基于RUSLE的鄱陽湖流域土壤侵蝕時空特征及影響因素分析

譚永濱， 謝劍亮， 冉江華，王毓乾， 艾金泉， 唐瑤， 王瑛

1. 東華理工大學/自然資源部環鄱陽湖區域礦山環境監測與治理重點實驗室，南昌 330013；2. 東華理工大學 中核三維地理信息工程技術研究中心，南昌 330013；3. 東華理工大學 測繪與空間信息工程學院，南昌 330013；4. 中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650051

土壤侵蝕是一種常見的自然災害, 造成嚴重的土地退化、 土壤肥力流失、 河道湖泊淤積、 洪澇災害等一系列的生態環境問題, 不僅影響著生態環境的變化, 更危及人類的生命財產安全, 是全球性的重要生態環境問題之一． 定量估算國家、 地區、 流域等大空間尺度上的土壤侵蝕量和分析土壤侵蝕的時空分布特征, 是水土流失治理和宏觀水土保持決策的關鍵[1], 同時, 土壤侵蝕定量估算對小尺度區域的景觀格局規劃和科學選址起著指導性作用[2]． 隨著RS和GIS技術的出現和不斷發展成熟, 國內外學者在區域土壤侵蝕的定量監測和分析上取得了諸多的研究成果, 提出了包括通用土壤流失方程水蝕預報流域模型(Water Erosion Prediction Project, WEPP)[3-5]、 通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)[6-8]、 中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE)[9-10]和修正通用土壤流失方程(The Revised Universal Soil loss Equation, RUSLE)[11-13]等在內的眾多土壤侵蝕計算模型． 其中, RUSLE模型的應用最為廣泛, 李佳蕾等[14]基于RUSLE模型估算2000,2005,2010,2015年中國的土壤侵蝕量, 明確了全國尺度下土壤侵蝕強度大、 明顯惡化及有效改善區域的劃分, 并闡明了其時空分異規律; Teng等[15]利用RUSLE模型分析了澳大利亞土壤侵蝕的時空演變規律; Elnashar等[16]采用RUSLE模型分析了藍尼羅河流域不同侵蝕等級、 不同土地覆蓋類型和不同坡度下的土壤流失率; Tsegaye等[17]基于GIS和RUSLE的方法對位于埃塞俄比亞上的藍尼羅河流域的Anjeb流域評估了土壤侵蝕量、 輸沙比和產沙量; 姚昆等[18]利用RUSLE模型對四川省涼山州1990-2018年情況進行時空變化規律分析, 并指出土壤侵蝕與坡度之間的緊密聯系; 周建華等[19]結合RUSLE計算的土壤侵蝕模數判斷坡面建筑長度與占地面積合理性; 劉英等[20]結合RUSLE模型與地理探測器進行驅動力分析的研究方法來摸清礦區土壤侵蝕變化規律以及礦井受采礦活動的干擾; 張素等[21]基于RUSLE模型分析了涼山州孫水河流域不同土地利用類型、 海拔和坡度條件下土壤侵蝕強度的特征; 鐘旭珍等[22]基于RUSLE模型分析沱江不同功能生態區內土壤侵蝕的分布特征及兩者之間的關系; 謝波等[23]基于RUSLE模型探討貴州省黔中地區各類巖性下的土壤侵蝕和土壤侵蝕等級之間的相關關系． 上述研究表明, 在進行不同空間尺度、 不同環境以及不同區域的土壤侵蝕研究時, RUSLE模型發揮了重要的作用．

鄱陽湖流域是國際重要濕地, 在生物多樣性保護、 確保地區生態安全以及國家水資源合理配置的實現等方面具有十分重要的作用． 但是隨著全球氣候的變化以及人類活動的加劇, 鄱陽湖流域面臨越來越嚴重的生態問題, 其中土壤侵蝕帶來的危害是最直接和根本的． 土壤侵蝕產生的水土流失造成土壤肥力和農業生產力下降的同時, 大量泥沙下泄造成了河道湖泊的淤積, 從而導致鄱陽湖的調蓄能力降低, 湖區洪災多發． 本研究基于RUSLE模型, 結合2000-2019年5個時期的地面及遙感監測數據, 定量評估鄱陽湖流域的土壤侵蝕強度, 并分析其時空分布特征及與地形因素的相關性, 研究成果可為鄱陽湖流域水土流失治理及水土保持決策提供科學參考依據．

