基于USLE模型的長株潭城市群生態綠心區水土流失研究

陳學林， 文仕知， 楊麗麗， 何功秀， 周 沁， 夏 焱

(中南林業科技大學 林學院， 湖南 長沙 410004)

湖南長株潭(長沙市—株州市—湘潭市)城市群生態綠心區[1]，是該地區極為重要的生態屏障。本文以長株潭綠心區為研究區域，通過對比國內外植被蓋度估算方法，最終采用歸一化植被指數模型(NDVI)[2]和USLE通用土壤侵蝕方程為主要方法和模型。前人研究證明，NDVI和USLE土壤侵蝕模數具有模型簡單，可操作性強，結果可靠，應用性強的特點[3]，結合2018年“湖南省長株潭生態綠心區水土流失動態監測”項目遙感數據，定量分析長株潭綠心區水土流失情況，以期進一步促進綠心區生態環境保護工作的開展。

1 研究區概況

長株潭城市群綠心區地處湖南省中部偏東北地區，是長株潭城市群交匯處的核心地帶，位于株洲盆地、湘潭—湘鄉盆地、長沙盆地3個盆地之間的邊緣高地上，地貌以丘陵為主。大部分地區海拔高度在100～300 m之間(不含湘江)，其中海拔高度120～260 m之間的丘陵接近一半。土壤以紅壤為主，保水能力差。整個區域位于25°～30°中低緯地區，屬于亞熱帶季風性氣候，年氣候變化較大，地區降水分布不均，夏冬季旱澇及降水變化明顯。全年平均氣溫16 ℃，年均降水1 400 mm左右。區域特點明顯，森林覆蓋率高，植被類型豐富，水文資源充足，長江的重要支流湘江經過綠心區西部、南部。長株潭綠心區總面積達52 287 hm2，其中，長沙30 569.10 hm2，占58.46%；株洲8 235.91 hm2，占15.75%；湘潭13 481.99 hm2，占25.78%[4]。

2 研究方法

2.1 數據來源

本文的數據源自“湖南省長株潭生態綠心區水土流失動態監測”項目，包括：分辨率為6 m的SPOT 7多光譜遙感數據，建立植被覆蓋度估算模型；最新1∶10 000地形圖，無人機影像，綠心區多年平均年降雨量數據，土地類型(耕地、非耕地等)分布圖，中科院資源環境科學數據中心獲取的土壤質地空間分布數據等。

2.2 研究方法

植被指數[5]是對地表植被狀況進行簡單、有效的度量，能夠廣泛用來定性和定量評價[6]植被覆蓋度及其生長活力。全文采用數據處理及分析方法包括：

(1) 歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)，廣泛應用于遙感圖像的植被研究，包括植被狀態、植被空間分布密度，在前人的研究中，普遍認為它是植物生長狀態以及植被空間分布密度的最佳指示因子[7]。NDVI是指近紅外波段(NIR)與紅光波段(R)的反射值之差和這兩個波段數值之和的比值，紅色和近紅外波段的差值是對植物量的一種精確衡量，因為植物葉綠素光合作用吸收紅光，植物量越多，長勢越好，吸收的紅光就越多，反射的紅外光也越多，所以NDVI對植被有極強的響應能力[8]。計算公式為：

(1)

式中：NDVI為歸一化植被指數； NIR為近紅外波段；R為紅外波段；其值變化范圍在[-1,+1]區間內，植被覆蓋度越高，其值越趨近于1；如無植被覆蓋，則趨近于0。同時，因為NDVI值是波段比值之間的反映，會受到外在因素條件的影響，如氣候、遮擋物、影響輻射反饋的干擾情況等。

(2) 植被指數反演長株潭綠心區植被覆蓋度。在確定植被指數的基礎上，建立蓋度反演模型[9]計算研究區域覆蓋度。NDVI可以表達為3種不同類型的回歸方程，包括線性回歸方程、一元二次回歸方程、一元三次回歸方程。通過對不同模型之間相互擬合，增加模型與指數之間的相關性，減少誤差，并利用相應綠心區實地植被覆蓋度樣點數據分析驗證，實現最優模型。

(3) 野外調查和建立遙感解譯標識。野外調查和建立野外遙感標識[10]，是水土保持監測與研究的重要方法，可以強化現場實地情況與衛星遙感數據關聯，現場驗證植被蓋度反演和土壤侵蝕結果。主要技術手段包括拍照、無人機航拍、人工實地測算檢驗等。經技術手段采集，內業處理照片1 000余張，共實現77個有效數據點，土地類型和覆蓋類型包括耕地、林地、園地、草地、建設用地等。

