陕西省汉江流域2000-2015年土壤侵蚀时空分异特征研究

张 玉，张用川，陈 林

（重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆400074）

土壤侵蚀是一个十分严重的世界性生态问题，许多国家都遭受着土壤侵蚀带来的生态环境危害，所以土壤侵蚀研究受到国内外学者的广泛关注。土壤侵蚀模型作为预报水土流失、研究土壤侵蚀的重要工具，一直以来都深受国内外专业人士的广泛关注［1，2］。Smith 和Whitt 于1948年第一次提出了概念性的土壤流失方程［3，4］，随后还出现了美国的Knisel创建的CREAMS 模型和美国WEPP水蚀模型，而后还有欧洲的EURISEM 土壤侵蚀模型、紧接着还有澳大利亚学者研究的土壤侵蚀GUEST 模型等［5，6］。从1940年开始，国内的许多学者也开始研究我国的土壤流失［7，8］，在1980年引入了通用土壤流失方程（USLE），1985年美国学者对土壤流失方影响因子的算法进行了修改，得到RUSLE 模型，即修正后的通用土壤流失方程［9］，该方程是当前研究土壤侵蚀应用最广泛的模型。

对于汉江流域的研究，阮舒荷等［10］运用USLE 模型，对汉江中下游的土壤侵蚀进行了研究，结果表明研究区的土壤侵蚀有着集中分布的特点，研究区的东南和西北地区是严重侵蚀集中的地区；刘海等［11］运用GIS和水土流失方程，对丹江口大坝的上下游水土流失进行了分析和探讨，发现汉江流域的水土保持量总体呈现山区高、平原低的分布特征；王志杰、苏嫄等基于遥感和GIS 技术研究了汉江上游的土壤侵蚀［12］，结果表明汉江上游土壤侵蚀主要为轻度侵蚀和中度侵蚀，而且主要发生在低山丘陵地带；汪成博等［13］运用汉江流域的逐日降水数据，用极端降水集中度、趋势检验等方法，分析了汉江流域多尺度降水的特征，发现极端降水集中度在汉江流域呈现西部高东部低的特点，而夏季是最能影响汉江流域极端降水的季节。

目前，对于汉江流域的研究大多围绕气候、降水、生态、南水北调工程等，方法集中在GIS、遥感、通用土壤流失方程等，而对于汉江流域土壤侵蚀的研究较少。本文利用GIS 和RUSLE模型相结合的方法，计算和分析陕西省境内汉江流域的土壤侵蚀模数在不同尺度上的变化特征，在此基础上还统计了流域内各区县的土壤侵蚀状况，查看研究区退耕还林政策的实施效果，探求土壤侵蚀的影响因素，探讨减少土壤侵蚀途径，研究结果可为该流域南水北调、引江济汉等工程，区域生态环境保护与建设提供科学支持，为该地区生态环境保护提供理论依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区是我国陕西省境内的汉江流域（图1），其地形特征主要为两山间有河谷盆地，海拔介于164～3 535 m 之间，南部是巴山、米仓山，北部是秦岭，西边有嘉陵江，研究区南北植被覆盖率高，水流量高，流域面积广阔，整个流域包括31个县。该区域气候受季风影响严重，年平均气温大约在13.5～15 ℃之间，年平均降水在800～1 200 mm 之间，主要集中在夏季和冬季，总体来说该地区气候适宜，四季分明。

1.2 主要数据

本研究使用90m 分辨率DEM 数据（http：//www.Gscloud.cn）计算陕西汉江流域土壤侵蚀的坡度坡长因子和水土保持措施因子，使用流域及其附近区域8 个气象站点2000-2015年逐日降水量数据计算降雨侵蚀力因子，使用1∶500 000 土壤类型图（www.soilinfo.cn/map/index.aspx）计算土壤可蚀性因子，使用250 m 分辨率MODIS NDVI 数据（http：//ladsweb.nascom.nasa.gov）计算植被覆盖因子。各数据分辨率相差较大，因此在进行计算之前，对各类数据进行标准化处理，即将各数据重采样为30 m×30 m的像元。

2 研究方法

RUSLE（修正通用土壤流失方程）模型是美国农业部于1997年在USLE（通用土壤流失方程）的基础上修订和实施的一种适用于更广范围的经验模型［14-15］，本研究采用RUSLE 模型来计算陕西省汉江流域的土壤侵蚀模数，其计算公式如下：

