水土流失綜合治理優(yōu)先小流域識別的空間尺度效應(yīng)

符素華， 椹卓嵐， 張志蘭， 魏 欣， 蔣光毅， 趙 輝， 丁 琳

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部， 北京 100875； 2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌， 712100；3.重慶市水土保持監(jiān)測總站， 重慶 401147； 4.水利部水土保持監(jiān)測中心， 北京 100053)

小流域是完整、獨立的水文單元，具有完整的產(chǎn)沙輸沙系統(tǒng)，是我國水土流失治理和水資源管理的基本單元。以小流域為單元的水土流失綜合治理是我國水土保持工作的重要途徑[1]。我國于1980年正式提出以小流域為單元進行水土保持綜合治理[2]。30 a來，我國已對上萬條小流域進行了綜合治理，每年治理面積達2.00×104km2[3]。長期的小流域綜合治理實踐積累了豐富的經(jīng)驗[4-5]，并形成了一套小流域綜合治理的相關(guān)法律、法規(guī)和技術(shù)規(guī)程體系，為小流域綜合治理措施設(shè)計、審查、驗收等環(huán)節(jié)提供了技術(shù)支持，使我國的小流域綜合治理取得了明顯生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益[6-9]。2018年，我國首次開展了國土面積全覆蓋的水土流失動態(tài)監(jiān)測，獲取了以縣級行政區(qū)為評價單元，10或30 m分辨率的土壤侵蝕強度成果。如何有效利用水土流失動態(tài)監(jiān)測成果為小流域綜合治理服務(wù)，除了需要辨識各小流域的土壤侵蝕嚴重程度，確定出優(yōu)先治理小流域外，合理確定開展水土流失綜合防治的小流域空間尺度也是一個關(guān)鍵問題。但目前不同學(xué)者使用不同的流域尺度來評價優(yōu)先流域。如Silva等[10]利用最小流域面積為14 km2的流域評價了巴西Tapacurá流域內(nèi)14個子流域的土壤侵蝕嚴重程度，識別了需要進行治理的優(yōu)先小流域。Zhao等[11]采用的最小流域面積為50 km2，評價了需要進行河岸緩沖修復(fù)的優(yōu)先小流域。Shen等[12]則利用三種不同的流域尺度(最小流域面積分別為15，25和50 km2)來確定面源污染源治理的優(yōu)先小流域；Ahn和Kim[13]采用了最小流域面積約150 km2的流域來評價需要考慮生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先小流域。這些研究現(xiàn)狀表明，研究者往往根據(jù)情況自行確定優(yōu)先小流域的面積，最小流域面積從幾平方公里到幾十平方公里不等。但具體什么尺度的小流域更能反映區(qū)域土壤侵蝕的狀況，在哪種流域尺度進行水土保持綜合治理，可以投入更少的人力、物力和財力，從而產(chǎn)生最大的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益，相關(guān)研究還較少。鑒于此，本研究以位于三峽庫區(qū)腹地的重慶市合川區(qū)為例，探討水土流失綜合治理優(yōu)先小流域識別的空間尺度效應(yīng)，為小流域水土流失綜合治理規(guī)劃與實施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選擇重慶市合川區(qū)為研究區(qū)域，其行政面積為2 343 km2。合川區(qū)位于長江上游地區(qū)，在重慶市西北部，處于丘陵和平行嶺谷的交接地帶。耕地占總面積的47.27%，是最主要的土地利用類型。坡度集中在8°～ 25°，占區(qū)行政面積的43%。水土流失面積為736 km2，占區(qū)行政面積的31%，是重慶市水土流失較為嚴重的行政區(qū)?；谥貞c市2018年區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測的成果，收集了研究區(qū)域2018年土壤侵蝕地塊矢量數(shù)據(jù)(里面包含有土地利用數(shù)據(jù))、10 m×10 m DEM和土壤侵蝕強度柵格數(shù)據(jù)。為了探究不同流域空間尺度對水土流失綜合治理優(yōu)先小流域識別的影響，本研究選擇的流域最大面積為300 km2。其選擇依據(jù)如下：大部分水文站的流域控制面積在300 km2以上[14]。這說明300 km2以下的流域不是水文部門關(guān)心的主要區(qū)域，水土保持部門應(yīng)該加強這些流域的管理與規(guī)劃。因此可以探討300 km2以下的流域面積下，流域空間尺度對水土流失綜合治理優(yōu)先小流域識別的影響。結(jié)合《小流域劃分及編碼規(guī)范》[15]中小流域分級所用的控制面積，本研究考慮了5種空間尺度的流域，流域面積分別為50～300 km2(Ⅰ級流域)，10～50 km2(Ⅱ級流域)，1～10 km2(Ⅲ級流域)，0.1～1 km2(Ⅳ級流域)和0.01～0.1 km2(Ⅴ級流域)?？紤]到本研究中的流域已包含了微流域和小流域等級別，為簡化名稱，所有級別的流域均統(tǒng)稱為小流域。合川區(qū)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ級小流域的條數(shù)分別為26，140，919，9 647和31 834條。其中Ⅰ，Ⅱ級小流域直接采用重慶市小流域劃分成果，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ級小流域采用符素華等[16]的坡面土壤侵蝕地形因子工具的子流域劃分模塊提取，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是10 m分辨率DEM。

