基于RUSLE模型的重庆土地利用变化及土壤侵蚀特征分析

高泗强，刘 琪，罗 歆

(1.北京林淼生态环境技术有限公司，北京 100085； 2.重庆市沙坪坝区农业农村委员会，重庆 400030)

土壤侵蚀是全球土壤退化主要形式和重要环境问题之一[1]，指的是土壤和其母质在水力、风力、冻融及重力等作用下被剥蚀、破坏、搬运及沉积的过程[2]。引起土壤侵蚀变化的因子很多，人类活动可加速土壤侵蚀。土壤侵蚀破坏土地资源、加剧洪涝灾害、造成土壤养分流失并降低肥力和农作物产量[3]。我国土壤侵蚀较严重，据第二次全国土壤侵蚀遥感调查，土壤流失量达49.80亿t[4]，大量土壤流失威胁区域生态安全，开展土壤侵蚀特征研究迫在眉睫。目前，国内对于土壤侵蚀的研究主要集中在时空动态变化特征[5-9]、土壤侵蚀与养分流失特征分析[10-13]、土壤侵蚀驱动力[14]等方面。在土壤侵蚀时空动态变化特征方面，姚昆等[5]采用RUSLE模型、空间叠置和线性回归方程等方法，发现川西南山地区有50%以上区域存在明显土壤侵蚀现象，超95%地区土壤侵蚀程度呈显著好转和未发生改变状态；陈峰等[6]研究发现，微度和轻度侵蚀占云阳侵蚀面积比例80%左右，轻度和中度侵蚀构成50%的全年土壤侵蚀总量，土壤侵蚀分布与海拔、坡度相关性较大；在黄河上游典型区域湟水流域，不同土地利用类型和不同坡度下的土壤侵蚀强度均有所降低，其中耕地的减幅最大，为20.58%[7]。研究尺度主要集中在省域，如宁夏[8]、湖北[9]、云南[10]等。在土壤侵蚀及养分流失特征方面，发现土壤养分及有机质随侵蚀泥沙及地表径流迁移[10]，如：王永平等[11]发现滇南小流域土壤侵蚀强度大小表现为耕地>草地>林地，不同土地利用方式影响土壤养分含量分布和流失量，其中林地土壤养分流失量最小。赵明松等[12]发现安徽省因土壤侵蚀引起的土壤有机碳、全氮、全磷和全钾等养分流失总量为106.6万t/a，土壤养分流失量由北向南逐渐增多。在土壤侵蚀驱动力方面，土地利用/覆被变化引起土壤侵蚀效应主要受人口增长、经济和政策等驱动[14]，如：李益敏等[15]研究发现土地利用类型是福贡县土壤侵蚀的主要影响因子，影响程度大小为土地利用类型>植被覆盖度>年均降雨量>海拔>坡度；姚昆等[16]采用地理探测器和RUSLE模型，发现植被覆盖度、降水和高程是驱动岷江上游地区土壤侵蚀强度空间分布格局形成和改变的主要因素。

重庆市地处三峡库区腹心地带，是长江流域的重要生态屏障。随着经济社会快速发展，土地利用/覆被变化明显，重庆市土壤侵蚀及土壤保持状况也发生明显变化，研究重庆市土壤侵蚀特征及土地利用类型变化对长江流域生态环境建设至关重要。因此，本研究以重庆市为研究对象，采用RUSLE模型，分析2015年重庆市土壤侵蚀特征、县域尺度土壤侵蚀变化特征、不同土地利用类型土壤侵蚀特征，以期为重庆市可持续发展及生态安全提供科学依据。

1 研究区概况

重庆市地处我国西南部，位于长江上游，介于北纬28°10′～32°13′、东经105°11′～110°11′之间，东西长470 km，南北宽450 km，总土地面积8.24万km2，是长江流域重要侵蚀地带和长江上游最大经济中心。地势由南北向长江河谷逐级降低，东南部、东北部海拔高，中部和西部海拔低，东南部紧邻大巴山、武陵山两大山脉，坡地较多。地形以丘陵和山地为主，山地面积占76%，丘陵占22%。海拔500 m以下面积3.18万km2，占总土地面积的38.59%；海拔500～800 m面积达2.09万km2，占25.36%。土壤类型以黄壤和紫色土为主。属中亚热带湿润季风气候区，平均气温18.4 ℃，雨热同期，冬暖春早，夏热秋凉，四季分明。降水较丰富，大部分地区年均1 000～1 350 mm，降水集中在5—9月，占全年总降水量的70%。山地多、坡度大和降雨分配不均等导致土壤侵蚀较剧烈。全市森林覆盖率由直辖初的21%提高至2015年的45%，林木蓄积量由0.72亿m3增加到2.0亿m3，增长178%，林草植被覆盖逐步增加，生态环境明显趋好。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