式中：A为土壤侵蚀模数，t/（km2·a）；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

（1）降雨侵蚀力因子（R）反映了降雨强度对土壤侵蚀的作用，是土壤侵蚀的主导因子。对于降雨侵蚀力因子的计算，本研究采用文献［16-18］提出的方法：

式中：Ri为第i年的降雨侵蚀力，（MJ·mm）/（hm2·h·a）；Dj为第j天的侵蚀性降雨量，mm；n为一年中形成侵蚀性降雨的总时间，d；Dd12为降雨量大于等于12 mm/d 的多年平均日降雨量，mm；Dy12为降雨量大于等于12 mm/d 的年平均降雨量，mm；a、b是模型参数。

（2）土壤可蚀性因子（K）反映了不同土壤类型对土壤侵蚀的敏感程度，对于土壤可蚀性因子的计算采用文献［19］提出的计算方法：

式中：M为砂粒的质量分数、F为粉沙粒的质量分数、N为黏粒的质量分数，%；T为土壤有机碳质量分数，%；δ=1-M/100。

（3）坡度坡长因子（LS）反映了地形地貌对于土壤侵蚀的影响，对于坡度坡长因子的计算采用文献［20，21］提出的计算方法：

式中：λ为坡长；α为坡长指数；θ为坡度，%。

（4）植被覆盖因子（C）反映了不同植被覆盖条件下对土壤侵蚀的影响，其计算是采用李天宏等学者［22］提出的计算方法：

式中：c和d分别取值2 和1；NDVIA为AVHRR NDVI数据、NDVIM为MODIS NDVI数据。

（5）水土保持措施因子（P）反映了特定保持措施下对土壤侵蚀的影响，流域内的水土保持措施因子P 的计算难以通过对地表耕作措施的详细调查来获取逐年数据，也难以获取详尽的土地利用类型数据，所以本研究水土保持措施因子的计算采用文献［23］提出的计算方法：

式中：θ为坡度，%。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀模数和各因子计算结果分析

利用ArcGIS 软件，从DEM 中提取流域范围，从该流域的DEM 数据中计算出坡度坡长因子和水土保持因子，对流域内逐日降水量数据进行空间插值，根据公式计算出降雨侵蚀力因子，用土壤类型图计算出土壤可蚀性因子，用MODIS NDVI数据计算出植被覆盖因子，由于计算出的各个因子分布图分辨率相差较大，需对各个因子结果进行重采样，以便于后续土壤侵蚀模数的计算，最后根据RUSLE模型计算出陕西汉江流域的土壤侵蚀模数，对于流域内各因子的计算结果和土壤侵蚀模数计算结果见图2。

由图2 可知，2000-2015年平均降雨侵蚀力因子的范围为2 300.77～4 704.87（MJ·mm）/（hm2·h·a），高值分布于流域的中部而低值分布于流域的东西两侧；土壤可蚀性因子为扩大10 000 倍后的结果，其范围为0.025 9～0.125，高值主要在流域的中部，低值分布于南北两侧；坡度坡长因子的范围为0.01～113.5，高值分布于流域的南北两侧低山丘陵地带，低值分布于流域中部平原盆地；水土保持措施因子的范围为0.2～11.497 2，由于水土保持措施因子是由坡度计算而来，所以其空间分布与坡度密切相关，高值分布于流域内低山丘陵地带，高值分布于流域内平原盆地；2000-2015年平均植被覆盖因子的范围为0.420 2～0.623 6，其分布与植被覆盖水平相反，高值主要分布于流域中部，低值分布于流域南北两侧；2000-2015年平均土壤侵蚀模数范围为0.078 4～120 032 t/（km2·a），高值分布于流域内低山丘陵地带，低值分布于流域中部平原盆地。

图2 土壤侵蚀模数和各因子计算结果Fig.2 Calculation results of soil erosion modulus and various factors

