廖凱濤 ，熊 晨

(1．江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029；2．江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 3．江西師范大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330022)

怒江上游地區(qū)土壤侵蝕的時(shí)空變化特征分析

廖凱濤1,2，熊 晨3

(1．江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029；2．江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 3．江西師范大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330022)

土壤侵蝕；時(shí)空變化；RUSLE模型；怒江上游地區(qū)

基于土地利用/覆蓋、DEM、土壤類型、流域降雨及MODIS-NDVI數(shù)據(jù)(時(shí)間分辨率16 d，空間分辨率250 m)，運(yùn)用修正的通用土壤流失方程RUSLE定量評(píng)價(jià)2001、2008年怒江上游地區(qū)土壤侵蝕的時(shí)空變化，結(jié)果表明：在年內(nèi)，土壤侵蝕變化與降水變化保持了較好的一致性，即最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季；土壤侵蝕強(qiáng)度在空間上差異明顯，土壤侵蝕主要發(fā)生在研究區(qū)的西北部，而在東南部則基本無侵蝕；2001—2008年怒江上游地區(qū)各縣土壤侵蝕多呈加劇趨勢(shì)，當(dāng)?shù)氐耐四吝€草和生態(tài)保護(hù)工作亟待加強(qiáng)。

土壤侵蝕是土壤及其成土母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外力作用下，被破壞、剝蝕、轉(zhuǎn)運(yùn)和沉積的全過程[1]。作為最敏感的生態(tài)致災(zāi)因子之一，土壤侵蝕是土壤退化的主要表現(xiàn)形式，其發(fā)生與降水、土壤、地形坡度、植被覆蓋和土地管理方式等密切相關(guān)[2]。嚴(yán)重的土壤侵蝕不僅會(huì)使土地生產(chǎn)力下降，還會(huì)造成河道淤積、水環(huán)境質(zhì)量下降、洪澇災(zāi)害加劇等，因而一直是生態(tài)問題研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一[3]。定量評(píng)價(jià)區(qū)域土壤侵蝕量、土壤侵蝕強(qiáng)度及其空間分布特征，對(duì)于采取相應(yīng)措施減少水土流失、保護(hù)和合理利用土地資源具有重要意義。土壤侵蝕模型是進(jìn)行土壤侵蝕量預(yù)報(bào)和定量評(píng)價(jià)的重要工具，以美國通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用土壤流失方程(RUSLE)應(yīng)用最為廣泛[4-5]，但在模型使用過程中,往往采用年降水量計(jì)算的降水侵蝕力因子和固定植被覆蓋因子計(jì)算，忽略了降水的季節(jié)不均勻性和植被覆蓋的季節(jié)動(dòng)態(tài)性[6]。而遙感技術(shù)的快速發(fā)展為獲取陸地表面植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化提供了便利，也使得在模型中充分考慮植被覆蓋的季節(jié)變化特征與降水組合成為可能。

青藏高原幅員遼闊，是全球海拔最高的高原，我國三大自然區(qū)之一，對(duì)毗鄰地區(qū)自然地理環(huán)境的變化有著極為深刻的影響[7]。區(qū)內(nèi)水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕等多種土壤侵蝕形式交錯(cuò)并存，是我國水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域之一[8]。目前，對(duì)青藏高原土壤侵蝕的研究多集中于宏觀的、面上的調(diào)查與分析評(píng)價(jià)，針對(duì)流域尺度的研究成果相對(duì)較少，且多集中在高原東部區(qū)域[9-10]，對(duì)藏北地區(qū)土壤侵蝕的研究更少。因此，本研究選擇位于青藏高原北部的怒江上游地區(qū)為研究區(qū)，基于土地利用、DEM、遙感和氣象等數(shù)據(jù)，利用RUSLE方程和GIS技術(shù)，對(duì)2001、2008年怒江上游地區(qū)土壤侵蝕狀況進(jìn)行評(píng)估，并分析其時(shí)空變化特征，以期為怒江流域乃至青藏高原水土保持措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

