顧治家，謝 云，李 驁，劉 剛，史燕東

（1. 信陽師范學院地理科學學院，河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治重點實驗室，信陽 464000；2. 北京師范大學地理科學學部，地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；3. 珠江水利科學研究院，廣州 510611）

0 引 言

土壤侵蝕是指水力和風力等外營力對土壤的消損過程，它直接導致土地退化、江河庫塘等淤積、水體富營養(yǎng)化等一系列的環(huán)境生態(tài)問題，已經(jīng)成為了全球性環(huán)境問題[1-5]。防治土壤侵蝕首先要明確區(qū)域內土壤侵蝕的強度、面積及分布，才能有的放矢地布設水土保持措施。因此，區(qū)域土壤侵蝕評價受到世界上許多國家和地區(qū)的廣泛關注。比如美國于1934 年組織的全國侵蝕勘探調查（National Erosion Reconnaissance Survey）[6-7]，這次調查初步確定了發(fā)生在農(nóng)地上的土壤侵蝕強度分級面積[8]。澳大利亞運用土壤侵蝕模型進行了多次土壤侵蝕評價[9-10]。20 世紀90 年代至21 世紀初，歐盟實施的土壤侵蝕危險性評價項目，先后在整個歐洲、歐洲內不同區(qū)域或國家采用不同方法進行了侵蝕危險性評價[11]。中國開展的4 次大規(guī)模的“全國土壤侵蝕調查”，為今后的區(qū)域土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測與評價打下了堅實的基礎[12-13]。在土壤侵蝕評價中，通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）[14]和修訂版的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE）[15]得到了廣泛的應用[16-18]。Liu 等[19]在USLE模型的基礎上，充分考慮中國坡面土壤侵蝕的實際特點和防治土壤侵蝕所采取的植被覆蓋與生物措施、工程措施和耕作措施，建立了中國土壤流失方程CSLE。該方程在中國得到了眾多科研工作者的認可，被應用于中國許多地區(qū)的土壤侵蝕評價中[20-26]。在中國開展的“第一次全國水利普查”（2010—2012 年）中，CSLE 模型用來評價全國范圍的土壤水蝕狀況。盡管如此，該模型在東北黑土區(qū)應用仍有待深入研究。東北黑土區(qū)是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，土壤侵蝕使得該區(qū)黑土層厚度逐漸變薄，土地生產(chǎn)力下降，嚴重破壞寶貴的黑土資源，威脅到中國糧食生產(chǎn)安全[27-28]。東北黑土區(qū)土壤侵蝕主要發(fā)生在漫川漫崗區(qū)，是土壤侵蝕防治的重點區(qū)。土壤侵蝕防治與水土保持規(guī)劃需要科學合理的土壤侵蝕評價。但土壤侵蝕具有顯著的多尺度特征，評價的標準不一，在坡面、溝道、小流域和區(qū)域尺度上，土壤侵蝕都有不同的表現(xiàn)方式與特征。在坡面上大家更關注土壤侵蝕模數(shù)，在溝道上更關注土壤侵蝕量，而在區(qū)域上土壤侵蝕面積往往是關注的對象。土壤侵蝕評價“落地”是指評價結果能“落”在具體的地塊或小尺度范圍上，給決策者提供明確具體的土壤侵蝕防治區(qū)域?？v觀已有的研究，區(qū)域土壤侵蝕評價的結果在空間上通常以土壤侵蝕模數(shù)、侵蝕量或者侵蝕強度方式呈現(xiàn)，但受土地利用、地形和水保措施的影響，這些指標的空間變異性很大，并不能很好地實現(xiàn)侵蝕評價的“落地”，對水土保持規(guī)劃的指向性不明確。在地塊和小流域范圍內，土壤侵蝕評價能夠很好地實現(xiàn)“落地”，但在區(qū)域尺度上，需要探索更為合適的空間呈現(xiàn)方式。因此，本文選擇位于侵蝕較為嚴重的東北漫川漫崗區(qū)拜泉縣為例，運用CSLE模型，評價其土壤侵蝕狀況，進而確定土壤侵蝕的重要源區(qū)。嘗試提出土壤侵蝕評價“落地”的合理方案，以期為區(qū)域土壤侵蝕防治和水土保持規(guī)劃提供科學依據(jù)與合理參考。

