巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性關(guān)鍵指標(biāo)和評(píng)估模型比較

莫建飛, 陳燕麗, 莫偉華

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心遙感應(yīng)用試驗(yàn)基地,南寧 530022; 2.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心, 南寧 530022)

巖溶(喀斯特)生態(tài)系統(tǒng)具有特殊的生態(tài)功能定位，其與黃土、沙漠、高寒并列為我國(guó)的四大生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)，水土流失是該地區(qū)最重要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。由水土流失所導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生存環(huán)境和生態(tài)安全會(huì)產(chǎn)生諸多不利影響，嚴(yán)重制約了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。因此，了解水土流失在巖溶生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的潛在可能性、關(guān)鍵影響因子及其時(shí)空分布格局，對(duì)國(guó)家和政府劃定生態(tài)保護(hù)修復(fù)區(qū)、制定水土保持措施及政策、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

合理的土壤侵蝕模型及代表性強(qiáng)的土壤侵蝕敏感性的因子，是實(shí)現(xiàn)水土流失敏感性客觀(guān)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展成熟的土壤侵蝕模型主要有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型[1]、物理成因模型[2-11]和分布式模型[12-13]。修正通用土壤流失模型(RUSLE)在巖溶地區(qū)的適用性已被驗(yàn)證[14-15]，但由于巖溶生態(tài)區(qū)水土流失機(jī)理較復(fù)雜，土壤侵蝕的敏感性因子的區(qū)域適用性仍需深入研究。已有研究普遍證實(shí)強(qiáng)降水是引發(fā)巖溶地區(qū)水土流失的主要外營(yíng)力[16-17]，植被覆蓋度與水土流失具有較高的相關(guān)性[18]。坡度也是影響巖溶生態(tài)區(qū)水土流失速率的重要因子，在相同坡體長(zhǎng)度下水土流失速率與坡度呈正比[19]。巖溶生態(tài)區(qū)的原狀土壤可蝕性低于其他常見(jiàn)土壤也是其水土流失的重要原因[20]。此外，不合理的土地開(kāi)發(fā)利用方式導(dǎo)致的巖溶區(qū)水土資源空間調(diào)配失衡也會(huì)造成嚴(yán)重的水土流失[21-23]。石漠化是巖溶區(qū)的重要生態(tài)景觀(guān)，水土流失會(huì)導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降、土層變薄、加速土地石漠化，而石漠化加劇又會(huì)加重水土流失，形成惡性循環(huán)，但目前有關(guān)巖溶地區(qū)水土流失研究中鮮有考慮石漠化演變的影響。

目前，針對(duì)區(qū)域水土流失敏感性評(píng)估并沒(méi)有普適性的評(píng)價(jià)方法，較常用的是GIS疊加分析法[24-31]和層次分析法[32-34]。但這些方法由于采用的敏感性指標(biāo)不同所得的評(píng)估結(jié)果也存在較大差異。羅俊等[35]以碳酸鹽巖區(qū)巖性的差異為主導(dǎo)指標(biāo)，采用層次分析法評(píng)價(jià)了桂西北喀斯特地區(qū)水土流失敏感性，結(jié)果表明廣西喀斯特地區(qū)以高度敏感和極敏感為主。凡非得等[36]利用降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤類(lèi)型、植被類(lèi)型及土壤允許流失量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇GIS疊加分析方法對(duì)西南喀斯特區(qū)水土流失敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明廣西喀斯特區(qū)水土流失以高度、輕度和極敏感區(qū)為主。因此，合理的評(píng)估方法對(duì)水土流失敏感性評(píng)價(jià)同樣重要，但目前鮮見(jiàn)針對(duì)巖溶地區(qū)水土流失敏感性評(píng)價(jià)方法的適用性研究報(bào)道。

