大渡河流域土壤侵蚀强度时空变化格局分析

郭 兵，刘丽峰，姜 琳，范业稳，张 慧，何田莉

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049； 2. 华东师范大学 地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241； 3. 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 433079)

土壤侵蚀严重影响了区域生态环境和社会经济的可持续发展，因此，如何定量评价和分析不同地区、不同尺度下的土壤侵蚀时空变化格局已经成为国内外专家学者研究的热点问题之一[1-2]。20世纪90年代以来，大量研究学者基于美国农业部创立的通用土壤流失方程(USLE)及其修正版通用土壤流失方程(RUSLE)开展了大量研究并取得了丰富的研究成果[3-6]。陈思旭等[7]基于GIS和RUSLE模型对南方丘陵山区(湖南、江西、浙江和福建)的土壤侵蚀状况进行了定量研究,并分析和探讨了土壤侵蚀空间分布特征与坡度、海拔间的关系。齐述华等[8]采用USLE模型的月模式,结合NOAA-AVHRR归一化植被指数(NDVI)(1995)和Terra-MODIS增强型植被指数(EVI)(2005),定量评价和分析了江西省1995年和2005年的土壤侵蚀空间分布。姜琳等[9]综合运用RS、GIS和RUSLE模型，分析了岷江上游2000,2005,2010年的土壤侵蚀状况,并对其时空格局动态变化进行研究和探讨。葛永刚等[10]综合应用137Cs、RS和GIS技术,以云南小江流域土壤侵蚀的评估为例,探索和分析了中国西部山区观测资料缺乏、USLE方程不适宜区域的土壤侵蚀评估与预测方法。程琳等[11]基于GIS和CSLE模型,分析了陕西省2006年土壤侵蚀状况空间分布格局,并与水利部标准评价结果进行对比和验证。然而由于大渡河流域地处横断山区，地形破碎度大，地势陡峻，坡度大于25°的地区占流域总面积的51%，传统的USLE和RUSLE模型中坡度坡长因子计算中未充分考虑该坡度区间[12-13]。此外由于研究实测观测资料匮乏，针对大渡河流域的土壤侵蚀模型构建及其时空变化格局分析的研究相对较少[13]。

本研究结合大渡河流域特殊的地理国情(地势陡峻，林地和草地广布)，改进了坡度坡长因子(LS)和植被覆盖度因子(C)的计算方法，采用RUSLE月模式的基本形式，构建了大渡河流域土壤流失方程，定量评价了研究区2005年、2015年的土壤侵蚀状况，并对其2005—2015年的土壤侵蚀时空变化格局进行了分析和探讨。

1 研究区概况

大渡河流域地处青藏高原南缘与四川盆地西部的过渡地带(99°42′～103°48′E，28°15′～33°33′N，图1)，其总体地势西北高，东南低，平均海拔在3 000 m以上[14]。流域内地质构造复杂，断裂带活动频繁，进而造成岩体相对破碎，松散的表层土壤成为滑坡、泥石流、水土流失的主要物源。土壤类型多样，主要类型有水稻土、红壤、棕壤、暗棕壤等[15]。大渡河流域南北狭长纵跨5个纬度带，气候差异显著且垂直变化大，上游属川西高原气候区，寒冷干燥，年均降水700 mm，年均温在6 ℃以下，而中下游则属于四川盆地亚热带湿润气候区，年均降水1 100 mm，局部地区可达1 700 mm[14]。

图1 研究区位置及概况Fig.1 Location of the study region

2 研究方法

2.1 大渡河流域土壤流失方程

USLE[16]和RUSLE[17-18]模型在我国得到了广泛的应用，相关研究学者基于USLE和RUSLE模型结合不同研究区的地理国情，分别构建和发展了众多国产化模型和方程，如芦山地震灾区土壤流失方程[19]、云南省金沙江流域土壤流失方程[20]、中国土壤流失方程[21]、黑龙江省土壤流失方程[22]、北京土壤流失方程[23]等。本研究基于齐述华等[8]提出的改进通用土壤流失方程的月模式，发展了大渡河流域土壤流失方程(Soil Loss Eroion for Dadu River Basin，DRBSLE)，其公式为：

(1)

式中：A为土壤侵蚀模数，t/(km2a) ;R为降雨侵蚀力因子，MJmm/(hm2ha);K为土壤可蚀性因子，thm2h/(hm2MJmm);L为坡长因子，无量纲(0～1)；S为坡度因子，无量纲(0～1)；C为地表覆盖与作物管理因子，无量纲(0～1)；P为水土保持措施因子，无量纲(0～1)。

