秦嶺地區土壤侵蝕時空間格局分析研究

趙茜茜 趙永華

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054)

土壤侵蝕作為土地退化的形式之一，主要是指土壤或成土母質在外力的作用下發生破壞、移動、運輸和沉積的過程[1]。土壤侵蝕對土地利用、農業生產、水資源利用和人類社會的可持續發展等方面均產生不良影響，已經成為嚴重的社會和環境問題[2]。秦嶺地區位于我國中部，有“中華龍脈”之稱，與淮河共同組成我國南北方分界線，也是我國中西部的重要生態屏障，在維護我國的生態安全和生物多樣性有重要地位[3]。然而，由于多年來的不合理開發，秦嶺地區生態環境狀況曾經一度惡化，使整個地區的可持續發展受到嚴重影響。近年來，隨著“兩山理論”的提出和以及秦嶺地區生態保護力度的加大，生態環境治理的成效顯著，區域內土壤侵蝕狀況總體趨于改善，但在局部農耕區和生態脆弱區，土壤侵蝕的治理現狀仍然嚴峻[4]。

國內外對于土壤侵蝕的研究及相關試驗起步較早，直至20世紀60年代，在大量的小區觀測和模擬降雨試驗資料的基礎上，美國農業部提出的通用土壤流失方程模型(USLE)，為了彌補該方程只能適用于平緩坡地的不足，20世紀90年代，美國農業部提出了修正土壤流失方程模型(RUSLE)[5]。在此基礎上，美國推出了水蝕預報模型(WEPP)和淺溝侵蝕預報模型(EGEM)[6]。此外，歐洲和荷蘭也開發了歐洲土壤侵蝕模型(EUROSEM)和土壤侵蝕預報模型(LISEM)。21世紀，我國的研究人員在通用土壤流失方程(USLE)的基礎上，建立了中國土壤流失方程(CSLE)。風蝕模型研究以修正風蝕方程模型(RWEQ)、農田土壤風蝕模型、風洞實驗模型、137CS風蝕模型該模型等模型為主[7]。我國研究人員也利用RWEQ模型實現了對青海、內蒙古、新疆等地的風蝕量的計算，以評價這些地區的風蝕量的動態變化[8]。隨著3S技術的發展，土壤侵蝕研究實現了大規模的動態監測，并與土壤流失模型結合，應用于土壤侵蝕的研究中。但是，這些研究的熱點區域集中在水土流失多發區和農耕區，研究尺度以徑流小區或中小流域為主，對于以山地為基礎的林地的土壤侵蝕研究較少。因此通過計算秦嶺地區土壤侵蝕模數，分析土壤侵蝕時空格局，對于開展區域內水土流失綜合治理以及生態文明建設具有重要意義。

1 研究區概況

秦嶺地區位于我國生態保護核心地區之一，重要的水源涵養地區，總面積約15.85萬km2，占國土總面積的1.67%。秦嶺地區處于我國自然條件、地理風貌和農業生產的過渡地帶，區域內地形復雜，地貌類型多樣；氣候特征差異較大；是眾多河流、水庫的水源地，區域橫跨長江流域和黃河流域；植被變化明顯，類型多樣；區域內人口數量較多，集中分布在山前平原和山谷盆地；一三產業發達；城鎮化水平快速提升[9]。區域作為生態環境保護的重點區域，生態保護力度不斷加強，對秦嶺地區作為研究區進行土壤侵蝕及其驅動力研究，可以明確區域內生態保護的薄弱地區以及主要影響因素，在此基礎上實現對區域生態的永續保護[10]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 高程數據

數字高程數據采用ASTER GDEM數據集，下載于地理空間數據云(https：//www.gscloud.cn/)，該數據集是目前唯一覆蓋全球的高分辨率數字高程影像數據，數據空間分辨率為30m。

2.1.2 降水數據

來源于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)下設的國家環境信息中心(NCEI)(http：//www.ncei. noaa.gov/data/)。選取秦嶺地區及其周邊共75個氣象站觀測資料，1985—2021年逐日降水量數據，對逐日降水量求和，得到逐月降水量，利用協同克里金模型對其進行空間插值，通過重采樣，得到空間分辨率為100m的月降水量數據。

