云南省九大高原湖泊流域水土流失空间特征及影响因子分析

2023-01-10刘晓林金平伟史燕东周瑞鹏吴镇宇张楚然黄海容

人民珠江 2022年12期

王娟，刘晓林*，金平伟，史燕东，周瑞鹏，吴镇宇，张楚然，黄海容

(1.珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站，广东广州 510611；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611)

水土流失是一个全球性的生态环境问题，开展水土流失监测评价工作可为防治水土流失灾害、开展区域水土保持规划、实施水土保持目标责任考核等提供科学依据[1]，是客观反映水土保持治理成效和评价治理效益的基础[2]。水土流失不仅与地形、气候、植被覆盖以及人类活动等密切相关，而且各影响因素之间还存在着一定的交互影响和叠加效应，导致水土流失状况在不同区域存在明显的空间差异性[3]。与美国通用土壤流失方程(USLE)、修正的通用土壤流失方程(RUSLE)等模型相比，中国水土流失方程(CSLE)考虑了中国地貌和水土保持措施的特点，能更好地反映中国土壤侵蚀现状[4]。

云南省九大高原湖泊流域(以下简称“九湖流域”)是全省居民最密集、人为活动最频繁、经济最发达的地区，每年创造的国内生产总值占全省的1/3以上[5]，对云南省的经济发展具有重要意义。云南省九大高原湖泊以构造断陷湖为主[6]，为封闭或半封闭湖泊，造成九湖流域内湖泊水资源流动性差、抗干扰能力弱等特点，导致九湖流域生态系统敏感脆弱的特性。随着经济的快速发展，因自然因素和人为开发活动导致的水土流失严重、不合理开发围垦及水资源利用方式等原因，导致九湖流域相继出现湖泊水位下降、湖泊水质污染、生物多样性收到威胁等现象[7-8]。因此，为实现云南省高原湖泊的生态修复与保护，开展九湖流域水土流失监测和特征分析，各流域通过水土流失治理，从而转变水资源利用方式，维持湖泊水量、恢复湖滨带等，对于九湖流域的水土保持工作和生态环境保护具有重要的意义。然而目前对于九湖流域的研究主要多集中于各别湖泊流域的水土流失情况分析、湖泊面积和水质监测、植被分析、保护与治理等方面[9-11]，对整个九湖流域水土流失监测工作还未有全面的分析研究，相关资料较为匮乏。因此，本文基于CSLE模型，综合采用遥感分析、野外调查和监测点监测数据修正模型相关因子，得到更符合九湖流域实际情况的土壤侵蚀现状分布结果。结合SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》等技术标准，进行九湖流域水土流失特征评价，分析不同土地利用利用类型下影响水土流失的关键因子，查清九湖流域水土流失强度、面积及空间分布状况，以期能为水土流失综合防治决策和生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况

云南省九大高原湖泊分布在滇中、滇南、滇西和滇西北，涉及昆明、玉溪、大理、丽江和红河5个地(州、市)(图1)，分别为滇池、洱海、抚仙湖、程海、泸沽湖(云南部分)、异龙湖、杞麓湖、星云湖、阳宗海，湖泊面积分别约为：297.9、249.0、211.0、77.2、48.5、38.0、36.9、34.7、31.0 km2。九湖位于低纬度中的相对高海拔(1 414～2 690 m)地区，属亚热带气候，流域内雨量相对充沛，干湿季节分明，降雨分布极不均匀，多年平均降雨量为930 mm，占全省多年平均降雨量的19%。九湖均为构造断陷型湖泊，具有东西向窄、南北向长的共有特征[12]。

图1 云南省九大高原湖泊分布位置示意

2 数据与方法

2.1 数据来源

a)遥感影像数据。采用研究区2 m分辨率的高分遥感影像进行土地利用与水土保持措施解译，时相为2021年1月至2021年5月。收集研究区2018—2020年3年的MODIS归一化植被指数(NDVI)产品，MODIS植被产品获取网址为：https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search，用于计算植被覆盖度，时间分辨率为每16天一期，每年23期，通过插值获得24期，空间分辨率为250 m。

b)地形数据。收集研究区1∶5万比例尺数字地形图(DLG)，用于地形坡度分析，计算坡度坡长因子。

c)土壤侵蚀模数计算各因子数据。R因子通过收集九湖流域1986—2015年站点逐日的降雨数据，采用降雨侵蚀力因子计算方法[13]获得；K因子基于第一次全国水利普查中土壤可蚀性栅格空间数据成果(30m分辨率)[14]，依据1∶5万土壤类型分布图，采集典型土壤样品进行理化分析，计算K因子值[15]，并利用径流小区观测数据完成土壤可蚀性K因子修正；L、S基于地形数据，采用符素华等开发的坡度坡长因子计算工具[16]获得；B基于土地利用和植被覆盖计算获得；E根据水土保持措施赋值获得；T根据轮作措施赋值表查找获得。

2.2 土壤侵蚀计算

采用中国土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)计算土壤侵蚀模数[17]：

A=RKLSBET

(1)