廣西地處我國(guó)南疆，巖溶地貌分布廣泛、石漠化現(xiàn)象突出。巖溶總面積833.4萬(wàn)hm2，占廣西土地總面積35.1%，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，降水量豐沛，石漠化范圍廣，重度石漠化面積比例達(dá)13%。針對(duì)現(xiàn)有巖溶區(qū)土壤侵蝕敏感性指標(biāo)研究中對(duì)石漠化演變考量較少，以及敏感性評(píng)估方法適用性比較研究不足的現(xiàn)狀，本文以廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，以修正通用土壤流失模型(RUSLE)為藍(lán)本，通過(guò)引入石漠化因子，對(duì)RUSLE進(jìn)行修正；通過(guò)計(jì)算土壤侵蝕量、劃分土壤侵蝕強(qiáng)度、分析水土流失關(guān)鍵影響因子，構(gòu)建廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估指標(biāo)體系；在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析空間疊加分析法、層次分析法、空間主成分分析法3種水土流失敏感性評(píng)價(jià)方法，利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)多種評(píng)估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與對(duì)比，選取最優(yōu)評(píng)價(jià)方法對(duì)廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性進(jìn)行評(píng)估，為巖溶區(qū)精準(zhǔn)的生態(tài)保護(hù)空間定位提供技術(shù)支撐和水土流失的防治提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣西巖溶地區(qū)分布在北緯21°57′—26°06′，東經(jīng)105°02′—111°43′，主要包括西江流域中上游的河池市、百色市、桂林市、崇左市、南寧市等老、少、邊、山窮地區(qū)。地貌以峰叢洼地、峰林谷地、孤峰、殘丘等類(lèi)型為主，發(fā)育典型、分布廣闊，占我國(guó)西南地區(qū)巖溶土地總面積的18.9%。地勢(shì)由桂西北向桂東南傾斜，大部分出于云貴高原斜坡過(guò)渡地帶，海拔為10～1 000多米。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨熱同期，降水量時(shí)空分布不均。年平均氣溫17～23℃，年降雨1 100～1 500 mm，大雨、暴雨頻率高，多集中在5—9月，大暴雨極易引發(fā)石漠化植被稀少地區(qū)的水土流失。土壤以石灰?guī)r土為主，分為黑色、棕色、黃色和紅色4類(lèi)石灰土。黑色石灰土面積零星分布于石灰?guī)r山地上部的巖縫和坡麓低洼地；棕色石灰土多分布于石山下坡和山弄槽谷；黃色石灰土多在海拔較高的石灰?guī)r山地上；紅色石灰土主要分布在桂東北溶蝕平原區(qū)。植被類(lèi)型較復(fù)雜，主要有熱帶雨林性常綠闊葉林、中亞熱帶典型常綠闊葉林、南亞熱帶季雨林化常綠闊葉林。總?cè)丝诩s占廣西總?cè)丝诘囊话胱笥遥?jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，是廣西重要生態(tài)保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)治理和生態(tài)扶貧攻堅(jiān)地區(qū)。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)主要包括遙感植被指數(shù)、氣象、石漠化等級(jí)、土地覆被類(lèi)型、地形等資料，所有數(shù)據(jù)采用GIS轉(zhuǎn)換為柵格格式，空間分辨率為250 m，投影方式為CGCS2 000_GK_Zone_18。

2.1.1 歸一化植被指數(shù)NDVI NDVI為NASA官網(wǎng)下載的陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1，即全球250 m分辨率植被指數(shù)16 d合成產(chǎn)品，數(shù)據(jù)年限為2000—2018年。利用MRT(ModisReprojection Tool)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、圖像拼接、投影轉(zhuǎn)換、質(zhì)量檢驗(yàn)、NDVI子集提取預(yù)處理。采用最大值合成法(MVC)，將MO13Q1產(chǎn)品數(shù)據(jù)合成為月尺度的NDVI數(shù)據(jù)。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)為廣西氣象信息中心提供的1961—2018年廣西91個(gè)氣象站點(diǎn)的日降水量，6，12，24 h共3個(gè)時(shí)段災(zāi)害性強(qiáng)降水過(guò)程的降水量。

2.1.3 石漠化等級(jí) 石漠化等級(jí)數(shù)據(jù)來(lái)自廣西氣象科學(xué)研究所。該數(shù)據(jù)利用美國(guó)Landsat和中國(guó)HJ，GF衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)分析不同等級(jí)石漠化區(qū)的光譜和紋理特征，建立石漠化等級(jí)識(shí)別模型，共劃分潛在、輕度、中度、重度4個(gè)石漠化等級(jí)[37]。本研究使用1988年、2018年兩個(gè)時(shí)相的石漠化等級(jí)數(shù)據(jù)。

2.1.4 水土流失數(shù)據(jù) 利用中國(guó)GF衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研判滑坡、崩塌的形狀、紋理、色調(diào)、地形、地貌等特征，并結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查情況，建立水土流失遙感解譯模型，從遙感影像計(jì)算出巖溶區(qū)水土流失遙感監(jiān)測(cè)信息。

2.1.5 土地覆被類(lèi)型 使用地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的中國(guó)1∶25萬(wàn)土地覆被類(lèi)型數(shù)據(jù)。

2.1.6 地理信息數(shù)據(jù) 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為廣西氣象信息中心提供的1∶25萬(wàn)廣西行政邊界、行政區(qū)點(diǎn)、喀斯特區(qū)邊界數(shù)據(jù)。廣西數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失估算方法 在GIS技術(shù)的支持下，以修正通用土壤侵蝕模型RUSLE模型為藍(lán)本，建立考慮巖溶區(qū)石漠化等級(jí)影響的土壤流失方程，模型基本表達(dá)式如下[38]：

A=R·K·LS·C·P·M

(1)

式中:A是土壤侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]；R是降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]；LS是坡長(zhǎng)坡度因子，無(wú)量綱；C是植被措施因子，無(wú)量綱；P是水土保持控制措施因子，無(wú)量綱；M是石漠化修正因子，無(wú)量綱。R,K,LS,C,P等因子計(jì)算方法參見(jiàn)《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定指南》。