1 研究區概況

鄱陽湖位于長江下游南岸江西省北部, 其經緯度范圍為115°50′-116°44′E, 28°25′-29°45′N, 是長江流域的一個重要湖泊． 鄱陽湖流域面積162 200 km2, 其中96.6%位于江西省境內, 其余3.3%分屬廣東、 福建、 安徽、 湖南等省份． 鄱陽湖流域主要由丘陵、 山地和沖擊平原構成, 地勢周高中低, 東、 南、 西3面為丘陵山地, 中部為盆地、 平原． 鄱陽湖流域屬東南季風區的亞熱帶季風氣候, 全年降水豐富且強度大, 易發生土壤侵蝕, 導致河道湖泊泥沙淤積引發洪災． 鄱陽湖流域的空間范圍如圖1所示．

審圖號: 贛S(2023)28號圖1 鄱陽湖流域地理位置圖

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

本研究的數據及來源如表1所示, 包括各年份流域及周邊氣象站日降雨數據、 土壤成分數據、 DEM數據、 各期植被覆蓋度數據和土地利用類型數據等． 將所有數據重采樣為1 km, 以便于進行土壤侵蝕模數的計算．

表1 基礎數據及來源

2.2 土壤侵蝕模型

本研究采用修正土壤流失方程(RUSLE)定量評估研究區的土壤侵蝕, 計算公式為:

A=R·K·LS·C·P

(1)

式中:A為土壤侵蝕模數, t/(km2·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·km2·h)/(km2·MJ·mm);LS為坡長坡度因子, 無量綱;C為地表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．

2.2.1 降雨侵蝕力因子R

降雨是土壤侵蝕的主要驅動因素之一． 降雨侵蝕因子反映了降雨對土壤的潛在剝蝕能力． 本研究采用章文波等[24]提出的基于日降雨量的計算模型來估算降雨侵蝕力, 計算公式如下:

(2)

(3)

α=21.586β-7.189 1

(4)

(5)

式中:n為1年中的第n個半月(每個月的前15 d為1個半月, 一年為24個半月);R半月為某半月的降雨侵蝕力, (MJ·mm)/(km2·h·a);k為半個月的天數;Pi為某個半月之中第i天的降雨量(≥12 mm的降雨具有侵蝕性);α,β為模型參數;Pa12,Pb12分別是一年中日降雨量≥12 mm的日均降雨量、 年均降雨量．

2.2.2 土壤可蝕性因子K

不同地區的不同類型土壤的理化性質和質地構成均存在差異,K值反映各土壤類型引起土壤侵蝕的大小差異． 本研究采用Sharpley等[25]提出的EPIC模型對研究區的土壤可蝕性因子進行計算, 公式如下:

(6)

式中:K為土壤可蝕性因子, (t·acre·h)/(100·acre·ft·tanf·in), 結果需乘以系數0.131 7獲取國際制單位(t·km2·h)/(km2·MJ·mm);S,F,N和T分別為土壤中沙粒、 粉粒、 黏粒及碳的含量(%), 其中:

Sn1=1-S/100

2.2.3 坡長坡度因子LS

坡長坡度因子是RUSLE模型估算土壤侵蝕模數的重要地形參數, 坡長坡度越大, 坡面徑流對土壤侵蝕能力越強． 本研究采用牟金澤等[26]提出的計算模型完成該地區的坡長坡度因子計算, 計算公式如下:

(7)

式中:LS為坡長坡度因子;λ為坡長, m;θ為坡度, °． 其中, 輸入的坡長參數λ是DEM數據基于ArcMap經過填洼、 流向、 流量等水文分析得出的柵格累計坡長[27]．

2.2.4 植被覆蓋與管理因子C

植被覆蓋與管理因子反映地表植被和田間管理措施對水土流失的抑制程度, 指在同等的條件下, 有植被覆蓋或田間管理的地表土壤侵蝕量與裸露地表的土壤流失量之比, 取值為0～1． 本研究以在GEE平臺處理的Landsat系列影像獲取的植被覆蓋度為數據源, 采用蔡崇法等[28]提出的方法進行C值的計算, 公式為:

(8)

式中:C為植被覆蓋與管理因子;F為植被覆蓋度．

2.2.5 水土保持措施因子P

水土保持措施因子是在有無采取水土保持措施下土壤流失量之比, 取值為0～1, 值越小表明水土保持措施的水平越高． 國內尚未有P的賦值標準, 本研究參考有關學者對相關地區的研究成果, 基于流域內土地利用類型對P進行賦值[29-32], 結果如表2所示．

