2005-2015年右江河谷地区土壤侵蚀时空变化特征分析*

舒晓艺，卢 远

(南宁师范大学 地理科学与规划学院,广西 南宁 530001)

0 引言

土壤侵蚀会引起土地退化、土壤肥力下降等一系列生态问题，是世界三大环境问题之一[1]。无论农村、城市、山区或丘陵都存在土壤侵蚀问题。它的产生与地形、气候和土地利用等因素息息相关。土地利用是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动[2]，包括土地资源的数量、质量和结构。不同的土地利用变化改变下垫面情况，改变土壤的物理、化学性质[3，4]。土地覆被强调土地的自然属性以及人类活动的结果，不合理的土地利用能够加剧土壤侵蚀的其它因素的变化(如地形条件的改变、土壤特性的恶化、植被资源被破坏等)，是导致水土流失的主要原因[5]。土地利用/覆被与土壤侵蚀相互影响，土壤侵蚀的加剧会影响土地利用/覆被的转变，反之，会影响土壤侵蚀的转变。一直以来，有诸多学者研究后认为，土壤侵蚀中最重要的可控因素之一是如何对其土地进行合理利用[6-12]。目前，国际上比较通用的计算土壤侵蚀量的方法是利用USLE模型，这个模型最早是由美国学者Wischmeier在1965年提出[13]。这个模型因为精度良好、计算因子比较简单，所以各国学者计算土壤侵蚀量的时候通常都以该模型为基础进行延伸，通过添加修正因子，建立了适合研究区域的通用土壤流失方程。如江忠善等[14]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，刘宝元等[15]建立的CSLE方程。

右江河谷位于桂西北土石山区，受地质、地貌条件的影响，地形起伏变化大，地貌主要以山地为主，土质疏松，土壤侵蚀环境较为复杂[16]。近年来受毁林开荒种果、种蔗等不合理的土地利用和降雨比较集中等因素影响，该地区已经成为广西水土流失较为严重的地区之一。本文主要对右江河谷地区2005、2010、2015年三个时期的土壤侵蚀进行定量分析。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

右江河谷地区地处桂西北，由三县一区组成。其地势总体由西北向东南倾斜，地形起伏大，是典型的山区，其山地占该研究区域总面积的73.4%，丘陵、平原仅占26.6%，如图1所示。研究区土壤类型主要有红壤、石灰土和水稻土等。该区属典型的南亚热带季风气候，年平均气温21～22 ℃，冬季温暖，春季温度回升快，素有“天然温室”之誉，光热条件优越，四季分明；降雨较集中，年降雨量为1 200 mm左右，其中6-8月降雨量占全年的75%左右，极易造成水土流失[17]。近年来，右江河谷区经济发展速度加快，特别是田阳、田东两县不仅是国家级商品粮基地县还是重要的甘蔗和蔗糖生产基地，拥有面积达2.206万hm2的广西最大的芒果生产基地[18,19]。

该地区以山地、丘陵为主，极易发生水土流失。从土地利用情况来看，林地的面积占比较大，分布广，耕地主要集中在坡度较缓处，其余土地利用类型分布零散。近年来由于芒果产业的迅速发展，当地人民仍采用传统的炼山方式整地，占用林地、开垦陡坡种植芒果，造成园地植被单一，林分风险性增高，同时也降低其生态功能，增加了水土流失的危险。

图1 右江河谷位置分布图

1.2 数据来源和预处理

本研究所用的数据包括地形图、土地利用数据、2005、2010、2015年3期来源于地理空间数据云的12景遥感影像、第二次普查资料的土壤类型数据、全国第一次水利调查水土保持专项调查成果、中国气象数据共享网的包括全区92个台站点覆盖88个县区1981-2016年逐日降水量、经过插值处理的多年平均降雨数据和地理空间数据云全区范围内30m分辨率的ASTER GDEM V2数据。其中，土地利用数据及Landsat 8 OLI、Landsat 5数据经过人机交互解译结合地面实验得到(表1)。

