基于生態功能分區的沱江流域土壤侵蝕研究

鐘旭珍， 劉馨悅， 姚 坤， 王麗霞， 門雷雷

1. 內江師范學院 地理與資源科學學院，四川 內江 641100；2. 西昌學院 資源與環境學院，四川 西昌 615000；3. 長安大學 地質工程與測繪學院，西安 710054；4. 中煤科工集團北京土地整治與生態修復科技研究院有限公司，北京 100013

生態功能區劃的基礎是對生態系統目標的客觀認識和對自然規律及人類活動關系的全面考察，它利用生態學原理和方法，揭示不同自然區域表現出的相同點以及不同點，使區域得到環境保護和資源可持續開發[1]．土壤侵蝕是指發生在外營力作用條件下的土體遷移過程[2]．土壤侵蝕嚴重影響了工農業的正常發展，造成土壤肥力下降，致使生態環境惡化，破壞了水利交通工程設施等[3]．目前全球土壤侵蝕形勢嚴峻，我國土壤侵蝕現狀也不容樂觀，有研究表明我國土壤侵蝕面積高達32%．研究土壤侵蝕的原因和演變規律，有效地進行防治，保護生態環境已經成為全球關注的焦點[4]．

目前，學術界對土壤侵蝕的研究已經取得了豐碩的成果，提出了通用侵蝕方程(USLE)[5-8]、修正通用方程(RUSLE)[9-11]、水蝕預報模型(WEPP)[12-13]和中國土壤流失方程(CSLE)[14-15]等眾多計算模型．然而，由于不同區域間的復雜性和特殊性以及研究方法的多樣性，特別是針對屬于丘陵地形的沱江流域，仍然存在一些問題需要進一步探索，例如：對單一尺度的土壤侵蝕研究較多，而對不同尺度土壤侵蝕的空間演變及其侵蝕規律的差異性研究較少；對土壤侵蝕較為典型的地區研究較多，而對丘陵、坡耕地等地區的土壤侵蝕研究較少；對土壤侵蝕的單一研究較多，而對將其與其他學科結合的研究較少等．

《四川水土流失綜合治理藍圖繪就》中將沱江流域劃定為國家級水土流失重點治理區，沱江流域位于西部經濟實力最強大的國家級經濟技術開發區——成渝經濟區內部，具有重要的國家戰略地位，也是長江上游重要生態屏障最大的環境風險帶．目前，極少有人研究沱江流域的水土流失，更沒有人基于生態功能分區研究其土壤侵蝕分布狀況，因此，從生態功能分區的角度，探討沱江流域(下文可稱為研究區)土壤侵蝕的成因和分布規律，可以為土壤侵蝕研究提供一個新的范式．明確沱江流域的生態功能和生態環境問題，有利于了解流域內土壤侵蝕的狀況，改善沱江流域的生態環境，為四川省對該國家級水土流失重點治理區的防治工作和生態功能的保護提供理論支撐，推動區域自然環境與社會經濟協調共生，促進可持續發展．

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

沱江流域位于長江上游，四川省中部，西邊與岷江流域相鄰，東邊與涪江流域相接，經緯度范圍為28°53′N-31°36′N和103°38′E-105°50′E，總面積約2.79萬km2．流域形狀瘦長，流經綿陽、德陽、成都、遂寧、簡陽、內江、自貢、瀘州等城市；其北部上游是崎嶇山區，中游是廣闊平原，下游進入低山丘陵；流域地勢由西北向東南傾斜，起伏較??；流域內森林覆被率僅6.1%，為四川各河域中最低者．近年來，由于以城市化為主的人類經濟社會活動影響的加劇，氣候變化以及人口增長，引發了植被退化、水土流失等一系列生態問題[16]，開展基于生態功能分區的沱江流域土壤侵蝕的研究，有利于有針對性地進行沱江流域的生態整治．圖1為研究區位置圖．

審圖號：GS(2016)1605號．

1.2 數據來源

研究數據主要有：①研究區2018年1∶10萬土地利用類型矢量數據，來源于中國科學院資源環境數據云平臺(http：//www.resdc.cn)；②研究區數字高程模型(DEM)，空間分辨率30米，來源于地理空間數據云平臺；③2018年沱江流域及周邊地區28個基礎氣象站的各月累計降雨量，來源于中國氣象數據網(http：//data.cma.cn/)；④1∶100萬中國土壤數據庫，來源于中國科學院南京土壤所；⑤重要自然與文化遺產數據：包括自然保護區、文化物質遺產等，來源于四川省人民政府官網及各市人民政府官網；⑥地質災害數據，來源于地質云水工環地質信息服務平臺；⑦其他數據：研究區河流矢量圖、行政區劃界線、社會經濟要素等，來源于中國科學院資源環境科學數據中心及《四川省統計年鑒》．

