2000-2018年皖南山区土壤侵蚀时空变化

管礼松, 郭伟玲, 李 鑫, 蒋婷婷

(安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院, 安徽 淮南 232001)

土壤侵蚀对生态环境的破坏，严重影响了人类社会的可持续发展，是当今人类面临最普遍的灾害，已受到国内外学者的广泛关注[1]。我国是全球水土流失最严重的国家之一，2018年全国水土流失面积达2.74×106km2，其中水力侵蚀面积为1.15×106km2，占水土流失总面积的42.05%[2]。定期开展区域土壤侵蚀状况调查，是对水土流失治理成效的客观反映。我国对于区域土壤侵蚀评价一度时期是根据水利部颁布的《土壤侵蚀分级分类标准(SL190-2007)》[3]，该方法简单实用，可操作性强，但也存在一些问题，如不能直接反映气候、土壤的影响，不能全面反映水土保持措施的影响[4]。2000年，刘宝元等参考美国通用土壤流失方程(universal soil loss equation，USLE)[5]和修正通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation， RUSLE)[6]的有关思想，提出了更符合我国土壤侵蚀实际情况的中国土壤流失方程(Chinese soil loss equation， CSLE)[7]模型。考虑到我国与国外地形差异较大，该模型对陡坡地形因子进行了改进，并且将植被管理因子与水土保持措施因子划分为生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子，更能真实反映我国的土壤侵蚀过程。USLE和RUSLE已被广泛应用于区域土壤侵蚀评价，如程先富等[8]利用USLE模型对安徽省土壤侵蚀空间分布进行了定量分析以及探讨环境因子的关系；赵明松等[9]基于GIS和RUSLE定量分析了安徽省土壤侵蚀及养分流失的空间分布特征；张乃夫等[10]以USLE为理论依据，探讨降雨、土壤以及地形等因子对新安江流域土壤侵蚀的影响。在安徽省境内基于CSLE模型的土壤侵蚀研究报道较少。为此，本文尝试采用CSLE模型对土壤侵蚀进行定量评价[11-13]，以安徽省皖南山区为研究区，估算研究区2000，2010，2018年土壤侵蚀状况，分析2000—2018年皖南山区土壤侵蚀的时空变化特征，以期为皖南山区土壤侵蚀综合治理以及生态环境恢复提供决策支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

皖南山区位于安徽省南部，介于东经116°31′—119°45′与北纬29°31′—31°之间，北边与沿江平原相连，东南与江苏、浙江交界，总面积达3.64×104km2。地貌以丘陵为主，低山为次，地形起伏变化剧烈且复杂，地表切割破碎，平均坡度为13°，最高海拔为1 816 m。该区域属亚热带季风气候，降雨量充沛，年降雨量达1 100～2 500 mm，但降雨时空分布不均匀，60%集中在5—8月间，年平均气温为15.5～16 ℃。土壤类型有基带土壤的红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地酸性棕壤和山地灌丛草甸土，土层较薄，由于丘陵山区地形起伏大，加上水蚀较严重，粗骨土分布广泛[14]。植被覆盖率达60%以上，以马尾松林、毛竹林为主。

1.2 研究方法

本研究采用由刘宝元提出的中国土壤流失方程(CSLE)，该模型适用于全国各地范围，在全国水利普查和水土流失动态监测项目中得到应用[15-16]。模型公式为：

A=R·K·LS·B·E·T

(1)

式中：A表示年单位面积的土壤侵蚀量(t/hm2·a),1 t/(hm2·a)=100 t/(km2·a);R表示降雨侵蚀力因子(MJ·mm)/(h·hm2·a);K表示土壤可蚀性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕;L表示坡长因子;S表示坡度因子;B表示生物措施因子;E表示工程措施因子;T表示耕作措施因子;L,S,B,E,T因子均为无量纲。

1.3 数据及数据源

研究区使用的主要数据包括： 安徽省79个气象站点，2000，2010和2018年大于等于12 mm日降雨数据，来源于中国气象数据网。 土壤数据为南京土壤所提供的1∶100万土壤数据。 数字高程模型SRTM 30 m分辨率高程数据，来源于地理空间数据云。 土地利用类型数据为30 m分辨率，包括2000，2010和2018年3期数据。根据DEM分辨率大小，将上述因子重采样成30 m，据公式(1)运算分析得到土壤侵蚀栅格图层为30 m分辨率。