石漠化等級(jí)因子M是巖溶區(qū)土壤侵蝕程度嚴(yán)重、土層流失殆盡、無(wú)土無(wú)林、基巖大面積裸露、土地退化的表現(xiàn)形式。考慮到巖溶地區(qū)土壤瘠薄且分布不連續(xù)，為了合理評(píng)價(jià)巖溶地區(qū)土壤流失狀況，在石漠化等級(jí)劃分評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，在侵蝕模型中引入石漠化修正因子，以修正土壤侵蝕模型的評(píng)價(jià)結(jié)果。本文基于巖溶區(qū)石漠化等級(jí)數(shù)據(jù)，確定石漠化等級(jí)修正因子的賦值。其中，潛在石漠化賦值0.7，輕度石漠化賦值0.6，中度石漠化賦值0.5，重度石漠化賦值0.4，極重度石漠化賦值0.3。

2.2.2 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關(guān)鍵因子影響評(píng)價(jià)方法 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失是自然條件與人為活動(dòng)等多種因素綜合影響的自然災(zāi)害。為表示巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕因子對(duì)土壤流失的影響程度，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關(guān)鍵因子影響評(píng)價(jià)模型，公式如下[39]：

(2)

式中:μij為土壤侵蝕影響因子第i等級(jí)對(duì)土壤侵蝕第j等級(jí)的影響率；Aij為土壤侵蝕因子第i等級(jí)在土壤侵蝕第j等級(jí)下的土壤侵蝕量；A為土壤侵蝕總量；Sij為土壤侵蝕因子第i等級(jí)在土壤侵蝕第j等級(jí)下的面積；S為土壤侵蝕總面積。

2.2.3 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)價(jià)方法 基于GIS空間疊加分析法，利用各因子連乘并開(kāi)方，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數(shù)，公式如下[40]：

(3)

式中:AEI為水土流失敏感性指數(shù)；Si為水土流失第i因子敏感性等級(jí)值；n為因子個(gè)數(shù)。

基于層次分析法確定因子權(quán)重，采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數(shù)，公式如下[41]：

(4)

式中:BEI為水土流失敏感性指數(shù)；Fi為水土流失第i因子敏感性等級(jí)值；wi為第i因子權(quán)重值，由層次分析法確定；n為因子個(gè)數(shù)。

基于空間主成分分析法進(jìn)行降維，將空間主成分與對(duì)應(yīng)解釋量的加權(quán)求和，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數(shù)，公式如下[42]：

(5)

式中:CEI為水土流失敏感性指數(shù)；PCi為第i個(gè)主成分的解釋量；ai為第i主成分解釋量的貢獻(xiàn)率。

基于GIS的信息量法，建立巖溶區(qū)水土流失敏感性評(píng)價(jià)驗(yàn)證模型，計(jì)算巖溶區(qū)水土流失敏感性評(píng)價(jià)信息量，公式如下[43]：

(6)

式中:I(L,Xi)為因子X(jué)i對(duì)水土流失發(fā)生事件(L)提供的信息量；N為研究區(qū)水土流失遙感監(jiān)測(cè)單元總數(shù)；Ni為研究區(qū)內(nèi)影響因子X(jué)i在某二級(jí)指標(biāo)水土流失遙感監(jiān)測(cè)數(shù)；S為研究區(qū)單元總面積；Si為研究區(qū)內(nèi)影響因子X(jué)i在某二級(jí)指標(biāo)的單元面積。水土流失敏感性評(píng)價(jià)信息量越大，說(shuō)明水土流失敏感性區(qū)劃結(jié)果與實(shí)際分布情況吻合度越較高。

基于巖溶區(qū)水土流失敏感性分區(qū)，采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法，建立研究區(qū)某區(qū)域的水土流失敏感性的危險(xiǎn)性指數(shù)，公式如下[44]：

SEPDI=(M1+2M2+3M3+6M4+9M5)/(M1+M2+M3+M4+M5)

(7)

式中:M1為不敏感區(qū)面積；M2為輕度敏感區(qū)面積；M3為中度敏感區(qū)面積；M4為高度敏感區(qū)面積；M5為極敏感區(qū)面積。SEPDI值為1～9，值越大表明該區(qū)域水土流失敏感性的危險(xiǎn)度越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失量分析

依據(jù)巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失估算模型和各因子計(jì)算獲取方法，計(jì)算廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失總量，按照水利部頒布的《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SL461—2009)進(jìn)行水蝕強(qiáng)度分級(jí)。廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)見(jiàn)圖1。

廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)平均土壤侵蝕模數(shù)為560.21 t/(km2·a)，土壤侵蝕總量為3 691.06萬(wàn) t/a。從侵蝕強(qiáng)度看，中度及以上土壤侵蝕量較大，土壤侵蝕模數(shù)分別為1 572.74萬(wàn) t/a，826.49萬(wàn) t/a，530.65萬(wàn) t/a，394.08 t/a，所占巖溶區(qū)土壤侵蝕總量比例分別為42.61%，22.39%，14.38%，10.55%；微度土壤侵蝕量最小，為14.74萬(wàn)t/a，僅占巖溶區(qū)土壤侵蝕總量比例為0.40%。從侵蝕面積上看，微度、輕度、中度土壤侵蝕面積較大，土壤侵蝕面積分別為15 539.25，24 595.13，19 877.68 km2，所占巖溶區(qū)總面積比例分別為23.58%，37.33%，30.17%；劇烈土壤侵蝕面積最小，為433.44 km2，占巖溶區(qū)總面積比例為0.66%。

