2009—2019年湖北省土壤侵蝕時空變化分析

王 海，黃躍飛，趙 泉，黃 婧，陳 穎，劉 海

(1.武漢智匯元環保科技有限公司，湖北 武漢 430079； 2.湖北大學 資源環境學院，湖北 武漢 430062)

土壤侵蝕會導致土壤退化、土質惡化與土地生產力下降等一系列問題，威脅到生態環境和社會經濟的可持續發展[1-2]。定量評價區域土壤侵蝕強度及其時空分布特征，對減少水土流失、保護和合理利用土地資源具有重要意義[3-4]。當前，土壤侵蝕定量研究應用最廣泛、實用性較好的計算模型為通用土壤流失方程(USLE)及修正通用土壤流失方程(RUSLE)[5-6]。USLE能較為全面地考慮影響土壤侵蝕的各種因素，具有一定的精度且相對簡單[7]，而RUSLE[5，8]根據實際情況對因子參數進行了修正，更符合實際情況，適用范圍更廣。

湖北省位于長江中游洞庭湖以北，是長江經濟帶的重要組成部分，在促進長江經濟帶發展和中部崛起戰略中肩負著重要使命。受特殊的自然地理條件及不斷增強的開發建設活動影響，湖北省土壤侵蝕嚴重。為了研究其土壤侵蝕動態變化規律，采用RUSLE模型，基于2009、2019年兩期相關數據計算土壤侵蝕量，評估土壤侵蝕時空變化特征，以期為湖北省水土保持措施的制定提供科學參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

湖北省位于29°01′53″～33°6′47″N、108°21′42″～116°07′50″E之間，東西長約740 km，南北寬約470 km。全省地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼備，地勢大致為東、西、北三面環山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。全省地處亞熱帶，除高山地區為高山氣候外，大部分地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，降雨量時空分布不均勻，冬季少雨，夏季多雨，山區降雨豐富，平原區和中北部區域降雨較少[9]。

由于研究區面積較大，各地區之間自然環境和社會經濟條件存在較大差異，故參考《湖北省水土保持規劃》及區域內主要山脈和地形地貌特征劃分為如下八大分區(圖1)：桐柏大別山山地丘陵水源涵養保土區(Ⅰ區)、南陽盆地及大洪山丘陵保土農田防護區(Ⅱ區)、江漢平原及周邊丘陵農田防護人居環境維護區(Ⅲ區)、三峽庫區丘陵平原農田防護水質維護區(Ⅳ區)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態維護區(Ⅴ區)、丹江口水庫周邊山地丘陵水質維護保土區(Ⅵ區)、大巴山山地保土生態維護區(Ⅶ區)和鄂西南武夷山水源涵養保土區(Ⅷ區)。

圖1 湖北省水土保持分區

1.2 數據來源

降雨數據來源于中國氣象數據服務中心(CMDC，http://data.cma.cn)，包括位于研究區內17個站點的月降水量及年降水量監測數據。地形數據采用地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)的SRTMDEMUTM數字高程數據，空間分辨率為90 m。土壤數據、土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)提供的1 km的土壤類型及土地利用數據。遙感數據采用MOD13Q1的NDVI數據(https://www.nasa.gov)。

1.3 研究方法

采用RUSLE進行計算，模型公式[10]為

A=R·K·L·S·C·P

式中：A為年平均土壤侵蝕量，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/(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子，無量綱；S為坡度因子，無量綱；C為植被覆蓋與管理因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱。

本研究中R、K、L、S、C、P因子分別由年(月)降水量、土壤類型數據、數字高程數據、NDVI數據、土地利用類型數據等計算獲取。

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕時空分布特征

計算湖北省2009、2019年土壤侵蝕模數，并依據水利部發布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)[11]劃分侵蝕等級，分別統計出湖北省及各分區2009、2019年平均土壤侵蝕模數、土壤侵蝕面積與土壤侵蝕量，見表1。

表1 2009、2019年湖北省及各分區土壤侵蝕統計

由表1可知，2009、2019年湖北省整體屬中度侵蝕，2019年土壤侵蝕面積比2009年減少3 250.65 km2，土壤侵蝕量降低18.93%，說明湖北省土壤侵蝕較為嚴重，但侵蝕強度正呈下降趨勢。從各分區土壤侵蝕情況來看，Ⅰ區、Ⅴ區平均土壤侵蝕模數、土壤侵蝕面積與土壤侵蝕量均呈增長趨勢，其他區的則均呈下降趨勢，其中：Ⅳ區、Ⅷ區平均土壤侵蝕模數下降趨勢最明顯；Ⅶ區、Ⅷ區土壤侵蝕面積減少量最多；Ⅱ區、Ⅲ區平均土壤侵蝕模數數值變化較小。

對湖北省及各分區不同侵蝕強度區域的面積進行統計，得到2009、2019年不同侵蝕強度面積比例，見表2。結果顯示：2009、2019年湖北省大部分區域是微度侵蝕區。2009年除微度侵蝕外以極強烈侵蝕區域占比最大，其次是強烈侵蝕區域；2019年除微度侵蝕外以中度侵蝕區域占比最大，其次是極強烈侵蝕區域。2009—2019年輕度及中度侵蝕面積呈增長趨勢，面積占比增加4.17百分點；強烈侵蝕及以上區域面積呈減少趨勢，面積占比減少6.00百分點。

