基于GIS的貢山縣土壤侵蝕動態變化研究

李益敏, 袁 靜, 王東馳, 劉心知

(1.云南大學 地球科學學院, 昆明 650500; 2.云南省地理研究所, 昆明 650500)

土壤侵蝕是土體在特定時間和空間條件下的遷移過程，是世界上最重要的土地退化問題[1]。土壤侵蝕是最活躍、最敏感的生態災害之一，它可能會導致土壤肥力和質量下降、生態環境惡化、糧食減產、庫塘湖泊淤積等一系列危害，已成為制約人類生存和發展的重要因素之一[2]。隨著RS和GIS技術的發展，土壤侵蝕研究向定量化空間化的方向發展，并呈現動態變化研究應用趨勢[3-4]。國內外的學者積極地開展了土壤侵蝕時空演變研究以反映區域土壤侵蝕在地理空間上的變化趨勢。范建容等[5]基于GIS空間分析功能,開展了四川省李子溪流域土壤侵蝕動態變化研究,探討了土壤侵蝕動態變化與土地利用變化的關系、侵蝕強度動態變化與侵蝕量變化的關系。信忠保等[6]利用GIS技術分析了黃土高原近50 a來土壤侵蝕的時空變化特征，揭示了降水減少和人類活動是黃土高原輸沙強度減弱的重要原因?；贕IS，RS和RUSLE 模型，Alexakis等[7]分析了塞浦路斯Yialias流域土壤侵蝕速率的變化。史彥林[8]以GIS為平臺，利用土壤侵蝕模型分析了饒河縣土壤侵蝕的變化情況。Teng等[9]利用遙感影像的可見光—近紅外光譜特征得到了土壤可蝕性因子K，并基于土壤侵蝕模型(RUSLE)對澳大利亞土壤侵蝕的時空演變規律進行研究。目前，土壤侵蝕動態變化研究已經成為水土保持領域的研究熱點之一[10]，然而，針對高山峽谷地區的研究相對較為缺乏[11]。貢山縣屬于典型的高山峽谷地貌，生態環境脆弱，自然災害頻發，土壤瘠薄，加之氣候變化的影響，導致貢山縣水土流失情況較為嚴重[12]，因此，對貢山縣土壤侵蝕的時空演變規律進行分析是必要的，可為該區域的水土保持工作和可持續發展提供重要的理論依據和數據支持?；诖?，本文利用RUSLE模型，開展貢山縣1996—2018年土壤侵蝕強度的時空動態變化特征研究，旨在為貢山縣今后水土流失治理和生態環境建設提供科學依據。

1 研究區概況

貢山獨龍族怒族自治縣(下文稱貢山縣)隸屬云南省怒江傈僳族自治州，位于云南省西北部，地理坐標為東經98°08′—98°56′，北緯27°29′—28°23′，下轄2鎮3鄉，東鄰德欽縣、維西傈僳族自治縣，西部和西南部與緬甸接壤，南連福貢縣，北接西藏自治區察隅縣。全縣面積4 506 km2，國境線長達172.08 km，貢山縣屬北亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14.8℃，雨量充沛，年降雨量為2 700～4 700 mm。貢山縣土壤和植被的垂直地帶性明顯，土壤類型多樣，多為自然土和黑泥土，還有部分棕泥土及黑泡土，植被類型復雜多樣，森林覆蓋率為77.2%，森林面積達3 478 km2，貢山縣地勢呈“三山夾兩江”高山峽谷地貌，地質構造復雜，地形起伏大，最高海拔5 128 m，最低海拔1 170 m，海拔高差達3 958 m。全縣共有大小河流42條，碧羅雪山、高黎貢山和怒江、獨龍江縱貫貢山縣境內，地勢險陡，天然落差大，水能資源極為豐富，年徑流量577億m3，總徑流量達84.5億m3。

2 試驗材料與方法

2.1 模型選擇

美國農業部于1997年在通用水土流失方程USLE基礎上改進的修正通用土壤流失方程RSULE模型，因其需要參數少，形式簡單靈活，參數獲取方便并且評價土壤侵蝕的各種影響因素較為全面而得到世界各地的普遍使用。與USLE模型相比，RUSLE模型在眾多方面得到了改進，例如：填補了之前數據的空白，數據來源不再單一，能夠模擬不同的系統等[13]。RUSLE模型在我國西南山區已有較長時間應用，適用性已得到有效驗證[14]，因此本文選取RUSLE模型進行研究區土壤侵蝕的量化，公式為：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中:A為由于降雨及其徑流作用于坡面使其出現細溝或細溝間發生侵蝕所產生的土壤年平均侵蝕量[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)];LS為坡長和坡度因子,無量綱；C為植被覆蓋和管理因子,無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱

