基于USLE模型的2001-2015年江西省土壤侵蚀变化研究

周夏飞, 马国霞, 曹国志, 於 方, 周 颖, 贾 倩, 张宇航

(环境保护部 环境规划院, 北京 100012)

土壤侵蚀是全球性的重大环境问题之一。它不仅造成土地资源的破坏，导致农业生产环境恶化，生态平衡失调，而且还影响农业生产的发展[1-2]。中国土壤侵蚀尤为严重，遭受土壤侵蚀的面积约为3.60×106km2，占国土面积的37%[3]。因此，准确估算区域土壤侵蚀量并掌握其动态变化，对指导区域水土保持规划、优化水土资源利用具有重要的意义。

目前，利用模型方法估算土壤侵蚀量是最有效的手段之一，最早的土壤侵蚀模型是由美国学者Wischmeier于1965年提出的通用土壤流失方程(USLE)[4]，该方程较为全面的考虑了影响土壤侵蚀的各种因素，因其具有一定的精度又相对简单，至今仍是土壤侵蚀估算的主要工具[5-6]。在近40 a多的研究中，许多国家和地区以USLE为基础，结合本国本地区的实际情况，对USLE模型各因子[5,7-11]进行修正，建立了适合各自国家或地区的通用土壤流失方程，如江忠善等[12]考虑浅沟侵蚀对坡面侵蚀的影响，构建的坡面土壤流失预报模型和刘宝元等[13]建立的中国水土流失方程(chinese soil loss equation,CSLE)。

江西省位于长江中下游南岸，地理坐标为24°29′—30°05′N，113°35′—118°29′E，总面积为1.67×105km2，属于亚热带季风气候，地形以山地、丘陵为主，多年平均降水量在1 400～1 900 mm之间，江西省属于中国南方典型的红壤区，其红壤的成土母质主要有4种，其中第四纪红土、红砂岩和花岗岩发育的红壤分布较广，土壤质地黏重、透水性差，极易造成水力侵蚀。由于自然、社会和历史的原因，江西省是中国水土流失最严重的省份之一，水土流失面积自20世纪50—80年代呈逐年扩大的趋势[14]。

基于此，本文拟基于USLE模型，利用遥感数据、气象数据、DEM数据计算2001，2015年江西省土壤侵蚀量，并分析其2001—2015年土壤侵蚀动态变化，以期为江西省水土保持和生态环境管理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源及预处理

(1) 遥感数据。本文采用的遥感数据为2001，2015年的MOD13 A3数据，来源于美国国家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS数据产品(http:∥e4 ftl01.cr.usgs.gov)，空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率为1个月。由于MODIS/NDVI产品经过水、云、气溶胶等处理，保证了数据质量，加之较高的空间分辨率，因此被广泛应用于土壤侵蚀量估算的研究中。

(2) 土地利用类型数据。本文采用的土地利用类型数据为2000，2015年的土地利用类型数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心(www.resdc.cn)，空间分辨率为1 km×1 km；土地利用类型数据分为耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地的6个Ⅰ级类型以及25个Ⅱ级类型。

(3) 土壤类型数据。本文采用的土壤类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(www.resdc.cn)，空间分辨率为1 km×1 km；土壤类型数据共分为12土纲，61个土类，227个亚类。

(4) 数字高程模型(DEM)数据。本文采用的DEM数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(www.resdc.cn)，空间分辨率为1 km×1 km。

(5) 气象数据。本文所利用的气象数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，时间为2001，2015年，数据内容为月降水量，以及各气象站点的经度、纬度和海拔高度。计算土壤侵蚀量需要栅格化的气象数据，并从空间上与遥感数据相匹配。利用GIS的插值工具，根据各气象站点的经纬度信息，通过对气象数据进行Kriging插值和基于DEM的插值，获取像元大小与NDVI数据一致、投影相同的气象要素栅格图。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤侵蚀量估算 本研究采用通用土壤流失方程(USLE)估算土壤侵蚀量，其计算式为：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A——年土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蚀力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蚀性因子〔t·h/(MJ·mm·a)〕；LS——坡长坡度因子，无量纲；C——植被覆盖因子，无量纲；P——水土保持措施因子，无量纲。下同。