2 沱江流域生態功能區劃

2.1 生態功能區劃指標體系

根據生態功能區劃的原則，在充分認識流域生態環境現狀，明確區域生態系統類型的結構與過程特征以及區域主要生態環境問題、成因及其空間分布特征等，并在閱讀相關參考文獻[17-20]的基礎上，選擇了對研究區自然人文生態環境影響大且作用程度高的土地利用類型因子、河道因子、土壤侵蝕因子、重要自然與文化遺產因子和地質災害因子等5個生態環境評價因子，制定了沱江流域生態功能區劃的指標體系(表1)，對沱江流域生態功能區進行劃分．本研究在構建生態功能區劃指標體系時，既考慮了研究區的自然環境敏感因子，也考慮了研究區的人文環境因子，將重要自然與文化遺產因子、地質災害因子加入指標體系進行生態功能區劃分，是本研究的一大特色，研究結果明確了沱江流域自然文化遺產和地質災害的重要性、敏感性和保護區域，有利于提高流域的災害防護能力及保護研究區自然文化遺產．

表1 沱江流域生態功能區劃指標體系

2.2 生態功能分區結果與分析

根據建立的指標體系，利用ArcGIS與ENVI等軟件對每個因子進行評價，并劃分出相應的生態功能區．在劃分過程中，對于具有重疊生態功能的單元主要依據生態功能的重要性原則和主導性原則進行歸并，同時結合流域界限或行政界限對重疊區域和生態功能區邊界進行調整，即當生態功能區劃邊界接近行政邊界時，應努力協調行政邊界，以確保行政區域的空間連續性，并確保行政區的綜合規劃和管理，最終將研究區劃分為了5大生態功能區，劃分結果如圖2所示．

圖2 沱江流域生態功能區劃結果

可以看出：由于耕地是沱江流域最主要的用地類型，因此農業種植區是分布最廣泛的生態功能區，主要分布于沱江流域中、下游平原和低山丘陵區，面積約為15 739.63 km2，整治重點是提高耕地質量，防止和控制土壤次生鹽堿化，合理調整農業產業結構．河道保護區主要分布在沱江3 000 m緩沖區，面積約為2 754.73 km2，沱江為長江一級支流，流域靠沿岸的工礦企業成長較快，大量未經處理的廢水排入河道，以及受生活污染、畜禽養殖污染等污染源的影響，沱江水質惡化嚴重．該區需考慮改善河流的水質和水土保持，強化水質污濁處理，同時適當構筑水生態景觀工程，開發地域特性與水生態學性相結合的旅游產業．土壤侵蝕控制區主要分布于沱江流域的西北部和中部山區，面積約為2 208.16 km2，該區地形起伏度大，土壤侵蝕敏感性較強，水土流失較為嚴重，針對該區要提高植被覆蓋率，不斷加大水土流失治理力度，防治土壤侵蝕繼續惡化．重要自然與文化遺產保護區主要分布于成都、瀘縣、自貢市轄區及安岳縣，面積約為3 283.19 km2．該區主要是對因人類活動干擾而引起的原有價值損失進行保護，應發揮本地區的自然景觀和文化遺產優勢，依托國家級文物保護單位、歷史文化名鎮等旅游資源，有計劃地開展生態文化旅游業，要在保護現有生態資源的基礎上，創建生態保護區以及珍稀物種和植物保護區，更好地保護本地區自然文化遺產的多樣性和自然性．地質災害保護區主要分布于沱江流域東北部的綿竹市、安縣、汶川縣、都江堰市等及東南部的內江市轄區，面積約為2 538.21 km2，是崩塌、滑坡、泥石流等地質災害多發區，應識別地質災害風險，確定易發生地質災害的區域和危險區域，建立地質災害信息系統和網絡，對地質災害群體進行監測和預防，以減少災害造成的損失，保護人民的生命和財產安全．

3 基于生態功能分區的沱江流域土壤侵蝕分析

3.1 土壤侵蝕計算

土壤侵蝕是指土壤及成土母質在水力、風力、凍融或重力等外力作用下，土壤物理結構或化學成分發生破壞、搬運等過程[21]．影響土壤侵蝕的因素分為自然因素和人為因素．目前，水土流失對我國土壤環境構成重大威脅，是地球上最大的生態問題之一，四川省是全國水土流失嚴重的地區之一．研究采用的模型為修正通用土壤侵蝕方程RUSLE，該模型的表達式為

A=R·K·LS·C·P

(1)

其中A為土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)，乘以100后單位轉換為t/(km2·a)〕；R為降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K為土壤可侵蝕量〔(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)〕；LS為坡度坡長侵蝕量，C為植被覆蓋量，P為水土保持因子，LS，C，P均為無量綱．