表2 2009、2019年湖北省及各分區不同侵蝕強度面積比例

從湖北省各分區不同侵蝕強度區域面積比例來看，2009、2019年Ⅱ區、Ⅲ區微度侵蝕區域(無明顯侵蝕區域)面積占比相近，均在90%以上，遠大于其他區域。除微度侵蝕區域外，2009、2019年Ⅰ區以輕度和劇烈侵蝕區域為主，Ⅴ區以極強烈及劇烈侵蝕區域為主，Ⅵ區以中度和強烈侵蝕區域為主；2009年Ⅳ區以強烈和極強烈侵蝕區域為主，Ⅶ區以強烈和極強烈侵蝕區域為主，Ⅷ區以極強烈和劇烈侵蝕區域為主，2019年Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ區侵蝕強度均有所降低。

2009—2019年湖北省土壤侵蝕狀況空間差異比較明顯。無明顯侵蝕區域主要分布在湖北省中部地區，侵蝕等級較高區域主要分布在湖北省東部、西南部，侵蝕等級較低區域主要分布在湖北省西北部。分析其原因，R值空間分布是西低東高，植被覆蓋度空間分布是西高東低，C值空間分布則是西低東高，因此湖北省西部侵蝕強度低于東部。此外，因為處于盆地和平原地區，耕地、水域及建設用地面積較大，土壤侵蝕多為微度侵蝕，所以中部地區多為無明顯侵蝕區域。

2.2 土壤侵蝕變化趨勢分析

基于像元尺度分析湖北省土壤侵蝕量空間變化特征(圖2)。湖北省土壤侵蝕量呈現增長趨勢的區域面積為42 685.03 km2，占研究區總面積的23.01%；無明顯變化的區域面積為67 987.55 km2，占36.65%；呈現減少趨勢的區域面積為74 838.38 km2，占40.34%。同時，呈現增長趨勢的區域主要分布在湖北省東部山地丘陵地區；無明顯變化的區域主要分布在湖北省中部平原和丘陵地區；呈現減少趨勢的區域主要分布在湖北省西部。

圖2 湖北省土壤侵蝕變化趨勢空間分布

2.3 土壤侵蝕等級轉移分析

為了進一步分析湖北省土壤侵蝕時空變化，將2009、2019年的土壤侵蝕分級圖進行疊加分析，得到2009—2019年的土壤侵蝕強度轉移矩陣，見表3。

表3 湖北省2009—2019年土壤侵蝕強度轉移矩陣 km2

從表3可知：2009、2019年區域土壤侵蝕強度未發生改變的區域占62.95%，低等級侵蝕強度向高等級轉移的面積占12.13%，高等級侵蝕強度向低等級轉移的面積占24.93%，土壤侵蝕發生惡化的區域明顯少于土壤侵蝕得到改善的區域。從各等級侵蝕強度轉移幅度分析，微度侵蝕、中度侵蝕主要向輕度侵蝕轉移，輕度侵蝕主要向微度侵蝕轉移，強烈侵蝕主要向中度侵蝕轉移，極強烈侵蝕主要向強烈侵蝕轉移，劇烈侵蝕主要向極強烈侵蝕轉移。因此，研究區整體呈現高等級侵蝕強度向低等級轉移的特征。

3 結論與討論

3.1 結 論

本研究利用RUSLE模型，結合2009、2019年相關數據，定量評估了湖北省土壤侵蝕狀況，并對其時空變化特征進行了分析。結果表明：

(1)湖北省整體土壤侵蝕屬中度侵蝕，土壤侵蝕狀況仍較為嚴重，但侵蝕強度呈下降趨勢。從各分區來看，平均土壤侵蝕模數Ⅰ區、Ⅴ區呈上升趨勢；Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區、Ⅵ區、Ⅶ區、Ⅷ區呈下降趨勢。

(2)空間上，無明顯侵蝕區域主要分布在湖北省中部平原地區，侵蝕等級較低區域主要分布在湖北省西北部丘陵地區，侵蝕等級較高區域主要分布在湖北省東部、西南部的山地地區，總體呈現東部高(增加)、中部不變、西部低(減少)的空間格局。土壤侵蝕強度轉移以高等級向低等級轉移為主，土壤侵蝕增加的區域明顯少于得到改善的區域，湖北省整體的土壤侵蝕狀況有所改善。

3.2 討 論

結合湖北省各分區土壤侵蝕特征，分別采用相應的修復措施：鄂東地區土壤侵蝕呈現增長趨勢，建議采取植樹、種草、固坡等生態措施，增加植被覆蓋度，減小降雨侵蝕動力，增強土壤抗蝕性，提高生態系統功能；鄂西地區土壤侵蝕呈現減少趨勢，建議以保護為主，在加強天然林及人工林保護的同時，實施封山育林，改善其生態環境。

另外，本研究仍存在一些不足。在RUSLE模型因子計算過程中，因子計算很關鍵，各個因子的數據精度不一，在計算的過程中難免產生誤差，并且部分因子參數主要是參考了相關學者的研究成果，與實際數據會有一定誤差。因此，對RUSLE模型的修正和參數的率定是以后研究工作的重點。