基于隨機(jī)森林算法的土壤侵蝕影響因子研究
——以贛江上游流域?yàn)槔?/h1>
2020-06-15 10:03:56國(guó)佳欣劉士余羅海玲
水土保持通報(bào) 2020年2期
朱 青， 國(guó)佳欣， 郭 熙， 韓 逸， 劉士余， 陳 蕾， 羅海玲
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330045)
土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在內(nèi)營(yíng)力和外營(yíng)力的共同作用下，發(fā)生風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和堆積的過程[1]。土壤侵蝕不僅會(huì)引起土地退化、土壤肥力下降，還會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、水庫河道淤塞、旱澇災(zāi)害加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-4]，因此科學(xué)認(rèn)識(shí)和定量評(píng)估區(qū)域土壤侵蝕，分析土壤侵蝕空間分布特征及其影響因素對(duì)水土流失防治工作和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要意義[5-6]。近年來，修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE)[7]在各區(qū)域尺度下的土壤侵蝕定量研究方面得到了廣泛應(yīng)用，該方程全面考慮了影響土壤侵蝕的因素[6,8]，具有較強(qiáng)的代表性和實(shí)用性[9]。眾多學(xué)者將RUSLE模型與空間信息技術(shù)(RS和GIS)相結(jié)合對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行了評(píng)估與分析[2,6,10]，但目前對(duì)土壤侵蝕及其影響因素的研究多基于單一流域[5,8,11]，缺乏對(duì)影響流域內(nèi)不同子流域土壤侵蝕因素的定量分析，這對(duì)關(guān)鍵區(qū)域水保措施的開展具有一定的局限性，無法提供針對(duì)性的措施建議。因此，準(zhǔn)確掌握影響子流域土壤侵蝕的主要因素，對(duì)于提升水土保持工作的精準(zhǔn)化具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。此外，前人研究對(duì)土壤侵蝕影響因素的探究多停留在區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析[6,12]、相關(guān)性分析[13]和經(jīng)典回歸模型[8,14]等傳統(tǒng)分析方法，難以揭示因子間的復(fù)雜過程和非線性關(guān)系[15]。而隨機(jī)森林是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，可以有效地解決過度擬合、多元共線性等問題，結(jié)果具有可解釋性，能夠很好地量化自變量對(duì)因變量的重要程度，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法的不足[15]，在各行各業(yè)中均有廣泛應(yīng)用[17]。
贛江上游流域?yàn)檑蛾柡饔蜃畲笾Я鳌M江的水源區(qū)，該地區(qū)的土壤侵蝕不僅會(huì)影響到中下游流域的飲水質(zhì)量和糧食安全，還會(huì)影響到鄱陽湖入湖泥沙量，進(jìn)而造成一系列生態(tài)環(huán)境問題，因此該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況是維系鄱陽湖一湖清水，促進(jìn)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和綠色生態(tài)江西建設(shè)的重要保障[18]。但該區(qū)域生態(tài)環(huán)境較為脆弱，部分區(qū)域的土壤侵蝕在自然因素和人為因素的雙重作用下越來越劇烈，水土流失已成為當(dāng)?shù)刂匾纳鷳B(tài)環(huán)境問題之一[19]，引起了學(xué)者們的高度重視，諸多有關(guān)土壤侵蝕的研究在該地區(qū)相繼開展[12,18]；但在量化影響因子與土壤侵蝕之間的研究尚不多見。因此，本文以贛江上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于2015年Landsat 8遙感影像、MODIS NDVI數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)、土壤類型和雨量站點(diǎn)等數(shù)據(jù)，在RS和GIS技術(shù)的支持下，采用RUSLE模型對(duì)贛江上游流域土壤侵蝕進(jìn)行定量分析；并將各子流域作為一個(gè)獨(dú)立單元，識(shí)別研究區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)防治區(qū)域，同時(shí)借助隨機(jī)森林算法系統(tǒng)地分析影響因子在不同子流域間的重要程度，旨在科學(xué)準(zhǔn)確地界定影響因子與子流域土壤侵蝕的量化關(guān)系，并在劃分土壤侵蝕重點(diǎn)治理區(qū)時(shí)，為決策者科學(xué)規(guī)劃實(shí)施有針對(duì)性的水土保持措施提供參考依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
以贛江上游流域?yàn)榘咐齾^(qū)，該區(qū)地處江西省南部，南嶺之北，位于113°54′—116°38′E，24°29′—27°09′N。流域面積為32 948.72 km2，約占贛江流域面積的39.46%，占贛州市全域面積的83.67%，涉及章貢區(qū)、贛縣區(qū)、興國(guó)縣等16個(gè)縣區(qū)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，熱量豐富、降水充沛，多年平均氣溫為18.9 ℃，1月蒸發(fā)量最小，7月蒸發(fā)量最大；多年平均降雨量為1 584.14 mm。流域內(nèi)地勢(shì)呈四周高中間低，地形復(fù)雜多樣，多山地丘陵，坡度在5°～25°的區(qū)域占流域面積的64.40%；地貌類型分為西部中、低山構(gòu)造侵蝕地貌，南部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌，中部丘陵、河谷侵蝕堆積地貌和東北部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌和溶蝕地貌。成土母質(zhì)以易產(chǎn)生水土流失的花崗巖類、泥質(zhì)巖類和酸性結(jié)晶巖類風(fēng)化物為主。土壤類型以紅壤為主，約占總面積的82%，可蝕性較高[4]，是典型的南方紅壤丘陵分布區(qū)。流域內(nèi)植被覆蓋率約為64%，植被群落結(jié)構(gòu)單一，多為馬尾松和濕地松林，林下植被匱乏，林下流現(xiàn)象嚴(yán)重[20]。
2 研究數(shù)據(jù)與技術(shù)流程
2.1 數(shù)據(jù)來源
研究所用主要數(shù)據(jù)包括： ①降雨數(shù)據(jù)。贛江上游流域15個(gè)雨量站1981—2015年逐日降雨量數(shù)據(jù)，來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)； ②土壤數(shù)據(jù)。世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集與江西省第二次土壤普查數(shù)據(jù)集； ③高程數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ④植被數(shù)據(jù)。由最大值合成的2015年MODIS MOD13 Q1 NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ⑤土地利用類型數(shù)據(jù)。選用2015年Landsat 8 OLI/TIRS 5景遙感影像(空間分辨率為30 m)，結(jié)合研究區(qū)2015年1∶10 000土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，通過人機(jī)交互解譯共生成8大地類：水田、旱地、草地、園地、林地、建設(shè)用地、未利用地和水域； ⑥2015年年均人口密度柵格數(shù)據(jù)。分辨率為1 km，來自于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)； ⑦贛江上游流域及其子流域矢量邊界數(shù)據(jù)。由Arc SWAT軟件中的水文分析模塊(watershed delineator)提取而來。
