龍門山地區水土流失敏感性評價及其空間分異

陳盼盼, 胡利利, 李亦秋,2, 鄧 歐

(1.綿陽師范學院 生態安全與保護四川省重點實驗室, 四川 綿陽 621000; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京100100)

龍門山地區水土流失敏感性評價及其空間分異

陳盼盼1, 胡利利1, 李亦秋1,2, 鄧 歐1

(1.綿陽師范學院 生態安全與保護四川省重點實驗室, 四川 綿陽 621000; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京100100)

[目的] 確定水土流失優先保護區和需要生態修復的區域，為龍門山的生態環境治理和社會經濟發展提供重要的決策依據。[方法] 主要考慮降水、土壤侵蝕和地形起伏和植被覆蓋等通用土壤流失方程中的水土流失影響因子，對龍門山地區水土流失敏感性進行辨識，并借助于3S技術強大的空間數據采集和分析功能，計算水土流失敏感性綜合得分值，按照ArcGIS自然斷點分類方法將水土流失敏感性分為不敏感區、較敏感區、低度敏感區、中度敏感區和極敏感區5個等級。[結果] 龍門山東部山前丘陵地區，人類活動頻繁，水土流失敏感性最強，占總面積的34.12%；中部中海拔山地區域，水土流失敏感性次之，占總面積的28.30%；西部山區，水土流失敏感性最低，所占面積比重較小，為13.65%。[結論] 龍門山地區水土流失敏感性具有明顯的地域分異特點，人類活動頻繁，對自然生態系統的干擾強烈，水土流失敏感性最強，人類活動是加劇龍門山地區水土流失敏感性的主要因素。

水土流失; 敏感性; 空間分異; 龍門山

文獻參數： 陳盼盼, 胡利利, 李亦秋, 等.龍門山地區水土流失敏感性評價及其空間分異[J].水土保持通報，2017,37(3)：237-241.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.040； Chen Panpan, Hu Lili, Li Yiqui, et al. Sensitivity assessment and spatial distribution of soil erosion in Longmen Mountains region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：237-241.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.040

水土流失是當今全球面臨的一個嚴峻的環境與災害問題，嚴重的水土流失已造成了生態環境的急劇惡化，受到了越來越多的關注。隨著社會經濟的發展，水土流失成為各類生態問題的集中反映，由此引發的全國性的生態脆弱問題，成為影響中國生態安全的頭號環境問題，而生態安全問題又關系到人類的生存和國家的穩定，十八大以來，黨和國家政府大力推進生態文明建設，面對水土流失發展嚴峻新形勢，水土保持工作尤為迫切。2011年，中國水土流失總面積占國土總面積的30.72%，達2.95×106km2，水土流失嚴重，造成了嚴重的經濟損失[1]。水土流失敏感性是指區域生態系統水土流失生態過程發生的潛在可能性及其程度[2-3]。國內外土壤侵蝕模型的基本分為3類：經驗統計模型[4]、物理成因模型[5-9]、分布式土壤侵蝕模型[10]。水土流失的影響因素諸多，包括降雨強度和頻率、 植被覆蓋、地形的坡度、土壤本身的抗侵蝕性等[11-14]。水土流失敏感性評價的實質是對現狀自然環境背景下的潛在水土流失問題進行明確辨識，并將其落實到具體空間區域上的過程[15]，用來反映產生生態失衡與水土流失的可能性大小，也是區域生態環境質量、人口負荷、土地利用合理程度的指標之一，也是實施區域生態環境規劃與管理的重要基礎依據。

龍門山地區位于青藏高原和四川盆地的過渡地帶，地質構造復雜，生物多樣性豐富，是中國生態環境脆弱地帶，加之5·12汶川地震的破壞，特殊的地質和地貌特征，以及長期以來不合理開發利用，森林植被破壞，水土流失十分嚴重，造成大面積裸露，水土流失產生的大量泥沙還毀壞農田，淤埋村莊，淤積干、支流水庫和下游河床，也嚴重威脅著河流下游地區的防洪安全。本文擬在確立水土流失敏感性影響因子的基礎上，借助GIS和RS技術，分析影響水土流失的各因子的敏感性，對水土流失敏感性進行綜合評價和空間分異特征研究，實現敏感度綜合分區。同時確定水土流失優先保護區和需要生態修復的區域，從而為龍門山的生態環境治理和社會經濟發展提供重要的決策依據。