1.4 CSLE模型各因子算法

1.4.1 降雨侵蚀力因子R降雨侵蚀力因子的计算采用殷水清等[17]的基于日降雨量冷暖季估算模型(公式2)。利用安徽省79个气象站点日降雨数据(2000，2010和2018年)，选取日降雨量≥12 mm的侵蚀性降雨数据[18]，通过克里金空间插值法生成安徽省年降雨侵蚀力图层，空间分辨率为30 m。并使用皖南山区的矢量图进行裁剪，得到研究区2000年、2010年和2018年的年降雨侵蚀力的栅格图层(图1)。

图1 皖南山区2000，2010和2018年降雨侵蚀力分布

(2)

式中：Rd为日降雨侵蚀力〔(MJ·mm)/(h·hm2)〕;Pd为侵蚀性日降雨量(mm)(日雨量≥12 mm),若没有侵蚀性降雨,则令Pd=0;暖季(5—9月)；α为0.393 7,冷季(10—4月)α为0.310 1。每月分为上下半月,1 a共24个半月。将日降雨侵蚀力累加到半月降雨侵蚀力,半月累加到年降雨侵蚀力。3期降雨侵蚀力整体分布自西南至东北呈对角线逐渐降低,2010年皖南山区降雨侵蚀力局部高达9 754.74 (MJ·mm)/(h·hm2),是造成山区水土流失的驱动因素。

1.4.2 土壤可蚀性K以1∶100万世界土壤数据库(HWSD)为基础数据，采用Sharpley等[19]在EPIC模型中的K值计算方法(公式3)，获取研究区土壤可蚀性K值分布图(图2)。K值计算公式为：

图2 皖南山区土壤可蚀性因子分布

(3)

式中：SAN为砂粒含量(%);SIL为粉粒含量(%);CLA为黏粒含量(%);C为有机质含量(%); 其中SN1=1-SAN/100。K值为美制单位,换算成国际通用公制单位〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕,关系为:公制单位=0.131 7×美制单位。皖南山区东北区域主要分布有水稻土,土壤可蚀性虽然高,但是由于地形条件等原因,水土流失较轻微。

1.4.3 地形因子LS地形因子指的是坡度因子(S)和坡长因子(L)。坡度因子采用McCool等[20]缓坡公式和Liu等[21]陡坡公式来计算(公式4)；对于坡长因子的计算采用Wischmeier和Smith等[5]提出的经验公式：

(4)

式中：θ为坡度(°);λ为坡长(m);m为可变的坡长指数。

基于研究区30 m分辨率DEM，采用张宏鸣开发的LS-Tool工具计算LS因子值[22-24]，得到研究区的LS因子分布图(图3)。其中，截断因子设置为0.5和0.7，与全国第一次水利普查保持一致。

图3 皖南山区LS因子分布

1.4.4 生物措施因子B生物措施因子指有植被覆盖条件下的土地土壤流失量与同等条件下清耕休闲地的土壤流失量之比，一般介于0～1之间。CSLE将USLE/RUSLE中的植被管理因子C和水土保持措施因子P划分为生物措施因子B、工程措施因子E和耕作措施因子T。参考前人的研究成果[8]，赋予不同土地利用类型的B值(表1)。根据B值，再结合土地利用图生成生物措施因子图(图4)。从图4可以看出，3期生物措施因子空间分布格局基本相同，但在2018年皖南东北地区的生物措施因子B值低于2000年和2010年，这说明植被在增多，能够有效抑制土壤侵蚀发生。

表1 皖南山区不同土地利用类型生物措施因子

图4 皖南山区2000，2010和2018年生物措施因子分布

1.4.5 工程措施因子E工程措施因子是指采取一定工程措施的土地土壤侵蚀量与同等条件下清耕休闲地的土壤侵蚀量之比。由于关于安徽省皖南山区水土保持措施工程因子研究的报道还很少见，需要进一步去研究。因此，本研究工程措施因子默认赋值为1。

1.4.6 耕作措施因子T耕作措施因子是指采取某种耕作措施的土壤流失量与同等条件下没有采取任何耕作措施土壤流失量之比。根据当地人耕作习惯并结合前人研究成果[8]，对不同土地类型进行赋值，水田和旱地赋0.15和0.35，林地、草地和疏林地赋1，水域、居民地和未利用地赋0，得到皖南山区水土保持措施耕作措施因子图(图5)。从图5看出，皖南山区2018年水土保持措施T值比2000年和2010年小，减小的区域主要分布在东北以及长江周边地区，说明这些地区的水土保持措施有明显的成效。