圖1 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失強(qiáng)度等級(jí)分布

3.2 水土流失關(guān)鍵指標(biāo)影響分析

廣西巖溶區(qū)水土流失的形成和發(fā)生是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，從影響因素來(lái)看，是氣象、地形、土壤、植被、石漠化、工程措施等多種因子綜合作用的結(jié)果。氣象因子根據(jù)廣西不同時(shí)段極端降水事件[45]、降雨侵蝕力[46]的時(shí)空分布特征，將6，12，24 h極端降水量指標(biāo)分5級(jí)：≤100 mm，100～150 mm，150～200 mm，200～250 mm，>250 mm；將降雨侵蝕力指標(biāo)分5級(jí)：≤5 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，5 000～6 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，6 000～7 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，7 000～8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，>8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)。地形、土壤、植被因子按照《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定指南》結(jié)合廣西實(shí)際情況分級(jí)，其中，地形起伏度指標(biāo)分5級(jí)：≤50 m，50～100 m，100～150 m，150～200 m，>200 m；土壤可蝕性指標(biāo)分5級(jí)：≤0.012，0.012～0.014，0.014～0.016，0.016～0.018，>0.018；植被覆蓋度指標(biāo)分5級(jí)：≤0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.7，>0.7。石漠化因子則根據(jù)廣西石漠化等級(jí)數(shù)據(jù)劃分為：潛在、輕度、中度、重度。人類(lèi)活動(dòng)因子根據(jù)土地利用方式劃分為：林地、灌木林、草地、濕地、水田、旱地、園地、居住地、工礦用地、交通用地、裸地。采用巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關(guān)鍵因子影響評(píng)價(jià)模型，計(jì)算廣西不同影響因子等級(jí)對(duì)不同土壤侵蝕強(qiáng)度的影響率(表1)。

表1 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關(guān)鍵指標(biāo)影響率

從氣象因子看，氣象條件對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：6 h極端降水量影響率均值(4.63)>12 h極端降水量影響率均值(4.57)>24 h極端降水量影響率均值(4.50)>降雨侵蝕力影響率均值(4.35)；降水量各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強(qiáng)度均呈遞增趨勢(shì)，其中，極端降水量(>250 mm)和降雨侵蝕力[>8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)]對(duì)土壤侵蝕量的總影響率最大，6，12，24 h極端降水量的總影響率分別為29.72，29.41，28.15，降雨侵蝕力的總影響率為28.12；氣象條件各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕中度及以下的影響隨降水量的增加基本不變，而強(qiáng)烈及以上的影響隨降水量的增加呈遞增趨勢(shì)，其中，極端降水量(>250 mm)和降雨侵蝕力[>8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)]的劇烈侵蝕對(duì)土壤侵蝕的影響最大，6，12，24 h極端降水量的影響率分別為17.00，16.84，15.77，降雨侵蝕力的影響率為15.55。

從地形因子看，地形起伏度對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：地形起伏度各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強(qiáng)度均呈遞增趨勢(shì)，其中，地形起伏度(>200 m)對(duì)土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計(jì)為29.71；地形起伏度各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕各強(qiáng)度的影響隨地形起伏度的增加呈增加趨勢(shì)，其中，地形起伏度(>200 m)的劇烈侵蝕對(duì)土壤侵蝕的影響最大，影響率為17.17，地形起伏度(150～200 m)的劇烈侵蝕次之，影響率為13.89，地形起伏度(<150 m)，影響率差別不大。

從土壤因子看，土壤可蝕性對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：土壤可蝕性各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強(qiáng)度均呈遞增趨勢(shì)，其中，土壤可蝕性(>0.018)對(duì)土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計(jì)為27.29；土壤可蝕性各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕各強(qiáng)度的影響，除強(qiáng)烈侵蝕隨土壤可蝕性的增加呈遞減趨勢(shì)，其余侵蝕等級(jí)呈增加趨勢(shì)，其中，土壤可蝕性(>0.018)的劇烈侵蝕對(duì)土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.59，土壤可蝕性(0.016～0.018)的劇烈侵蝕次之，影響率為14.36，土壤可蝕性(<0.016)，影響率差別不大。

從植被因子看，植被覆蓋度對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：植被覆蓋度各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強(qiáng)度均呈遞增趨勢(shì)，其中，植被覆蓋度(≤0.2)對(duì)土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計(jì)為28.47；植被覆蓋度各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕中度及以下的影響隨植被覆蓋的增加呈增加趨勢(shì)，而強(qiáng)烈及以上的影響隨植被覆蓋度的增加呈遞減趨勢(shì)，其中，植被覆蓋度(≤0.2)的劇烈侵蝕對(duì)土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.68，植被覆蓋度(0.2～0.4)的劇烈侵蝕次之，影響率為14.60，植被覆蓋度(>0.4)，影響率差別不大。

