2009—2019年湖北省土壤侵蚀时空变化分析

王 海，黄跃飞，赵 泉，黄 婧，陈 颖，刘 海

(1.武汉智汇元环保科技有限公司，湖北 武汉 430079； 2.湖北大学 资源环境学院，湖北 武汉 430062)

土壤侵蚀会导致土壤退化、土质恶化与土地生产力下降等一系列问题，威胁到生态环境和社会经济的可持续发展[1-2]。定量评价区域土壤侵蚀强度及其时空分布特征，对减少水土流失、保护和合理利用土地资源具有重要意义[3-4]。当前，土壤侵蚀定量研究应用最广泛、实用性较好的计算模型为通用土壤流失方程(USLE)及修正通用土壤流失方程(RUSLE)[5-6]。USLE能较为全面地考虑影响土壤侵蚀的各种因素，具有一定的精度且相对简单[7]，而RUSLE[5，8]根据实际情况对因子参数进行了修正，更符合实际情况，适用范围更广。

湖北省位于长江中游洞庭湖以北，是长江经济带的重要组成部分，在促进长江经济带发展和中部崛起战略中肩负着重要使命。受特殊的自然地理条件及不断增强的开发建设活动影响，湖北省土壤侵蚀严重。为了研究其土壤侵蚀动态变化规律，采用RUSLE模型，基于2009、2019年两期相关数据计算土壤侵蚀量，评估土壤侵蚀时空变化特征，以期为湖北省水土保持措施的制定提供科学参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

湖北省位于29°01′53″～33°6′47″N、108°21′42″～116°07′50″E之间，东西长约740 km，南北宽约470 km。全省地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备，地势大致为东、西、北三面环山，中间低平，略呈向南敞开的不完整盆地。全省地处亚热带，除高山地区为高山气候外，大部分地区属亚热带季风性湿润气候区，降雨量时空分布不均匀，冬季少雨，夏季多雨，山区降雨丰富，平原区和中北部区域降雨较少[9]。

由于研究区面积较大，各地区之间自然环境和社会经济条件存在较大差异，故参考《湖北省水土保持规划》及区域内主要山脉和地形地貌特征划分为如下八大分区(图1)：桐柏大别山山地丘陵水源涵养保土区(Ⅰ区)、南阳盆地及大洪山丘陵保土农田防护区(Ⅱ区)、江汉平原及周边丘陵农田防护人居环境维护区(Ⅲ区)、三峡库区丘陵平原农田防护水质维护区(Ⅳ区)、幕阜山九岭山山地丘陵保土生态维护区(Ⅴ区)、丹江口水库周边山地丘陵水质维护保土区(Ⅵ区)、大巴山山地保土生态维护区(Ⅶ区)和鄂西南武夷山水源涵养保土区(Ⅷ区)。

图1 湖北省水土保持分区

1.2 数据来源

降雨数据来源于中国气象数据服务中心(CMDC，http://data.cma.cn)，包括位于研究区内17个站点的月降水量及年降水量监测数据。地形数据采用地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)的SRTMDEMUTM数字高程数据，空间分辨率为90 m。土壤数据、土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)提供的1 km的土壤类型及土地利用数据。遥感数据采用MOD13Q1的NDVI数据(https://www.nasa.gov)。

1.3 研究方法

采用RUSLE进行计算，模型公式[10]为

A=R·K·L·S·C·P

式中：A为年平均土壤侵蚀量，t/(hm2·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·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L为坡长因子，无量纲；S为坡度因子，无量纲；C为植被覆盖与管理因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲。

本研究中R、K、L、S、C、P因子分别由年(月)降水量、土壤类型数据、数字高程数据、NDVI数据、土地利用类型数据等计算获取。

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀时空分布特征

计算湖北省2009、2019年土壤侵蚀模数，并依据水利部发布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)[11]划分侵蚀等级，分别统计出湖北省及各分区2009、2019年平均土壤侵蚀模数、土壤侵蚀面积与土壤侵蚀量，见表1。

表1 2009、2019年湖北省及各分区土壤侵蚀统计

由表1可知，2009、2019年湖北省整体属中度侵蚀，2019年土壤侵蚀面积比2009年减少3 250.65 km2，土壤侵蚀量降低18.93%，说明湖北省土壤侵蚀较为严重，但侵蚀强度正呈下降趋势。从各分区土壤侵蚀情况来看，Ⅰ区、Ⅴ区平均土壤侵蚀模数、土壤侵蚀面积与土壤侵蚀量均呈增长趋势，其他区的则均呈下降趋势，其中：Ⅳ区、Ⅷ区平均土壤侵蚀模数下降趋势最明显；Ⅶ区、Ⅷ区土壤侵蚀面积减少量最多；Ⅱ区、Ⅲ区平均土壤侵蚀模数数值变化较小。

对湖北省及各分区不同侵蚀强度区域的面积进行统计，得到2009、2019年不同侵蚀强度面积比例，见表2。结果显示：2009、2019年湖北省大部分区域是微度侵蚀区。2009年除微度侵蚀外以极强烈侵蚀区域占比最大，其次是强烈侵蚀区域；2019年除微度侵蚀外以中度侵蚀区域占比最大，其次是极强烈侵蚀区域。2009—2019年轻度及中度侵蚀面积呈增长趋势，面积占比增加4.17百分点；强烈侵蚀及以上区域面积呈减少趋势，面积占比减少6.00百分点。