图5 皖南山区2000，2010和2018年耕地措施因子分布

2 结果与分析

将研究区各因子值的栅格图层通过ArcGIS地图代数计算，得到研究区2000—2018年土壤侵蚀等级分布图(图6)。

图6 皖南山区2000，2010和2018年土壤侵蚀等级分布

2.1 皖南山区土壤侵蚀时间变化特征

根据国家水利部发布的《土壤侵蚀分类分级标准(SL190-2007)》，将土壤侵蚀程度划分为微度侵蚀0～500 t/(km2·a)，轻度侵蚀500～2 500 t/(km2·a)，中度侵蚀2 500～5 000 t/(km2·a)，强烈侵蚀5 000～8 000 t/(km2·a)，极强烈侵蚀8 000～15 000 t/(km2·a)，剧烈侵蚀>15 000 t/(km2·a)，得到皖南山区2000，2010和2018年土壤侵蚀统计量结果(表2)。

表2 皖南山区2000，2010和2018年土壤侵蚀模数和各侵蚀强度侵蚀面积

皖南山区2000，2010和2018年的年均土壤侵蚀模数分别为1 554.35，2 518.31，1 737.09 t/(km2·a)，侵蚀强度表现出先增加后减少的趋势，土壤侵蚀状况从2000—2018年经历了两个阶段：第一阶段(2000—2010年)，土壤侵蚀状况恶化，年均土壤侵蚀模数增加了963.96 t/(km2·a)；第二阶段(2010—2018年)，年均土壤侵蚀模数减少了781.22 t/(km2·a)，土壤侵蚀程度减弱。2000年皖南山区水土流失面积达19 098.84 km2，占山区总面积的52.94%，其中轻度土壤侵蚀面积为14 442.93 km2，中度土壤侵蚀面积为2 061.83 km2，强烈及以上的土壤侵蚀面积为2 594.08 km2。2010年土壤侵蚀状况加剧，水土流失面积达22 345.90 km2，占总面积的62.03%，比2000年增长了17.01%，轻度土壤侵蚀面积为14 155.05 km2，中度侵蚀面积为4 509.73 km2，强烈及以上土壤侵蚀面积为3 681.12 km2。2000—2010年土壤侵蚀的变化，主要与2010年的强降雨有关，导致水土流失面积的增加。截止到2018年，水土流失面积为19 977.74 km2，占总面积的55.38%，水土流失面积相比2010年虽有所减少，但仍然要比2000年多。将≥12 mm的降雨量作为侵蚀性降雨，统计得到皖南山区2000年、2010年和2018年年平均降雨量以及年降雨侵蚀力(图7)。年降雨侵蚀力和年均降雨量明显呈现出先上升后下降的趋势，与土壤侵蚀变化一致。2010年年均降雨量为1 367.65 mm，比2000年增长了46.85%，但在2018年减少了21.4%。2000—2018年皖南山区降雨侵蚀力最高分布在西南地区，整体上呈从西南到东北逐渐降低的趋势。

图7 皖南山区2000-2018年年降雨侵蚀力和年降雨量

2.2 皖南山区土壤侵蚀空间变化特征

从土壤侵蚀等级分布图来看，皖南山区2000年、2010年和2018年空间分布格局基本一致。2000年和2010年土壤侵蚀分布与程先富等[8]和赵明松等[9]研究结果相比，土壤侵蚀空间分布格局也基本一致。2000—2010年土壤侵蚀加剧，与赵明松等结论具有一致性。皖南山区地表切割破碎，地形起伏大，土壤侵蚀量也大。侵蚀区域主要分布在西南多山地区，微度侵蚀主要分布在东北区域和黄山市低山丘陵区以及长江周边区域，轻度侵蚀均匀分布在整个皖南地区，中度至极强烈侵蚀主要分布在西南侧多山地区，剧烈侵蚀发生在池州、铜陵东南侧和黄山市周边地区，是水土流失重点防治区域。

