湄公河流域土壤侵蝕空間特征及其優先治理區確定

吳 芳,朱 源,許丁雪,施晶晶,江 源,*

1 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875 2 北京師范大學地理科學學部,北京 100875 3 環境保護部環境工程評估中心,北京 100012

土壤侵蝕是指地表土壤及母質在自然或人為因素影響下,被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1]。目前已成為全球主要的生態環境問題,不僅會引起土地退化、土壤肥力下降,誘發泥石流、滑坡等自然災害,而且還會造成河流泥沙淤積,導致河床抬高,嚴重影響河流的自然泄洪能力及水利水電工程的建設和使用[2- 3]。據統計,世界水庫每年因沉積物造成的庫容損失約0.5%—1%,蓄水量將會在50年內減少到目前的一半左右[2]。

湄公河長度和沉積物載荷量位居東南亞首位,年徑流量高達4.75×1011km3[3]。流域擁有豐富的自然生態系統,為沿岸居民提供了食物、交通和經濟等眾多方面支持[4]。流域地跨多個緯度,海拔差異較大,地形復雜多樣,河段多狹窄陡峭,具有豐富的水電開發潛能,但部分國家面臨著水電開發技術較為落后和資金短缺等問題。中國電力企業具有先進的開發技術和豐富的建設經驗,且可提供充足的資金支持,在促成中國與中國-中南半島經濟走廊內各國開展水電貿易合作方面發揮了重要作用[5]。該經濟走廊是中國參與水電項目投資建設的主要區域。統計發現中國在海外參與投資建設的水電項目83個,近40%位于該經濟走廊。水利水電項目施工階段會改造地形,破壞地表覆蓋,增加土壤侵蝕風險[6]。此外,大湄公河次區域經濟合作機制和中國-中南半島經濟走廊項目的開展,加快了流域內大壩建設速度,目前已完成和正在建設133座,一旦全部完工,96%的向三角洲輸送的河流沉積物將會被困在河流中,嚴重威脅流域居民的生存和生態系統的平衡[7]。因此,對湄公河流域土壤侵蝕狀況進行分析具有重要意義。

優先級理論在水土流失治理中起至關重要的作用[8]。研究表明,多數流域的大部分沉積物是由關鍵區域產生的,僅選定這些關鍵區域實施水土流失治理,就會大大降低全流域侵蝕量[9]。因此,確定湄公河各子流域水土流失治理的優先順序,對實施具有針對性和成本效益最大化的水土保持措施具有直接指導意義。本文在氣候、土壤、遙感等數據的基礎上,運用GIS技術和USLE模型,得到湄公河流域土壤侵蝕強度及其空間分布特征。通過聯合信息熵方法計算土壤侵蝕與影響因子的關系,并基于優先級理論確定子流域的水土流失優先治理級別。

1 研究區概況

圖1 研究區概況Fig.1 Location of study areaM: 干流 Main catchment; T: 支流 Tributary catchment

湄公河發源于中國,流經中國、緬甸、泰國、老撾、柬埔寨和越南6個國家(圖1)。河流全長4.9×103km,流域面積達7.95×105km2,年均徑流量為1.5×104m3/s,年均沉積物負荷量為1.6×108t[10]。其中永珍以上為上游,永珍到巴色為中游,巴色以下為下游。流域主要受兩種季風影響：5—10月初受西南季風影響,潮濕多雨,為雨季；11月—次年3月中旬受東北季風影響,干燥少雨,為旱季[11]。流域地處8°—34°N,94°—109°E,南北橫跨二十多個緯度,海拔差約6 km。氣溫和降水由南到北遞增,年均溫最低為-15℃、最高為29℃,年累降水量最低為440 mm、最高為3500 mm。

2 研究方法

2.1 子流域提取

針對湄公河干流和主要一級支流進行子流域提取。基于ArcGIS中水文模塊,以一級支流于干流的匯流點為瀉流點,提取干流和各一級支流的不嵌套子流域。由于湄公河流經6個國家,干流及各支流在各國命名存在差異,為便于研究,文章對湄公河流域各支流及干流各段所對應子流域進行重新編號。研究區共33個子流域,編號依照從上至下,從左至右的順序：干流13個(M1—M13),一級支流20個(T1—T20)。