表2 2009、2019年湖北省及各分区不同侵蚀强度面积比例

从湖北省各分区不同侵蚀强度区域面积比例来看，2009、2019年Ⅱ区、Ⅲ区微度侵蚀区域(无明显侵蚀区域)面积占比相近，均在90%以上，远大于其他区域。除微度侵蚀区域外，2009、2019年Ⅰ区以轻度和剧烈侵蚀区域为主，Ⅴ区以极强烈及剧烈侵蚀区域为主，Ⅵ区以中度和强烈侵蚀区域为主；2009年Ⅳ区以强烈和极强烈侵蚀区域为主，Ⅶ区以强烈和极强烈侵蚀区域为主，Ⅷ区以极强烈和剧烈侵蚀区域为主，2019年Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ区侵蚀强度均有所降低。

2009—2019年湖北省土壤侵蚀状况空间差异比较明显。无明显侵蚀区域主要分布在湖北省中部地区，侵蚀等级较高区域主要分布在湖北省东部、西南部，侵蚀等级较低区域主要分布在湖北省西北部。分析其原因，R值空间分布是西低东高，植被覆盖度空间分布是西高东低，C值空间分布则是西低东高，因此湖北省西部侵蚀强度低于东部。此外，因为处于盆地和平原地区，耕地、水域及建设用地面积较大，土壤侵蚀多为微度侵蚀，所以中部地区多为无明显侵蚀区域。

2.2 土壤侵蚀变化趋势分析

基于像元尺度分析湖北省土壤侵蚀量空间变化特征(图2)。湖北省土壤侵蚀量呈现增长趋势的区域面积为42 685.03 km2，占研究区总面积的23.01%；无明显变化的区域面积为67 987.55 km2，占36.65%；呈现减少趋势的区域面积为74 838.38 km2，占40.34%。同时，呈现增长趋势的区域主要分布在湖北省东部山地丘陵地区；无明显变化的区域主要分布在湖北省中部平原和丘陵地区；呈现减少趋势的区域主要分布在湖北省西部。

图2 湖北省土壤侵蚀变化趋势空间分布

2.3 土壤侵蚀等级转移分析

为了进一步分析湖北省土壤侵蚀时空变化，将2009、2019年的土壤侵蚀分级图进行叠加分析，得到2009—2019年的土壤侵蚀强度转移矩阵，见表3。

表3 湖北省2009—2019年土壤侵蚀强度转移矩阵 km2

从表3可知：2009、2019年区域土壤侵蚀强度未发生改变的区域占62.95%，低等级侵蚀强度向高等级转移的面积占12.13%，高等级侵蚀强度向低等级转移的面积占24.93%，土壤侵蚀发生恶化的区域明显少于土壤侵蚀得到改善的区域。从各等级侵蚀强度转移幅度分析，微度侵蚀、中度侵蚀主要向轻度侵蚀转移，轻度侵蚀主要向微度侵蚀转移，强烈侵蚀主要向中度侵蚀转移，极强烈侵蚀主要向强烈侵蚀转移，剧烈侵蚀主要向极强烈侵蚀转移。因此，研究区整体呈现高等级侵蚀强度向低等级转移的特征。

3 结论与讨论

3.1 结 论

本研究利用RUSLE模型，结合2009、2019年相关数据，定量评估了湖北省土壤侵蚀状况，并对其时空变化特征进行了分析。结果表明：

(1)湖北省整体土壤侵蚀属中度侵蚀，土壤侵蚀状况仍较为严重，但侵蚀强度呈下降趋势。从各分区来看，平均土壤侵蚀模数Ⅰ区、Ⅴ区呈上升趋势；Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅵ区、Ⅶ区、Ⅷ区呈下降趋势。

(2)空间上，无明显侵蚀区域主要分布在湖北省中部平原地区，侵蚀等级较低区域主要分布在湖北省西北部丘陵地区，侵蚀等级较高区域主要分布在湖北省东部、西南部的山地地区，总体呈现东部高(增加)、中部不变、西部低(减少)的空间格局。土壤侵蚀强度转移以高等级向低等级转移为主，土壤侵蚀增加的区域明显少于得到改善的区域，湖北省整体的土壤侵蚀状况有所改善。

3.2 讨 论

结合湖北省各分区土壤侵蚀特征，分别采用相应的修复措施：鄂东地区土壤侵蚀呈现增长趋势，建议采取植树、种草、固坡等生态措施，增加植被覆盖度，减小降雨侵蚀动力，增强土壤抗蚀性，提高生态系统功能；鄂西地区土壤侵蚀呈现减少趋势，建议以保护为主，在加强天然林及人工林保护的同时，实施封山育林，改善其生态环境。

另外，本研究仍存在一些不足。在RUSLE模型因子计算过程中，因子计算很关键，各个因子的数据精度不一，在计算的过程中难免产生误差，并且部分因子参数主要是参考了相关学者的研究成果，与实际数据会有一定误差。因此，对RUSLE模型的修正和参数的率定是以后研究工作的重点。