2.2 技術(shù)流程
研究主要分為兩個(gè)流程：①在空間信息技術(shù)RS和GIS的支持下，利用RUSLE模型對(duì)贛江上游流域土壤侵蝕特征進(jìn)行定量評(píng)估，得到研究區(qū)2015年土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖。為保證各模型因子計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文統(tǒng)一采用30 m×30 m柵格單元大小、投影坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_50N； ②為減少數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，選用最鄰近法對(duì)土壤侵蝕柵格圖重采樣至250 m，將其與MODIS NDVI數(shù)據(jù)的空間分辨率保持一致。在R軟件中調(diào)用隨機(jī)森林算法程度包RandomForest對(duì)贛江上游子流域中的影響因子(R，K，LS，C，P)進(jìn)行重要性分析，以確定影響流域中土壤侵蝕的關(guān)鍵因子。
3 研究方法
3.1 RUSLE模型
本文選用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)[7]對(duì)贛江上游流域土壤侵蝕量進(jìn)行估算，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
A=R·K·L·S·C·P
(1)
式中：A為土壤流失量〔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(zhǎng)坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子；LS，C，P均為無量綱。
3.1.1 降雨侵蝕力因子(R)R是指降雨過程對(duì)土壤流失存在的潛在影響力[9]。本文選用Renard等[21]提出的降雨侵蝕力算法模型，將贛江上游流域15個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)用如下公式進(jìn)行計(jì)算：
(2)
式中：Pa為年均降雨量(mm)。將研究區(qū)15個(gè)雨量站的降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得到的R值(表1)進(jìn)行克里金插值[22]。
表1 贛江上游流域雨量站及其降雨侵蝕力
3.1.2 土壤可蝕性因子(K) 土壤可蝕性因子K是表征土壤性質(zhì)對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)[7]。本文應(yīng)用侵蝕—生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型(EPIC)[23]進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：
(3)
式中：K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；Wd為砂粒含量(%)；Wi為粉粒含量(%)；Wt為黏粒含量(%)；Wc為有機(jī)碳含量(%)。
3.1.3 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)LS是反映地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕影響的指標(biāo)[7]。
考慮到研究區(qū)坡度大于10°的區(qū)域占總面積的59.30%，本文采用RUSLE模型計(jì)算的坡度因子公式不適宜南方丘陵區(qū)實(shí)際情況，因此本文借鑒Liu等[24]和McCool等[25]提出的坡度坡長(zhǎng)計(jì)算方法對(duì)LS因子進(jìn)行提?。?/p>
(4)
式中：S為坡度因子；θ為坡度(°)；L為坡長(zhǎng)因子；λ為水平投影坡長(zhǎng)(m)； 22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長(zhǎng)；m為可變坡長(zhǎng)指數(shù)，即坡面角度的正切值。
3.1.4 植被覆蓋與管理因子(C)C為侵蝕動(dòng)力的抑制因子，對(duì)水土保持具有積極作用[7]，其與土地利用類型、植被覆蓋度密切相關(guān)[26]。根據(jù)野外考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重，主要發(fā)生在海拔500 m以下的林地類型中，且在海拔200 m以下大多為馬尾松和濕地松林，林下流普遍存在。因此，本文在咨詢相關(guān)專家意見和研究報(bào)道[10,22]的基礎(chǔ)上，結(jié)合植被覆蓋度和海拔的影響，對(duì)不同的土地利用類型賦予不同的C值(表2)。植被覆蓋度fc計(jì)算公式為：
(5)
式中：fc為植被覆蓋度，fc值介于0～1之間，fc越趨近于1，植被覆蓋度越高。本研究以2%和98%的累計(jì)百分比為置信度區(qū)間，讀取對(duì)應(yīng)的像元值為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值和最大值。
表2 贛江上游流域植被與覆蓋管理因子C取值
3.1.5 水土保持措施因子(P)P是指實(shí)施水土保持措施下土壤的流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量之比[7]，范圍在0～1之間，p=0表示在水土保持措施后不發(fā)生侵蝕，P=1表示未采取相應(yīng)水土保持措施。贛江上游流域?yàn)槲覈?guó)重點(diǎn)水土流失綜合治理區(qū)，全域范圍內(nèi)開展了多種水保措施，主要集中在經(jīng)果林開發(fā)、基本農(nóng)田改造等。鑒于這種情況，本文在參考相關(guān)學(xué)者研究成果[4-5,12]的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域內(nèi)水土保持措施在不同生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)弱程度，對(duì)不同土地利用類型的P因子進(jìn)行賦值，結(jié)果詳見表3。
表3 贛江上游流域水土保持措施因子P取值
3.2 基于隨機(jī)森林的重要性分析
隨機(jī)森林(random forest, RF)是一種基于分類樹的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，其對(duì)多元共線性不敏感，無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果對(duì)缺失和非平衡的數(shù)據(jù)有較好的容忍度。變量的重要性評(píng)估是RF算法的一個(gè)重要特點(diǎn)，它通過利用Bootstrap方法，從原始數(shù)據(jù)集中進(jìn)行有放回的隨機(jī)抽取，形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。在使用Bootstrap對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行抽取時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)未被抽取的概率為(1-N-1)N，其中N為原始數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的總量。這些未被抽中的數(shù)據(jù)稱為袋外數(shù)據(jù)。模型主要是利用袋外數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，其隨自變量的變換而產(chǎn)生預(yù)測(cè)誤差，RF算法可以根據(jù)誤差的變化來計(jì)算自變量的重要性，重要性值越大，表明對(duì)土壤侵蝕的影響越大[15,17]。本研究基于R軟件中的Random Forest程序包，采用回歸算法來計(jì)算各影響因子的重要性評(píng)分，其中決策樹的數(shù)量與分割節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別設(shè)置為500，2。
