九江市濂溪區金橋生態清潔小流域水土流失空間分布研究

劉 峻

（江西省九江市濂溪區水務局，江西 九江 332005）

金橋小流域位于九江市濂溪區賽陽鎮，屬江南丘陵西北邊緣地區，海拔介于43.8 m～1162.2 m之間。低山、丘陵、平地相間分布，由于地形破碎、溝谷縱橫，加之強降水時洪水匯水歷時短、流速快，對河道沖蝕破壞明顯，屬水土流失典型區[1]。該地區屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫潤，多年平均氣溫16℃～17℃，年降雨量1300 mm～1600 mm，無霜期245 d。流域典型植被以馬尾松、鐵芒萁為主，雖然地表覆被程度高，但“林下侵蝕”仍然顯著。經計算，金橋小流域共計水土流失面積13.68 km2，占區域總面積的26.33%，年均土壤流失量3.69萬t。

1 研究方法與數據源

1.1 土壤保持量計算

通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation)是美國科學家經半個多世紀以來基于實際觀測數據建立起來的水土流失經驗方程[2]，將區域年水土流失量視作降水侵蝕、植被覆蓋、地形、土壤質地、人為活動等環境因子的函數，公式如下：

式中：A為年水土壤流失量,單位為t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子，單位為 t/(hm2·h·a);其計算如下：

式中:i=1,2,…,12，表示月份；Pi為月總降雨，單位為mm；R為降雨侵蝕力因子，其值越大，表明降雨強度越大，對地表侵蝕作用越大；植被通過地上截留、匯聚和地下固結作用減弱水土流失[2～5]。

1.2 數據來源與處理

多光譜遙感技術具有監測范圍廣、空間可視化和時效性高的特點，因而在水土流失調查中具有廣泛應用。為表征流域水土流失前瞻性，以2017年8月21日獲取的Landsat OLI影像為基礎數據，其空間分辨率具有30 m、15 m兩種特征，經融合處理后以15 m分辨率為基本繪圖單元，能反映區域真實信息。通過OLI影像主要獲取植被特征與土地利用空間分布信息；在ENVI5.3軟件上先通過Flassh模塊進行大氣校正，以減小大氣對地表光譜輻射信息的影響，植被覆蓋度則通過band math模塊運用像元二分法進行計算；土地利用信息通過面向對象方法，在feature extract模塊完成，其具體操作流程參見文獻[3]。

地形是水土流失重要影響因子，以美國地質調查局(USGS)提供的SRTM DEM為輔助，該數字高程的分辨率為30 m，為確保空間分析一致性，運用arcgis10.5的resample功能將像元重采樣，并且均采用WGS-84投影系統。需要提取的地形因子主要包含坡度、坡長等，將其轉化為ascii格式后，通過SimDTA軟件定量提取。侵蝕莫屬為區域年內水土流失量，依據1.1部分所闡述的公式，將各個因子生成柵格圖層，應用arcgis10.5平臺的Map Algebra工具進行提取。

2 結果分析

2.1 金橋流域環境因子基本特征

基于上述數據和GIS平臺，繪制金橋流域環境因子空間分布圖，見圖1。由圖1可知，金橋流域植被覆蓋空間分布不均，其值介于-0.32～0.98之間，由于地物光譜反射特征的差異性，通常認為該值低于0時，表示其為非植被覆蓋；在局部地區植被覆蓋度高達75%以上。需要指出的是，金橋流域以次生林、人工林為主，原生的喬木林、灌草地較少，加之植被立體空間組合結構較差，高覆蓋度的情況下依然存在水土流失現象[4]。DEM顯示金橋流域數字高程介于113 m～1181 m之間，正北部為山地，海拔達到800 m以上；中、東、西部以低山、丘陵為主，介于300 m～800 m之間；中南部以溝谷、低地為主，海拔小于300 m。另外提供了該流域OLI遙感影像，通過衛星影像數據可直接觀測區域地表環境差異，以便于理解水土流失空間差異性。