表1 数据来源与精度统计表

参照中国科学院资源环境数据库土地利用分类体系，根据本次研究对象，将土地利用类型按一级体系分六大类，并将其中的耕地分出二级类水田、旱地两类。研究期间，对土地利用解译结果以小流域为单位进行实地抽查验证，其中，田东县三百小流域的不合理比例为1∶100，右江区阳圩小流域的不合理比例为0∶100，所以整体土地利用类型的精度良好。

图2 土壤侵蚀的技术路线图

1.3 土壤侵蚀量的估算方法

年均土壤侵蚀模数用RUSLE方程计算，其计算式为：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

A为土壤侵蚀模数(t/km2·a)；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm/hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子(t·km2·h/(hm2·MJ·mm)；LS为地形因子(无量纲，0～1)；C为地表覆盖与管理因子(无量纲，0～1)；P为水土保持措施因子(无量纲，0～1)。

R因子采用刘元宝等[20]提出的算式计算， Rk为k月的降雨侵蚀力(MJ·mm/(hm2·h)), R为多年降雨侵蚀力(MJ·mm/(hm2·h·a)),算式如下：

(3)

K因子采用WIliams等[21]在EPIC模型中的估算方法，并根据张科利等[22]的研究进行修订。算式为：

K=-0.01383+0.51575KEPIC

(4)

LS因子采用刘斌涛等[23]修正后的地形因子计算，L是坡长因子，S是坡度因子。

(5)

(6)

C因子首先根据遥感影像统计NDVI的最大值和最小值，根据NDVI通过公式求出植被覆盖度，通过植被覆盖度计算各地类的C因子并整合。

(7)

P因子一般取值在0～1之间，水土保持措施做得越完善取值越趋向于1，反之趋向于0，结合宏观地貌类型和微观坡面形态特征，根据右江河谷地区的实际情况进行标准赋值。

由于研究区地质地貌复杂，山地中石山(30%)、土山(65.4%)，喀斯特地区土壤不连续，地表多为土、石、水混合，纯净像元分布较为散乱，所以为了减少测算误差，引进M因子，M因子为裸岩修正因子，通过计算裸岩率和结合喀斯特石漠化敏感性评价并使用混合像元分解模型确定，M因子是RUSLE模型修正的关键，对正确测算研究区域的土壤侵蚀模数具有重大的实现意义。修正后方程为：

A=(R×K×L×S×C×P)×M

(8)

2 研究结果

2.1 土壤侵蚀变化总体特征

通过计算得到研究区2005年、2010年、2015年的土壤侵蚀模数分别为141.62 t/hm2·a、166.96 t/hm2·a、119.79 t/hm2·a，整体呈先上升后下降趋势。10a间平均土壤侵蚀模数在120～170 t/hm2·a区间内。2005-2010年土壤侵蚀模数上升主要是由于2005年后，芒果园地的大量开垦，造成园地和原有的坡耕地被开垦，局部水土流失增强。2010年后，种植的经济作物生长良好，林下水土流失情况减缓，加上水土保持措施增强以及国家退耕还林政策的不断开展，土壤侵蚀情况得到了一定的改善。

2.2 土壤侵蚀强度时空变化分析

土壤侵蚀强度分级图，总共分为6级(图3)。从图3可以看出，土壤侵蚀主要分布在研究区的东北-东南方向，通过arcgis的空间叠加工具，叠加土地利用栅格数据后可以发现，研究区东南方向的侵蚀主要是水田和草地的侵蚀，10a间研究区整体的土壤侵蚀强度变化呈先上升后下降的趋势。土壤侵蚀模数与土壤侵蚀面积变化趋势相同。

