2000-2014年徐州地區土壤侵蝕的變化趨勢

王國斌, 陳報章, 孫少波, 李彥鵬, 梁 森, 渠俊峰

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221008; 2.天津大學表層地球系統科學研究院， 天津 300072; 3.徐州市水利科學研究所, 江蘇 徐州 221003)

土壤侵蝕是指在水力、風力、重力及凍融等自然營力以及人類社會生產和建設活動下，水土資源和土地生產力的破壞和損失[1]。土壤侵蝕會消耗土壤肥力，改變土壤結構，降低有效的生根深度，擾亂所有自然過程的基礎[2]，水土流失還會帶走大量泥沙，不僅污染水環境，更導致河道淤堵，加大了洪澇災害的風險。因此，在中國經濟發展正處于轉型期的背景下，掌握水土流失的變化規律對國計民生具有重要的現實意義。

隨著3S技術的迅猛發展，基于遙感影像資料的定量計算土壤侵蝕程度的數學模型法得到了廣泛的關注，《全國水土流失規劃》明確指出在水土流失監測中應注重采用遙感和地理信息系統等技術結合地面觀測和抽樣調查方法對水土流失重點預防區和治理區進行監測，綜合評價區域水土流失強度和分布狀況、治理措施動態變化[3]。Wischmeier等[4]提出的USLE是全球常用的模型之一(包括熱帶地區)，用于估算水蝕。該模型形式上比一般的經驗模型和物理模型更簡單，公式僅由6個決定因子構成，許多學者對因子的確定方法進行了研究，以滿足某一特定環境的需求。在降雨侵蝕因子(R)的經典算法中，需要高頻的降雨資料，而在實際中很難獲取如此充分的降雨數據， Beguería等[5]針對該問題，提出了基于中頻數據或低頻數據的最佳回歸方法計算降雨侵蝕力，該方法被應用于西班牙地區，取得了不錯的效果。Wu等[6]在實驗室條件下，模擬了不同土壤類型在不同降雨強度下的侵蝕狀況，得到了相同土壤不同降雨強度和不同土壤相同降雨強度的可侵蝕性規律，為以后模型的應用提供了寶貴的經驗。Zhang等[7]開發了一種改進的方法(LS-TOOLMTFD)來評估LS因子，并在復雜變化斜率的流域集水區中得到了應用和驗證，取得了較高的因子計算精度。Bambang[8]以印尼Marawi流域為試驗區，將3種不同的植被覆蓋因子(C)模型應用到侵蝕方程中，用統計學手段比較基于3種不同方法得到得侵蝕模數結果，從而分析了不同C模型的優劣，這在侵蝕計算本地化方面，是一個很有啟發性的案例。Panos等[9]依據地球觀測數據以及文獻指導，估算歐洲范圍內的P因子值，并評估農業保護措施(如石墻和草地邊緣)對減少土壤流失的影響，對歐洲的耕地水土保持以及共同農業發展具有重大意義。迄今，USLE模型已經被廣泛應用在中國各地區的侵蝕風險評估，周夏飛等[10]利用USLE模型，測算了江蘇省2001—2015年土壤侵蝕模數，并進行了時空分析。張超等[11]基于USLE模型估算了渝東北生態涵養區的土壤侵蝕量，并在此基礎上分析了不同降雨強度、坡度、土壤類型下的土壤強度分布特征。

徐州市位于江蘇省西北部，華北平原的東南部，地跨東經116°22′—118°40′，北緯33°43′′—34°58′，東西長約210 km，南北寬約140 km，土地總面積11 259 km2，占江蘇省總面積的11%。由于地處沂、沭、泗諸水的下游，境內河流縱橫交錯，湖沼、水庫星羅棋布，加之土壤質地松散、季節性降水豐沛、人為擾動地表面廣、量大等因素，使得轄區易發生土壤水蝕，近些年來，徐州市堅持不懈地抓好治水工作，以預防監督為主，防治并重，有效抑制了水土流失的發生和發展，但水土流失綜合治理任務依然艱巨，其中水土保持新技術的引進、推廣和應用力度不足是較為突出的問題[12]。迄今，徐州地區的土壤侵蝕時空分布特征鮮有研究，本文擬應用USLE模型計算得到土壤侵蝕模數，并以此數據為基礎，以統計分析為手段旨在從時間尺度和空間尺度分析多年來徐州地區土壤侵蝕的變化規律。

