基于CSLE的南雄市土壤侵蝕評價及主成分因子分析

李新堯，張曉遠，劉朱婷

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

土壤侵蝕使土地資源遭到破壞和惡化，淤塞河道，污染水質，對農業生產活動和人民生命財產安全造成嚴重威脅，是我國南方紅壤區最嚴峻的生態環境問題之一[1-2]。定量計算土壤侵蝕模數、強度和面積，明確土壤侵蝕空間分布規律和影響因素，對于區域制定科學合理的水土保持措施至關重要。在眾多土壤侵蝕定量測度方法中，通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)和修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)是應用最廣泛的技術方法[3-4]。但USLE和RUSLE都是一種經驗模型，是美國學者依據當地的試驗觀測數據模擬建立的，并不完全適用我國特有自然地理條件下的土壤侵蝕估算[5]。2001年，劉寶元等人利用中國的實測數據，以通用土壤流失方程為藍本構建出中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE)，該方程充分考慮了我國的水土流失特點，在黃土高原區、西南喀斯特區等區域土壤侵蝕定量研究中得到成功應用[6-8]。

南雄市位于粵北水土保持生態建設的重要位置[9]，研究其土壤侵蝕分布規律和主導因子對于粵北山地丘陵區水土保持工作開展具有重要指導意義。本文基于中國土壤流失方程，對南雄市土壤侵蝕空間分布特征進行定量分析，并通過主成分分析法研究了各土壤侵蝕因子的貢獻度，以期為研究區進行水土保持規劃和生態文明建設提供科學依據。

1 研究區概況

南雄市地處廣東省東北部、北江上游，地理位置為E113°55′～114°44′、N24°57′～25°25′，北、東、東南三面分別毗鄰江西省大余縣、信豐縣和全南縣，西、西南分別與廣東省仁化縣、始興縣接壤，市域總面積為2 402 km2。南雄市地處南嶺山脈腹地，南北兩面群山連綿，中部丘陵起伏，地形上也稱“南雄盆地”。該地屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫為19.7℃，年平均降水量為1 515 mm。土壤類型以紅壤、赤紅壤為主，抗蝕性較弱，母巖易風化。南雄市是廣東省北部重要的水土保持生態維護區，被劃入北江上中游省級水土流失重點預防區[10]。由于降水年內分布不均且強度大，加之山地、丘陵為主的特殊地貌和人類生產活動的深刻影響，使該地區水土流失具有點多、面廣、易發等特點。

2 數據與方法

2.1 研究數據

本文收集并處理的基礎數據：

1) 覆蓋南雄市的高分1號(GF1C、GF1D)衛星影像：來源于中國資源衛星應用中心，其中GF1C影像1景，成像時間為2021年2月18日，GF1D影像2景，成像時間分別為2021年1月1日和2021年2月15日，空間分辨率都為2 m。該數據用于更新解譯南雄市土地利用類型和部分水土保持工程措施。根據解譯的土地利用數據對輪作區字段賦值，生成耕作措施因子柵格數據。

2) 降雨數據：南雄市及其周邊雨量站1986—2015年月平均降雨數據，用于計算降雨侵蝕力因子。

3) 土壤可蝕性成果數據：采用第一次全國水利普查水土保持情況普查土壤可蝕性因子成果，提取南雄市土壤可蝕性因子數據。

4) DEM數據：收集南雄市1：50 000比例尺的DEM數據，用于計算坡長因子和坡度因子。

5) MODIS歸一化植被指數產品數據：在美國地質調查局(USGS)官網下載覆蓋南雄市范圍250 m空間分辨率的MODIS-NDVI產品(MOD13Q1)，數據時間序列為2018—2020年，共69景，該數據用于計算植被覆蓋與生物措施因子。

6) 南雄市近年實施的水土保持工程項目資料，按照不同的工程措施類型進行因子賦值，經重采樣生成水土保持工程措施因子柵格數據。

2.2 研究方法

2.2.1土壤侵蝕模數計算方法

南雄市地處南方紅壤區，土壤侵蝕類型為水力侵蝕，采用中國土壤流失方程[11]計算土壤侵蝕模數，該方程針對中國的水土流失特點建立提出，對不同空間尺度的水力侵蝕區具有較好的適用性。方程基本形式為：

A=RKLSBET

(1)

式中:

A——土壤侵蝕模數，t/(hm2·a)；

R——降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；

K——土壤可蝕性因子，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；

L和S——坡長因子和坡度因子，無量綱；

B——植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；

E——工程措施因子，無量綱；

T——耕作措施因子，無量綱。

由于上述土壤侵蝕因子計算方法已經較為成熟，這里不再贅述。

基于中國土壤流失方程和計算獲取的各土壤侵蝕因子，在ArcGIS10.2軟件中利用柵格計算器工具(Raster Calculator)進行柵格圖層的疊加計算，得到基于柵格像元的土壤侵蝕模數值，再根據相關土壤侵蝕分級分類標準對其進行重分類，得到研究區土壤侵蝕強度空間分布柵格，最后進行土壤侵蝕空間可視化制圖和柵格統計分析。

2.2.2土壤侵蝕因子貢獻度分析方法

基于R、K、L、S、B、E、T這7個土壤侵蝕因子柵格圖層，利用ArcGIS空間分析中的值提取至點功能，提取采樣點(隨機選取755組)各侵蝕因子像元值。使用SPSS軟件對各土壤侵蝕因子進行相關分析，若不同侵蝕因子之間具有顯著相關性，則將其降維，采用主成分分析法PCA(Principal Component Analysis)[12-13]，確定主成分，分析各土壤侵蝕因子的貢獻度。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕空間分布特征