3.1.1 降雨力侵蝕因子

降雨侵蝕力是定量評估土壤侵蝕的首要影響因子，表征降雨引起侵蝕的潛在能力，與降雨量、降雨動能、降雨歷時等因素緊密相關．研究利用Wischmeier模型完成沱江流域2018年降雨侵蝕力的計算，并采用反距離權重插值模型完成其空間插值，獲取沱江流域連續的降雨柵格表面．Wischmeier表達式為

(2)

其中R為降雨侵蝕力，Pi為月降雨量；P為年降雨量．

3.1.2 土壤可侵蝕因子

土壤可侵蝕性表征土壤對侵蝕的敏感性，是土壤抵抗侵蝕力的綜合體現，是影響土壤流失量的內在因素．土壤類型不同，K值不同．K值越大，土壤越容易受到侵蝕；K值越小，則土壤受侵蝕可能性越?。芯渴褂?∶100萬中國土壤數據，采用EPIC模型[22]完成K的計算．

(3)

3.1.3 坡度坡長因子

地貌特征會對地表徑流、植被分布和人類活動等產生明顯的影響，坡長因子L和坡度因子S是降雨侵蝕土壤的加速因子，LS常?；贒EM進行提?。狙芯坎捎梦墨I[23]提出的模型完成研究區坡長的計算，表達式為

(4)

其中

坡度因子的計算采用文獻[24]針對西南山地區進行修正的模型完成，表達式為

(5)

其中λ為坡長，θ為坡度，m為指數．

3.1.4 植被與水土保持因子

在區域土壤侵蝕的定量評價和研究中，植被是一個重要的參數．C因子表征植被覆蓋度對土壤侵蝕的抑制能力，它為無量綱參數，其值大小變化在0～1之間[25]．水土保持因子P是表示實施專門水土保持措施后的土壤流失量與未實施任何專門措施而種植時的土壤流失量之比，其值大小變化在0～1之間．研究基于區域相似性，根據相關研究成果[26-29]，結合沱江流域特征，確定沱江流域地表植被覆蓋因子C和水土保持因子P的經驗值(表2)．將不同土地利用類型的C值和P值在 ArcGIS 10.2中賦值于土地利用類型矢量圖中，然后轉為柵格數據，得到流域植被覆蓋因子圖和水土保持因子柵格圖．

表2 沱江流域各土地利用類型的CP因子賦值

3.1.5 沱江流域土壤侵蝕結果

研究將R，L，S，K，C和P各因子圖層設置同一投影坐標Albers_Conic_Equal_Area，像元大小為30 m×30 m，然后采用ArcGIS 10.2柵格運算，將上述各因子柵格圖層相乘，得到土壤侵蝕模數(t/(hm2·a))空間分布圖，再乘以系數100，轉換單位為t/(km2·a)．根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)規定的分級指標[30]，即微度侵蝕為<500 t/(km2·a)；輕度侵蝕為500～2 500 t/(km2·a)；中度侵蝕為2 500～5 000 t/(km2·a)；強度侵蝕5 000～8 000 t/(km2·a)；極強度侵蝕為8 000～15 000 t/(km2·a)；劇烈侵蝕為≥15 000 t/(km2·a)．對沱江流域土壤侵蝕柵格圖進行分類，得到沱江流域2018年土壤侵蝕強度等級圖(圖3)和2018年土壤侵蝕強度分級表(表3)．

表3 沱江流域2018年土壤侵蝕強度分級柵格統計

圖3 沱江流域2018年土壤侵蝕強度等級及生態功能區分布圖

從圖3和表3可看出：目前沱江流域土壤侵蝕現狀主要是微度侵蝕和輕度侵蝕，分別占研究區面積的76.42%和18.62%，主要分布在流域低矮的平原和丘陵區；各等級侵蝕柵格數從大到小排序為微度、輕度、中度、強度、極強度、劇烈．中度侵蝕區主要分布在灌木林地和疏林地等地區；強度和極強度侵蝕區主要分布在北部林地及中部中江、金堂及成都市轄區，呈條帶狀分布；小范圍劇烈侵蝕區呈點狀分布于沱江流域西北部，范圍大約在東經103°25′-104°10′，北緯31°5′-31°40′，主要處于坡度較陡的林地和中、低覆蓋度草地．

由此可知，沱江流域不同土地利用類型下的土壤侵蝕強度差異明顯．流域中部、西北部草地林地覆蓋區多處于強度侵蝕及以上土壤侵蝕等級，流域中部、東南部旱地利用區多屬于中度及以下土壤侵蝕等級，因此加強草地和林地這兩種土地利用類型的合理規劃和管理是控制沱江流域整體土壤侵蝕狀況的關鍵．

