耦合RUSLE模型多源數據江西省水土流失風險評價

鄢為星

（江西鴻溢水利工程有限公司，江西 南昌 330000）

1 研究區描述

江西位于中國東南腹地，介于113.57～118.484°E、24.487～30.078°N，總面積16.69 萬km2。該地屬江南丘陵地形，中北部為鄱陽湖平原、西北為幕阜山，南部為井岡山、武夷山等山系，地形破碎崎嶇、地貌景觀紛雜，海拔介于0-2 108 m。受副熱帶高壓帶影響，區域形成亞熱帶濕潤季風氣象，年均氣溫14℃-18℃、年降水量1 341-1 943 mm，其中月65%降水量集中于5-9 月，具有降雨強度大、歷時長特點。地帶性植被為常綠闊葉林，但現存植被多為次生馬尾松、經果林等，具有植被類型單調、多樣性差的特點。典型土壤為紅壤，其質地黏重、飽水滯水、易匯聚而發生溝壑和面狀侵蝕。

2 研究方法

2.1 RULSE模型及其參數率定方法

本研究利用通用水土流失方程（RUSLE）開展江西地區水土流失定量評價，其數學公式為：

式中A 表示土壤流失量，單位為t/hm2·a,R 為侵蝕動力來源，即降雨侵蝕力，單位為MJ·mm/hm2·h·a,K表示土壤抗蝕能力，是土壤多種屬性的函數，單位為（t·hm2·h/hm2·MJ·mm)，LS、C 和P 則均是無量綱，依次表示地形坡度坡長因子、植被覆蓋管理因子。

鑒于RUSLE 模型是一松散概念模型，該模型在特定區域展開應用之前需進行參數率定。參照相關研究經驗，對R因子率定公式為：

式中S為坡度因子，θ 為坡度（°），L為坡長因子，λ為水平投影坡長，m為可變坡長指數。

C因子率定方式如下：

式中α、β為曲線參數，通常取值為α=2.5，β=1。

P值的率定方式為賦值法。

2.2 數據來源與處理

江西省水土流失評價所使用的數據具體如下：①GPM_IMERG 衛星降雨資料，其空間分辨率可達0.1°（約10 km），②landsat-8衛星資料衍生的NDVI產品，其空間分辨率為30×30 m；③STRM DEM產品，地面分辨率為90m；④中國土壤數據集，包含有機質、砂礫、粉粒和黏粒等土壤屬性，其空間分辨率1km×1km，數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心；⑤歐空局提供的10 m空間分辨率的土地利用類型數據，數據分辨率為10 m 像素。在定量計算區域水土流失之前，對上述資料進行如下處理：利用ArcGIS 10.5 平臺進行重投影（UTM49N)、裁剪、柵格計算等處理，最后水土流失計算的柵格單元為1 000 m。

3 結果與分析

3.1 江西省水土流失因子空間分布特征

研究區R因子值介于5 978-15 648 MJ·mm/hm2·h·a之間，省域空間平均值為8 687.63 MJ·mm/hm2·h·a，其離差系數為18.85%，觀察到高值區呈片狀自贛東向贛中延伸，局部可達9000 MJ·mm/hm2·h·a；低值區分布于贛西北和贛南，僅為6500 MJ·mm/hm2·h·a左右；R分布與降雨量具有空間一致性。K因子最高值達到0.08（t·hm2·h/hm2·MJ·mm），最低值為0.01（t·hm2·h/hm2·MJ·mm），全省平均值為0.051（t·hm2·h/hm2·MJ·mm）；高值呈小斑塊狀分布。LS因子介于0～69之間，呈現環鄱陽湖遞減分布特征，其與該地地形高程密切相關。C因子高值區呈條帶狀分布于平原、谷地地帶，而山地地區C因子較低；P因子分布與C因子具有相似性。