從石漠化因子看，石漠化等級(jí)對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：1988年石漠化等級(jí)影響率均值(4.52)>2018年石漠化等級(jí)影響率均值(4.44)；1988年、2018年石漠化等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕的影響均隨土壤侵蝕強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)，其中，1988年重度石漠化等級(jí)對(duì)土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計(jì)分別為27.33，2018年潛在石漠化等級(jí)對(duì)土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計(jì)分別為27.53；1988年石漠化各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕中度及以下的影響隨石漠化強(qiáng)度的增加變化不大，而強(qiáng)烈及以上的影響隨石漠化強(qiáng)度的增加呈遞增趨勢(shì)，其中，重度石漠化等級(jí)的劇烈侵蝕對(duì)土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.66，2018年石漠化各等級(jí)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕中度及以下的影響隨石漠化強(qiáng)度的增加變化也不大，而強(qiáng)烈及以上的影響隨石漠化強(qiáng)度的增加呈遞減趨勢(shì)，其中，潛在石漠化等級(jí)的劇烈侵蝕對(duì)土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.78。

從人類(lèi)活動(dòng)因子看，土地利用方式對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：工礦用地的劇烈侵蝕對(duì)土壤侵蝕的影響最大，影響率為15.85，灌木林的劇烈侵蝕次之，影響率為14.94，之后旱地、裸地的劇烈侵蝕，影響率分別為14.47，14.44。

從綜合因子看，各影響因子指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：因子影響率，氣象(4.51)>石漠化(4.48)>植被(4.44)>土壤(4.36)>地形(4.18)>人類(lèi)活動(dòng)(4.12)；指標(biāo)影響率，6 h極端降水量(>250 mm)影響率最大，為29.72，其次為地形起伏度(>200 m)，為29.71，之后為12 h極端降水量(>250 mm)，為29.00，地形起伏度(≤50 m)影響率最小，為20.55；等級(jí)強(qiáng)度影響率，地形起伏度(>200 m)的劇烈侵蝕影響最大，為17.17，6 h極端降水量(>250 mm)的劇烈侵蝕次之，為17.00，之后為12 h極端降水量(>250 mm)的劇烈侵蝕，為16.84。

3.3 水土流失敏感性評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失在巖溶背景環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的影響下，造成了土壤量流失和土壤質(zhì)量下降。巖溶環(huán)境的脆弱性和人為的破壞性，決定了巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失的敏感性?；趲r溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關(guān)鍵指標(biāo)影響評(píng)價(jià)，從自然和人為因素，考慮選取降水量、地形起伏度、土壤可蝕性、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢(shì)、土地利用方式等為評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標(biāo)體系(表2)。

根據(jù)巖溶水土流失關(guān)鍵指標(biāo)影響評(píng)價(jià)，將各因子對(duì)水土流失敏感性劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極敏感，規(guī)定量值從1—9敏感性依次增加，獲得廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數(shù)值。從氣象影響因子可知，水土流失量與高強(qiáng)度、大暴雨、特大暴雨等大侵蝕降水量密切關(guān)系，降水強(qiáng)度越高、降水總量越大，其水土流失量越大，水土流失敏感性越高。從石漠化影響因子可知，不同階段石漠化等級(jí)對(duì)水土流失的敏感性呈現(xiàn)出較大差異。在石漠化形成初級(jí)，巖溶區(qū)還有土地覆蓋，即“有土可流”，此時(shí)水土流失量隨石漠化等級(jí)強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。石漠化等級(jí)越高，水土流失敏感性越高。在石漠化擴(kuò)張階段，巖溶區(qū)已基本無(wú)土地覆蓋，即“無(wú)土可流”，此時(shí)水土流失量隨石漠化等級(jí)強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)。但這并不表明石漠化等級(jí)強(qiáng)度越高，水土流失敏感性越低。因此，可以采用石漠化演變趨勢(shì)作為石漠化因子對(duì)水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)。石漠化演變趨勢(shì)變得越差，水土流失敏感性越高?；贕IS技術(shù)，將不同階段的石漠化等級(jí)進(jìn)行空間疊加，分析石漠化演變趨勢(shì)，劃分為變好、變較好、不變、變較差、變差5個(gè)等級(jí)，其中，變好：輕度變潛在、中度變潛在、重度變潛在；變較好：中度變輕度、重度變輕度、重度變中度；不變：潛在變潛在、輕度變輕度、中度變中度、重度變重度；變較差：潛在變輕度、潛在變中度、輕度變中度；變差：潛在變重度、輕度變重度、中度變重度。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水土流失的影響主要體現(xiàn)在土地利用方式的變化。土地利用方式越不合理越容易造成水土流失。根據(jù)土地利用方式對(duì)土壤侵蝕的影響率，將濕地、居住地劃分為不敏感區(qū)；林地、灌木林地為輕度敏感區(qū)；草地和水田為中度敏感區(qū)；旱地、園地為高度敏感區(qū)；交通用地、工礦用地和裸地為極敏感區(qū)。