4 結(jié)果與分析
4.1 各因子特征
1981—2015年平均降雨侵蝕力因子R為9 092.31 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，變幅在7 569.60～11 621.35 (MJ·mm)/(hm2·h·a)之間，標(biāo)準(zhǔn)差為1 036.69 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，這與馬良等[27]對(duì)江西省約50 a來降雨侵蝕力變化范圍研究結(jié)果基本一致。由圖1可以看出，流域內(nèi)降雨侵蝕力總體呈四周高，中間低的分布趨勢(shì)。其中，降雨侵蝕力的高值區(qū)主要集中分布在東北部的寧都縣、石城縣氣象站附近，低值區(qū)位于北部的贛縣區(qū)氣象站附近。土壤可蝕性K值范圍在0～0.02 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)之間，均值為0.018 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)。
注:地貌類型分圖中，1為低海拔平原; 2為低海拔臺(tái)地; 3為低海拔丘陵; 4為小起伏低山; 5為小起伏中山; 6為中海拔丘陵; 7為中起伏低山; 8為中起伏中山。
圖1 贛江上游流域因子空間分布
從圖1可以看出，土壤可蝕性高值區(qū)域主要呈條帶狀和塊狀分布在中部低海拔臺(tái)地和西部的中海拔丘陵處，而海拔相對(duì)較高處的山地、丘陵土壤可蝕性較小，朱成剛等[28]對(duì)犁河谷土壤理化性質(zhì)及可蝕性特征研究時(shí)也得到類似結(jié)果。研究區(qū)LS因子范圍在0.038～48.98之間，均值為5.51，標(biāo)準(zhǔn)差為4.60，該結(jié)果與李新艷等[29]對(duì)贛南地區(qū)LS因子計(jì)算范圍相一致。由圖1可知，在贛江上游流域不同地貌類型中，低海拔平原的LS因子最小，均值為0.66；中起伏中山最大，均值為14.91。整個(gè)流域四周的LS因子較大，中部較小，且北部總體小于南部，這與贛南四周高山環(huán)繞，中部丘陵起伏，平原和小盆地散布、河流水系呈輻輳狀向中心—章貢區(qū)匯集的地形特征相吻合(圖1)。贛江上游流域C因子均值為0.018，標(biāo)準(zhǔn)差為0.043。從圖1可以看出，低值區(qū)分布較為廣泛，這與該區(qū)域內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況良好，植被覆蓋度總體達(dá)63.54%有關(guān)。水土保持措施因子P主要依據(jù)不同土地利用類型賦值而來，均值為0.79，標(biāo)準(zhǔn)差為0.33。高值區(qū)主要呈片狀分布在林地、草地類型中；低值區(qū)則主要呈塊狀分布在建設(shè)用地和水田類型中。
4.2 模型結(jié)果驗(yàn)證
本文將RUSLE模型估算出的2015年研究區(qū)土壤侵蝕總量與2001年江西省水利廳第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果[30]進(jìn)行對(duì)比。該模型估算出的贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a；調(diào)查結(jié)果記錄贛州市的土壤侵蝕總量為4.87×107t/a，且研究區(qū)約占贛州市的83.67%，因此RUSLE模型估算出的結(jié)果按比例換算約為公報(bào)的84.52%(相對(duì)誤差在20%以內(nèi))，結(jié)果在合理范圍內(nèi)，具有較高的可信度。另外，李恒凱等[12]利用RUSLE模型對(duì)2013年贛州市土壤侵蝕進(jìn)行估算時(shí)得出輕度侵蝕以上所占面積為16 177.17 km2，與本文贛江上游流域輕度侵蝕以上面積為15 399.70 km2相接近。綜上可知，該模型的土壤侵蝕估算結(jié)果較為準(zhǔn)確。
4.3 流域土壤侵蝕總體特征
根據(jù)水利部最新頒布的南方紅壤土壤侵蝕的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(SL657-2014)[31]，將研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為微度〔<500 t/(km2·a)〕、輕度〔500～1 500 t/(km2·a)〕、中度〔1 500～3 000 t/(km2·a)〕、強(qiáng)烈〔3 000～5 000 t/(km2·a)〕、極強(qiáng)烈〔5 000～10 000 t/(km2·a)〕和劇烈〔>10 000 t/(km2·a)〕6種等級(jí)。從圖2可以看出，贛江上游流域主要以微度和輕度侵蝕為主，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；局部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈以上的侵蝕強(qiáng)度，主要分布在研究區(qū)西北部等海拔相對(duì)較低與植被覆蓋度低的低海拔臺(tái)地、丘陵地區(qū)；而微度侵蝕的區(qū)域則分散在植被覆蓋度高的小起伏低山和低海拔平原等地區(qū)。
圖2 贛江上游流域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布
從表4可以看出，流域微度侵蝕面積所占比重最大，占流域面積的53.26%；中度侵蝕的面積為3 943.95 km2，占11.97%；強(qiáng)烈以上的侵蝕面積占總面積的10.19%，占比相對(duì)較高，因此須重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域土壤侵蝕的防治工作，以有效減少水土流失。從侵蝕量上來看，流域內(nèi)以中度和強(qiáng)烈侵蝕為主，兩者所占比重相當(dāng)，各占侵蝕總量的25.00%，24.27%；劇烈侵蝕占比最小，僅為3.69%。整體而言，贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 046.38 t/(km2·a)，低于陸建忠等[22]觀測(cè)到的2000年贛江流域平均土壤侵蝕模數(shù)〔1 321.09 t/(km2·a)〕，表明近15 a來研究區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但總體上仍遠(yuǎn)大于南方紅壤丘陵區(qū)土壤允許流失量500 t/(km2·a)的標(biāo)準(zhǔn)，因此流域內(nèi)水土流失治理任務(wù)依然艱巨。
表4 贛江上游流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)分析
4.4 子流域土壤侵蝕特征
本文利用Arc SWAT軟件，根據(jù)研究區(qū)地形特征進(jìn)行子流域的劃分，經(jīng)過水文分析模塊計(jì)算后共得到26個(gè)子流域(圖3)。從圖4可以看出，各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大。其中子流域9，11，15處于中度侵蝕級(jí)別，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 672.66，1 715.83，1 565.36 t/(km2·a)；其余子流域均為輕度侵蝕，子流域14最小，為645.59 t/(km2·a)。從土壤侵蝕量來看(圖4)，子流域15最大，其數(shù)值達(dá)到了4.18×106t/a，其次為子流域20；最小的是子流域9，為8.38×104t/a。
