基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失评价

陈正发，李 靖，段青松，王 莹，相 彪，宁东卫

基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失评价

陈正发1,2,3，李 靖1,2,3※，段青松1,2，王 莹1,2，相 彪1，宁东卫1,2

（1. 云南农业大学水利学院，昆明 650201；2. 云南省农业节水工程技术研究中心，昆明 650201；3. 云南省高校城乡水安全与节水减排重点实验室，昆明 650201）

定量评估区域坡耕地土壤侵蚀分布规律，是科学制定坡耕地水土流失综合治理规划、开展坡耕地质量建设的基础，然而目前针对省域尺度坡耕地土壤侵蚀和养分流失规律的研究较少。该研究基于GIS空间分析技术和通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE），在模型参数率定与计算精度验证基础上，定量评价云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失特征。结果表明：1）云南省坡耕地土壤侵蚀面积为421.38万hm2，侵蚀总量为376.57×106t/a，占全省土壤侵蚀总量的63.02%，坡耕地是区域侵蚀产沙的主要策源地；坡耕地平均侵蚀模数为7 986.31 t/(km2.a)，总体处于强烈侵蚀等级，剧烈侵蚀、极强烈侵蚀和强烈侵蚀是坡耕地侵蚀产沙的主要来源；不同分区坡耕地侵蚀模数和侵蚀量差异显著，滇西南区侵蚀强度最大，滇东南区侵蚀强度最小。2）随着坡度增加，坡耕地侵蚀面积比例、侵蚀强度、侵蚀量均呈较快增加趋势，土壤侵蚀主要来源于15°～25°、>25°、>8°～15°3个坡度级坡耕地。3）坡耕地流失土层厚度集中分布在0～12 mm/a之间，平均流失土层厚度为7.31 mm/a；耕层更新周期集中分布在20～200 a之间，均值为175.6 a，耕层更新周期-面积分布曲线呈先快速递增，并在某一峰值之后出现快速递减趋势。4）坡耕地养分流失空间分布存在差异性，土壤有机碳、全氮、速效钾、有效磷流失模数分别为223.60、23.94、1.59、0.15 t/(km2·a)，坡耕地养分流失是区域养分流失量的主要来源。研究可为区域坡耕地水土流失治理和坡耕地质量建设提供科学依据。

模型；侵蚀；坡耕地；评价；危险性评价；养分流失；USLE模型；云南省

0 引 言

土壤侵蚀作为全球性环境问题，是全球变化研究的重要组成部分[1]。土壤侵蚀导致土壤退化、土地生产力下降，侵蚀泥沙及其流失养分对水土生态环境造成严重污染[2]。作为耕地资源的重要组成部分，坡耕地是山丘区农业生产的基础性资源，与区域水土生态保护和粮食安全密切相关[3]。受自然条件和人为不合理耕作利用影响，坡耕地土壤侵蚀已成为区域侵蚀产沙和面源污染的重要来源[4]。坡耕地土壤侵蚀过程中伴随着土壤、养分和水分流失，使耕层薄化、结构变差、养分含量减小，最终降低耕地质量。定量评估区域坡耕地土壤侵蚀和养分流失规律，是科学制定坡耕地水土流失整治规划、开展坡耕地质量建设的基础。

目前，国内外土壤侵蚀研究主要集中在侵蚀过程机理和预测模型构建方面，其中预测模型包括经验模型、半经验模型和物理成因模型等。20世纪50年代末，通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）被首次提出[5]，该方程包括土壤侵蚀的六大因子，并在后续研究基础上提出了修正的土壤流失方程（Revised USLE，RUSLE）。USLE/RUSLE模型作为土壤侵蚀预报的经验模型，因其结构简单、使用方便，得到了研究的重视。国内很多学者对基于USLE/RUSLE模型的土壤侵蚀预报也进行了深入研究，并取得了诸多研究成果。例如，张宪奎等[6]在黑龙江省运用USLE建立了侵蚀预测模型，周伏建等[7]基于USLE建立了福建省土壤侵蚀模型，Liu等[8]在USLE模型的基础上建立了中国土壤流失方程（Chinese Soil Loss Equation，CSLE）。基于USLE/RUSLE模型的土壤侵蚀研究既包括坡面尺度、流域尺度[9]，也包含县级区域尺度[10]和省级区域尺度[11]。但模型在不同尺度上使用时，存在尺度效应[12]。此外，受区域尺度土壤侵蚀因子的复杂性影响，目前区域土壤侵蚀精准评价方面还存在不少难题。如何通过模型参数的科学率定实现土壤侵蚀精准预测和尺度转换等，还需深入研究[13]。杨子生[14]最早对基于USLE模型的云南省土壤侵蚀预报模型进行了研究，建立了区域性参数取值表。近年来，一些研究人员基于USLE模型开展了滇西北地区降雨侵蚀力变化[15]、云南省降雨侵蚀力时空分布[16]、降雨侵蚀力计算模型[17]、滇池流域土壤侵蚀时空演变[18]等研究，丰富了USLE模型在云南省土壤侵蚀评估中的研究与应用。