2.2 數據源及預處理

論文分析所用數據包括1996年、2006年、2012年、2018年日降雨量數據(來源于云南省氣象臺)；土壤屬性和土壤類型數據通過HWSD查詢砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量和有機碳含量得到；由地理空間數據云平臺下載得到DEM數據和貢山縣1996年、2006年、2012年、2018年4個時期的Landsat TM遙感影像，對獲取的DEM數據根據貢山縣矢量邊界進行裁剪，Landsat TM遙感影像空間分辨率為30 m×30 m,影像時間為10—12月，每景影像的含云量均小于5%，數據質量較好，并利用ENVI 5.3軟件對遙感影像進行輻射定標、FLAASH大氣校正、圖像增強、圖像鑲嵌和裁剪等處理。NDVI由遙感影像反演獲得，土地利用類型數據由遙感影像目視解譯提取得到。

2.3 RUSLE各因子的確定

2.3.1 降雨侵蝕力因子 降雨產生土壤侵蝕主要是通過雨滴濺落對土壤顆粒的沖擊和地表徑流的搬運作用而產生的,它是引起土壤侵蝕最重要的外部驅動因素。降雨侵蝕力因子(R)是評估區域降雨引起土壤分離和搬運的動力指標[15]。章文波等[16]通過大量的對比分析發現基于日雨量計算多年平均降雨侵蝕力的精度最高。因此，本文根據日降雨量數據采用半月逐日雨量模型計算降雨侵蝕力，模型表達式如下：

(2)

(3)

α=21.586β-7.1891

(4)

式中:Rj為第j個半月時段的降雨侵蝕力值[(MJ·mm)/(hm2·h·a)];Pi為半月時段內第i天的侵蝕性日降雨量(mm),模型中要求Pi≥12，否則Pi值計入0;K為該半月時段內的天數；α，β均為模型待定參數。Pd12為日降雨量≥12 mm時的日均降雨量；Py12為日降雨量≥12 mm時的年均降雨量?；⑿蹗彽萚17]通過對5種空間數據插值方法進行對比與分析發現，協同克里金法考慮了地形高程對降雨量的影響,因而更適合貢山縣高山峽谷地區降雨數據的空間插值，具有更好的插值效果。因此，本文將各雨量站點收集到的貢山縣日降雨數據代入公式(2)計算出各站點的降雨侵蝕力R,然后使用協同克里金插值法得到貢山縣1996年、2006年、2012年、2018年4個時期降水侵蝕力R的空間分布圖(圖1)。

圖1 1996-2018年貢山縣降雨侵蝕力因子空間分布

2.3.2 土壤可蝕性因子 土壤可侵蝕因子(K)可以反映土壤被降雨侵蝕力剝蝕和搬運作用的敏感程度，也可以評價土壤是否易受侵蝕營力的破壞，是土壤性質中的一個重要因子[18]。土壤可侵蝕因子K值越大，表明土壤更易受到侵蝕[19]。K值的估算方法較多,最常用的有通過天然小區直接測定、作物模型(EPIC模型)、中值粒徑法。本文因研究區域較小，且已獲取到研究區的砂礫、粉粒、黏粒和有機碳的含量，故采用被廣泛用來進行K值計算的Williams等[20]在EPIC模型中的估算方法,該方法由蔡崇法等[21]在小流域進行應用研究，其公式為:

(5)

式中：Wd為土壤砂粒含量(%)；Wi為土壤粉粒含量(%)；Wt為土壤黏粒含量(%)；Wc為土壤有機碳含量(%)，其中：

(6)

通過公式(5)—(6)計算不同土壤類型的K值，其單位為(t·hm2·h)/(MJ·hm2·mm),然后利用GIS空間屬性賦值功能給各種土壤類型賦予相應的K值，得到研究區土壤可蝕性因子K的空間分布圖(圖2A)。

2.3.3 坡長坡度因子 地形因子(LS)包含斜坡長度因子L和坡度因子S，是影響土壤侵蝕強度的重要因素，其中坡度的影響最大。我國西南土石山區山高坡陡、地形復雜，大部分區域存在25°以上的坡地，甚至有些坡耕地的坡度已達到45°[22-23]。因此根據貢山縣坡度大于25°的區域占比面積較大的特點，借鑒劉斌濤等[24]提出的適用于西南土石山區土壤流失方程坡度因子計算公式：

(7)

式中：S為坡度因子；θ為坡度(°)。

采用Wischmeier等[25]提出的經驗公式估算坡長因子L值，計算公式為：

(8)

式中:λ為水平投影坡長;22.13為標準小區的坡長;m為可變的坡長因子指數,不同的坡度選取不同的m值，其中θ≤1°時m=0.2，1°<θ≤3°時m=0.3，3°<θ≤5°時m=0.4；θ>5°時m=0.5。由公式(7)—(8)得到LS分布圖(圖2B)。

