福建富屯溪流域土壤侵蚀量的时空变化及成因

林昕，荆思佳，陈鸿志，叶宏萌,4

（1.福州市气象局，福建 福州 353000；2.衢州市气象局，浙江 衢州 324000；3.武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300；4.福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建 武夷山 354300）

水土流失是全球重点关注的环境问题，威胁着土壤功能和可持续发展[1-2]。目前，国际上重点关注全球水土侵蚀评价[3]、人类活动对水土侵蚀的影响[4]，以及土壤侵蚀与生源要素（碳、氮、磷、硫）循环[2,5-6]等几个方面。同时，有关方面的研究已从定性、半定量到定量，由单一方法、单一手段到多途径、多学科交叉研究[7]。

我国水土侵蚀的大规模研究始于20 世纪50 年代，至今在流失动力、过程、机理、预报与研究方法等方面得到了全面发展，在水土保持和治理措施方面也取得一定的成效[1,7]。从区域角度来讲，已有相关方面的研究主要集中于黄土高原区和东北黑土区等侵蚀严重区域[7-8]，而以轻、中度侵蚀为主的南方红壤丘陵区的有关研究相对不足[4,9]。事实上，南方红壤丘陵区土体及其岩石风化层厚度仅为黄土厚度的2%～10%，土壤承载侵蚀的本底浅薄，“相对流失量”和潜在危害更大[10-11]。因此，加强关注我国南方红壤丘陵区水土侵蚀的进一步研究具有重要意义。

福建省作为中国典型的南方红壤丘陵区，虽然植被覆盖率居于全国首位，但独特的地理位置和气候条件容易导致水土流失的发生[12]，尤其是极端事件下常出现“远看青山在、近看水土流”的现象。降雨是水土流失发生的最主要外部动力条件，不同水文期降雨量的变化直接导致了水土流失的时空分布差异。福建省土壤侵蚀的发生主要以水力侵蚀为主，受不同水文条件的影响极大。因此，以福建省富屯溪流域为研究对象，结合3S 技术及水土流失模型，分析研究区不同水文期（汛期和非汛期）土壤侵蚀量和地表径流量的时空分布特征，以期对闽江流域乃至华东地区的水土保持和生态环境保护提供科学参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

富屯溪是福建闽江流域上游三大支流之一，全长310 km，流经福建省的建宁、泰宁、将乐、顺昌等市县（图1）。该流域位于116°30′～118°11′E、26°21′～27°58′N，总面积13 733 km2，占闽江流域面积的22.51%。流域内雨量充沛，属中亚热带海洋性兼大陆性气候，年均降水量在2 300 mm 左右[13-14]，年日照时数1 700～2 000 h，年平均气温17.6～19.3 ℃，森林覆盖率为60%～70%（图2a）。土壤类型复杂，并呈现地带性分布的特征，以红壤和黄壤为主（图2b）。

图1 研究区域位置示意图Fig.1 Location of the study region

图2 富屯溪流域基础数据分布图Fig.2 Distribution of database of the Futunxi Basin

1.2 数据来源

数据的主要来源为2015 年的Landsat-8 卫星影像数据（分辨率30 m）、Google earth 的数字高程数据DEM（分辨率4 m）、福建省土壤类型矢量图、富屯溪流域2000—2015 年的降雨量数据和有关的水土保持工作资料等。借助ArcGIS 软件的地貌分析和数据转换与分类等功能统一转化为30 m×30 m 的ERSI Grid格式图。此外，遥感影像图预处理使用ENVI 5.2 软件进行图像预处理，得到富屯溪流域土地利用类型图。以上基础数据在流域自然生态环境变化及水文循环过程中起着重要作用，是土壤侵蚀和地表径流量研究的必备基础数据。

2 研究方法

2.1 地表径流量模型

地表径流量（Q）是土壤侵蚀的主要动力因素，文中基于降雨量分布、土壤类型及土地利用类型数据，釆用地表径流SCS-CN 曲线方程。该方法已被应用于水文、水土侵蚀和水质模型中，公式如下：