坡耕地作为受人为耕作活动影响较为强烈的土地利用类型，普遍存在侵蚀强度大、土壤保水保土保肥能力差等特点。因此，坡耕地土壤侵蚀机理和养分流失规律一直是国内研究的热点课题。从研究内容来看，坡耕地土壤侵蚀过程的研究主要集中于不同降雨特征[19]、坡度[20]、微地貌特征[21]、耕作管理[22]等条件下坡耕地侵蚀产沙规律、影响因素及侵蚀预报模型上。近年来，坡耕地土壤侵蚀对耕层土壤质量的影响逐渐得到了研究人员的关注[23]。总体而言，现有研究主要集中在坡面或小流域尺度坡耕地土壤侵蚀机理探索及预测模型建立上，对区域尺度坡耕地土壤侵蚀及养分流失时空分布规律方面的研究还较少。作为典型的高原山地区，云南省坡耕分布面积广、坡度大、耕作利用粗放、土壤侵蚀强度大、耕地质量偏低，严重制约了坡耕地生产和生态功能的有效发挥[24]。亟待在区域坡耕地土壤侵蚀和养分流失规律研究基础上，提出坡耕地水土流失综合整治和耕地质量建设规划。基于此，本文基于GIS空间分析技术和USLE模型，在模型参数率定与计算精度验证基础上，定量评价云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失特征，以期为区域坡耕地水土流失综合整治和坡耕地质量建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云南省地处中国西南边陲、云贵高原西南部，国土面积3 809万hm2，处于东亚季风和南亚季风交汇区域。地形分布上表现为北高南低，其中滇西北为云贵高原向青藏高原的过渡带，海拔为全省最高。国土面积84%为山区，丘陵和坝区仅占总面积16%。云南省降雨充沛、河流众多，但在时空上分布严重不均。根据2015年遥感调查数据，云南省林地面积为2 181.56万hm2，草地面积为878.46万hm2，水域面积为34.10万hm2，建设用地面积为29.31万hm2，未利用地面积为21.07万hm2，耕地面积为679.60万hm2。研究表明，云南省坡耕地分布面积为472.55万hm2，占耕地的面积比例为69.79%，坡耕地占耕地的面积比例较大，坡耕地农业生产在区域农业生产活动中具有重要地位[3]。为使坡耕地土壤侵蚀研究与区域农业活动保持一致性，本研究参照《云南省综合农业区划》[25]，将云南省划分为7个分区。云南省高程及坡耕地空间分布详见图1。

1.2 研究方法

1.2.1 USLE模型及因子确定

采用USLE对省级区域坡耕地土壤侵蚀进行评估，USLE方程基本形式如下：

式中为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；为降雨侵蚀力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；为土壤可蚀性因子，(t·hm·h)/ (MJ·mm·hm)；LS为地形因子，其中为坡长因子，为坡度因子，为植被覆盖与管理因子，为水土保持措施因子，均为无量纲因子。

图1 云南省不同分区高程及坡耕地分布

1）土壤可蚀性因子（）

土壤可蚀性因子反映土壤承受侵蚀动力剥蚀和搬运的敏感性，是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要定量化参数。本研究引用杨子生等[14,26]针对土壤可蚀性的研究成果，并将土壤可蚀性值转化为国际制单位，土壤可蚀性因子取值表详见文献[27]。

2）降雨侵蚀力因子（）

降雨侵蚀力因子一般采用简易公式计算，但不同的简易公式计算得到的降雨侵蚀力数值差异较大，需对计算模型的适宜性进行评价。根据陈正发等[28]对云南省降雨侵蚀力计算模型的适宜性研究成果，采用式（2）计算降雨侵蚀力。

3）地形因子（LS）

坡度因子（）和坡长因子（）统称为地形因子，反映地形地貌特征对土壤侵蚀的影响。本研究缓坡地（<14°）坡度因子采用早期USLE中给出的公式计算。

式中为坡度，（°）。

陡坡地（≥14°）地形因子采用刘宝元等[29]基于中国天水、安塞和绥德3个水土保持试验站天然径流小区观测资料提出的计算模型式（4）计算。

坡长因子（）采用USLE模型提出的公式计算。

（5）

式中为坡长值，m；为可变的坡长指数。当<0.57°时，=0.2；0.57°≤<1.72°，=0.3；1.72°≤<2.86°，=0.4；≥2.86°，=0.5。

4）植被覆盖与管理因子（）

植被覆盖与管理因子反映地表有植被覆盖情况下对侵蚀的减小作用，因子取值在0～1，一般通过模型计算法、试验法、赋值法确定因子。本研究采用赋值法获取因子空间分布图。根据杨子生[14]在云南省开展的研究成果，水田因子取值为0.088，旱地取值为0.120，林地取值为0.003，草地取值为0.005，其他土地利用类型取值为1.000。

5）水土保持措施因子（）

水土保持措施因子反映实施水土保持措施后对侵蚀的减小作用，因子取值在0～1，区域尺度一般依据土地利用类型进行赋值。根据赵明松等[11,14]的研究成果，将林地、草地的因子赋值为0.1，旱地赋值为0.35，水田赋值为0.18，其他土地利用类型均赋值为0。