1.2 優(yōu)先小流域識別方法

基于水土流失綜合治理的優(yōu)先小流域識別主要考慮了水土流失面積比例、土地利用結(jié)構(gòu)和流域平均坡度3個指標。主要原因如下： ①水土流失面積比例直接反映了各小流域水土流失的劇烈程度，這是決定小流域是否要進行綜合治理的直接依據(jù)。②小流域水土流失綜合治理的對象主要是對人類活動所導(dǎo)致的加速侵蝕及其相應(yīng)土地利用方式。為了識別優(yōu)先小流域和非優(yōu)先小流域土地利用結(jié)構(gòu)上的差異，將土地利用類型簡單分為易發(fā)生水土流失的農(nóng)地(含園地)和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地，以及不易發(fā)生水土流失的林草地。這樣可以更為突出人類活動對水土流失的影響。③坡度對土壤侵蝕和土地利用的分布都有重要影響，因此也將其作為優(yōu)先小流域識別指標之一。

優(yōu)先小流域識別步驟為： ①基于10 m分辨率柵格的土壤侵蝕強度圖匯總統(tǒng)計出整個合川區(qū)的水土流失面積及比例； ②在土壤侵蝕強度、土地利用和坡度等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合小流域矢量圖，分別統(tǒng)計小流域水土流失面積及其比例，各土地利用在小流域的面積占比和流域平均坡度； ③將這3個指標進行標準化處理，同一流域的3個標準化指標相加，得到優(yōu)先小流域識別綜合指標； ④對該綜合指標從大到小排序； ⑤從綜合指標最大值開始，累加相應(yīng)的水土流失面積比例，當累計水土流失面積比例等于縣域水土流失面積比例時，停止累加。面積被累加的小流域即為水土流失綜合治理優(yōu)先小流域。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)先小流域分布的空間效應(yīng)

按Ⅰ—Ⅴ級5種空間尺度識別的優(yōu)先小流域在縣域內(nèi)均呈離散分布(圖1)，獲得的優(yōu)先小流域分別為11，40，292，3 095和10 219條。其中基于Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ級小流域空間尺度得到的優(yōu)先小流域相對比較集中，主要分布在合川區(qū)的東南及西北部；基于Ⅳ和Ⅴ級空間尺度得到的優(yōu)先小流域分布差異不大，更符合基于柵格土壤侵蝕強度圖得到的水土流失面積空間分布。