1 數據與方法

1.1 數據來源

(1) 降雨數據。本文采用的降雨數據由徐州市水文局提供，監測站點包括雙溝、新店、睢寧、高流、邳城閘、賈汪、運河、宋樓、新樓、五段、安國、徐州、正集。

(2) 土壤數據。土壤數據由寒區旱區科學數據中心網站(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)下載獲取，其中國境內的數據源為南京土壤所提供的中國第二次土壤調查1∶100萬數據。

(3) 地形數據。地形數據為ASTGTM2 DEM數據，空間分辨率為30 m。

(4) 植被覆蓋數據。來源于比利時VITO網站(http:∥www.vito-eodata.be/PDF/portal/Application.html)的SPOT_VEGETATION數據集中的NDVI數據，空間分辨率為1 km。輔助的遙感數據為Landsat TM數據。

(5) 土地利用類型數據。從中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/)獲得。

1.2 土壤侵蝕量計算

通用土壤流失方程(USLE)形式為：

A=R·K·S·L·C·P

(1)

式中：A——土壤年流失量(t/hm2·a)，R——降雨侵蝕因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕，K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)〕，S和L——地形坡度和坡長因子，C和P——地表植被覆蓋度因子和水土保持措施因子。

該模型考慮的各個因子，基本包容了土壤侵蝕力與抵抗力這一矛盾統一體的宏觀輪廓，為土壤侵蝕量估算的因子選擇提供了成熟的基本骨架[13]。方程中各因子值的確定均要求對監測區的相關地理要素進行詳盡的分析,所以應用USLE的關鍵在于對各相關因子進行科學的確定[14]，本研究中各侵蝕因子的確定方法如下。

(1) 降雨侵蝕因子R的確定。由于R因子的經典計算方法以次降雨量為基礎資料[15]，但數據采集難度較大且無法保證其連續性，故在本研究中采用了國內廣泛應用的章文波等[16]提出的基于日降雨量的中國降雨侵蝕力模型。

(2) 土壤可侵蝕因子K的確定。采用Sharply等[17]發展的EPIC模型計算K值，并根據張科利等[18]的研究，將結果修訂，使其更符合中國土壤特性。

(3) 地形因子LS的確定。本研究中坡度因子S和坡長因子L據區域數字高程模型DEM進行估計[19]。

(4) 植被覆蓋因子C的確定。該因子是植被防止土壤侵蝕程度的定量指標，C的值取決于控制地表侵蝕的植被覆蓋的規模、表面積，以及植物根部、表面粗糙度、含水量的狀態[20]。本研究選用了蔡崇法等[21]提出的基于歸一化植被指數(NDVI)的C值估算公式。

(5) 水土保持因子P的確定。P值的確定結合了地形坡度數據以及土地利用類型數據，具體參照了方廣玲等[22]提出的選取標準。

1.3 土壤侵蝕時空變化分析

本文中計算年最大、平均侵蝕模數變化率以及整體變化分布，應用的數學手段為一元線性回歸。回歸分析，尤其是一元線性回歸分析，做為統計學中的一個重要分支，以其成熟的原理，高可信度的預測結果，運用的簡潔性等優點，在工程技術經濟領域有著十分廣泛的應用[23]。具體表達式為：

(2)

式中：變量i——1～15的年序號；Ei——第i年的侵蝕模數值。變化趨勢分布圖則反映了在15 a的時間序列中，徐州土壤侵蝕的變化趨勢，某像點的像元值是這個像點15 a間的侵蝕模數用一元線性回歸模擬出的變化直線的斜率。

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕強度分布

《全國水土保持區劃》(2015—2030)采用三級分區體系，一級區為總體格局區，確定全國水土保持工作戰略部署與水土流失防治方略，是水土資源保護、開發和合理利用的總體格局；二級區為區域協調區，協調跨流域、跨省區的重大區域性規劃目標、任務及重點；三級區為基本功能區，確定水土流失防治途徑及技術體系，作為重點項目布局與規劃的基礎[3]。徐州市位于北方土石山區(一級區)、華北平原區(二級區)、黃泛平原防沙農田防護區和淮北平原崗地農田防護保土區(三級區)[12]。本研究以全國水土保持區劃為指導，按照三級區劃將徐州區縣劃分為黃泛平原和丘陵地區(圖1)。