采用2015年Landsat遥感影像数据(来源于地理空间数据云)，空间分辨率30 m。影像在ENVI中进行裁剪拼接、几何纠正、大气校正等预处理，解译精度达85%以上，符合研究精度要求。将土地利用分类为耕地(水田和旱地)、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6类。土壤数据来源于联合国粮农组织(FAO)和维也纳国际应用系统研究所(IIASA)构建的世界和谐土壤数据库(HWSD)，空间分辨率为1 km[10]。降雨数据来源于重庆市及周边15个气象站2000—2015年逐月降水资料。数字高程模型DEM来自中国科学院地理空间数据云平台，空间分辨率为30 m。

2.2 研究方法

采用RUSLE模型和GIS技术研究重庆市土壤侵蚀空间分布特征。RUSLE模型公式为

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A为单位面积土壤侵蚀量,t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJmm/(hm2ha)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；LS为坡长坡度因子；C为植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。

2.2.1 降雨侵蚀力因子(R)估算

降雨侵蚀力因子(R)反映降雨因素对土壤侵蚀的潜在作用，一般采用简易公式计算。根据史东梅等[17-18]对重庆市降雨侵蚀力计算模型适宜性研究结果，计算公式为

R=0.011 3P1.734

(2)

式中：P为年降雨量，mm。

2.2.2 土壤可蚀性因子(K)估算

土壤可蚀性因子(K)反映土壤承受侵蚀动力剥蚀及搬运的敏感性，计算公式[19]为

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(3)

(4)

式中:KEPIC为修正前的土壤可蚀性因子，thm2h/(MJmm·hm2)；SAN为砂粒含量，%；SIL为粉砂含量，%；CLA为黏粒含量，%；C为有机碳含量，%。

2.2.3 坡度坡长因子(LS)估算

坡度坡长因子反映地形特征对土壤侵蚀的影响，L因子采用WISCHMEIER et al.[20]提出的公式计算；S因子，缓坡采用MCCOOL et al.[21]提出的公式，陡坡(≥14°)采用LIU et al.[22]提出的公式。

2.2.4 植被覆盖与管理因子(C)估算

植被覆盖与管理因子反映地表植被覆盖对侵蚀的阻碍作用，采用赋值法，取值在0～1之间，其中水田取0.12，旱地取0.31，林地取0.02，草地取0.03，其他地类取0[23]。

2.2.5 水土保持措施因子(P)估算

水土保持措施因子反映采用水土保持措施后侵蚀的减小程度，采用赋值法，取值在0～1之间，其中水田取0.01，旱地取0.4，林地取1，草地取0.8，其他地类取0[23]。

3 结果分析

3.1 土壤侵蚀空间分布特征

重庆市2015年土壤侵蚀面积81 019.79 km2，占总面积的98.40%，土壤侵蚀总量20 052.48万t，平均土壤侵蚀模数2 475.01 t/(km2a)。图1为重庆市土壤侵蚀强度分布图，从中可看出，重庆市大部分地区土壤侵蚀强度处于微度侵蚀等级，其次是轻度侵蚀和中度侵蚀等级，强烈及以上侵蚀等级分布面积较小。

表1为重庆市土壤侵蚀特征，由表可知：全市微度侵蚀面积最大，面积占总侵蚀面积的比例为40.76%，侵蚀模数仅为187.55 t/(km2a)，年侵蚀量占总侵蚀量的3.09%；轻度侵蚀次于微度侵蚀，侵蚀面积占比33.76%，侵蚀模数为1 166.74 t/(km2a)，年侵蚀量占总侵蚀量的15.92%；中度侵蚀面积6 939.43 km2，占总面积的8.57%，侵蚀模数3 598.74 t/(km2a)，年侵蚀量占总侵蚀量的12.45%；强烈、极强烈和剧烈侵蚀面积较小，分别占总面积的7.49%、7.27%和2.15%，但三者平均侵蚀模数较大，分别为6 376.32、10 763.01和20 240.65 t/(km2a)，侵蚀量占总侵蚀量的比例达19.29%、31.61%和17.64%。其中剧烈侵蚀的面积仅为1 747.90 km2，占2.15%，但侵蚀量达3 537.87万t/a，其侵蚀量占比达17.64%。总的说来，重庆市土壤侵蚀主要以微度和轻度侵蚀为主，极强烈和剧烈侵蚀量占比较大，需重视极强烈、剧烈等较高侵蚀等级的水土流失防治。