1 研究區(qū)概況

拜泉縣位于黑龍江省的中西部、齊齊哈爾市的東北部，地處小興安嶺余脈向松嫩平原過渡的地帶，屬于東北漫川漫崗區(qū)。地理位置為125°30′E～126°31′E，47°20′N～47°55′N，總面積約為3 600 km2，耕地面積比例為57.4%，總人口56.85 萬。拜泉縣在地理位置上處于中高緯度、歐亞大陸的東部地區(qū)，屬于典型的中溫帶大陸性季風氣候，多年的平均氣溫為1.2 ℃、年均降水為 490.1 mm[29]。全縣除沿河地帶水量較豐富外，東部、中部和西南部地區(qū)的地表水資源十分匱乏，地下水埋藏很深，開采困難，利用率不高。土壤類型主要包括黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土和鹽土等，黑土為主要的耕作土壤。拜泉縣的原始植被早已破壞殆盡，整體上具有從森林和草甸草原或草原化草甸交錯分布的特點。拜泉縣曾經(jīng)是黑龍江省土壤侵蝕最為嚴重的縣之一，早在20 世紀80 年代，拜泉縣就被列入了省水土保持重點縣，土壤侵蝕以水蝕為主，風蝕次之。

2 資料與方法

2.1 CSLE 模型及各因子計算

土壤侵蝕模數(shù)的計算采用中國土壤流失方程CSLE，其基本結構形式如下

式中，A 為土壤水蝕模數(shù)，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)；L、S 為坡長坡度因子，無量綱；B 為植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E 為工程措施因子，無量綱；T 為耕作措施因子，無量綱。

1）降雨侵蝕力因子R

R 因子的計算選用干雨季日降雨量估算模型[30]。搜集黑龍江省及其周邊地區(qū)共46 個氣象站點的逐日雨量資料，降雨數(shù)據(jù)年限為1986—2015 年。通過地統(tǒng)計插值得到黑龍江省24 個半月降雨侵蝕力比例的柵格圖層和年降雨侵蝕力的柵格圖層，空間分辨率為30 m。在此基礎上，用拜泉縣的矢量圖層裁切得到研究區(qū)的年降雨侵蝕力柵格圖層和24 個半月降雨侵蝕比例圖層。

2）土壤可蝕性因子K

土壤可蝕性因子K 是直接采用了第一次全國水利普查中土壤可蝕性因子成果。所用的土壤可蝕性因子的計算采用Wischmeier 提出的K 值估算公式[31]和Williams 提出的K 值估算公式[32]。

3）坡長因子L 和坡度因子S

基于DEM 的坡長因子L 選用坡長法來進行計算。依據(jù)柵格所在的位置分別采用Wischmeier 等[14]、Foster 等[33]提出的坡長因子計算公式。

10°以下的區(qū)域的坡度因子S 選用McCool 等[34]的公式（2）和公式（3）；10°以上的坡度區(qū)域選用Liu 等[35]的公式（4）。

式中S 為坡度因子；θ 為坡度(°)。

覆蓋拜泉縣的DEM 數(shù)據(jù)由1∶5 萬等高線轉換而來，并生成空間分辨率為30 m 的柵格圖層?；凇巴寥狼治g模型地形因子計算工具”[36]求得坡長因子與坡度因子。

4）植被覆蓋與生物措施因子B

植被覆蓋與生物措施因子賦值與計算需要依據(jù)不同土地利用來進行相應的賦值與計算。林地和草地的B 值計算公式如下

式中WRi為第i個半月降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的比例，取值范圍為0～1。SLRi為第i 個半月的林地和草地的土壤流失比例，取值范圍為0～1。第i 個半月的有林地和其他林地的SLRi計算公式如下

灌木林地的 iSLR 計算公式如下

草地的 iSLR 計算公式如下

式中FVC 為基于遙感影像的NDVI 計算的植被覆蓋度，取值范圍為0～1；GD 為喬木林的林下蓋度，取值范圍為0～1，包括除喬木林冠層以外的所有植被（灌木、草本和枯落物）構成的林下蓋度，按實地調查或經(jīng)驗取值。

植被覆蓋度FVC 由250 m 分辨率的MODIS NDVI與基于30 m 分辨率的TM 影像計算的植被覆蓋度進行融合得到。其中MODIS NDVI 影像和TM 影像時間段都來自于2015—2017 年。

式中VH(ti)為高分辨率像元的NDVI 融合值；VM(ti)為此高分辨率像元對應地類MODIS 多年平均值序列；VT(tj)為此像元對應某時段TM 影像的高分辨率NDVI 的數(shù)據(jù)，總計有n 景；ti為MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)獲取時的儒略日（DOY=16×時相-7）；tj為高分辨率NDVI 數(shù)據(jù)獲取時對應的儒略日；ω(ti,tj)為tj時的高分辨率NDVI 的權重，表達為

將融合后的NDVI 轉換為植被覆蓋度。將上式中融合的24 個半月30 m 空間分辨率的NDVI 轉換為相對應的植被覆蓋度FVC

式中NDVI 是像元的NDVI 值；NDVImax與NDVImin為像元所在地類的轉換系數(shù)；k 為非線性系數(shù)，在同一氣候類型確定MODIS影像不同植被的NDVI最大值、裸土NDVI最小值所在像元，取該像元內TM 的NDVI 的平均值為轉換系數(shù)。

