于英国、美国、泰国、尼泊尔、印度尼西亚、马来西亚等国家，在我国黄土高原地区祖历河流域[12]和延河流域[13]土壤侵蚀估算精度也得到验证。在我国喀斯特地区，Feng等[14]应用RMMF模型模拟了古周喀斯特小流域(10.22 km2)的土壤侵蚀，得到较好的模拟结果；但是，RMMF模型能否应用于喀斯特地区较大区域(例如县域)土壤侵蚀估算，目前还缺乏相关研究。笔者应用RMMF模型，在县域尺度(以环江县为例)进行土壤侵蚀量模拟和验证，并分析土壤侵蚀强度空间分布特征，以期定量评价土地利用类型变化对土壤侵蚀的影响，为更大尺度水土保持功能评价及相关政策制订提供科学依据。

1 研究区概况

环江毛南族自治县(E 107°51′～108°43′，N 24°44′～25°33′)位于广西壮族自治区河池市，地处云贵高原东南缘，九万大山南麓，总面积约为4 500 km2。属中亚热带南缘的季风气候区, 气候温暖，雨量充沛，1991、2000和2010年降雨量分别为1 496、1 534和1 280 mm，属平水年(1980—2010年降雨量平均值为1 465 mm)。龙江的主要支流大环江和小环江由北向南流经该县，地势北高南低，中部偏南为丘陵，略呈盆地。县内碳酸盐岩分布广泛，喀斯特地貌约占全县面积的40%(图1)。全县主要以红壤、黄壤和石灰(岩)土为主。环江县从2002年全面开展退耕还林还草工程，截至2012年共计实施退耕还林32.6 km2。

图1 环江县2010年土地利用类型分布图Fig.1 Spatial distribution of land use type in Huanjiang County in 2010

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究所用的DEM数据和Landsat TM数据来源于地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)，空间分辨率为30 m。Landsat TM影像的获取日期分别为1991年的第301天、2000年第310天、2010年第305天。此外，模型所需降雨量监测数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)，土壤类型数据(1∶100万)来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)，土地利用数据(1990、2000和2010年)来源于中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所数字山地与遥感应用中心(http:∥digitalmountain.imde.ac.cn)。

2.2 土壤侵蚀模型

2.2.1 RMMF模型的简介 RMMF模型模拟年均土壤侵蚀量分为径流阶段和泥沙阶段2个模块，通过比较土壤剥蚀量与径流运输量，取其中的小值为模拟结果[14-15]。

径流模块包括降雨侵蚀力(Ke/(J·m-2))和地表有效累计流量(Qc/mm)2部分。

降雨侵蚀力为穿透雨量侵蚀力(Kdt/(J·m-2))与叶片排雨量侵蚀力(Kld/(J·m-2))之和，穿透雨量侵蚀力的计算参考相似地区公式[16]，叶片排雨量侵蚀力仅与植被高度有关[17]，公式如下：

Ke=Kdt+Kld，

(1)

Kdt=Dt36.8[1-0.691exp(-0.038I)]，

(2)

Kld=(15.8H0.5)-5.87(H>0.15，否则Kdt=0)。

(3)

其中：

Ld=RfCc；

(4)

Dt=Rf-Ld；

(5)

Rf=R(1-Pi)；

(6)

Cc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

(7)

式中：Dt为穿透雨量，mm；I为降雨强度，mm/h；H为植被高度，m；Ld为叶片排雨量，mm；Rf为有效降雨量，mm；Cc为植被覆盖度，%；R为年降雨量，mm；Pi为植被降雨截留率，%；NDVI为TM图像的近红外和戏外反射光谱比值，NDVIsoil和NDVIveg分别指裸土和全植被覆盖的NDVI值。

地表有效累计径流指的是每个栅格及来自上方汇流区域的既没有被保持在地表又没有入渗或渗漏至地下部分的地表径流量[14]：

Qc=Tr(Q+Qcup)

(8)

式中：Qc为地表有效累计径流，mm；Tr是渗漏比例参数，指向下游汇流的流量与向地下渗漏的量的比例；Q代表当前栅格的地表径流量，mm；Qcup是指上游的地表有效累计径流量，mm。在计算地表有效累计径流时使用ArcView GIS 3.3中拓展模块HydroTools 1.0，选择组合汇流方式(MDD8)并添加Tr图层，本研究中喀斯特区坡度大于8°区域Tr设置为0.08[14]，非喀斯特区和坡度小于8°的喀斯特区设置为1。