为模拟当前状态下的土壤侵蚀空间分布特征，采用1951—2018年降雨观测资料计算逐年降雨侵蚀力值，取其平均值作为现状降雨侵蚀力值。按照《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007）[30]进行侵蚀强度等级划分。USLE模型计算分析基于ArcGIS 10.2软件进行，分析流程如下：①采用土地利用图和DEM图提取坡耕地分布图；②基于GIS和USLE模型计算得到云南省土壤侵蚀空间分布图；③将坡耕地分布图和云南省土壤侵蚀分布图叠加，提取获得坡耕地土壤侵蚀分布图；④基于坡耕地土壤侵蚀分布图，采用GIS空间分析功能，提取土壤侵蚀面积、侵蚀模数等参数，进而计算侵蚀量、平均侵蚀模数、所占比例等参数。为确保计算精度，计算栅格均统一为30 m×30 m，并将地理空间数据均转化为相同的投影坐标系。

1.2.2 流失厚度计算模型

根据质量守恒原理，可导出土壤流失厚度Δ（mm/a）计算模型为

（6）

式中为自然状态下的土壤容重，g/cm3；为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；10为单位换算系数。

本研究参照《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007）的估算方法，结合对云南省不同土壤类型坡面土壤容重的实测数据变化，土壤容重取值为1.35 g/cm3。

1.2.3 耕层更新周期计算模型

坡耕地在坡面径流的冲刷、剥蚀和搬运作用下，表层土壤不断被侵蚀、搬运，产生坡耕地土壤侵蚀现象。耕层指耕地有效土层的某一深度范围内受耕作活动影响强烈的表层土壤范围，一般为0～25 cm深度范围内的土壤层。随着坡耕地土壤侵蚀作用的持续进行，表层土壤不断流失，在耕作过程中，为了确保耕作活动的正常进行和作物的生长，在耕层土壤厚度基本不变的情况下使耕层不断下移。如此往复下去，最终使原有的耕层土壤流失殆尽。为反映坡耕地耕层厚度变化规律，参照水文学中的水文更新周期的概念，采用耕层更新周期T（a）来描述坡耕地在侵蚀作用下原有耕层土壤完全更新所需要的时间。在耕层厚度不变条件下，T越大，耕层抗侵蚀能力越强，维持坡耕地质量水平的能力也越高；反之，则坡耕地抗侵蚀能力越低，维持坡耕地质量水平的能力也越低。坡耕地耕层更新周期（T，a）采用式（7）计算。

（7）

式中I为坡耕地耕层厚度，cm；Δ为坡耕地流失厚度，mm。

1.2.4 养分流失估算模型

第种养分物质流失量N采用式（8）估算。

式中ER为第种养分的侵蚀泥沙富集系数；W为第种养分在坡耕地耕层土壤中的含量。计算过程中土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）的单位为 g/kg，全氮（Total Nitrogen，TN）的单位为g/kg，有效磷（Available Phosphorus，AP）的单位为mg/kg，速效钾（Available Potassium，AK）的单位为mg/kg。

根据已有研究[27]，土壤有机碳的侵蚀泥沙富集系数分布在1.30～2.33，均值为1.64；全氮的侵蚀泥沙富集系数分布在1.05～2.99，均值为1.95；有效磷的侵蚀泥沙富集系数分布在0.84～1.95，均值为1.34；速效钾的侵蚀泥沙富集系数分布在1.14～2.17，均值为1.67。因此，本研究土壤有机碳、全氮、有效磷、速效钾的侵蚀泥沙富集系数均分别取1.64、1.95、1.34、1.67。

1.3 数据来源

本研究坡耕地空间分布数据来源于文献[3]的研究结果。DEM 数据来源于地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn），数据空间分辨率为30 m。降雨数据来源于均匀分布于云南省的36个国家基本气象站1951—2018年的观测资料。土地利用来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），空间分辨率为30 m，该土地利用数据基于2015年Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。土壤分布图来源于联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）和维也纳国际应用系统研究所（International Institute for Applied Systems Analysis，IIASA）所构建的世界和谐土壤数据库（Harmonized World Soil Database，HWSD），该数据空间分辨率为1 km。耕层厚度、土壤有机碳、土壤养分等空间分布采用2005—2015年云南省土壤测土配方施肥项目中获取的分县数据集[31]，建立全省30 m×30 m的土壤属性空间分布栅格图。该数据集土壤采样及分析按照农业部《测土配方施肥技术规范》[32]要求进行，数据集样点及统计特征见表1。

