基于RUSLE模型的重慶土地利用變化及土壤侵蝕特征分析

高泗強，劉 琪，羅 歆

(1.北京林淼生態環境技術有限公司，北京 100085； 2.重慶市沙坪壩區農業農村委員會，重慶 400030)

土壤侵蝕是全球土壤退化主要形式和重要環境問題之一[1]，指的是土壤和其母質在水力、風力、凍融及重力等作用下被剝蝕、破壞、搬運及沉積的過程[2]。引起土壤侵蝕變化的因子很多，人類活動可加速土壤侵蝕。土壤侵蝕破壞土地資源、加劇洪澇災害、造成土壤養分流失并降低肥力和農作物產量[3]。我國土壤侵蝕較嚴重，據第二次全國土壤侵蝕遙感調查，土壤流失量達49.80億t[4]，大量土壤流失威脅區域生態安全，開展土壤侵蝕特征研究迫在眉睫。目前，國內對于土壤侵蝕的研究主要集中在時空動態變化特征[5-9]、土壤侵蝕與養分流失特征分析[10-13]、土壤侵蝕驅動力[14]等方面。在土壤侵蝕時空動態變化特征方面，姚昆等[5]采用RUSLE模型、空間疊置和線性回歸方程等方法，發現川西南山地區有50%以上區域存在明顯土壤侵蝕現象，超95%地區土壤侵蝕程度呈顯著好轉和未發生改變狀態；陳峰等[6]研究發現，微度和輕度侵蝕占云陽侵蝕面積比例80%左右，輕度和中度侵蝕構成50%的全年土壤侵蝕總量，土壤侵蝕分布與海拔、坡度相關性較大；在黃河上游典型區域湟水流域，不同土地利用類型和不同坡度下的土壤侵蝕強度均有所降低，其中耕地的減幅最大，為20.58%[7]。研究尺度主要集中在省域，如寧夏[8]、湖北[9]、云南[10]等。在土壤侵蝕及養分流失特征方面，發現土壤養分及有機質隨侵蝕泥沙及地表徑流遷移[10]，如：王永平等[11]發現滇南小流域土壤侵蝕強度大小表現為耕地>草地>林地，不同土地利用方式影響土壤養分含量分布和流失量，其中林地土壤養分流失量最小。趙明松等[12]發現安徽省因土壤侵蝕引起的土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀等養分流失總量為106.6萬t/a，土壤養分流失量由北向南逐漸增多。在土壤侵蝕驅動力方面，土地利用/覆被變化引起土壤侵蝕效應主要受人口增長、經濟和政策等驅動[14]，如：李益敏等[15]研究發現土地利用類型是福貢縣土壤侵蝕的主要影響因子，影響程度大小為土地利用類型>植被覆蓋度>年均降雨量>海拔>坡度；姚昆等[16]采用地理探測器和RUSLE模型，發現植被覆蓋度、降水和高程是驅動岷江上游地區土壤侵蝕強度空間分布格局形成和改變的主要因素。

重慶市地處三峽庫區腹心地帶，是長江流域的重要生態屏障。隨著經濟社會快速發展，土地利用/覆被變化明顯，重慶市土壤侵蝕及土壤保持狀況也發生明顯變化，研究重慶市土壤侵蝕特征及土地利用類型變化對長江流域生態環境建設至關重要。因此，本研究以重慶市為研究對象，采用RUSLE模型，分析2015年重慶市土壤侵蝕特征、縣域尺度土壤侵蝕變化特征、不同土地利用類型土壤侵蝕特征，以期為重慶市可持續發展及生態安全提供科學依據。

1 研究區概況

重慶市地處我國西南部，位于長江上游，介于北緯28°10′～32°13′、東經105°11′～110°11′之間，東西長470 km，南北寬450 km，總土地面積8.24萬km2，是長江流域重要侵蝕地帶和長江上游最大經濟中心。地勢由南北向長江河谷逐級降低，東南部、東北部海拔高，中部和西部海拔低，東南部緊鄰大巴山、武陵山兩大山脈，坡地較多。地形以丘陵和山地為主，山地面積占76%，丘陵占22%。海拔500 m以下面積3.18萬km2，占總土地面積的38.59%；海拔500～800 m面積達2.09萬km2，占25.36%。土壤類型以黃壤和紫色土為主。屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，平均氣溫18.4 ℃，雨熱同期，冬暖春早，夏熱秋涼，四季分明。降水較豐富，大部分地區年均1 000～1 350 mm，降水集中在5—9月，占全年總降水量的70%。山地多、坡度大和降雨分配不均等導致土壤侵蝕較劇烈。全市森林覆蓋率由直轄初的21%提高至2015年的45%，林木蓄積量由0.72億m3增加到2.0億m3，增長178%，林草植被覆蓋逐步增加，生態環境明顯趨好。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