圖3 研究區(qū)子流域空間分布
綜上可知，子流域9，11，15是贛江上游流域水土流失的關(guān)鍵區(qū)域，為重點(diǎn)防治區(qū)。其中子流域9，11位于低緩河谷區(qū)，在流域總出水口附近；子流域15位于研究區(qū)西部低海拔丘陵地帶。由表5可以看出，3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的紅壤類型占比均達(dá)到了70%，降雨量均在1 400 mm以上。且從子流域15來看，其現(xiàn)有土地利用類型主要是以植被覆蓋度較高的林地為主，占比接近90%，坡度坡長(zhǎng)因子較大，分別為18.17°和87.98 m，高程為506.33 m。與之相比，子流域9，11建設(shè)用地面積占比相對(duì)較大，人口密度分別為256.16和636.55人/km2，林地、園地受人類活動(dòng)干擾嚴(yán)重，植被覆蓋度較低，分別為37.48%和40.28%；坡度均在15°以下，坡長(zhǎng)適中，高程分別為149.92和201.30 m。
圖4 子流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)
表5 重點(diǎn)防治區(qū)域地理環(huán)境因素狀況
4.5 影響土壤侵蝕因子的重要性分析
為進(jìn)一步厘清土壤侵蝕影響因子的重要性，本文在子流域劃分的基礎(chǔ)上，通過250 m網(wǎng)格化采樣后，在R軟件中采用隨機(jī)森林中的回歸算法對(duì)R，K，LS，C，P因子進(jìn)行重要性評(píng)分，然后將其換算為相對(duì)重要程度。從圖5可以看出，各子流域回歸系數(shù)R2均在0.7以上，擬合效果較好；子流域間的土壤侵蝕受C因子和LS因子影響較大，這與前人研究結(jié)果相一致[2,14,32]，且兩者重要程度分別在30%和20%以上，其中C因子重要程度最高可達(dá)48.54%，表明C因子在很大程度上影響著該區(qū)域的土壤侵蝕，體現(xiàn)了流域內(nèi)整體的相似性[11]；但在子流域9，11，21中，LS因子重要程度比C因子更大，說明在這三個(gè)子流域中，地形因素對(duì)土壤侵蝕起著主導(dǎo)作用；P因子的重要程度均在10%以上；R因子和K因子對(duì)土壤侵蝕的重要程度偏低，均未超過10%，表明這兩種因子在整體上的差異性相對(duì)較小，各子流域間的變化起伏不大。此外，在重點(diǎn)防治區(qū)域中，C因子對(duì)子流域15土壤侵蝕的重要程度達(dá)到了42.88%，其次為L(zhǎng)S因子，重要程度為21.88%；P和K因子重要程度分別為18.87%，7.2%；R因子最低，僅為6.04%。而在子流域9，11中，LS因子重要程度分別為36.15%，38.15%；C因子次之，為32.86%和28.00%；R因子最低，分別為2.83%，5.52%。
圖5 子流域土壤侵蝕影響因子重要性分析
5 討 論
贛江上游流域土壤侵蝕主要受到C因子和LS因子影響，且C因子對(duì)子流域土壤侵蝕的重要程度較大，均在30%以上。這與Kosmas C等[33]研究結(jié)果相一致，其認(rèn)為植被覆蓋和土地利用是最重要的影響因素，并且在一定程度上超過了降雨強(qiáng)度和坡度的影響。但胡剛等[14]在基于RUSLE模型估算臥虎山水庫子流域土壤侵蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)LS因子為主要因素，究其原因，本文研究區(qū)地處南方紅壤丘陵區(qū)，林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重[20]，因此C因子在賦值時(shí)兼顧到了海拔的影響，涵蓋了部分地形因素。但C因子在各子流域中的重要程度具有差異性，這主要是因?yàn)椴煌恋乩妙愋烷g的差異性較大[32]，C因子賦值相差甚遠(yuǎn)，且植被覆蓋度在不同土地利用類型上的變化對(duì)土壤侵蝕具有放大效應(yīng)[34]。
由重點(diǎn)防治區(qū)域結(jié)果分析可知(表5)，其紅壤類型占比均達(dá)到了70%以上，該土壤土層薄、酸性強(qiáng)、黏重板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量低，保肥保水能力較差[4,19]，受到侵蝕的敏感程度高；在降雨量較大的情況下，容易引起土壤發(fā)生分離和搬運(yùn)，對(duì)土壤侵蝕具有潛在影響[9]；且從子流域15來看，雖然區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較高，達(dá)到63.81%，但植被群落結(jié)構(gòu)單一，林下植被匱乏，“遠(yuǎn)看青山在，近看水土流”是研究區(qū)林下流的真實(shí)寫照[20]，尤其是海拔500 m以下的林下水土流失較為嚴(yán)重，因此在對(duì)C因子賦值時(shí)未將植被覆蓋度考慮在內(nèi)；從圖5可以看出，C因子對(duì)子流域15土壤侵蝕的重要程度最高，為42.88%，LS因子次之。因此，針對(duì)子流域15可采取增加林下覆蓋度，形成層次分明的針闊混交林地，以減少地表徑流量的生物措施為主，以改變坡長(zhǎng)坡度、控制徑流的工程措施為輔。與之相比，子流域9，11則位于低緩河谷區(qū)，受到人類干擾活動(dòng)較大。陳思旭等[3]研究發(fā)現(xiàn)在南方丘陵山區(qū)，土地利用率較高的地方多集中在緩坡和海拔小于500 m的人口密集區(qū)，其多以種植柑橘，油茶和桉樹等經(jīng)濟(jì)作物為主，植被覆蓋度相對(duì)較低，本文研究結(jié)果與此相保持一致。LS因子對(duì)子流域9，11的土壤侵蝕重要程度分別為36.15%，38.15%，C因子次之。因此在制定水保措施時(shí)，一方面應(yīng)考慮實(shí)施合理的工程措施進(jìn)行微地形生態(tài)修復(fù)；另一方面可以改善土地利用類型的使用情況，注重植被覆蓋度的提高，防止人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成進(jìn)一步破壞。
本研究基于RUSLE模型，分析了國(guó)內(nèi)水土流失重點(diǎn)區(qū)—贛江上游流域2015年土壤侵蝕的空間分布特征，對(duì)影響土壤侵蝕因子(R，K，LS，C，P)的重要性進(jìn)行了定量化分析，標(biāo)識(shí)了易發(fā)生水土流失的關(guān)鍵子流域，明確了各影響因子在流域之間的重要程度，這對(duì)于選擇合適的水土保持措施來緩解關(guān)鍵區(qū)域的土壤侵蝕狀況具有重要意義。本文下一步將縮小研究尺度，著重開展重點(diǎn)防治區(qū)域(子流域9，11，15)土壤侵蝕的內(nèi)在機(jī)理研究，掌握小尺度下的徑流輸沙機(jī)制，以更好地完善子流域的水土保持工作。但本文還存在一定的不足之處，如在結(jié)果驗(yàn)證方面，只是借鑒已有的相關(guān)文獻(xiàn)做參考，后期會(huì)在流域內(nèi)建立徑流試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行模型參數(shù)的修正，使計(jì)算結(jié)果更為精確。另外，評(píng)估模型中的因子數(shù)據(jù)精度不一，因此在柵格計(jì)算過程中難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；且未能考慮林地類型及其垂直分層結(jié)構(gòu)對(duì)土壤侵蝕的影響，而是在實(shí)地考察和詢問相關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，以海拔作為C因子對(duì)林下流賦值的依據(jù)。
6 結(jié) 論
贛江上游流域總體處于輕度侵蝕水平，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大，其中子流域9，11，15是水土流失的重點(diǎn)防治區(qū)域；C因子和LS因子是各流域內(nèi)土壤侵蝕的主要因素，R因子和K因子的重要程度偏低，均未超過10%。研究考慮了不同子流域的土壤侵蝕情況，明確了各子流域科學(xué)管理與治理的優(yōu)先順序及其主控因子，可為決策者提供有針對(duì)性的水保措施建議。