图3 不同时期土壤侵蚀强度图

通过分区统计工具统计各强度的土地利用面积情况可以看出(表2)，研究区的土壤侵蚀主要集中在轻度侵蚀和中度侵蚀，侵蚀面积占总面积的11%左右。2005-2010年，轻度侵蚀和中度侵蚀的面积比增加了1.29%和0.35%，强度和极强度侵蚀的面积比变化不大，分别为0.03%和0.06%，剧烈侵蚀的面积保持不变。2010-2015年，微度侵蚀的面积比增加了2.36%，轻度侵蚀和中度侵蚀的面积比增加了-1.32%和-0.69%，强度和极强度侵蚀的面积比增加了-0.23%和-0.11%，剧烈侵蚀面积比增加了-0.01%，总体的土壤侵蚀面积情况有变好的趋势。

表2 2005、2010、2015年土壤侵蚀情况分析表/km2

2.3 土地利用结构变化

根据本文对土地利用的归并方法，把土地利用分成8大类，得到研究区土地利用分布图(图4)。从图4和表2可以看出，研究区主要占比面积以林地、水田为主。林地和耕地是河谷中分布最广的土地利用类型，园地呈零散状分布，且逐年增多。此外，水田主要沿河流分布，远离河的地带多分布着旱地和园地，离河流较远的山地上主要是林地。河谷地区地势平坦，人口相对稠密，具备开展农业的劳动力资源。研究区土地利用零星分散、经济发展主要依靠农业为主。由于政策导向性原因，坡度大于25°的坡地要实施退耕还林还草，所以当地的坡度较高的地方的林地保护得较好。由于降雨时树冠截留，减少雨滴的溅蚀作用，落叶覆盖在地表，从而保证了林地以下的土地不会因为暴雨而被冲刷，减少土壤侵蚀的发生。

2.4 土地利用与土壤侵蚀的关系

2.4.1 变化环境下土壤侵蚀模数变化

利用Zonal Satistics as Table工具，把土地利用图与土壤侵蚀图进行空间叠置，分别对各类型的土地利用的土壤侵蚀进行统计分析，得表3。从表格中可以看出，10a 间各地类的土壤侵蚀模数呈下降趋势。侵蚀主要分布在旱地、园地、草地、未利用地等几个地类上。

图4 不同时期土地利用分布图

旱地的土壤侵蚀模数在2005-2010年上升了15.07t/hm2·a，主要是因为旱地的土地利用面积增加了48.32km2，2010-2015年由于对旱地进行了坡改梯等水土保持措施，所以旱地的土壤侵蚀模数下降至120.27 t/hm2·a，说明水土保持工作初见成效。

园地的土壤侵蚀模数在2005—2010年期间基本保持不变，说明在2010年以前人们管理园地的水土保持意识不强。2005年园地面积仅有222.93km2，5年间，园地面积增加到703.21 km2，增长量几乎是2005年园地面积的2倍。在地类面积上升，侵蚀模数大致不变的情况下，土壤侵蚀的面积应该也有相应的增长。

林地作为研究区十年来最主要的地类转变来源，受影响最大。从土壤侵蚀模数可以看出，在2005-2010年林地减少量达到最大值(减少604.04km2)期间，林地的土壤侵蚀模数从83.47 t/hm2·a增长到了131.76 t/hm2·a，说明林地受地类转换的扰动比较强烈。

未利用地主要由裸地，裸岩构成，所以土壤侵蚀严重，在实地考察过程中发现10a间裸露的未利用地上生长了一些灌丛，植被覆盖度与管理因子值减小，土壤侵蚀模数就下降了。

建设用地的侵蚀模数主要原因是城镇化发展加快，道路硬化、农村居民点转为城镇建成区等因素都导致建设用地的侵蚀模数下降。

水域的侵蚀模数从2005年的下降主要是由于在2006年修建的百色水利枢纽，水库周边的工程修建使得水土保持措施因子P较2005年好。

表3 不同土地利用类型的侵蚀模数/t·hm-2·a

2.4.2 土壤侵蚀强度时空分析

结合表2、表3和表5可以看出，研究区不同时期不同地类的土壤侵蚀强度面积有不同的特征。就水田和旱地而言，10年间水田和旱地的面积逐渐减少，土壤侵蚀模数和土壤侵蚀强度面积也呈下降趋势。

