贛南地區水土流失時空變化和評價研究

楊 潔，汪邦穩，2

(1.江西省水土保持科學研究所，江西南昌330029;2.北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京100875)

水土流失是我國生態環境問題的集中體現[1]，水土流失評價是水土流失研究的重要內容之一[2]。鑒于當前我國建立的區域水土流失評價模型還不夠成熟以及建立模型所需的基礎數據難以獲取，因此水土流失評價模型的推廣與應用受到了限制。我國進行區域水土流失評價大都采用美國通用土壤流失方程(USLE)[3-4]，由于我國侵蝕環境具有自身的特點，直接應用USLE模型不太合適，因此劉寶元等基于USLE模型，結合我國的實際構建了中國土壤流失預報方程(China Soil Loss Erosion，簡稱CSLE)[5]。本研究利用CSLE模型，在構建該模型各因子算法適合贛南地區侵蝕環境的基礎上，利用現有的基礎數據，對贛南地區近30年來不同時期的水土流失進行了評價，為該地區水土保持規劃和水土流失綜合防治提供了基礎數據和理論支持，對維護該地區的生態安全和保障區域糧食安全具有重要的意義。

1 評價方法

劉寶元等基于美國USLE的建模經驗所建立的中國土壤流失預報方程(CSLE)為

式中:A為多年平均土壤流失量，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·a);K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm·a);S為坡度因子，無量綱;L為坡長因子，無量綱;B為水土保持生物措施因子，無量綱;E為水土保持工程措施因子，無量綱;T為水土保持耕作措施因子，無量綱。

根據贛南地區侵蝕環境特征，結合現有的研究成果，我們對CSLE模型中的各因子算法和值的獲取進行了研究，構建了針對該區水土流失評價的各因子值計算和獲取方法。在此基礎上，利用現有的基礎數據，對模型中的各因子值進行獲取，然后在ArcGIS軟件的支持下，依據CSLE模型獲取贛南地區不同時期水土流失柵格數據，從而對該地區的水土流失進行評價。

2 基礎數據

2.1 R值獲取

從1980、1998、2008年贛南地區18個觀測站點的日降雨量資料中獲取R值。

2.2 K值獲取

土壤數據主要包括土壤類型、土壤質地數據，這些數據分別來源于江西省水土保持科學研究所和《江西紅壤》、《中國土種志》。K值是在贛南土壤類型矢量數據基礎上，根據土種志和土壤圖資料，通過查獲所有土壤類型的理化性質(沙粒、粉粒、黏粒、有機質、有機碳含量)計算得到的。

2.3 SL值獲取

基于覆蓋贛南地區的1∶5萬地形圖，利用ANUDEM生成贛南地區的DEM。

2.4 B值獲取

植被數據包括覆蓋贛南地區的1980年MSS、1998年TM和2008年TM及覆蓋贛南地區25 m分辨率的DEM。

2.5 E值獲取

數據包括以縣(區)為單位的1980、1998和2008年各年的基本農田面積、經果林面積、水平竹節溝面積、塘壩或山塘數量、谷坊數量等。

3 贛南地區不同時期水土流失分布特征

利用各基礎數據獲取各因子值數據，然后將獲取的各因子值數據在ArcInfo下依據式(1)進行計算，獲取贛南地區不同時期的水土流失分布。

3.1 水土流失的時間變化

參照水利部《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，統計出贛南地區各時期不同侵蝕強度的面積分布如表1。

表1 贛南地區不同時期土壤侵蝕強度分布 km2

從表1可知各個時期不同級別的土壤侵蝕面積分布狀況，總體上土壤侵蝕強度明顯減弱，表明自1980年贛南地區開始實施水土保持重點治理工程以來，水土流失得到了有效控制，尤其是中輕度土壤侵蝕面積有了明顯減少，這是因為中輕度土壤侵蝕地區土地資源被破壞程度較輕，所以治理修復較強烈以上水土流失區容易。而強烈以上土壤侵蝕面積自1980至2008年總體呈下降趨勢，但1980至1998年正值我國改革開放、經濟快速發展時期，大規模的開發建設造成了新的水土流失，致使這一時期強烈以上土壤侵蝕面積有所增加。1998至2008年隨著國家水土保持重點治理工程的加強和退耕還林還草工程的實施，強烈以上土壤侵蝕面積呈減少態勢。

3.2 水土流失的空間變化

利用不同時期土壤侵蝕的柵格數據，在ArcMap下進行數學運算，分別獲取1980至1998年、1998至2008年期間的土壤侵蝕變化空間分布圖。由該圖和相關資料可知，1980至1998年期間侵蝕模數增大的區域主要分布在贛南的北部地區，侵蝕模數減小的地區主要分布在贛南的南部地區;1998至2008年侵蝕模數增大的地區主要分布在贛南的南部地區，侵蝕模數減小的地區主要分布在贛南的北部地區。