3.2 土壤侵蚀的时间变化过程分析

3.2.1年土壤侵蚀时间变化

计算陕西汉江流域2000-2015年每年的土壤侵蚀模数，作出土壤侵蚀模数的年际变化趋势图（图3）。由图3 可知，2000-2015年年平均土壤侵蚀模数从其线性变化趋势可看到总体呈不显著上升的过程，其年平均线性递增率为20.85 t/（km2·a），且年平均土壤侵蚀模数变化幅度较大。2000-2011年呈波动上升趋势，2011-2015 呈下降趋势，在2011年达到年平均土壤侵蚀模数的最高值，为4 612.52 t/（km2·a），最低值出现在2001年，为1 879.75 t/（km2·a），最高值约为最低值的两倍。其中，2000-2009年，平均土壤侵蚀模数在一定范围内呈波动变化，其中2000-2001年、2003-2004年、2005-2008年为平均土壤侵蚀模数相对下降的阶段，2001-2003年、2004-2005年、2008-2009年为土壤侵蚀模数相对上升的阶段，2011-2012年，平均土壤侵蚀模数又极速下降，之后呈波动下降的趋势，2015年对比2000年，平均土壤侵蚀模数降低。

图3 2000-2015年年平均土壤侵蚀模数变化图Fig.3 Change chart of annual average soil erosion modulus from 2000 to 2015

3.2.2 不同等级土壤侵蚀时间变化过程分析

根据SL 190-96《土壤侵蚀强度分级标准》，将土壤侵蚀强度划分为下表所示的6个等级（表1）。

表1 土壤侵蚀强度分级Tab.1 Classification of soil erosion intensity

在GIS 中根据上述标准对土壤侵蚀进行重分类，再计算出2000-2015年不同强度土壤侵蚀的面积，做出2000-2015年不同等级土壤侵蚀面积的变化趋势图（图4），统计各年份不同等级土壤侵蚀面积占土壤侵蚀总面积百分比，作出各级别土壤侵蚀百分占比图（图5）。

由图4 可知，2000-2015年不同级别的土壤侵蚀面积波动幅度较大，对其做一元线性回归分析后，其中微度侵蚀和轻度侵蚀面积总体呈下降趋势，下降速率分别为31.02 和111.91 t/（km2·a）。2000-2015年微度侵蚀面积在2001年达到最高值，在2005年达到最低值；轻度侵蚀面积在2001年达到最高值，在2011年达到最低值。中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀的土壤侵蚀面积总体呈较弱的上升趋势，上升速率分别为42.43、41.66、42.07 和16.76 t/（km2·a），其中中度侵蚀面积变化波动幅度较小，在2001年达到最低值；强烈侵蚀面积波动幅度较大，在2001年达到最低值，在2011年达到最高值，极强烈侵蚀和剧烈侵蚀波动幅度大，都在2001年达到最低值，2011年达到最高值。从各级别土壤侵蚀百分占比（图5）来看，微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀面积之和占总体的80%左右，即流域内土壤侵蚀的类型主要为微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀，而这三者中轻度侵蚀占比最高，强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积之和占总体的20%左右，即一年内较少发生这几种类型的土壤侵蚀，而这三者中，强烈侵蚀的占比最高。

图4 不同土壤侵蚀等级面积变化过程Fig.4 Area change process of different soil erosion grades

图5 各级别土壤侵蚀百分占比图Fig.5 Percentage of different soil erosion grades

3.3 土壤侵蚀的空间变化过程分析

3.3.1 流域内各区县土壤侵蚀变化分析

对流域内土壤侵蚀模数图选取2000年、2005年、2010年、2015年四期数据进行分析，运用ArcGIS 软件，将四期流域土壤侵蚀模数图分别与流域的行政边界进行相交，再统计出各区县平均土壤侵蚀模数（表2）和各区县2000年、2005年、2010年和2015年土壤侵蚀类型（表3）。

