基于CSLE模型的南、北盘江流域水土流失定量分析评价
2024-03-26刘晓林史燕东曾小磊黄海容尹斌
刘晓林 史燕东 曾小磊 黄海容 尹斌
摘要：水土流失定量評价可为防治水土流失灾害和开展生态环境建设提供科学依据。以多源遥感影像为信息源，基于ArcGIS平台的空间分析与数据管理等功能，获取南、北盘江流域土地利用、植被覆盖、地形坡度等数据，应用中国土壤流失方程（CSLE）计算土壤侵蚀模数，得到南、北盘江流域水土流失监测成果。结果表明，2021年南、北盘江流域水土流失面积共23 966.97 km2，以轻度侵蚀强度为主，流域东北部水土流失较西南部严重；水土流失主要发生在耕地、林地和草地，占总水土流失面积比例达90%以上，各等级园、林、草植被覆盖度均以轻度和中度侵蚀水土流失为主，整个区域水土流失主要发生在6～35°的坡度等级上。整体而言南、北盘江局部区域水土流失问题仍然突出，需以预防和治理相结合的手段改善该区域水土流失状况。
关键词：水土流失；CSLE模型；南、北盘江流域
中图分类号：S157.1文献标识码：A文章编号：1001-9235（2024）02-0069-08
Quantitative Assessment of Soil and Water Loss in the Nanpan and Beipan River Basins Based on CSLE Model
LIU Xiaolin1，2，SHI Yandong1，2，ZENG Xiaolei1，2，HUANG Hairong1，2，YIN Bin1，2
（1.Soil and Water Conservation Monitoring Center of Pearl River Basin，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China;2. Pearl River Hydraulic Research Institute，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China）
Abstract： The quantitative assessment of soil and water loss can provide a scientific basis for preventing and controlling soil and water loss disasters and implementing ecological environmental construction.Based on the spatial analysis and data management functionalities on the ArcGIS platform with multisource remote sensing imagery used as the information source，the data of land use，vegetation cover，and terrain slope in the Nanpan River and Beipan River basins were obtained.The soil erosion modulus was calculated by employing China soil loss equation （CSLE），yielding monitoring results for soil and water loss in the Nanpan River and Beipan River basins.The results show that in 2021， the total area affected by soil and water loss in the Nanpan River and Beipan River basins was 23 966.97 km2，primarily characterized by mild erosion intensity.Soil and water loss in the northeast part of the basins was more severe than that in the southwest part.The phenomenon mainly occurred in arable land，woodland，and grassland，accounting for over 90% of the total soil and water loss area，with vegetation cover at all levels showing a prevalence of mild and moderate erosion.Soil and water loss in the entire region mainly occurred in slope grades ranging from 6° to 35°.In general，the issue of soil and water loss remains prominent in specific regions of the Nanpan and Beipan River basins.It is necessary to adopt a combined approach of prevention and remediation to address this issue and improve the overall situation.
