基于RUSLE模型的2000-2010年长江三峡库区土壤侵蚀评价

王 萌, 刘 云, 宋 超, 李春蕾, 肖文发

(1.北京农学院 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心, 北京 102206;2.中国林业科学研究院 森林生态与环境保护研究所, 北京 100000)

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程[1]。作为全球最大的生态环境问题之一，土壤侵蚀会导致土壤质量下降，理化性质变差，土地荒漠化，降低农业生产力，河流、湖泊泥沙淤积等诸多环境问题[2]。中国由于人口众多，地质条件和地形结构复杂，土壤侵蚀已严重威胁着人类生存与社会经济发展，成为21世纪人类社会可持续发展的重大挑战之一[3]。

修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE模型),是由美国农业部在通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)的基础上修正而成的[4]。RUSLE模型因其简洁的计算公式和较低的数据需求已成为全球应用广泛的土壤侵蚀定量估算模型[5]。在模型使用的过程中，往往忽略植被覆盖的季节动态性和降水的季节不均匀性，采用年总降水计算的降水侵蚀力因子和单一的植被覆盖因子参与运算。随着遥感技术的发展，快速获取陆地植被覆盖状态成为可能，因此充分考虑植被覆盖的季节变化特征与降水组合具有可行性。中国学者也运用该模型做了大量研究：许月卿等[6]对贵州猫跳河流域的土壤侵蚀量进行了计算；彭建等[7]对云南丽江的土壤侵蚀特征进行了分析；蒋春丽等[8]对黑龙江省土壤保持量多年的空间分布特征进行了评价；李天宏等[9]对延河流域多年的土壤侵蚀动态变化进行了研究,等等。这些研究结果对管理部门采取相关措施，减少土壤侵蚀，推动区域可持续发展具有重要意义。

三峡库区东起湖北宜昌，西至重庆江津，地理位置为东经105°50′—111°40′，北纬28°31′—31°44′，包括湖北省和重庆市共20个区、县，总面积约为5.78×104km2。库区属于中亚热带湿润季风气候，年平均气温17～19 ℃，年降水量为1 000～1 200 mm。地貌以山地、丘陵为主；土壤类型以紫色土、石灰土、黄壤、黄棕壤为主；土地利用类型包括林地、灌丛、草地、果园、耕地、水体和城镇建设用地等。自库区建成以来，土地利用和植被覆盖发生巨大变化，加剧了土壤侵蚀的发生。由于生态环境的脆弱性及其作为长江中下游生态安全屏障的重要地位，三峡库区成为中国水土保持工作的重点地区[11]。三峡工程实施后，国家采取了一系列的封山育林措施，评估三峡大坝建成后的土壤侵蚀情况，可以间接评估三峡库区森林水源涵养功能是否得到提升。

本文应用拟GIS和RS技术，基于多源数据，采用RUSLE模型计算长江三峡库区2000，2005，2010年的土壤侵蚀量，分析该地区土壤侵蚀强度分布特点，评价三峡库区建成后的10 a间土壤侵蚀的动态变化，以期为区域土壤侵蚀合理化治理提供依据。

1 计算方法

1.1 RUSLE模型

修正通用土壤流失方程(RUSLE)的表达式为:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A——年平均土壤侵蚀量；R——降雨侵蚀力因子；K——土壤可蚀性因子；LS——坡长、坡度因子；C——植被覆盖与管理因子；P——水土保持措施因子。RUSLE模型的应用，关键在于R，K，LS，C，P这些因子的确定和求算。

1.2 RUSLE模型各因子的计算

1.2.1 降雨侵蚀因子R的估算 降水是引起土壤侵蚀的重要原因之一，主要是由降雨雨滴所携带的动能对土粒产生冲击而引发土壤侵蚀。R值是降雨能量和强度的函数，在实际研究工作中一般用来反映降雨对土壤侵蚀的影响[10]。国内，章文波等[11]利用日降雨量建立的中国降雨侵蚀力模型得到了广泛应用，王明晓[12]结合章文波和其他学者的降雨侵蚀力模型，以长江三峡库区近40 a来的降雨资料为基础，通过差值计算和回归分析，得到了适用于长江三峡库区的降雨侵蚀力R值简便算法，计算公式为：

(2)

式中：R——年降雨侵蚀力；Pi(≥12mm，否则以0计算)为月降雨量(mm)。

1.2.2 土壤可蚀性因子K的估算 在众多影响土壤侵蚀的因素中，土壤自身的抗侵蚀能力也是不可忽略的，国际上通常用土壤可蚀性K值来衡量[13]。K值大小表示土壤被侵蚀的难易程度，反映土壤对侵蚀外营力剥蚀和搬运的敏感性，是进行土壤侵蚀定量评价的重要参数[14]。土壤可蚀性作为土壤特性，可蚀性K值具有唯一性，即一种土壤只能有一个值[15]。本研究选用吴昌广等结合前人研究成果经过计算、实测和验证得到的三峡库区各土类土壤可蚀性K值[16]见表1。