表2 不同土地利用類型P值

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕因子分布

基于修正土壤流失方程RUSLE的各因子算法, 利用2000年、 2005年、 2010年、 2015年、 2019年5個時期的數據, 獲得了鄱陽湖流域1 km分辨率R,K,LS,C,P因子分布圖, 如圖2所示．

從圖2可知, 鄱陽湖流域降雨侵蝕力因子R在2010年和2015年東部及東北部遠大于其他3年, 2000年和2005年只有局部存在大降雨侵蝕力, 2019年中部的降雨侵蝕力要大于北部及南部; 2000-2019年流域內降雨侵蝕力因子均值分別為9 558,10 327,15 383,14 729,11 873 (MJ·mm)/(hm2·h·a), 其中2010年標準差為5 118 (MJ·mm)/(hm2·h·a), 降雨空間分布差異最大, 2000年標準差為2 175 (MJ·mm)/(hm2·h·a), 降雨空間分布最均勻．

流域內土壤可蝕性因子K值介于0～0.048 84 (t·km2·h)/(km2·MJ·mm)之間, 均值為0.029 22(t·km2·h)/(km2·MJ·mm); 流域東北部的K值普遍較高, 低值區主要分布在流域的東部及東南部, 說明流域東北部的土壤類型較東部及東南部土壤類型更易發生土壤侵蝕．

利用DEM數據得到的鄱陽湖流域坡長坡度因子LS介于0～144.02之間, 均值為3.91; 流域北部及中部坡長坡度因子值較小, 因為此處為鄱陽湖平原和吉泰盆地, 地勢較為平緩; 流域的東部、 西部及南部的地區為丘陵山地, 地勢起伏大, 因此坡長坡度因子值較大; 坡長坡度因子與DEM的空間分布特征基本一致．

流域內5個時期植被覆蓋與管理因子C有著相同的空間分布特征, 均為中間高, 四周低, 山地丘陵高, 平原盆地低, 平均值分別為0.087, 0.094, 0.092, 0.081, 0.083;C值直接反映植被覆蓋情況, 與植被覆蓋度成反比, 植被覆蓋度越高,C值越小, 因此鄱陽湖流域表現為山地的植被覆蓋情況比平原植被覆蓋情況好, 整體上2015年植被覆蓋度達到最高, 2005年植被覆蓋度達到最低． 流域2000-2019年5個時期水土保持措施因子P的均值分別為0.386 9, 0.387 0, 0.386 6, 0.379 5, 0.378 0．

利用RUSLE模型計算得到研究區2000-2019年5個時期的土壤侵蝕模數, 根據水利部2008年發布的《土壤侵蝕分類分級標準》, 得到研究區5個時期的微度、 輕度、 中度、 強烈、 極強烈和劇烈6個侵蝕等級的土壤侵蝕分布圖, 如圖3所示．

圖3 鄱陽湖流域5個時期土壤侵蝕模數分布圖

由圖3得知, 2000-2010年各時期鄱陽湖流域西北部、 東北部及南部山地丘陵地區發生較強的土壤侵蝕, 而且呈現增強的趨勢, 同時流域中部的平原盆地地區土壤侵蝕也在逐漸增強, 分析其原因可能是降雨侵蝕力的增加和逐年水土流失加劇導致的泥沙淤積, 引發平原盆地地區發生洪澇災害, 反作用于土壤侵蝕作用． 2015年與2019年流域中發生較強土壤侵蝕的地區的情況有所好轉, 但流域東部地區土壤侵蝕依然較為嚴重．

3.2 土壤侵蝕強度時空分布特征

研究區2000-2019年5個時期的平均土壤侵蝕如圖4所示, 呈現“增加—減少”的趨勢, 根據國家標準, 可以判定鄱陽湖流域整體上的土壤侵蝕強度為輕度, 但相較南方紅壤丘陵區容許土壤流失量500 t/(km2·a)的標準, 研究區內水土流失較為嚴重． 另外, 2000-2019年5個時期的平均降雨侵蝕因子分別為9 549,10 321,15 371,14 729,11 876 (MJ·mm)/(hm2·h·a), 以2010年為界點也呈現“增加—減少”的趨勢, 與各時期平均土壤侵蝕模數趨勢具有較強的一致性, 可以判斷降雨是發生土壤侵蝕的重要驅動力之一．