(4) 利用USLE模型進行長株潭綠心區土壤侵蝕量計算，實現水土流失定量評價。 USLE(universal soil loss equation)是指美國通用土壤流失方程[11]，是國際通用的水土流失評價方法，主要通過多因子計算，綜合研究區域的各地形、地類、植被、土壤、水文信息，測定土壤流失量，并結合國家《土壤侵蝕分類分級標準》[12]，確定土壤侵蝕程度分級分類治理。

通用土壤流失方程，表達為：

A=R·K·S·L·C·P

(2)

式中：A為土壤年侵蝕量(t/hm2)；R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h)〕；K為土壤可蝕性因子〔(t·h)/(MJ·mm)〕；S為坡度因子，無綱量；L為坡長因子，無綱量；C為植被覆蓋管理因子，無綱量；P為水土保持措施因子，無綱量。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度回歸模型

利用77個植被覆蓋樣地數據，選取其中52個樣點真實數據，通過SPSS 22.0代入相關性分析，通過計算，歸一化指數(NDVI)建立3種不同的回歸擬合曲線，進行模型的有效性驗證和精度驗證。即以選取的歸一化植被指數為自變量(X)，植被覆蓋度為因變量(Y)，進行回歸模型擬合，基于NDVI的3種回歸曲線方程見表1。

表1 基于NDVI不同形式回歸曲線方程

模型驗證，檢驗指標選擇較多，本文選取常見的確定系數(R2)、平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和預估精度(P)4個精度評價指標[13]，并利用其他25個未參與模型構建的數據代入曲線方程，將所得植被覆蓋度在評價指標中一一反映。其中，確定系數(R2)表示因變量(X)與自變量(Y)之間的擬合程度，如擬合程度越好，R2值越接近1；擬合程度越差，R2越接近0；均方根誤差(RMSE)代表著真實值與預測值之間的偏差，反映預測值的精密度，如值越小，則精密度越高；平均絕對誤差(MAE)能更好反映預測值誤差的實際情況，其值越小，誤差越小；預估精度(P)是反映擬合真實值與預測值程度指標，如值越大，擬合程度越好[14]。

結果如表2所示，在確定系數(R2)中，一元三次回歸曲線(Y3)為0.832，大于一元二次曲線(Y2)的0.827，大于回歸曲線(Y1)的0.795，且最為接近1，說明其擬合程度為三者最佳；在平均絕對誤差(MAE)中，一元三次回歸曲線(Y3)為0.089 2，小于一元二次曲線(Y2)的0.092 0，小于回歸曲線(Y1)的0.096 8，其值最小，說明其存在的誤差最小；在均方根誤差(RMSE)中，一元三次回歸曲線(Y3)為0.116 3，小于一元二次曲線(Y2)，小于回歸曲線，其值最小，說明其精度為三者中最高；同理，預估精度(P)中一元三次回歸曲線(Y3)88.92%是3個曲線中最大值，擬合程度最佳。

表2 NDVI不同種類回歸曲線結果

同時，再進行從一元一次回歸曲線到一元三次回歸曲線的逐次擬合驗證，所得的結果為：

(1) 一次回歸：

y=0.956x-0.015，R2=0.779，F=175.920

(2) 二次回歸：

y=0.570x2+0.383x+0.040，R2=0.792，F=93.5

(3) 三次回歸：

y=0.465x3+0.801x2-0.322x+0.032，R2=0.794，F=61.488

從初始次到一元三次回歸曲線之間的變化，確定系數R2表明的擬合程度，仍然較一元二次和初始次更接近1。因此，一元三次回歸曲線(Y3)為本研究最優模型(Y=植被覆蓋度，X=NDVI)。

植被蓋度是影響水土流失的重要因素，利用模型對長株潭綠心區植被蓋度反演，從而進一步實現對區域土壤侵蝕與水土流失的具體研究分析。

3.2 綠心區植被蓋度分布特征

根據水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)，將不同土壤侵蝕等級對應研究區長株潭綠心不同等級植被覆蓋度，將綠心區實際覆蓋情況進行相應分類。 標準共分為5個等級：覆蓋度范圍在0～30%為第1級(裸地、低覆蓋)，30%～45%為第2級(中低覆蓋)，45%～60%為第3級(中覆蓋)，60%～75%為第4級(中高覆蓋)，75%～100%為第5級(高覆蓋)[15]。