表1 土壤养分采样点及统计特征

1.4 模型计算精度验证

本研究采用云南省尖山河小流域标准径流小区上的径流泥沙观测数据验证模型计算精度。尖山河小流域位于云南省滇中区抚仙湖流域，多年平均降雨量1 050 mm，雨季6—10月的降雨量占全年总降雨量的75%，年平均径流深300 mm，年均蒸发量为900 mm，土壤类型为红紫泥土和红壤。尖山河小流域土壤、降雨、地形地貌、土地利用等特征在云南省具有较好的代表性，因此本研究采用王克勤等[33]在尖山河小流域5 m×20 m径流小区观测的试验数据，验证模型计算结果的精度。验证过程中，采用USLE模型计算不同土地利用类型径流小区的土壤侵蚀模数，并将计算结果与实测侵蚀模数进行对比，采用计算值与实测值的相对偏差、模型确定系数来评价模型计算结果的精度。经计算，模型在灌草地、坡耕地、次生林小区上的侵蚀预测精度最高，相对误差仅为0.93%，-7.28%，8.48%，梯坪地、人工林小区的预测结果相对误差较大，相对误差分别为16.60%，16.67%。整体上看，模型在5种土地利用类型上的预测相对误差为7.08%，模型确定系数为0.992，较接近于1，表明预测结果整体上比实测值偏大，但总体误差小于10%，说明模型精度相对较高，可基本满足省域尺度坡耕地土壤侵蚀和养分流失评估的精度要求。

2 结果与分析

2.1 坡耕地土壤侵蚀空间分布

模型计算结果显示，云南省坡耕地土壤侵蚀面积为421.38万hm2，占坡耕地面积的89.37%，土壤侵蚀总量为376.57×106t/a，平均侵蚀模数为7 986.31 t/(km2·a)，总体上处于强烈侵蚀等级。图2为云南省坡耕地土壤侵蚀强度空间分布图，从图中可看出，云南省大部分坡耕地土壤侵蚀强度处于中度以上等级，其中又以强烈侵蚀、极强烈侵蚀所占面积比例最高。表2为云南省坡耕地土壤侵蚀强度分级特征。从表中可看出，极强烈侵蚀所占面积最大，面积占比为25.12%，侵蚀模数达10 915.40 t/(km2·a)，侵蚀量占坡耕地总侵蚀量的34.34%；剧烈侵蚀的侵蚀模数最大，侵蚀模数达21 894.07 t/(km2·a)，侵蚀量占坡耕地总侵蚀量的42.18%，剧烈侵蚀是云南省坡耕地土壤侵蚀量的主要来源；强烈侵蚀、中度侵蚀的面积占比分别为16.47%、14.15%，侵蚀模数分别为6 507.17、3 768.65 t/(km2·a)，侵蚀量合计占坡耕地总侵蚀量的20.10%。上述结果表明，极强烈侵蚀、强烈侵蚀和剧烈侵蚀的坡耕地面积比例高、侵蚀量占比大，是云南省坡耕地土壤侵蚀的主导性侵蚀强度等级，也是坡耕地侵蚀泥沙的主要来源。

图2 云南坡耕地土壤侵蚀强度等级空间分布

表2 云南坡耕地土壤侵蚀强度分级特征

表3为坡耕地土壤侵蚀与全省土壤侵蚀的对比。在水土侵蚀领域，侵蚀模数在 0～500 t/(km2·a)之间时，该区域为无明显侵蚀区域，一般不计入侵蚀面积，但侵蚀量的计算需要计入[18]，因而本文侵蚀面积计算不计入微度侵蚀面积。剔除微度侵蚀面积后，云南省土壤侵蚀面积为1 835.92万hm2，侵蚀面积比例为48.07%，平均侵蚀模数为1 564.59 t/(km2·a)，坡耕地平均侵蚀模数、侵蚀面积比例均显著大于全省均值。坡耕地土壤侵蚀面积为421.38万hm2，仅占全省侵蚀面积的22.95%，但侵蚀总量却高达376.57×106t/a，占全省侵蚀总量的63.02%。该结果表明，尽管侵蚀面积比例较小，但坡耕地土壤侵蚀却是云南侵蚀泥沙的主要来源。此外，从表中还可看出，坡耕地发生剧烈侵蚀、极强烈侵蚀、强烈侵蚀的面积占全省剧烈侵蚀、极强烈侵蚀、强烈侵蚀的面积比例分别为86.15%、87.79%、87.51%，这三个侵蚀强度对应的侵蚀量占全省侵蚀量的比例分别为85.95%、87.70%、87.71%，表明云南省剧烈侵蚀、极强烈侵蚀、强烈侵蚀主要发生在坡耕地上，坡耕地利用过程中导致的剧烈侵蚀、极强烈侵蚀和强烈侵蚀是云南省侵蚀泥沙的主要来源。

表3 坡耕地土壤侵蚀与全省土壤侵蚀比较

表4为不同分区全区域范围和坡耕地土壤侵蚀分布特征，从表中可看出，不同分区坡耕地侵蚀量从大到小的顺序依次为滇西南区、滇中区、南部边缘区、滇西区、滇东北区、滇东南区、滇西北区，而坡耕地土壤侵蚀模数从大到小的顺序依次为：滇西南区、南部边缘区、滇西北区、滇西区、滇东北区、滇中区、滇东南区。无论是全区域范围还是坡耕地，滇西南区的侵蚀量、平均侵蚀模数均为最大，表明滇西南区土壤侵蚀相对较为严重，平均侵蚀模数达10 756.40 t/(km2·a)，处于极强烈侵蚀等级，侵蚀量占比为69.45%，坡耕地土壤侵蚀是滇西南区侵蚀泥沙的主要策源地。滇中区侵蚀量仅次于滇西南区，平均侵蚀模数为5 780.84 t/(km2·a)，处于强烈侵蚀等级，土壤侵蚀量占比60.26%，坡耕地土壤侵蚀也是滇中区侵蚀泥沙的主要策源地。滇西北区坡耕地土壤侵蚀量最小，但侵蚀模数较大，坡耕地侵蚀模数为9 280.04 t/(km2·a)，处于极强烈侵蚀等级。上述结果表明，云南省7个分区坡耕地土壤侵蚀模数、侵蚀量差异较大，各分区侵蚀强度以强烈侵蚀和极强烈侵蚀为主；除滇西北区外，其他6个分区坡耕地土壤侵蚀均为分区内侵蚀产沙的主要来源。