1.2.3 坡度坡长因子LS的估算LS因子反映了地形地貌特征中坡长与坡度对土壤侵蚀的影响，二者是降雨侵蚀动力的加速因子。地形因子通过影响坡面径流的流速和流量，进而影响水流的携沙能力和土壤侵蚀强度。坡度因子S是指标准小区条件下，任意坡度下的单位面积土壤流失量与标准小区坡度下的单位面积土壤流失量之比值。同样，坡长L因子是指在其他条件相同的情况下，任意坡长的单位面积土壤流失量与标准小区条件下单位面积土壤流失量之比值。坡度因子采用Nearing等[17]提出的坡度因子连续函数回归方程估算，公式为：

(3)

式中：θ——坡度(°)，该方程综合考虑了缓坡和陡坡的影响，适用于各种坡度因子计算。

坡长因子采用Moore等[18]提出的RUSLE坡长因子计算公式：

(4)

式中:λ——水平坡长(m)；m——坡长指数；22.13为标准小区的坡长(m)，其中m取值如下：

(5)

1.2.4 植被覆盖与管理因子C的估算 植被覆盖与管理因子C反映的是覆盖和管理对土壤侵蚀的影响，定义为在一定条件下有植被覆盖坡地的土壤流失量与同等条件下适时翻耕、连续休闲对照地上的土壤流失量之比。它是一个无量纲数，其值变化范围在0～1之间。C因子评价的是所有与覆盖有关的变量对土壤侵蚀的综合作用，是侵蚀动力的抑制因子。为解决遥感应用的局限性，部分学者尝试利用归一化植被指数提取区域尺度上的C值。Lin等[19]建立的C因子与NDVI的非线性回归方程适用广泛。

C=〔(1-NDVI)/2〕1+NDVI

(6)

本文以2000，2005，2010年30 d合成的MODIS-NDVI(MOD13A3)产品为数据源，利用公式(6)计算得到三峡库区的C值。

1.2.5 水土保持措施因子P的估算 水土保持措施P因子是指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，比值介于0～1。水土保持措施主要包括耕作措施和工程措施两大类，如等高耕作，带状耕作，修筑梯田等达到保水保土保肥，减少径流量，以达到保持土壤的目的.本研究参考三峡库区土地利用图及相关研究成果和参考文献[20-21]，确定P值(表2)，土地利用图由TM影像获取。

表2 不同土地利用类型的水土保持措施因子

2 结果与分析

2.1 三峡库区2000-2010年土壤侵蚀强度分析

应用RUSLE模型计算2000，2005和2010年土壤侵蚀模数，根据水利部颁发的SL190-2007《土壤侵蚀强度分类分级标准》[22]，将库区的土壤侵蚀划分为微度侵蚀〔<5 t/(hm2·a)〕、轻度侵蚀〔5～25 t/(hm2·a)〕、中度侵蚀〔25～50 t/(hm2·a)〕、强度侵蚀〔50～80 t/(hm2·a)〕、极强度侵蚀〔80～150 t/(hm2·a)〕和剧烈侵蚀〔>150 t/(hm2·a)〕6个标准(表3)，制作三峡库区2000，2005和2010年的土壤侵蚀强度等级空间分布图(附图3)。

由附图3可以看出：2000年，三峡库区除上段河流地带外，其他地区土壤侵蚀较为严重，尤其是三峡库区中段大部分地区表现为强度以上等级。随着时间的推移，土壤侵蚀在一定程度上得到改善，强度等级减弱，尤其是三峡库区的河流上段和中段地区。进一步比较2000，2005，2010年3个年份三峡库区河流沿岸的土壤侵蚀情况，表现为以剧烈侵蚀和极强度侵蚀等级为主。分析其原因，可能是自三峡工程开展以来，库区移民、城镇扩建、毁林开荒等活动对地表植被造成破坏，引起长江沿岸土壤侵蚀等级强度恶化。

对比三峡库区2000—2010年的土壤侵蚀具体情况(见表3)，可见三峡库区土壤侵蚀状况在2000—2010年得到一定程度的改善。主要体现在：强度以上等级(即强度，极强度和剧烈3个等级)土壤侵蚀面积大幅减少。面积由2000年的1.71×106hm2下降为2010年的6.82×105hm2，侵蚀比例由2000年的29.57%下降为2010年的11.80%；微度、轻度、中度侵蚀面积逐渐增加，由2000年的4.07×107hm2上升为2010年的5.11×107hm2，侵蚀比例由2000年的70.44%上升为2010年的88.21%。