1 研究區概況

龍門山地區南起瀘定、天全縣，向北東經寶興縣、都江堰、江油、廣元市進入陜西省寧強、勉縣一帶，全長約500 km，寬40～50 m，山峰起伏、河谷縱橫，地勢極為復雜，位于中國地貌第1階梯青藏高原和第2階梯四川盆地的過渡地帶，整體地勢西高東低，地貌主要以山前沖積平原、高山地貌和高原地貌為主[16]。龍門山斷裂帶由4條近平行的斷裂組成：龍門山斷裂帶東南的邊界斷裂灌縣—安縣斷裂，中央主斷裂映秀—北川縣斷裂，北西側的邊界斷裂汶川—茂汶斷裂和青川斷裂[17]。龍門山地區的水系以橫向河流為主，河流流向與龍門山走向垂直，河谷深切，水土流失敏感度高[18]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文主要的數據包括龍門山地區的基礎地理數據(行政邊界、河流水系、道路交通等)，30 m×30 m DEM數據及遙感解譯得到的土地利用數據及植被覆蓋度遙感解譯圖，四川省及其周邊省市氣象站降水量觀測數據資料等。

2.2 研究方法

(1) 通用土壤流失方程。對于水土流失敏感性的研究，大多數研究選擇的可行方法為確定合理的土壤侵蝕模型，選取能反映區域水土流失敏感性的因子，對區域的水土流失敏感性進行綜合評價。20世紀60年代由Wischmeier等[4]提出的通用土壤流失方程，建立了水土流失量及其各影響因子的統計關系模型[19]。本研究采用土壤流失通用方程，其計算公式為：

A=f·R·K·S·L·C·P

(1)

式中：A——土壤年流失量(t/a)；f——使A的單位(因R，K使用美習用單位)轉換為t/(km2·a)的常數=224.2；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕性因子；S——坡度因子；L——坡長因子；C——植被覆蓋或作物管理因子；P——保土措施因子。

(2) 水土流失敏感性評價指標體系及其評估標準的確定。水土流失的敏感性是自然因素所決定的生態系統對人為影響的反映敏感程度，影響水土流失的因素同樣影響著一個區域對水土流失的敏感性。在本研究中，以通用土壤流失方程(USLE)為基礎，選用降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)和地形起伏度等自然力因素，和與潛在植被及人類活動關系密切的地表植被覆蓋因子等作為水土流失敏感性評價的指標，運用GIS和RS技術評價土壤侵蝕敏感性及其空間分異。根據目前對水土流失和有關生態環境研究的資料以及《生態功能區劃暫行規程》，本研究從降水、地貌、土壤質地和植被等主要因素對龍門山地區水土流失敏感性的影響規律，確定水土流失敏感性評價指標分級標準(表1)。

表1 龍門山水土流失敏感性評價指標分級標準

(3) 以GIS為平臺的空間統計、空間分析方法。通過空間模型構建空間疊加分析模型，采用GIS空間建模運算得到敏感性綜合得分值空間分布，實現水土流失敏感性分區。

3 數據處理與結果分析

3.1 敏感因子及其敏感性分級

(1) 降水侵蝕力R值。降水侵蝕力指有降水引起土壤侵蝕的潛在能力，它是降水的物理性質函數，也是引起土壤侵蝕產沙的主要動力因素。國內外對降水侵蝕力的計算進行了大量的研究，從綜合資料的

可及性及適用范圍看，EI30仍是世界上應用最廣的降水侵蝕力指標。本研究采用王萬忠等[20]通過對全國313個站點年降雨資料的統計分析，得出的年降雨侵蝕力(R)值的估算公式：

R=0.207(P=I60/100)1.205

(2)

式中：I60——年最大60 min降雨量(mm)；P——年降雨總量(mm)。

本研究選取龍門山地區及周邊省份降雨站點的R值，采用內插法，借助于ARCGIS 10.1空間分析和可視化表達工具，根據表1所示的指標分級標準，繪制龍門山地區的年降水侵蝕力(R)值分布圖(圖1)。