2.2 坡度对坡耕地土壤侵蚀的影响

坡度是影响坡耕地土壤侵蚀的重要因素，在坡度因子的作用下，不同坡度分级坡耕地土壤侵蚀过程和侵蚀退化强度存在差异，导致坡耕地土壤侵蚀模数存在较大差异。表5为不同坡度分级坡耕地平均侵蚀模数变化。从表中可看出，>25°坡耕地的平均土壤侵蚀模数最大，侵蚀模数达17 080.09 t/(km2·a)，处于剧烈侵蚀等级；3°～5°坡耕地平均土壤侵蚀模数最小，仅为1 435.52 t/(km2·a)，处于轻度侵蚀等级。上述结果表明，随着坡度分级的增加，云南省坡耕地平均侵蚀模数也呈显著增加趋势，对应的侵蚀强度等级从轻度侵蚀向剧烈侵蚀演变，坡耕地侵蚀性退化强度也随之增大。

在坡度因子作用下，不同坡度分级坡耕地侵蚀面积比例也存在差异。表6为不同坡度坡耕地侵蚀面积变化。总体来看，随着坡度分级增大，云南省坡耕地侵蚀面积比例随之增加；>15°～25°坡耕地侵蚀面积比例最大，所占面积比例为35.03%；3°～5°坡耕地侵蚀面积占比最小，面积占比仅为7.63%；从表中可看出，区域坡耕地土壤侵蚀面积主要集中在>15°～25°、>8°～15°两个坡度等级上，其他坡度分级的侵蚀面积相对较小。此外，不同坡度坡耕地主导的侵蚀强度存在差异，3°～5°、>5°～8°坡耕地侵蚀面积最大的等级均为轻度侵蚀，>8°～15°坡耕地以中度侵蚀和强烈侵蚀为主，>15°～25°坡耕地土壤侵蚀以极强烈侵蚀为主，>25°坡耕地土壤侵蚀则以剧烈侵蚀、极强烈侵蚀为主。这一结果表明，随着侵蚀强度等级的增加，占主导的坡耕地坡度分级也随之增加。

表4 不同分区坡耕地土壤侵蚀特征

表5 不同坡度分级坡耕地土壤侵蚀模数

表6 不同坡度分级坡耕地土壤侵蚀面积及各级侵蚀面积占比

表7为不同坡度坡耕地侵蚀量变化，总体来看，随着坡度分级的增大，坡耕地侵蚀量占比随之增加；>15°～25°坡耕地侵蚀量占比最大，侵蚀量占比为45.70%；3°～5°坡耕地侵蚀量占比最小，侵蚀量占比仅为1.59%；坡耕地土壤侵蚀量主要来源于>15°～25°、>25°、>8°～15°坡耕地上，这3个坡度分级也成为云南省坡耕地土壤侵蚀治理的重点。从不同坡度分级侵蚀量分布来看，3°～5°坡耕地侵蚀量最大的侵蚀强度等级为轻度侵蚀，侵蚀量为2.97×106t/a。>5°～8°坡耕地侵蚀量最大的侵蚀强度等级为中度侵蚀，侵蚀量为5.64×106t/a。>8°～15°坡耕地侵蚀量最大的侵蚀强度等级为极强烈侵蚀，侵蚀量为31.52×106t/a。>15°～25°、>25°坡耕地侵蚀量最大的侵蚀强度等级均为剧烈侵蚀；其中，>15°～25°坡耕地侵蚀量达到78.82×106t/a；>25°坡耕地侵蚀量也较大，侵蚀量达到63.72×106t/a。

表7 不同坡度分级坡耕地土壤侵蚀量及各级侵蚀量占比

2.3 流失厚度变化特征

有效土层厚度、耕层厚度是坡耕地质量的重要影响因子之一，一定范围的有效土层厚度和耕层厚度是维持良好坡耕地质量的基础条件。从坡耕地流失厚度计算结果来看，土壤侵蚀导致的流失厚度集中分布在0～36 mm/a之间，平均流失厚度为7.31 mm/a，为全省范围平均流失厚度的6.14倍，这表明坡耕地侵蚀性流失厚度总体较大。图3为坡耕地不同流失厚度对应的面积及比例变化。从图中可看出，随着坡耕地侵蚀性流失厚度增加，对应的面积占比表现为先递增、后减小的变化趋势；大部分坡耕地流失厚度分布在0～12 mm/a之间，分布面积为386.68万hm2，占坡耕地总面积的82.18%。在10个流失厚度分级范围中，流失厚度处于2～6 mm/a范围的面积分布最广，面积比例为31.79%；流失厚度在0～2、6～9 mm/a范围的坡耕地分布面积也较大，所占面积比例分别为19.11%、19.16%；其余流失厚度范围面积占比均小于12.12%。流失土层厚度≥9 mm/a的坡耕地面积比例达29.94%，这部分坡耕地的坡度较大（一般坡度大于15°）、土壤侵蚀和养分流失严重，发生极强烈及以上等级的侵蚀，侵蚀作用下土壤养分贫瘠，土壤保水保土能力较差，影响了坡耕地生产力水平的有效发挥，是坡耕地水土流失综合整治的优先区域。