圖4 鄱陽湖流域5個時期平均土壤侵蝕模數

對比各侵蝕等級面積占比和土壤侵蝕總量占比(表4、 表5)可以看出, 各時期流域內的土壤侵蝕狀況整體上以微度和輕度侵蝕為主, 面積占比分別為91.12%,87.96%,86.99%,91.69%和92.84%, 微度和輕度土壤侵蝕總量占比較少, 分別為16.68%,15.16%,12.53%,12.54%和13.88%, 微度和輕度侵蝕面積及侵蝕量占比均呈現“減少—增加”的趨勢; 相反地, 流域內中度及以上侵蝕強度的面積和侵蝕量占比則呈現“增加—減少”的趨勢．

表4 鄱陽湖流域5個時期各土壤侵蝕強度等級面積統計

表5 鄱陽湖流域5個時期各土壤侵蝕強度等級侵蝕量統計

以上表明, 在2000-2010年間, 鄱陽湖流域土壤侵蝕強度不斷增強, 水土流失嚴重, 加劇河流湖泊淤積堵塞, 持續大范圍強降雨增多, 極易引發洪澇災害, 帶來生命財產安全問題, 還會加劇水土流失的發生; 同時, 2015年和2019年的降雨侵蝕力遠大于2005年和2000年, 而2015年和2019年的土壤侵蝕量卻遠小于2005年和2000年, 可以得出, 在2010-2019年各個時期鄱陽湖流域內的水土保持措施減緩了水土流失, 水土流失治理得到較大成效, 分析其原因可能是政府的調控力度加大以及人們對環境保護意識的增強．

統計結果中, 單獨從侵蝕等級的面積和土壤侵蝕總量占比情況來看, 流域內土壤侵蝕強度雖然以微度和輕度侵蝕為主, 但年土壤侵蝕量僅占總量的12.53%～16.68%; 極強烈和劇烈侵蝕的面積占比僅有2.82%～4.99%, 但年土壤侵蝕量占比卻高達51.17%～64.77%． 依此判斷, 流域內的土壤侵蝕強度兩極分化嚴重, 高侵蝕等級地區一直以來都是水土流失的主要發生地, 在對水土流失治理時應重點關注發生極強烈和劇烈侵蝕地區, 這樣才能夠大大降低鄱陽湖流域土壤侵蝕強度, 減緩水土流失現狀．

整體上, 鄱陽湖流域在2000-2019年各個時期微度及輕度侵蝕面積占比增加1.72%, 強烈及以上等級侵蝕面積占比下降0.51%; 2019年流域土壤流失總量較2000年有所減少, 但微度及輕度土壤侵蝕量占比降低2.80%, 極強烈和劇烈土壤侵蝕量占比增加9.90%．

3.3 土壤侵蝕強度影響因素相關性分析

3.3.1 土壤侵蝕與海拔的相關性

將鄱陽湖流域DEM數據按<100, [100, 200), [200, 300), [300, 400), [400, 500), [500, 700), [700, 900), [900, 1 300), ≥1 300 m 9個海拔等級劃分, 通過分析研究區內不同海拔等級年均土壤侵蝕模數的變化情況(圖5)可知, 在各個時期, 不同海拔等級內土壤侵蝕強度的變化趨勢基本一致, 整體上處于微度及輕度侵蝕的強度等級． 從不同海拔等級來看, [100, 200) m是低海拔地區里土壤侵蝕強度最大的區域, 平均侵蝕模數達到了1 330.15 t/(km2·a); 隨著海拔逐漸升高, 土壤侵蝕強度開始逐漸變小, 其中2005年和2010年在[400, 500) m地區平均侵蝕模數達到最低, 其他時期在[700, 900) m地區達到最低; 在>900 m的高海拔地區, 土壤侵蝕強度開始急劇增加, 2010年達到歷史最高2 913 t/(km2·a)． 總體來說, 鄱陽湖流域土壤侵蝕強度在<200 m的低海拔地區要遠高于200～900 m的海拔地區, 而>900 m的高海拔地區土壤侵蝕強度會隨著海拔的升高快速增加． 河水交匯的低海拔平原地區和高海拔地區是鄱陽湖流域土壤侵蝕防治的重點區域．