3.2.1 植被覆蓋度空間分布特征 根據模型計算，覆蓋度的空間分布情況如圖1所示。越趨近于1則覆蓋程度越高，越趨近或等于0則無植被覆蓋，如湘江水系默認為0。由圖1可以明顯看出，湘江沿岸地區即洞井鎮與暮云鎮南部、昭山鄉西部，荷塘鄉西北部植被蓋度明顯較其他地區偏低；白馬壟、昭山鄉南部、柏加鎮及云田鄉北部植被覆蓋度較區域內其他地區偏高。呈現此空間分布，主要是因為湘江沿岸及附近地區依水而居，人口聚集度較大，適宜開展生產生活及城市建設開發，受人為因素干擾，植被破壞程度較高，而綠心區中部以林地林業為主，植被天然保護程度較好。

圖1 植被覆蓋度空間分布

3.2.2 不同覆蓋等級面積分布特征 將研究區域植被覆蓋度等級按面積進行計算，主要分布特征如圖2所示。第Ⅴ級(高覆蓋度)區域面積在長株潭綠心區總面積中比重最大，占50.87%，為26 598.40 hm2，第Ⅱ級(中低覆蓋度)區域面積最小，占區域總面積的8.61%，為4 501.91 hm2。各覆蓋面積等級占比順序為，第Ⅴ級(高覆蓋度)占50.87%，第Ⅰ級(低覆蓋度)次之，為18.83%，第Ⅳ級(中高覆蓋度)，12.54%，第Ⅲ級(中覆蓋度)較低，為9.15%，第Ⅱ級(中低覆蓋度)面積最少，為8.61%。

圖2 不同植被覆蓋等級面積比例分布特征

從植被覆蓋面積上分析，第一，長株潭綠心區整體植被覆蓋度較高，高覆蓋度地區面積占總面積一半以上，比重優勢明顯；二是結合空間特征，除小部分地區外，整體受人為因素擾動程度較低；三是研究區整體地形平坦，高植被覆蓋度和地理優勢有利于減輕土壤侵蝕強度，便于水土保持措施的開展，良好的植被是實現綠心區保護的重要前提[16]。

消費者的購買能力取決于收入水平及商品價格，同時，購買能力又決定了消費者將選擇什么樣的商品。因此，當收入增長速度大于酒類產品的價格增長速度時，消費者購買能力增加，就越有可能購買高價格的酒；相反，當酒的價格增速超過消費者收入增速時，消費者的酒類產品購買能力下降，將更傾向于購買價格優惠的酒類。

3.3 綠心區土壤侵蝕因子估算

3.3.1 降雨侵蝕力因子R降雨是水力侵蝕的重要原因，而綠心區處亞熱帶季風氣候，雨季集中，降雨充沛，加強了侵蝕發生。以全國降雨監測站點數據，制成站點圖層，加權平均后裁剪研究區域降雨矢量圖，依照水利部水土流失監測要求，使用統一土壤侵蝕R因子計算公式，計算研究區R因子空間分布，其范圍在6 181.64～6 725.33 〔MJ·mm/(hm2·h)〕之間。降雨R因子區域內分布，呈現綠心區由西南向東北逐漸增加，西低東高，降雨侵蝕力越大，侵蝕強度越大。

3.3.2 土壤可蝕性因子K不同土壤質地和土壤有機質對土壤侵蝕程度產生影響，土壤可蝕性主要體現在對土壤的破壞和搬運。以土壤質地和有機質全國普查數據，包括砂土，粉砂土和黏土，用柵格計算得出，土壤質地越細或越粗，則K值越小，質地越適中，則K值越大。區域內存在明顯差異，范圍值在[0，0.039](t·h)/(MJ·mm)，總體分布呈西部低，中部高，綠心區西部有湘江水系，值為趨近于0，中部地勢相對高，可侵蝕值增大。

3.3.3 坡長坡度因子LS坡長坡度因子LS以DEM高程圖為基礎計算，同時也是兩者疊加作用，是先計算兩者后的乘積，范圍值在[0.018，18.21]，總體呈現中部高，四周低，與DEM高程數據相吻合。坡度越大，沖刷力越強，坡長越長，增加坡面徑流，從而影響土壤侵蝕的發生。