表3 2000，2005和2010年三峡库区各侵蚀强度等级的土壤侵蚀面积和比例

三峡库区2000—2010年各区县的土壤侵蚀模数见图1。由图1可见，2000年三峡库区内开县和云阳的平均土壤侵蚀模数最高，达到60～75 t/(hm2·a)，巫溪、巫山、奉节、万州和秭归等区县平均土壤侵蚀模数次之，为45～60 t/(hm2·a), 其他各区县的平均土壤侵蚀模数都小于45 t/(hm2·a)。2005年各区县的平均土壤侵蚀模数进一步减少，均小于45 t/(hm2·a)，平均土壤侵蚀模数比较大的区县仅有7个(开县、万州、云阳、奉节、巫溪、巫山和兴山)，为30～45 t/(hm2·a)，其他各区县的平均土壤侵蚀模数均小于30 t/(hm2·a)。到2010年，所有区县平均土壤侵蚀模数进一步减少，仅有5个(开县、巫溪、巫山、巴东和秭归)的平均土壤侵蚀模数为30～45 t/(hm2·a)，其它各区县的平均土壤侵蚀模数均小于30 t/(hm2·a)。

2000—2010年这10 a间，仅秭归县的平均侵蚀模数变化异常，2000—2005年期间，秭归县的平均侵蚀模数由45～60 t/(hm2·a)减少为15～30 t/(hm2·a)，而2005—2010年期间，秭归县的平均侵蚀模数由15～30 t/(hm2·a)增加为30～45 t/(hm2·a)，其他区县的平均侵蚀模数在2000—2010年的10 a间均在逐渐减少。总体上来看，2000,2005,2010年的平均土壤侵蚀模数分别为36.75,26.00,22.79 t/(hm2·a),平均侵蚀模数呈下降趋势。

图1 2000,2005和2010年三峡库区各区县土壤侵蚀模数〔t/(hm2·a)〕

2.2 三峡库区2000-2010年土壤侵蚀动态变化

计算土壤侵蚀强度的面积转移矩阵见表4。由表4可以看出：2000—2005年,侵蚀强度没有发生变化的面积为3.53×106hm2,占库区总面积的61.14%.侵蚀强度增强的面积为2.01×105hm2，占库区总面积的3.48%。侵蚀强度降低的面积为2.04×106hm2，占库区总面积的35.38%。高强度侵蚀级别向低于其1～2级的侵蚀级别转移趋势明显。

2005—2010年土壤侵蚀强度的面积转移矩阵见表5。由表5可以看出：侵蚀强度没有发生变化的面积为4.14×106hm2，占库区总面积的71.71%。侵蚀强度增强的面积为4.60×105hm2，占库区总面积的7.97%。侵蚀强度降低的面积为1.17×106hm2，占库区总面积的20.32%。高强度侵蚀级别向低于其1级的侵蚀级别转移趋势明显。

比较2个阶段(2000—2005年期间，2005—2010年期间)，土壤侵蚀等级减弱的面积总体增加,但第1阶段土壤侵蚀减弱的比例高于第2阶段。

表4 2000-2005年土壤侵蚀强度面积转换矩阵 102 hm2

表5 2005-2010年土壤侵蚀强度面积转换矩阵 102 hm2

3 讨论与结论

(1) 三峡库区土壤侵蚀情况时间和区域特点明显，2000—2005年期间，三峡库区河流中段大部分地区表现为强度以上等级，而在2005—2010年期间，该区域土壤侵蚀强度等级减弱；相对而言，10 a期间，库区河流其他区域的土壤侵蚀强度等级比较弱。

(2) 三峡库区土壤侵蚀状况在2000—2010年间得到一定程度的减弱，强度以上土壤侵蚀面积由2000年的1.71×106hm2下降为2010年的6.82×105hm2；库区内平均侵蚀模数由2000年的36.75 t/(hm2·a)下降为2010年的22.79 t/(hm2·a)。

(3) 三峡库区经过多年侵蚀治理，强度、极强度、剧烈侵蚀面积逐渐减少的同时，轻度、中度土壤侵蚀面积在逐渐增加并逐渐成为侵蚀情况的主流；但部分区县的平均侵蚀模数和轻度侵蚀以上面积占比都有小幅度的增加，需要进一步加强对轻度、中度土壤侵蚀的治理。

本研究仍存在一定的不足，在运用RUSLE模型进行各因子的计算过程中，利用了国内外已有的研究方法和相关地区的研究成果，由于不同地域差别的影响以及各数据精度的限制，导致结果出现一定的偏差。今后的研究需要重点关注如何提高数据精度，同时结合实地考察来验证结果的准确性、可靠性。

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