土壤侵蝕動態變化分析
——以四川省涼山州為例

姚 昆，張存杰，何 磊，李玉霞，鐘旭珍

1. 西昌學院 資源與環境學院，四川 西昌 615000；2. 國家氣候中心系統運控室，北京 100081；3. 成都信息工程大學 軟件工程學院，成都 610103；4. 電子科技大學 自動化工程學院，成都 610054；5. 內江師范學院 地理與資源科學學院，四川 內江 641100

土壤侵蝕是一種常見的自然災害，區域的土壤類型、氣候、地質條件等自然因素決定了其先天狀況，而后天的人類活動又對其變化產生明顯的驅動作用[1-2]． 土壤侵蝕不僅會造成水體富營養化和土地生產能力嚴重下降等系列環境問題，還會加劇生態環境的脆弱程度[3]．

近年來，隨著RS和GIS技術的快速發展，學者們在區域水力侵蝕的定量監測與評估上取得了諸多成果，提出了通用流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)[4-6]、修正土壤侵蝕方程(Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE)[3，7-8]、水蝕預報模型(Water Erosion Prediction Project，WEPP)[9-10]和中國土壤流失方程(China Soil Loss Equation，CSLE)[11-13]等眾多計算模型． 其中，RUSLE模型在諸多模型中最為典型． 黃鳳琴等[14]利用RUSLE模型完成涼山地區2000年土壤侵蝕的空間分布特征分析；鄒雅婧等[15]將RUSLE模型與地理探測器相結合，實現了渭北礦區2018年土壤侵蝕狀況的定量評估與驅動因素分析；胡先培等[16]基于RUSLE模型對貴州銅仁地區1987-2015年土壤侵蝕的時空特征進行了詳細分析；操玥等[17]以RUSLE模型為基礎，完成了我國喀斯特槽谷地區2000-2015年土壤侵蝕時空演變及未來發展規律的探索分析． 以上成果均已證明，相比其他模型，RUSLE具有所需參數較少、計算過程相對簡單快捷、應用范圍適用性廣和計算結果準確度相對較高的優點，能作為區域土壤侵蝕定量評估的一項重要技術手段．

涼山州作為四川省土壤侵蝕監測與恢復治理的重點區，全州約有49%的地區存在土壤侵蝕現象[14]． 因此，加強該地區土壤侵蝕的定量評估及變化監測具有十分重要的意義． 然而，截至目前對該地區土壤侵蝕的研究仍有兩項主要不足尚需完善． 第一，雖然該地區是全省土壤侵蝕的重點監測區，但是查閱文獻資料可知，對其開展的研究卻幾乎處于空白；第二，已有成果均只完成該地區特定年份土壤侵蝕的定量評估，僅側重從空間角度分析其分布規律[4，14]，忽略了其時間變化規律的探索分析，無法全面地掌握其真實變化狀況．

為有效彌補以上兩點不足，更全面地掌握該地區土壤侵蝕的真實變化規律，本研究基于RUSLE模型完成涼山州1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年土壤侵蝕模數的計算，并從時間與空間相結合的視角，對其空間分布與時空變化規律進行較詳細的分析，以期為該地區土壤侵蝕治理與保護措施的制定提供科學的理論參考．

1 研究區概況

涼山州(圖1)地處四川省西南部，地理坐標為26°03′-29°18′N，100°03′-103°52′E，面積約6.04×104km2，包括西昌市、冕寧縣和德昌縣等17個市縣． 其地質構造相對復雜，地形崎嶇，地表起伏變化明顯，地勢呈現西北向東南和北部向西部傾斜的變化形態，西北和北部地區海拔均相對較高，地形起伏變化也相對明顯． 該地區平均海拔約2 634.43m，地貌主要為山地和高原且約占全州總面積的90%，也有少量的平原和丘陵． 區域年平均氣溫為10.1～19.3 ℃[14]，年降水呈現出明顯的季節性變化，年均降雨量1 000～1 100 mm，降水主要集中于5-10月． 土地景觀主要為有林地、灌木林地、高覆蓋和中覆蓋度草地以及耕地． 紅壤、紫色土、棕壤和暗棕壤等為主要的土壤類型． 受先天自然條件的影響，該地區是滑坡、泥石流和水土流失的多發區和重點監測區．