式中：Q 为地表径流量（mm）；p 为降雨量（mm）；S 为流域饱和出水量（mm）；CN 为地表产流能力。同理，为区别不同水文期，根据汛期（每年4—9 月期间）和非汛期（每年10 月—次年3 月）的降雨量（p）分别计算出对应水文期的地表径流量（Q）的空间数值。其中，CN类型划分一般根据土壤渗透性能和产流能力大小分为四种水文类型：A 类（透水）、B 类（较透水）、C 类（较不透水）和D 类（接近不透水），同时，CN 数值的大小取决于土壤类型、水文条件、前期土壤湿润程度、植被、坡度、土地利用类型及农业耕作方式等综合因素[15]，根据研究区实际调研情况及前人的研究成果综合确定研究区不同土地利用类型土壤的CN 类型和具体数值（表1）。

表1 富屯溪流域不同土地利用类型土壤CN 值Tab.1 CN values of different land use types in in the Futunxi Basin

结合上表绘制出CN 值的空间分布（图3）。

图3 富屯溪流域CN 值分布图Fig.3 Distribution of CN value in the Futunxi Basin

2.2 土壤侵蚀量模型

土壤侵蚀量（A）的计算通常是采用美国通用土壤侵蚀方程（RUSLE 法）进行计算的，该方法在本研究流域运用较为广泛且有根据研究区自然因素的特点对各因子进行修正，让模型更适合该流域进行土壤侵蚀的计算[16-17]：

式中：A 为土壤侵蚀量（t/(km2·a)）；K 为土壤可蚀性因子（t·h/(MJ·mm)）；R 为降雨侵蚀力因子（MJ·mm/(hm2·h·a) ）；LS 为地形地貌因子（无量纲），包括坡度和坡长因子两方面；C 为植被与经营管理因子（无量纲）；P为水土保持因子（无量纲）。

R 值（降雨和径流因子）的计算结合富屯溪流域降雨的特点（收集2000—2015 年的降雨量资料），采用福建省水土保持试验站和福建农业大学提出的以研究区月降水量资料估算福建降雨侵蚀力R 值，该法在闽江流域或者福建省运用广泛[18]。计算公式如下：

式中：R 为全年降雨侵蚀力；Pi为月降水量（mm）。利用ArcGIS 技术处理得到其R 值分布见图4。

图4 富屯溪流域全年R 值分布图Fig.4 Distribution of R value in the Futunxi Basin

K 值除表示土壤对降雨侵蚀的敏感性，还表示降雨所产生的径流量与径流速率的大小，其值一般情况下采用土壤性质来估算，与土壤质地、土壤有机质含量关系密切[19-20]。因而学者们对福建省主要土壤类型的K 值进行统计分析，得出K 值分布（基本在0.17～0.28 之间）[21]。现依据已有的研究成果及户外考察状况，总结归纳得出研究区内土壤类型的K 值分布表。

表2 富屯溪流域各类型土壤的K 值分布Tab.2 K values of each soil type in the Futunxi Basin

利用ArcGIS 技术平台，根据上表中的K 值分布和富屯溪流域土壤类型分布图，处理后得到K 值空间分布图。

图5 富屯溪流域K 值分布图Fig.5 Distribution of K value in the Futunxi Basin

地形地貌因子（LS）作为土壤侵蚀重要的水力因素，其代表着地形条件对水力侵蚀的影响程度，因其是高敏感的因子，运用不同算法得出的LS 数值差距过大。所以通过查阅相关资料，在此选用刘智杰等的经验式进行计算[22]：

式中：λ 为坡长（m）；θ 为坡度（°）。

坡度和坡长的提取以DEM 高程模型生成的坡度图和坡向图为研究基础，采用ArcGIS 的3D 水文分析功能，经栅格像元转换，栅格大小为30 m×30 m，以保证遥感数据监测的空间精度。最终，将坡度和坡长图像叠加，求出的地形因子LS 见图6。

图6 富屯溪流域LS 值分布图Fig.6 Distribution of LS value in the Futunxi Basin

此外，C 值的大小与植被覆盖和土地利用类型有着较高的相关性。当植被不发生侵蚀时，C 值为0；当地面保护良好时，不易产生侵蚀，C 值为0.001；当地面完全裸露时，容易发生侵蚀，C 值为1.0[23-24]。因此，通过查找相关资料[21,25-28]，得出植被覆盖C 值（表3）。

P 值为水土保持措施因子，取值范围在0～1 之间，0 表示不发生侵蚀的地区，而1 表示未实施任何控制措施的地区，查阅相关资料汇总出研究区不同土地利用类型P 值表，详见表3[26,29-30]。