最后，計算3 a 平均24 個半月植被覆蓋度。將3 a對應的24 個半月植被覆蓋度取平均值參與到B 值的計算當中，即為公式（10）中的FVC。

除林地和草地外的土地利用類型的B 值依據(jù)下表進行直接賦值（表1）。

表1 不同地類植被覆蓋與生物措施因子B 賦值表 Table 1 Vegetation cover and biological practices factor value (B) of different land use types

5）工程措施因子E 和耕作措施因子T

在研究區(qū)的實地調查發(fā)現(xiàn)，工程措施主要包括梯田、地埂和極少量的水平階等。工程措施因子的賦值借鑒第一次全國水利普查的水土保持工程措施因子賦值表（表 2）。對E 值進行重采樣生成空間分辨率為30 m 的柵格大?。▽?∶5 萬DEM）。

耕作措施因子反映2 種影響：一是輪作制度形成的作物覆蓋影響，二是水土保持耕作措施。依據(jù)全國輪作區(qū)劃，研究區(qū)屬于東北平原丘陵半濕潤喜溫作物一熟區(qū)、三江平原長白山地溫涼作物一熟區(qū)，反映作物覆蓋影響的輪作措施T 因子賦值為0.331。研究區(qū)水土保持耕作措施主要是等高溝壟種植，對應T 值賦值為0.251。對T 值進行重采樣生成空間分辨率為30 m 柵格大小（對應1∶5萬DEM）。

表2 工程措施因子E 賦值表 Table 2 Value of engineering practices (E)

研究區(qū)范圍的土地利用數(shù)據(jù)是基于2016 年覆蓋研究區(qū)域的資源三號衛(wèi)星（ZY-3）影像解譯獲得全區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)，其空間分辨率為2.1 m，屬高分影像，可一定程度上保障土地利用和工程措施解譯的精度。

2.2 土壤侵蝕模數(shù)計算及強度判斷

依據(jù)CSLE 模型，計算的土壤侵蝕模型進行侵蝕強度的判斷，判斷的依據(jù)標準為水利部《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準（SL446—2009）》中的分級標準[37]。東北黑土區(qū)土壤侵蝕的容許流失量為2 t/(hm2·a)，所對應的土壤侵蝕分級標準如表3。

表3 土壤侵蝕強度分級標準表 Table 3 Classification standard of soil erosion intensity

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕空間分布

將土壤侵蝕模型因子各圖層乘積后得到拜泉縣的土壤侵蝕模數(shù)（圖1 a），基于土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕強度分級標準，分別得到土壤侵蝕量分布圖（圖1 b）和土壤侵蝕強度分級圖（圖1 c）。結果表明，土壤侵蝕模數(shù)變 化 于 0 ～557 t/(hm2·a)，平 均 土 壤 侵 蝕 模 數(shù) 為6.77 t/(hm2·a)，土壤侵蝕面積比例為39.35%。模數(shù)小于2 t/(hm2·a)的面積比例最大，為60.65%，主要分布于拜泉縣西南部平原區(qū)和靠近河流的低洼區(qū)。其次為輕度侵蝕和中度侵蝕，所占面積比例分別為16.56%和15.06%。強烈及其以上侵蝕的面積比例較小為7.73%。極強烈和劇烈侵蝕的高侵蝕主要分布于拜泉縣的東南部丘陵區(qū)和西北部的漫川漫崗區(qū)，雖然所占的面積比例較小，僅為3.75%，但對侵蝕量的貢獻達1/4，是侵蝕的主要源區(qū)。