審圖號：GS(2019)3333號．圖1 研究區地理位置和行政區劃

2 研究方法

2.1 數據來源

根據修正土壤侵蝕方程(RUSLE)，完成基礎數據的收集，包括：1990-2018年涼山州及周邊地區氣象站的各月累計降雨量，數據來源于中國氣象數據網(http：//data.cma.cn/)；1∶100萬中國土壤數據庫，來源于中國科學院南京土壤所；涼山州數字高程模型(DEM)，空間分辨率30 m，來源于地理空間數據云平臺；1990-2018年涼山州1∶10萬土地利用類型矢量數據和《中國土種志》，來源于中國科學院資源環境數據云平臺(http：//www.resdc.cn)．

2.2 RUSLE模型

修正通用土壤侵蝕方程的數學表達式為：

A=R×L×S×K×C×P

(1)

式中：A為侵蝕模數，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；L為坡長因子；S為坡度因子；K為土壤可侵蝕，(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)；C和P則為植被與水土保持因子，它們均無單位；侵蝕模數乘以100，單位轉換為t/(km2·a)．

2.2.1 降雨侵蝕力

降雨是引起土壤侵蝕改變的主要外在驅動力，本研究利用Wischmeier模型[2，3，18]完成氣象站侵蝕力計算，并采用反距離權插值模型完成數據處理，分辨率30 m． 表達式為：

(2)

式中：R為降雨侵蝕力；P1為月降雨量；P為年降雨量．

2.2.2 土壤可侵蝕性

由于不同類型的土壤理化性質和質地組成均存在差異，因此其可侵蝕性K在受到外在影響力作用時，也會有呈現出不同的敏感性． 本研究采用EPIC模型[3，18]完成K因子的計算． 表達式為：

(3)

式中：SAN為砂粒比例，%；SIL為粉粒比例，%；CLA為粘粒比例，%；C為有機質比例，%；SNI=1-SAN/100，美制和國際制轉換系數為0.131 7．

2.2.3 坡度坡長因子

地形變化會對地表徑流、植被分布和人類活動等產生明顯的影響，會影響區域土壤侵蝕的狀況． 本研究采用劉寶元等[19]提出的模型完成該地區坡長的計算，表達式為：

(4)

式中：L為坡長因子；λ為單位坡長；m為坡長指數．

坡度因子的計算研究采用劉斌濤等[20-21]針對西南山地區進行修正的模型完成，表達式為：

(5)

式中：S為坡度因子；θ為坡度．

2.2.4 植被覆蓋因子與水土保持措施因子

植被覆蓋因子C能有效地表征出植被覆蓋度對土壤侵蝕削減的能力，通常覆蓋度越高土壤侵蝕現象相對越弱． 水土保持措施因子P則是用于衡量水土保持措施對土壤侵蝕抑制能力的客觀指標．C和P因子的取值均為0～1．C和P均可通過模型計算與賦值兩種方式得到，考慮到數據的可獲得性，本研究主要采用賦值法完成以上兩個參數值的確定． 已有成果顯示，學者們通過野外實測得出了西南土石區部分土地類型的C和P值[4，21]，本研究在參考這些相似地區成果的基礎上[4，14，20，21]，結合區域實際完成C和P因子的賦值(表1)．