怒江發(fā)源于青藏高原唐古拉山南麓的吉熱拍格，由西北向東南斜貫西藏東部。怒江流域上游通常以洛隆縣境內(nèi)的嘉玉橋?yàn)榻纾谛姓爡^(qū)上涉及安多、聶榮、巴青、比如、丁青、那曲、索縣、邊壩、洛隆等9個(gè)縣，地跨北緯30°12′～33°10′、東經(jīng)90°11′～96°32′。怒江上游地區(qū)地勢(shì)西北高東南低，其西北部主要位于高原區(qū)，東南部地形破碎、起伏較大，平均海拔在4 500 m以上，相對(duì)高差3 700 m；屬高寒氣候區(qū)，降水由東南向西北逐漸減少，這與怒江作為高原的水汽通道密切相關(guān)；因?yàn)殚L期對(duì)草地的過度放牧和不合理利用，以及氣候的影響，導(dǎo)致草地退化嚴(yán)重、植被覆蓋減少、水土流失較為嚴(yán)重，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成了一定的影響。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)及處理

研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：數(shù)字高程模型(DEM)，來自國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http://srtm.datamirror.csdb.cn/search.jsp)，分辨率為90 m；1∶100萬土壤類型圖，各土種理化性質(zhì)指標(biāo)來源于《西藏自治區(qū)土種志》(1994年)；2001、2008年研究區(qū)及周邊44個(gè)氣象站點(diǎn)逐日降雨數(shù)據(jù)，來自中國氣象共享服務(wù)網(wǎng)；2001、2008年土地利用數(shù)據(jù)，采用遙感數(shù)據(jù)人機(jī)交互式解譯方法獲得；2001、2008年搭載在Terra衛(wèi)星上的MODIS傳感器獲取的分辨率為250 m、周期為16 d的NDVI數(shù)據(jù)(http://glovis.usgs.gov)。

2.2 研究方法

2.2.1 RUSLE基本公式

USLE是美國農(nóng)業(yè)部(USDA)利用1萬多個(gè)徑流小區(qū)的土壤流失量和徑流量觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過歸納統(tǒng)計(jì)得出的土壤侵蝕定量估算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚4]，其修正模型RUSLE目前應(yīng)用較為廣泛，計(jì)算公式為

下面對(duì)某220 kV GIS斷路器合閘時(shí)間、合閘不同期時(shí)間嚴(yán)重超標(biāo)、合閘速度偏低缺陷案例進(jìn)行分析，排查、核實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)異常原因，并總結(jié)類似斷路器操作機(jī)構(gòu)檢修經(jīng)驗(yàn)，為提升斷路器安裝、驗(yàn)收、運(yùn)維質(zhì)量提供參考。

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為年土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為地表植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

考慮到研究區(qū)降水的時(shí)間不均衡性和植被生長的季節(jié)動(dòng)態(tài)性，結(jié)合MODIS-NDVI數(shù)據(jù)和GIS的空間分析功能，將公式(1)修正為月侵蝕模數(shù)模型，計(jì)算公式為

(2)

式中：i為月份；Ri為i月的降雨侵蝕力因子；Ci為i月的地表植被覆蓋因子。

2.2.2 模型參數(shù)的計(jì)算

(1)降雨侵蝕力因子R。降雨侵蝕力因子R與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、雨滴大小及雨滴下降速度有關(guān)，反映了降雨對(duì)土壤的潛在侵蝕能力。根據(jù)研究區(qū)及其周邊44個(gè)氣象站點(diǎn)記錄的日降雨數(shù)據(jù)，利用ArcMap中的Kringing插值得到怒江上游2001、2008年各月降雨柵格圖。為了耦合月植被指數(shù)數(shù)據(jù)，采用月降雨侵蝕力計(jì)算公式[6]為

(3)