表4 不同土地利用类型植被覆盖度与管理因子值

就园地而言，虽然土壤侵蚀模数在2005-2010a期间比较稳定，但是从土地利用类型转变看，园地增长迅速；从土壤侵蚀等级面积分布情况看，轻度以上的侵蚀面积从2005年的29.77km2增加至2010年的83.44km2，增加了64.32%。2010-2015年期间园地面积基本保持不变，植被经过了一段时间的生长，水土保持能力增强，加上梯园地的保护得当，土壤侵蚀强度由高级逐渐向低级转移。虽然土壤侵蚀情况从2010-2015年是转好的，但是从土壤侵蚀强度的面积来看，2015年各等级的土壤侵蚀面积仍比2005年大，特别是剧烈侵蚀的面积是2005年的5倍。

就林地而言，由于林地在2005-2010年被大量砍伐，破坏了林地原有的水土保持能力，导致林地的轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀的面积均上涨，林地的侵蚀面积由486.31km2增加至2010年的662.67km2。2010年之后经过退耕还林、退草还林措施和森林生态系统自我修复，林地的侵蚀强度由高级逐渐向低级转变，各地类侵蚀面积情况减少。

表5 不同时期不同地类的侵蚀强度面积/km2

3 结果和讨论

本研究主要利用GIS和RS技术，以百色右江河谷区域为研究区，时间跨度横跨2005-2015年，结合修正后的RUSLE模型和土地利用图，分析当地10年间土壤侵蚀的时空变化特征，得出以下结论：

(1)右江河谷地区水热资源丰富，降雨量充沛。河谷以平原为主体，宜进行农业立体开发；河谷两侧山地宜种植作物兼养殖家畜实现种养混和农业。应加强对农户的培训，避免传统的种植方式对土壤侵蚀的影响。研究区少有洪涝、大旱等自然灾害情况发生，所以土地利用/覆被变化将会是造成当地土壤侵蚀的最主要的原因之一，可以说，合理的使用土地，就可以长远的防止当地土壤的水土流失情况发生。

(2)土壤侵蚀主要分布在河谷两侧的山坡和丘陵上，河谷区的土壤侵蚀分布并不强烈。就2015年的土壤侵蚀模数来看，侵蚀最严重的地类是草地和未利用地，侵蚀模数分别为637.51t/hm2·a和429.06t/hm2·a；土壤侵蚀程度主要集中在轻度和中度侵蚀。

(3)土地利用类型和土壤侵蚀之间存在一定的联系，土地利用类型的转变会导致土壤侵蚀情况变严重。有的地类虽然面积增大，但是土壤侵蚀模数下降，例如园地，园地在2005-2010年间面积增加了480.28km2，土壤侵蚀模数略下降，这时候考虑园地的土壤侵蚀情况需要从该地类不同强度的土壤侵蚀面积去考虑，仅凭土壤侵蚀模数判断土地利用与土壤侵蚀之间的关系是不准确的。

(4)虽然10年间土壤侵蚀模数呈整体下降的趋势，剧烈侵蚀面积大幅减少。从土壤侵蚀模数和土壤侵蚀强度来看，受人为扰动强烈的地类土壤侵蚀情况还是不容乐观，特别是水田、旱地、园地这几类地类，保持农用地的安全和土地质量对于当地的农作物种植具有很大的意义，不应该为了发展建设用地就无节制的占用城郊周边的水土和旱地，这是不合理的；由于研究区地貌主要以山地为主，园地大部分集中在有一定坡度的地块上，受强降雨等天气影响时容易发生水土流失，加上当地部分园地中作物种植单一，果树间往往没有种植其他作物，土壤裸露程度高，不利于水土保持。建议在种植时采取坡改梯、作物间种等措施，加强林地、园地的植被优化。