Keywords：soil and water loss;CSLE model;the Nanpan and Beipan River basins
水土流失是全球性的生态环境问题之一，土壤侵蚀造成土地资源流失，严重制约着全球经济和社会的可持续发展［1］，开展水土流失评价工作可为防治水土流失灾害、编制区域水土保持规划、实施水土保持目标责任考核等提供科学依据［2］。水土流失强度与区域土地利用、地形地貌、植被状况等密切相关［3］，在3S等相关技术的支持下，中国水土流失方程（Chinese Soil Loss Equation，CSLE）结合上述因子，综合考虑了中国地貌、水土保持措施的特点，能定量评价土壤侵蚀状况［4］。当前，CSLE被广泛地应用于不同尺度的土壤侵蚀研究，如在县域尺度上，吴迪等［5］采用CSLE模型和统计分析相结合等方法定量评价了沂水县的水土流失情况；在市域尺度上，樊彦国等［6］基于GIS和CSLE模型定量估算了山东省临沂市的土壤侵蚀量；在省域尺度上，程琳等［7］应用CSLE模型，在ArcGIS平台上计算了陕西省的土壤侵蚀量；在流域尺度上，王凯等［8］在GIS和RS的支持下，运用CSLE模型定量研究了黄土高原孤山川流域土壤侵蚀情况。
南、北盘江位于珠江流域源头区，地处云贵高原向桂中山地丘陵地区过渡的斜坡地带，石灰岩广泛发育，为典型的喀斯特地区，山地土壤土层浅薄，坡度大，植被稀少，暴雨集中，自然条件差；同时该区域为少数民族聚集分布区，受地形和交通限制，以传统的农业为基础，经济发展相对缓慢，是珠江流域水土流失最严重的地区，阻碍着区域可持续发展［9-11］。为此，国家积极推动珠江上游南、北盘江岩溶石漠化地区水土流失综合治理工程［12-13］，以小流域为基础，开展造林、封育等生物措施和梯田、保土耕作等工程措施，约1 450 km2。在生态文明战略的引导下，随着一系列国家级水土流失重点治理项目的实施，该区域的水土流失状况已经发展了巨大变化［14］，然而涉及该区域的水土流失分析年代较久远，已不适宜用于现实状况，亟需开展最新的水土流失定量评价分析研究。
因此，本文以南、北盘江流域为研究对象，基于多源卫星遥感影像，应用CSLE，采用资料收集、遥感监测、野外调查、模型计算和统计分析等方法，结合SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》等技术标准，开展南、北盘江流域土壤侵蚀定量评价，并探究土地利用、植被覆盖和地形坡度与水土流失的关系，进而定量分析水土流失的影响因素，以期为流域水土保持宏观决策和生态环境建设提供参考。
1 研究区概况
南、北盘江是珠江上游的主要河流，干流全长分别为914.50、449.00 km，发源于云南省曲靖市马雄山，流经云南、贵州、广西3省（自治区），位于E102°15′～106°22′、N23°07′～26°51′［15］，流域总面积为8.30万km2，其中南盘江流域面积为5.64万km2，北盘江流域面积为2.66万km2（图 1）。该地区位于云南省的东北部、贵州省的西南部和广西百色市西北部，地貌以云贵高原为主体和贵州、云南斜坡区组成，山地为主，丘陵、平坝并存，地形起伏大，属于亚热带季风气候区，年平均气温在10.9～20.4℃，年平均降雨量1 200～1 600 mm，5—10月为湿季，11月至翌年4月为干季，降雨大部分集中在湿季，是珠江流域重要的水源地。该地区生态系统类型以森林、草地以及农田生态系统为主，地带性植被为中亚热带常绿阔叶林、针叶林和山地灌丛植被；成土母质主要以碳酸岩和碎屑岩为主的风化物构成，土壤类型以红壤、黄壤、石灰土、紫色土等为主［16-17］。
2 数据与方法
2.1 数据来源
a）遥感影像数据。采用研究区2021年1—8月2 m空间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。收集研究区2018—2020年3年的MODIS归一化植被指数（NDVI）产品，时间分辨率为每16 d一期，每年23期，通过插值获得24期，空间分辨率为250 m；2018—2020年3年Landsat多光谱影像，时间分辨率为每年不少于3期（至少包含1期夏季影像），空间分辨率为30 m，用于计算植被覆盖度［18］。
b）地形数据。收集研究区1∶5万比例尺数字地形图（DLG），用于计算地形坡度。
c）降雨数据。从国家气象科学数据中心（http：//data.cma.cn/）獲取了研究区54个站点1986—2015年逐日的降雨数据，用于计算降雨侵蚀力。
d）土壤数据。第一次全国水利普查中土壤可蚀性栅格空间数据成果（30 m分辨率）［19］和1∶5万土壤类型分布图。
e）水土保持重点工程数据。国家水土保持重点工程的类型、项目实施区域，以及水土保持措施分布、数量或面积，措施类型主要以造林、种草、封育、生态恢复、梯田和水平阶为主，其中造林和梯田面积较大，分别为2 039.09、5 439.82 km2。
f）人为扰动数据。生产建设项目类型、规模、空间分布等信息。
2.2 土壤侵蚀计算
采用CSLE计算土壤侵蚀模数［20］：