圖1 金橋流域環境因子特征

2.3 金橋流域水土流失空間統計特征

受不同環境因子及其組合效應影響，流域內不同空間位置上水土流失量存在差異，為定性表達這種空間差異性，參照水利部《土壤侵蝕分類分級標準(SL1996-2007)》和《江西省水土流失綜合防治技術標準標準》厘定其具體閾值。由于前兩標準的閾值上限與下限截距較大，不便于認識水土流失效應局部差異，因此基于部分閾值結合自然裂點法[5]，劃分金橋流域水土流失強度等級見圖2。由圖2可知，金橋流域水土流失空間異質性強，流失強度自流域邊緣山地向中部溝谷地帶增強，經空間統計顯示，劇烈、極強、強度、中度、輕度、微度水土流失面積分別為：9.16%、3.12%、27.38%、19.64%、17.43%、23.27%，面積依次為 1.25 km2、0.43 km2、3.75 km2、2.69 km2、2.38 km2、3.18 km2。由此可知，金橋流域水土流失以強度、中度、微度為主，流域土壤侵蝕、水資源流失情況不容忽視。

圖2 金橋流域水土流失空間統計特征

2.3 金橋流域侵蝕模數與土地利用類型關系分析

將流域侵蝕模數柵格圖層與土地利用類型層進行空間疊加統計，計算得到不同用地類型情況下水土流失強度大小，結果見圖3。由圖3可知，金橋流域水土流失強度與用地類型密切相關；7種土地利用類型中以建設用地的侵蝕模數最大，平均值為 698.59 t/(hm2·h·a)，從其空間分布來看主要與劇烈、強度(圖2)水土流失區成空間耦合，沿著河流谷底分布。這是因為河谷低地為人為活動強烈地區，地表經人為破壞、降水沖刷強烈、土壤可侵蝕性強；另外實地調查證實，河谷地區護坡、護岸、道路等建筑地表較多，受侵蝕影響明顯。

其次是裸地，其侵蝕模數達576.187 t/(hm2·h·a)，該流域裸地主要以河漫灘、裸巖、拋荒地為主，因無植被覆蓋和地表經營作用，水土沖蝕作用顯著。旱地、園地、草地的侵蝕模數居中，依次為 475.15 t/(hm2·h·a)、219.83 t/(hm2·h·a)、362.78 t/(hm2·h·a)，其中草地侵蝕模數的變異性較大，主要因為局部灌草覆蓋度差異性大，因而水土保育功能異質性程度高。水域和林地的侵蝕模數最少，僅為 262.87 t/(hm2·h·a)、242.55 t/(hm2·h·a)，作為生態用地類型中的‘碳匯’，林地、草地具有重要的水土涵養功能。

圖3 金橋流域水土流失與土地利用類型的關系

2.4 金橋流域水土流失與地形因子關系分析

運用arcgis10.5進行空間疊加分析，分區統計不同海拔、坡度區間內水土流失強度，其結果見圖4。從海拔分異來看，侵蝕模數隨著海拔升高逐漸降低，在溝谷低地(0 m～200 m)處其平均侵蝕模數為632.87 t/(hm2·h·a)，遠高于淺丘地帶的552.54 t/(hm2·h·a)、低山(500 m～800 m)的t/(hm2·h·a)和山地地帶的245.12 t/(hm2·h·a)。這種分異是海拔過渡產生的環境梯度造成的。

首先，低海拔區人為活動頻繁、地表疏松，多以建筑用地、農用地為主，土壤易侵蝕；其次，該地段植被以次生、人工種植林、景觀林木為主，植被覆蓋度低、立體空間結構性差，土體抗侵蝕性能低；再者，由于匯集產流面積廣，加劇了水土流失的發生。從坡度來看，金橋流域水土流失分異規律與海拔的特征相似，即隨著坡度增加而減少，其產生的原因與前者類似，故不在此贅述。

圖4 金橋流域水土流失與地形因子的關系

3 結論

為定量表征金橋流域水土流失空間信息，以RUSLE模型與GIS技術方法相結合，研究了流域水土流失侵蝕模數與環境因子的關系。研究顯示，金橋小流域水土流失面積達流域總面積的1/4，強度、中度水土流失面積達27.38%、19.64%，因而區域生態涵養、水域保育形勢十分嚴峻；水土流失強度自山脊向河谷低地成增強分布，尤以海拔小于200 m的地帶侵蝕強烈；侵蝕較強的水土流失強度隨坡度變化產生分異，侵蝕模數主要集中在0°～8°的坡度帶；由此可知，流域水土流失空間分布與地形、植被分布、土地利用、人為活動具有密切的空間自相關性。在生態文明建設戰略部署下，今后的工作需加快該流域以水土保持為特色的生態建設，全面規劃、整治水土流失和建立管治長效機制。