(1) 降雨侵蚀力因子R的估算。采用周伏建等[15]提出的R值计算式：

(2)

式中：Pi——月降雨量(mm)。

(2) 土壤可侵蚀因子K值的估算。采用陈明华等[16]建立的土壤可蚀性K值计算公式：

K= 10-3(160.80-2.31x1+0.38x2+

2.26x3+1.31x4+14.67x5)

(3)

式中：x1，x2，x3，x4，x5——细砾、细砂、粗粉粒、细粉粒、有机质的百分含量。在此公式中：要求土壤颗粒分析标准为美国制，而中国土壤普查一般采用国际制，因此需进行质地转换。

转换方程为：y=axb和y=ax2+bx+c

(4)

式中：x=lnp，p——粒径大小(mm)；y——小于p粒径的累计颗粒含量百分数(%)。

(3) 地形因子LS值的估算。通过数字高程模型(DEM)，计算获得坡长和坡度，然后根据林敬兰等[17]建立的方程式，获得LS的空间分布特征：

LS=0.08L0.35α0.6

(5)

式中：L——坡长(m)；α——百分比坡度。

(4) 地表覆盖因子C值的估算。地表覆盖因子是根据地面植被覆盖状况不同而反映植被对土壤侵蚀影响的因素，与土地利用类型、植被覆盖度密切相关[18]。C值的估算采用如下公式：

(6)

fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(7)

式中：fc——植被覆盖度，它由亚像元分解法[19]计算得到； NDVImin——植被整个生长季的NDVI最小值； NDVImax——植被整个生长季的NDVI最大值。

(5) 水土保持措施因子P值的估算。P为实施水土保持措施后土壤流失量与顺坡种植土壤流失量的比值。本文中耕地的P值为0.15，其他土地利用类型取值为1.00，在GIS软件下生成P因子栅格图。

1.2.2 土壤侵蚀强度分级 本研究主要参考水利部颁发的土壤侵蚀强度分类分级标准(SL190-96)[20]对江西省进行土壤侵蚀量的等级划分(表1)，由于江西省属于南方红壤丘陵区，土壤容许流失量为500 t/(km2·a)，相当于微度的侵蚀模数，因而微度侵蚀地块可认为是无水土流失。

表1 土壤侵蚀强度分级

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀强度年际变化

2001—2015年江西省土壤侵蚀模数计算结果如附图1所示，土壤侵蚀强度面积百分比统计结果如表2所示。结果表明，江西省土壤侵蚀状况在2001—2015年期间得到一定程度的改善，具体表现在：2001年江西省平均土壤侵蚀模数为7 042.4 t/(km2·a)，2015年土壤侵蚀模数为6 375.3 t/(km2·a)，降低约9.5%；轻度侵蚀以上面积所占比例由78.60%下降为61.93%；这主要是由于江西省政府自20世纪80年代以来积极开展山江湖建设工程，清理江湖泥沙淤积、并在城镇范围大量植树造林，提高区域植被覆盖，减少水土流失。

表22001-2015年江西省土壤侵蚀强度面积百分比变化

侵蚀强度 面积比例/%2001年2015年微度侵蚀 21．4038．07轻度侵蚀 9．165．55中度侵蚀 17．3311．35强度侵蚀 15．4414．27极强度侵蚀23．2817．2剧烈侵蚀 13．3913．56

从各地市级来看，江西省大部分地市的土壤侵蚀模数降低，其中，抚州市、宜春市、赣州市、萍乡市等4市的平均土壤侵蚀模数下降幅度最为显著，下降幅度达到1 500 t/(km2·a)，但九江市、南昌市、新余市的土壤侵蚀呈进一步加剧趋势(表3)。