表3 富屯溪流域不同土地利用类型土壤C 值和P 值Tab.3 C values and P values of different land use types in in the Futunxi Basin

根据富屯溪流域不同土地利用类型对应的C 值、P 值和该流域土地利用分布图，得出该流域C 值和P值分布图（图7）。

图7 富屯溪流域C 值和P 值分布图Fig.7 Distribution of C value and P value in the Futunxi Basin

2.3 土壤侵蚀量评价分级

根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》，结合研究区域发生剧烈侵蚀（＞15 000 t/(km2·a)）的情况极少[13-14]，可根据土壤侵蚀量将土壤侵蚀强度划分为五级，详见表4。

表4 土壤侵蚀强度分级标准Tab.4 Classification of soil erosion intensity

3 结果与分析

3.1 不同水文期地表径流量的空间分布特征

图8 为富屯溪流域不同水文期地表径流量的空间分布图。从图8 可以看出，富屯溪流域汛期的地表径流量的空间分布的高值区主要集中在泰宁、将乐、光泽、延平等区县。这主要是因为这些地区为山区，具有海拔高、降雨量丰富和年径流量较大的特点，并且直接受到武夷山脉的影响。富屯溪流域的汛期和非汛期地表径流量分别为781.94 和144.19 mm，基本决定了整体流域发生的地表径流量的数值大小（汛期为770.71 mm，非汛期为122.02 mm）。泰宁县的汛期地表径流量最大，达到870.73 mm，其余县市的汛期地表径流量也都高于778 mm，全都远高于中国多年的地表径流量的平均数（约284 mm）。由此可以看出，地表径流量除了直接受降雨量影响，还与区域地形坡度、地势高差和地表覆被情况有关。非汛期阶段产生的地表径流的空间分布数值整体呈现出由北往南方向递减的趋势。非汛期地表径流量大于300 mm 的县市为顺昌县和邵武市，而泰宁县、将乐县、光泽县、延平区、建宁县的非汛期地表径流量均介于200～300 mm之间。其中顺昌县的非汛期地表径流量最大，数值为302.27 mm，建宁县的非汛期地表径流量最小，数值为213.35 mm。由此可见，同一县市的地表径流量的数值大小在不同水文期存在较大差别，且不同县市的非汛期地表径流的数值大小的对比差异更为突出。

图8 富屯溪流域不同水文期地表径流量空间分布图Fig.8 Distribution of surface runoff amount under different hydrologic periods in the Futunxi Basin

从图9（b）可以看出，富屯溪流域各县市汛期产生的地表径流量占全年地表径流量的总和的百分比范围为72.25%～79.48%。其中，光泽县地表径流量的差异最明显，非汛期的地表径流只占对应全年地表径流总和的20.52%。因此，利用流域地表径流量的年内水文期的分布差异，可以为流域对应的水土保持工作提供重要依据。

图9 富屯溪流域各县市不同水文期地表径流量及其百分比Fig.9 Amount and percentage of surface runoff under different hydrologic periods in the Futunxi Basin

3.2 不同水文期土壤侵蚀的空间分布特征

根据时间将全年划分为两个水文期，分别为汛期（每年4—9 月期间）和非汛期（每年10 月至次年3月），再根据降雨量分别计算出对应水文期的土壤侵蚀量。从图10 可以看出，富屯溪流域汛期土壤侵蚀量的空间分布差异较大，土壤侵蚀呈现出分布面广、相对集中的特点。整体而言，富屯溪流域汛期土壤侵蚀等级以微度为主，占总面积的78.39%；轻度、中度、强度和极强度侵蚀等级的占地面积为总占地面积的百分比依次为17.57%、3.73%、0.27%和0.04%。研究区非汛期土壤侵蚀量的空间分布较汛期的侵蚀强度明显变弱，但是空间的变异与汛期的空间变异分布较为类似，即整体侵蚀呈现了聚集分布的空间分布图式。同时，在非汛期条件下，富屯溪流域以微度侵蚀为主，微度侵蚀的面积占总土地面积的比值最大，数值为87.76%，轻度侵蚀的面积次之，占比为11.96%，而只有极少数的局部区域发生了中度、强度及极强度程度的侵蚀，面积占比分别为0.27%、0.01%和0.001%。

图10 富屯溪流域不同水文期土壤侵蚀量空间分布图Fig.10 Distribution of of soil erosion amount under different hydrologic periods in the Futunxi Basin

