福建省水土流失現狀分析

王振平, 汪小欽, 曾舒嬌, 陳賢干, 吳佐成

(福州大學 空間數據挖掘和信息共享教育部重點實驗室, 福建省空間信息工程研究中心, 福建 福州350002)

福建省水土流失現狀分析

王振平, 汪小欽, 曾舒嬌, 陳賢干, 吳佐成

(福州大學 空間數據挖掘和信息共享教育部重點實驗室, 福建省空間信息工程研究中心, 福建 福州350002)

[目的] 運用遙感技術監測福建省水土流失狀況，為研究區的水土保持工作提供一定的科學依據。[方法] 利用2014年Landsat-8 OLI等遙感數據，基于通用土壤流失方程(USLE)定量計算得到研究區的土壤侵蝕量，并運用GIS空間分析和數理統計的方法分析水土流失在地理空間上分布特征。[結果] 福建省2014年的水土流失總面積為10 939.8 km2，總流失率為8.93%，其中以輕度流失為主，占總流失面積的82.3%，境內流失等級為強度及以上的區域主要集中在北部的寧德和南平、南部的漳州和西部的龍巖一帶；其中22個水土流失重點縣流失面積為4 786.65 km2，占全省流失總面積的43.76%，平均流失率為10.54%。[結論] 水土流失主要發生在海拔高程為200～1 000 m的區域，流失面積有8 954.35 km2，占流失總面積的81.85%；坡度與水土流失關系密切，水土流失主要發生在坡度為8°～25°的區域，流失面積有69 871.71 km2，占總流失面積的57.23%；容易發生水土流失的土地利用類型是裸地和林地，流失比例分別達到30.99%和9.47%。

水土流失; 空間分析; USLE; 福建省

水土流失是全球性的土地退化問題，它是一種漸進性災害，嚴重威脅著人類生態安全。中國是世界上水土流失最嚴重的國家，其中南方紅壤丘陵區由于降水多且集中、母巖花崗巖較為松軟，極易造成水土流失，是中國僅次于黃土高原的嚴重水土流失區。位于中國東南沿海的福建省屬典型南方紅壤丘陵地區，是侵蝕比較嚴重的省份之一，截止到2012年全國水利普查，水土流失總面積仍有12 180.58 km2，占全省國土面積的9.95%。水土流失現狀遙感監測是科學、有效開展水土保持工作的重要前提。

自20世紀20年代以來，國內外學者就一直致力于水土流失評估的研究，取得了較大的進展，先后研究出了大量的土壤侵蝕評估模型，主要可以歸納為3類[1]：經驗統計模型、物理成因模型、分布式土壤侵蝕模型，其中經驗統計模型應用最廣、最典型的代表是由美國學者Wischmeier和Smith提出的通用土壤流失方程(USLE)[2-3]，該模型結構簡潔、物理意義明確、計算簡便，具有很強的適用性，目前在國內外水土流失研究領域得到廣泛運用[4-8]。Kim等[4]在基于USLE和WEEP對韓國土壤侵蝕進行評價。Erdogan等[5]在流域尺度上以USLE和GIS方法預測土耳其安納托利亞喀山流域的土壤侵蝕風險，并規劃在該流域的保護措施。原立峰等[7]基于GIS和USLE綜合評估了鄱陽湖流域土壤侵蝕敏感性。馬驪馳等[8]采用“3S”技術與野外實地調查相結合的方法，基于USLE模型估算撫仙湖流域1974—2014年的水土流失量，并探討流域土壤侵蝕強度的時空分布規律。21世紀以來，福建省水土流失相關研究陸續開展，陳志強等[9]結合“3S”技術與野外調查，提取土地利用、植被覆蓋度和坡度信息，計算出1995，2000，和2007年福建省水土流失現狀；陳哲峰等[10]通過提取土地利用、植被覆蓋度以及坡度等信息基于GIS技術，計算出2008—2012年福建省22個重點流失治理縣的土壤侵蝕量。這兩位學者均是采用土地利用、植被覆蓋度以及坡度等3個因子進行計算，而沒有考慮降雨、土壤類型等因子的影響。此外，2012年福建省雖基于全國尺度上進行了水土流失普查，然而從2012年起福建省大幅增加水土治理專項經費，要想了解其治理的成效，就有必要對福建省水土流失現狀進行全面、準確的監測。因此，本文擬以福建省為研究區，以遙感、GIS技術為支撐，采用USLE模型定量評估福建省2014年土壤侵蝕量和土壤侵蝕強度，并對相關結果進行深入分析，找出區域內水土流失分布規律，以期了解福建省土壤侵蝕的現狀，并為該區域水土流失防治政策的制定、實踐提供科學依據。

