2000-2018年皖南山區土壤侵蝕時空變化

管禮松, 郭偉玲, 李 鑫, 蔣婷婷

(安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院, 安徽 淮南 232001)

土壤侵蝕對生態環境的破壞，嚴重影響了人類社會的可持續發展，是當今人類面臨最普遍的災害，已受到國內外學者的廣泛關注[1]。我國是全球水土流失最嚴重的國家之一，2018年全國水土流失面積達2.74×106km2，其中水力侵蝕面積為1.15×106km2，占水土流失總面積的42.05%[2]。定期開展區域土壤侵蝕狀況調查，是對水土流失治理成效的客觀反映。我國對于區域土壤侵蝕評價一度時期是根據水利部頒布的《土壤侵蝕分級分類標準(SL190-2007)》[3]，該方法簡單實用，可操作性強，但也存在一些問題，如不能直接反映氣候、土壤的影響，不能全面反映水土保持措施的影響[4]。2000年，劉寶元等參考美國通用土壤流失方程(universal soil loss equation，USLE)[5]和修正通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation， RUSLE)[6]的有關思想，提出了更符合我國土壤侵蝕實際情況的中國土壤流失方程(Chinese soil loss equation， CSLE)[7]模型。考慮到我國與國外地形差異較大，該模型對陡坡地形因子進行了改進，并且將植被管理因子與水土保持措施因子劃分為生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子，更能真實反映我國的土壤侵蝕過程。USLE和RUSLE已被廣泛應用于區域土壤侵蝕評價，如程先富等[8]利用USLE模型對安徽省土壤侵蝕空間分布進行了定量分析以及探討環境因子的關系；趙明松等[9]基于GIS和RUSLE定量分析了安徽省土壤侵蝕及養分流失的空間分布特征；張乃夫等[10]以USLE為理論依據，探討降雨、土壤以及地形等因子對新安江流域土壤侵蝕的影響。在安徽省境內基于CSLE模型的土壤侵蝕研究報道較少。為此，本文嘗試采用CSLE模型對土壤侵蝕進行定量評價[11-13]，以安徽省皖南山區為研究區，估算研究區2000，2010，2018年土壤侵蝕狀況，分析2000—2018年皖南山區土壤侵蝕的時空變化特征，以期為皖南山區土壤侵蝕綜合治理以及生態環境恢復提供決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

皖南山區位于安徽省南部，介于東經116°31′—119°45′與北緯29°31′—31°之間，北邊與沿江平原相連，東南與江蘇、浙江交界，總面積達3.64×104km2。地貌以丘陵為主，低山為次，地形起伏變化劇烈且復雜，地表切割破碎，平均坡度為13°，最高海拔為1 816 m。該區域屬亞熱帶季風氣候，降雨量充沛，年降雨量達1 100～2 500 mm，但降雨時空分布不均勻，60%集中在5—8月間，年平均氣溫為15.5～16 ℃。土壤類型有基帶土壤的紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地酸性棕壤和山地灌叢草甸土，土層較薄，由于丘陵山區地形起伏大，加上水蝕較嚴重，粗骨土分布廣泛[14]。植被覆蓋率達60%以上，以馬尾松林、毛竹林為主。

1.2 研究方法

本研究采用由劉寶元提出的中國土壤流失方程(CSLE)，該模型適用于全國各地范圍，在全國水利普查和水土流失動態監測項目中得到應用[15-16]。模型公式為：

A=R·K·LS·B·E·T

(1)

式中：A表示年單位面積的土壤侵蝕量(t/hm2·a),1 t/(hm2·a)=100 t/(km2·a);R表示降雨侵蝕力因子(MJ·mm)/(h·hm2·a);K表示土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕;L表示坡長因子;S表示坡度因子;B表示生物措施因子;E表示工程措施因子;T表示耕作措施因子;L,S,B,E,T因子均為無量綱。

1.3 數據及數據源

研究區使用的主要數據包括： 安徽省79個氣象站點，2000，2010和2018年大于等于12 mm日降雨數據，來源于中國氣象數據網。 土壤數據為南京土壤所提供的1∶100萬土壤數據。 數字高程模型SRTM 30 m分辨率高程數據，來源于地理空間數據云。 土地利用類型數據為30 m分辨率，包括2000，2010和2018年3期數據。根據DEM分辨率大小，將上述因子重采樣成30 m，據公式(1)運算分析得到土壤侵蝕柵格圖層為30 m分辨率。