A=R·K·L·S·B·E·T （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、坡度因子，无量纲；B——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。
其中，R因子基于流域站点降雨数据，采用降雨侵蚀力因子计算方法［21］获得；K因子基于1∶5万土壤类型分布图，采集典型土壤样品进行理化分析，结合第一次全国水利普查中土壤可蚀性数据［22］获得；L、S基于地形数据，采用符素华等［23］开发的坡度坡长因子计算工具获得；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。将上述7个因子坐标统一后，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《2021年度水土流失动态监测技术指南》［18］。
2.3 關键因子提取及分析方法
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，是进行园林草地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［24］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。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，应用三维空间分析工具提取地形坡度，按照平地（≤2°）、缓坡（2～6°）、中等坡（6～15°）、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》［25］，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，复核验证南、北盘江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92.17%，说明模型计算结果较贴合南北盘江流域的实际情况，评价结果是相对合理的。
3 结果分析
3.1 水土流失总体情况
监测结果表明（表1、图2），2021年南、北盘江流域水土流失面积23 966.97 km2（全部为水力侵蚀），占土地总面积的28.89%。按照水土流失强度等级划分，轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别为16 870.69、3 921.73、1 994.97、976.36、203.22 km2；水土流失以轻度侵蚀为主，占总水土流失面积的70.40%，强烈及以上侵蚀面积仅占总流失面积的13.24%，随着侵蚀强度等级升高，水土流失面积逐渐减小。其中，南盘江流域水土流失面积为15 898.74 km2，占总水土流失面积比例为66.34%；北盘江流域水土流失面积为8 068.23 km2，占总水土流失面积比例为33.66%。空间分布方面，轻度和中度侵蚀主要分布在云南省和广西壮族自治区，极强烈和剧烈侵蚀主要分布在贵州省，整体上流域东北部水土流失较西南部严重，与该区域相关研究结果基本一致［1，12］。
3.2 水土流失主要影响因素分析
3.2.1 土地利用
监测结果表明（表2），监测区土地利用以林地为主，面积为43 239.79 km2，占土地总面积的52.14%；其次，耕地面积为25 556.50 km2，占比为30.81%；其他土地利用类型面积从大到小依次为草地占比为6.42%，建设用地占比为4.54%，园地占比为2.40%，水域及水利设施用地占比为1.65%，交通运输用地占比为1.55%，其他土地占比为0.49%。林地、耕地和草地是该区域主要土地利用类型，合计占比将近90%。监测区水土流失主要发生在耕地、林地和草地，三者的水土流失面积之和占总水土流失面积的比例达90%以上，其中，耕地的水土流失面积最大，为10 466.09 km2，占总水土流失面积的43.67%；林地次之，面积为9 394.48 km2，占比为39.20%；草地的水土流失面积为2 166.20 km2，占比为9.04%；交通运输用地与其他土地的水土流失面积较小，水域及水利设施用地无水土流失发生。
从各侵蚀强度在不同土地利用类型分布来看（表3），轻度侵蚀主要发生在林地、耕地和草地，面积分别占轻度侵蚀面积的51.07%、31.90%、10.46%；中度侵蚀主要发生在耕地、林地和建设用地，面积分别占中度侵蚀面积的62.35%、7.88%、9.46%；强烈侵蚀主要发生在耕地、建设用地和林地，面积分别占强烈侵蚀面积的79.57%、7.83%、5.81%；极强烈侵蚀主要发生在耕地、林地和园地，面积分别占极强烈侵蚀面积的89.97%、3.75%、2.95%；剧烈侵蚀主要发生在耕地、建设用地和园地，面积分别占剧烈侵蚀面积的85.14%、7.59%、2.25%。整体上流域轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀等级的水土流失均主要发生在耕地和林地，剧烈侵蚀等级的水土流失主要发生在耕地，这表明耕地和林地是未来流域水土流失治理的重点，且坡耕地是耕地水土流失的主要策源地之一。
3.2.2 植被覆盖