当平均降雨发生日降水量(R0/mm)超过土壤水分存储量(Rc/mm)时则产生地表径流：

Q=Rf·exp(-Rc/R0)·(L/10)0.1；

(9)

Rc=1 000·Ms·Bd·Ehd·(Et/E0)0.5。

(10)

式中：L为栅格单元大小，取30 m；Ms为田间持水量，%；Bd为土壤密度，t/m3；Ehd为土壤有效水文深度，m；Et/E0为实际蒸散与潜在蒸散之比。

输沙模块包括土壤剥蚀量与径流运输量2个部分。

土壤剥蚀量为降雨溅蚀量(F/(t/(hm2·a1))与径流冲蚀量(Hp/(t/(hm2·a1))之和：

J=F+Hp；

(11)

F=K·Ke·10-3。

(12)

(13)

式中：K为土壤可蚀性，g/J；Coh为土壤凝聚力，kPa；S为坡度，(°)；Gc为地被覆盖度，%。

径流运输量计算公式如下：

(14)

式中：G为径流运输量，t/(hm2·a)；C和P为通用土壤方程(USLE)中的植被作物管理因子。

2.2.2 RMMF模型的参数率定 基于研究区的地质地貌情况，部分模型参数分为喀斯特区与非喀斯

特区进行率定，其中，土壤参数按照不同植被类型和不同土壤类型进行设置，根据环江县第2次土壤普查成果《环江土壤》中土壤机械组成和有机质含量，由美国华盛顿州立大学开发的土壤水特性软件SPAW计算得到田间持水量和土壤密度，参照文献Morgan等[15]计算土壤可蚀性和设置土壤凝聚力。喀斯特区植被特征参数，如植被冠层高度、植被降雨截留率、土壤有效水文深度、实际与潜在蒸散比、地被覆盖度等[18]和Feng等[14]在喀斯特区的调查数据和参数进行设置。非喀斯特区则参考Morgan等[14]中的参考值进行设置。植被和作物管理因子参考Chen等[9]设置。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀总体概况和结果验证

3.1.1 土地利用类型变化 环江县土地利用类型以林地为主，占研究区面积的70.00%左右；其次为耕地和草地，分别占研究区总面积的16.00%和11.70%左右；水域和建筑用地很小 (表1)。与1991年各土地利用类型面积相比，喀斯特区2000年林地面积有下降趋势，减少了2.13 km2，其他地类面积变化不大。与2000年相比，2010年林地面积增加了4.43 km2，其中有林地和灌木林地分别减少了3.55 km2和5.91 km2，其他林地增加了12.70 km2，主要是未成林造林地；耕地面积减少3.9 km2，其中旱地减少8.78 km2，水田面积增加4.88 km2，草地面积变化不大。非喀斯特区各种土地利用类型面积变化较喀斯特区明显：与1991相比，2000年耕地面积增加9.27 km2，林地面积减少8.72 km2；2010年耕地面积较2000年减少了23.51 km2，主要是旱地面积减少，林地面积增加了25.77 km2。

3.1.2 土壤侵蚀概况 由RMMF模型计算的土壤侵蚀模数经单位转换后，1991、2000和2010年环江县土壤侵蚀特征如表2所示。喀斯特区1991、2000、2010年喀土壤侵蚀模数分别为9.50、10.51和6.03 t/(km2·a)，平均值为8.68 t/(km2·a)；非喀斯特区3年土壤侵蚀模数分别为126.04、125.46和81.97 t/(km2·a)，平均值为111.16 t/(km2·a)。喀斯特区和非喀斯特区3年土壤侵蚀总量的平均值分别为1.68 万t 和29.03万t，非喀斯特区3年土壤侵蚀总量均占全县侵蚀总量的94%以上，说明环江县土壤侵蚀导致的泥沙流失主要发生在非喀斯特区。

依据中国水利部2008年颁布的SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》以及2009年颁布的喀斯特区土壤侵蚀分级标准，分别对喀斯特区和非喀斯特区土壤侵蚀强度进行分级(图2)，环江县以微度侵蚀为主且广泛分布于全县各处，轻度及其以上强度等级主要分布于环江县东北部分。

图2 1991、2000和2010年环江县土壤侵蚀等级分布图Fig.2 Spatial distribution of different soil erosion grades in Huanjiang County in 1991, 2000 and 2010