表3 2001-2015年江西省各地市平均土壤侵蚀模数变化 t/(km2·a)

2.2 土壤侵蚀强度空间分布变化

2.2.1 空间分布特征 在空间上江西省土壤侵蚀主要发生在鄱阳湖流域各子流域的上游，这主要是由于鄱阳湖流域的上游地区海拔较高，坡度较陡，同时广泛分布着具有较高土壤可蚀性因子的红壤，具备产生土壤侵蚀的自然条件；而在广大的鄱阳湖平原地区，由于地形平坦，坡度较缓，土壤侵蚀较弱。

2.2.2 空间分布变化 为进一步揭示中国土壤侵蚀强度变化的空间分布特征，本文利用GIS的空间分析功能分析了2001—2015年土壤侵蚀强度空间转化，结果如附图2所示。通过统计可以得知，2001—2005年土壤侵蚀强度不变的面积占总面积的52.7%，主要分布在南昌市、鹰潭市北部、吉安市中部、赣州市中部等地区；土壤侵蚀强度降低一级的面积占25.8%，主要分布在九江市中东部、宜春市中部及北部、南昌市西部、鹰潭市北部、吉安市西部等地区；土壤侵蚀强度升高幅度较大的区域主要分布在九江市西部、景德镇市北部、上饶市北部、抚州市中部、宜春市西北部、萍乡市南部、赣州市西北部等地区，这主要有两方面的原因：一是由于鄱阳湖流域的上游地区海拔较高，坡度较陡，同时广泛分布着具有较高土壤可蚀性因子的红壤，再加之2015年降水量较大，导致上游部分地区(如九江、景德镇等)土壤侵蚀偏高；二是由于江西省是有色金属、稀土之乡，部分地区(如赣州等)采矿活动相对较多，导致土壤侵蚀偏高。

对不同土壤侵蚀强度面积数据进行分析，制成土壤侵蚀强度转移矩阵(如表4所示)。2001—2015年江西省微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀、极强度侵蚀、剧烈侵蚀的稳定率分别为79.9%，84.3%，69.7%，58.8%，72.8%，70.5%；江西省大部分地区土壤侵蚀强度向低等级转移，2001—2015年剧烈侵蚀中53.0%转为微度侵蚀，极强度侵蚀中35.9%转为微度侵蚀；强度侵蚀中16.8%转为微度侵蚀，这与江西省政府自20世纪80年代以来实施的山江湖工程建设所取得的重大的生态环境建设效益密不可分。

表4 2001-2015年江西省土壤侵蚀强度转移矩阵 %

3 讨论与结论

(1) 江西省土壤侵蚀在2001—2015年得到一定程度的改善。全省平均土壤侵蚀模数由7 042.4 t/(km2·a)下降为6 375.3 t/(km2·a)；轻度以上侵蚀面积所占比例由2001年的78.60%下降为2015年的61.93%。

(2) 土壤侵蚀强度等级转移矩阵表明江西省大部分地区土壤侵蚀强度保持不变，部分地区土壤侵蚀强度向低一级转移。2001—2015年土壤侵蚀强度不变的面积占总面积的52.7%，土壤侵蚀强度降低一级的面积占25.8%。

(3) 江西省土壤侵蚀状况进一步向好的方向发展，轻度以上强度侵蚀的面积均有所减少；但部分市区的土壤侵蚀进一步增大，生态环境依然脆弱，水土流失的形势依然严峻。

本研究存在的不足主要是USLE模型的P因子的确定，土壤保持措施因子P是表示采用专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值，一般无任何水土保持措施的土地类型P值为1[21]。国内确定P值的方法少有报道，实际运算中一般通过对比的方法求出某些水土保持措施下的P值，但不同地区的误差较大。由于本文研究的区域较大，因而本文主要根据土地利用类型确定P值，忽略了水土保持措施对其的影响。

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