圖2 貢山縣土壤可侵蝕因子和坡長坡度因子空間分布

2.3.4 植被覆蓋與管理因子 植被覆蓋與管理因子(C)是指在一定植被覆蓋和管理措施條件下土壤流失量與同等條件下適時翻耕、連續休閑對照地上土壤流失量之比[26],屬于無量綱數,其值為0～1。植物根系對土壤有固著作用，因此，植被覆蓋度越高的地區，越不容易發生土壤侵蝕[27]。目前主要有3種方法來確定C值：小區試驗法、經驗法和基于植被覆蓋度的遙感數據定量估算法。本文采用蔡崇法等[21]的算法來計算植被覆蓋與管理因子C,其計算公式如下：

(9)

(10)

式中：C為植被覆蓋因子；f為植被覆蓋度；NDVI為歸一化植被指數。

2.3.5 水土保持措施因子 水土保持措施因子(P)是指在一定水土保持措施的作用下產生的土壤侵蝕量與對應未采取保持措施的土壤侵蝕量之比，其值為0～1，0代表基本不發生土壤侵蝕；1表示未采取水土保持措施或措施完全失效，土壤侵蝕十分嚴重。本文基于彭建[28]、張巖[29]等對山區土壤侵蝕研究基礎上,參照其他學者的研究成果[30-31],對研究區不同土地利用類型的水土保持措施因子P進行賦值(表1)。在ArcGIS中計算得到研究區CP因子的空間分布圖(圖3)。

表1 不同土地利用類型的P值

圖3 1996-2018年貢山縣植被覆蓋與水土保持措施因子(CP)空間分布

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕強度的時間變化

運用ArcGIS柵格空間分析中的地圖代數功能對上述各因子計算結果進行疊加運算，得到貢山縣的土壤侵蝕模數分布圖，并根據我國《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)[32]進行重分類制圖，得到貢山縣1996年、2006年、2012年、2018年土壤侵蝕模數圖(圖4)。由圖4可知，4個時期大部分區域為輕度侵蝕，土壤侵蝕模數為500～2 500 t/(km2·a)，其余部分以微度侵蝕為主，為0～500 t/(km2·a)，侵蝕模數很小，為無明顯侵蝕區域;強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕占比非常小。通過GIS統計分析，獲得1996年、2006年、2012年和2018年貢山縣土壤侵蝕模數的平均數值和植被覆蓋率(圖5)。由圖5A可知，研究區1996年、2006年、2012年和2018年年均土壤侵蝕模數分別為1 627.39,750.80，831.82,788.25 t /(km2·a)?？傮w來說，1996—2018年貢山縣年平均土壤侵蝕模數下降趨勢明顯，土壤侵蝕狀況得到很大的改善。

植被覆蓋率基本上都是從同一時期的TM影像數據中獲得的，因此，可以客觀地反映一些問題。由圖5A—B可知，1996—2006年，土壤侵蝕模數明顯下降而植被覆蓋率增加了4.63%，這與云南省2002年全面啟動退耕還林等政策有關；2006—2012年土壤侵蝕模數小幅度上升，同時，植被覆蓋率有微弱下降的趨勢；2012—2018年土壤侵蝕模數下降，植被覆蓋率卻大幅度增加8.7%，這與云南省自2012年起實施陡坡地生態治理項目以及2014年啟動新一輪退耕還林等政策有關。比較圖5A—B,發現土壤侵蝕模數與植被覆蓋率有關，植被覆蓋率越高的地區，越不容易發生土壤侵蝕。

圖4 1996-2018年貢山縣土壤侵蝕模數

圖5 1996-2018年貢山縣土壤侵蝕模數和植被覆蓋率

對研究區土壤侵蝕模數>500 t/(km2·a)的區域進行面積統計，得到4個時期不同侵蝕強度的侵蝕面積與百分比的變化情況(表2—3)。結果顯示：1996—2018年22 a間土壤侵蝕面積減少了25.74%，總體呈現下降趨勢，說明土壤侵蝕狀況明顯趨于好轉。并且輕度侵蝕呈明顯下降趨勢，面積由1996年的2 475.84 km2(占比58.98%)減少到2018年的1 562.92 km2(占比37.23%),降幅達到36.87%，強度侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕總體上也均呈現下降趨勢。

3.2 土壤侵蝕強度的空間動態變化

從4期土壤侵蝕分布圖(圖4)可知，微度和輕度侵蝕呈現連續塊狀分布的特征，貢山縣每個鄉鎮均有大面積分布，中度侵蝕主要分布于獨龍江鄉和茨開鎮，強度及以上土壤侵蝕主要發生于怒江和獨龍江沿河兩岸，對比觀察土壤可蝕性因子K的分布圖，可發現該區域K值也較大，因此，該區域土壤類型易發生土壤侵蝕，再加上降雨量充足，使得該區域土壤侵蝕較為嚴重，是水土保持治理的重點區域。