圖1 龍門山水土流失敏感性因子分級

(2) 土壤可蝕性K值。土壤對水土流失的影響主要與土壤質地有關，為了更準確化水土流失的敏感度，采用反映土壤本身的侵蝕抗沖能力的土壤可侵蝕K值這一指標來衡量。在本研究根據龍門山現有的土壤資料，并參考了卜兆宏等[21-22]的研究成果，發展了土壤可蝕性因子K值的算法，根據土壤質地類型和有機質含量從“USLE中土壤可蝕性因子K值表”查出相應的K值，對龍門山地區主要土壤類型K值進行賦值，根據表1所示的指標分級標準，繪制龍門山地區水土流失對土壤質地敏感性分級圖(圖1)。

(3) 地形起伏度LS。在USLE中，地形起伏度的計算比較復雜，本研究中采用地形起伏大小反映地形因子對水土流失敏感性的影響。地形起伏度是指地面一定距離范圍內最大高程差。本研究中龍門山斷裂帶地形起伏度的計算是以龍門山斷裂帶地區DEM為基礎，對其進行鄰域分析，進行7×7窗口的地形起伏度的提取，再根據表1所示的指標分級標準，繪制龍門山地區水土流失對地形敏感性分級圖(圖1)。

(4) 植被覆蓋因子C。本研究的C因子通過2015年TM遙感影像來獲取。采用監督分類遙感影像解譯得到植被類型圖，根據表1所示的指標分級標準，繪制龍門山地區水土流失對植被覆蓋的敏感性分級圖(圖1)。

3.2 龍門山水土流失敏感性綜合評價

水土流失敏感性綜合得分與水土流失敏感性分區。將各水土流失敏感性評估指標統一為基于CGCS 2000的平面坐標系和500 m×500 m的柵格數據。在ArcGIS 10.1的Raster Calculator中將水土流失敏感性評估指標分級值導入空間模型，通過模型運算得到龍門山水土流失敏感性綜合得分值空間分布圖(圖2)。以龍門山水土流失敏感性綜合得分值空間分布為基礎，按照ARCGIS自然斷點分類方法，將水土流失敏感性分為不敏感區、低度敏感區、中度敏感區、高度敏感區和極敏感區5個等級，實現龍門山水土流失敏感性分區，繪制龍門山水土流失敏感性分區分布圖(圖3)。

圖2 龍門山水土流失敏感性綜合得分分布

圖3 龍門山水土流失敏感性分級分布

根據龍門山水土流失敏感性分級分布圖3的敏感性等級及其面積字段，對5個敏感性等級的面積進行統計，結果如表2所示。

表2 龍門山水土流失敏感性綜合評價數據統計

由圖3和表2可知：龍門山地區水土流失敏感性主要以中度敏感為主，面積為15 627.28 km2，占總面積的28.30%，主要分布在龍門山斷裂帶的中北部地區的北川、平武、青川、廣元和勉縣及寧強地區的中海拔起伏山地；其次是輕度敏感，面積為13 211.24 km2，占總面積的23.93%，主要分布在龍門山斷裂帶的西部地區，呈狹長分布，主要位于青川縣、平武縣西北部地區的高海拔極大起伏山地、茂縣、汶川、寶興、天全縣的高海拔極大起伏山地；高度敏感和極敏感所占也比重較大，面積分別為9 600.17和9 238.17 km2，占總面積的17.39%和16.73%，主要分布在龍門山斷裂帶的東部地帶，呈線狀分布，主要位于廣元市低海拔小起伏山地和中海拔中起伏山地、江油、安縣、什邡、綿竹、彭州、都江堰、崇州、大邑、邛崍、名山、雅安等縣市的低海拔丘陵、低海拔小起伏山地、低海拔沖積平原和中海拔中起伏山地；不敏感區域的面積為7536.14 km2，所占面積比重較小，為13.65%，主要分布在龍門山斷裂帶的西部地區的北川、平武、青川、茂縣、汶川、天全、寶興、滎經、漢源縣交界處的高海拔極大起伏山地。