圖1 徐州市縣級行政區劃及其所屬水土保持三級區

本研究利用上述的USLE模型計算出徐州土壤侵蝕模數影像，裁剪得到徐州黃泛平原及丘陵地區的土壤侵蝕數據。根據水利部頒發的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)，將徐州地區土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強烈和極強烈5個不同等級[24]，具體劃分標準如表1所示。

表1 北方土石山區土壤侵蝕強度分級標準

黃泛平原包括豐縣、沛縣、睢寧、新沂和邳州的部分區域，由計算出的侵蝕模數分布得到，黃泛平原絕大多數地區的侵蝕程度為微量侵蝕，其余地區以輕度侵蝕為主，夾雜著小區域的其他程度的侵蝕，按照行政區域劃分，輕度及以上侵蝕等級的區域主要為新沂市的棋盤鎮、馬陵山鎮，邳州市的鐵富鎮、邳城鎮，睢寧縣的姚集鎮、王集鎮、嵐山鎮以及豐縣的華山鎮、宋樓鎮、大沙河鎮等。

丘陵地區的絕大多數區域以微度侵蝕為主，其余地區主要為輕度侵蝕，呈條狀或帶狀分布，小部分區域為中度及以上侵蝕。從行政區劃來看，輕度侵蝕主要發生在賈汪區的賈汪鎮、利國鎮、江莊鎮、柳泉鎮、青山泉鎮、茅村鎮，銅山區的大彭鎮、漢王鎮、銅山鎮、三堡鎮、棠張鎮、徐莊鎮、張集鎮、伊莊鎮，邳州市的八義集鎮、占城鎮，鼓樓區的廟山鎮，以及泉山區、云龍區、鼓樓區的部分地區，中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕、劇烈侵蝕范圍逐級遞減，分布在輕度侵蝕范圍之中。比較丘陵地區和平原地區的侵蝕狀況可知，丘陵地區各等級(除微度)侵蝕面積明顯比黃泛平原大，并且侵蝕等級跨度更大。坡度是坡面土壤侵蝕中影響最大的因素，丘陵地區坡度更大，降雨沖刷更加劇烈，易造成更大程度的水土流失[25]。

2.2 年最大與平均侵蝕模數年際變化

逐年統計2000—2014年土壤侵蝕模數最大值、平均值，根據統計數據，分別繪制黃泛平原和丘陵地區最大侵蝕模數和平均侵蝕模數變化特征如圖2—3所示。

圖2 黃泛平原、丘陵地區年最大侵蝕模數變化

圖3 黃泛平原、丘陵地區年平均侵蝕模數變化

由2—圖3可知，從2000—2014年，黃泛平原和丘陵地區年平均侵蝕模數和年最大侵蝕模數的變化都處于下降的趨勢，側面說明多年來黃泛平原和丘陵地區的土壤侵蝕程度在逐漸減弱，并且丘陵地區年最大侵蝕模數變化的回歸線通過了顯著性水平為0.05的假設檢驗。

綜合兩組結果可以發現，丘陵地區侵蝕模數下降程度相較黃泛平原更大、更明顯。從徐州市治理水土流失的歷史資料可以發現，近些年來徐州有關部門修建了一大批蓄水保土工程，顯著降低了徐州市的水土流失總量，尤其在主要的水土流失區——丘陵地區，水土流失治理率達到57.6%[3]，土壤侵蝕強度顯著降低。

2.3 侵蝕面積變化

將黃泛平原和丘陵地區對應等級的侵蝕面積相加，統計多年來徐州市各等級土壤侵蝕面積變化過程，由于徐州屬于北方土石山區，而北方土石山區的容許流失強度為200 t/km2，即微度侵蝕[19]。所以在統計面積時沒有將微度侵蝕考慮在內，結果如圖4所示。

圖4 2000-2014年徐州市各等級侵蝕面積變化

可以發現除微度侵蝕外徐州市輕度侵蝕占主要比重，與其他侵蝕類型差距明顯，各侵蝕等級面積呈波浪式變化，總體呈下降態勢，分別將徐州黃泛平原及丘陵地區各年不同等級的侵蝕面積以所占總侵蝕面積比例的形式統計，結果如圖5所示。

圖5 2000-2014年黃泛平原和丘陵地區各等級侵蝕面積所占比例/%

由圖5可以發現，總體來說，徐州黃泛平原輕度侵蝕面積占總侵蝕面積的80%以上，個別年份有所上升或下降，各等級侵蝕面積逐級遞減，從多年來看，輕度以上等級的侵蝕比例在逐漸縮小。多年來丘陵地區各等級侵蝕所占比重的變化規律相較于黃泛平原更加明顯，1 a中輕度侵蝕占總侵蝕面積的70%左右，自2007年之后，輕度侵蝕所占比重呈階梯狀上升趨勢，輕度以上侵蝕比重呈階梯狀下降趨勢，2009年以后極強度侵蝕控制在5%左右，劇烈侵蝕基本得到了遏制。