表2 各区县土壤侵蚀模数 t/(km2·a)Tab.2 Soil erosion modulus of each district and county

流域包含30 个区县，2000年土壤侵蚀模数最高的为镇巴县5 580.15 t/（km2·a），最低的为汉台区1 590.11 t/（km2·a）；2005年土壤侵蚀模数最高的为镇巴县5 976.54 t/（km2·a），最低的为汉台区1 432.60 t/（km2·a）；2000-2005年土壤侵蚀模数增加的区县为略阳、镇安、汉阴、柞水、宁强、长安区、宁陕、佛坪、镇巴、石泉、山阳、勉县、周至、旬阳、洋县、留坝、商南、太白、白河、凤县、商州区、镇坪、汉滨区和西乡，土壤侵蚀模数降低的区县为城固、南郑、岚皋、汉台区、平利和紫阳。2010年土壤侵蚀模数最高的为岚皋县5 929.02 t/（km2·a），最低的为汉台区1 630.63 t/（km2·a）；2005-2010年土壤侵蚀模数增加的区县为城固、平利、岚皋、洋县、镇坪、旬阳、紫阳、白河、汉滨区、佛坪、留坝、周至、太白、南郑、凤县、略阳、汉台区、勉县、宁强和商南，土壤侵蚀模数降低的区县为商州区、宁陕、西乡、山阳、长安区、镇巴、柞水、镇安、石泉和汉阴。2015年土壤侵蚀模数最高的为镇巴县3 976.22 t/（km2·a），最低的为商州区1 236.32 t/（km2·a），2010-2015年土壤侵蚀总体降低，除佛坪县外其余区县土壤侵蚀模数均降低，土壤侵蚀模数降低值排名前十的为岚皋、旬阳、城固、镇坪、白河、汉滨区、平利、略阳、镇巴和紫阳。

由表3 可知，2000年、2005年、2010年和2015年土壤侵蚀类型主要为强烈侵蚀、中度侵蚀和轻度侵蚀。2000年强烈侵蚀的区县有1个，中度侵蚀区县有17个，轻度侵蚀的区县有12个；2005年强烈侵蚀的区县有2 个，中度侵蚀的区县有20 个，轻度侵蚀的区县有8个；2010年强烈侵蚀的区县有3个，中度侵蚀的区县有23 个，轻度侵蚀的区县有4 个；2015年中度侵蚀的区县有14个，轻度侵蚀的区县有16个。

表3 2000、2005、2010和2015年各区县土壤侵蚀等级Tab.3 Soil erosion grades of different districts and counties in 2000，2005，2010 and 2015

3.3.2 不同土壤侵蚀强度空间变化

由于陕西省汉江流域面积较大，从整体上不易观察出不同土壤侵蚀强度空间变化特征，所以本文选取西北部样区、东北部样区和东南部样区3 个样区进行空间变化特征分析（样区空间位置见图1）。从2000-2015年等距选取2000年、2005年、2010年和2015年四个年份进行土壤侵蚀空间变化分析（图6）。

由图6 可知，西北部样区、东北部样区和东南部样区3 个样区中其土壤侵蚀东北部样区最高，东南部样区次之，最低的为西北部样区。其中，西北部样区微度侵蚀和中度侵蚀为主要土壤侵蚀类型，2005年的土壤侵蚀对比2000年的土壤侵蚀中度侵蚀减少，轻度侵蚀增加，2010年土壤侵蚀对比2005年的土壤侵蚀其极强烈侵蚀和剧烈侵蚀增多，2015年土壤侵蚀对比2010年总体降低。东北部样区极强烈侵蚀和剧烈侵蚀为主要土壤侵蚀类型，2005年土壤侵蚀对比2000年土壤侵蚀，极强烈侵蚀和剧烈侵蚀增多，而2010年相对于2005年土壤侵蚀强度减少，2015年亦减少。东南部样区微度侵蚀和中度侵蚀为主要土壤侵蚀类型，2005年和2010年都对比上一选样年份土壤侵蚀增加，极强烈侵蚀和剧烈侵蚀增多，2015年对比2010年土壤侵蚀减少。

图6 不同区域不同土壤侵蚀等级空间变化Fig.6 Spatial variation of different soil erosion grades in different regions

4 讨 论

文献［24］中指出，2010年陕西汉江流域平均土壤侵蚀模数为3 466 t/（km2.a），且全国第3次土壤侵蚀调查结果显示，陕西汉江流域平均土壤侵蚀模数为3 460 t/（km2.a），本研究采用的RUSLE模型计算出的土壤侵蚀模数中，2010年平均土壤侵蚀模3 732.80 t/（km2.a），高于文献［24］和全国第三次土壤侵蚀调查结果中平均土壤侵蚀模数约270 t/（km2.a），差别不大。对此，笔者认为可能是由于①DEM 数据分辨率较低，导致计算出的影响因子结果和土壤侵蚀模数结果与实际值有偏差；②本研究在计算水土保持措施因子时采用的是坡度替代的方法，流域内的淤地坝、梯田等水土保持措施未纳入到土壤侵蚀模型计算结果中，导致计算出的土壤侵蚀模数与实际值有偏差。