3.1.3 RMMF模型结果验证 在本研究中，由模型模拟估算的喀斯特区年土壤侵蚀模数介于6.03～10.51 t/(km2·a)，与陈洪松等[19]在环江县的径流小区观测结果0.6～27.2 t/(km2·a)以及黄承标等[20]在环江县木论自然保护区径流小区观测结果1.17～5.87 t/(km2·a)均比较相近。非喀斯特区以红壤为主，模型估算的年土壤侵蚀模数为81.97～126.04 t/(km2·a)，与谢小立等[21]的径流小区观测结果2.22～277.01 t/(km2·a)比较相近。由于环江水文站没有泥沙观测数据，笔者选择同流域下游的三岔水文站泥沙数据进行对比，三岔站1986—2015年输沙模数为18.4～222 t/(km2·a)，平均值为88.88 t/( km2·a)，与RMMF模型模拟的土壤侵蚀模数(表2)相近。这表明该模型可应用于环江县土壤侵蚀特征分析，且模拟结果比较可靠。

3.2 不同土地利用类型土壤侵蚀数量特征

环江县不同土地利用类型土壤侵蚀特征统计分析见表3。旱地土壤侵蚀模数均最大，并且远远大于同地貌区域其他土地利用类型的土壤侵蚀模数，喀斯特区和非喀斯特区3年土壤侵蚀模数的平均值分别为92.89和538.03 t/(km2·a)，主要原因是旱地受耕作影响，地表土壤疏松，更易发生土壤侵蚀[22]；而林地和草地，人类干扰较小，植被和土壤都较为稳定，不易发生土壤侵蚀。从土壤侵蚀量看，旱地产生的土壤侵蚀量也是最大，1991年分别占喀斯特和非喀斯特区土壤侵蚀总量的86.29%和74.63%，2000年分别占85.73%和74.44%，2010年分别占84.46%和70.50%。此外，中覆盖度草地和其他林地土壤侵蚀模数较大，其余土地利用类型下土壤侵蚀模数较小，其中喀斯特区有林地土壤侵蚀模数最小，非喀斯特区高覆盖度草地土壤侵蚀模数最小。

表3 1991、2000和2010年环江县不同土地利用类型土壤侵蚀量特征

3.3 土壤侵蚀对土地利用变化的响应

RMMF模型估算的土壤侵蚀量主要受到降雨参数和土地利用类型数据的影响，笔者使用1991年降雨数据对2000年和2010年土壤侵蚀量进行情景模拟，以探讨相同降雨条件下土壤侵蚀对土地利用变化的响应。

降雨条件相同时，喀斯特区各地类土壤侵蚀模数变化较小(表4)，2010年土壤侵蚀模数较1991年减少0.25 t/(km2·a)。非喀斯特区中，旱地土壤侵蚀模数变化最大，1991和2010年土壤侵蚀模数分别为617.28和543.38 t/(km2·a)；其次为其他林地，2000年土壤侵蚀模数最大，为76.04 t/(km2·a)，1991和2010年土壤侵蚀模数分别为67.67和61.07 t/(km2·a)。2010年土壤侵蚀模数减少主要原因是退耕还林等生态工程实施后区域植被整体呈恢复趋势，植被覆盖度增加[23-24]，使得土壤侵蚀量由径流输运量限制转变为土壤剥离量限制，从土壤中分离的泥沙颗粒减少，土壤侵蚀模数减少。

与1991年相比，2000和2010年喀斯特区土壤侵蚀量分别增加294.51 t和减少494.47 t，其中旱地分别增加320.95 t和减少523.67 t，灌木林地土壤侵蚀量分别减少39.08 t和60.03 t。非喀斯特区旱地土壤侵蚀量持续减少，2010年土壤侵蚀量较1991年少39 613.19 t，占全县土壤侵蚀减少量的95.28%。此外，2010年其他林地土壤侵蚀量较2000年增加了2 175.30 t，主要是因为其他林地面积明显增加。

表4 情景模拟下1991、2000和2010年不同土地利用类型土壤侵蚀特征

4 结论

本研究应用RMMF模型，根据喀斯特/非喀斯特地貌类型分别对渗漏比例图层进行赋值，定量评估了环江县的土壤侵蚀总量和土壤侵蚀强度，并应用水文站泥沙监测数据和径流小区观测数据对模型结果进行验证，侵蚀量与观测结果较为吻合。得到如下结论：

1)土壤侵蚀产沙主要发生在非喀斯特区。1991、2000和2010年喀斯特区3年平均土壤侵蚀总量为1.68万t，非喀斯特区为29.03万t，非喀斯特区3年土壤侵蚀总量均占全县侵蚀总量的94%以上。