统计不同侵蚀强度面积转移矩阵，得到2000—2018年土壤侵蚀强度转移矩阵(表3—4)。2000年向2010年土壤侵蚀强度转移中，微度至极强烈土壤侵蚀强度转移变化明显，其中微度侵蚀向轻度侵蚀转移20.39%，轻度侵蚀向中度侵蚀转移24.23%，中度侵蚀向强烈侵蚀转移45.90%，强烈侵蚀转移不明显，而极强烈侵蚀向剧烈侵蚀转移达到79.47%，表现为低强度等级往高强度等级转移。2010年向2018年土壤侵蚀强度转移中，轻度至剧烈侵蚀向低强度等级转移变化较明显，轻度侵蚀向微度侵蚀转移17.99%，中度侵蚀向轻度侵蚀转移60.34%，强烈侵蚀向中度侵蚀转移74.37%，极强烈侵蚀向强烈侵蚀转移54.36%，剧烈侵蚀向极强烈侵蚀转移36.00%，总体表现为高强度等级往低强度等级转移。从不同侵蚀强度面积转移矩阵来看，2000—2018年先由低强度等级向高强度等级转移，再由高强度等级转向为低强度等级。

表3 皖南山区2000-2010年土壤侵蚀强度转移矩阵 km2

表4 皖南山区2010-2018年土壤侵蚀强度转移矩阵 km2

2.3 不同土地利用类型的土壤侵蚀分布特征

将皖南山区2000—2018年的土壤侵蚀图和土地利用图分别叠加分析，得到研究区不同土地利用类型和土壤侵蚀强度之间的关系(表5)。从土壤侵蚀强度等级来看总体分为两个阶段：从2000—2010年，耕地和林地中度及以上土壤侵蚀面积分别增长了543.66和2 779.98 km2；草地总体呈减少趋势，剧烈侵蚀以下面积减少了730.23 km2，但剧烈侵蚀面积从880.70 km2增至1 596.09 km2。从2010—2018年，耕地和林地中度及以上侵蚀面积分别减少了421.5和2 146.52 km2，草地剧烈以下侵蚀面积增长了580.51 km2，剧烈侵蚀面积从1 596.09 km2减少至998.96 km2。

表5 皖南山区2000-2018年不同土地利用类型的土壤侵蚀强度面积 km2

由此可知，耕地以微度和轻度侵蚀为主，林地以中度及以下侵蚀为主，草地各种土壤侵蚀类型都有，水域、居民地和未利用地主要以微度侵蚀为主，且2000—2018年，水域侵蚀面积变化幅度较小，居民地和未利用地侵蚀面积逐渐增长，分别从2000年的817.1 km2增长到2018年的1 630.81 km2和从2000年的2.09 km2增至2018年的5.87 km2。

3 讨论与结论

(1) 皖南山区2000，2010和2018年均土壤侵蚀模数分别为1 554.35，2 518.31，1 737.09 t/(km2·a)，呈先增后减的趋势。2000—2010年，年均土壤侵蚀模数增加了963.96 t/(km2·a)；2010—2018年，年均土壤侵蚀模数减少了781.22 t/(km2·a)，土壤侵蚀状况得到好转。该土壤侵蚀变化趋势与皖南山区降雨量有关，2000—2018年降雨量先增后减，且2010年降雨量最高达1 367.65 mm。

(2) 土壤侵蚀空间分布格局与前人研究结果基本一致，主要分布在西南山区。微度侵蚀分布在东北地区和黄山市低山丘陵区以及长江周边地区，皖南地区整体呈轻度侵蚀，中度和极强烈侵蚀主要分布在西南山区，剧烈侵蚀分布在池州市和铜陵市东南以及黄山市周边范围。

(3) 2000—2010年皖南山区微度至极强烈向土壤侵蚀高强度转移明显，其中极强烈侵蚀转移到剧烈侵蚀高达79.47%，表现为土壤侵蚀强度向高等级转移。2010—2018年轻度至剧烈表现为向低强度等级转移，最明显为强烈侵蚀向中度侵蚀转移了74.37%，土壤侵蚀强度向低等级转换。

(4) 研究区不同土地利用类型中，耕地以微度和轻度侵蚀为主，林地以中度及以下侵蚀为主，且在2010—2018年耕地和林地中度及以上侵蚀面积在明显减小，说明在水土保持综合治理方面取得了一定的成效。

本研究在评价过程中土壤可蚀性K因子的计算采用的是1∶100万土壤数据来计算，因子精度有待进一步提高。另外，在后续的研究中，将进一步探索皖南山区施行的工程措施，以期为研究区的水土流失综合治理提供技术支撑。