福貢縣土壤侵蝕時空變化及其影響因素分析

李益敏, 劉師旖, 李盈盈, 吳博聞, 計培琨

(1.云南大學 地球科學學院, 昆明 650500; 2.云南省高校國產高分衛星遙感地質工程研究中心, 昆明 650500)

土壤侵蝕是當前改變地貌景觀的主要過程[1-2]。水土流失使土質變差，土地退化，農業減產，加劇崩滑流地質災害隱患發生，威脅生態環境和人類居住安全。中國是土壤侵蝕最嚴重的國家之一，土壤流失面積廣、侵蝕程度深。據水利部公布的2019年全國水土流失動態監測結果，全國土壤侵蝕面積達271.08萬km2，主要以水蝕和風蝕為主，西部地區水土流失最為嚴重，約占全國總水土流失面積的4/5[3]。目前土壤侵蝕研究以定量評價為主，研究主要集中在坡面、流域和區域3個尺度上；模型主要包括經驗模型和物理模型，物理模型有水蝕預報模型(WEPP)[4]和歐洲水蝕預報模型(EROSEM)等[5]。由于物理模型中的參數獲取困難，以經驗模型應用較多。運用廣泛的經驗模型是通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用水土流失方程(RUSLE)[6]。國內學者結合不同研究區域特點對RUSLE公式進行適當修正使其本地化[7-8]，典型且應用廣泛的是劉寶元的CLSE模型[9]。RUSLE因其考慮影響因子全面、模型簡單和所需數據易獲取等特點受到國內外眾多學者的青睞，已在中國多個地區開展相關研究并取得良好效果，如長江中下游地區[10]、黃土高原地區[11]、喀斯特地區[12]和滇南山區[13]。在土壤侵蝕影響因素研究方面，地理探測器是當前運用較為廣泛的方法之一[14-15]。地理探測器不僅可以揭示地理現象背后的驅動因子，也可以識別出地理現象的高風險區。

福貢縣位于滇西北高山峽谷地區，地處氣候交接區域和地震多發區，具有明顯的脆弱特征[16]。關于福貢縣土壤侵蝕資料主要從云南省土壤侵蝕成果中獲得[17]，難以反映小區域土壤侵蝕特征。本文以福貢縣為研究區，基于福貢縣2002年、2010年、2018年的遙感影像和降雨等數據，運用RUSLE模型開展福貢縣土壤侵蝕的時空變化及其影響因子研究，并利用地理探測器探討其驅動力因素。研究結果可為福貢縣土壤侵蝕防治、生態修復、退耕還林等措施提供科學依據，也可以為國土空間合理規劃提供參考。

1 研究區概況

福貢縣隸屬云南省怒江傈僳族自治州，地理坐標為東經98°41′—99°02′，北緯26°28′—27°32′，轄1鎮6鄉，縣政府駐上帕鎮(圖1)。國際河流怒江貫穿全境，境內流程128 km。研究區為高山峽谷地區，全境為狹長的高山峽谷地貌，地形起伏大，最高海拔4 304 m，最低海拔1 005 m，海拔高差達3 299 m，地勢東西高中間低，南北方向形成一個V字形。福貢縣土壤具有垂直分布特征，除黃紅壤、棕壤等常見土壤外，還有高海拔區域特有的高山灌叢草甸土。福貢縣自然資源豐富，動植物種類繁多，受印度洋季風氣候和太平洋季風氣候以及海拔高差和復雜地形環境的影響，境內氣候差異顯著且存在春季和夏秋兩個雨季。福貢縣土層疏松，地質災害頻發，耕地、道路和橋梁受地質災害影響嚴重[18]；陡坡開墾、采石、礦產資源開墾導致自然災害頻發，水土流失面積擴大，生態環境變差，阻礙當地經濟發展[19]。