3.2 江西省水土流失評價結果

以3.1部分的R、K、LS、C和P因子統一數據格式和空間質量后，利用GIS 軟件的Raster Calculator 工具進行連乘，得到研究區1 km分辨率尺度上侵蝕模數分布，其柵格單位為t/hm2·a。侵蝕模數介于0～189 t/hm2·a，其空間平均值為13.56 t/hm2·a，表明江西省水土流失以輕度為主。侵蝕模數較高地區以為園地、旱地和裸地為主，一方面是這些地段植被覆蓋度且單一性，另一方面是受到人為活動影響更敏感，例如礦區開發、園地開墾、工程建設等。低侵蝕模數呈斑點狀或小塊狀分布，多位于中高山地地段，主要由于低影響開發與高植被覆蓋。

研究區水土流失強度評價則參考水利部頒布《土壤侵蝕分類分級標準》。其基于侵蝕模數將水土流失程度界定為微度（0～5 t/hm2·a）、輕度（5～25 t/hm2·a）、中度（25～50 t/hm2·a）、強烈（50～80）t/hm2·a、極強（80～150 t/hm2·a）和劇烈(＞150 t/hm2·a）等級。在此基礎上使用GIS軟件的Reclassify工具統計得到各水土流失等級的像素數。在江西省現有環境條件與人為擾動下，區域水土流失強度以整體向好為主要特征。其中微度和輕度水土流失面積占省域總面積的77.07%、15.74%，而中度、強烈、極強和劇烈侵蝕面積分布最少，其分別占縱面的4.75%、1.42%、0.70%、0.31%。在未來一定時期內區域水土流失演進相對平緩，但土壤損失來源主要來自由中度、強烈等級，因此其是區域水土保持治理重點。仍需關注的是，區域植被類型結構單一而林下植被缺失，在植被覆蓋區仍然存在一定的林下侵蝕未被有效觀測到，這是由于在飽和降雨發生了植被冠層聚集雨滴進而增加地表沖刷、濺蝕。

研究區水土流失結果與地形因子之間存在密切耦合關系，司志文等研究指出江西省水土流失空間分布受地形因子控制。為更好認識區域水土流失的地帶性差異，將LS 因子劃分為0～10、10～20、20～30、30～70 共4 個等級，統計了不同地形等級下水土流失強度面積分布。從水土流失強度分級度來看，各地形分級下的水土流失強度以微度及輕度侵蝕為主。具體地，中度、強度、極強烈、劇烈均以0-10°的緩坡分布最廣泛，分別占0-10°的緩坡區域面積的6.02%、4.00%、4.10%、3.17%。這是由于研究區以山地丘陵地形分布為主，在緩坡地區人為可達性較高，并以坡耕地和園地聚集因此水土流失風險較大；此外上緩坡地形易于地表產流、滲流，在侵蝕高強度降雨條件下的降雨地表徑流無法快速運移則極易引起下滲泥沙、泥石流或崩崗侵蝕。因此0-10°的緩坡地形區是各類侵蝕程度和強度分布的主要地形區。

4 結論

南方地區特殊氣候環境、地形景觀與普遍人為活動促使了區域典型水土流失自然過程。本研究在GIS、RS 技術的支持下，研究了江西省水土流失空間分布，結論如下：①盡管RUSLE 模型給出了水土流失定量化評估松散概念框架，但仍可運用本地化公式對各項參數進行率定，進而得到區域化侵蝕模數；②江西省土壤侵蝕模數極具空間異質性，得益于復雜的氣候、地形、植被和土壤因素綜合交互，但地形空間異質性決定了侵蝕模數分布。③江西省總體水土流失強度為輕度等級，鑒于區域頻繁水熱交換和旺盛生產力的生態背景，該地土壤流失后極難恢復，因此優化水土流失治理措施極有必要。地表景觀過程是由微氣候、地形、水文過程和植被等多要素構建的，其能準確反演侵蝕過程演替，未來可深入探究地表景觀異質性對水土流失強度影響，進而更好理解水土流失與自然環境之間關系。