2.2 通用土壤流失方程模型

文章選用通用土壤流失模型(USLE)進行土壤侵蝕評估,模型是Wischmeier和Smith于1965年根據落基山以東地區收集到的近萬個徑流小區的試驗資料,進行系統統計分析提出的經驗性土壤侵蝕模型,全面考慮了降雨、地形和土壤可蝕性等因素[12- 14]。方程如下：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中,A為土壤侵蝕量,單位t hm-2a-1,R為降雨侵蝕力因子,單位MJ mm hm-2a-1,K為土壤可侵蝕性因子,單位t hm2h MJ-1hm-2mm-1,L和S為坡長、坡度因子,C為植被覆蓋管理措施因子,P為土壤保持措施因子,L、S、C、P皆為無量綱數據。

2.2.1降雨侵蝕力因子(R)

R因子反映了由降雨引起的潛在土壤侵蝕能力,是評價一個地區土壤侵蝕狀況的主要動力指標。本文采用Wischmeier月尺度計算公式[12]：

(2)

式中,Pi為月降雨量(mm),P為年降雨量(mm)。降水數據來自WorldClim,是Robert等人基于ANUSPILIN插值法,整合了不同尺度氣象數據建立的數據集[15],分辨率為30″。

2.2.2土壤可蝕性因子(K)

K因子反映了土壤被侵蝕營力分離、搬運的難易程度,不同的土壤類型受影響程度不同。本文采用Sharply等在EPIC模型中的提取K因子計算公式[16]：

式中,SAND為土壤砂粒含量,SILT為土壤粉粒含量,CLAY為土壤粘粒含量,C為土壤有機碳含量,SN1=1-SAND/100。土壤屬性數據來自全球連續土壤數據集SoilGrids,該數據集是Hengl等在HWSD數據的基礎上建立的,包含土壤有機碳含量和pH值等,分辨率為250 m[17]。

2.2.3坡度-坡長因子(S-L)

S和L因子反映了地形對土壤侵蝕的影響。本文借助ArcGIS 10.3的表面分析和水文分析模塊,基于GTOPO30 DEM數據,計算得到坡度數據。坡長λ為從坡面徑流的起點開始,垂直于等高線沿坡向下直到坡度減緩到足以發生沉積的水平距離。根據坡長和坡度間的負相關關系[18],坡長取值如下表所示：

表1 坡度-坡長關系

結合USLE模型中地形因子方程和Liu等的坡度計算公式[19],得出地形因子計算方程：

(4)

(5)

式中,θ為坡度值,m為坡長指數。

2.2.4植被覆蓋管理措施與土壤保持措施因子(C-P)

C因子是指在相同的降雨、土壤和地形條件下,有植被覆蓋的坡面與連續休閑裸露坡面的土壤流失量之比,值介于0—1之間[12, 20]。由于不同植被類型和管理方式對土壤侵蝕的作用不同,本文將土地利用類型分為林地、水澆地等10大類,C因子值參考亞洲和越南土壤侵蝕資料制定[22- 23]。P因子是指特定保持措施下與標準條件下的土壤流失量比值,值域范圍為0—1。基于前人的研究,結合研究區的土地利用類型特點進行P因子賦值[21- 24]。

表2 湄公河流域C因子和P因子值

C: 植被覆蓋管理措施因子 Crop management factor；P: 土壤保持措施因子 Soil practice factor

土地利用數據為GlobCover 2009,該數據是歐洲太空局和聯合國環境規劃署等共同參與完成,數據運用LCCS分類系統,包含22種土地利用類型,分辨率為300 m。

2.3 信息熵計算方法

空間上連續而狀態屬性離散的地理數據稱為離散空間場,離散空間場之間往往隱含著不同程度的相關,需對其進行定量計算和表達,從而得到相關規律[28- 29]。本文利用信息熵計算方法,計算土壤侵蝕與各因子的空間相關性。信息熵是指對一個隨機變量的信息量或不確定性的度量,可用來計算空間離散面狀分布變量之間的相關性[25],公式如下：

(10)

式中,p(xi)為發生事件xi的概率,n為可能發生的事件總數。

當x,y構成二維隨機變量時,其聯合分布概率為p(xi,yi),則x,y的聯合熵為[26]：

(11)

為便于計算,常用指標K表示x,y之間的相關程度[27],公式為：

(12)

K的范圍為[0,1],K值越大表示x和y的相關程度越高,K=0則表示不相關。

2.4 優先級理論

根據土壤侵蝕嚴重程度對子流域的治理次序進行排序,以期達到成本效益最大化[8, 28]。本文將33個子流域水土流失治理次序進行排序,并分為四個等級：第一級,子流域平均土壤侵蝕模數為0—500 t km-2a-1；第二級,子流域平均土壤侵蝕模數為500—2500 t km-2a-1；第三級,子流域平均土壤侵蝕模數為2500—5000 t km-2a-1；第四級,子流域平均土壤侵蝕模數為5000—800 t km-2a-1。