监测结果表明（表4），监测区园林草植被覆盖度以中高覆盖为主，面积为16 451.39 km2，占植被覆盖总面积的32.54%；高覆盖面积占比为29.19%；中覆盖面积占比为17.99%；中低覆盖占比为10.80%；低覆盖面积占比为9.48%。不同覆盖度下园林草地均有水土流失分布，其中中覆盖度的园林草水土流失面积最大，为3 146.26 km2，占园林草水土流失总面积的25.33%，高覆盖度的园林草水土流失面积最小1 060.82 km2，占比仅为8.54%。
從不同侵蚀强度来看，不同等级植被覆盖度均以轻度和中度侵蚀强度水土流失为主，低覆盖度区域的水土流失在各个侵蚀强度均有分布，轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀水土流失面积分别为1 735.74、590.13、210.23、82.14、8.53 km2，中低覆盖度区域的水土流失集中于轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀强度，面积分别为2 257.41、379.74、35.53、2.16 km2，中覆盖度区域的水土流失集中于轻度、中度和强烈侵蚀强度，面积分别为3 026.28、115.90、4.03 km2，中高植被覆盖度区域的水土流失集中于轻度和中度侵蚀强度，面积分别为2 895.72、17.15 km2，高植被覆盖度区域的水土流失集中于轻度和中度侵蚀强度，面积分别为1 059.62、1.17 km2，这表明，随着园林草植被覆盖度的增加，强烈及以上侵蚀强度的水土流失发生的概率也随之降低，因此，中低覆盖度等级的园林草水土流失较严重，是区域水土流失综合治理的重点。
3.2.3 地形坡度
监测结果表明（表5），监测区坡度6～15°的土地面积最大为28 066.13 km2，占监测区土地总面积的33.84%；其次为坡度15～25°的土地，占总面积的30.94%；坡度25～35°的土地面积居第三，占总面积的16.39%；其余坡度等级的土地面积较小，坡度小于2°的土地面积最小，仅占总面积的1.97%；就整个监测区而言，坡度25°以上陡坡地所占比例为23.22%，坡度小于6°的平坦土地所占比例为12.00%，6～25°坡度的土地面积占监测区土地总面积的64.78%，监测区坡度较陡，更容易发生水土流失。
从水土流失分布来看，监测区水土流失主要发生在6～15°、15～25°和25～35°的坡度等级上，这3个坡度等级的水土流失面积占总流失面积的87.34%，其中，6～15°坡度等级的土壤侵蚀面积为6 227.58 km2，占比为25.98%，15～25°坡度等级的土壤侵蚀面积为9 021.86 km2，占比为37.65%，25～35°坡度等级的土壤侵蚀面积为5 682.23 km2，占比为23.71%，其余坡度等级水土流失面积较少。南北盘江各坡度等级的水土流失均以轻度和中度侵蚀为主，剧烈侵蚀的面积较小，且坡度越大，水土流失相对较严重。综上，6～35°坡度等级的区域为南、北盘江水土保持措施实施的重点区域，同时关注35°以上的区域。
4 对策建议
南、北盘江流域地形复杂，生态环境脆弱，水土流失治理程度总体较高，但水土流失面积大，水土流失预防和治理任务依然艰巨。坡耕地和中低覆盖度林草地水土流失普遍存在，尤其坡耕地集中分布区域内垦殖率高，人均耕地相对较少，人口密度大，人地矛盾突出，是水土流失的主要策源地。根据南、北盘江流域及其水土流失特点，未来应该以提高区域保土蓄水能力和改善群众生产生活条件为核心，以坡耕地及天然林为主要防治理对象进行水土流失的综合治理，具体治理思路为山区抢救和改造坡耕地，兴建基本农田，配置坡面水系工程，充分利用降雨和地表、地下水资源，提高水资源利用率，调整土地利用结构，培育主导产业；在荒坡地和退耕地上大力营造水源涵养林、水土保持林，对较为偏远、立地条件较好的地块实施生态修复，促进植被恢复；盆地及平坝区做好沟道防护，保护现有耕地，完善灌排渠系，减少坡面径流对盆地区的危害，着重加强生态管护，对前期的生态成效进行巩固，在继续提升区域植被覆盖度的同时，还要加强对林分结构的优化、对林下植被以及植被根系层的恢复，形成立体的植被防护体系，从而在根本上遏制土壤侵蚀的发生。
5 结论
a）2021年南北盘江流域水土流失总面积为23 966.97 km2，占土地总面积的28.89%，侵蚀强度以轻度为主；其中轻度和中度侵蚀主要分布在云南省和广西壮族自治区，极强烈和剧烈侵蚀主要分布在贵州省，整体上流域东北部水土流失较西南部严重。
b）南、北盘江土地利用以林地、耕地和草地为主，水土流失主要发生在耕地、林地和草地，三者的水土流失面积之和占总水土流失面积的比例达90%以上，其中，耕地的水土流失面积最大，林地次之；园林草植被覆盖以中高和高覆盖为主，各等级植被覆盖度均以轻度和中度侵蚀强度为主，占园林草总水土流失面积比例达95%以上，随着南、北盘江植被覆盖度的增加，强烈及以上的水土流失发生的概率会随之降低；区域地形坡度以6～25°坡度等级为主，占监测区土地总面积的将近65%，水土流失主要发生在6～35°的坡度等级上，其水土流失面积占总流失面积的85%以上。
c）根据南、北盘江水土流失监测成果，基于不同土地利用，结合植被覆盖度和坡度，以预防和治理相结合的手段，建立生态保护长效机制，改善该区域水土流失状况。
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（责任编辑：程 茜）