式中：Pm為月降水量，mm；Rm為月降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)。

(2)土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性因子K用來評(píng)價(jià)土壤是否易受侵蝕破壞，反映土壤對(duì)侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運(yùn)的敏感性[11]。K值主要和土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤滲透性、有機(jī)質(zhì)含量和土壤深度等因素有關(guān)。采用EPIC模型[12]估算土壤可蝕性值，計(jì)算公式為

(4)

式中：SAN為砂粒含量，%；SIL為粉粒含量，%；CLA為黏粒含量，%；C為土壤有機(jī)碳含量，%；SN1=1-SAN/100。

根據(jù)研究區(qū)1∶100萬土壤類型圖和各土壤類型的理化性質(zhì)，利用公式(4)計(jì)算研究區(qū)不同土壤類型的K值，結(jié)果見表1。

(3)坡長因子L和坡度因子S的獲取。坡度因子S是指在其他條件相同的情況下，任意坡度下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下單位面積土壤流失量之比[13]。坡長因子L是指在其他條件相同的情況下，任意坡長的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)坡長單位面積土壤流失量之比[13]。L、S值可直接從DEM中獲取。

表1 研究區(qū)土壤可蝕性因子K值

考慮到怒江上游地區(qū)的坡度情況，S因子分段計(jì)算，緩坡采用MCCOOL et al.[14]的坡度因子公式，陡坡采用劉寶元等[1]的坡度因子公式，計(jì)算公式為

(5)

式中：S為坡度因子；θ為坡度，(°)。

采用WISCHMEIER et al.[4]提出的經(jīng)驗(yàn)公式估算坡長因子L值，計(jì)算公式為

(6)

式中：λ為水平投影坡長，m；22.13為RUSLE采用的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長；m為可變的坡長指數(shù)。

(4)地表植被覆蓋因子C。在RUSLE中地表植被覆蓋因子C是指一定條件下，耕作壟上土壤流失量與同等條件下適時(shí)翻耕的連續(xù)休閑對(duì)照地上的土壤流失量之比，是一個(gè)無量綱數(shù)，其值介于0～1，具有人為可調(diào)控的特性，與土地利用類型、植被覆蓋度密切相關(guān)[15]。C值計(jì)算方法采用的是蔡崇法等[16]提出的方法，計(jì)算公式為

(7)

(8)

式中：fc為植被覆蓋度；SVIm為某像元某時(shí)間段的植被指數(shù)；SVImax為植被完全覆蓋條件下的植被指數(shù)；SVImin為地表裸露條件下的植被指數(shù)。

為了和月降水侵蝕力因子保持一致，SVIm由同年相鄰2期NDVI平均值代替，SVImax以一年中NDVI最大值代替，SVImin以一年中NDVI最小值代替。

(5)水土保持措施因子P。水土保持措施因子P是指特定水保措施下的土壤流失量與相應(yīng)未實(shí)施水保措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比。無任何水保措施的土地類型P取值為1，根本不發(fā)生侵蝕的土地為0,其他情況在0～1之間。參照有關(guān)研究成果[1,16]，分別給研究區(qū)不同土地利用類型賦予P值(表2)。

表2 不同土地利用類型的水土保持措施因子

3 結(jié)果分析

3.1 土壤侵蝕量時(shí)間變化特征

研究區(qū)土壤侵蝕量年內(nèi)分布差異顯著。從圖1可以看出，土壤侵蝕量較小的月份是1—4、10—12月，屬于冬季和春季，雖然冬、春兩季草地枯黃、植被覆蓋度低，但是降水量較少，因此侵蝕量較小，如2001、2008年的1、2、11和12月均無土壤侵蝕；土壤侵蝕量較大的月份出現(xiàn)在6—8月， 此時(shí)雖然植物處于生長季，植被覆蓋較好，但由于正值雨季，降雨及降雨形成的地表徑流對(duì)土壤侵蝕影響較大，因此土壤侵蝕量較高，如2001、2008年侵蝕量最大值均出現(xiàn)在8月，分別為655.61萬、976.81萬t。據(jù)此分析，在怒江上游地區(qū)，作為土壤侵蝕的兩個(gè)重要影響因子，降水量對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)率要大于植被覆蓋。