耕层更新周期表征坡耕地在人为加速侵蚀作用下耕层更新所需的年限，可反映坡耕地抗侵蚀能力。耕层更新周期越大，表明坡耕地耕层更新所需要的年限越长，其抗侵蚀能力也越大；反之，则抗侵蚀能力越小。耕层更新周期计算结果表明，云南省不同区域坡耕地耕层更新周期差异较大，耕层更新周期集中分布在20～200 a之间，均值为175.6 a。坡耕地耕层更新周期-面积分布曲线可直观反映区域坡耕地耕层更新周期对应面积的分布特征。图4为坡耕地耕层更新周期-面积分布曲线，从图中可看出，耕层更新周期-面积分布曲线呈现出先快速递增，并在达到某一峰值之后呈现快速递减趋势，之后随着潜在耕层更新周期的增加，分布面积仅呈较小幅度变化。此外，从图中还可看出，在T∈（0,17 a]区间内，随着T的增大，分布面积增大很快；在T=17 a处产生分布面积的峰值为1 133.60 km2，表明这部分坡耕地耕层更新周期为17 a。T>17 a范围内，随着T的增加，分布面积呈快速递减趋势；其中，在T∈(17 a,76 a]区间内，分布面积递减较为迅速；在T>76a范围内，分布面积递减速率减小。在坡耕地水土流失综合整治工程实施过程中，耕层更新周期小于50 a的坡耕地可作为优先整治区。

图3 不同流失厚度范围分布面积及所占比例

2.4 坡耕地养分流失特征

坡耕地耕层养分在水土流失过程中伴随着侵蚀泥沙和地表径流迁移，一方面作为农业面源污染的重要来源，另一方面则减小耕层养分含量。计算结果表明，受坡耕地土壤侵蚀强度、土壤养分含量差异性的影响，坡耕地养分流失空间分布存在显著差异。表8为云南省坡耕地养分流失量统计特征，从表中可看出，在4种养分中，坡耕地土壤有机碳（SOC）年流失总量、平均流失模数均最大，年流失总量为1 54.18万t/a，平均流失模数为223.60 t/(km2·a)，流失量占比达57.82%。全氮（TN）年流失总量和平均流失模数仅次于SOC，年流失总量为112.87万t/a，平均流失模数为23.94 t/(km2.a)，流失量占比为53.53%。速效钾（AK）流失量和流失模数次于全氮（TN），年流失总量为7.46万t，平均流失模数为1.59 t/(km2·a)，年流失总量和平均流失模数均大于有效磷（AP），流失量占比为58.68%。有效磷（AP）年流失总量和平流失模数最小，年流失总量仅为0.70万t/a，平均流失模数为0.15 t/(km2·a)，流失量占比为56.52%。上述分析表明，降雨侵蚀驱动下的云南省坡耕地养分流失负荷总体较大，坡耕地养分流失模数是全省平均流失模数的4.34～5.50倍，坡耕地养分流失量占比均超过了50%，坡耕地养分流失是区域养分流失量的主要来源，也成为坡耕地质量退化的重要原因之一；在坡耕地水土流失综合整治中，除传统的侵蚀阻控措施外，还应充分考虑养分流失的削减作用。