2.2 各指标提取方法

1)降雨侵蚀力(R)

降雨侵蚀力反映降雨对土壤造成侵蚀的动力指标，表征降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，其大小与降雨量、降雨强度相关[24-25]。本研究基于日降雨数据和章文波等[24]提出的修正日降雨侵蚀力模型结合Cokriging 插值法，计算和提取了大渡河流域降雨侵蚀力数据，其空间分辨率为250 m。

(2)

2)土壤可蚀性(K)

土壤可蚀性反映土壤对降雨击溅或地表径流冲刷等剥蚀和搬运作用的敏感程度，用于评价土壤抵抗侵蚀的能力[19]。环境政策综合气候模型(EPIC)是计算土壤可蚀性K的方法之一，其计算公式为：

式中：Sn=1-Sa/100,Sa为沙粒含量，%；Si为粉粒含量，%；Cl为黏粒含量，%；Co有机碳含量，%。

然而，张科利等[26]研究发现，EPIC模型计算和提取的土壤可蚀性K值与不同地区的土壤可蚀性K实测值存在一定差异，进而提出了K值的修正公式：KM=-0.01383+0.51575KEPIC。

3)坡度坡长因子(LS)

结合大渡河流域陡峻的地形和部分径流小区资料，参照刘斌涛[19]提出的陡坡状况下坡度因子的计算公式，提取了大渡河流域的坡度因子S，公式如下：

(4)

式中：S为坡度因子(无量纲)，θ为坡度(°)。

4)地表覆盖与作物管理因子(C)

地表覆盖与作物管理因子是指在其它条件相同的情况下，具有一定作物或植被覆盖的地表与完全裸露的地表的土壤流失量之比，其值介于0～1之间[8]。由于大渡河流域地处横断山区并且流域面积较大，地面实测数据很难获取，因此本研究采用基于植被盖度的遥感反演方法。大渡河流域的林地和草灌地广布，占总流域面积的90%以上。江善忠等[13]提出了针对草地的C值与植被盖度的定量关系模型，而Vander Kniff J M提出的利用NDVI确定C值的方法在确定林地的C值中获得了广泛应用[2]。本研究综合以上两种方法提取了大渡河流域的地表覆盖与作物管理因子(C)，公式如下：

式中：Cgrass为草地C值；fc为草地植被盖度，其中fc则通过像元二分模型和NDVI数据反演提取。

式中：Cforest为林地C值，NDVI为林地的归一化植被指数。

5)水土保持措施因子(P)

水土保持措施因子是指在一定水土保护措施条件下，实际水土流失面积与标准情况下水土流失面积之比，其值介于0～1之间[6,11]。由于缺乏大渡河流域的小区实测数据，本研究结合前人的相关研究和第一次全国水利普查水土保持普查项目中部分成果，根据1∶10万土地利用类型矢量数据确定了大渡河流域的水土保持措施因子P值，其中该土地利用类型数据由国家自然资源和地理空间基础信息库项目办公室提供，见表1。

表1 不同土地利用类型P 值

3 结果与分析

3.1 大渡河流域土壤侵蚀空间格局分析

基于大渡河流域土壤流失方程反演和提取了2005年和2010年的土壤侵蚀强度，参照《土壤侵蚀分类分级中的水力侵蚀强度分级标准》对大渡河流域土壤侵蚀强度进行了分级：<500t/(km2·a)为微度侵蚀；500～2 500 t/(km2·a)为轻度侵蚀；2 500～5 000 t/(km2·a)为中度侵蚀；5 000～8 000 t/(km2·a)为强度侵蚀；8 000～15 000 t/(km2·a)为极强度侵蚀；>15 000 t/(km2·a)为剧烈侵蚀，进而对大渡河流域2005年和2015年的土壤侵蚀空间分布格局进行了分析和探讨(图2、表2、图3)。

(a)2005 (b)2015图2 大渡河流域2005年和2015年土壤侵蚀强度分级Fig.2 Classification map of soil erosion intensity for 2005 and 2015 in Dadu River Basin

表2 2005年、2015年不同等级土壤侵蚀强度对比

图 3 不同等级土壤侵蚀强度面积比率和侵蚀量比率对比Fig.3 Comparisons of area ratios and erosion quantity ratios for different levels of erosion intensity