1.4 CSLE模型各因子算法

1.4.1 降雨侵蝕力因子R降雨侵蝕力因子的計算采用殷水清等[17]的基于日降雨量冷暖季估算模型(公式2)。利用安徽省79個氣象站點日降雨數據(2000，2010和2018年)，選取日降雨量≥12 mm的侵蝕性降雨數據[18]，通過克里金空間插值法生成安徽省年降雨侵蝕力圖層，空間分辨率為30 m。并使用皖南山區的矢量圖進行裁剪，得到研究區2000年、2010年和2018年的年降雨侵蝕力的柵格圖層(圖1)。

圖1 皖南山區2000，2010和2018年降雨侵蝕力分布

(2)

式中：Rd為日降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(h·hm2)〕;Pd為侵蝕性日降雨量(mm)(日雨量≥12 mm),若沒有侵蝕性降雨,則令Pd=0;暖季(5—9月)；α為0.393 7,冷季(10—4月)α為0.310 1。每月分為上下半月,1 a共24個半月。將日降雨侵蝕力累加到半月降雨侵蝕力,半月累加到年降雨侵蝕力。3期降雨侵蝕力整體分布自西南至東北呈對角線逐漸降低,2010年皖南山區降雨侵蝕力局部高達9 754.74 (MJ·mm)/(h·hm2),是造成山區水土流失的驅動因素。

1.4.2 土壤可蝕性K以1∶100萬世界土壤數據庫(HWSD)為基礎數據，采用Sharpley等[19]在EPIC模型中的K值計算方法(公式3)，獲取研究區土壤可蝕性K值分布圖(圖2)。K值計算公式為：

圖2 皖南山區土壤可蝕性因子分布

(3)

式中：SAN為砂粒含量(%);SIL為粉粒含量(%);CLA為黏粒含量(%);C為有機質含量(%); 其中SN1=1-SAN/100。K值為美制單位,換算成國際通用公制單位〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕,關系為:公制單位=0.131 7×美制單位。皖南山區東北區域主要分布有水稻土,土壤可蝕性雖然高,但是由于地形條件等原因,水土流失較輕微。

1.4.3 地形因子LS地形因子指的是坡度因子(S)和坡長因子(L)。坡度因子采用McCool等[20]緩坡公式和Liu等[21]陡坡公式來計算(公式4)；對于坡長因子的計算采用Wischmeier和Smith等[5]提出的經驗公式：

(4)

式中：θ為坡度(°);λ為坡長(m);m為可變的坡長指數。

基于研究區30 m分辨率DEM，采用張宏鳴開發的LS-Tool工具計算LS因子值[22-24]，得到研究區的LS因子分布圖(圖3)。其中，截斷因子設置為0.5和0.7，與全國第一次水利普查保持一致。

圖3 皖南山區LS因子分布

1.4.4 生物措施因子B生物措施因子指有植被覆蓋條件下的土地土壤流失量與同等條件下清耕休閑地的土壤流失量之比，一般介于0～1之間。CSLE將USLE/RUSLE中的植被管理因子C和水土保持措施因子P劃分為生物措施因子B、工程措施因子E和耕作措施因子T。參考前人的研究成果[8]，賦予不同土地利用類型的B值(表1)。根據B值，再結合土地利用圖生成生物措施因子圖(圖4)。從圖4可以看出，3期生物措施因子空間分布格局基本相同，但在2018年皖南東北地區的生物措施因子B值低于2000年和2010年，這說明植被在增多，能夠有效抑制土壤侵蝕發生。

表1 皖南山區不同土地利用類型生物措施因子

圖4 皖南山區2000，2010和2018年生物措施因子分布

1.4.5 工程措施因子E工程措施因子是指采取一定工程措施的土地土壤侵蝕量與同等條件下清耕休閑地的土壤侵蝕量之比。由于關于安徽省皖南山區水土保持措施工程因子研究的報道還很少見，需要進一步去研究。因此，本研究工程措施因子默認賦值為1。

1.4.6 耕作措施因子T耕作措施因子是指采取某種耕作措施的土壤流失量與同等條件下沒有采取任何耕作措施土壤流失量之比。根據當地人耕作習慣并結合前人研究成果[8]，對不同土地類型進行賦值，水田和旱地賦0.15和0.35，林地、草地和疏林地賦1，水域、居民地和未利用地賦0，得到皖南山區水土保持措施耕作措施因子圖(圖5)。從圖5看出，皖南山區2018年水土保持措施T值比2000年和2010年小，減小的區域主要分布在東北以及長江周邊地區，說明這些地區的水土保持措施有明顯的成效。