3.2 不同生態功能區內土壤侵蝕分布特征

基于生態功能區劃分結果，將5大生態功能區矢量圖層轉換為柵格圖層，分別賦值地質災害保護區、重要自然與文化遺產保護區、河道保護區、土壤侵蝕控制區、農業種植區1、2、3、4、5，將土壤侵蝕等級微度、輕度、中度、強度、極強度、劇烈分別賦值為1、2、3、4、5、6，將沱江流域生態功能分區柵格圖和土壤侵蝕等級圖進行疊加分析，方法是ArcGIS 10.2空間分析中的邏輯運算“組合與”，得到沱江流域不同生態功能區下不同等級土壤侵蝕分布情況(表4)．

由表4及圖3可知，生態功能區與土壤侵蝕分布關系密切，不同生態功能區內的土壤侵蝕分布差異明顯．從空間分布來看，農業種植區覆蓋了大部分微度、輕度土壤侵蝕等級，土壤侵蝕控制區主要分布強度以上土壤侵蝕等級．從數量分布來看，縱向上，除土壤侵蝕控制區和地質災害保護區外，其他幾個生態功能區內分布的土壤侵蝕等級柵格數量均從微度到劇烈逐漸減少；由于地質災害保護區主要分布于沱江流域東北部的綿竹市、安縣、汶川縣等以劇烈侵蝕為主的地區，因此該功能區內的劇烈侵蝕數量較多．橫向上，相比其他幾個生態功能區內同等級的土壤侵蝕，農業種植區內的微度和輕度土壤侵蝕等級柵格數量是同等級中最多的；而土壤侵蝕控制區內的微度侵蝕柵格數量是最少的，極強度和劇烈侵蝕數量是最多的，這表明土壤侵蝕控制區內土壤侵蝕較嚴重，應著重加強其水土保持工作，防治土壤侵蝕繼續惡化；重要自然與文化遺產保護區內的極強度和劇烈侵蝕數量是同等級中最少的，沒有劇烈侵蝕地區，以微度和輕度侵蝕為主；河道保護區內土壤侵蝕也以微度、輕度為主．總體上土壤侵蝕控制區和地質災害保護區應該著重進行土壤侵蝕的治理和地質災害的防護，其他幾個生態功能區以微度、輕度侵蝕為主，應著重發揮或保護其生態功能，最終達到土壤侵蝕的治理和生態功能的發揮協調可持續發展的雙贏目標．

表4 沱江流域不同生態功能區下不同等級土壤侵蝕分布狀況 /個

4 結論與討論

研究運用RS和GIS技術，選取環境敏感因子，建立生態功能區劃指標體系，對環境因子進行評價，劃分出對應的生態功能區，選用RUSLE模型計算研究區的土壤侵蝕，測評和分析了不同生態功能分區內土壤侵蝕的分布特征，主要結論為：

1) 沱江流域劃分為5大生態功能區，分別為農業種植區、河道保護區、土壤侵蝕保護區、重要自然與文化遺產保護區和地質災害保護區．

2) 目前沱江流域土壤侵蝕以微度和輕度侵蝕為主，分別占研究區面積的76.42%和18.62%．流域不同土地利用類型下的土壤侵蝕強度差異明顯，中部、西北部草地林地覆蓋區多處于強度及以上土壤侵蝕等級，中部、東南部耕地利用區多屬于中度及以下土壤侵蝕，因此加強草地和林地這兩種土地利用類型的合理規劃和管理是控制沱江流域整體土壤侵蝕狀況的關鍵．

3) 生態功能區與土壤侵蝕分布關系密切．土壤侵蝕控制區和地質災害保護區內的土壤侵蝕問題較為突出；其他幾個生態功能區均以微度、輕度侵蝕為主，土壤侵蝕等級柵格數量均從微度到劇烈逐漸減少．可根據不同生態功能區內土壤侵蝕分布特征，決定其主要進行水土流失治理還是發揮相應生態功能，實現環境治理和生態功能的協調可持續發展．

4) 研究以生態功能分區為背景進行土壤侵蝕測評分析，打破了傳統的以行政區劃為背景的研究，將生態功能區與土壤侵蝕有機結合起來，分析研究區不同生態功能背景下的土壤侵蝕空間分布特征，研究結果可為相關部門對具有不同生態功能的地區進行針對性的生態環境整治提供科學依據．需要指出的是，基于生態功能分區的土壤侵蝕研究處于探索性階段，還存在一些問題需要深入思考和完善．如：①生態功能分區需要考慮的因素較多，研究方法也多樣，文章針對性地選取區域生態環境敏感因子構建指標體系，相關研究中，如何針對不同地區，建立科學合理的生態功能分區指標體系仍是研究難點之一；②分區指標閾值界定及技術實現問題，針對不同地區確定指標閾值需考慮區域差異性；③生態功能分區與土壤侵蝕研究具有交叉性，如何更加準確地分析和探討不同生態功能區內土壤侵蝕的分布規律和成因以及整治措施，是有待進一步研究的問題．