表1 各土地類型C和P因子

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕分級

本研究利用RUSLE模型完成研究區1990-2018年不同年份土壤侵蝕模數的計算，并參照2007年水利部頒布的《土壤侵蝕分級標準》實現各數據的分級(圖2)．

審圖號：GS(2019)3333號．圖2 1990-2018年涼山州土壤侵蝕空間分布

1997-2000年全國進行了第二次土壤侵蝕遙感調查，結果顯示(圖2)，涼山州約有49%的區域存在較明顯的土壤侵蝕現象[14]；2000年本研究微度侵蝕約占全州總面積的48.04%，表明這些區域幾乎不存在較明顯的土壤侵蝕現象，土壤侵蝕問題可忽略不計；2000年存在土壤侵蝕較明顯區域約占全州總面積的51.96%，與國家公布的49%基本吻合，間接說明研究采用的方法是基本可行的． 1990-2018年整個研究時段內，微度和輕度侵蝕在整個地區的分布范圍均最廣，在全州的面積占比最大；然而，極強烈和劇烈侵蝕分布的范圍相對較窄，在全州的面積占比也最少；而中度和強烈侵蝕則主要分布于這兩大片區周邊，在全州面積的占比也處于居中的位置；以上分析表明，近30年內，全州雖然約一半地區都存在較明顯的土壤侵蝕現象，但就整個地區而言，土壤侵蝕強度整體仍然處于輕等水平． 以2018年為例，各等級占全州面積的比例分別為：微度47.99%，輕度25.23%，中度10.78%，強烈7.24%，極強烈6.55%及劇烈2.21%；除侵蝕現象可忽略不計的微度外，在侵蝕現象較明顯的其余5個強度等級中，輕度和中度的比例已占該片區面積總和的69.24%．

3.2 空間分布規律分析

結合圖2分析可知：本研究計算得到的涼山州土壤強度空間分布特征與胡云華等[4]和黃鳳琴等[14]的成果基本吻合；涼山州土壤侵蝕在空間分布上整體呈現出明顯的梯度差異，整體上西部和中部地區土壤侵蝕的強度相對較弱，土壤侵蝕的分布面積也相對較少，相比之下，東部和南部地區土壤侵蝕的強度相對較高，侵蝕分布的面積也相對較廣．

同時，結合地形、土地利用類型和其他相關資料對各強度侵蝕的空間分布狀況進行進一步分析可知：涼山州西部的理塘河中下游和雅礱江中部地區，雖然區域海拔整體相對較高，地勢相對陡峭，地形起伏也較明顯，但有林地、灌木林地和高覆蓋度草地等植被覆蓋度較高的區域占據了該地區大部分，大量生長茂盛的植被有效地抑制了區域土壤侵蝕的嚴重程度和分布擴散，同時該地區人口密度也相對較低，人類活動不明顯，這亦未能對其土壤侵蝕狀況的改變產生較明顯的驅動作用；研究區中部的安寧河谷平原區地勢相對平緩，大量的城鎮建設用地、耕地和居民點均主要集中于此，這里是涼山州社會經濟的發展的重要地區，河谷平原先天的自然條件優勢和有效的人工治理措施，有力地削減了土壤侵蝕的強度和范圍，河谷平原兩側的大部分地區，雖然海拔相對較高，但是植被覆蓋率也相對較高，也對土壤侵蝕起到一定的抑制作用；全州范圍內西部和南部地區土壤侵蝕的強度相對嚴重且分布范圍也相對較廣，特別是美姑河、黑水河和金沙江干流沿岸這些區域土壤侵蝕現象更加明顯． 這些地區不僅山高坡陡，耕地資源相對豐富且分布廣泛，人地關系相對緊張，并且植被也主要以覆蓋程度相對較低的疏林地、中低覆蓋度草地為主． 先天的自然條件和后天的人為因素共同造成了這些地區土壤侵蝕問題相對明顯．

3.3 侵蝕與坡度變化的關系

本研究根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)，將涼山州坡度分為≤5°，(5°，8°]，(8°，15°]，(15°，25°]，(25°，35°]和>35°總計6個不同的區間，并完成各區間不同強度分布規律的分析(圖3)．