2005年，大渡河流域土壤侵蚀总量为5 442.35万t，平均土壤侵蚀模数为709.12 t/(km2·a)，属于轻度侵蚀。不同等级土壤侵蚀区空间分布格局差异显著：从侵蚀面积来看，微度侵蚀区分布最广，占流域总面积的57.04%，其次为轻度侵蚀区和中度侵蚀区，分别占流域总面积的38.03%、3.93%，剧烈侵蚀区分布面积最小，所占面积百分比为0.01%；从侵蚀量来看，轻度侵蚀区贡献的侵蚀量最大，占侵蚀总量的57.31%，其次为轻度侵蚀区和微度侵蚀区，所占侵蚀总量百分比为14.48%；从空间分布来看，微度侵蚀区主要分布大渡河流域中上游地区的河谷地带，主要原因在于该地带地势平坦，坡度较小，植被覆盖较高，因此土壤侵蚀强度较小，轻度侵蚀区主要分布于大渡河流域中上游地区的高山峡谷地带，该地区河谷深切，地势陡峻，地质结构复杂多样，结构破碎稳定性差，滑坡、泥石流、崩塌等灾害频发，导致该地区土壤侵蚀强度较大，中度和剧烈侵蚀区则主要分布于下游的泸定县、九龙县、汉源县、金口河区、乐山市、峨边彝族自治县等，主要原因在于该地区植被盖度较小，降水集中，人类活动强度较大，土地垦殖率较高，耕作粗放，且工程建设和开发项目较多，导致土壤侵蚀强度较大。

2015年，大渡河流域土壤侵蚀总量为6 546.93万t，平均土壤侵蚀模数为849.92 t/(km2·a)，属于轻度侵蚀，不同侵蚀强度区的空间分布格局存在显著差异：微度侵蚀区分布面积最广，占流域总面积的52.57%，侵蚀量占侵蚀总量的25.33%，主要分布于大渡河流域中上游的河谷地带，如班码县、色达县、金川县、小金县、丹巴县等；轻度侵蚀区面积占流域总面积的40.21%，侵蚀量所占流域侵蚀总量百分比为52.56%，主要分布于大渡河流域的中上游地区的高山峡谷区，该地区虽然植被盖度较高，但是降水较多，坡度陡峻，地形破碎度较高，因此总体上属于轻度侵蚀；中度以上侵蚀区总面积占流域总面积的7.22%，但是侵蚀总量却占流域侵蚀总量的22.11%，与该区地震、滑坡、泥石流以及人类活动干扰有关。

3.2 2005—2015年大渡河流域土壤侵蚀强度变化分析

2005—2015年，大渡河流域土壤侵蚀强度变化呈增加趋势，主要表现为中、强度侵蚀区面积的扩大和侵蚀总量的增加(图2、表2、图3)。相比2005年，2015年大渡河流域平均侵蚀模数增加140.8 t/(km2·a)，为849.92 t/(km2·a)，侵蚀总量也由5 442.35万t增长为6 546.93万t。2005—2015年，微度侵蚀区面积减小了3 791.88km2，而中度、强度和极强度侵蚀区面积则有不同程度的增加，分别为1 358.94 km2、270.75 km2、75.75 km2。

土地利用变化是影响土壤侵蚀时空变化分布格局的重要因素，也是人类可调控的主要因子，本研究结合土壤侵蚀强度指数(公式(5))分析了不同土地利用类型上的土壤侵蚀强度空间分布状况及其相关性。

(5)

式中：Wj为第j种土地利用类型的土壤侵蚀强度指数；Ri为第j种土地利用类型第i类土壤侵蚀强度分级值；Pij为第j种土地利用类型第i类土壤侵蚀强度所占的面积百分比，每一等级土壤侵蚀强度从弱到强依次赋值为1、2、3、4、5、6。

研究结果：2005年，水田、旱地的微度侵蚀区所占面积百分比最大，分别为100%、98.88%，然而2015年，其微度侵蚀区面积百分比有一定程度的减小，相应的轻度侵蚀区面积则有较大程度的增加，面积百分比分别增加4.2%、16.5%，两者的土壤侵蚀强度指数也表现为一定幅度的增加，分别为4.65、18.21，主要原因在于大量的陡坡开垦，植被破坏遭到严重破坏，水土流失强度和总量增加；2005—2015年，草地、草甸的土壤侵蚀强度变化表现为总体稳定(两者的土壤侵蚀强度指数变化较小)，局部加剧，主要表现为微度和轻度侵蚀区面积基本不变，中度和强度侵蚀区面积有一定程度的增加，主要原因在于草地、草甸多分布于高山、峡谷地带，人类活动强度较小，因此总体上两者的侵蚀强度变化不大，但是由于受地质灾害的影响(地震、滑坡、泥石流等)，局部地区植被遭到破坏，土壤在裸露情况下加上强降雨的冲刷，土壤侵蚀强度增加；2005—2015年，有林地和灌木林地的土壤侵蚀强度呈现增加趋势，土壤侵蚀强度指数增幅分别为16.22、10.82，主要表现为微度侵蚀区面积减小，轻度和中、强度侵蚀区面积增加，主要与地质灾害和人类毁林开垦相关，特别是芦山地震的影响，岩体结构遭到破坏，土壤松散，植被破坏，加上密集降水的冲刷，土壤侵蚀量增加。