2)不同土地利用类型土壤侵蚀模数和土壤侵蚀量差异较大。从土壤侵蚀模数来看，旱地最大，其次为中覆盖度草地和其他林地，喀斯特区有林地最小，非喀斯特区高覆盖度草地最小。从土壤侵蚀量来看，旱地最大，分别占喀斯特区和非喀斯特区侵蚀总量的80%和70%以上，是主要的土壤侵蚀来源。

3)生态工程实施后，由于耕地减少、林地增加，土壤侵蚀总量降低。在降水条件相同的情况下(1991年降雨数据)，旱地的变化对土壤侵蚀变化影响最大，其次为其他林地，其他土地利用类型影响较小。2010年土壤侵蚀量较1991年减少4.21 万t。其中，非喀斯特区2010年旱地较1991年减少3.96 万t，占全县土壤侵蚀减少量的95.28%。2000年生态工程实施前后，喀斯特区土壤侵蚀由增加(1.60%)变为减少(-4.21%)，而非喀斯特区土壤侵蚀减少程度加大(由-4.24%变化为-8.76%)。

RMMF模型使用的降雨参数有3个：年降雨量、平均降雨发生日降水量以及降雨强度。由于未获取研究区内次降雨数据，降雨强度使用季风气候区的推荐值30 mm/h，这在一定程度上影响了模拟精度；此外，汇流时河道阈值的设置也会影响估算结果，是模型应用中需要重点考虑的问题。

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EstimationofsoilerosionanditsresponsetolandusechangeinKarstregionsatcountyscale

LI Chengzhi1, 2, 3, LIAN Jinjiao1, 2, CHEN Hongsong1, 2, FENG Teng1, 2, 3, FU Zhiyong1, 2

(1.Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, 410125, Changsha, China; 2.Huanjiang Observation and Research Station for Karst Ecosystems, Chinese Academy of Sciences,547100, Huanjiang, Guangxi, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China)

BackgroundIn the Karst region of Southwest China, where is characterized with the fragile ecological environment and sharp contradiction between the large population and limited land resources, rocky desertification is severe. The changes of land use types and degrees of human disturbances would affect soil loss amount and levels of rocky desertification. Therefore, it is important to simulate the soil erosion in the Karst area and to study the response of soil erosion to land use type changes.MethodsBased on the modified RMMF model and ArcGIS technology, this paper simulated the soil erosion in Huanjiang County in 1991, 2000 and 2010. The response of soil erosion to land use type changes was simulated under the same rainfall condition.ResultsFine agreements of RMMF simulated soil loss and observations from hydrological stations were obtained. The results showed that the soil erosion modulus decreased from 76.36 t/(km2·a) in 1991 and 76.46 t/(km2·a) in 2000 to 49.60 t/(km2·a) in 2010. The sediment yields were 34.76×104, 34.80×104and 22.58×104t for 1991, 2000 and 2010, respectively. The non-Karst area is the main sediment source area, and its mean soil loss amount accounted for about 94% of total soil loss amount of Huanjiang County. Most areas suffered from slight degree of soil erosion, accounting for more than 90%, while the other areas suffered from higher levels of soil erosion, accounting for very small proportion. Compared with values of other land use types, the soil erosion modulus of dry land was much larger, followed by medium coverage grassland. Specifically, over 80% and 70% of soil loss amounts were from dry lands for Karst area and non-Karst area, respectively. For the same land use type, the non-Karst area had a larger soil erosion modulus than the Karst area. In the scenario simulation, the rainfall data of 1991 was used instead of the original rainfall data to estimate soil erosion in 2000 and 2010, and the sediment yield decreased 4.21×104t from 1991 to 2010 due to the decrease in dry land area. The sediment yields in 2010 decreased by 4.21% and 8.76% of those in 2000 for Karst area and non-Karst area, respectively.ConculsionsThese results indicated that the soil erosion amount had reduced since 2010 by reducing the dry land area and increasing vegetation coverage in Huanjiang County. This study may provide a reference basis for regional soil erosion estimation and soil-water conservation effectiveness assessment in Karst region.

soil erosion; RMMF model; Karst; land use type

S157.1

A

2096-2673(2017)05-0039-09

10.16843/j.sswc.2017.05.006

2017-03-31

2017-06-21

项目名称： 国家重点基础研究发展计划(973计划)“黔桂喀斯特山地水土要素时空变化过程及其生态效应”(2015CB452703)；国家重点研发计划“水土流失/漏失关键过程与阻控技术”(2016YFC0502403)

李成志(1990—)，男，硕士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail: lichengzhi15@mails.ucas.ac.cn

†

陈洪松(1973—)，男，博士，研究员。主要研究方向：水土保持与生态水文。E-mail: hbchs@isa.ac.cn