圖3 不同坡度的侵蝕變化

結合圖3可知：① 涼山州土壤侵蝕有3.80%分布于≤5°，4.71%分布于(5°，8°]，28.28%分布于(8°，15°]，26.31%分布于(15°，25°]和21.49%分布于>35°的區間；從侵蝕面積在各坡度區間的變化可知，該地區整體以25°坡為變化分界點；當坡度<25°時，區域整體侵蝕面積與坡度成正相關變化關系，相反，當坡度>25°時，區域整體侵蝕面積則隨坡度值的增加而降低． ② 同時，各強度等級在不同坡度區間的變化也呈現出較明顯的差異性；在(5°，25°]區間內，微度的面積比例隨坡度增大而升高，在5°向8°過渡的區間基本保持不變，而坡度>25°時其分布范圍隨坡度增大而變窄；劇烈的分布范圍與坡度一直呈正相關關系，且未出現轉折點，坡度越大其分布范圍越廣；中度、強烈和極強烈的變化轉折點均出現在25°，輕度則存在25°和35°兩個轉折點． ③ 結合相關資料分析可知[22]，25°為變化轉折點可能是由于當坡度處于25°以下時，隨其升高而產生的區域斜面面積逐漸減小，降雨對土壤的滲透能力也減弱，以上會促進地區土體下滑速度和水流能量的快速增加，驅動土壤侵蝕分布范圍的擴大；而坡度處于25°臨界點以上時，斜面面積逐漸增大，對土壤侵蝕范圍的擴大反而起到一定的抑制作用．

3.4 時空動態變化

3.4.1 空間演變分析

為了解涼山州土壤侵蝕的空間演變狀況，本研究利用ArcGIS 10.4軟件完成該地區1990-2018年土壤侵蝕強度空間變化的疊加分析[23-25](圖4)．

0代表侵蝕強度等級未發生改變；正數代表強度等級升高，數值越大強度惡化的程度越突出；相反地，負數代表侵蝕強度等級下降，其絕對值越大代表強度下降的等級越明顯，侵蝕狀況也好轉得越明顯．審圖號：GS(2019)3333號．圖4 1990-2018年涼山州土壤侵蝕強度等級變化

結合圖4對該地區整個研究時段內各土壤侵蝕的空間變化規律進行分析可知：① 1990-2005年內，研究區有74.35%的區域侵蝕強度未發生等級改變，表明這些地區土壤侵蝕的強度等級無變化；分別有9.37%和1.77%的地區上升了1個和2個等級，它們主要分布于涼山州南部和西南部地區，侵蝕強度呈現加重的變化狀態；該時段內有9.61%和1.63%的地區下降了1個和2個等級，侵蝕強度有好轉的變化狀態，它們則主要分布于涼山州北部地區；該時段內強度等級變化數值在3及以上的地區面積比例均在1%以下，且主要零散地分布于整個研究區． ② 2005-2018年內，涼山州有74.97%的地區侵蝕強度未發生等級變化；有5.54%和1.54%的地區侵蝕等級分別上升了1和2個等級，區域侵蝕強度加劇，它們主要集中于涼山州中部和東部地區；相似地，有13.57%和1.33%的地區侵蝕等級下降了1個和2個等級，它們主要集中于涼山州西部；而其他等級的面積比例變化和分布特征與1990-2005年一致． ③ 就1990-2018年整個時間段分析，全州有83.22%地區侵蝕等級未發生改變；各分階段內全州也均有70%以上的地區侵蝕強度未發生改變，表明研究區土壤侵蝕強度整體具有較高的穩定性；同時，本研究發現該地區侵蝕強度的空間變化與降雨侵蝕力和林草地變化均有相似性，這客觀地說明降雨和土地利用類型對區域土壤侵蝕狀況的改變有較明顯的驅動作用；特別地，強度等級變化特征與降雨侵蝕力的變化規律吻合程度更高，一定程度上可以說明降雨對該地區土壤侵蝕變化的影響力比土地利用類型的影響力更明顯．