表2 貢山縣1996-2018年土壤侵蝕面積變化 km2

表3 貢山縣1996-2018年土壤侵蝕面積百分比變化 %

分別對1996—2018年4個時期各侵蝕等級的面積數據進行統計，得到研究區土壤侵蝕強度轉移矩陣(表4—6)：3個時段內分別有75.81%，95.69%，67.09%左右的區域侵蝕強度未發生變化，1996—2006年期間有18.63%區域侵蝕減輕，6.11%區域發生惡化，2012—2018年有26.41%的區域向低侵蝕等級轉移，6.50%的區域向高侵蝕等級轉移，土壤侵蝕發生惡化的面積明顯低于侵蝕狀況得到改善的區域，說明研究區的水土保持措施得當，貢山縣整體的侵蝕狀況已逐步得到控制。但是2006—2012年不僅沒有區域侵蝕減輕，反而有4.31%區域發生惡化，說明土壤侵蝕有輕微惡化的趨勢。從總的變化趨勢來看，3個時間段內微度、輕度和中度侵蝕向強度及以上侵蝕等級的轉化率非常低，均在1.91%以下，說明研究區近22 a來土壤侵蝕并不嚴重。

表4 1996年、2006年貢山縣土壤侵蝕強度轉移矩陣 km2

表5 2006年、2012年貢山縣土壤侵蝕強度轉移矩陣 km2

表6 2012年、2018年貢山縣土壤侵蝕強度轉移矩陣 km2

3.3 不同坡度土壤侵蝕強度的空間分布

地形是影響土壤侵蝕的重要因素之一，其中坡度的大小對土壤侵蝕的影響最大[33]。將坡度劃分為0°～15°,15°～25°,25°～35°,35°～50°,>50°共5個等級,通過ArcGIS空間疊置分析功能得到不同坡度條件下各土壤侵蝕等級的分布情況(表7)，結果表明：貢山縣不同等級的土壤侵蝕在不同坡度范圍的分布特征差異明顯。4個時期的微度侵蝕均主要分布在15°～25°和25°～35°；輕度侵蝕主要分布在25°～35°和35°～50°；中度侵蝕和強烈侵蝕主要分布在25°～35°和35°～50°；極強烈侵蝕主要分布在35°～50°和>50°；劇烈侵蝕主要分布在25°～35°和35°～50°。研究區22 a來土壤侵蝕強度與坡度大小有明顯的正相關關系，整體表現為坡度越大，越容易被剝蝕，土壤侵蝕等級越高，特別是在坡度大于25°時，土壤侵蝕等級呈明顯加速趨勢，土壤侵蝕面積增加。

表7 貢山縣不同年份不同坡度土壤侵蝕面積

4 結 論

(1) 在整個研究期內，貢山縣土壤侵蝕模數經歷了先明顯下降后稍有上升，然后再下降的變化過程，1996—2018年22 a間土壤侵蝕模數下降趨勢明顯，降幅為51.56%，植被覆蓋率上升12.9%，總體上土壤侵蝕狀況趨于好轉，尤其是強度、極強度和劇烈侵蝕區面積下降明顯。這與云南省大力實施退耕還林和生態修復等政策緊密相關。

(2) 貢山縣4個時期的土壤侵蝕以微度和輕度侵蝕為主，均占研究區侵蝕總面積89.4%以上，土壤侵蝕較為嚴重的區域是怒江和獨龍江沿河兩岸，主要發生強度及以上的土壤侵蝕，今后應將怒江和獨龍江沿河兩岸作為水土保持治理的重點區域，改善生態環境，控制水土流失。

(3) 通過土壤侵蝕強度等級轉移矩陣可知，微度和輕度侵蝕變化率較小，并且高侵蝕等級向低侵蝕等級轉換的比率均高于低侵蝕等級向高侵蝕等級轉換的比率，說明自2002年以來貢山縣全面啟動的退耕還林政策實施效果較好，侵蝕區域得到了治理，生態環境有了明顯的改善。

(4) 坡度在地形因子中對土壤侵蝕影響最大，坡度越陡，水土流失便越嚴重，并且當坡度大于25°時，土壤侵蝕等級呈明顯的加速趨勢，表明在土壤侵蝕過程中存在25°的臨界坡度值。坡度在25°～50°的區域侵蝕強度大，侵蝕等級高，因此，今后貢山縣應特別加強該區域的水土流失防治措施，這將大大減少土壤侵蝕面積和土壤侵蝕總量。