圖1 5種空間尺度對應(yīng)的優(yōu)先小流域分布情況

Ⅰ—Ⅴ級優(yōu)先小流域平均水土流失面積比例分別為43%，47%，48%，53%和56%(圖2)，相應(yīng)的非優(yōu)先小流域平均水土流失面積比例分別為24%，24%，23%，21%和19%。這表明基于小流域水土流失面積比例、土地利用面積占比和流域平均坡度識別的優(yōu)先小流域和非優(yōu)先小流域平均水土流失面積比例存在顯著差異。優(yōu)先小流域平均水土流失面積比例明顯高于非優(yōu)先小流域。小流域級別越高，空間尺度(流域面積)越小，識別的優(yōu)先小流域平均水土流失面積比例越大，非優(yōu)先小流域的水土流失面積比例越小，且兩者差異亦隨小流域級別的增高而增大。這些結(jié)果表明級別越高，面積越小的小流域能更好地辨識優(yōu)先小流域和非優(yōu)先小流域，且辨識出的優(yōu)先小流域存在嚴重的水土流失，更亟需進行水土保持治理。如由Ⅳ級小流域得到的優(yōu)先小流域平均水土流失面積比例為53%，遠高于合川區(qū)的水土流失面積比例(31%)，是亟需進行水土保持綜合治理的小流域。而空間尺度(流域面積)越大，流域內(nèi)非水土流失面積區(qū)域就越多，導(dǎo)致小流域平均水土流失面積比例減小，不適宜在此基礎(chǔ)上進行治理規(guī)劃。

圖2 不同空間尺度下小流域的水土流失面積比例

2.2 優(yōu)先小流域土地利用分布的空間效應(yīng)

Ⅰ—Ⅴ級優(yōu)先小流域中農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比均值分別為0.45，0.43，0.45，0.47和0.47，非優(yōu)先小流域中農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比均值分別為0.60，0.56，0.57，0.56和0.54(圖3)。即由Ⅳ和Ⅴ級小流域得到的優(yōu)先小流域農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比略高于其他3個級別的小流域；而非優(yōu)先小流域則正好相反。另外值得注意的是非優(yōu)先小流域中農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比明顯高于優(yōu)先小流域。這是因為非優(yōu)先小流域主要位于坡度較小的區(qū)域，因此其在土地利用上農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積，尤其是農(nóng)地的面積占比更大。

圖3 不同空間尺度下小流域中農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比

Ⅰ—Ⅴ級優(yōu)先小流域中林草地面積占比均值分別為0.47，0.49，0.49，0.48和0.48，非優(yōu)先小流域中林草地面積占比均值分別為0.28，0.27，0.27，0.28和0.28(圖4)。不同級別空間尺度識別到的優(yōu)先小流域中林草地面積占比差異不大。

2.3 優(yōu)先小流域坡度分布的空間效應(yīng)

坡度是影響土壤侵蝕和土地利用空間分布的一個重要因素。坡度越大，水土流失的面積、強度都可能更大。按Ⅰ—Ⅴ級5種空間尺度識別的優(yōu)先小流域的平均坡度分別為16.7°,17.5°,18.0°,18.9°和19.3°；而非優(yōu)先小流域的平均坡度分別為10.6°,10.4°,10.0°,9.7°和9.4°(圖5)。優(yōu)先小流域的平均坡度隨流域級別增加(流域面積減小)呈現(xiàn)出增大趨勢，而非優(yōu)先小流域的平均坡度隨流域級別增加(流域面積減小)呈現(xiàn)出減小趨勢。在流域級別相同的情況下，優(yōu)先小流域的平均坡度均明顯大于非優(yōu)先小流域。流域級別越高，優(yōu)先小流域與非優(yōu)先小流域之間的平均坡度差異越大。如Ⅰ和Ⅴ級小流域識別的優(yōu)先小流域與非優(yōu)先小流域平均坡度分別相差6.1°和9.9°。由此可見，相對于Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ級小流域，Ⅳ和Ⅴ級小流域空間尺度更好地區(qū)分了易發(fā)生和不易發(fā)生水土流失的區(qū)域，更適合用于優(yōu)先小流域的確定。