(a)2005年(b)2015年(c)2005—2015年图4 不同土地利用类型土壤侵蚀强度变化分析Fig. 4 Erosion intensity variation analysis on different land use types

3.3 土地利用变化对土壤侵蚀强度变化的影响

土地利用变化是影响土壤侵蚀强度变化的重要因素，而大渡河流域土地利用的变化主要受人类活动和自然灾害的影响，因此定量分析土地利用变化对土壤侵蚀强度变化的影响，可以为该流域土壤侵蚀的防治提供重要的数据支撑和决策依据。1998年，国家实施退耕还林还草政策以来取得了显著的成效，为了具体分析退耕还林还草政策对大渡河流域水土保持状况的影响，本研究提取了2005—2015年由耕地变为林、草地的区域，进而对其相应的土壤侵蚀强度空间格局进行了分析，结果表明：2005年退耕前的耕地中，微度侵蚀区面积最广，占退耕还林还草区总面积的54.84%，其次为轻度侵蚀区和重度侵蚀区，面积百分比分别为34.88%和7.22%，而2015年退耕还林还草后，该区域的土壤侵蚀强度总体上属于微度侵蚀，其主要原因在于该流域内旱地多为陡坡开垦(>25°)，退耕还林还草后地表植被得以恢复，一定程度上减小了区域土壤侵蚀强度。此外，该地区由于地质灾害活动频繁，土地利用也受到很大的影响，为了进一步分析人类活动和地质灾害对土壤侵蚀变化的影响，本研究提取了2005—2015年由林、草地变为裸土、稀疏草地和旱地的区域，并对相应的土壤侵蚀强度进行了分析(表3)，结果发现：2005年，林、草地退化前的区域中微度侵蚀区面积最广，占区域面积的60.30%，其次为轻度和中度侵蚀区，面积百分比分别为33.66%、5.09%，而2015年林、草地退化后，该区域的微度侵蚀区面积减小，面积百分比减小10.31%，轻度、中度和强度侵蚀区面积均有一定程度的增加，面积百分比分别增加7.54%、1.76%，主要原因在于自然灾害，如地震(特别是芦山地震)、滑坡、泥石流，破坏了岩体结构和植被覆盖，造成表层土壤结构松散，再加上降雨时段集中，进而加剧了水土流失，此外，人类活动，如砍伐森林、无节制地陡坡开荒、广种薄收,很大的破坏了脆弱的生态环境，进而加大了区域土壤侵蚀强度。

表3 不同土地利用类型变化下各土壤侵蚀强度等级面积百分比Tab.3 Comparisons of area ratios of different erosion levels for different land use types

注：A代表林地和草地；B代表由林、草地变为裸土、稀疏草地和旱地；C代表耕地；D代表退耕后的林地和草地。

4 结论

本研究基于多源地空耦合数据，结合GIS、RS和RUSLE月模型，构建了大渡河流域土壤流失方程，进而定量评价了研究区2005年、2015年的土壤侵蚀状况，并对2005—2015年的土壤侵蚀时空变化格局进行了分析和探讨。

1)2005年、2015年，大渡河流域土壤侵蚀总量分别为5 442.35万t和6 546.93万t，平均土壤侵蚀模数分别为709.12 t/(km2·a)、849.92 t/(km2·a)，属于轻度侵蚀。然而其空间分布则表现为小面积的高强度侵蚀，主要分布于中上游地区的高山峡谷地带以及下游的泸定县、九龙县、汉源县、乐山市、峨边彝族自治县等地区。

2)2005—2015年，大渡河流域土壤侵蚀状况呈现总体稳定，局部加剧的状况，其中侵蚀强度增加区主要分布于下游地区的泸定县、汉源县、石棉县等地区以及中上游地区的河谷两侧，而侵蚀强度减小区则主要分布于久治县、班码县 、色达县、阿坝县等地区。

3)近十年来国家退耕还林还草政策的实施有效地改善了流域水土流失状况，然而不合理的人类活动(如陡坡开垦、粗放耕作、滥伐森林等)和频繁的地质灾害极大地加剧了研究区土壤侵蚀强度。