圖5 皖南山區2000，2010和2018年耕地措施因子分布

2 結果與分析

將研究區各因子值的柵格圖層通過ArcGIS地圖代數計算，得到研究區2000—2018年土壤侵蝕等級分布圖(圖6)。

圖6 皖南山區2000，2010和2018年土壤侵蝕等級分布

2.1 皖南山區土壤侵蝕時間變化特征

根據國家水利部發布的《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》，將土壤侵蝕程度劃分為微度侵蝕0～500 t/(km2·a)，輕度侵蝕500～2 500 t/(km2·a)，中度侵蝕2 500～5 000 t/(km2·a)，強烈侵蝕5 000～8 000 t/(km2·a)，極強烈侵蝕8 000～15 000 t/(km2·a)，劇烈侵蝕>15 000 t/(km2·a)，得到皖南山區2000，2010和2018年土壤侵蝕統計量結果(表2)。

表2 皖南山區2000，2010和2018年土壤侵蝕模數和各侵蝕強度侵蝕面積

皖南山區2000，2010和2018年的年均土壤侵蝕模數分別為1 554.35，2 518.31，1 737.09 t/(km2·a)，侵蝕強度表現出先增加后減少的趨勢，土壤侵蝕狀況從2000—2018年經歷了兩個階段：第一階段(2000—2010年)，土壤侵蝕狀況惡化，年均土壤侵蝕模數增加了963.96 t/(km2·a)；第二階段(2010—2018年)，年均土壤侵蝕模數減少了781.22 t/(km2·a)，土壤侵蝕程度減弱。2000年皖南山區水土流失面積達19 098.84 km2，占山區總面積的52.94%，其中輕度土壤侵蝕面積為14 442.93 km2，中度土壤侵蝕面積為2 061.83 km2，強烈及以上的土壤侵蝕面積為2 594.08 km2。2010年土壤侵蝕狀況加劇，水土流失面積達22 345.90 km2，占總面積的62.03%，比2000年增長了17.01%，輕度土壤侵蝕面積為14 155.05 km2，中度侵蝕面積為4 509.73 km2，強烈及以上土壤侵蝕面積為3 681.12 km2。2000—2010年土壤侵蝕的變化，主要與2010年的強降雨有關，導致水土流失面積的增加。截止到2018年，水土流失面積為19 977.74 km2，占總面積的55.38%，水土流失面積相比2010年雖有所減少，但仍然要比2000年多。將≥12 mm的降雨量作為侵蝕性降雨，統計得到皖南山區2000年、2010年和2018年年平均降雨量以及年降雨侵蝕力(圖7)。年降雨侵蝕力和年均降雨量明顯呈現出先上升后下降的趨勢，與土壤侵蝕變化一致。2010年年均降雨量為1 367.65 mm，比2000年增長了46.85%，但在2018年減少了21.4%。2000—2018年皖南山區降雨侵蝕力最高分布在西南地區，整體上呈從西南到東北逐漸降低的趨勢。

圖7 皖南山區2000-2018年年降雨侵蝕力和年降雨量

2.2 皖南山區土壤侵蝕空間變化特征

從土壤侵蝕等級分布圖來看，皖南山區2000年、2010年和2018年空間分布格局基本一致。2000年和2010年土壤侵蝕分布與程先富等[8]和趙明松等[9]研究結果相比，土壤侵蝕空間分布格局也基本一致。2000—2010年土壤侵蝕加劇，與趙明松等結論具有一致性。皖南山區地表切割破碎，地形起伏大，土壤侵蝕量也大。侵蝕區域主要分布在西南多山地區，微度侵蝕主要分布在東北區域和黃山市低山丘陵區以及長江周邊區域，輕度侵蝕均勻分布在整個皖南地區，中度至極強烈侵蝕主要分布在西南側多山地區，劇烈侵蝕發生在池州、銅陵東南側和黃山市周邊地區，是水土流失重點防治區域。