2.4 像素尺度侵蝕模數年際變化

對徐州市15 a間侵蝕模數影像逐像素計算回歸系數，若回歸系數大于0，則代表侵蝕模數呈上升趨勢，即侵蝕程度惡化，反之，若回歸系數小于0，則代表侵蝕模數呈下降趨勢，即侵蝕程度減弱。本研究計算回歸系數應用了Python編程語言，結合ArcGIS自帶的Arcpy站點包以及處理數組的Numpy模塊和進行數學分析的Scipy模塊，分別計算了黃泛平原和丘陵地區的回歸系數，并進行了顯著性檢驗。

由年際變化率分布得到徐州市絕大多數地區的回歸系數小于0，表明徐州市的土壤侵蝕模數整體呈下降趨勢。對于丘陵地區而言，賈汪區大部、銅山區西南部以及東南部等輕度及以上侵蝕程度的地區下降趨勢尤為明顯，按照鎮級行政區劃分，這些地區主要包括賈汪區的利國鎮、江莊鎮、賈汪鎮、青山泉鎮、柳泉鎮、茅村鎮，銅山區的銅山鎮、漢王鎮、徐莊鎮、張集鎮，以及鼓樓區和泉山區的部分地區。對于黃泛平原來說，下降趨勢較大的區域主要位于睢寧縣北部，邳州市北部、東部，豐縣南部，沛縣東部，按鎮級行政區劃分包括邳州市的邳城鎮、鐵富鎮、戴莊鎮，睢寧縣的姚集鎮、古邳鎮、嵐山鎮，沛縣的五段鎮、魏廟鎮，豐縣的大沙河鎮、宋樓鎮。

結合侵蝕變化率分布和侵蝕顯著性分布得知，侵蝕程度降幅較大的區域多分布于各河流流域及湖泊周圍，并且變化顯著性強的區域也多分布于各河流附近，對于黃泛平原，侵蝕模數降低較大的區域分布于黃河故道北部，正集河與大沙河交叉處以及京杭運河部分段沿岸，通過了顯著性水平為0.01或0.05的假設檢驗的地區為邳州北部京杭大運河(中運河)上游，京杭運河(中運河段)東部，徐洪河流域中部以及復興河中段區域。對于丘陵地區，降幅較大的區域分布于京杭運河(梁濟運河、湖西航道、不牢河)以北，奎河以西以及黃河故道以北，丘陵地區的某些部分通過了顯著性水平為0.01或0.05的顯著性檢驗，它們零星散布于黃河故道和京杭運河周圍。對于丘陵地區，廢黃河、奎河、京杭運河流域的部分地區仍存在著侵蝕程度加重的現象，對于黃泛平原，各流域均存在著侵蝕加重的情況，尤其在駱馬湖沿岸存在著大面積侵蝕加重的狀況。

2.5 成因討論與分析

從以上的分析結果來看，多年間徐州黃泛平原及丘陵地區的土壤侵蝕程度整體呈減弱態勢，產生此結果的原因主要包括以下3個方面。

(1) 徐州地區作為黃河故道區，歷史上多次遭遇決口泛濫，使得該地區生態環境惡劣，森林覆蓋率極低，20世紀80年代以后，徐州開始了全面的生態環境建設，其中封山造林、退耕還林是主要的手段，據統計，徐州地區的林地面積在1987—2016年增加了1 448.44 km2，增加量約是1987年林地總面積的2倍[26]。尤其在2013年，徐州市被水利部確認為首批生態文明城市建設試點后，有關部門加強了林業建設、修復和保護力度，截至2013年底，徐州的森林覆蓋率達到了32%，位列全省第一名。森林覆蓋度的增加直接減小了USLE模型中P因子的取值，進而促使徐州地區土壤侵蝕強度逐年減弱。