圖1 研究區區位

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

降雨數據來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據中心(http:∥www.geodata.cn)；遙感數據來源于2002年、2010年和2018年的Landsat TM/OIL影像，均為1—2月數據；土壤質地類型數據來源于世界土壤數據庫(HWSD)，數據含有土壤粉砂以及有機碳含量等信息；NDVI數據來源于MOD13Q1數據產品(https:∥lpdaac.usgs.gov)，選取2002年、2010年和2018年1—12月的數據采用最大值合成法生成；數字高程模型(DEM)來源于ASTER GDEM V2全球數字高程數據，分辨率為30 m；土地利用數據是遙感影像經過輻射定標、幾何校正后解譯得到，對解譯結果進行了野外驗證。先從解譯結果中隨機選取50個樣本點，到實地檢驗土地利用樣本點準確度。驗證精度達84%，精度符合要求。其中，Landsat遙感影像和數字高程模型數據來源于地理空間數據(http:∥www.gscloud.cn/)。所有數據柵格大小均統一為30 m，坐標統一為：WGS_1984_UTM_47N。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤侵蝕模數計算 土壤侵蝕的預測方法很多，本文采用RUSLE模型計算土壤侵蝕模數和侵蝕量。其公式為：

A=R·K·LS·C·P

(1)

式中：A是土壤侵蝕模數[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蝕因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；K是土壤可蝕性因子[(t·h)/(MJ·mm)]；LS是地形因子；C是植被覆蓋因子；P是水土保持措施因子；其中，LS，C和P因子無量綱。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。R因子表征降雨引發土壤侵蝕現象的潛力。本研究采用楊子生[20]在云南金沙江流域土壤侵蝕計算中修訂的R因子計算方法。公式如下：

R=0.44488M0.96982

(2)

式中:M為年降雨量(mm)。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。K因子指土壤對侵蝕敏感程度水平。一般認為，質地越粗糙或者越細膩的土壤最不容易被侵蝕，質地處于中間水平程度的土壤最易受到侵蝕[21]。公式選擇Williams在EPIC模型中的方法[22]，如下：

(3)

K國=0.1317K美

(4)

式中：K國為國際制單位K值；K美為美制單位K值。

(3) 坡長坡度因子(LS)。LS是由L(坡長)和S(坡度)因子相乘得到，對土壤侵蝕起加速作用。坡長坡度因子值相對穩定。由于研究區位于西南土石山區，采用McCool等[24]和劉斌濤等[25]的計算方法計算坡度坡長因子，核心算法為：

(5)

(6)

式中:γ是坡長；m無量綱,其值取決于坡度的百分比值;θ為坡度(°)。

(4) 植被覆蓋因子(C)。土壤侵蝕與植被覆蓋度有直接的關系，植被覆蓋因子取值范圍為0～1，無量綱。本文采用蔡崇法等[26]的方法來計算植被覆蓋因子，修改公式如下：

(7)

式中的植被覆蓋度F由NDVI(歸一化植被指數)得到,公式如下:

(8)

(5) 水土保持措施因子(P)。水土保持措施因子衡量土地類型是否采取水土保持措施標準，取值范圍為0～1，不會產生土壤侵蝕的區域取0，無任何水土保持措施的區域取1。根據實地調查，結合前人的研究[27]，獲取不同土地利用類型的水土保持措施因子值，見表1。

2.2.2 地理探測器 地理探測器是Wang Jinfeng[28-29]基于空間方差理論提出的一種分析地理現象空間異質性的新統計學方法;該模型最大的特征為無假設條件，能避免人為主觀性的影響，能有效識別多因子間的關系。本文主要利用地理探測器中的因子探測器、風險探測器和交互作用探測器這3個模塊對可能影響福貢縣土壤侵蝕的5類因子(年均降雨量、海拔、坡度、植被覆蓋度和土地利用類型)進行定量分析。因子探測器用因子解釋力(q值)來量化M對屬性N的解釋程度，其值為0～1，數值越大說明影響因子對土壤侵蝕的解釋力越強；p值是用來判斷各因子是否通過顯著性檢驗，p<0.05，因子通過顯著性檢驗；交互作用探測器是判別土壤侵蝕兩個影響因子間的作用，可通過比較單一因子和多因子間的q值來衡量其對土壤侵蝕的影響程度；在土壤侵蝕研究中風險探測器主要用來確定易發生土壤侵蝕的影響因子數值范圍。根據前人的研究[14,29-30]，將上述5類因子進行離散化處理，將年均降雨量和海拔用自然間斷法分為9類，坡度分為8類(<5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，30°～35°，>35°)，植被覆蓋度分成8類(<0.3，0.3～0.4，0.4～0.5，0.5～0.6，0.6～0.7，0.7～0.8，0.8～0.9，0.9～1.0)，土地利用類型按照類別進行劃分，為林地、草地、耕地、建設用地、水體、冰雪覆蓋地、未利用土地。在ArcGIS中使用漁網工具對研究區進行網格劃分，采樣間距為500 m，剔除異常值后共選取14 191個點作為計算數據。