2.1.3 土地利用數據

采用武漢大學楊杰、黃昕撰寫的《The 30m annual land cover datasets and its dynamics in China from 1990 to 2021》。數據使用Langsat圖像，形成1985—2021年年度土地覆蓋產品。數據集將土地利用類型分為農田、森林、灌木林、草地、水體、冰雪、未利用地、建設用地和濕地共9類。

2.1.4 NDVI數據

1985—1999年NDVI數據采用我國5km分辨率逐月NDVI數據集(1982—2000)，數據集來源于國家地球系統科學數據中心(http：//www.geodata.cn)。該數據集是根據NASA AVHRR CDR NDVI V5版逐日數據，進行月度合成、鑲嵌和裁剪之后制作而成的月最大值NDVI數據，數據空間分辨率為5km。2000—2021年NDVI數據采用中國區域250mNDVI數據集(2000—2022)，數據集來源于國家青藏高原科學數據中心(https：//cstr.cn/)。合成方式采用月最大值合成，數據空間分辨率為250m。

2.1.5 土壤質地數據

采用中國土壤質地空間分布數據，數據來源于中國科學院地理科學與環境研究所資源環境科學與數據中心(https：//www.resdc.cn/)。數據分為Sand(砂土)、Silt(粉砂土)與clay(黏土)3大類，每一類數據均通過百分比來反映不同質地顆粒的含量。

2.1.6 土壤有機質數據

采用中國土壤有機質數據集，來源于國家青藏高原科學數據中心(https：//cstr.cn/)。該數據集是基于第二次土壤普查獲取到的土壤剖面數據編制而成。

2.2 研究方法

本文利用中國土壤流失方程CSLE模型計算土壤侵蝕模數：

M=R×K×LS×B×E×T

(1)

式中，M為單位面積上的土壤侵蝕模數，t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K為土壤可蝕性因子，t·hm·h·hm-1·MJ-1·mm-1；LS為坡度坡長因子，無量綱；B為生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱[11]。

利用模型計算的土壤侵蝕模數，根據水利部《土壤侵蝕分級分類標準》(SL 190-2007)，劃分為6個等級，分別是微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕。

表1 水力侵蝕強度分級標準

2.2.1 降雨侵蝕力因子計算

本文利用月降水資料，采用水利部文件《生產建設項目土壤流失測算導則》計算月降雨侵蝕力因子：

Rm=0.183pm1.996

(2)

式中，Rm為第m月的降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1；pm為第m月的降水量，mm。

2.2.2 土壤可蝕性因子計算

本文采用EPIC模型中Williams提出的公式計算土壤可蝕性因子：

(3)

2.2.3 坡度坡長因子計算

根據劉寶元等提出的LS修正公式進行計算，公式：

(4)

(5)

(6)

式中，L為坡長因子，無量綱；S為坡度因子，無量綱；λ為坡長，m；m為坡長因子指數，無量綱；θ為坡度，°。

2.2.4 生物措施因子計算

采用蔡崇法等提出的生物措施B因子與FVC的關系方程計算B值，公式：

(7)

式中，FVC為植被蓋度，是表征植被發育的重要指標，%。

利用像元二分模型對歸一化植被指數進行計算，得到植被覆蓋度FVC，公式：

(8)

式中，NDVImax為圖像中NDVI最大值；NDVImin為NDVI圖像中的最小值。

2.2.5 工程措施因子計算

工程措施因子通過對土地利用的形式和不同等級的坡度的耕地進行賦值的方法確定，依據美國農業部和覃香杰等的研究，對秦嶺地區不同土地利用類型按表2進行賦值，對不同坡度的耕地按表3進行賦值。

表2 秦嶺地區不同土地利用類型工程措施因子值

表3 秦嶺地區不同坡度的耕地的工程措施因子值

2.2.6 耕作措施因子計算

通過查《全國輪作制度區劃及輪作措施分類表》，獲取秦巴山區旱地一熟二熟兼水田二熟區耕作措施因子值，結合土地利用類型，對耕地進行賦值為0.403，其它土地利用類型賦值為1。

