丹江口水庫庫區(qū)及周邊地區(qū)水土流失空間分布特征及影響因素

摘 要：基于地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）和修正后的通用水土流失流失方程（RUSLE），獲得丹江口水庫及其周邊區(qū)域水土流失空間分布特征及影響較大的4種主要影響因子，包括降雨侵蝕力因子R、土壤可侵蝕性因子K、地形和坡度因子LS、植被覆蓋和經(jīng)營管理因子CP。研究結(jié)果表明，丹江口庫區(qū)及其周邊地區(qū)水土流失以微度和輕度為主，分別占該地區(qū)水土流失總面積的27.35%和66.16%；坡度對水土流失的影響較大，水土流失主要分布在坡度大于8°的區(qū)域內(nèi)；同時水土流失主要發(fā)生于受人類活動干擾強(qiáng)烈的灌木和草地兩種地類上，這兩種地類水土流失面積占到研究區(qū)水土流失總面積的61.39%，因此對灌木和草地區(qū)域的水土保持加強(qiáng)保護(hù)和管理，進(jìn)一步實(shí)行退耕還林政策是十分必要的。

關(guān)鍵詞：丹江口水庫；水土流失；RUSLE模型

中圖分類號：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）09-0054-06

Spatial Distribution Characteristics and Influencing Factors of Soil and Water Loss in Danjiangkou Reservoir Area and Surrounding Area

LI Xue-min1，WEN Li1，2，LIU Chen1，WEI Peng-fei3，WANG Li-xuan1，TIAN Wen-ting1

（1. College of Resource Environment and Tourism， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， 441053， PRC； 2. Institute of Tibetan Plateau Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， PRC； 3. Eighth Geological Brigade of Hubei， Xiangyang， 441002， PRC）

Abstract： Based on the geographic information system （GIS）， remote sensing technology （RS） and the revised universal soil and water loss equation （RUSLE）， the spatial distribution characteristics of soil and water loss in Danjiangkou Reservoir and its surrounding areas and four major influencing factors， including rainfall erosion factor R， the soil erosion factor K， terrain and slope factor LS， vegetation cover and management factor CP were obtained. The results show that the degree of water and soil loss in Danjiangkou reservoir area and its surrounding areas is mostly mired and mild， respectively 27.35% and 66.16% of the total area of water and soil loss in the region. The slope is a greater influence on soil and water loss and where the slope is greater than 8°. At the same time， soil and water loss mainly occurs in shrubs and grasslands which are strongly disturbed by human activities. The area of soil and water loss accounts for 61.39% of the total area of soil and water loss in the study area. Therefore， it is necessary to strengthen the protection and management of soil and water conservation in shrub and grassland areas and further implement the policy of returning farmland to forests.

Key words： Danjiangkou reservoir； soil and water loss； RUSLE model

水土流失是指在自然條件和人類活動作用下由于水力、風(fēng)力和重力等外力作用造成的水土資源破壞和損失[1-3]。區(qū)域水土流失現(xiàn)象是目前很多流域面臨的一個重要問題[4-6]，很多環(huán)境與生態(tài)問題隨之而來，如土壤退化、生產(chǎn)力降低、可利用土地減少、陸地生態(tài)環(huán)境惡化等，如何有效的評價(jià)區(qū)域水土流失特征是目前亟需解決的問題[7-10]。作為南水北調(diào)中線工程的水源地，丹江口水庫地位十分重要，丹江口水庫水質(zhì)保持良好的狀態(tài)，是保障整個南水北調(diào)中線工程成功的關(guān)鍵。由于地形、氣候、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等因素的影響，水土流失成為丹江口水庫面源污染的主要來源之一，在丹江口水庫開始庫蓄水后的時段里，淹沒面積逐漸擴(kuò)大，水文情況也將隨之改變，流速變緩，泥沙淤積嚴(yán)重，不僅會造成水質(zhì)的污染，也會減小水庫庫容。因此分析研究丹江口水庫及其周邊地區(qū)水土流失區(qū)域的面積大小、水土流失強(qiáng)度等級以及水土流失空間分布的特征及水土流失產(chǎn)生的主要影響因素，為進(jìn)一步治理庫區(qū)水土流失問題與退耕還林政策落實(shí)提供一定的科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