表1 不同土地類型水土保持措施因子

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕時空變化分析

將上述得到的土壤侵蝕各因子進行計算得到福貢縣土壤侵蝕模數。福貢縣平均土壤侵蝕模數為10.71 t/(km2·a)，平均土壤侵蝕量為2.952 1×104t。根據我國土壤侵蝕標準[31]對福貢縣土壤侵蝕強度進行分級，分別統計3個時期的土壤侵蝕模數平均數值、土壤侵蝕面積(表2)。結果表明，福貢縣主要以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，土壤侵蝕強度分布廣且程度較低，3個時期研究區的微度侵蝕和輕度侵蝕面積均占研究區土壤侵蝕強度總面積的91%以上；中度侵蝕以上等級占土壤侵蝕強度總面積的1%～3%；土壤侵蝕狀況較輕。該區域2002年、2010年和2018年年均土壤侵蝕模數呈現持續下降趨勢，分別為14.39，9.12，8.62 t/(km2·a)。2002—2018年福貢縣土壤侵蝕不同強度面積變化顯著。2002年、2010年和2018年微度侵蝕面積從1 670.23 km2增加至1 724.71 km2，1 933.44 km2，輕度侵蝕從846.85 km2下降到821.51 km2，622.48 km2，輕度侵蝕、中度侵蝕和劇烈侵蝕面積減少趨勢明顯，高等級侵蝕向低等級侵蝕不斷轉移；強烈侵蝕和極強烈侵蝕面積先升后降?？傮w來看，福貢縣土壤侵蝕強度以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，年均侵蝕模數逐漸變小，輕度、中度和劇烈侵蝕面積近16 a來明顯下降；表明福貢縣土壤侵蝕狀況出現好轉，這與國家退耕還林還草工程和國家生態文明建設息息相關。

2002—2018年，福貢縣土壤侵蝕空間分布格局大致相似，但局部差異明顯(圖2)。從土壤侵蝕強度分布看，福貢縣土壤侵蝕嚴重的地方主要分布在怒江兩岸，以極強烈侵蝕和劇烈侵蝕為主，2002—2018年怒江兩岸土壤侵蝕得到緩解，圖斑呈現細小化，怒江兩岸北部地區極強烈和劇烈侵蝕已基本轉化為中度侵蝕以下，中南部地區還存在大面積高等級侵蝕。上帕鎮以北地區人口約占福貢縣總人口的30%，人類生產活動相較于南部(匹河鄉、子里甲鄉、架科底鄉和上帕鎮)不太活躍；對各鄉鎮耕地面積進行統計，北部耕地面積占總耕地的36.39%，南部耕地占總耕地的63.61%；人類活動的活躍會加重土壤侵蝕現象。東、西部高海拔地區存在小面積高等級侵蝕，通過疊加谷歌影像可知，土壤侵蝕強度大的高海拔地區多為冰川覆蓋地和荒草地交界處，這些地方坡陡，植被覆蓋度低，且受到全球氣候變暖影響，冰川消融后原冰川地類轉化為裸土巖或荒草地，易造成土壤侵蝕加重現象。

表2 不同年份土壤侵蝕強度面積

為了更好地揭示福貢縣土壤侵蝕空間變化，通過ArcGIS的空間疊加分析得到福貢縣土壤侵蝕強度時空變化轉移矩陣表(表3)。2002—2010年土壤侵蝕在微、輕和中度侵蝕強度間轉化明顯，有210.78 km2的輕度侵蝕轉化為微度侵蝕，26.11 km2的中度侵蝕向輕度侵蝕轉化；低侵蝕強度轉化為高侵蝕強度的面積為278.80 km2，高侵蝕強度轉化為低侵蝕強度的面積為384.01 km2。2010—2018年土壤侵蝕強度的轉化和2002—2010年相似，有316.78 km2的輕度侵蝕面積向微度侵蝕轉化；低侵蝕強度轉化為高侵蝕強度的面積為236.69 km2，高侵蝕強度轉化為低侵蝕強度的面積為449.37 km2。2002—2010年強烈侵蝕和極強烈侵蝕強度面積增加42.17 km2，增幅達59.20%；通過對強烈和極強烈侵蝕中各地類所占面積比重進行統計，發現強烈和極強烈侵蝕等級中耕地是所有土地利用類型中面積占比最多的地類。