采用2015年Landsat遙感影像數據(來源于地理空間數據云)，空間分辨率30 m。影像在ENVI中進行裁剪拼接、幾何糾正、大氣校正等預處理，解譯精度達85%以上，符合研究精度要求。將土地利用分類為耕地(水田和旱地)、林地、草地、水域、建設用地和未利用地等6類。土壤數據來源于聯合國糧農組織(FAO)和維也納國際應用系統研究所(IIASA)構建的世界和諧土壤數據庫(HWSD)，空間分辨率為1 km[10]。降雨數據來源于重慶市及周邊15個氣象站2000—2015年逐月降水資料。數字高程模型DEM來自中國科學院地理空間數據云平臺，空間分辨率為30 m。

2.2 研究方法

采用RUSLE模型和GIS技術研究重慶市土壤侵蝕空間分布特征。RUSLE模型公式為

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A為單位面積土壤侵蝕量,t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJmm/(hm2ha)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；LS為坡長坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

2.2.1 降雨侵蝕力因子(R)估算

降雨侵蝕力因子(R)反映降雨因素對土壤侵蝕的潛在作用，一般采用簡易公式計算。根據史東梅等[17-18]對重慶市降雨侵蝕力計算模型適宜性研究結果，計算公式為

R=0.011 3P1.734

(2)

式中：P為年降雨量，mm。

2.2.2 土壤可蝕性因子(K)估算

土壤可蝕性因子(K)反映土壤承受侵蝕動力剝蝕及搬運的敏感性，計算公式[19]為

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(3)

(4)

式中:KEPIC為修正前的土壤可蝕性因子，thm2h/(MJmm·hm2)；SAN為砂粒含量，%；SIL為粉砂含量，%；CLA為黏粒含量，%；C為有機碳含量，%。

2.2.3 坡度坡長因子(LS)估算

坡度坡長因子反映地形特征對土壤侵蝕的影響，L因子采用WISCHMEIER et al.[20]提出的公式計算；S因子，緩坡采用MCCOOL et al.[21]提出的公式，陡坡(≥14°)采用LIU et al.[22]提出的公式。

2.2.4 植被覆蓋與管理因子(C)估算

植被覆蓋與管理因子反映地表植被覆蓋對侵蝕的阻礙作用，采用賦值法，取值在0～1之間，其中水田取0.12，旱地取0.31，林地取0.02，草地取0.03，其他地類取0[23]。

2.2.5 水土保持措施因子(P)估算

水土保持措施因子反映采用水土保持措施后侵蝕的減小程度，采用賦值法，取值在0～1之間，其中水田取0.01，旱地取0.4，林地取1，草地取0.8，其他地類取0[23]。

3 結果分析

3.1 土壤侵蝕空間分布特征

重慶市2015年土壤侵蝕面積81 019.79 km2，占總面積的98.40%，土壤侵蝕總量20 052.48萬t，平均土壤侵蝕模數2 475.01 t/(km2a)。圖1為重慶市土壤侵蝕強度分布圖，從中可看出，重慶市大部分地區土壤侵蝕強度處于微度侵蝕等級，其次是輕度侵蝕和中度侵蝕等級，強烈及以上侵蝕等級分布面積較小。

表1為重慶市土壤侵蝕特征，由表可知：全市微度侵蝕面積最大，面積占總侵蝕面積的比例為40.76%，侵蝕模數僅為187.55 t/(km2a)，年侵蝕量占總侵蝕量的3.09%；輕度侵蝕次于微度侵蝕，侵蝕面積占比33.76%，侵蝕模數為1 166.74 t/(km2a)，年侵蝕量占總侵蝕量的15.92%；中度侵蝕面積6 939.43 km2，占總面積的8.57%，侵蝕模數3 598.74 t/(km2a)，年侵蝕量占總侵蝕量的12.45%；強烈、極強烈和劇烈侵蝕面積較小，分別占總面積的7.49%、7.27%和2.15%，但三者平均侵蝕模數較大，分別為6 376.32、10 763.01和20 240.65 t/(km2a)，侵蝕量占總侵蝕量的比例達19.29%、31.61%和17.64%。其中劇烈侵蝕的面積僅為1 747.90 km2，占2.15%，但侵蝕量達3 537.87萬t/a，其侵蝕量占比達17.64%。總的說來，重慶市土壤侵蝕主要以微度和輕度侵蝕為主，極強烈和劇烈侵蝕量占比較大，需重視極強烈、劇烈等較高侵蝕等級的水土流失防治。