3 結果與分析

3.1 湄公河土壤侵蝕因子空間分布

計算得到流域各土壤侵蝕因子(圖2)。R因子值域為1129—40828 MJ mm hm-2a-1,均值為6923 MJ mm hm-2a-1。流域上游R值普遍較低,中、下游R值相對較高,尤其是干流M7—M9和支流T6、T8、T20都高于均值。K因子值域為0.02—0.05 t a MJ-1mm-1,均值為0.03 t a MJ-1mm-1。K因子分布差異較小,呈中、下、上游依次降低的分布特征。LS因子值域為0.04—11.00,均值為1.62。下游LS因子值較低,中、上游值較高。流域中游和下游東部的C因子值相對較低,而上游和下游西部的C因子值較高,尤其是干流M1、M3、M9和支流T1、T2、T7、T9、T11—T17。

圖2 土壤侵蝕因子空間分布圖Fig.2 The spatial distribution of soil erosion factors

3.2 湄公河流域土壤侵蝕分布特征

據中國水利部土壤侵蝕分級標準進行分級統計[1],流域內年土壤侵蝕總量為1.06×109t a-1,平均土壤侵蝕模數為1.98×103t km-2a-1,屬輕度侵蝕。流域內60.09%的區域為微度侵蝕,侵蝕總量占比3.88%,主要包括上游中部(M3—M6、T3—T6)、中游(M9、M10、T7—T17)及下游的T19、M12和M13。39.91%的區域存在不同程度侵蝕,達到強烈侵蝕的面積占比為12.68%,侵蝕總量占比卻高達71.84%,包括上游部分地區(M4—M6、T4—T6)、中游的M7、M9、T8和T10、下游的T20。

圖3 土壤侵蝕強度等級分布圖Fig.3 The distribution of soil erosion intensity in the study area

侵蝕等級Erosion category侵蝕模數Soil loss/(t km-2 a-1)面積占比Percentage of area/%侵蝕總量Soil loss amount/(108 t)侵蝕總量占比Percentage of soil loss/%微度 Tolerable<50060.090.573.88輕度 Low500—250019.011.5710.63中度 Moderate2500—50008.222.0113.65強烈 High5000—80005.182.2315.13極強烈 Severe8000—150004.623.3822.92劇烈 Violent>150002.884.9833.79

3.3 湄公河流域土壤侵蝕與各影響因子的關系

土壤侵蝕強度是多因子共同作用的結果,分析其與不同影響因子之間的關系,對科學開展水土流失治理工作有重要指導作用。本文基于聯合信息熵計算方法,分別計算了土地利用類型、坡度、海拔、降雨侵蝕力和土壤可蝕性與土壤侵蝕強度空間相關性。由下表可知,湄公河流域土壤侵蝕中,土地利用類型、坡度和海拔起主導作用。

表4 土壤侵蝕強度與各侵蝕因子的空間相關性

3.3.1土地利用類型與土壤侵蝕強度的關系

湄公河流域以旱地、林地和灌叢為主,面積占比達87.42%。從侵蝕強度分布看,裸地/稀疏植被各侵蝕強度分布差異不大,近53%的面積達到強烈侵蝕；灌叢以微度和輕度侵蝕為主,超過該類型總面積的一半；草地以輕度、微度和中度侵蝕為主,面積占比達86.66%；其余各類型皆以微度和輕度侵蝕為主,面積占比都在90%左右。

由平均侵蝕模數可知,水體、永久冰雪和城市建設用地基本不發生侵蝕。濕地、水澆地和林地為微度侵蝕,面積占比為36.44%,侵蝕量占比為1.69%；旱地和草地為輕度侵蝕,面積占比為38.69%,侵蝕量占比為24.36%；灌叢為強烈侵蝕,面積占比為23.75%,侵蝕量占比高達70.58%；裸地/稀疏植被屬于極強烈侵蝕,面積占比為0.52%,侵蝕量占比高達3.41%。

3.3.2坡度與土壤侵蝕強度的關系

據水利部土壤侵蝕分級標準將坡度分級,流域坡度以0—5°為主,面積占比高達75.69%,主要分在湄公河上游的南部地區、中游和下游,8°以上主要分布在上游北部地區、中游的M7、T8和下游的T20。

