2000-2015年西南山地土壤侵蝕時空格局研究

葉 馨

（重慶師范大學，重慶 401331）

隨著社會發展和科學進步，人類對自然環境的影響強度和廣度都不斷增強，由此引發的區域環境問題如土壤侵蝕等日漸突出[1]。土壤侵蝕是指土壤或成土母質在外力作用下被剝蝕、搬運和沉積的過程[2]。我國是土壤侵蝕最嚴重的國家之一，有1/2的耕地和2/3的草原面臨不同程度的水土流失，造成大量的人力、物力、財力損失，對國家安全構成潛在威脅[3]。近年來，通用土壤流失方程（USLE）和改進后的方程（RUSLE）被廣泛應用于土壤侵蝕研究。齊述華等人將USLE模型與遙感技術結合，對1995-2005年江西省土壤侵蝕做了研究[4]；高翔進行了喀斯特地貌的土壤侵蝕模型估算[5]；韓永偉應用模型對黃土高原生態區土壤保持與價值進行了評價[6]；Jazouli利用USLE模型與GIS、遙感結合，模擬了摩洛哥某流域的土壤侵蝕[7]。

我國在時間尺度上的研究多集中于中短期，區域尺度上多集中于縣域等中等尺度[3]。對于西南山地這種地形跨越較大、水系交錯、降雨時空分布不均且水土流失頻發的地域，目前進行綜合研究的并不多。川渝地區的土壤研究側重在土壤侵蝕時空動態變化與驅動因子的研究，研究區域又以三峽庫區、生態功能區、丘陵區的坡耕地等為主[8-11]；基于云南地區的土壤侵蝕研究集中在河谷段落、流域以及鐵礦區附近[12-14]；貴州地理環境獨特，對喀斯特地區的土壤研究 較多[15-16]。因此，作為西南地區經濟發展的重要區域，為防止其生態環境惡化，使退化的生態系統得到恢復與重建，實現資源的可持續利用，研究其土壤侵蝕的時空格局演變具有重要意義[17]。

1 研究區概況

西南山地指四川、貴州、云南和重慶，大致位于東經97°～111°，北緯21°～35°之間，總面積約為114萬km2。區內河流縱橫，峽谷廣布，地形以高原和山地為主，還有廣泛分布的喀斯特地貌、河谷地貌和盆地。在氣候上，從南部的熱帶向北部的亞熱帶過渡，干濕季明顯且復雜多變。區內雨量豐富，平均為1 000～1 300 mm，且自西南向西北遞減。在地形上，從海拔4 000 m以上的青藏高原向東、東南降到2 000 m以下的云貴高原、500 m以下的四川盆地，該區域是西部青藏高原向東部丘陵平原的過渡地區。在地勢上，由西北向東南降低，其跨越全國地勢的第一、二級階梯，主要有橫斷山區、云貴高原和四川盆地。全區的土壤類型主要有紫色土、紅壤、黃壤、棕壤、石灰土、水稻土、粗骨土和新積土等。

2 數據的獲取與處理

數據來源主要包括4個部分.一是DEM數據來源于SRTM90m Digital Elevation Data，已在全球得到廣泛應用[18]。二是結合遙感降水數據，通過降水降尺度研究獲取2000-2015年1 km空間分辨率降水結果，按照就近原則并取平均獲得4期的降水數據（2000：2000-2001；2005：2004-2006；2010：2009-2011；2015：2014-2015），并進一步計算降雨侵蝕力。三是土地利用/覆被數據來源于“全國生態十年”數據，將土地利用/覆被分為6個I級類、25個II級類。四是1∶100萬土壤類型數據、1∶25萬道路、水系、行政區劃等基礎地理數據來源于地球系統科學數據共享網——西南山地科學數據共享平臺。在已有數據的基礎上，進一步將所有空間數據轉換到同一投影坐標Albers等積投影并重采樣到90 m的空間分辨率再參與空間運算。

3 研究方法

3.1 侵蝕模型構建

現階段，國內外對土壤侵蝕的研究都是在充分考慮復雜多變的氣候和地理條件下，將不同的遙感信息與非遙感信息結合，再基于ArcGIS的空間分析技術，對水土流失進行定量分析。基本公式為：

式中，USLE為土壤侵蝕模數即年平均土壤流失量，t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/（MJ·hm2·mm）；LS為地形因子中的坡度和坡長因子；C為地表植被覆蓋因子；P為土壤保持因子。