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朱 青， 國(guó)佳欣， 郭 熙， 韓 逸， 劉士余， 陳 蕾， 羅海玲
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330045)
土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在內(nèi)營(yíng)力和外營(yíng)力的共同作用下，發(fā)生風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和堆積的過程[1]。土壤侵蝕不僅會(huì)引起土地退化、土壤肥力下降，還會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、水庫河道淤塞、旱澇災(zāi)害加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-4]，因此科學(xué)認(rèn)識(shí)和定量評(píng)估區(qū)域土壤侵蝕，分析土壤侵蝕空間分布特征及其影響因素對(duì)水土流失防治工作和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要意義[5-6]。近年來，修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE)[7]在各區(qū)域尺度下的土壤侵蝕定量研究方面得到了廣泛應(yīng)用，該方程全面考慮了影響土壤侵蝕的因素[6,8]，具有較強(qiáng)的代表性和實(shí)用性[9]。眾多學(xué)者將RUSLE模型與空間信息技術(shù)(RS和GIS)相結(jié)合對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行了評(píng)估與分析[2,6,10]，但目前對(duì)土壤侵蝕及其影響因素的研究多基于單一流域[5,8,11]，缺乏對(duì)影響流域內(nèi)不同子流域土壤侵蝕因素的定量分析，這對(duì)關(guān)鍵區(qū)域水保措施的開展具有一定的局限性，無法提供針對(duì)性的措施建議。因此，準(zhǔn)確掌握影響子流域土壤侵蝕的主要因素，對(duì)于提升水土保持工作的精準(zhǔn)化具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。此外，前人研究對(duì)土壤侵蝕影響因素的探究多停留在區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析[6,12]、相關(guān)性分析[13]和經(jīng)典回歸模型[8,14]等傳統(tǒng)分析方法，難以揭示因子間的復(fù)雜過程和非線性關(guān)系[15]。而隨機(jī)森林是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，可以有效地解決過度擬合、多元共線性等問題，結(jié)果具有可解釋性，能夠很好地量化自變量對(duì)因變量的重要程度，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法的不足[15]，在各行各業(yè)中均有廣泛應(yīng)用[17]。
贛江上游流域?yàn)檑蛾柡饔蜃畲笾Я鳌M江的水源區(qū)，該地區(qū)的土壤侵蝕不僅會(huì)影響到中下游流域的飲水質(zhì)量和糧食安全，還會(huì)影響到鄱陽湖入湖泥沙量，進(jìn)而造成一系列生態(tài)環(huán)境問題，因此該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況是維系鄱陽湖一湖清水，促進(jìn)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和綠色生態(tài)江西建設(shè)的重要保障[18]。但該區(qū)域生態(tài)環(huán)境較為脆弱，部分區(qū)域的土壤侵蝕在自然因素和人為因素的雙重作用下越來越劇烈，水土流失已成為當(dāng)?shù)刂匾纳鷳B(tài)環(huán)境問題之一[19]，引起了學(xué)者們的高度重視，諸多有關(guān)土壤侵蝕的研究在該地區(qū)相繼開展[12,18]；但在量化影響因子與土壤侵蝕之間的研究尚不多見。因此，本文以贛江上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于2015年Landsat 8遙感影像、MODIS NDVI數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)、土壤類型和雨量站點(diǎn)等數(shù)據(jù)，在RS和GIS技術(shù)的支持下，采用RUSLE模型對(duì)贛江上游流域土壤侵蝕進(jìn)行定量分析；并將各子流域作為一個(gè)獨(dú)立單元，識(shí)別研究區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)防治區(qū)域，同時(shí)借助隨機(jī)森林算法系統(tǒng)地分析影響因子在不同子流域間的重要程度，旨在科學(xué)準(zhǔn)確地界定影響因子與子流域土壤侵蝕的量化關(guān)系，并在劃分土壤侵蝕重點(diǎn)治理區(qū)時(shí)，為決策者科學(xué)規(guī)劃實(shí)施有針對(duì)性的水土保持措施提供參考依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
以贛江上游流域?yàn)榘咐齾^(qū)，該區(qū)地處江西省南部，南嶺之北，位于113°54′—116°38′E，24°29′—27°09′N。流域面積為32 948.72 km2，約占贛江流域面積的39.46%，占贛州市全域面積的83.67%，涉及章貢區(qū)、贛縣區(qū)、興國(guó)縣等16個(gè)縣區(qū)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，熱量豐富、降水充沛，多年平均氣溫為18.9 ℃，1月蒸發(fā)量最小，7月蒸發(fā)量最大；多年平均降雨量為1 584.14 mm。流域內(nèi)地勢(shì)呈四周高中間低，地形復(fù)雜多樣，多山地丘陵，坡度在5°～25°的區(qū)域占流域面積的64.40%；地貌類型分為西部中、低山構(gòu)造侵蝕地貌，南部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌，中部丘陵、河谷侵蝕堆積地貌和東北部低山、丘陵構(gòu)造剝蝕地貌和溶蝕地貌。成土母質(zhì)以易產(chǎn)生水土流失的花崗巖類、泥質(zhì)巖類和酸性結(jié)晶巖類風(fēng)化物為主。土壤類型以紅壤為主，約占總面積的82%，可蝕性較高[4]，是典型的南方紅壤丘陵分布區(qū)。流域內(nèi)植被覆蓋率約為64%，植被群落結(jié)構(gòu)單一，多為馬尾松和濕地松林，林下植被匱乏，林下流現(xiàn)象嚴(yán)重[20]。
2 研究數(shù)據(jù)與技術(shù)流程
2.1 數(shù)據(jù)來源
研究所用主要數(shù)據(jù)包括： ①降雨數(shù)據(jù)。贛江上游流域15個(gè)雨量站1981—2015年逐日降雨量數(shù)據(jù)，來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)； ②土壤數(shù)據(jù)。世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集與江西省第二次土壤普查數(shù)據(jù)集； ③高程數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ④植被數(shù)據(jù)。由最大值合成的2015年MODIS MOD13 Q1 NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)； ⑤土地利用類型數(shù)據(jù)。選用2015年Landsat 8 OLI/TIRS 5景遙感影像(空間分辨率為30 m)，結(jié)合研究區(qū)2015年1∶10 000土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，通過人機(jī)交互解譯共生成8大地類：水田、旱地、草地、園地、林地、建設(shè)用地、未利用地和水域； ⑥2015年年均人口密度柵格數(shù)據(jù)。分辨率為1 km，來自于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)； ⑦贛江上游流域及其子流域矢量邊界數(shù)據(jù)。由Arc SWAT軟件中的水文分析模塊(watershed delineator)提取而來。