通過對不同海拔土壤侵蝕變化面積統計可知:①無論是1980至1998年期間還是1998至2008年期間，海拔150 m以下土壤侵蝕處于惡化的面積都是最小，海拔600 m以上區域侵蝕變化處于穩定的面積都是最大，這是因為海拔低的地方主要為水域、海拔高的地方主要為山地，這些地方受人類活動影響小，故能相對穩定。②土壤侵蝕惡化和改善的區域都比較集中地分布在海拔200—450 m的地區。這主要是因為贛南地區海拔200—450 m是人類活動比較集中的區域，受人類干擾影響很大。在這個海拔高度范圍內，土壤侵蝕狀況改善的主要原因一方面是自然的原因，在無人為干擾的情況下植被正向演替;另一方面是人為的原因，主要是退耕還林和實施封禁治理的結果。在海拔200—450 m區域土壤侵蝕惡化的原因，可能是開發建設項目和不合理的人類生產生活活動所致。不同時段土壤侵蝕惡化現象在海拔600 m以上的地區也有分布，這可能是人為或自然的火燒山使得植被遭到破壞所致。

3.3 土壤侵蝕主控因子分析

在影響土壤侵蝕的因子中，降雨是氣候因子，是造成土壤侵蝕的原動力，是主要的驅動因子，而土壤可蝕性、地形、水土保持生物措施和水土保持工程措施4個因子都是陸地表面因子，其中:土壤可蝕性因子是通過對土壤質地和土壤孔隙度的改善來減小降雨對土壤的侵蝕的;地形因子是通過改變降雨徑流的二次分配影響土壤侵蝕的;水土保持生物措施因子和水土保持工程措施因子一方面是通過增加地表粗糙度、改變微地形、減小降雨對地表的擊濺、降低徑流二次分配動能來減小土壤侵蝕的，另一方面是通過生物代謝作用改良土壤來影響土壤可蝕性的。為了分析地形、土壤、水土保持生物措施和水土保持工程措施因子對土壤侵蝕的影響程度，在ArcMAP支持下，用分析工具(Analysis Tools)中的隨機布點(generate random points)函數，在工作區域隨機布設100個樣點，得到樣點分布圖層，然后把該圖層分別與各因子圖疊加，利用gridspot工具分別在相應圖層上獲取相應分布點的值，采用SPSS軟件分析不同時期各因子對土壤侵蝕的影響程度，從而得到如表2所示的各因子與土壤侵蝕的相關系數。

表2 不同時期各因子與土壤侵蝕的相關系數

從表2可以看出，不同時期地表各因子對土壤侵蝕影響程度的顯著性不同:1980年土壤可蝕性、地形和水土保持生物措施因子與土壤侵蝕的相關性都表現為顯著，其中土壤可蝕性、水土保持生物措施因子與土壤侵蝕的相關性表現為極顯著;1998年土壤可蝕性和水土保持生物措施因子與土壤侵蝕的相關性表現為極顯著;2008年只有土壤可蝕性因子與土壤侵蝕的相關性表現為極顯著。所以，從1980到1998再到2008年，地表各因子與土壤侵蝕的顯著性關系越來越差，結合土壤侵蝕的影響因子和土壤侵蝕動態分析結果，可知隨著贛南地區水土流失面積的逐漸減小，土壤侵蝕強度在逐漸變弱，對土壤侵蝕影響顯著的地表因子也越來越少。這主要是由于1980年以來隨著贛南地區水土流失治理力度的逐漸加大，植被狀況得到明顯改善，微地形也得到了改觀，所以水土保持生物措施和地形因子對土壤侵蝕的影響越來越小。紅壤是贛南地區的主要土壤，其可蝕性強，在短時間內其主要特性很難改變，因而土壤可蝕性因子就成為影響該區土壤侵蝕的主導因子。

從以上可以看出，不同時期的土壤侵蝕主導因子有所不同:1980年影響土壤侵蝕的主導因子有土壤可蝕性、水土保持生物措施和地形因子，1998年的主導因子有土壤可蝕性和水土保持生物措施因子，2008年只有土壤可蝕性因子。這說明加強水土流失治理可以減少影響土壤侵蝕的主導因子，反之可以針對不同時期影響土壤侵蝕的主導因子進行有針對性的治理，從而使治理收到更好的效果。