在ArcGIS軟件中，利用柵格計算器計算研究區土壤侵蝕模數，根據土壤侵蝕模數大小將其重分類為輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈5個級別，制作土壤侵蝕強度空間分布示意(見圖1)，并統計不同土壤侵蝕強度的面積和占比。

圖1 2021年南雄市土壤侵蝕強度空間分布示意

根據計算結果，2021年南雄市土壤侵蝕面積(輕度及以上)為242.37km2，占南雄市國土面積的10.09%；土壤侵蝕模數在0～73 691.7 t/(km2·a)，平均侵蝕模數為193.1 t/(km2·a)。侵蝕強度以輕度為主，面積為226.91km2，占土壤侵蝕總面積的93.61%；其次中度侵蝕面積為10.56km2，占土壤侵蝕總面積的4.36%；強烈侵蝕面積為4.04 km2，占土壤侵蝕總面積的1.67%；極強烈侵蝕面積為0.82 km2，占土壤侵蝕總面積的0.34%；劇烈蝕面積為0.04 km2，占土壤侵蝕總面積的0.02%。從土壤侵蝕空間分布特征來看，輕度侵蝕主要分布于南雄盆地周邊坡度較大的有林地或疏林地，中度及以上侵蝕則分布于受人為活動影響較大的人為擾動用地。

3.2 土壤侵蝕因子貢獻度分析

南雄市土壤侵蝕空間分布特征受到7個土壤侵蝕因子的共同影響，但不同因子的影響程度有主次之分，為了探討影響南雄市土壤侵蝕的主要因子，利用主成分分析法分析各土壤侵蝕因子的貢獻度。首先利用SPSS軟件對755組樣本數據進行相關分析，得知各土壤侵蝕因子之間具有顯著的相關性，KMO檢驗的值為0.747，適合進行主成分分析。采用主成分分析法，提取土壤侵蝕因子中特征值大于1的因子(見表1所示)，共提取了4個因子，每個主成分因子解釋原有7個因子總方差百分比分別為38.091%、16.768%、16.392%和14.804%，總共解釋了原有變量總方差的86.055%。總體上，提取的4個主成分信息丟失較少，效果較為理想，因此，采用這4個主成分因子對原有的7個因子進行降維。

表1 主成分因子的特征值及貢獻率

使用最大方差旋轉方法對研究數據進行旋轉，以便找出各主成分與侵蝕因子的對應關系。根據旋轉后的因子載荷系數(見表2)，可以看出坡長因子L、坡度因子S、植被覆蓋與生物措施因子B可歸為第1個主成分，土壤可蝕性因子K和耕作措施因子T可歸為第2個主成分，工程措施因子E和耕作措施因子T可歸為第3個主成分，降雨侵蝕力因子R可單獨歸為1個主成分，這說明L、S、B，K、T，E、T，R分別代表著同類型的指標，同一主成分的因子之間具有一定的聯系。

根據表2還可以看出，降雨侵蝕力因子R對研究區土壤侵蝕的貢獻度最高，其在第4主成分上的因子載荷系數為0.955，公因子方差為0.940，這是因為降雨侵蝕力是一個綜合指標，能全面反映當地的降水、地形、地表覆蓋等狀況，加之南雄市處于華南丘陵地區，侵蝕性降雨多，對土壤侵蝕強度有直接影響。坡度因子S和坡長因子L在第1主成分上的因子載荷系數都大于0.9，公因子方差分別為0.933、0.913，這說明坡度因子S和坡長因子L對土壤侵蝕也有較大影響，因而土壤侵蝕多發生在坡度較大的山丘區。工程措施因子E、植被覆蓋與生物措施因子B分別與第3、第1主成分密切相關，其公因子方差均超過了0.86，是影響土壤侵蝕的次要因子。土壤可蝕性因子K和耕作措施因子T與第2主成分都有較強關系，對土壤侵蝕也有一定的影響，但二者重要性是7個因子最低的。

表2 旋轉后的因子載荷系數

4 結語

通過CSLE定量研究南雄市土壤侵蝕空間分布特征，并分析了各侵蝕因子的貢獻度。南雄市土壤侵蝕面積共242.37 km2，占土地總面積的10.09%。侵蝕強度以輕度為主，面積占土壤侵蝕總面積的93.61%，主要分布于南雄盆地周邊坡度較大的有林地或疏林地；中度及以上侵蝕面積占比較小，分布于受人為活動影響較大的人為擾動用地。7個土壤侵蝕因子之間具有明顯的相關性，可歸為4個主成分，其中降雨侵蝕力因子對南雄市土壤侵蝕的貢獻度最高，其次是坡度因子和坡長因子，再次是工程措施因子、植被覆蓋與生物措施因子，土壤可蝕性因子和耕作措施因子對土壤侵蝕的貢獻度最低。

根據南雄市土壤侵蝕分布特征和主要影響因子，其土壤侵蝕以林地上的輕度侵蝕(自然侵蝕)為主，兼之人為擾動用地上的小范圍中度侵蝕(人為侵蝕)，自然侵蝕主要受到高強度降雨、地形坡度坡長較大等因素的影響，人為侵蝕主要是由于植被破壞、沒有采取有效的水土保持措施等。針對不同類型的侵蝕應采取不同的應對措施，對有自然侵蝕的林地，應通過封育保護、對采伐跡地進行補植補種等措施，提高植被覆蓋度，減少降雨侵蝕；對水土保持效果不良的桉樹林及低效林進行林分改造，營造林下植被，抑制林下水土流失。對造成人為侵蝕的生產建設項目，應采取攔擋、覆蓋等臨時措施，及時對裸露地表進行植被恢復，以避免強降雨直接對地表進行沖刷，從而有效控制人為水土流失。