表2 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標(biāo)體系

3.4 水土流失敏感性評(píng)估模型及對(duì)比分析

基于巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標(biāo)體系，耦合氣象、地形、土壤、植被、土地利用方式等自然因素和人為因素對(duì)水土流失敏感性的相互影響作用，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估模型。

3.4.1 基于GIS疊加分析法的水土流失敏感性評(píng)價(jià)模型 考慮選擇降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、土地利用方式，采用GIS疊加分析法，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估模型，公式如下：

(8)

式中:CMSEI為水土流失敏感性指數(shù)；R1,K1,T1,C1,P1分別為降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、土地利用方式敏感性等級(jí)值。

3.4.2 基于層次分析法的水土流失敏感性評(píng)價(jià)模型 考慮選擇極端降水事件、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢(shì)、土地利用方式為評(píng)估指標(biāo)，采用層次分析法，基于1—9標(biāo)度法，通過(guò)兩兩對(duì)比判定水土流失敏感性指標(biāo)的重要性，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標(biāo)矩陣(表3)。

通過(guò)判斷矩陣計(jì)算最大特征根λmax為6.120 5，特征向量為(2.345 7，0.395 2，0.620 6，0.936 8，1.537 2，0.276 0)，CR=0.019(<0.1)，滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)，歸一化得權(quán)重為(0.382 9，0.064 5，0.101 4，0.153 4，0.253 1，0.044 7)。采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估模型，公式如下：

AHPEI=0.3829R2+0.0645T1+0.1014K1+

0.1534C1+0.2531M1+0.0447P1

(9)

式中:AHPEI為水土流失敏感性指數(shù)；R2為極端降水量；M1為石漠化演變趨勢(shì)。

表3 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估指標(biāo)矩陣

3.4.3 基于空間主成分分析的水土流失敏感性評(píng)價(jià)模型 同樣考慮選擇極端降水事件、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢(shì)、土地利用方式為評(píng)估指標(biāo)，采用空間主成分分析法進(jìn)行指標(biāo)集成(表4)。

表4 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標(biāo)主成分分析

空間主成分分析結(jié)果顯示，按照結(jié)果選取前4個(gè)主成分即可達(dá)到主成分分析85%累計(jì)貢獻(xiàn)率的統(tǒng)計(jì)要求，選取前5個(gè)主成分即可達(dá)到對(duì)整體評(píng)價(jià)的98.64%貢獻(xiàn)，說(shuō)明前5個(gè)主成分已經(jīng)能夠很好地反映巖溶區(qū)水土流失敏感性狀況。進(jìn)一步分析各主成分，第1主成分的貢獻(xiàn)率為43.29%，在土壤可蝕性上的特征向量值較大，可以概括為土壤敏感性因子；第2主成分的貢獻(xiàn)為20.92%，在石漠化演變趨勢(shì)上的特征向量值較大，概括為石漠化敏感性因子；第3主成分的貢獻(xiàn)率為19.18%，在地形起伏度上的特征向量值較大，概括為地形敏感性因子；第4主成分的貢獻(xiàn)率為9.47%，在土地利用方式上的特征向量值較大，概括為人為活動(dòng)敏感性因子；第5主成分的貢獻(xiàn)率為5.78%，在極端降水事件上特征向量值較大，概括為氣象敏感性因子。綜合考慮各個(gè)主成分的貢獻(xiàn)因子，地形、土壤、石漠化、氣象、人為活動(dòng)5個(gè)因子是影響巖溶區(qū)水土流失的主要因素，這與研究區(qū)的實(shí)際也是相符的。根據(jù)空間主成分分析結(jié)果，建立廣西巖溶水土流失敏感性評(píng)估模型，公式如下：

PCAEI=0.4329PC1+0.2092PC2+0.1918PC3+0.0947PC4+0.0578PC5

(10)

式中:PCAEI為水土流失敏感性指數(shù)；PC1,PC2,PC3,PC4,PC5分別為第1—5主成分。

3.4.4 模型對(duì)比分析 根據(jù)巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估模型，采用GIS技術(shù)，獲得空間分辨率為250 m的廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)敏感性綜合指數(shù)分布，并利用自然斷點(diǎn)法將廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感5級(jí)敏感區(qū)。為進(jìn)一步驗(yàn)證評(píng)估模型研究結(jié)果的合理性，根據(jù)水土流失遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用基于GIS的信息量法，計(jì)算廣西巖溶區(qū)水土流失敏感性等級(jí)信息量(表5)。

表5 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估模型驗(yàn)證對(duì)比分析

驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果顯示，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性信息量均隨敏感性等級(jí)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加；進(jìn)一步分析各敏感性等級(jí)強(qiáng)度信息量，CMSEI模型的高度及以上敏感性等級(jí)信息量為正值，而AHPEI模型和PCAEI模型的中度及以上敏感性等級(jí)信息量為正值，說(shuō)明AHPEI模型和PCAEI模型的敏感性評(píng)價(jià)優(yōu)于CMSEI模型；PCAEI模型的中度及以上敏感性等級(jí)信息量均大于AHPEI模型的中度及以上敏感性等級(jí)信息量，且PCAEI模型的極敏感信息量最大(0.85)，而PCAEI模型的輕度與不敏感性等級(jí)信息量均小于AHPEI模型的輕度與不敏感性等級(jí)信息量，且PCAEI模型的不敏感性信息量最小(-2.27)，說(shuō)明PCAEI模型的不敏感性評(píng)價(jià)也優(yōu)于AHPEI模型。因此，通過(guò)綜合的對(duì)比分析，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)估模型，PCAEI模型最優(yōu)，其次為AHPEI模型，之后為CMSEI模型。