丹江口水庫是漢江中下游最重要的紐帶，其地理位置位于湖北省縣級市丹江口市的北部區(qū)域以及河南省淅川市的南部廣大區(qū)域，跨度較大，分別占據(jù)了湖北省和河南省的兩片區(qū)域。隨著南水北調(diào)中線工程的逐步推進(jìn)，2012年丹江口大壩加高工程項(xiàng)目完工，丹江口水庫水域面積達(dá)到已經(jīng)逐漸達(dá)到1 022.75 km2，蓄水量已經(jīng)達(dá)到2.9×1010 m3。庫區(qū)地形以較低矮山地為主，庫區(qū)及其周邊地貌類型主要是丘陵地貌，地形起伏大，山中的溝和岔分布相對廣泛（如圖1）。庫區(qū)氣候類型比較單一，以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹饕獨(dú)夂蝾愋停瑩?jù)多年平均數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，該地區(qū)年降水量一般在800～1 000 mm，降水時段相對比較集中，主要集中在6～8月，其中7月為一年內(nèi)降水量最多的月份，約占全年降水量的五分之一，土壤 類型以黃棕壤、水稻土、石灰土為主，土層較薄。

2 數(shù)據(jù)材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)材料

研究區(qū)內(nèi)高程柵格數(shù)據(jù)，如流域的范圍、河流分布和高程分布等數(shù)據(jù)主要基于地理空間數(shù)據(jù)云提供的ASTER GDEM V2 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，河流數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的中國河流分類數(shù)據(jù)。庫區(qū)影像基于Landsat TM系列影像，采用地理空間數(shù)據(jù)云數(shù)據(jù)庫內(nèi)的Landsat 5、Landsat 7和Landsat 8系列影像。降水?dāng)?shù)據(jù)主要采用英國East Anglia 大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院氣候研究中心提供的世界10弧分經(jīng)緯度降水?dāng)?shù)據(jù)通過Matlab腳本處理后的結(jié)果。土壤數(shù)據(jù)來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫，為1∶100萬土壤屬性數(shù)據(jù)以及該屬性土壤的分布情況的相關(guān)數(shù)據(jù)；土壤類型編碼采用《中國土壤分類與代碼：土綱、亞綱、土類和亞類分類與代碼》[11]。

2.2 RUSLE模型參數(shù)計(jì)算

對土壤侵蝕的研究主要是基于改進(jìn)后的通用水土流失模型RUSLE，該模型的表達(dá)式如下。

A=?×R×K×LS×CP （1）

式中，A所代表的是土壤的年均侵蝕量，其單位為 t/（hm2·a）；R代表降雨侵蝕力因子[12]，其單位為MJ·mm/（hm2·h·a）；K代表土壤可蝕性因子[13]，其單位為 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；LS是坡長和坡度因子；CP代表作物覆蓋與管理因子及水土保持措施因子[14]。同時，為了進(jìn)一步推廣RUSLE在土壤侵蝕中的研究成果，美國農(nóng)業(yè)部將模型及其影響因子的提取方法進(jìn)行了總結(jié)及推廣，形成RUSLE手冊[15]，R因子、LS因子、K因子和CP因子插值空間分布如圖2所示。

2.2.1 R因子 R表示降雨侵蝕力因子，其反應(yīng)的是降雨對水土流失的影響能力以及氣候因素對水土流失的影響[16]，可以做為定量監(jiān)測與評價(jià)某地區(qū)水土流失基礎(chǔ)性的因素。基于一些國內(nèi)學(xué)者的研究成果，特別選取周伏建等提出的福建省降雨侵蝕力因子值R的估算公式進(jìn)行分析計(jì)算[17-20]，公式如下所示。

其中，S在公式中是表示坡度因子；ε的值是通過DEM數(shù)據(jù)提取的坡度值，其單位為°；L數(shù)據(jù)值，一般是通過DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡長分析計(jì)算；λ為坡長指數(shù)同樣是在DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡長分析計(jì)算。

2.2.3 K因子 K為土壤可侵蝕性因子，通過土壤屬性進(jìn)而所判斷出的土壤是否容易被侵蝕的性質(zhì)，計(jì)算過程中依據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)、不同機(jī)械組成劃分滲透級別與土壤結(jié)構(gòu)等體系[19-21]，促使K值進(jìn)一步符合應(yīng)用區(qū)域的實(shí)際。

K=[2.1×10-4M1.14（12-M0）+3.25（S-2）+2.5

（I-3）]/100 （4）

式中：K值表示土壤可侵蝕性；M值表示土壤除去黏粒后的百分含量和粉砂與極細(xì)沙的百分含量之積；式中M0值所代表的是在土壤中有機(jī)質(zhì)存在的相關(guān)情況；S的值所表示的是土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)；I值所表示的是滲透性等級的相關(guān)數(shù)據(jù)。這種方程一般在通常在溫帶土地中應(yīng)用的比較廣泛，因此比較適用于丹江口庫區(qū)及其周邊地區(qū)。