1 研究區概況

福建省地處中國東南沿海，介于北緯23°33′—28°20′，東經115°50′—120°40′，東與中國臺灣省隔海相望，東北與浙江毗鄰，西北橫貫武夷山脈與江西相交，西南與廣東相連。總體地勢西北高，東南低，境內山地丘陵面積約占全省土地總面積的80%，主要土地利用/覆蓋類型為林地、耕地、裸地、居民地、和水體，覆蓋類型以林地為主，約占全省土地面積的2/3。境內主要土壤類型為紅壤、黃壤，磚紅壤性土與磚紅壤化紅壤也有分布。母巖多為容易侵蝕的花崗巖和砂頁巖。平均海拔1 000 m左右，位于亞熱帶地區,屬典型的亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，平均氣溫15.3～21.9 ℃，平均雨量930～1 843 mm。

2 數據與方法

2.1 基礎數據

為開展福建省水土流失定量估算，收集了降雨、地形、土地利用和土壤類型等水土流失影響因子數據，主要包括以下幾類：① 2014年降水數據收集自氣象數據共享服務網的中國自動站與CMORPH融合的降水產品，為逐小時降雨格網數據，分辨率為0.1°×0.1°； ② 土地利用覆蓋數據從遙感數據(2014年Landsat-8 OLI)專題信息提取獲得，用于計算水保措施因子； ③ 地形數據為ASTER下載的30米空間分辨率的DEM，用于計算坡度、坡長因子； ④ 2014年MODIS NDVI數據為MODIS官網下載的16 d分辨率的產品，用于植被指數歸一化。

2.2 基于USLE模型的水水土流失遙感監測

采用通用土壤流失方程USLE開展福建省土壤侵蝕模數的估算，具體公式如下：

A=R×K×L×S×CP×f

(1)

式中：A——土壤侵蝕模數(t/km2)；R——降雨和徑流因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；LS——坡長、坡度因子；C——植被覆蓋與管理因子；P——水土保持措施因子；f——轉換系數[11]，f=224.2。USLE模型中各因子的指標值，利用遙感和GIS技術生成。

2.2.1 降雨和徑流因子R降雨是促成水土流失發生發展的最主要外部動力條件[12]。由于傳統的計算降雨侵蝕力因子方法需要降雨過程的數據，并且計算方法較復雜，本文選用了周伏建等[13]提出的適用于福建省的簡易算法來估算R值。

(2)

式中：Pi——每月的降雨量(mm)。

2.2.2 土壤可蝕性因子K土壤可蝕性是指土壤對侵蝕介質剝蝕和搬運的敏感性[14-15]。福建省境內的土壤成圖母巖以花崗巖為主，容易受到侵蝕。本文采用方綱清等[14]計算出的福建省主要土壤類型的K值并結合福建省主要土壤類型分布專題圖生成2014年福建省K值的空間分布。

2.2.3 坡度坡長因子LS地形地貌特征對土壤侵蝕的影響集中表現在坡長和坡度兩方面，二者是降雨侵蝕動力的加速因子[16]。采用劉寶元等[17]研究方法進行LS因子估算，計算公式如下：

L=(λ/22.13)m

(3)

(4)

(5)

式中：λ——坡長(m);m——坡長指數;θ——坡度(°)。

2.2.4 植被覆蓋與管理因子C植被覆蓋管理因子C代表的是覆蓋在地表的作物能減緩和抑制土壤侵蝕能力的大小。林草地采用馬超飛等公式[18]。

(6)

式中：C——植被覆蓋及管理因子；V——植被覆蓋度。

其他地類根據參考文獻[19]采用賦值法，其中水體和不透水面取0，耕地取0.230。

植被覆蓋度的計算方法是采用基于歸一化植被指數(NDVI)的像元二分模型法[20]，計算公式如下：

fc=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(7)

式中：NDVI——影像中各像元的NDVI值； NDVIv，NDVIs——全植被覆蓋像元和全裸土覆蓋像元的NDVI值。在應用Landsat-8數據計算福建全省的NDVI時，由于各景影像獲取的季相不一致，影響了歸一化植被指數NDVI的連續性和可比性，故引用時間分辨率較高的Modis NDVI產品作為輔助數據，通過TM NDVI季相歸一化的方法[21]，將福建全省影像的NDVI歸一化到10月份。歸一化的公式如下：