圖1 2001、2008年研究區(qū)土壤侵蝕量年內(nèi)變化特征

3.2 土壤侵蝕量空間變化特征

研究區(qū)土壤侵蝕量空間分布差異顯著(圖2)。從侵蝕強(qiáng)度的空間分布看，土壤侵蝕主要發(fā)生在研究區(qū)的西北部，而在東南部則基本無侵蝕。研究區(qū)西北部的聶榮、那曲、安多三縣土壤侵蝕較為嚴(yán)重，其中安多縣2001、2008年土壤侵蝕模數(shù)分別高達(dá)1 114.75、1 288.15 t/(km2·a)，而東部的洛隆、邊壩、丁青、索縣四縣侵蝕模數(shù)較低。2001—2008年研究區(qū)各縣土壤侵蝕模數(shù)多呈增加趨勢(shì)，尤其是安多、聶榮、那曲三縣增加比較明顯。

圖2 2001、2008年研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

3.3 土壤侵蝕量變化

由表3知，2001—2008年研究區(qū)土壤侵蝕量呈增加趨勢(shì)，從2001年的1 979.96 萬t增加到2008年的2 454.37萬t，增加了23.96%。土壤侵蝕以輕度侵蝕為主，除輕度侵蝕外各侵蝕分級(jí)的侵蝕量均有所增加，尤其是極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積分別增加了1.5和5.5倍，需要引起關(guān)注。

表3 2001、2008年研究區(qū)各侵蝕強(qiáng)度土壤侵蝕量

4 討 論

2002年9月國務(wù)院下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)草原保護(hù)與建設(shè)的若干建議》，當(dāng)年年底通過了新的《中華人民共和國草原法》，進(jìn)一步推進(jìn)依法治草進(jìn)程[17]，2003年全國退牧還草工程正式啟動(dòng)。怒江上游地區(qū)的退牧還草工程開始于2004年，時(shí)間節(jié)點(diǎn)正好位于本研究時(shí)段內(nèi)。但從本研究的結(jié)果來看，雖然實(shí)施了退牧還草工程，但在怒江上游地區(qū)水土流失仍有加劇的趨勢(shì)。從水土流失的主要影響因子來看，坡度和坡向因子、土壤可蝕性因子、水土保持措施因子在研究時(shí)段內(nèi)幾乎沒有變化，只有植被覆蓋因子和降雨侵蝕力因子變化較大，降雨侵蝕力因子屬自然因素，具有不可控性，但植被覆蓋因子可以通過人類活動(dòng)加以改善。由圖3可以看出，2001—2008年研究區(qū)植被覆蓋因子除在中、東部零星地區(qū)得到改善外，絕大部分地區(qū)呈現(xiàn)惡化態(tài)勢(shì)；降雨侵蝕力因子除在東部有減小外，其他地區(qū)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。由此可見，怒江上游地區(qū)水土保持工作要進(jìn)一步加強(qiáng)植物措施建設(shè)，退牧還草工程任重道遠(yuǎn)。

圖3 2001—2008年研究區(qū)降雨侵蝕力和植被覆蓋的變化

5 結(jié) 論

本研究利用改進(jìn)的RUSLE模型評(píng)價(jià)了怒江上游地區(qū)2001、2008年土壤侵蝕量時(shí)空變化特征：在年內(nèi)，土壤侵蝕量與降水量變化保持了較好的一致性，即最大值均出現(xiàn)在夏季，最小值均出現(xiàn)在冬、春季；土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布差異明顯，土壤侵蝕主要發(fā)生在西北部，其中安多縣2001、2008年侵蝕模數(shù)分別高達(dá)1 114.75、1 288.15 t/(km2·a)；2001—2008年研究區(qū)各縣土壤侵蝕模數(shù)多呈增大趨勢(shì)，尤其是安多、聶榮、那曲三縣增大比較明顯?？偟膩碚f，2001—2008年怒江上游地區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)。