3.5 水土流失敏感性空間分異特征

基于水土流失敏感性評(píng)估最優(yōu)的PCAEI模型，統(tǒng)計(jì)廣西巖溶區(qū)各地級(jí)市水土流失不同等級(jí)敏感區(qū)域面積及其比例，計(jì)算各地市水土流失敏感性SEPEI值(表6)。從敏感性等級(jí)看，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性主要以輕度、中度、高度敏感區(qū)為主，占巖溶區(qū)總面積的74.01%，其中，輕度敏感區(qū)面積比例最大，為29.07%，極敏感區(qū)面積比例最小，為10.56%；從敏感性的危險(xiǎn)性看，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性整體中度偏重，其中，河池市的敏感性的危險(xiǎn)性最高，其次為百色市，之后為南寧市；從空間分布格局看，極敏感區(qū)主要分布在河池市南部和西部、百色市東北部、南寧市北部，分別占總巖溶區(qū)總面積的5.68%，2.28%，0.84%，該區(qū)域極端降水強(qiáng)度大、地形起伏度大、土壤可蝕性強(qiáng)、植被覆蓋度小、石漠化改善狀況差，且受人類(lèi)活動(dòng)干擾較大；高度敏感區(qū)主要分布在河池市南部、百色市南部、崇州市北部，分別占總巖溶區(qū)總面積的7.45%，4.87%，2.21%，該區(qū)域極端降水強(qiáng)度較大、地形起伏度較大、土壤可蝕性較強(qiáng)、植被覆蓋度較小、石漠化改善狀況較差，且受人類(lèi)活動(dòng)干擾大；中度敏感區(qū)主要分布在河池市東南部和北部、百色市南部、崇左市北部，分別占巖溶區(qū)總面積的8.39%，5.42%，4.32%，該區(qū)域極端降水強(qiáng)度較大、地形起伏度較大，但石漠化演變趨勢(shì)穩(wěn)定、土壤可蝕性一般、人類(lèi)活動(dòng)干擾較??；輕度敏感區(qū)主要分布在河池市東北部、崇左市中部、桂林市大部，分別占巖溶區(qū)總面積的5.95%，4.48%，4.47%，該區(qū)域極端降水強(qiáng)度較小、地形起伏度較小、土壤可蝕性較小，但植被覆蓋度較高、石漠化演變趨勢(shì)良好、受人類(lèi)活動(dòng)干擾較也較??；不敏感區(qū)主要分布在崇左市南部、桂林市東北部、河池市東部，分別占巖溶區(qū)總面積的3.37%，2.76%，2.39%，該區(qū)域極端降水強(qiáng)度小、地形起伏度小、土壤可蝕性小、植被覆蓋度高、石漠化改善狀況最好。從總體看，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性強(qiáng)度由巖溶區(qū)的東部向西部、由南部向北部逐漸增強(qiáng)；敏感區(qū)主要分布在河池市、百色市，分別占巖溶區(qū)總面積27.47%，15.71%(圖2)。

表6 廣西巖溶區(qū)各地市水土流失敏感性等級(jí)面積及其比例和SEPDI值

圖2 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性分區(qū)

4 討 論

石漠化是巖溶區(qū)的重要生態(tài)景觀(guān)，水土流失和石漠化發(fā)展存在著惡性循環(huán)，但目前有關(guān)巖溶地區(qū)水土流失研究中鮮有考慮石漠化演變的影響。李陽(yáng)兵等[47]研究指出的巖溶區(qū)必須基于生態(tài)退化的現(xiàn)狀來(lái)評(píng)價(jià)土壤侵蝕敏感性，凡非得等[36]也提出未來(lái)巖溶區(qū)應(yīng)該結(jié)合石漠化及其變化過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)研究水土流失敏感性。本研究在水土流失敏感性因子中增加了石漠化等級(jí)變化作為影響因子，較充分考慮了石漠化等級(jí)變化對(duì)水土流失的影響：石漠化程度加劇，說(shuō)明在自然或人為因素影響下，植被生態(tài)環(huán)境變差，水土流失敏感性較高；石漠化程度變化較小或不變，說(shuō)明自然或人為因素對(duì)巖溶生態(tài)系統(tǒng)影響較小，生態(tài)平衡維持得較好，但這種平衡是基于生態(tài)保護(hù)條件下，脆弱且容易打破，水土流失敏感性中等；石漠化程度變輕，說(shuō)明自然或人為因素對(duì)巖溶生態(tài)系統(tǒng)的作用是有利的，植被生態(tài)環(huán)境變好，水土流失不敏感。本研究發(fā)現(xiàn)，石漠化等級(jí)變化指標(biāo)在6種水土流失敏感性因子中，作用大小僅次于氣象因子。引入石漠化因子后的修正通用土壤流失模型(RUSLE)可以較合理地評(píng)價(jià)廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤流失空間分布狀況，有效地改進(jìn)了巖溶區(qū)不考慮石漠化或只考慮石漠化等級(jí)作為水土流失敏感性評(píng)估指標(biāo)，解決了巖溶區(qū)水土流失“無(wú)土可流”問(wèn)題，使巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)價(jià)更加合理。