T1=a+bT0

(8)

利用T0，T1時相的MODIS NDVI建立函數關系，求出相關的擬合系數，然后應用于TM影像。根據公式(6)可以算出福建省2014年的植被覆蓋度，從而計算得到植被覆蓋管理因子C。

2.2.5 水土保持措施因子p水土保持措施因子p是指特定水保措施下的土壤流失量與相對應未實施水保措施的順坡耕作地塊的土壤流失量的比值。一般采用經驗賦值，無量綱，取0～1之間。本文參照黃金良等[22]在福建省九龍江流域的p值率定，并結合遙感影像解譯出來的土地利用現狀圖對p因子進行賦值(表1)。

表1 不同土地利用類型下的p值

2.2.6 土壤侵蝕模數的計算 將各因子帶入公式(1)中得到研究區土壤侵蝕模數，再根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)進行分級，得到福建省2014年土壤侵蝕強度空間分布結果。

2.2.7 精度驗證 利用福建省長汀縣2014年的野外調查數據以及根據2011年福建省22個水土流失重點縣的野外判讀經驗，從2014年遙感影像上目視解譯隨機選取樣本，進行精度驗證作出水土流失誤差矩陣(表2)，其中，判對數指的是估算結果與實測的土壤侵蝕強度等級相同或僅相差一個等級的個數，從表2中結果顯示，總體精度達到81.60%，能夠滿足應用的精度要求。表3是本文計算的2014年福建省水土流失結果與2012年省水保站普查的結果比對，輕度流失面積有大幅增加可以反映水土流失治理收到成效，可能是流失等級較高的地區經過治理轉變為輕度流失，其他4個等級都相應的減少，總流失面積減少了1 240.78 km2，減少10.18%。可以看出本文計算結果較為準確。

表2 2014年福建省水土流失估算誤差矩陣

表3 2014年計算結果與2012年省水土保持公報對比

3 結果與分析

3.1 福建省流失情況分析

按照行政區劃統計出各地市的土壤侵蝕面積(表4)可知，全省水土流失較嚴重的地區位于閩北和閩西南，從各地級市來看流失較嚴重的市是漳州和寧德，流失面積為1 334.52和1 592.46 km2，流失率分別為10.63%和12.18%，寧德和漳州境內地形多為山地丘陵，寧德果園種植廣泛，漳州茶園種植普遍，易于造成水土流失。流失率最小的是廈門市，為1.19%，廈門市經濟較發達，城鎮化普及，土地利用/覆蓋類型主要為不透水面，流失較輕。莆田市的流失也低于5%，其他5個地級市的流失率均在5%～10%之間。統計表明：研究區水土流失面積達10 939.8 km2，占國土總面積的8.93%，其中以輕度和中度流失為主，占水土流失總面積的93.01%。強度及其以上程度的水土流失較少，僅占研究區總面積的6.99%。福建東北部的部分縣市(柘榮縣、蕉城區、周寧縣等)流失率超過15%，流失面積較大，主要是由強降雨引起的。查證氣象資料知此區域8—10月間有“風神”、“海鷗”等多次大型臺風登陸，全年的降雨量相比其他區域較大，相應的降雨侵蝕力因子R較大。

表4 2014年福建省各地市土壤侵蝕面積統計

3.2 22個重點縣流失情況分析

2011年福建省水利廳設立了22個水土流失治理重點縣，按流失嚴重程度劃分為Ⅰ類縣：長汀、安溪、寧化、平和、詔安；Ⅱ類縣：永泰、南安、大田、清流、建甌、壽寧和Ⅲ類縣：建寧、連城、永定、南靖、華安、長泰、永春、德華、閩清、政和、福安。分別統計出3類重點縣的流失情況如表5所示。