图1 重庆市土壤侵蚀强度等级分布

表1 重庆市土壤侵蚀强度分级特征

3.2 县域尺度土壤侵蚀特征

重庆市不同区(县)土壤侵蚀模数和侵蚀量存在差异(表2)。从侵蚀面积来看，酉阳、奉节、巫溪、彭水县的侵蚀面积较大，分别为5 009.11、4 030.92、3 972.35和3 838.89 km2，占总侵蚀面积的比例分别为6.18%、4.98%、4.90%和4.74%。其中酉阳、奉节和巫溪3县以微度侵蚀为主，其次是轻度侵蚀，无剧烈侵蚀，酉阳微度侵蚀面积占其总侵蚀面积的64.94%。从侵蚀分级来看，微度侵蚀中酉阳、城口、巫溪和奉节县侵蚀面积较大，分别为3 253.02、2 644.54、2 263.77和2 081.32km2；轻度侵蚀中彭水、武隆和丰都等区(县)侵蚀面积较大，分别为2 181.17、1 882.60和1 435.07 km2；中度侵蚀中云阳、开州、万州等区(县)侵蚀面积较大，分别为1 113.40、1 055.79和572.75 km2；强烈侵蚀中丰都、彭水和綦江等区(县)侵蚀面积较大，分别为541.41、472.68和461.72 km2；极强烈侵蚀中江津、合川和垫江等区(县)侵蚀面积较大，分别为544.95、398.05和354.90 km2；剧烈侵蚀中永川、垫江和合川等区(县)侵蚀面积较大，分别为199.70、188.22和151.97 km2。

表2 不同区县土壤侵蚀特征

从侵蚀量占比来看，江津、彭水、合川、涪陵等区(县)的侵蚀量较大，其侵蚀量占重庆市土壤侵蚀总量的比例分别为6.49%、5.23%、4.96%和4.54%，江北、渝中、大渡口、九龙坡等10个区(县)的侵蚀量占比均小于1%。土壤侵蚀量较低区域主要分布在地势平坦、植被覆盖较高的渝中区及渝西地区。从平均侵蚀模数来看，垫江、永川、璧山等区(县)平均侵蚀模数较大，分别为5 977.51、5 810.76和5 158.10 t/(km2a)。这主要是由于这些区域降雨侵蚀力强，地形高差较大，水土保持能力较弱。整体看来，巴南、北碚和璧山等25个区(县)以微度侵蚀为主；丰都、彭水、武隆等11个区(县)以轻度侵蚀为主；永川区微度侵蚀、轻度侵蚀和极强烈侵蚀相差不大，分别占其土壤侵蚀面积的28.57%、27.74%和20.89%；云阳县微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀差异较小，分别占其土壤侵蚀面积的26.87%、37.76%和30.67%。总体上，微度和轻度流失面积比例最大，各区(县)均超过56%。

3.3 不同土地利用类型土壤侵蚀特征

重庆市林地面积占比最大，占土地总面积的40.95%；其次是旱地，占土地总面积的32.05%；之后是水田、草地和建设用地，占比分别为13.66%、9.27%和2.59%。不同土地利用类型受人类活动影响不同，土壤侵蚀特征存在差异。表3为不同土地利用类型土壤侵蚀特征，由表3可知，不同土地利用类型土壤侵蚀强度及面积、侵蚀面积占比、侵蚀量占比存在一定差异。从侵蚀面积来看，旱地和林地侵蚀面积占比较大，分别为31.98%和40.56%，其中：旱地以微度侵蚀为主，其次是轻度侵蚀，分别占旱地侵蚀面积的33.63%和29.10%；林地轻度侵蚀面积最大，其次是微度侵蚀，面积分别为14 008.40和13 448.30 km2，分别占其侵蚀面积的42.63%和40.92%。水域、建设用地和未利用地侵蚀面积较小，侵蚀面积占比分别为1.48%、3.14%和0.01%，三者以微度侵蚀为主，分别占其侵蚀面积的61.18%、72.57%和48.17%；强度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀面积较少，其中剧烈侵蚀面积最少，分别为25.46、57.79和0.26 km2，仅占其侵蚀面积的2.12%、2.28%和2.57%。从侵蚀量占比来看，旱地、林地和水田的较大，分别为44.32%、27.18%和19.14%；水域和未利用地的侵蚀量占比较小，分别为1.29%和0.01%。总的说来，林地、旱地和水田是重庆市侵蚀产沙主要来源地，其他地类侵蚀量较小。

表3 不同土地利用类型土壤侵蚀特征

4 结 论

(1)重庆市土壤侵蚀面积81 019.79 km2，占总面积的98.40%，土壤侵蚀总量20 052.48万t/a，年平均土壤侵蚀模数2 475.01 t/(km2a)；微度侵蚀分布面积最大，面积占比40.76%，其次是轻度侵蚀和中度侵蚀，强烈及以上侵蚀等级分布面积较小。

(2)县域尺度上，酉阳、奉节、巫溪、彭水的侵蚀面积较大，分别为5 009.11、4 030.92、3 972.35和3 838.89 km2；江津、彭水、合川、涪陵的侵蚀量占比分别为6.49%、5.23%、4.96%和4.54%；各区(县)微度和轻度流失面积比例最大，均高于56%。

(3)林地面积最大，占总面积的40.95%，其次是旱地；林地和旱地侵蚀面积占比较大，分别为40.56%和31.98%。水域、建设用地和未利用地三者以微度侵蚀为主，分别占其侵蚀面积的61.18%、72.57%和48.17%，林地、旱地和水田是重庆市侵蚀产沙主要来源地，其他地类侵蚀量较小。