本研究對(duì)比分析空間疊加分析法、層次分析法、空間主成分分析法3種水土流失敏感性評(píng)價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)以極端降水、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢(shì)、土地利用方式為評(píng)估指標(biāo)的主成分分析法(PCAEI)評(píng)估結(jié)果最優(yōu)?？赡茉蚴荘CAEI的氣象評(píng)估指標(biāo)考慮了極端降水事件對(duì)水土流失的影響，而巖溶區(qū)土壤淺薄且分布不連續(xù)，在地形起伏度較大、植被覆蓋度較低的下墊面，高強(qiáng)度的極端降水對(duì)地表具有很強(qiáng)的沖刷能力，極易造成水土流失，這與蔡雄飛等[48]的結(jié)論是一致的。巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性各關(guān)鍵指標(biāo)的影響程度存在差異，采用空間主成分分析法將多個(gè)影響因子通過(guò)正交線(xiàn)性變換來(lái)選出少數(shù)重要指標(biāo)進(jìn)行多維數(shù)據(jù)集成的PCAEI法，改進(jìn)了不考慮因子重要性的CMSEI法及采用專(zhuān)家打分法與層次分析法相結(jié)合主觀(guān)性的AHPEI法，使巖溶生態(tài)水土流失敏感性評(píng)估更加適用與客觀(guān)。此外，基于較高空間分辨率的石漠化等級(jí)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，采用“3S”技術(shù)和空間主成分分析法開(kāi)展巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評(píng)價(jià)，可以為區(qū)域生態(tài)保護(hù)空間精準(zhǔn)定位提供技術(shù)支撐，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境敏感性評(píng)估方法，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)一步地研究采用更高分辨率的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)獲取NDVI、石漠化數(shù)據(jù)，計(jì)算更高精度的植被覆蓋、石漠化演變趨勢(shì)數(shù)據(jù)，為巖溶區(qū)域更客觀(guān)化、精準(zhǔn)化、定量化的生態(tài)空間劃定提供技術(shù)支撐，為巖溶區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)及水土流失的防治提供參考依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 引入石漠化因子后的修正通用土壤流失模型(RUSLE)可以較合理地評(píng)價(jià)廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤流失空間分布狀況。廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)侵蝕強(qiáng)度以中度及以上為主，合計(jì)占比89.93%，其中中度侵蝕占比最大(42.61%)，微度土壤侵蝕量占比最小(0.40%)。侵蝕面積以中度及以下為主，合計(jì)占比91.08%，其中輕度占比最大(37.33%)，劇烈侵蝕面積占比最小(0.66%)。

(2) 水土流失敏感性是自然因素與人為因素共同作用的結(jié)果，對(duì)比分析了氣象、土壤、植被、石漠化、地形和人類(lèi)活動(dòng)共6種水土流失敏感性因子，作用大小順序?yàn)椋簹庀?石漠化>植被>土壤>地形>人類(lèi)活動(dòng)。水土流失影響率與大多數(shù)敏感性因子和土壤侵蝕強(qiáng)度均呈一致變化趨勢(shì)，即隨著敏感性因子或土壤侵蝕強(qiáng)度的增大，水土流失影響率增大。對(duì)比分析各種因子，6 h極端降水量(>250 mm)對(duì)各等級(jí)土壤侵蝕的綜合影響率最大，地形起伏度(≤50 m)影響率最小。

(3) 對(duì)比分析空間疊加分析法、層次分析法、空間主成分分析法3種水土流失敏感性評(píng)價(jià)方法，以極端降水、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢(shì)、土地利用方式為評(píng)估指標(biāo)的主成分分析法(PCAEI)評(píng)估結(jié)果最優(yōu)，層次分析法和加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法(AHPEI)次之，因子疊加分析法(CMSEI)評(píng)估結(jié)果較差。

(4) 利用優(yōu)選的主成分分析法(PCAEI)分析水土流失敏感性空間分異特征，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性主要以輕度、中度、高度敏感區(qū)為主，水土流失敏感性整體中度偏重。水土流失敏感性強(qiáng)度由東部向西部、由南部向北部逐漸增強(qiáng)，敏感區(qū)主要分布在河池市、百色市，不敏感區(qū)主要分布在桂林市、崇左市。敏感區(qū)具有極端降水強(qiáng)度較大、地形起伏度較大、土壤可蝕性較強(qiáng)、植被覆蓋度較小、石漠化改善狀況較差及受人類(lèi)活動(dòng)干擾大的共同的特征。