3 結果與分析

通過對秦嶺地區土壤侵蝕量進行計算后發現，秦嶺地區土壤侵蝕模數隨著時間的推移呈現降低的趨勢，表現為1985—2021年，其土壤侵蝕模數高值逐漸減小且趨于穩定。具有顯著的空間異質性，表現為高值集中分布在東部和南部地區，并逐漸向西部和北部區域遞減。

3.1 土壤侵蝕時間變化趨勢

秦嶺地區土壤侵蝕總體時間序列見圖1，顯示了土壤侵蝕模數隨時間變化的基本情況。結果表明，1985—2021年，秦嶺地區土壤侵蝕模數呈現緩慢下降的趨勢，表明區域內水土流失的現狀正在逐漸趨于改善。此外，年內土壤侵蝕模數也呈現季節性的變化，具體表現為，冬春季處于土壤侵蝕的低值時段，夏秋季處于土壤侵蝕高值時段。

圖1 秦嶺地區土壤侵蝕時間變化趨勢

3.2 土壤侵蝕空間變化趨勢

秦嶺地區土壤侵蝕1985—2021年空間變化分布情況見圖2，通過利用2021年土壤侵蝕模數空間分布圖與1985年土壤侵蝕模數空間分布圖，兩圖做差得到。結果表明，1985—2021年，秦嶺地區土壤侵蝕狀況呈現總體改善局部惡化的態勢，即河谷和山區盆地的土壤侵蝕模數增加，而山區坡地呈現逐漸下降的趨勢。土壤侵蝕模數增加的地區主要集中在河谷和山間盆地地帶，區域內的東中西部均有分布，東部由于河網密集，山坡坡度較小，分布面積更大，同時，中部海拔較高的高山地區受植被因素影響，也有分布。

圖2 秦嶺地區土壤侵蝕空間變化格局

4 結論與討論

4.1 土壤侵蝕時間特征分析

從時間尺度看，秦嶺地區土壤侵蝕模數30多年來呈現波動緩慢下降的趨勢，指示該區域水土保持條件正逐年優化。秦嶺地區年內土壤侵蝕模數的變化呈現冬季為最小值，夏季為最大值。然而年內的變化受降水的顯著影響，降水季節分布異常時，土壤侵蝕量也隨降水量的增多而增大。此外，季節性的強降雨和秋季的持續性降水也使得土壤侵蝕的風險增加。然而，秦嶺地區地形條件復雜，天氣狀況變幻莫測，氣候異常年份極易出現水熱條件不同步，影響植被的正常生長，而植被作為水土保持的重要因子，其生長受到制約必然對水土保持產生負面影響。

4.2 土壤侵蝕空間特征分析

從空間尺度上看，秦嶺地區土壤侵蝕高值主要集中在東部地區，低值主要集中在中西部，與降水量的分布狀況相吻合，也印證了區域內土壤侵蝕量深受降水條件的影響。通過對比秦嶺地區1985—2021年土壤侵蝕高低值分布地區可以看出，30多年來，秦嶺地區土壤侵蝕高值中心呈現逐漸東移的趨勢，低值所占面積則逐漸擴大。30多年來，秦嶺地區土壤侵蝕變化分布可以看出，70%的區域土壤侵蝕量有小幅減少，表明區域內水土流失現狀趨于改善。然而，占秦嶺地區總面積的將近30%的土地的土壤侵蝕量仍有一定程度的增加，在全球氣候變化和不合理的人類活動的干擾下，表明秦嶺地區生態脆弱區域的水土流失風險依舊存在[12]。

4.3 土壤侵蝕主要影響因素分析

秦嶺地區位于我國氣候、植被等因素過渡地帶，地形地貌復雜，土壤種類繁多，人類活動影響深刻。降雨因子在影響土壤侵蝕過程中作為首要的自然因子，影響土壤侵蝕的年際和季節性變化，并在大的空間尺度上，影響土壤侵蝕量的空間分布。土壤作為土壤侵蝕發生的主體，植被類型作為影響水土保持的重要因子，由于其存在局部性的差異，在土壤侵蝕過程中，是導致土壤侵蝕空間格局分異的基礎。人類活動作為非自然因素，對于土壤侵蝕的影響更加直接，人類通過耕作、陡坡開墾和道路、城市施工，改變或者破壞地表原有植被條件或生長周期，導致小范圍的土壤侵蝕加劇[13]。