图4 坡耕地耕层更新周期-面积分布曲线

表8 云南省坡耕地养分流失特征统计

3 讨 论

3.1 不同尺度坡耕地土壤侵蚀格局

土壤侵蚀作为自然和人为因素共同作用下的复杂生态过程，具有时空尺度特征[34]。从空间尺度上来看，土壤侵蚀分布具有空间异质性[35]。坡耕地作为山丘区特殊的景观单元和土地利用类型，无论在坡面尺度、流域尺度，还是区域尺度上，均与该尺度土壤侵蚀过程密切相关。在坡面尺度，坡耕地作为人类耕作活动影响最为强烈的土地利用类型之一，其坡度较大，土壤理化性质、地表覆盖易受人为耕作过程影响，导致坡耕地土壤侵蚀强度大、保水保肥能力差。其他侵蚀因子一致的条件下，坡耕地土壤侵蚀模数往往大于其他土地利用类型，坡耕地也成为水土生态环境治理的重点对象[23]。在流域尺度，基于“源/汇”的土壤侵蚀空间景观格局研究表明，坡耕地作为典型的侵蚀“源”景观单元，具有较强的土壤侵蚀危险性[36]。坡耕地作为侵蚀泥沙的主要来源，流域内坡耕地景观格局演变与流域侵蚀产沙过程密切相关[37]。中国东北黑土区典型小流域顺坡垄作坡耕地面积比例与土壤侵蚀模数显著正相关，坡耕地空间格局对小流域水土流失产生显著影响[35]。在云南省滇中区，坡耕地是小流域集水区水土流失量增加的直接影响因素[38]。相对于坡面尺度和流域尺度，区域尺度因其组成地理单元的复杂性、自然和人为因子对侵蚀过程影响的非线性等特征，导致对区域土壤侵蚀的模拟更为困难。因此，目前针对区域尺度（特别是省域尺度）坡耕地土壤侵蚀格局及演变研究成果报道还相对较少。在区域尺度，由于坡面、流域是组成区域地理空间的基本单元，在坡耕地土壤侵蚀的“坡面→小流域→大流域→区域”空间尺度传导作用下，坡耕地土壤侵蚀对区域土壤侵蚀格局同样有着重要影响。云南省作为全球同纬度地带生物多样性保存最完好的地区，生态环境质量总体较好，但近年来受人为加速侵蚀的影响，部分区域土壤侵蚀有进一步加剧的风险[27]。从本研究来看，尽管坡耕地侵蚀面积仅占全省侵蚀面积的22.95%，但侵蚀量却占全省的63.02%，说明坡耕地土壤侵蚀是区域侵蚀泥沙的主要来源，坡耕地成为云南省水土流失治理的优先区域。由于侵蚀因子的复杂性和侵蚀地理单元及耦合作用的非线性，区域尺度坡耕地土壤侵蚀时空格局演变规律方面还有待进一步深入研究。

3.2 区域尺度坡耕地土壤侵蚀防治途径

具有一定的坡度属性是坡耕地区别于其他耕地类型的本质特征。与其他耕地类型相比，坡耕地地表径流、入渗等水文过程存在显著差异，致使坡耕地土壤侵蚀严重、抵御干旱能力差、土地生产力低下[23]。坡耕地耕层土壤是维持坡耕地地力水平的物质基础，土壤通过自身的再生恢复作用，使土壤流失速率与成土速率处于动态平衡状态，从而维持坡耕地生产力[39]。土壤侵蚀速率一旦超过成土速率，最终使水土生态环境处于失衡状态。根据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL90—2007）提出的西南土石山区土壤允许流失量标准，云南省大部分坡耕地土壤侵蚀速率远大于土壤恢复能力（也即土壤允许流失量）。而这一状态的长期持续最终会使坡耕地耕层土壤流失殆尽，加剧坡耕地质量退化过程。坡耕地作为云南省耕地资源的重要组成部分，其土壤侵蚀和养分流失不仅使区域水土生态保护面临考验，还对区域粮食安全、农村经济社会发展产生重大影响[3]。坡耕地水土流失治理的目标是通过各种措施体系的科学配置，使土壤侵蚀速率小于允许流失量，维持较高坡耕地质量水平和良好的水土生态环境。针对云南省坡耕地坡度分级特征，在区域坡耕地水土保持生态环境治理规划中，>25°坡耕地应全面实施退耕还林还草措施，15°～25°陡坡耕地应推广坡改梯工程、坡面水系工程、水土保持耕作措施、优化种植制度、布设植物篱等治理措施，8°～15°坡耕地则应实施水土保持耕作措施和优化种植措施，坡度小于8°坡耕地应重点实施水土保持耕作措施。

区域坡耕地土壤侵蚀作为人为作用下的生态退化过程，其治理过程包括多方面措施。区域坡耕地土壤侵蚀治理应从区域坡耕地分布及利用特征出发，充分考虑坡耕地土壤侵蚀过程的自然和人为因素差异性，以坡耕地土壤侵蚀控制和耕地质量提升为目标，以坡耕地合理耕层构建为突破口，实施“水-土-作物”综合调控技术模式，综合实施耕作措施、坡面径流调控措施、林草措施、土壤培肥措施和优化种植模式等措施体系，建立坡耕地整治的常态化政策支撑和技术支持模式，综合实施从坡面到流域，从流域到区域的水土保持生态环境治理综合措施体系，以实现区域尺度坡耕地水土流失综合整治和耕地质量建设目标。

4 结 论

1）云南省坡耕地土壤侵蚀面积仅占全省侵蚀面积的22.95%，但侵蚀量却占全省侵蚀量的63.02%，坡耕地成为区域侵蚀产沙的主要策源地；坡耕地平均侵蚀模数为7 986.31 t/(km2·a)，总体处于强烈侵蚀等级，剧烈侵蚀、极强烈侵蚀和强烈侵蚀是坡耕地侵蚀产沙的主要来源；不同分区坡耕地侵蚀模数和侵蚀总量差异显著，滇西南区的侵蚀强度为七个分区中最大，滇东南区则最小。

2）随着坡度增加，坡耕地平均侵蚀模数呈快速增加趋势，对应的侵蚀强度等级从轻度侵蚀向剧烈侵蚀演变。3°～5°、>5°～8°坡耕地以轻度侵蚀为主，> 8°～15°坡耕地以中度侵蚀和强烈侵蚀为主，>15°～25°坡耕地以极强烈侵蚀为主，>25°坡耕地则以剧烈侵蚀、极强烈侵蚀为主，土壤侵蚀量主要来源于>15°～25°、>25°、>8°～15°这3个坡度级坡耕地。