3.4.2 結構演變分析

本研究完成1990-2018年各等級侵蝕面積的統計，并計算出各年份不同等級在全州的面積比例分布可掌握其結構演變化規律(圖5)．

圖5 各侵蝕強度面積比例變化

結合圖5分析可知：① 1990-2018年內，微度和中度的面積比例均呈現減少的變化形態，面積比例分別減少了2.65%和0.56%，而輕度、強烈、極強烈和劇烈的面積比例均呈現增加的變化狀態，輕度增加了1.32%、強烈增加了0.04%、極強烈增加了1.23%、劇烈則增加了0.62%，微度在面積比例減少的類別中變化幅度最明顯，而輕度是面積比例增加的等級中最突出的；② 整個研究期內，輕度、中度和強烈這3個等級的面積比例變化幅度相對平緩，未出現較明顯的轉折點；③ 近30年內，微度、極強烈和劇烈的面積比例在2010年出現明顯的折點改變，2010年微度的面積比例達到全期的最大值53.45%，相反極強烈和劇烈的面積比例為全期的最小值，僅有4.27%和1.00%，結合資料分析可知，研究區自2000年左右開始實施“天然林保護”和“退耕還林”等生態環境保護工程，林草地的大量恢復對促進區域水土流失起到了有效的抑制作用，同時2010年的降雨量又達到整個時期的最低值，促進了這一年研究區土壤侵蝕狀況的進一步緩解．

4 結論與討論

4.1 討 論

涼山州作為川西南土壤侵蝕監測的重點區域，實現其土壤侵蝕時空動態變化規律的探索分析具有重要的意義． 之前已有成果大都以該地區某一年份侵蝕狀況進行評估，僅側重于從空間角度對其變化規律展開分析；相比之下，本研究以該地區多期成果為基礎，從時間與空間相結合的角度對其侵蝕變化規律進行了將詳細分析，能有效彌補單一角度分析不全面的不足，能更全面反應地區侵蝕狀況真實的變化規律；同時，本研究進行空間分布規律變化分析時，能實現侵蝕與高程的關系探索以及從不同地貌特征對其進行進一步探討，這在今后的研究中仍然需要進一步完善．

涼山州自2000年來，相繼實施了“天然林保護” “退耕還林” “退牧還草”和“國土整治”等系列生態工程，它們有力地促進了州內林草地的大面積恢復，驅使了植被覆蓋狀況的明顯好轉，對氣候起到了一定的調節作用，也對改善地區土壤侵蝕狀況起到了較大的促進作用；然而，由于受地區幅員面積相對較廣、地質構成復雜、土壤相對貧瘠和生態環境脆弱等先天因素的影響，部分地區的綜合治理仍然存在一定的難度． 針對該地區土壤侵蝕綜合治理，可以從如下3方面進行思考：第一，研究區內有雅礱江、安寧河和金沙江等眾多江河水系，水電公司和政府在進行水電資源的開發時，應該制定更加科學有效的環保策略促進環境質量的提高；第二，州內坡耕地在農用地的占比相對較大，應加強坡耕地的科學管理，禁止過度放牧和毀林開荒，25°以下坡耕地可以適當轉為梯田，25°以上應繼續實施“退耕還林” “退牧還草”等措施；第三：加強對小流域地區水土流失狀況的實時監測與分析，對潛在易發區進行科學預防，對已存在地區結合區域實際進行綜合整治．

4.2 結 論

本研究以涼山州為研究對象，以GIS和RS技術為支撐，基于RUSLE模型對該地區1990-2018年土壤侵蝕時空動態變化狀況進行分析，結果表明研究方法基本可行，預期目標也基本被實現，成果具有較高的準確性和理論參考價值，主要結論如下：

涼山州土壤侵蝕在結構組成和空間分布特征上均呈現出明顯的差異性；侵蝕強度等級與坡度有著密切的聯系；近30年內，各強度等級的面積比例均在時間尺度上呈現出不同的變化，2010年為明顯變化的轉折點；逐步分析可知，土地利用類型是驅動地區土壤侵蝕狀況改變的主要原因，結合地區特色更科學地實施土地利用規劃將有助于改變涼山州的土壤侵蝕狀況．