2.2 技術(shù)流程
研究主要分為兩個(gè)流程：①在空間信息技術(shù)RS和GIS的支持下，利用RUSLE模型對(duì)贛江上游流域土壤侵蝕特征進(jìn)行定量評(píng)估，得到研究區(qū)2015年土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖。為保證各模型因子計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文統(tǒng)一采用30 m×30 m柵格單元大小、投影坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_50N； ②為減少數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，選用最鄰近法對(duì)土壤侵蝕柵格圖重采樣至250 m，將其與MODIS NDVI數(shù)據(jù)的空間分辨率保持一致。在R軟件中調(diào)用隨機(jī)森林算法程度包RandomForest對(duì)贛江上游子流域中的影響因子(R，K，LS，C，P)進(jìn)行重要性分析，以確定影響流域中土壤侵蝕的關(guān)鍵因子。
3 研究方法
3.1 RUSLE模型
本文選用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)[7]對(duì)贛江上游流域土壤侵蝕量進(jìn)行估算，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
A=R·K·L·S·C·P
(1)
式中：A為土壤流失量〔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(zhǎng)坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子；LS，C，P均為無量綱。
3.1.1 降雨侵蝕力因子(R)R是指降雨過程對(duì)土壤流失存在的潛在影響力[9]。本文選用Renard等[21]提出的降雨侵蝕力算法模型，將贛江上游流域15個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)用如下公式進(jìn)行計(jì)算：
(2)
式中：Pa為年均降雨量(mm)。將研究區(qū)15個(gè)雨量站的降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得到的R值(表1)進(jìn)行克里金插值[22]。
表1 贛江上游流域雨量站及其降雨侵蝕力
3.1.2 土壤可蝕性因子(K) 土壤可蝕性因子K是表征土壤性質(zhì)對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)[7]。本文應(yīng)用侵蝕—生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型(EPIC)[23]進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：
(3)
式中：K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；Wd為砂粒含量(%)；Wi為粉粒含量(%)；Wt為黏粒含量(%)；Wc為有機(jī)碳含量(%)。
3.1.3 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)LS是反映地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕影響的指標(biāo)[7]。
考慮到研究區(qū)坡度大于10°的區(qū)域占總面積的59.30%，本文采用RUSLE模型計(jì)算的坡度因子公式不適宜南方丘陵區(qū)實(shí)際情況，因此本文借鑒Liu等[24]和McCool等[25]提出的坡度坡長(zhǎng)計(jì)算方法對(duì)LS因子進(jìn)行提?。?/p>
(4)
式中：S為坡度因子；θ為坡度(°)；L為坡長(zhǎng)因子；λ為水平投影坡長(zhǎng)(m)； 22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長(zhǎng)；m為可變坡長(zhǎng)指數(shù)，即坡面角度的正切值。
3.1.4 植被覆蓋與管理因子(C)C為侵蝕動(dòng)力的抑制因子，對(duì)水土保持具有積極作用[7]，其與土地利用類型、植被覆蓋度密切相關(guān)[26]。根據(jù)野外考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重，主要發(fā)生在海拔500 m以下的林地類型中，且在海拔200 m以下大多為馬尾松和濕地松林，林下流普遍存在。因此，本文在咨詢相關(guān)專家意見和研究報(bào)道[10,22]的基礎(chǔ)上，結(jié)合植被覆蓋度和海拔的影響，對(duì)不同的土地利用類型賦予不同的C值(表2)。植被覆蓋度fc計(jì)算公式為：
(5)
式中：fc為植被覆蓋度，fc值介于0～1之間，fc越趨近于1，植被覆蓋度越高。本研究以2%和98%的累計(jì)百分比為置信度區(qū)間，讀取對(duì)應(yīng)的像元值為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值和最大值。
表2 贛江上游流域植被與覆蓋管理因子C取值
3.1.5 水土保持措施因子(P)P是指實(shí)施水土保持措施下土壤的流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量之比[7]，范圍在0～1之間，p=0表示在水土保持措施后不發(fā)生侵蝕，P=1表示未采取相應(yīng)水土保持措施。贛江上游流域?yàn)槲覈?guó)重點(diǎn)水土流失綜合治理區(qū)，全域范圍內(nèi)開展了多種水保措施，主要集中在經(jīng)果林開發(fā)、基本農(nóng)田改造等。鑒于這種情況，本文在參考相關(guān)學(xué)者研究成果[4-5,12]的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域內(nèi)水土保持措施在不同生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)弱程度，對(duì)不同土地利用類型的P因子進(jìn)行賦值，結(jié)果詳見表3。
表3 贛江上游流域水土保持措施因子P取值
3.2 基于隨機(jī)森林的重要性分析
隨機(jī)森林(random forest, RF)是一種基于分類樹的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[16]，其對(duì)多元共線性不敏感，無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果對(duì)缺失和非平衡的數(shù)據(jù)有較好的容忍度。變量的重要性評(píng)估是RF算法的一個(gè)重要特點(diǎn)，它通過利用Bootstrap方法，從原始數(shù)據(jù)集中進(jìn)行有放回的隨機(jī)抽取，形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。在使用Bootstrap對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行抽取時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)未被抽取的概率為(1-N-1)N，其中N為原始數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的總量。這些未被抽中的數(shù)據(jù)稱為袋外數(shù)據(jù)。模型主要是利用袋外數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，其隨自變量的變換而產(chǎn)生預(yù)測(cè)誤差，RF算法可以根據(jù)誤差的變化來計(jì)算自變量的重要性，重要性值越大，表明對(duì)土壤侵蝕的影響越大[15,17]。本研究基于R軟件中的Random Forest程序包，采用回歸算法來計(jì)算各影響因子的重要性評(píng)分，其中決策樹的數(shù)量與分割節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別設(shè)置為500，2。