平均土壤侵蝕模數隨坡度的增加呈先增加后下降趨勢,于8—15°坡度帶達到峰值。其中0—5°為輕度侵蝕；5—8°和25°以上為中度侵蝕；8—25°為強烈侵蝕。流域內侵蝕主要發生在0—15°坡度帶,占總侵蝕量的94.82%,尤其是5—15°,面積占比為22.75%,侵蝕量占比高達62.25%。各侵蝕強度在各坡度帶分布差異較大(圖4),0—5°呈遞減趨勢,以微度和輕度侵蝕為主,面積占比為89.03%；5—8°和15—25°皆呈先下降后增加再下降的趨勢,前者以微度和極強烈侵蝕為主,后者以微度和強烈侵蝕為主；8—15°各等級差異相對較小,以微度、中度和劇烈侵蝕為主；25°以上區域以微度、強烈和極強烈侵蝕為主。除0—5°坡度帶達到強烈侵蝕的面積占比較少(僅為4.55%),其余坡度帶到達強烈侵蝕的面積占比皆高于35%。

表5 湄公河流域各土地利用類型的土壤侵蝕狀況

3.3.3海拔與土壤侵蝕強度的關系

據湄公河流域海拔分布狀況,將流域海拔分級(表7)。流域內海拔以0—2000 m為主,海拔為0—500 m主要分布在中、下游,4000 m以上區域主要包括干流M1—M3和支流T1、T2。

表6 湄公河流域個坡度帶土壤侵蝕狀況

表7 湄公河流域各高程帶土壤侵蝕狀況

平均土壤侵蝕模數隨海拔的上升呈先增加后下降的趨勢,于500—1000 m范圍達到峰值。其中0—500 m和2000—4000 m為輕度侵蝕,500—2000 m和4000 m以上為中度侵蝕。土壤侵蝕主要發生在500—2000 m的區域,面積占比為30.82%,侵蝕量占比高達61.75%。從各高程帶侵蝕強度分布看(圖5),0—500 m呈遞減趨勢,以微度和輕度侵蝕為主；500—1000 m呈先減少后增加再減少的趨勢,以微度和輕度侵蝕為主；1000—2000 m除微度侵蝕占46%的面積占比外,其余各侵蝕強度差異不大；2000—4000 m范圍內的2個高程帶皆呈遞減趨勢,以微度和輕度侵蝕為主；4000 m以上則呈現先增加后減少的趨勢,以微度和輕度侵蝕為主。

圖4 湄公河流域不同土壤侵蝕強度在各坡度帶上的分布Fig.4 The distribution of soil erosion intensity at different slopes

圖5 湄公河流域不同土壤侵蝕強度在各高程帶上的分布 Fig 5 The distribution of soil erosion intensity at different elevations

3.4 子流域優先治理次序及空間分布特征

統計各子流域年土壤侵蝕量,進行子流域土壤侵蝕強度分級(圖6)。同時對33個子流域優先治理次序進行排序及優先治理分級劃分(表8)。

圖6 子流域土壤侵蝕強度等級圖 Fig.6 The distribution of soil erosion intensity at different catchments

湄公河33個子流域中微度侵蝕9個,輕度侵蝕12個,面積占比為26.98%和32.92%,侵蝕量占比為3.88%和27.10%,優先治理等級分別定為第四級和第三級。9個子流域為中度侵蝕,面積占比為33.32%,侵蝕總量占比高達48.90%,優先治理等級定為第二級。干流M7和支流T5、T6達到強烈侵蝕強度,面積占比為6.78%,侵蝕量占比高達20.12%,優先治理等級定為第一級。

基于聯合信息熵計算第一級的3個子流域的土地利用類型、坡度、海拔、降雨侵蝕力、土壤可蝕性與土壤侵蝕強度的空間相關性。結果表明3個子流域土壤侵蝕的主要影響因素皆為土地利用類型、坡度和海拔。

4 討論

4.1 湄公河流域土壤侵蝕情況

基于USLE模型,分析湄公河流域土壤侵蝕空間分布特征,結果表明湄公河流域土壤侵蝕模數范圍為0—5.26×104t km-2a-1,平均土壤侵蝕模數為1.98×103t km-2a-1,為輕度侵蝕。Hoang等研究指出該流域土壤侵蝕模數范圍為0—4.16×104t km-2a-1,與本研究結果相似,但 Suif等研究顯示該流域土壤侵蝕模數范圍為0—3.22×103t km-2a-1,其最高值僅為本研究結果的1/10,是由于USLE各因子計算過程中賦值標準的差異以及海拔等數據分辨率差異造成的,說明土壤侵蝕模數絕對值有效性需進一步規范。我們發現盡管各研究中土壤侵蝕模數絕對值有差異,但其空間分布規律是相似的,流域內大約10%的區域為強烈侵蝕,侵蝕量可達全流域總量的70%,主要包括上游部分地區(尤其是M4—M6、T4—T6)、中游的M7、T8、M9和T10四個子流域和下游的T20[33- 34]說明湄公河流域土壤侵蝕強烈區域較為集中,應引起其流經區域的高度重視,做好水土保持管理,減少強烈侵蝕的面積和侵蝕量。