統計不同侵蝕強度面積轉移矩陣，得到2000—2018年土壤侵蝕強度轉移矩陣(表3—4)。2000年向2010年土壤侵蝕強度轉移中，微度至極強烈土壤侵蝕強度轉移變化明顯，其中微度侵蝕向輕度侵蝕轉移20.39%，輕度侵蝕向中度侵蝕轉移24.23%，中度侵蝕向強烈侵蝕轉移45.90%，強烈侵蝕轉移不明顯，而極強烈侵蝕向劇烈侵蝕轉移達到79.47%，表現為低強度等級往高強度等級轉移。2010年向2018年土壤侵蝕強度轉移中，輕度至劇烈侵蝕向低強度等級轉移變化較明顯，輕度侵蝕向微度侵蝕轉移17.99%，中度侵蝕向輕度侵蝕轉移60.34%，強烈侵蝕向中度侵蝕轉移74.37%，極強烈侵蝕向強烈侵蝕轉移54.36%，劇烈侵蝕向極強烈侵蝕轉移36.00%，總體表現為高強度等級往低強度等級轉移。從不同侵蝕強度面積轉移矩陣來看，2000—2018年先由低強度等級向高強度等級轉移，再由高強度等級轉向為低強度等級。

表3 皖南山區2000-2010年土壤侵蝕強度轉移矩陣 km2

表4 皖南山區2010-2018年土壤侵蝕強度轉移矩陣 km2

2.3 不同土地利用類型的土壤侵蝕分布特征

將皖南山區2000—2018年的土壤侵蝕圖和土地利用圖分別疊加分析，得到研究區不同土地利用類型和土壤侵蝕強度之間的關系(表5)。從土壤侵蝕強度等級來看總體分為兩個階段：從2000—2010年，耕地和林地中度及以上土壤侵蝕面積分別增長了543.66和2 779.98 km2；草地總體呈減少趨勢，劇烈侵蝕以下面積減少了730.23 km2，但劇烈侵蝕面積從880.70 km2增至1 596.09 km2。從2010—2018年，耕地和林地中度及以上侵蝕面積分別減少了421.5和2 146.52 km2，草地劇烈以下侵蝕面積增長了580.51 km2，劇烈侵蝕面積從1 596.09 km2減少至998.96 km2。

表5 皖南山區2000-2018年不同土地利用類型的土壤侵蝕強度面積 km2

由此可知，耕地以微度和輕度侵蝕為主，林地以中度及以下侵蝕為主，草地各種土壤侵蝕類型都有，水域、居民地和未利用地主要以微度侵蝕為主，且2000—2018年，水域侵蝕面積變化幅度較小，居民地和未利用地侵蝕面積逐漸增長，分別從2000年的817.1 km2增長到2018年的1 630.81 km2和從2000年的2.09 km2增至2018年的5.87 km2。

3 討論與結論

(1) 皖南山區2000，2010和2018年均土壤侵蝕模數分別為1 554.35，2 518.31，1 737.09 t/(km2·a)，呈先增后減的趨勢。2000—2010年，年均土壤侵蝕模數增加了963.96 t/(km2·a)；2010—2018年，年均土壤侵蝕模數減少了781.22 t/(km2·a)，土壤侵蝕狀況得到好轉。該土壤侵蝕變化趨勢與皖南山區降雨量有關，2000—2018年降雨量先增后減，且2010年降雨量最高達1 367.65 mm。

(2) 土壤侵蝕空間分布格局與前人研究結果基本一致，主要分布在西南山區。微度侵蝕分布在東北地區和黃山市低山丘陵區以及長江周邊地區，皖南地區整體呈輕度侵蝕，中度和極強烈侵蝕主要分布在西南山區，劇烈侵蝕分布在池州市和銅陵市東南以及黃山市周邊范圍。

(3) 2000—2010年皖南山區微度至極強烈向土壤侵蝕高強度轉移明顯，其中極強烈侵蝕轉移到劇烈侵蝕高達79.47%，表現為土壤侵蝕強度向高等級轉移。2010—2018年輕度至劇烈表現為向低強度等級轉移，最明顯為強烈侵蝕向中度侵蝕轉移了74.37%，土壤侵蝕強度向低等級轉換。

(4) 研究區不同土地利用類型中，耕地以微度和輕度侵蝕為主，林地以中度及以下侵蝕為主，且在2010—2018年耕地和林地中度及以上侵蝕面積在明顯減小，說明在水土保持綜合治理方面取得了一定的成效。

本研究在評價過程中土壤可蝕性K因子的計算采用的是1∶100萬土壤數據來計算，因子精度有待進一步提高。另外，在后續的研究中，將進一步探索皖南山區施行的工程措施，以期為研究區的水土流失綜合治理提供技術支撐。