4 結(jié)果與分析
4.1 各因子特征
1981—2015年平均降雨侵蝕力因子R為9 092.31 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，變幅在7 569.60～11 621.35 (MJ·mm)/(hm2·h·a)之間，標(biāo)準(zhǔn)差為1 036.69 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，這與馬良等[27]對(duì)江西省約50 a來降雨侵蝕力變化范圍研究結(jié)果基本一致。由圖1可以看出，流域內(nèi)降雨侵蝕力總體呈四周高，中間低的分布趨勢(shì)。其中，降雨侵蝕力的高值區(qū)主要集中分布在東北部的寧都縣、石城縣氣象站附近，低值區(qū)位于北部的贛縣區(qū)氣象站附近。土壤可蝕性K值范圍在0～0.02 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)之間，均值為0.018 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)。
注:地貌類型分圖中，1為低海拔平原; 2為低海拔臺(tái)地; 3為低海拔丘陵; 4為小起伏低山; 5為小起伏中山; 6為中海拔丘陵; 7為中起伏低山; 8為中起伏中山。
圖1 贛江上游流域因子空間分布
從圖1可以看出，土壤可蝕性高值區(qū)域主要呈條帶狀和塊狀分布在中部低海拔臺(tái)地和西部的中海拔丘陵處，而海拔相對(duì)較高處的山地、丘陵土壤可蝕性較小，朱成剛等[28]對(duì)犁河谷土壤理化性質(zhì)及可蝕性特征研究時(shí)也得到類似結(jié)果。研究區(qū)LS因子范圍在0.038～48.98之間，均值為5.51，標(biāo)準(zhǔn)差為4.60，該結(jié)果與李新艷等[29]對(duì)贛南地區(qū)LS因子計(jì)算范圍相一致。由圖1可知，在贛江上游流域不同地貌類型中，低海拔平原的LS因子最小，均值為0.66；中起伏中山最大，均值為14.91。整個(gè)流域四周的LS因子較大，中部較小，且北部總體小于南部，這與贛南四周高山環(huán)繞，中部丘陵起伏，平原和小盆地散布、河流水系呈輻輳狀向中心—章貢區(qū)匯集的地形特征相吻合(圖1)。贛江上游流域C因子均值為0.018，標(biāo)準(zhǔn)差為0.043。從圖1可以看出，低值區(qū)分布較為廣泛，這與該區(qū)域內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況良好，植被覆蓋度總體達(dá)63.54%有關(guān)。水土保持措施因子P主要依據(jù)不同土地利用類型賦值而來，均值為0.79，標(biāo)準(zhǔn)差為0.33。高值區(qū)主要呈片狀分布在林地、草地類型中；低值區(qū)則主要呈塊狀分布在建設(shè)用地和水田類型中。
4.2 模型結(jié)果驗(yàn)證
本文將RUSLE模型估算出的2015年研究區(qū)土壤侵蝕總量與2001年江西省水利廳第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果[30]進(jìn)行對(duì)比。該模型估算出的贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a；調(diào)查結(jié)果記錄贛州市的土壤侵蝕總量為4.87×107t/a，且研究區(qū)約占贛州市的83.67%，因此RUSLE模型估算出的結(jié)果按比例換算約為公報(bào)的84.52%(相對(duì)誤差在20%以內(nèi))，結(jié)果在合理范圍內(nèi)，具有較高的可信度。另外，李恒凱等[12]利用RUSLE模型對(duì)2013年贛州市土壤侵蝕進(jìn)行估算時(shí)得出輕度侵蝕以上所占面積為16 177.17 km2，與本文贛江上游流域輕度侵蝕以上面積為15 399.70 km2相接近。綜上可知，該模型的土壤侵蝕估算結(jié)果較為準(zhǔn)確。
4.3 流域土壤侵蝕總體特征
根據(jù)水利部最新頒布的南方紅壤土壤侵蝕的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(SL657-2014)[31]，將研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為微度〔<500 t/(km2·a)〕、輕度〔500～1 500 t/(km2·a)〕、中度〔1 500～3 000 t/(km2·a)〕、強(qiáng)烈〔3 000～5 000 t/(km2·a)〕、極強(qiáng)烈〔5 000～10 000 t/(km2·a)〕和劇烈〔>10 000 t/(km2·a)〕6種等級(jí)。從圖2可以看出，贛江上游流域主要以微度和輕度侵蝕為主，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；局部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈以上的侵蝕強(qiáng)度，主要分布在研究區(qū)西北部等海拔相對(duì)較低與植被覆蓋度低的低海拔臺(tái)地、丘陵地區(qū)；而微度侵蝕的區(qū)域則分散在植被覆蓋度高的小起伏低山和低海拔平原等地區(qū)。
圖2 贛江上游流域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布
從表4可以看出，流域微度侵蝕面積所占比重最大，占流域面積的53.26%；中度侵蝕的面積為3 943.95 km2，占11.97%；強(qiáng)烈以上的侵蝕面積占總面積的10.19%，占比相對(duì)較高，因此須重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域土壤侵蝕的防治工作，以有效減少水土流失。從侵蝕量上來看，流域內(nèi)以中度和強(qiáng)烈侵蝕為主，兩者所占比重相當(dāng)，各占侵蝕總量的25.00%，24.27%；劇烈侵蝕占比最小，僅為3.69%。整體而言，贛江上游流域土壤侵蝕總量為3.45×107t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 046.38 t/(km2·a)，低于陸建忠等[22]觀測(cè)到的2000年贛江流域平均土壤侵蝕模數(shù)〔1 321.09 t/(km2·a)〕，表明近15 a來研究區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但總體上仍遠(yuǎn)大于南方紅壤丘陵區(qū)土壤允許流失量500 t/(km2·a)的標(biāo)準(zhǔn)，因此流域內(nèi)水土流失治理任務(wù)依然艱巨。
表4 贛江上游流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)分析
4.4 子流域土壤侵蝕特征
本文利用Arc SWAT軟件，根據(jù)研究區(qū)地形特征進(jìn)行子流域的劃分，經(jīng)過水文分析模塊計(jì)算后共得到26個(gè)子流域(圖3)。從圖4可以看出，各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大。其中子流域9，11，15處于中度侵蝕級(jí)別，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 672.66，1 715.83，1 565.36 t/(km2·a)；其余子流域均為輕度侵蝕，子流域14最小，為645.59 t/(km2·a)。從土壤侵蝕量來看(圖4)，子流域15最大，其數(shù)值達(dá)到了4.18×106t/a，其次為子流域20；最小的是子流域9，為8.38×104t/a。