(2) 徐州境內水系眾多，流域內土壤受河流的沖刷作用，易被河流分離、搬運和沉積，造成水土流失，并且在河流的治理過程中，人為的清淤、挖土和堆土，導致地貌、土壤和植被破壞，在水力、重力及風力等外營力作用下易引發強烈的水土流失[27]，針對這些問題，徐州市以小流域為主要突破口，發展了適用于徐州地區的小流域生態治理管理模式，取得了顯著的水土保持效果。以新沂市山徐小流域為例，該流域治理前坡耕地面積為1 400 hm2，多為坡崗耕地，林地面積為386 hm2，其他用地(居民點)面積為105 hm2，水面、未利用土地面積為179 hm2。進行生態治理后，該流域內農地面積為1 000 hm2，優質果樹、花木林面積300 hm2，林業用地面積達到486 hm2，其他土地利用類型面積保持不變，治理后該流域土地利用結構更加合理，充分利用現有土地資源，保護流域的生態環境。轄區內小流域生態治理模式的各種措施使得某些流域的土壤侵蝕大幅減弱，盡管如此，某些流域的侵蝕仍在加重，這是由流域侵蝕易發生并且易加重的自然本質決定的。

(3) 隨著徐州市社會經濟的快速發展，工業化、城市化進程的加快，生產建設項目造成的水土流失已成為本地水土流失的主要成因，《江蘇省水土保持條例》規定：在易發生水土流失區域開辦易導致水土流失的生產建設項目，生產建設單位應當編制水土保持方案，并通過有關行政主管部門審批。為此，徐州市近些年來進行了多項擾動土試驗，為生產建設項目水土保持設計、施工、管理提供基礎數據，為建設項目水土流失防治提供了技術支撐。隨著試驗科學性、完備性的逐漸提高，以及前人研究成果的不斷積累，方案編寫的合理性也逐步提高，使其應用于實際施工時，愈能減小水土流失的風險，減弱水土流失的強度。

3 結 論

(1) 15 a間徐州地區的土壤侵蝕模數總體呈下降趨勢，即水土流失程度在逐漸減弱，其中丘陵地區的下降程度和顯著性強于黃泛平原。近十幾年來，徐州市完善了治理水土流失的方案，以監督預防為主，防治并重，同時加強水土保持監督、執法建設，一步步推進治理的科學化和合理化，使得水土流失工作取得了巨大的成功，尤其在徐州市區及其周圍，即地理上的徐州市丘陵地區，效果更為明顯，這與數據分析所得的結論相一致。

(2) 徐州黃泛平原和丘陵地區的土壤侵蝕以輕度(排除微度)侵蝕為主，從侵蝕的范圍和等級跨度來看，丘陵地區的侵蝕程度更大。從15 a時間尺度的平均值來看，黃泛平原的輕度侵蝕面積占總侵蝕面積的90%左右，丘陵地區占總侵蝕面積的70%左右。各等級侵蝕面積隨侵蝕程度的加重逐級遞減，相較于黃泛平原，丘陵地區各等級侵蝕面積的變化規律更加明顯，輕度以上等級土壤侵蝕面積隨年份增加呈階梯狀下降態勢。多年來，黃泛平原極強度侵蝕面積控制在5%以內，丘陵地區極強度侵蝕面積控制在10%以內，兩區域劇烈侵蝕均得到了遏制。

(3) 對于黃泛平原，侵蝕模數下降趨勢較大的區域主要位于睢寧縣北部，邳州市北部、東部，豐縣南部，沛縣東部，對于丘陵地區而言，賈汪區、銅山區西南部以及東南部侵蝕模數下降趨勢尤為明顯。從侵蝕變化分布可以發現侵蝕減弱程度較大的地區多分布于各河流及湖泊周圍，對于黃泛平原，這些區域分布在黃河故道、鄭集河、大沙河、京杭大運河、徐洪河、復興河周圍，對于丘陵地區，這些區域分布于京杭運河、奎河、黃河故道附近。雖然流域治理取得了部分成果，但仍然存在著大面積的流域侵蝕加重情況，水土保持工作依舊任重道遠，相信隨著水土流失治理機制的日益完善、治理力度的日益加大、治理手段的日益科學化，徐州市的水土流失治理會收獲更大的成效。

本研究存在的不足主要集中在數據獲取上，尤其在計算植被覆蓋因子(C)時，分別使用了SPOT_VEGETATION數據產品和Landast TM遙感影像兩種數據源，從某種程度上影響了計算結果的統一性，若能提高獲取數據的連續性、一致性和分辨率等屬性，盡可能降低原始數據的誤差，相信會得到更加精確的結果。后續工作的重點是提高數據精度，并利用實測數據驗證結果的可靠性。