本文基于模型原理，采用生態系統服務與權衡綜合評價（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，INVEST）模型，通過對該模型所需關鍵參數的計算，得到研究區的實際土壤侵蝕量[19]。具體參數的計算和處理如下。

3.1.1 降雨侵蝕力R

降雨量的強度大小是影響一個區域水土流失質量的重要因素，也是導致土壤侵蝕變化的原因，通常，降雨量的時空分布不均是導致土壤侵蝕時空分異的動力因素。本文主要參考重慶市涪陵區降雨侵蝕力時間分布特征的降雨侵蝕力回歸模型[20]，基本公式為：

式中，R年為年降雨侵蝕力，MJ·mm（hm2·h·a）；P年為年降雨量，mm。其中，年降雨量數據由4期（2000-2015年）的月降雨量數據累計得到。

3.1.2 土壤可蝕性因子K

土壤可蝕性是土壤對侵蝕外力的敏感性反應，由土壤本身的屬性特征決定，同時受外在環境的影響。本文通過借鑒相關研究成果并咨詢專家意見，得到西南山地的土壤可蝕性K值，再結合土壤類型圖進一步得到K值的空間分布圖[21-24]。

3.1.3 地形因子LS

地形因子是坡度、坡長等因子與降雨流動能量關系的表征，通過對降雨流動能量的影響，間接影響土壤侵蝕。本文直接將DEM數據導入INVEST模型中運算得到該參數。

3.1.4 水土保持因子P與地表植被覆蓋因子C

植被覆蓋因子C指在相同的外在條件下，對于某一特定作物，輪作的土壤流失量與連續休閑地的土壤流失量之比，該值介于0～1[25]。水土保持因子C定義為采取保護措施的土壤流失量與順坡耕地的土壤流失量之比，0表示采取保護措施，該地區不會發生土壤侵蝕，1表示未采取任何措施，可能發生土壤侵蝕[26]。本文結合蔡崇法等人的研究，結合土地利用類型圖得到C、P的值（見表1）[27]。

3.2 土壤侵蝕分級

基于上述模型算出的土壤侵蝕量，參照中國水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007），將西南山地2000-2015年的土壤侵蝕分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈6個等級，得到研究區土壤侵蝕強度的時空分布圖。水力侵蝕強度分級如表2所示。之后，導入Excel進行相關計算，定量分析各侵蝕等級間的相互轉變特征。

表1 不同土地利用的C、P值

表2 水力侵蝕強度分級

4 研究結果與分析

4.1 土壤侵蝕現狀特征分析

4.1.1 時間尺度特征

由表3可知，2000年西南山地土壤侵蝕總面積為1 127 492.27 km2，其中微度占35.33%，輕度占17.87%，中度占14.23%，強度占8.64%，極強占9.49%，劇烈侵蝕占14.44%，總體屬中度侵蝕，土壤質量適中；2005年中度侵蝕以下所占面積較2000年略有上升，強度侵蝕以上比例下降，說明水土流失逐步改善；2010年侵蝕強度與2005年相比明顯降低，其中微度侵蝕幅度提高了4.87%，面積增加了55 004.46 km2，劇烈侵蝕幅度降低了2.35%，面積減少了26 518.44 km2；2015年與2010年相比較劇烈侵蝕占比上升2.67%，面積增加30 099.75 km2，微度侵蝕占比下降4.79%，面積減少54 008.13 km2。綜上所述，在時間尺度上研究區土壤侵蝕整體好轉，尤其在2010年水土流失有明顯改善，其中以貴州最好，其次是云南，而川渝地區的土壤侵蝕強度相對較高。

4.1.2 空間尺度特征

西南山地受空間差異性和自然環境區域性、復雜性影響，侵蝕程度的空間分布存在差異。川渝地區的侵蝕程度普遍高于云貴地區，這是外部總特征，各省市內部空間分布趨勢和走向不同，具體表現在4個方面。

（1）從重慶市土壤侵蝕多年平均來看，劇烈侵蝕占比1.28%，面積為14 410.43 km2，微度面積為30 917.77 km2，占2.74%。發生強侵蝕的區域主要是渝東北部、東南部和南部，中部和西部較輕，空間分布呈塊狀，總體呈中度侵蝕，如圖1所示。