圖1 重慶市土壤侵蝕強度等級分布

表1 重慶市土壤侵蝕強度分級特征

3.2 縣域尺度土壤侵蝕特征

重慶市不同區(縣)土壤侵蝕模數和侵蝕量存在差異(表2)。從侵蝕面積來看，酉陽、奉節、巫溪、彭水縣的侵蝕面積較大，分別為5 009.11、4 030.92、3 972.35和3 838.89 km2，占總侵蝕面積的比例分別為6.18%、4.98%、4.90%和4.74%。其中酉陽、奉節和巫溪3縣以微度侵蝕為主，其次是輕度侵蝕，無劇烈侵蝕，酉陽微度侵蝕面積占其總侵蝕面積的64.94%。從侵蝕分級來看，微度侵蝕中酉陽、城口、巫溪和奉節縣侵蝕面積較大，分別為3 253.02、2 644.54、2 263.77和2 081.32km2；輕度侵蝕中彭水、武隆和豐都等區(縣)侵蝕面積較大，分別為2 181.17、1 882.60和1 435.07 km2；中度侵蝕中云陽、開州、萬州等區(縣)侵蝕面積較大，分別為1 113.40、1 055.79和572.75 km2；強烈侵蝕中豐都、彭水和綦江等區(縣)侵蝕面積較大，分別為541.41、472.68和461.72 km2；極強烈侵蝕中江津、合川和墊江等區(縣)侵蝕面積較大，分別為544.95、398.05和354.90 km2；劇烈侵蝕中永川、墊江和合川等區(縣)侵蝕面積較大，分別為199.70、188.22和151.97 km2。

表2 不同區縣土壤侵蝕特征

從侵蝕量占比來看，江津、彭水、合川、涪陵等區(縣)的侵蝕量較大，其侵蝕量占重慶市土壤侵蝕總量的比例分別為6.49%、5.23%、4.96%和4.54%，江北、渝中、大渡口、九龍坡等10個區(縣)的侵蝕量占比均小于1%。土壤侵蝕量較低區域主要分布在地勢平坦、植被覆蓋較高的渝中區及渝西地區。從平均侵蝕模數來看，墊江、永川、璧山等區(縣)平均侵蝕模數較大，分別為5 977.51、5 810.76和5 158.10 t/(km2a)。這主要是由于這些區域降雨侵蝕力強，地形高差較大，水土保持能力較弱。整體看來，巴南、北碚和璧山等25個區(縣)以微度侵蝕為主；豐都、彭水、武隆等11個區(縣)以輕度侵蝕為主；永川區微度侵蝕、輕度侵蝕和極強烈侵蝕相差不大，分別占其土壤侵蝕面積的28.57%、27.74%和20.89%；云陽縣微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕差異較小，分別占其土壤侵蝕面積的26.87%、37.76%和30.67%。總體上，微度和輕度流失面積比例最大，各區(縣)均超過56%。

3.3 不同土地利用類型土壤侵蝕特征

重慶市林地面積占比最大，占土地總面積的40.95%；其次是旱地，占土地總面積的32.05%；之后是水田、草地和建設用地，占比分別為13.66%、9.27%和2.59%。不同土地利用類型受人類活動影響不同，土壤侵蝕特征存在差異。表3為不同土地利用類型土壤侵蝕特征，由表3可知，不同土地利用類型土壤侵蝕強度及面積、侵蝕面積占比、侵蝕量占比存在一定差異。從侵蝕面積來看，旱地和林地侵蝕面積占比較大，分別為31.98%和40.56%，其中：旱地以微度侵蝕為主，其次是輕度侵蝕，分別占旱地侵蝕面積的33.63%和29.10%；林地輕度侵蝕面積最大，其次是微度侵蝕，面積分別為14 008.40和13 448.30 km2，分別占其侵蝕面積的42.63%和40.92%。水域、建設用地和未利用地侵蝕面積較小，侵蝕面積占比分別為1.48%、3.14%和0.01%，三者以微度侵蝕為主，分別占其侵蝕面積的61.18%、72.57%和48.17%；強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕面積較少，其中劇烈侵蝕面積最少，分別為25.46、57.79和0.26 km2，僅占其侵蝕面積的2.12%、2.28%和2.57%。從侵蝕量占比來看，旱地、林地和水田的較大，分別為44.32%、27.18%和19.14%；水域和未利用地的侵蝕量占比較小，分別為1.29%和0.01%。總的說來，林地、旱地和水田是重慶市侵蝕產沙主要來源地，其他地類侵蝕量較小。

表3 不同土地利用類型土壤侵蝕特征

4 結 論

(1)重慶市土壤侵蝕面積81 019.79 km2，占總面積的98.40%，土壤侵蝕總量20 052.48萬t/a，年平均土壤侵蝕模數2 475.01 t/(km2a)；微度侵蝕分布面積最大，面積占比40.76%，其次是輕度侵蝕和中度侵蝕，強烈及以上侵蝕等級分布面積較小。

(2)縣域尺度上，酉陽、奉節、巫溪、彭水的侵蝕面積較大，分別為5 009.11、4 030.92、3 972.35和3 838.89 km2；江津、彭水、合川、涪陵的侵蝕量占比分別為6.49%、5.23%、4.96%和4.54%；各區(縣)微度和輕度流失面積比例最大，均高于56%。

(3)林地面積最大，占總面積的40.95%，其次是旱地；林地和旱地侵蝕面積占比較大，分別為40.56%和31.98%。水域、建設用地和未利用地三者以微度侵蝕為主，分別占其侵蝕面積的61.18%、72.57%和48.17%，林地、旱地和水田是重慶市侵蝕產沙主要來源地，其他地類侵蝕量較小。