式中A——土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R——降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K——土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L、S——坡长和坡度因子，无量纲；B——植被覆盖与生物措施因子，无量纲；E——工程措施因子，无量纲；T——耕作措施因子，无量纲。

将上述7个因子坐标统一后，依据《2021年度水土流失动态监测技术指南》规定，生成10 m分辨率的栅格图层，相乘得到土壤侵蚀模数，具体方法可参考《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》[18]。

2.3 相关因子信息提取及分析方法

a)土地利用。土地利用方式改变了原有地表植被类型、覆盖度和微地形，从而影响土壤侵蚀的动力和抗侵蚀阻力系统，是影响土壤侵蚀最重要的因素。根据土壤侵蚀计算要求，将土地利用分为耕地、园地、林地、草地、建设用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他土地共八大地类进行分析。

b)植被覆盖。地表植被覆盖状况与土壤侵蚀存在着密切的联系，是进行园林草土壤侵蚀模数计算的重要因子。采用归一化植被指数二分法[19]计算得到园林草植被覆盖度，按低覆盖(≤30%)、中低覆盖(30%～45%)、中覆盖(45%～60%)、中高覆盖(60%～75%)和高覆盖(>75%)5个等级进行分级分析。

c)地形坡度。坡度指水平面和局部地表之间的夹角，表示地表面在某点的倾斜程度，在影响土壤侵蚀的因子中，坡度是一个非常重要的因子。基于1∶5万地形图生成30 m分辨率DEM，依据《2021年度水土流失动态监测技术指南》规定，重采样至10 m分辨率后，应用三维空间分析工具提取地形坡度，按照平地(≤5°)、缓坡(5～8°)、中等坡(8～15°)、较陡坡(15～25°)、陡坡(25～35°)和极陡坡(>35°)6个等级进行分级分析。

d)水土流失。将土壤侵蚀模数按照SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》[20]，分为微度(<500 t/(km2·a))、轻度(500～2 500 t/(km2·a))、中度(2 500～5 000 t/(km2·a))、强烈(5 000～8 000 t/(km2·a))、极强烈(8 000～15 000 t/(km2·a))和剧烈(>15 000 t/(km2·a))6个强度等级，并统计轻度及其以上各级土壤侵蚀强度面积之和，即水土流失面积。

e)野外调查验证。建立土地利用类型和水土保持措施等水土流失因子解译标志，复核验证九湖流域水土流失模型计算成果精度。依据SL 592—2012《水土保持遥感监测技术规范》，选取典型耕地、林地、园地、草地和建设用地进行实地验证，现场复核精度为93.27%，说明模型计算结果较贴合九湖流域的实际情况，监测结果是相对合理的。

3 结果分析

3.1 九湖流域水土流失空间特征分析

据统计(表1)，2021年九湖流域水土流失面积共有1 306.92 km2，占土地总面积的16.67%，水土流失面积占比低于云南省流失比例(21.30%)。从侵蚀强度等级方面看，主要以轻度侵蚀为主，轻度侵蚀面积占水土流失总面积的66.89%，占比超过三分之二；其次中度侵蚀面积占水土流失总面积的18.47%；此外，强烈侵蚀面积占水土流失总面积的7.82%；极强烈侵蚀面积占水土流失总面积的4.97%；剧烈侵蚀面积占水土流失总面积的1.86%。总体表现为随着侵蚀强度等级升高，水土流失面积逐渐减小。

表1 2021年云南省九湖流域水土流失分级面积统计单位：km2

九湖流域水土流失空间分布情况见图2，其中洱海流域、程海流域、杞麓湖流域、星云湖流域和阳宗海流域的水土流失面积占比均超过九湖流域均值(16.67%)，分别为19.00%、20.77%、20.43%、17.26%、25.96%。

从不同土地利用类型来看(表2)，林地和耕地是主要发生水土流失的地类，水土流失面积分别占九湖流域水土流失面积的35.69%、31.60%。从各地类不同侵蚀强度等级下的水土流失面积可以得到，园地、林地、草地和交通运输用地主要以轻度侵蚀为主；建设用地主要以轻度和中度侵蚀为主；其他土地水土流失面积较小，不到水土流失总面积的1%。高强度侵蚀主要集中在耕地中，其极强烈和剧烈侵蚀总面积占九湖流域极强烈和剧烈侵蚀面积的82.85%，占比超过四分之三。结合表1可以得到，耕地高强度水土流失主要分布在滇池流域和洱海流域，其次是星云湖流域和抚仙湖流域，是九湖流域中高强度水土流失优先治理的主战场。

图2 九湖流域水土流失空间分布

表2 2019—2021年云南省九湖流域不同土地利用水土流失面积变化统计单位：km2

3.2 九湖流域土地利用特征分析

进一步分析九湖流域中不同土地利用类型下的水土流失特征，统计得到九湖流域2021年各地类面积排序分别为：林地>耕地>水域及水利设施用地>建设用地>草地>园地>交通运输用地>其他土地，各地类占土地总面积的比例分别为45.18%、17.88%、14.25%、10.00%、6.85%、3.19%、2.59%和0.06%，主要以林地为主。具体到不同湖泊分布流域内部的地类分布特征，各湖泊流域的土地利用类型分布特征具有相似性(图3)，林地面积均较高。