圖1 重慶市土壤侵蝕分類分級圖

表3 2000-2015年西南山地土壤侵蝕面積

（2）從四川省土壤侵蝕多年平均來看，劇烈區面積為80 900.51 km2，占7.81%，微度侵蝕區面積為149 045.82 km2，占13.22%。發生強侵蝕的區域集中在川西北部高原、西南部山地和川東平行嶺谷區，呈南北縱向分布，包括康定縣、九龍縣、雅江縣、瀘定縣、汶川縣、茂縣、寶興縣和閬中等地，總體侵蝕程度中度偏上，如圖2所示。

圖2 四川省土壤侵蝕分類分級圖

（3）從云南省土壤侵蝕多年平均來看，劇烈區面積約為38 441.17 km2，占3.41%，微侵蝕區面積約為83 132.83 km2，占14.75%。發生強侵蝕的區域分布在西部、西北部、東北部，包括橫斷山脈縱谷區和青藏高原南延段，且有自西北向東南的縱向分布，總體侵蝕程度中度偏下，如圖3所示。

圖3 云南省土壤侵蝕分類分級圖

（4）從貴州省土壤侵蝕多年平均來看，劇烈區面積為18 821.59 km2，占1.67%，微度侵蝕區面積為74 028.6 km2，占6.57%。發生強侵蝕的區域主要在北部、西南部和東部少許地區，包括興義市、普安縣、水城縣、六枝特區、仁懷市、桐梓縣等海拔較高區縣；中部和南部較輕，為西秀區、花溪區等人口密集區。總體屬輕度侵蝕，空間分布呈環狀，如圖4所示。

4.2 土壤侵蝕時空格局演變

圖4 貴州省土壤侵蝕分類分級圖

為了研究西南山地在2000-2015年土壤侵蝕強度分級的轉變特征，本文分析了4期的等級升降變化，如表4所示。從時間上看，2000-2005年降級區面積占14.16%，升級區占2.08%；2005-2010年降級區面積占11.5%，升級區占4.44%。2000-2010年降幅大于增幅，劇烈、極強度和強度侵蝕降為中度、輕度或微度侵蝕，說明水土流失情況好轉。2010-2015年降級區面積占3.51%，升級區占23.27%，侵蝕面積大幅度增加，侵蝕等級明顯上升，且增幅大于降幅，表明水土流失加劇。總的來說，這15年間土壤侵蝕總量穩定，水土保持質量呈先增后減的趨勢，但仍要加強生態保護，建立可持續發展生態戰略。

從空間上看，降級區域主要集中在川西南、南部，年均占比2.85%；渝東北部占0.27%；貴州和云南大面積侵蝕等級下降，分別占1.22%和5.49%。升級區域分布在川西北部，年均占4.77%；渝中、西部占1.04%；云南東、東北部占2.14%；貴州東、東南部占2.46%。其中，2010-2015年土壤侵蝕有明顯的惡化（見圖5（c）），從微度、輕度或中度轉為強度以上等級占比22.79%，由微度、輕度轉為中度占26.15%，云貴兩省較明顯。圖5的圖例中，惡化代表侵蝕等級的上升，改善代表侵蝕等級的下降，平衡代表侵蝕等級不變。

5 結論

西南山地土壤侵蝕時空分布的研究表明，2000-2015年，土壤侵蝕狀況總體穩定，屬中度侵蝕，但各省市存在差異性。

從時間上看，2000-2010年，研究區的土壤侵蝕狀況整體好轉，尤其在2010年水土流失有明顯改善，其中貴州最好，其次是云南，而川渝地區的土壤侵蝕強度都相對較高。2010-2015年侵蝕等級有明顯上升，這可能與當地政策、生態措施、經濟發展等相關，有待深入研究和探討。總體上，2000年來研究區水土質量呈先上升后下降趨勢，增幅大于降幅，土壤侵蝕的強度總體穩定，并受降雨量、土地利用和相關生態政策影響。

從空間上看，土壤侵蝕改善區主要集中在川西南、南部、渝東北部、貴州和云南大部分區域。惡化區為川西北、渝中、渝西、滇東北、黔東和黔東南。因此，這些區域當是水土保持與生態修復的重點區域。

2010-2015年，西南山地土壤侵蝕明顯惡化，可能與當地的政策變化或人文因素有很大的關系，有待更進一步的深入研究。

圖5 2000-2015年西南山地土壤侵蝕等級變化圖