3.3.4 植被覆蓋管理因子C本文基于SPOT7多光譜遙感數據，在前文已驗證NDVI歸一化植被指數和最優一元三次回歸方程基礎上，計算植被覆蓋度，再將植被覆蓋度在ArcGIS上轉為柵格，求植被覆蓋管理因子，因為C值與植被覆蓋度存在明顯數學關系，參考蔡崇法等[17]建立的植被覆蓋度和C值的公式計算，其值在[0,1]，分辨率為6 m，代表了植被和管理因素對區域的綜合作用。

3.3.5 水土保持措施因子P水土保持措施因子P是水土保持措施之下，土壤流失量與對應順坡耕作條件下的流失量之比，是水土保持措施對土壤流失發生的影響。其值在0～1之間，此因子主要是依據前期土地利用類型斑塊進行賦值，支撐項目中水利部對不同地類賦值有明確標準，一般措施程度越強，值越高，可為1，賦值后轉換柵格數據計算。

3.4 綠心區土壤侵蝕特征

3.4.1 土壤侵蝕強度空間分布特征 依據 《區域水土流失動態監測技術規定》和水利部《土壤侵蝕分級分類標準》(SL190-2007)，運用遙感和USLE土壤侵蝕模型進行圖層柵格乘積計算，得出長株潭綠心區土壤侵蝕量即侵蝕模數[18]。根據不同侵蝕量，確定侵蝕等級，一共6級，包括微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈。本研究區域主要為水力侵蝕地區，標準微度即500 t/(km2·a)以內，屬于可允許侵蝕范圍內，默認為未發生侵蝕[19]，得到綠心區水土流失總面積及各侵蝕強度面積情況。

長株潭綠心區土壤侵蝕面積為3 654.24 hm2，占綠心區總面積的6.99%。其中，長沙市土壤侵蝕面積2 038.62 hm2，占長沙市總面積的6.67%，占綠心區土壤侵蝕面積的55.79%；株洲市土壤侵蝕面積467.98 hm2，占株洲市總面積的5.68%，占綠心區土壤侵蝕面積的12.81%；湘潭市土壤侵蝕面積1 147.64 hm2，占湘潭市總面積的8.51%，占綠心區土壤侵蝕面積的31.41%。

3.4.2 長株潭各地區土壤侵蝕特征 如表3所示，研究區中度侵蝕面積與所占比重均為最大，為1 279.12 hm2，強烈侵蝕面積次之，為1 037.23 hm2，隨后極強烈侵蝕為619.39 hm2，輕度侵蝕為382.42 hm2，劇烈侵蝕面積最小，為336.08 hm2。以中度侵蝕和強烈侵蝕為主，最為嚴重的極強烈侵蝕和劇烈侵蝕整體面積較小，兩者之和比例尚未超過總侵蝕面積30%，說明整體侵蝕強度不大，在可控范圍內，同時類似于采礦用地和裸土地等地類，極強烈及以上極端侵蝕狀況較少，這與進行土地利用數據(矢量)處理時的情況保持一致，現場土地利用驗證亦可證明。

表3 長株潭綠心區土壤侵蝕強度分級面積

同時，對長株潭3市比較分析，湘潭市在前文表明侵蝕比重為三市中最大，長沙市與湘潭市均以中度侵蝕為主，占31.97%和42.26%，是湘潭市土壤侵蝕的主要方面；株洲市雖然整體土壤侵蝕情況較好，但必須注意，極強烈侵蝕為嚴重侵蝕，所占株洲地區侵蝕總面積的21.94%，大于長沙的19.94%和湘潭的9.61%，須進行水土流失重點預防和治理，防患于未然。

3.4.3 空間分區管制下土壤侵蝕特征 根據《湖南省長株潭綠心區總體規劃》(2010-2030)將湖南省長株潭綠心區劃分為禁止開發、限制開發和控制建設3個區，其面積分別為 26 368.88,19 955.76,5 962.36 hm2。空間范圍內主要分為非耕地、坡耕地和工程建設用地[20]。