4 討論與結論

(1) 從龍門山水土流失敏感性綜合評價結果來看，研究區域內水土流失敏感性具有明顯的地域分異特點，東部山前丘陵地區，人類活動頻繁，人口和城市密集，對自然生態系統的干擾強烈，水土流失敏感性最強，最高值達到7.46；中部中海拔山地區域，水土流失敏感性次之；西部山區，水土流失敏感性最低。對于生態環境較好的水土流失高敏感性區域，也應該做好水土保持工作。

(2) 龍門山地區水土流失敏感性主要以中度敏感為主，面積為15 627.28 km2，占總面積的28.30%，分布在研究區的中北部地區的中海拔起伏山地等地區；其次是輕度敏感，面積為13 211.24 km2，占總面積的23.93%，分布在研究區的高海拔極大起伏山地等地區；高度敏感和極敏感所占也比重較大，面積分別為9 600.17和9 238.17 km2，占總面積的17.39%和16.73%，分布在研究區東部地帶的低海拔丘陵、低海拔小起伏山地、低海拔沖積平原和中海拔中起伏山地等地區；不敏感區域的面積為7 536.14 km2，所占面積比重較小，為13.65%，分布在研究區的西部地區的高海拔極大起伏山地等區域。

綜上所述，龍門山地區水土流失敏感性具有明顯的地域分異特點，東部山前丘陵地區，人類活動頻繁，對自然生態系統的干擾強烈，水土流失敏感性最強，人類活動是加劇龍門山地區水土流失敏感性的主要因素。立足于水土流失敏感性分區現狀，確定水土流失優先保護區和生態修復區，加強相應區域的生態環境建設，對于促進地方經濟及社會發展，保障人民生命財產安全具有重要意義。

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Sensitivity Assessment and Spatial Distribution of Soil Erosion in Longmen Mountains Region

CHEN Panpan1, HU Lili1, LI Yiqiu1,2, DENG Ou1

(1.EcologicalSecurityandProtectionKeyLaboratoryofSichuanProvince,MianyangNormalUniversity,Mianyang,Sichuan621000,China; 2.InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

[Objective] The regional priority with regard to soil and water loss and ecological restoration was explored to provide some major decision-making bases for ecological environment management and social and economic development in Longmen Mountains area. [Methods] Based on the powerful spatial analysis function of GIS, the spatial values of soil erosive sensitivity in Longmen Mountains area were identified and calculated in consideration of all comprehensive influence factors of soil and water loss, as precipitation, soil erosion, topography relief and vegetation cover, etc. According to the classification method of natural breakpoint of ArcGIS, areas in term of sensitivity degree of soil erosion were designated as following: insensitive area, sensitive area, low sensitive area, moderate sensitive area and extreme sensitive area. [Results] The highest sensitivity areas were mainly distributed in the eastern piedmont hills and alluvial plains, accounting for 34.12% of the total area. Moderate sensitivity areas were mainly distributed in the central hilly areas, accounting for 28.30% of the total area. Low sensitivity zone were mainly distributed in the western mountains, accounting for 13.65% of the total area. The covered areas by different sensitivity degree were largely overlapped spatial distribution of human activity frequency. [Conclusion] The sensitivity of soil and water loss in the study area had obvious regional differentiation with regard to the erosive sensitivity. It is the frequent human activity that cause strong disturbance to natural ecosystem and cause subsequent strong sensitivity to soil erosion.

soil erosion; sensitivity; spatial difference; Longmen Mountains

2016-11-15

2016-11-30

國家自然科學基金項目“庫壩工程開發的生態極化效應發生機理及其敏感性評”(41371486); 生態安全與保護四川省重點實驗室項目(ESP201304,QD2014A001); 四川省教育廳資助項目(14ZA0258); 綿陽師范學院工程碩士研究生創新實踐基金資助(XYCXXM201510)

陳盼盼(1990—),女(漢族),河北省定州市人,碩士研究生，研究方向為3S技術應用。E-mail:jeno.chen@foxmail.com。

李亦秋(1973—),女(漢族),四川省達縣人,博士,教授。主要從事3S技術應用、生態遙感、自然資源開發與利用研究。E-mail: yqiu.li@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0237-05

S157