陕西省从1999年开始实施退耕还林还草工程，并取得了比较好的生态环境效果，使得植被覆盖得到迅速的恢复和增加［25］，王涛［26］的研究结果表明，坡度>25°区域可通过改善该区域植被覆盖来减少土壤侵蚀，但随着土地利用的提高和城市用地的扩展，植被覆盖增加速率减慢，并在未来可能会出现下降的趋势［25］，所以有针对性地退耕还林还草，建立生态保护区依然是未来减少土壤侵蚀的有效措施，而且镇巴、紫阳、岚皋、旬阳、白河和镇坪需予以高度重视，改善区县内土壤侵蚀状况。相对于植被覆盖而言，受降雨影响的侵蚀力因子是土壤侵蚀的控制因子，陕西受季风影响，夏季和冬季易出现侵蚀性降水和暴雨，且近年来呈增加的趋势［27］，但降雨不可控，要减少侵蚀性降雨对土壤侵蚀的影响，可在土壤侵蚀较大地区定点实施水利工程，保持水土。

在进行下一步研究时可改进模型参数，提高RUSLE模型计算的准确性，此外，本文研究的模型中用到的影响因子主要为自然因子，在今后的研究中可以结合人为因子，社会因子，如：耕地变化、建筑用地变化、道路变化、水利工程等全面分析土壤侵蚀变化的影响因素，对其进行更为深入的研究，为政府部门、环保部门等提供理论基础，为未来更好实施退耕还林政策提供方法和措施。

5 结 论

（1）研究区2000-2015年土壤侵蚀模数变化在时间上波动较大，2000-2011年土壤侵蚀模数呈波动上升趋势，在2011年达到最大值，2001年达到最小值，2011-2015年土壤侵蚀模数呈波动下降趋势。在空间上，流域的土壤侵蚀模数的高值主要分布在流域的北部和东南部高山丘陵地带，低值分布在流域的中部平原盆地地区，从区县来看，土壤侵蚀模数的高值主要分布在西乡县的东南部、镇巴、紫阳、岚皋、平利、镇坪、旬阳、镇安、留坝、城固县的北部、佛坪，土壤侵蚀模数的低值主要分布在勉县、南郑、西乡县的北部。

（2）研究区土壤侵蚀按类型划分侵蚀面积占比较高的为微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀，剧烈侵蚀占比最低。就各级别土壤侵蚀变化趋势来看，微度侵蚀和轻度侵蚀呈下降趋势，中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀呈微弱上升趋势，而且各级别土壤侵蚀模数变化波动较大。

（3）从流域内各区县土壤侵蚀模数来看，2000年、2005年、2010年、2015年四年中土壤侵蚀模数排名都为前十的区县有镇巴、紫阳、岚皋、旬阳、白河和镇坪。2000年镇巴县土壤侵蚀模数最高，且为强烈侵蚀，汉台区土壤侵蚀模数最低；2005年镇巴县土壤侵蚀模数最高，汉台区土壤侵蚀模数最低，镇巴县和旬阳县为强烈侵蚀；2010年岚皋县土壤侵蚀模数最高，汉台区土壤侵蚀模数最低，岚皋、旬阳和镇巴为强烈侵蚀；2015年镇巴县土壤侵蚀模数最高，商州区土壤侵蚀模数最低。从各区县土壤侵蚀变化来看，2000-2005年，土壤侵蚀模数增加的区县有24个，土壤侵蚀模数降低的区县有4 个；2005-2010年，土壤侵蚀模数增加的区县有20 个，土壤侵蚀模数降低的区县有10 个；2010-2015年，土壤侵蚀模数总体降低。

（4）从各级别土壤侵蚀分布来看，流域的西北部样区微度侵蚀和中度侵蚀是主要的土壤侵蚀类型，东北部样区极强烈侵蚀和剧烈侵蚀是主要的土壤侵蚀类型，东南部样区微度侵蚀和中度侵蚀是主要的土壤侵蚀类型。 □