表8 子流域優先治理次序

M: 干流 Main catchment; T: 支流 Tributary catchment

表9 子流域土壤侵蝕強度與土壤侵蝕因子的空間相關性

4.2 湄公河流域土壤侵蝕的主要因素

基于聯合信息熵發現土地利用類型、坡度和海拔是影響湄公河流域土壤侵蝕的主要因素。陳龍等研究指出湄公河流域上游瀾滄江段土壤侵蝕與坡度和海拔密切相關,姚華榮等對湄公河流域上游研究表明土地利用變化對土壤侵蝕變化具有一定影響[35- 36]。研究顯示裸地/稀疏植被是研究區侵蝕程度最嚴重的地區,較低的植被覆蓋使得植被根系固結土壤能力較弱,較薄的枯枝落葉層也使得降水可以直接沖擊地面,形成較強的雨滴濺蝕和地表徑流,加快該區域的侵蝕。研究還發現在海拔500—2000 m,坡度8—15°的灌叢地區是土壤侵蝕強烈的區域,由于該區域的降水較高,坡度較大,國內外研究證明,坡度與侵蝕強度之間有顯著正相關關系。相比之下,低海拔,低坡度,具有較大植被蓋度(林地、草地和農田)或受人類活動影響地面被大面積固化的建設用地土壤侵蝕較弱[33- 38]。因此,減少流域內裸地和稀疏植被面積,適當進行植樹造林等水土保持工程能有效緩解流域土壤侵蝕狀況。

4.3 湄公河流域土壤侵蝕優先治理區

基于優先級理論對湄公河子流域分析,33個子流域中M7、T5、T6達到強烈侵蝕,表明侵蝕量一般主要來自流域的一小部分區域[3,43- 44]。干流M7和支流T5、T6是湄公河水土流失治理中優先重點治理區,優先治理等級為第一級。通過聯合信息熵計算發現土地利用類型和坡度是這些區域土壤侵蝕治理應重點關注因素。因此,在其水土流失治理過程中,除了推廣新能源,減少自然林地和灌叢的開發利用外,應實施適地適樹措施,大力開展防護林和封山育林,增加林地和灌叢的覆蓋率,同時對旱地實施坡耕地退耕、改梯田平種,耕作、輪作和培肥為一體化的水保措施,以降低土壤侵蝕強度和土壤侵蝕量[41- 43]。此外,政府應加大對條件比較惡劣的居民區的扶持力度,增強基礎設施建設,減輕土壤侵蝕誘發的滑坡、泥石流等自然災害造成的損失。

5 結論

湄公河流域平均土壤侵蝕模數為1.98×103t km-2a-1,為輕度侵蝕, 40%區域存在不同程度侵蝕,部分地區達到強烈侵蝕強度,主要包括上游部分地區(干流M4—M6和支流T4—T6)、中游的M7、M9、T8、T10和下游的T20子流域,是未來土壤侵蝕重點治理區域。

湄公河流域土壤侵蝕主要影響因素為土地利用類型、坡度和海拔。其中,土地利用類型土壤侵蝕模數呈現,裸地/稀疏植被 > 灌叢 > 草地 > 旱地 > 林地 > 水澆地 > 濕地 > 水體、永久冰雪和城市建設用地；土壤侵蝕模數隨坡度的增加呈先增加后下降趨勢,于8—15°坡度帶達到峰值；土壤侵蝕模數隨海拔的上升呈先增加后下降趨勢,于500—1000 m范圍達到峰值。整體來看,劇烈程度土壤侵蝕主要發生在海拔為500—2000m,坡度為8—25°,土地利用類型為裸地/稀疏植被和灌木的地區。

基于優先級理論分析,33個子流域可以劃分為四個優先治理等級,其中21個子流域為微度和輕度侵蝕,優先治理等級為第四級和第三級。干流M7和支流T5、T6達到強烈侵蝕,優先治理等級為第一級,是湄公河流域水土流失治理時應優先考慮的區域。