表5 22個重點縣流失情況

從2012年起福建省大幅增加水土保持專項經費，每年安排長汀5 000萬元，其他4個Ⅰ類縣各3 000萬元，各Ⅰ類縣平均綜合治理面積約6 376.16 hm2，安排Ⅱ類縣各1 600萬元，各縣平均綜合治理面積3 242.58 hm2，安排Ⅲ類縣各300萬元，各縣平均綜合治理面積約605.93 hm2[23]。Ⅰ類縣投入資金最為龐大，綜合治理面積較大，治理效果顯著，至2014年整體流失率為7.96%，低于Ⅱ類縣整體流失率10.83%和Ⅲ類縣的整體流失率10.94%(表4)。平和縣、壽寧縣，政和縣和華安縣的流水較嚴重，流失率超過15%，平和縣土壤類型屬風化黃紅壤土，土體結構性差，抗蝕抗沖和蓄水能力較差，極易造成水土流失。壽寧縣坡地多，平地少，坡度較陡，地面切割破碎，生態環境十分脆弱，水土流失治理起來難度大。政和縣近10 a來錐栗園生產迅速發展，目前種植面積已達11 200 hm2[24]，不合理的開發致使水土流失嚴重。華安縣大面積種植桉樹，取代原有的傳統作物，帶來巨大經濟效益的同時，也造成嚴重的水土流失。長泰縣和南安市的流失率低于5%，分別為4.80%和1.45%。這2個縣近年來都投入大量的資金，合理地開展水土流失防治工作，效果顯著。強度及以上流失等級較多的縣有平和縣、清流縣和南靖縣，流失面積為50.98，20.93，28.21 km2，流失率分別為11.36%，11.12%，10.91%。其中22個重點縣流失總面積為4 786.65 km2，占全省流失總面積的43.76%。

3.3 地形坡度對土壤侵蝕空間差異的影響

根據《水利水電工程水土保持技術規范》標準[25],將坡度劃分為6級，分別為0°～5°，5°～8°，8～15°，15°～25°，25°～35°，>35°，然后與水土流失強度空間分布圖疊加分析，得到它們之間的相關特征統計(表6)。研究區地形以山地丘陵為主，坡度主要集中在8°～25°范圍內，占研究區總面積的56.95%，緩坡地區分布面積相對較小，坡度范圍在0°～5°范圍內的地區只占研究區總面積的17.79%，此區域對農業生產、社會經濟活動影響較大。從表5中可以發現水土流失主要集中在8°～25°的坡度上，其侵蝕面積占到了57.23%，其中坡度為15°～25°的侵蝕面積最大，達到了37.37%。在坡度為8°～35°的區域內易于發生極強度和劇烈等級的水土流失，兩種等級水土流失分別占研究區相同等級流失總面積的82.68%和84.81%。

表6 各坡度帶水土流失面積分布特征

3.4 高程對土壤侵蝕空間差異的影響

將水土流失強度分布圖(圖1)與數字高程模型(DEM)分級圖進行疊置分析，并統計分析各不同海拔高程段內水土流失強度類型的分布特征。從表7可發現研究區內的水土流失隨海拔高度的變化也表現出明顯的垂直分異特征： ①水土流失主要集中分布在200～500 m的丘陵和500～1 000 m的山地，這兩個高程帶內的水土流失面積分別占全區水土流失總面積的36.09%和45.76%，該區域氣候適宜種植果園、茶園，坡度陡峭，極易造成水土流失； ②海拔>1 000 m的高山地帶水土流失較輕，是因為此區域為茂密的高山森林，林下植被發育。林下植被和林木的落葉層具有很強的蓄水保土作用，再者海拔較高交通不便，農業生產經營成本較高，人為活動較少，所以水土流失較小； ③海拔在0～200高程分帶內的水土流失也較輕，只占了全區水土流失面積的9.74%，此區域多為東南沿海的城區，土地覆蓋為建筑物或者居民地，水土流失較少； ④從圖1可知，土壤流失率隨高程的變化在0～200 m內急速增加，200～1 000增加速度較緩，1 000以后趨于平和，在高程1 700 m以后，流失率逐漸下降。

圖1 土壤流失率隨高程的變化

高程/m水土流失等級微度面積/km2比例/%輕度面積/km2比例/%中度面積/km2比例/%強度面積/km2比例/%極強度面積/km2比例/%劇烈面積/km2比例/%分區流失面積/km2比例/%0～20024106.6495.77906.043.60101.980.4131.620.1317.560.078.560.031065.779.74200～50040352.0391.093275.137.39413.420.93136.540.3180.450.1842.840.103948.3836.09500～100041415.3889.224089.258.81546.101.18192.360.41118.050.2560.230.135005.9745.76>10005873.8586.46734.9810.82107.991.5939.960.5924.650.3612.070.18919.668.40