3）坡耕地流失土层厚度集中分布在0～12 mm/a之间，平均流失土层厚度为7.31 mm/a；耕层更新周期集中分布在20～200 a之间，均值为175.6 a，耕层更新周期-面积分布曲线呈现出先快速递增，并达到某一峰值之后快速递减，之后随着耕层更新周期的增加，分布面积呈较小幅度的变化。

4）坡耕地养分流失空间分布存在差异性，坡耕地土壤有机碳、全氮、速效钾、有效磷的流失模数分别为223.60、23.94、1.59、0.15 t/(km2·a)，是全省平均流失模数的4.34～5.50倍，坡耕地是云南省养分流失量的主要来源。

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Evaluation of soil erosion and nutrient loss of slope farmland in Yunnan Province using USLE model

Chen Zhengfa1,2,3, Li Jing1,2,3※, Duan Qingsong1,2, Wang Ying1,2, Xiang Biao1, Ning Dongwei1,2

(1.,,650201,; 2.,650201,; 3.,650201,)

Slope farmland is one of the most important parts of cultivated land resources for agricultural production in mountain and hilly areas. The type of land resource is also closely related to regional water and soil ecological protection, even food security. Among them, the soil erosion of slope farmland has been one of the most serious sources of regional erosion and non-point source pollution, due to the natural conditions and man-made unreasonable utilization. Particularly, soil erosion is generally accompanied by the loss of soil, nutrients, and water in the sloping farmland. As such, the thinner arable layer can reduce the nutrients of soil structure and the quality of cultivated land. It is a high demand for the quantitative evaluation of the distribution of soil erosion in the regional sloping farmland, particularly for the decision-making on the soil and water loss for the high-quality slope farmland. However, there are only a few studies on soil erosion and nutrient loss of slope farmland at the provincial scale at present. In this study, the Universal Soil Loss Equation (USLE) model was selected to quantitatively evaluate the characteristics of soil erosion and nutrient loss of sloping farmland in Yunnan Province of China. The GIS spatial analysis was also carried out to verify the parameters and accuracy of the model. The results showed that: 1) The soil erosion area of slope farmland accounted for only 22.95% of the total erosion area, but the amount of erosion was as high as 376.57×106t/a, accounting for 63.02% of the total erosion in Yunnan Province. The slope farmland was the main source of erosion and sediment yield in the study area. The average erosion modulus of slope farmland was 7 986.31 t/ (km2. a) at the level of strong erosion. Severe erosion, extremely strong erosion, and strong erosion were the main sources of erosion and sediment yield of slope farmland. 2) The average erosion modulus of slope farmland increased rapidly with the increase of slope gradient. Correspondingly, the erosion intensity grade evolved from mild to severe erosion. The 3°-5° and 5°-8° slope farmland were mild erosion, the 8°-15° slope farmland was moderate and strongly erosion, the 15°-25° slope farmland was very strongly erosion, and the >25° slope farmland was the severe and very strongly erosion. The amount of soil erosion was often from the 15°-25°, the >25°, and the 8°-15° slope farmland. 3) The thickness of the lost soil layer in the sloping farmland was concentrated between 0 and 12 mm/a, and the average value was 7.31 mm/a. The renewal cycle of the cultivated layer was concentrated between 20 and 200 a, with an average of 175.6 a. The area distribution curve of the cultivated layer renewal cycle showed a rapid increase at first, then decreased rapidly after reaching a certain peak, and finally changed slightly with the increase of the cultivated layer renewal cycle. 4) There were some differences in the spatial distribution of nutrient loss in the sloping farmland. The loss modulus of Soil Organic Carbon (SOC), Total Nitrogen (TN), Available Potassium (AK), and Available Phosphorus (AP) in the sloping farmland were 223.60, 23.94, 1.59, and 0.15 t/(km2·a), respectively, which was 4.34-5.50 times of the whole province. Therefore, the sloping farmland can be the main source of nutrient loss in Yunnan Province of China. The research can also provide the scientific basis to control the soil and water loss for the high quality of regional slope farmland.

models; erosion; slope farmland; evaluation; risk assessment; nutrient loss; USLE model; Yunnan Province

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.014

S715.3

A

1002-6819(2022)-16-0124-11

陈正发，李靖，段青松，等. 基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失评价[J]. 农业工程学报，2022，38(16)：124-134.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.014 http://www.tcsae.org

Chen Zhengfa, Li Jing, Duan Qingsong, et al. Evaluation of soil erosion and nutrient loss of slope farmland in Yunnan Province using USLE model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 124-134. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.014 http://www.tcsae.org

2022-04-05

2022-08-10

云南省基础研究专项面上项目（202201AT070272）；云南省教育厅科研项目（2022J0303）；云南农业大学引进人才科研启动项目（KY2022-29）

陈正发，博士，讲师，研究方向为水土生态工程、水土资源高效利用与保护。Email:chenzhengfa2013@126.com

李靖，教授，研究方向为智慧农业水利。Email: li_jing69@163.com

中国农业工程学会会员：陈正发（E042500009M ）