图3 云南省九湖流域土地利用面积分布

从各流域内的土地利用面积占比来看，泸沽湖林地比例最大，占泸沽湖流域总面积的59.30%；其次为洱海流域、程海流域，林地占比分别为55.05%、46.57%；而抚仙湖流域林地面积比例最小，只占32.98%。除林地外，耕地在杞麓湖、星云湖和阳宗海等流域占比较高，分别占流域总面积的33.99%、32.84%和24.59%；园地在异龙湖流域占比远高于其他湖泊，占流域总面积高达17.84%；草地在阳宗海流域面积占比较高，达到13.35%；抚仙湖、程海和泸沽湖等流域的水域及水利设施用地面积占比均超过20%；建设用地在滇池、杞麓湖流域占比较高，分别占流域总面积的16.28%和11.33%；其他土地利用类型在九大高原湖泊流域面积占比均小。

利用土壤侵蚀栅格数据叠加土地利用矢量数据，计算各土地利用的平均侵蚀模数，按照SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》将结果分为无水土流失和有水土流失两类，统计分析不同地类下有水土流失地类与各因子的相关性，定量评价影响不同土地利用类型发生水土流失的主控因子，结果见表3。

表3 不同土地利用类型有水土流失区域中主控因子分析

结果得到，S因子和坡度是影响耕地和建设用地发生水土流失的主要因子，在0.01置信水平下均达到0.7以上。由于S因子是基于坡度计算得到，因此可以认为耕地和建设用地的主控因子是坡度。园地、林地和草地主要以B因子影响为主，即植被覆盖度是影响园地、林地和草地水土流失的主要因子。此外，坡度也是影响园地、林地和草地水土流失的主要因子之一。降雨侵蚀力因子R及土壤可蚀性K因子等在九湖流域对各地类水土流失的影响相对较小。因此，针对影响九湖流域各土地利用类型水土流失的主要影响因子展开进一步的分析。

3.3 九湖流域植被覆盖特征分析

统计分析九湖流域不同等级植被覆盖状况(表4)，结果得到九湖流域园林草植被以高覆盖和中高覆盖为主，高覆盖等级植被面积为1 209.40 km2，占植被总面积的27.93%；中高覆盖植被等级面积为1 167.77 km2，占植被总面积的26.97%。其他3个植被覆盖度等级面积占比相差不大，中覆盖等级植被面积占植被总面积的18.21%，中低覆盖等级植被面积占植被总面积的13.39%，低覆盖等级植被面积占植被总面积的13.50%。

表4 云南省九湖流域植被覆盖度面积统计单位:km2

具体到各湖泊流域内的园林草植被分布特征，低覆盖等级植被面积在杞麓湖和异龙湖流域的比重较大，达到20.85%和20.82%；中低覆盖等级植被面积在程海和阳宗海流域的比重较大，达到17.99%和16.68%；中高覆盖植被面积在泸沽湖和杞麓湖的占比较高，分别达到了44.70%和31.38%；高覆盖植被面积在滇池的占比最高，占比为33.14%，抚仙湖和异龙湖的高覆盖植被覆盖面积次之，占比分别达到31.93%和26.14%。

从不同植被覆盖度下的水土流失面积分布来看(图4)，其中各强度等级的土壤侵蚀主要集中在低植被覆盖度区域，且主要以轻度侵蚀和中度侵蚀为主。整体上表现为随着植被覆盖度增加，水土流失面积显著减少。

图4 云南省九湖流域植被覆盖变化与土壤侵蚀面积分布关系

3.4 九湖流域地形坡度特征分析

地形坡度是影响水土流失的主要影响因素之一，从九湖流域的地形特征来看(表5)，坡度小于8°的平坦土地所占比例为45.28%，接近二分之一，说明九湖流域坡度较为平缓；8～25°的坡度占比39.49%，超过三分之一；坡度25°以上陡坡地所占比例为15.23%。

表5 云南省九湖流域地形坡度分级面积统计单位:km2

分析九湖流域不同坡度等级下的水土流失情况(图5)，结果得到九湖流域水土流失面积主要分布在8～25°，其次在25～35°。据统计，大于15°以上的坡度等级上水土流失面积占九湖流域总水土流失面积的82.66%。为此以15°为界进一步分析了各湖泊流域的水土流失情况，得到滇池流域、星云湖流域和杞麓湖流域在小于等于15°和大于15°以上的水土流失面积相差不大；异龙湖流域、抚仙湖流域和阳宗海流域坡度大于15°以上水土流失面积占比在56%～66%；洱海流域、泸沽湖流域和程海流域水土流失主要聚集在大于15°以上坡度等级，占比在68%～78%。