2.2.4 CP因子 植被覆蓋因子和經(jīng)營管理因子受較多因素的影響，不僅與植被覆蓋情況、管控相關(guān)措施有關(guān)，并且與降雨量也有很大關(guān)系。水土保持措施因子P參照美國農(nóng)業(yè)部手冊以及黃金良等在九江流域土壤侵蝕研究中P因子取值的研究成果[22-24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 丹江口水庫庫區(qū)及其周邊水土流失的空間分布特征

降雨侵蝕因子R值圖、坡長坡度因子LS值圖、土壤可侵蝕性因子K值圖、水土保持措施因子P值圖、植被與經(jīng)營管理因子CP因子值圖（如表1），把各因子空間分布值圖進(jìn)行同一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，每個像元大小為30 m分辨率，采用ArcGIS軟件疊加相乘運(yùn)算分析，計(jì)算得到丹江口庫區(qū)及其周邊土壤侵蝕強(qiáng)度等級圖（如圖3）。再根據(jù)水利部所頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)（SL 190—2007）》進(jìn)而確定水土流失分級指標(biāo)[25]，進(jìn)而得到丹江口水庫庫區(qū)及其周邊土壤侵蝕強(qiáng)度分級及其面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2所示。由表2可知，丹江口水庫庫區(qū)及其周邊地區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀以微度、輕度和中度為主，分別占到研究區(qū)總面積的27.35%、66.16%和6.47%。

依據(jù)水利部土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)SL190—2007，

丹江口庫區(qū)及其周邊水土流失等級分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈4個等級，將丹江口市下轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界矢量圖與研究區(qū)域的水土流失情況分布圖疊加，分析得出每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水土流失情況。丹江口庫區(qū)周邊丹江口市所轄的9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及辦事處（大壩辦事處、丹趙路辦事處、涼水河鎮(zhèn)、石鼓鎮(zhèn)、蒿坪鎮(zhèn)、習(xí)家店鎮(zhèn)、均縣鎮(zhèn)、牛河鎮(zhèn)和土關(guān)埡鎮(zhèn)），除習(xí)家店鎮(zhèn)和涼水河鎮(zhèn)以外，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)水土流失均以微度和輕度為主。習(xí)家店鎮(zhèn)部分區(qū)域水土流失達(dá)到了強(qiáng)烈的侵蝕強(qiáng)度，同時習(xí)家店鎮(zhèn)全鎮(zhèn)的土壤侵蝕強(qiáng)度為輕度以上的土壤侵蝕面積占研究區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積約55%，涼水河鎮(zhèn)全鎮(zhèn)土壤侵蝕強(qiáng)度為輕度以上的土壤侵蝕面積占研究區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積約27%，土壤侵蝕強(qiáng)度最低的為大壩辦事處，全境70%的地域土壤侵蝕強(qiáng)度等級處于微度的狀態(tài)。

3.2 水土流失與土地利用程度的耦合關(guān)系

土地利用方式的不同，很大程度上影響著區(qū)域水土流失發(fā)生面積和強(qiáng)度特征。將土壤侵蝕等級分布圖與土地利用類型分布圖進(jìn)行疊加分析，獲取丹江口庫區(qū)及其周邊不同土地利用類型的水土流失分布特征，分析結(jié)果如表3所示。從表3可知，不同土地利用類型的水土流失差異比較大，其中灌木、草地、耕地覆蓋區(qū)域?yàn)橹饕亮魇^(qū)域，占水土流失總面積的65%。在這5類（林地、灌木、草地、耕地和建設(shè)用地）土地利用類型中，水土流失程度以微度和輕度為主：其中林地水土流失面積占林地總面積的43.5%，其中屬于微度侵蝕等級區(qū)域的面積占林地受侵蝕總面積的73.03%，屬于輕度侵蝕等級的面積占到了林地侵蝕總面積的21.09%，屬于中度侵蝕等級的面積占到了林地侵蝕總面積的5.79%；灌木林水土流失面積占灌木林總面積的75.97%，其中灌木林微度水土流失面積占灌木林水土流失總面積的2.13%，灌木林輕度水土流失面積占灌木林水土流失總面積的95.58%，灌木林中度水土流失面積占灌木林水土流失總面積的2.28%；草地水土流失面積在草地總面積中的占比為46.88%，其中草地微度水土流失面積在草地水土流失總面積中的占比為17.62%，草地輕度水土流失面積在草地水土流失總面積中的占比為76.6%，草地受到中度土壤侵蝕的面積在草地水土流失總面積中的占比為5.76%；耕地水土流失面積在耕地總面積中的占比為94.04%，其中耕地受到微度土壤侵蝕的面積在耕地水土流失總面積中的占比為53.03%，耕地受到輕度土壤侵蝕的面積在耕地水土流失總面積中的占比為37.58%，耕地受到中度土壤侵蝕的面積在耕地水土流失總面積中的占比為9.4%；綜上所述，丹江口庫區(qū)及其周邊水土流失情況整體并不嚴(yán)重，但是局部地區(qū)受人類干擾比較強(qiáng)烈的灌木林和草地水土流失情況相對較為嚴(yán)重，因此對灌木和草地區(qū)域的水土保持加強(qiáng)保護(hù)和管理，進(jìn)一步實(shí)行退耕還林政策是十分必要的。