圖3 研究區(qū)子流域空間分布
綜上可知，子流域9，11，15是贛江上游流域水土流失的關(guān)鍵區(qū)域，為重點(diǎn)防治區(qū)。其中子流域9，11位于低緩河谷區(qū)，在流域總出水口附近；子流域15位于研究區(qū)西部低海拔丘陵地帶。由表5可以看出，3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的紅壤類型占比均達(dá)到了70%，降雨量均在1 400 mm以上。且從子流域15來看，其現(xiàn)有土地利用類型主要是以植被覆蓋度較高的林地為主，占比接近90%，坡度坡長(zhǎng)因子較大，分別為18.17°和87.98 m，高程為506.33 m。與之相比，子流域9，11建設(shè)用地面積占比相對(duì)較大，人口密度分別為256.16和636.55人/km2，林地、園地受人類活動(dòng)干擾嚴(yán)重，植被覆蓋度較低，分別為37.48%和40.28%；坡度均在15°以下，坡長(zhǎng)適中，高程分別為149.92和201.30 m。
圖4 子流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)
表5 重點(diǎn)防治區(qū)域地理環(huán)境因素狀況
4.5 影響土壤侵蝕因子的重要性分析
為進(jìn)一步厘清土壤侵蝕影響因子的重要性，本文在子流域劃分的基礎(chǔ)上，通過250 m網(wǎng)格化采樣后，在R軟件中采用隨機(jī)森林中的回歸算法對(duì)R，K，LS，C，P因子進(jìn)行重要性評(píng)分，然后將其換算為相對(duì)重要程度。從圖5可以看出，各子流域回歸系數(shù)R2均在0.7以上，擬合效果較好；子流域間的土壤侵蝕受C因子和LS因子影響較大，這與前人研究結(jié)果相一致[2,14,32]，且兩者重要程度分別在30%和20%以上，其中C因子重要程度最高可達(dá)48.54%，表明C因子在很大程度上影響著該區(qū)域的土壤侵蝕，體現(xiàn)了流域內(nèi)整體的相似性[11]；但在子流域9，11，21中，LS因子重要程度比C因子更大，說明在這三個(gè)子流域中，地形因素對(duì)土壤侵蝕起著主導(dǎo)作用；P因子的重要程度均在10%以上；R因子和K因子對(duì)土壤侵蝕的重要程度偏低，均未超過10%，表明這兩種因子在整體上的差異性相對(duì)較小，各子流域間的變化起伏不大。此外，在重點(diǎn)防治區(qū)域中，C因子對(duì)子流域15土壤侵蝕的重要程度達(dá)到了42.88%，其次為L(zhǎng)S因子，重要程度為21.88%；P和K因子重要程度分別為18.87%，7.2%；R因子最低，僅為6.04%。而在子流域9，11中，LS因子重要程度分別為36.15%，38.15%；C因子次之，為32.86%和28.00%；R因子最低，分別為2.83%，5.52%。
圖5 子流域土壤侵蝕影響因子重要性分析
5 討 論
贛江上游流域土壤侵蝕主要受到C因子和LS因子影響，且C因子對(duì)子流域土壤侵蝕的重要程度較大，均在30%以上。這與Kosmas C等[33]研究結(jié)果相一致，其認(rèn)為植被覆蓋和土地利用是最重要的影響因素，并且在一定程度上超過了降雨強(qiáng)度和坡度的影響。但胡剛等[14]在基于RUSLE模型估算臥虎山水庫子流域土壤侵蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)LS因子為主要因素，究其原因，本文研究區(qū)地處南方紅壤丘陵區(qū)，林下流現(xiàn)象較為嚴(yán)重[20]，因此C因子在賦值時(shí)兼顧到了海拔的影響，涵蓋了部分地形因素。但C因子在各子流域中的重要程度具有差異性，這主要是因?yàn)椴煌恋乩妙愋烷g的差異性較大[32]，C因子賦值相差甚遠(yuǎn)，且植被覆蓋度在不同土地利用類型上的變化對(duì)土壤侵蝕具有放大效應(yīng)[34]。
由重點(diǎn)防治區(qū)域結(jié)果分析可知(表5)，其紅壤類型占比均達(dá)到了70%以上，該土壤土層薄、酸性強(qiáng)、黏重板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量低，保肥保水能力較差[4,19]，受到侵蝕的敏感程度高；在降雨量較大的情況下，容易引起土壤發(fā)生分離和搬運(yùn)，對(duì)土壤侵蝕具有潛在影響[9]；且從子流域15來看，雖然區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較高，達(dá)到63.81%，但植被群落結(jié)構(gòu)單一，林下植被匱乏，“遠(yuǎn)看青山在，近看水土流”是研究區(qū)林下流的真實(shí)寫照[20]，尤其是海拔500 m以下的林下水土流失較為嚴(yán)重，因此在對(duì)C因子賦值時(shí)未將植被覆蓋度考慮在內(nèi)；從圖5可以看出，C因子對(duì)子流域15土壤侵蝕的重要程度最高，為42.88%，LS因子次之。因此，針對(duì)子流域15可采取增加林下覆蓋度，形成層次分明的針闊混交林地，以減少地表徑流量的生物措施為主，以改變坡長(zhǎng)坡度、控制徑流的工程措施為輔。與之相比，子流域9，11則位于低緩河谷區(qū)，受到人類干擾活動(dòng)較大。陳思旭等[3]研究發(fā)現(xiàn)在南方丘陵山區(qū)，土地利用率較高的地方多集中在緩坡和海拔小于500 m的人口密集區(qū)，其多以種植柑橘，油茶和桉樹等經(jīng)濟(jì)作物為主，植被覆蓋度相對(duì)較低，本文研究結(jié)果與此相保持一致。LS因子對(duì)子流域9，11的土壤侵蝕重要程度分別為36.15%，38.15%，C因子次之。因此在制定水保措施時(shí)，一方面應(yīng)考慮實(shí)施合理的工程措施進(jìn)行微地形生態(tài)修復(fù)；另一方面可以改善土地利用類型的使用情況，注重植被覆蓋度的提高，防止人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成進(jìn)一步破壞。
本研究基于RUSLE模型，分析了國(guó)內(nèi)水土流失重點(diǎn)區(qū)—贛江上游流域2015年土壤侵蝕的空間分布特征，對(duì)影響土壤侵蝕因子(R，K，LS，C，P)的重要性進(jìn)行了定量化分析，標(biāo)識(shí)了易發(fā)生水土流失的關(guān)鍵子流域，明確了各影響因子在流域之間的重要程度，這對(duì)于選擇合適的水土保持措施來緩解關(guān)鍵區(qū)域的土壤侵蝕狀況具有重要意義。本文下一步將縮小研究尺度，著重開展重點(diǎn)防治區(qū)域(子流域9，11，15)土壤侵蝕的內(nèi)在機(jī)理研究，掌握小尺度下的徑流輸沙機(jī)制，以更好地完善子流域的水土保持工作。但本文還存在一定的不足之處，如在結(jié)果驗(yàn)證方面，只是借鑒已有的相關(guān)文獻(xiàn)做參考，后期會(huì)在流域內(nèi)建立徑流試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行模型參數(shù)的修正，使計(jì)算結(jié)果更為精確。另外，評(píng)估模型中的因子數(shù)據(jù)精度不一，因此在柵格計(jì)算過程中難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；且未能考慮林地類型及其垂直分層結(jié)構(gòu)對(duì)土壤侵蝕的影響，而是在實(shí)地考察和詢問相關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，以海拔作為C因子對(duì)林下流賦值的依據(jù)。
6 結(jié) 論
贛江上游流域總體處于輕度侵蝕水平，空間分布格局明顯，侵蝕強(qiáng)度由東南向西北逐漸加??；各子流域平均土壤侵蝕模數(shù)范圍在645.59～1 715.83 t/(km2·a)之間，流域間的差異較大，其中子流域9，11，15是水土流失的重點(diǎn)防治區(qū)域；C因子和LS因子是各流域內(nèi)土壤侵蝕的主要因素，R因子和K因子的重要程度偏低，均未超過10%。研究考慮了不同子流域的土壤侵蝕情況，明確了各子流域科學(xué)管理與治理的優(yōu)先順序及其主控因子，可為決策者提供有針對(duì)性的水保措施建議。
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