疊加土地利用類型圖、坡度圖以及這兩個土壤侵蝕等級分布圖進行統計后得到圖3。由圖可知：坡度>25°的耕地在強烈侵蝕和極強烈侵蝕中的面積變化主導著強烈侵蝕和極強烈侵蝕整體面積變化。坡度>25°的耕地中侵蝕等級的差異性主要受到所在區域的降雨、耕作水平、耕作方式和作物類型的影響。總體來看，2002—2018年74.73%以上的區域土壤侵蝕強度沒有變化；低侵蝕強度轉化為高侵蝕強度的比率小于高侵蝕強度轉化為低侵蝕強度，侵蝕強度的轉化主要集中在微度、輕度和中度。

圖2 2002-2018年福貢縣土壤侵蝕強度空間分布

表3 2002—2010年、2010—2018年、2002—2018年福貢縣土壤侵蝕強度轉移矩陣 km2

圖3 侵蝕等級面積與坡耕地面積關系

3.2 土壤侵蝕影響因子分析

基于地理探測器中的因子探測器探討各個影響因子對土壤侵蝕空間分異特征的解釋力q值和顯著性檢驗值(p值)(表4)。結果表明，選取的影響因子的p值均小于0.05，各個影響因子對土壤侵蝕的分布有明顯的作用。福貢縣各因子的貢獻力大小依次為：土地利用類型、植被覆蓋度、年均降雨量、海拔、坡度。土地利用類型的q值最高，貢獻率為63.28%，表明土地利用類型對土壤侵蝕的貢獻最大，是主導因子；坡度的q值最小，貢獻率為0.17%，對福貢縣土壤侵蝕影響程度最小。上述的自然和人為因素共同影響著福貢縣土壤侵蝕的空間分布。其中，土地利用類型比海拔和年均降水量的q值高，說明人類工程活動對福貢縣的土壤侵蝕影響顯著。

交互探測器的結果顯示(表5)，不同土壤侵蝕影響因子交互后的解釋力大于單個因子。土地利用類型因子和其他因子疊加均排在第一，具有較強的解釋力；其中，坡度因子和土地利用類型因子疊加q值最高，意味著不同的坡度和土地利用類型間土壤侵蝕程度具有明顯的區別。土地利用類型因子和植被覆蓋度因子交互作用的q值是0.670 3，植被覆蓋度單因子q值是0.027 4，證明了實施退耕還林還草工程的重要性，因此改善土壤侵蝕現象可通過對(坡)耕地和未利用土地進行生態修復，植樹種草，從而增加林草地的面積，提高植被覆蓋度，減少地表徑流，增強下滲能力，抑制土壤侵蝕的發生。

表4 各影響因子的q值和p值

表5 土壤侵蝕影響因子交互作用下的q值

風險探測器計算的結果可對土壤侵蝕高風險區域進行識別。海拔1 005～1 523 m、坡度>35°、年均降雨量1 482～1 671 mm、植被覆蓋度<0.3，土地利用類型為未利用土地的區域為福貢縣的高風險區。植被覆蓋度的高風險地區在<0.3的區間內，疊加土壤侵蝕分布圖和植被覆蓋度分布圖發現，植被覆蓋度越大對土壤侵蝕的抑制作用越明顯。土地利用類型中未利用土地為最易發生土壤侵蝕的地類，平均土壤侵蝕強度為511.79 t/(km2·a)，也是各影響因子中q值最高；福貢縣的未利用土地主要以裸土地為主，環境差、植被覆蓋度低且未采取任何水土保持措施。當坡度大于35°時，易發生土壤侵蝕；坡度越陡發生土壤侵蝕的風險就越高，當坡度達到一定閾值時樹木可能因自身產生的重力產生傾斜姿態無法存活，樹木存活率低，植被覆蓋度低，相應的土地利用類型為草地或未利用土地，固土能力差，降雨直接沖刷地面，導致侵蝕量增加。在雨量相對豐富、植被覆蓋度較低的地區，流水對坡面土壤作用強烈，易發生水土流失現象。