圖5 鄱陽湖流域不同海拔平均土壤侵蝕模數

通過分析發現, 產生上述空間分布差異的原因可能包括以下幾個方面． ① 海拔<200 m的區域大部分為平原地區, 在200 m左右的地區主要是平原和丘陵的交界地帶, 其中河流匯流且多發, 由于鄱陽湖流域的季風氣候特征, 降水豐富, 強度大, 因此流域出口的流量中地面徑流占比高于地下徑流占比, 在此流量猛漲猛落的變化過程中, 易形成洪水, 進而發生水土流失現象． ② 結合DEM數據和坡度數據統計可知, 海拔在200～900 m之間的山地丘陵地區海拔變化小, 坡度小, 坡面徑流較弱, 對土壤剝蝕能力較小; 而在海拔>900 m的地區, 海拔變化大, 坡度大, 坡長坡度因子LS值大, 坡面徑流強, 對土壤剝蝕能力大． ③ 不同海拔等級的土地利用類型也決定了土壤侵蝕強度空間分布差異, 在平原地區大多為農田耕地, 而在海拔較高的山地丘陵多為灌木樹林, 后者的水土保持能力要遠大于前者, 因此在海拔<900 m的地區, 高海拔發生的土壤侵蝕強度要比低海拔弱．

3.3.2 土壤侵蝕與坡向的相關性

坡向也是土壤侵蝕與地形因子關系研究中需要重點分析的因素之一, 通過計算, 得出2000-2019年各個時期研究區在不同坡向(北、 東北、 東、 東南、 南、 西南、 西、 西北)的平均土壤侵蝕模數, 如圖6所示． 從各個年份來看, 不同坡向的平均侵蝕模數變化趨勢從大到小均為: 2010年、 2005年、 2015年、 2000年、 2019年, 表明在長時間內, 不同坡向對土壤侵蝕的影響程度是持續而穩定的． 從各個坡向的平均侵蝕模數來看, 各個時期平均土壤侵蝕模數的最大值均為東北朝向的區域, 平均值為1 279.92 t/(km2·a), 最小值均為西南朝向的區域, 平均值為910.76 t/(km2·a)．

單位: t/(km2·a)圖6 鄱陽湖流域不同坡向平均土壤侵蝕模數

總體上看, 研究區內偏東北朝向區域的侵蝕模數大于偏西南朝向區域的侵蝕模數, 可能是由降雨和地形因素共同造成． 氣候特點和海陸分布決定了我國降水從東南沿海向西北內陸遞減的特點, 因此鄱陽湖流域內的降水量由東南逐漸向西北減少, 同時受流域內的地形影響, 迎風坡比背風坡的降雨量大, 導致山地丘陵的降雨量東南向比西北向大, 而南高北低的地形, 則有利于水源向北匯聚, 使流域內土壤侵蝕強度從單獨坡向上表現為東北向侵蝕強度大于西南向, 從多個坡向上則表現為東北、 東、 東南向上的土壤侵蝕強度大于西北、 西和西南向． 更易發生土壤侵蝕則代表山體滑坡和泥石流發生的可能性更大, 因此, 在山地水土流失的治理上要更加注重東北向地區的水土保持規劃和實施, 對一些建筑進行更科學地選址, 以免影響生命財產安全．

4 總結

本研究基于RUSLE模型和GIS對鄱陽湖流域的土壤侵蝕因子及土壤侵蝕模數空間分布進行了研究, 結果表明, ① 2000-2010年各個時期鄱陽湖流域西北部、 東北部及南部山地丘陵地區發生較強的土壤侵蝕, 而且呈現增強的趨勢, 同時流域中部的平原盆地地區土壤侵蝕也在逐漸增強． 2015年和2019年, 鄱陽湖流域土壤侵蝕情況好轉, 特別是流域西北部及贛南丘陵地區． ② 2000-2019年研究區內的土壤侵蝕狀況整體上以微度和輕度侵蝕為主, 侵蝕面積及侵蝕量占比均呈現“減少—增加”的趨勢; 反之, 中度及以上強度的侵蝕面積占比及侵蝕量占比則均呈現“增加—減少”的趨勢． 流域內的土壤侵蝕強度兩極分化嚴重, 在對水土流失治理時應更加重點關注發生極強烈和劇烈侵蝕的地區, 能夠大大降低鄱陽湖流域土壤侵蝕強度． ③ 研究區內的土壤侵蝕強度與海拔、 坡向2個地形因子關系密切, 且在海拔及坡向上的分布具有一定的穩定性． 在[100, 200) m海拔區域平均土壤侵蝕模數最大, 隨海拔的升高土壤侵蝕強度逐漸減弱, 并在>900 m的區域又急劇增加, 這與區域內海拔及坡度變化強度、 地表徑流強度等因素相關; 從坡向來看, 研究區內各時期的土壤侵蝕強度均表現為偏東北朝向區域的侵蝕強度大于偏西南朝向． 日后應加強對鄱陽湖流域平原與丘陵交界處及高海拔地區的治理, 同時增強對山地丘陵偏東北向地區的水土保持措施．