圖4 不同空間尺度下小流域中林草地面積占比

圖5 不同空間尺度下小流域的平均坡度

2.4 最優(yōu)空間尺度確定

在Ⅰ—Ⅴ級5種空間尺度下識別出的優(yōu)先小流域平均水土流失面積比例、土地利用面積占比以及平均坡度在空間分布上顯現(xiàn)出尺度效應(yīng)。其中，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ級空間尺度下識別出的優(yōu)先小流域分布較為集中，與基于柵格土壤侵蝕強度圖確定的區(qū)域水土流失面積空間分布差異較大。Ⅳ和Ⅴ級空間尺度下識別出的優(yōu)先小流域在空間分布上差異不大，與基于柵格土壤侵蝕強度圖確定的區(qū)域水土流失面積空間分布較吻合。盡管Ⅴ級較Ⅳ級優(yōu)先小流域的平均水土流失面積比例、農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比以及平均坡度略高，但基于Ⅴ級流域得到的優(yōu)先小流域條數(shù)(10 219條)是基于Ⅳ級流域得到的優(yōu)先小流域條數(shù)(3 095條)的3倍，不便于水土保持規(guī)劃和小流域管理。因此在Ⅳ級空間尺度下確定優(yōu)先小流域更為合理。確定出的優(yōu)先小流域具有比非優(yōu)先小流域更容易發(fā)生水土流失的條件(流域平均坡度更大)，水土流失更嚴重(水土流失面積比例高)，是水土保持綜合治理需要優(yōu)先考慮的小流域。

為了更進一步確定優(yōu)先小流域治理的先后順序，可以根據(jù)綜合指標值的大小來決定。將綜合指標值從大到小進行排序，即可確定優(yōu)先小流域治理的優(yōu)先等級(表1)。表1中列出了基于Ⅳ級小流域計算的綜合指標值排名前10的小流域排序結(jié)果。序號為1號的小流域綜合指標值為6.14，明顯高于其他流域，且該流域水土流失面積占比高達92%，流域內(nèi)農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比很高(85%)，且平均坡度大(29°)，是應(yīng)最先實施綜合治理的小流域。

表1 優(yōu)先小流域等級排序

此外，本研究采用綜合指標值來確定小流域水土流失綜合治理的優(yōu)先順序，具有一定的科學(xué)性和合理性。如序號為6號的小流域水土流失面積比例最小，為81.1%；序號為9號的小流域水土流失面積比例最大，為93.5%。單從該指標來看，9號小流域的水土保持治理優(yōu)先級應(yīng)大于6號小流域。但由于6號小流域的農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比(96.8%)遠高于9號小流域(42.4%)，進而提高了6號小流域的治理優(yōu)先級。6號小流域的綜合指標值為5.40，大于9號小流域(5.18)，應(yīng)優(yōu)先治理6號小流域。由此可見，綜合指標值因綜合考慮了小流域水土流失面積比例、土地利用類型和平均坡度，不失為一個較好的優(yōu)先小流域的判別標準。

3 討論與結(jié)論

本研究提出了確定優(yōu)先小流域的最優(yōu)空間尺度。結(jié)果表明，流域空間尺度對優(yōu)先小流域的識別有顯著影響?；冖窦壛饔?50～300 km2)、Ⅱ級流域(10～50 km2)和Ⅲ級流域(1～10 km2)確定的優(yōu)先小流域在空間分布上與基于柵格土壤侵蝕強度圖得到的區(qū)域水土流失面積空間分布差異較大，得到的小流域平均水土流失面積比例，農(nóng)地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地面積占比以及平均坡度都更低；而基于Ⅳ級流域(0.1～1 km2)和Ⅴ級流域(0.01～0.1 km2)確定的優(yōu)先小流域在空間分布上與基于柵格土壤侵蝕強度圖得到的區(qū)域水土流失面積空間分布更為吻合，小流域水土流失更為嚴重(平均水土流失面積比例更大)，需要重點治理的土地利用類型(耕地、園地和在建生產(chǎn)建設(shè)活動用地)面積占比更多，平均坡度更大。但綜合考慮優(yōu)先小流域的條數(shù)，基于Ⅳ級流域得到的優(yōu)先小流域條數(shù)更少，更便于進行水土保持綜合治理規(guī)劃和管理，是識別優(yōu)先小流域的最優(yōu)流域尺度。本研究結(jié)果可為小流域水土流失綜合治理規(guī)劃與實施提供科學(xué)依據(jù)，對全國水土流失動態(tài)監(jiān)測成果的推廣與應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

需要注意的是本文提出的優(yōu)先小流域確定方法具有普適性，但本文選擇的研究區(qū)域是平均坡度較大的丘陵和平行嶺谷的交接地帶，因此本研究結(jié)果在其他地區(qū)如高山峽谷以及漫崗丘陵等地區(qū)的適用性需進一步探討。