3.3 水土流失與地形坡度之間的耦合關(guān)系

利用GIS空間分析技術(shù)對丹江口庫區(qū)及其周邊地區(qū)ASTER GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，共分為6個等級[11]，然后將坡度圖與水土流失情況分布圖進(jìn)行疊加分析，得出不同坡度帶水土流失分布情況（如表4和圖4），該區(qū)域水土流失主要以微度和輕度為主，8°以下緩坡區(qū)域主要為輕度水土流失，輕度水土流失面積占82.34%，微度水土流失面積占9.18%，中度水土流失面積占3.82%，在8°～15°區(qū)間內(nèi)也是輕度水土流失為主，輕度水土流失占63.78%，但是微度水土流失所占比重較高，微度水土流失占29.42%，中度水土流失占2.92%；在15°～25°區(qū)間內(nèi)輕度水土流失占的比重增大，中度水土流失所占比重繼續(xù)增大，輕度水土流失占80.45%，微度水土流失占14%，中度水土流失占5.6%；在25°～35°區(qū)間內(nèi)輕度水土流失占的比重略微降低，中度水土流失所占比重增大，輕度水土流失占76.42%，微度水土流失占13.34%，中度水土流失占10.19%；大于35°的區(qū)間內(nèi)輕度水土流失占的比重有較大降低，中度水土流失所占比重繼續(xù)增大，輕度水土流失占52.07%，微度水土流失占28.37%，中度水土流失占19.36%。綜上所述，該區(qū)域內(nèi)水土流失以微度和輕度流失為主，水土流失分布特征與地形

坡度呈現(xiàn)出一定的耦合關(guān)系（圖4），中度水土流失所占比重隨著坡度的增大逐漸增大，在8°～15°區(qū)間出現(xiàn)逆序變化；輕度水土流失所占比重較大，隨著坡度的增大所占比重整體趨勢為逐漸降低，同樣在8°～15°區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)低值波谷，這與土壤顆粒在該坡度區(qū)間內(nèi)蠕動出現(xiàn)極大值有關(guān)。

4 結(jié) 論

通過對丹江口庫區(qū)及其周邊地區(qū)水土流失空間分布特征及其影響因素綜合分析得出如下結(jié)論。

丹江口庫區(qū)及其周邊水土流失等級分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈4個等級，以微度和輕度為主，分別占該地區(qū)水土流失總面積的27.35%和66.16%。丹江口庫區(qū)周邊丹江口市所轄的9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及辦事處，除習(xí)家店鎮(zhèn)和涼水河鎮(zhèn)以外，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)水土流失均以微度和輕度為主，習(xí)家店鎮(zhèn)部分區(qū)域水土流失達(dá)到了強(qiáng)烈的侵蝕強(qiáng)度，土壤侵蝕強(qiáng)度最低的為大壩辦事處，全境70%的地域土壤侵蝕強(qiáng)度等級處于微度的狀態(tài)。

土地利用方式很大程度上影響著區(qū)域水土流失發(fā)生面積和強(qiáng)度特征。不同土地利用類型的水土流失差異比較大，其中灌木、草地、耕地覆蓋區(qū)域?yàn)橹饕亮魇^(qū)域，占水土流失總面積的65%。丹江口庫區(qū)及其周邊水土流失情況整體并不嚴(yán)重，但是局部地區(qū)受人類干擾比較強(qiáng)烈的灌木林和草地水土流失情況相對較為嚴(yán)重，因此對灌木和草地區(qū)域的水土保持加強(qiáng)保護(hù)和管理，進(jìn)一步實(shí)行退耕還林政策十分必要。

該區(qū)域內(nèi)水土流失分布特征與地形坡度呈現(xiàn)出一定的耦合關(guān)系，中度水土流失所占比重隨著坡度的增大逐漸增大，在8°～15°區(qū)間出現(xiàn)逆序變化，輕度水土流失所占比重較大，隨著坡度的增大所占比重整體趨勢為逐漸降低，同樣在8°～15°區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)低值波谷，這與斜坡土壤顆粒運(yùn)動特征在該坡度區(qū)間內(nèi)蠕動現(xiàn)象出現(xiàn)極大值有關(guān)。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）