3.4 贛南地區土壤侵蝕預測

利用式(1)模型對贛南地區的土壤侵蝕進行預測。在影響土壤侵蝕的因子中，降雨、地形、土壤都是自然因子，短時間內受人類活動影響很小，而植被和水土保持措施則隨著土地利用和植被覆蓋的變化差異很大，受人類活動影響明顯。所以，研究中以水土保持生物措施和工程措施因子為對象，分析其在無人類干擾和人類采取有利措施保護下未來一段時間內的變化，進而分析在其影響下的土壤侵蝕變化趨勢。

3.4.1 土壤侵蝕因子值的確定

(1)B值的確定。根據對贛南現狀的調查和植被演替規律，結合地形條件，在2008年土地利用和植被蓋度的基礎上和在ArcGIS的Workstation支持下，利用AML語言編寫程序，計算獲取贛南地區未來10年和30年的植被蓋度狀況，并賦予相應的B值。

(2)E值的確定。水土保持工程在蓄水攔沙方面具有其他措施不可替代的作用。贛南地區的水土流失多分布在低山丘陵區，在這些地區布設的工程措施一般為谷坊和水平竹節溝。因此，利用贛南地區土地利用和植被演替恢復時間，結合已經實施的水土保持工程、1983年以來中央對贛南水土流失治理投資增長比例和各縣(區)水土流失治理面積的增長比例、各縣(區)現狀水土流失面積，對未來10年、30年贛南各縣(區)水土保持工程措施潛在治理面積進行計算，并用E值計算方法得到相應的E值。

3.4.2 土壤侵蝕變化趨勢

在獲取土壤侵蝕影響因子值的基礎上，利用式(1)獲取未來10年和30年的土壤侵蝕強度及面積分布。在獲取未來不同時期土壤侵蝕分布圖的基礎上，利用ArcGIS軟件功能，依據水利部《土壤侵蝕分類分級標準》，對獲取的未來不同時期的土壤侵蝕分布圖的屬性數據進行統計，得到未來不同時期土壤侵蝕強度預測結果(表3)。

從表3可以看出，在未來的10和30年里，微度侵蝕的面積將不斷增加，輕度以上的侵蝕面積將不斷減少。10年后和30年后贛南地區水土流失面積分別為3 563和1 693 km2;強烈以上侵蝕面積分別為956和453 km2。與2008年相比，10年后水土流失面積減少44.8%，30年后水土流失面積減少74.4%;從空間格局上分析，10年后和30年后的水土流失區主要分布在河道兩側，因為這里主要是人類居住的區域，受人類活動影響最大，易造成水土流失。

表3 預測未來不同時期贛南地區土壤侵蝕狀況 km2

4 結語

(1)1980年以來，贛南地區水土流失面積和土壤侵蝕模數在逐漸減小，尤其是近10年來水土流失面積減小的速度在加快，這說明近30年來特別是近10年來，贛南地區水土流失治理迅速，效果明顯。但是，目前贛南地區水土流失仍然比較嚴重，尤其是強烈以上的侵蝕面積所占比重較大。

(2)降雨是水土流失的源動力，是水土流失的主要控制因子。水土流失的地表各因子在不同時期對水土流失影響的主導程度不同。如1980年影響水土流失的地表主導因子有土壤可蝕性、水土保持生物措施和水土保持工程措施因子，1998年主導因子就變成了土壤可蝕性和水土保持生物措施因子，到2008年主導因子就只有土壤可蝕性因子了。這說明隨著區域水土流失治理程度的提高，影響水土流失的主導因子會逐漸變少，據此可以針對不同時期影響水土流失的主導因子進行綜合治理，從而使治理收到更好的效果。

(3)以水土保持生物措施和工程措施因子作為水土流失變化的主導因子，以現階段的治理水平和速度，對贛南地區未來10年和30年的水土流失狀況進行了模擬。模擬結果是，在未來的10年和30年里，贛南地區的水土流失面積將會進一步減小，尤其是強烈以上的流失面積減小迅速，這說明贛南地區水土流失潛在可治理面積還比較大，需要進一步加強綜合治理。

[1]趙其國.我國南方當前水土流失與生態安全中值得重視的問題[J].水土保持通報，2006，26(2):1-8.

[2]李銳，上官周平，劉寶元，等.近60年我國土壤侵蝕科學研究進展[J].中國水土保持科學，2009，7(5):1-6.

[3]Fu B J，Zhao W W，Chen L D，et al.Assessment of soil erosion at large watershed scale using RUSLE and GIS:A case study in the Loess Plateau of China[J].land degradation ＆ development，2005，16(1):73-85.

[4]Yang D W，Kanae S J，Oki T K，et al.Global potential soil erosion with reference to land use and climate changes[J].Hydrological Processes，2003，17(14):2913-2928.

[5]劉寶元，謝云，張科利.土壤侵蝕預報模型[M].北京:中國科學技術出版社，2001.