3.5 土地利用對土壤侵蝕的影響

將水土流失分級圖與土地利用分類圖層進行疊置分析，獲取不同土地利用類型的水土流失分布數據(表8)。結果表明，水土流失主要發生在林地和裸地，流失比例分別達到30.99%和9.47%。不透水面和水體因表面均無土壤覆蓋，故沒有水土流失。林地的水土流失等級主要以輕度為主，中度及以上的流失等級只占到流失總面積的17.38%。耕地的流失狀況相對較輕，流失率只有5.21%，主要是因為其植被覆蓋較好，坡度平緩。裸地的流失相對較嚴重，中度及以上的流失等級占20.67%，所以裸地應該是水土流失重點關注的土地利用類型。

表8 水土流失與土地利用的相關分析

4 結 論

(1) 福建省2014年的水土流失總面積為10 939.8 km2，流失率為8.93%，以輕度流失為主，占總流失面積的82.3%；其中22個重點縣流失面積為4 786.65 km2，占全省流失總面積的43.76%；

(2) 水土流失表現出明顯的空間分異特征：水土流失主要發生在海拔200～1 000 m的區域，流失面積有8 954.35 km2，占水土流失面積的81.85%。坡度與水土流失關系密切，水土流失主要集中在8°～25°，其侵蝕面積占到了57.23%，其中坡度帶為15°～25°的侵蝕面積比例最大，占到了37.37%。容易發生水土流失的土地利用類型主要是裸地和林地，流失比例分別達到30.99%和9.47%。

本文定量估算出2014年福建省的水土流失量，分析了福建省9個地級市以及22個重點縣的水土流失的空間分布特征，以及水土流失與地形坡度、DEM高程、土地利用之間的關系，為科學開展水土流失治理與保護提供了基礎數據。

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AnalysisofSoilandWaterLossinFujianProvince

WANG Zhenping, WANG Xiaoqin, ZENG Shujiao, CHEN Xiangan, WU Zuocheng

(KeyLaboratoryofSpatialDataMining&InformationSharingofMinistryofEducation,NationalEngineeringResearchCenterofSpatialInformationTechnology,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China)

[Objective] Remote sensing technology was applied to monitor soil and water loss in Fujian Province, in order to provide certain scientific foundation for soil and water conservation in study area. [Methods] The quantitative computation of soil erosion in the study area based on universal soil loss equation (USLE) and remote sensing data of Landsat-8 OLI at 2014 can be inspected with the GIS spatial analysis and mathematical statistic methods to get the space distribution characteristics of soil and water loss in the field. [Results] The total area and rate of soil and water loss in 2014 of Fujian Province were 10 939.8 km2and 8.93%, respectively. Mild erosion played a dominant role and covered 82.3% of the erosive area. Areas having intensive erosion or more intensive level mainly concentrated in Ningde, Nanping, Zhangzhou and Longyan. The erosion area of 22 key soil erosion counties was 4 786.65 km2and the loss rate was 10.54%, accounting for 43.76% of the total erosion area in Fujian Province. [Conclusion] The total 8 954.35 square kilometers erosion area mainly located at altitude of 200～1 000 m and makes up 81.85% of the total erosion area. Slope gradient was found closely associated with soil and water loss, and soil erosion primarily happens in place of 8°～25 ° slope. The loss area on that slope was 69 871.71 km2, accounting for 57.23% of the total erosion area. The bare land and forest land are prone to soil erosion, 30.99% and 9.47% of the two lands were in erosion.

soilerosion;spatialanalysis;USLE;FujianProvince

A

1000-288X(2017)05-0169-07

S157

文獻參數： 王振平, 汪小欽, 曾舒嬌, 等.福建省水土流失現狀分析 [J].水土保持通報，2017,37(5)：169-175.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.029； Wang Zhenping, Wang Xiaoqin, Zeng Shujiao, et al. Analysis of soil and water loss in Fujian Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：169-175.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.029

2016-06-28

2016-10-11

國家科技支撐計劃課題“南方紅壤水土流失綜合監測”(2013BAC08B01)； 福建省高校產學研項目“集成多重時空分辨率的縣域水土流失遙感協同監測”(2017Y4010)

王振平(1990—),男(漢族),湖北省孝感市人,在讀碩士,研究方向為環境與自然資源遙感應用。E-mail:wzpfcb@163.com。

汪小欽(1972—),女(漢族),福建省古田縣人,博士,研究員,主要從事資源環境遙感應用研究。E-mail:wangxq@fzu.edu.cn。