(1) 禁止開發區。如表4所示，在禁止開發區，長沙市面積為12 987.78 hm2大于湘潭市7 628.92 hm2和株洲5 752.18 hm2，但卻發生了占51.18%的總侵蝕面積，侵蝕占比更高，更加顯著；3個城市中，長沙非耕地和工程建設用地發生侵蝕比例最大，分別為49.75%和53.52%，湘潭市在坡耕地發生的侵蝕比重最大，為43.19%；長沙市與湘潭市在工程建設用地土壤侵蝕面積更廣，為515 hm2和330.60 hm2分別大于兩市的非耕地和坡耕地。說明在禁止開發區，侵蝕主要源頭在工程建設用地，即便暫未開發，但無保護裸露狀態下，也必然侵蝕加重，應加強控制，減少侵蝕發生。

表4 長株潭綠心區禁止開發區土壤侵蝕地類面積及比例

(2) 限制開發區。如表5所示，長沙市限制開發區情況較為突出，總侵蝕面積大，為405.18 hm2，占比51.86%；在非耕地和坡耕地中，侵蝕程度也明顯高于株洲和湘潭，分別為72.64%和55.45%；值得注意的是，株洲與湘潭工程建設用地發生侵蝕面積均大于非耕地和坡耕地，為40.6和171.8 hm2，且湘潭工程建設用地所占比例更高，為55.28%，尤其需要加強湘潭市在特定區域的土壤侵蝕治理。

表5 長株潭綠心區限制開發區土壤侵蝕地類面積及比例

(3) 控制建設區。如表6所示，控制建設區整體侵蝕情況與禁止開發區相近，長沙市有58.30%的控制建設區面積，侵蝕發生面積達67.01%，且長沙、湘潭兩市均為3種地類侵蝕比重最高的地區，長沙市占非耕地侵蝕比例79.29%，工程建設用地64.68%，湘潭占坡耕地侵蝕48.76%。

表6 長株潭綠心區控制建設區土壤侵蝕地類面積及比例

3種空間區域，長沙和湘潭均侵蝕狀況較差，長沙市主要集中在非耕地和工程建設用地發生侵蝕，湘潭市主要集中于坡耕地；同時3種空間范圍內，工程建設用地是侵蝕發生共同地類，面積與比例遠遠高于非耕地和坡耕地。因此，針對不同市域，湘潭市應重點關注坡耕地治理，對坡耕地現場勘查，長沙市應側重非耕地侵蝕情況。

4 結論與討論

植被覆蓋度、植被覆蓋面積是研究區域水土流失的重要部分。本文通過建立與驗證植被覆蓋度回歸模型，確定一元三次回歸曲線(Y3)為最優模型(Y=植被覆蓋度，X=NDVI)，反演植被覆蓋度，計算不同等級植被覆蓋面積。長株潭綠心區總面積為52 287 hm2，整體植被狀況較好，高覆蓋度(75%～100%)面積占綠心區總面積占50.87%，為26 598.40 hm2，中低覆蓋度(30%～40%)面積最小，占區域總面積的8.61%，為4 501.91 hm2，高蓋度等級面積占比超其他四個等級面積的總和，良好的原生植被能有效削弱侵蝕強度，保持水土；空間上植被覆蓋呈現為綠心區西部低，中部、東部高，其西部有湘江水系(默認為0)經過，且人口密度較大，植被受生產生活等人為因素破壞，中東部以林業生產為主，植被較好。

長株潭綠心區總侵蝕面積為3 654.24 hm2，占區域總面積6.99%，湘潭市土壤侵蝕面積占地區總面積8.51%，長沙次之，為6.67%，株洲侵蝕總比例最小，為5.68%。土壤侵蝕結合植被狀況，綠心區整體侵蝕狀況在可控范圍內，地區分布特征顯著，侵蝕強度以中度侵蝕和強度侵蝕為主，占綠心區總面積2.45%和1.98%，劇烈侵蝕面積最小為0.64%。長沙市與湘潭市均以中度侵蝕為主，分別占各自地區侵蝕面積31.97%和42.26%。株洲市雖整體侵蝕程度較低，但極強烈侵蝕發生比重為3個城市中最高，21.94%大于長沙市19.94%和湘潭市9.61%。株洲市應加強預防特定程度侵蝕發生，如采石采礦。工程建設用地在不同地市范圍和不同空間類型，均為侵蝕面積最大，究其根源，一方面是土地開發建設，造成的必然破壞與水土流失，另一方面，結合實地驗證，地類荒棄、停工、無保護措施反而加重侵蝕發生。作為植被破壞和水土流失主要發生地，更應加強施工區域采取治理措施，對綠心區生產建設行為，加大監督執法力度，實現地區生態常青。