土地利用類型因子是該研究區土壤侵蝕的主要影響因子，不同土地利用類型的土壤侵蝕強度有差別。對福貢縣各個土地利用類型的土壤侵蝕平均模數和面積占比進行比較分析(表6)；根據平均侵蝕強度大小，土地利用類型依次排列為未利用地、耕地、草地、林地、建設用地、水體和冰雪覆蓋地。未利用土地面積占比為0.47%，大多分布在福貢縣高海拔地區，小部分在怒江沿岸分布，均未采取水土保持措施。水體、冰雪覆蓋地和建設用地因在P因子中賦值均為0，則認為這3種地類在一定程度上對土壤侵蝕無作用。林地和草地的植被覆蓋度較高，侵蝕強度較小。耕地面積占比為5.05%，土壤侵蝕平均模數為89.32 t/(km2·a)，主要分布在怒江沿岸，是人類活動的集中區。結合地理探測器分析結果和福貢縣土地利用類型面積占比和分布情況，坡耕地應為福貢縣土壤侵蝕治理的重點區域，需要繼續實施退耕還林政策。

表6 不同土地利用類型土壤侵蝕平均模數及面積占比

3 討 論

影響福貢縣土壤侵蝕的因子較多。福貢縣地形復雜且起伏大，東邊有高黎貢山西邊有碧羅雪山，降水強度大且有雙雨季，多因子間協同作用構成土壤侵蝕的空間格局。其中，土地利用類型是福貢縣土壤侵蝕的主控因素，坡耕地應成為土壤侵蝕治理的重點區域。

區域土壤侵蝕的變化特征與國家政策和人類生態環境保護意識密切相關。陡坡墾殖是福貢縣土壤侵蝕嚴重的一個主要原因，福貢縣坡度>25°的國土面積占總國土面積的78%。福貢縣自實施退耕還林還草工程和生態文明建設以來，實施效果較好，有效減少了坡耕地，土壤侵蝕得到一定緩解。坡度>25°的耕地面積在總國土面積中的占比由2002年的4.51%減少到2010年的4.21%至2018年的3.47%。繼續開展的第二輪退耕還林政策中，一些零星分布，質量較差的農田不應劃入基本農田保護范圍。對坡耕地進行合理規劃，宜農則農，宜林則林，積極探索生態環境可持續發展和經濟發展的平衡點，結合退耕還林政策推動高山峽谷地區草果、云黃連、漆樹等特色林業發展，實現以林致富；還可發揮怒江獨特自然景觀和民族文化優勢，打造特色旅游品牌。

福貢縣為高山峽谷區，生態環境脆弱，修路、開礦等人類干擾和地質災害發生對生態環境影響較大，水土保持任務艱巨。怒江州“美麗公路”項目于2017年8月開工，途經福貢縣，沿線的生態環境遭到一定破壞，會加劇土壤侵蝕現象，公路沿線及影響區應作為國土空間生態修復的重要區域，確定公路保護區邊界，防止開礦采石造成水土流失或地質災害。

4 結 論

(1) 福貢縣2002—2010—2018年的土壤侵蝕強度主要以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，均占研究區土壤侵蝕強度面積的91%以上，其他侵蝕等級較少。三年的年均土壤侵蝕模數分別為14.39，9.12，8.62 t/(km2·a)，模數持續下降，土壤侵蝕呈現改善趨勢。

(2) 福貢縣土壤侵蝕嚴重的地方主要分布在怒江兩岸。通過土壤侵蝕轉移矩陣可知，近16 a福貢縣74%以上的區域土壤侵蝕強度沒有發生改變；2002—2018年低侵蝕強度轉換為高侵蝕強度的比率小于高侵蝕強度轉換為低侵蝕強度的比率。福貢縣總體土壤侵蝕現象出現好轉，土壤侵蝕區域得到有效抑制。

(3) 運用地理探測器方法分析得到土壤侵蝕影響因子解釋力，其大小依次為：土地利用類型、植被覆蓋度、年均降雨量、海拔、坡度；土地利用類型因子的q值最大，是福貢縣土壤侵蝕的主要影響因子。識別的福貢縣高風險區位于海拔1 005～1 523 m、坡度>35°、年均降雨量1 482～1 671 mm、植被覆蓋度<0.3，土地利用類型為未利用土地的區域；這些地區應列為關注區，加強水土流失治理。結合福貢縣實際情況，坡耕地應為福貢縣土壤侵蝕治理的重點區域。