为进一步量化和比较研究区各县市的不同水文期土壤侵蚀量，汇总各县市不同水文期发生的土壤侵蚀的定量评估数值和百分比值。如图11（a）所示，研究区流域的各县市在汛期阶段发生的土壤侵蚀量数值大小排序为：将乐县＞顺昌县＞泰宁县＞邵武市＞延平区＞建宁县＞光泽县，非汛期阶段发生的土壤侵蚀量数值大小排序为：顺昌县＞邵武市＞泰宁县＞将乐县＞光泽县＞延平区＞建宁县，研究区域汛期阶段发生的土壤侵蚀量要远高于非汛期阶段。这一结果说明该流域土壤侵蚀量在时空分布上存在差异，同一县市的土壤侵蚀量在不同水文期存在差异，这与研究区域汛期降雨丰富，暴雨冲刷较多有关。将乐县在汛期阶段发生的土壤侵蚀量最大，达293.13 t/(km2·a)。顺昌县在非汛期阶段发生的土壤侵蚀量最大，为143.94 t/(km2·a)，汛期阶段发生的土壤侵蚀量仅次于将乐县，达286.10 t/(km2·a)，说明顺昌县是富屯溪流域土壤侵蚀相对较严重的区域。土地利用类型的差异是造成这两个县市发生相对较严重土壤侵蚀的主要原因。如顺昌县旱地、道路及工矿用地集中，人为扰动大，土壤裸露，抗蚀能力差。汛期仅有光泽县的土壤侵蚀量低于250 t/(km2·a)，为183.17 t/(km2·a)，非汛期为105.73 t/(km2·a)，表明该县土壤侵蚀强度相对较小，这与当地植被覆盖度高有关。富屯溪流域的平均土壤侵蚀量（汛期为229.16 t/(km2·a)，非汛期为117.36 t/(km2·a)）在一定程度上影响闽江整体流域土壤侵蚀量的发生（汛期为244.00 t/(km2·a)，非汛期为104.35 t/(km2·a)）。此外，不同水文期的数值比较还可以看出，汛期的土壤侵蚀量的空间变化差异更加明显，因此，对于汛期的土壤保持与防护工作应根据具体县市的土壤侵蚀情况而区别采取相应的防护措施。

从图11（b）可以看出，富屯溪流域各县市汛期发生的土壤侵蚀量占全年土壤侵蚀量的总和的百分比范围为63.40%～70.62%。其中，延平区在不同水文期发生的土壤侵蚀量差异相较于其他县市更明显，这与延平区的汛期土壤侵蚀动力大有关。结合富屯溪流域非汛期各县市土壤侵蚀量低于150 t/(km2·a)，并只占全年土壤侵蚀量的29.38%～36.60%，说明在关注富屯溪流域不同水文期的水土保持工作时，尤其要注重汛期阶段进行的水土防范工作，并应特别关注延平区的汛期土壤侵蚀防护工作。

图11 富屯溪流域各县市不同水文期土壤侵蚀量及其百分比Fig.11 Amount and percentage of soil erosion under different hydrologic periods in the Futunxi Basin

4 结论

以闽江上游富屯溪流域为研究对象，应用GIS 空间运算分析技术和土壤侵蚀量模型，展开研究区土壤侵蚀量的定量评价，得到如下结论：

（1）富屯溪流域土壤侵蚀量整体以微度侵蚀为主，地表径流量丰富。

（2）研究区汛期地表径流量为781.94 mm，占全年地表径流量的84.43%；对应的土壤侵蚀量为229.16 t/(km2·a)，占全年土壤侵蚀量的66.13%。因此，汛期为研究区水土保持工作的关键时期。

（3）不同县市的水土流失量对比得出，将乐县的汛期土壤侵蚀最为明显，土壤侵蚀量达到293.13 t/(km2·a)，而泰宁县在汛期阶段的地表径流量最大，达到了870.73 mm。虽然研究区是福建省的重点林业区，但是原有的地带性阔叶林较多的被人工林和次生林所代替，水土保持的功能明显下降，导致水土流失面积随植被系统的退化而容易扩大的趋势。尤其是，研究区为山地丘陵地区，地形坡度大，降雨量大且分布集中，水土流失潜在危险性较大的实际情况，因此，不同时空的定量评价，有利于针对性开展流域范围内的水土保持工作。