本研究結(jié)果很好地揭示了怒江上游地區(qū)土壤侵蝕的時(shí)空變化特征，可為當(dāng)?shù)厮亮魇е卫砗蜕鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。但是由于在研究中缺少土壤侵蝕的觀測(cè)數(shù)據(jù)和野外試驗(yàn)的支持，有些參數(shù)的選取參考了相鄰地區(qū)的研究成果，因此未來需要重點(diǎn)加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理工作。

[1] 劉寶元,謝云,張科利.土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2001:1-5．

[2] 周璟,張旭東,何丹,等.基于GIS和RUSLE的武陵山區(qū)小流域土壤侵蝕評(píng)價(jià)研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2011,20(4):468-474.

[3] 趙曉麗,張?jiān)鱿?譚文彬,等.西部地區(qū)土壤侵蝕特征及其危害分析[J].水土保持通報(bào),2006,22(3):15-19.

[4] WISCHMEIER W H,SMITH D D.Predicting Rainfall-Erosion Losses from Cropland East of the Rocky Mountain, Guide for Selection of Practices for Soil and Water Conservation[M].Washington D C: Agricultural Handbook,1965:282.

[5] 張淑花,周利軍,張雪萍.基于RUSLE和GIS的綏化市土壤侵蝕評(píng)估[J].土壤通報(bào),2011,42(6):958-961.

[6] 齊述華,蔣梅鑫,于秀波.基于遙感和ULSE 模型評(píng)價(jià)1995—2005 年江西土壤侵蝕[J].中國環(huán)境科學(xué),2001,31(7):1193-1203.

[7] 姜永見,李世杰,沈德福,等.青藏高原江河源區(qū)近40年氣候變化特征及其對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響[J].山地學(xué)報(bào),2012,30(4):461-469.

[8] 劉淑珍,張建國,辜世賢.西藏自治區(qū)土壤侵蝕類型研究[J].山地學(xué)報(bào),2006,24(5):592-596.

[9] 黃麟,邵全琴,劉紀(jì)遠(yuǎn).近30年來青海省三江源區(qū)草地的土壤侵蝕時(shí)空分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2011,13(1):12-20.

[10] 裴廈,姚治君,章予舒,等.基于RS和GIS的西藏察雅縣土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(2):303-308.

[11] 史學(xué)正,于東升,邢廷炎,等.用田間實(shí)測(cè)法研究我國亞熱帶土壤的可蝕性K值[J].土壤學(xué)報(bào),1997,34(4):399-405.

[12] WILLIAMS J R,NEARING M,NICKS A,et al. Using soil erosion models for global change studies[J].Journal of Soil and Water Conservation,1996,51(5):381-385.

[13] 傅世鋒,查軒.基于GIS和USLE的東圳庫區(qū)土壤侵蝕量預(yù)測(cè)研究[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2008,10(3):390-393.

[14] MCCOOL D K,FOSER G R,MUTCHLER C K,et al. Revised slope length factor for the universal soil loss equation[J].Transactions of the ASAE,1989,32(5):1571-1576.

[15] 許月卿,蔡運(yùn)龍,彭建.土地利用變化的土壤侵蝕效應(yīng)評(píng)價(jià):西南喀斯特山區(qū)的一個(gè)研究案例[M].北京:科學(xué)出版社,2008:30-40.

[16] 蔡崇法,丁樹文,史志華,等.應(yīng)用USLE 和地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測(cè)小流域土壤侵蝕量的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(2):19-24.

[17] 許鵬.中國草地資源經(jīng)營的歷史發(fā)展與當(dāng)前任務(wù)[J].草地學(xué)報(bào),2005,13(增刊1):1-9.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

江西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015ZBBF60010)；江西省水利重大科技項(xiàng)目(KT201309)；江西省水利廳科技項(xiàng)目(KT201518)

S157.1

A

1000-0941(2017)09-0042-05

廖凱濤(1990—)，男，江西撫州市人，助理工程師，碩士，主要從事水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與信息化研究。

2017-05-01