圖1 拜泉縣土壤侵蝕空間分布 Fig.1 Spatial distribution of soil erosion in Baiquan County

土壤侵蝕模數(shù)越高，單位面積土地上發(fā)生侵蝕量越大，在流域、小流域或者坡面尺度上，模數(shù)可以用來計算土壤流失量，并與泥沙、徑流、面源污染等密切相關。侵蝕量的分布圖表示土壤被侵蝕的多少，侵蝕量越多土壤面臨的危險性越高，河道、湖泊、庫塘等面臨的泥沙壓力越大。依據(jù)土壤侵蝕模數(shù)，不同的區(qū)域有不同的分級標準，將結果以土壤侵蝕強度圖的形式呈現(xiàn)。但這3種結果呈現(xiàn)方式大多呈現(xiàn)“斑點狀”，不能確定侵蝕嚴重區(qū)的確切位置，并不能很好地實現(xiàn)侵蝕評價的“落地”，對水土保持規(guī)劃的空間指向性不明確。因此，需要在此基礎上探索更為合適的呈現(xiàn)方式。目前，中國正在進行水土流失重點預防區(qū)與重點治理區(qū)的劃分[38-39]。水土流失重點防治區(qū)的“落地”則需要在縣級尺度上進行科學的劃定。在以往的水土保持實踐中，以小流域為單元的水保規(guī)劃與治理已經(jīng)取得顯著的成效，在拜泉縣尤為如此。因此，首先本文在1∶5 萬等高線生成的DEM基礎上進行拜泉縣小流域的劃分，小流域平均面積約為11.7 km2，共劃分306 個小流域，其中小流域面積最小的為2.1 km2，最大的為45.5 km2。依據(jù)土壤侵蝕強度分級標準將土壤侵蝕模數(shù)分為6 級，即分別為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕。通常將輕度及其以上侵蝕面積之和視為土壤侵蝕面積，該面積與總面積的比值即為水蝕比例。其次，在拜泉縣306 個小流域的范圍內統(tǒng)計計算水蝕面積比例，求得的結果見圖1 d。結果表明，約有1/5 的小流域土壤侵蝕面積比例大于 50%，占總土地面積的23.4%。因此，該1/5 的小流域就是土壤侵蝕防治的重點區(qū)域，這些侵蝕小流域都進行了編號，在空間位置上也相對固定，這就實現(xiàn)了區(qū)域土壤侵蝕評價的“落地”，可更好地為區(qū)域水土保持規(guī)劃服務。拜泉縣的北部和西北地區(qū)都是侵蝕較為嚴重的地區(qū)，是水土保持規(guī)劃與治理的重點區(qū)域。

3.2 不同土地利用的土壤侵蝕

基于高分影像解譯得到的研究區(qū)的土地利用類型，采用中科院土地利用覆蓋分類體系，并對個別地類進行了合并，結果表明旱地所占的比例最大，為75.0%，其次為居民點及工礦交通用地和有林地，所占面積比例分別為10.5%和5.2%。有林地主要分布于拜泉縣東部和西北部的丘陵地區(qū)，灌木林地和草地所占的面積比例僅分別為2.9%和2.5%，但分布面積相對較廣（圖2）。水田在拜泉縣中也有一定的比例，但較小，為1.5%，主要分布于水源豐富、地勢低洼的河流沿岸低地，集中于東部地區(qū)的通肯河流域和中西部地區(qū)的雙陽河流域。水域及水利設施的面積比例略大于水田，為1.8%。其他用地的面積比例非常少，包括其他未利用地、裸巖或裸地和沙地。剩余土地利用類型都占很小的面積比例，不足0.5%。

圖2 拜泉縣土地利用類型分布圖 Fig.2 Distribution map of land use in Baiquan County

拜泉縣各主要土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)進行對比分析（圖 3），旱地的侵蝕模數(shù)變化于 0 ～557 t/(hm2·a)，平均侵蝕模數(shù)最大，為8.9 t/(hm2·a)，發(fā)生于旱地上的土壤侵蝕面積比例高達62.7%，旱地又占據(jù)研究區(qū)絕大多數(shù)土地面積，因此，旱地為土壤侵蝕治理的重點區(qū)。灌木林地和草地的平均土壤侵蝕模數(shù)僅次于旱地，分別為1.4、1.3 t/(hm2·a)，變化范圍分別為0～44 t/(hm2·a)和0～176 t/(hm2·a)，土壤侵蝕面積比例分別為20.8%和25.0%，由于其在研究區(qū)的分布面積較廣且比較分散，應防止人為開發(fā)破壞。有林地和其他林地的土壤侵蝕強度最小，這主要得益于林地較高的植被覆蓋度。

圖3 拜泉縣主要土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù) Fig.3 Soil erosion modulus of main land use types in Baiquan County

3.3 地形對土壤侵蝕的影響

地形是影響土壤侵蝕的基礎因素之一，控制著土壤侵蝕的面積、強度及其空間分布。拜泉縣的平均坡度較小為1.1°，最大坡度為19.8°?！?.25°的面積比例最大為34.5%，其次為1～2°和0.25～1°坡度范圍，所占的面積比例分別為23.1%和18.2%（圖4 a）。3°以上的坡度共占比約11.1%，大于15°的坡度面積很小，不足0.1%。土壤侵蝕模數(shù)隨坡度的增加而增大。坡度為8°以上的區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)高達50 t/(hm2·a)（圖4 b），為劇烈侵蝕，但一方面由于其面積比例較?。?.3%），侵蝕多發(fā)生于旱地上，另一方面該坡度區(qū)域林地分布較廣，因此并不是侵蝕的主要源區(qū)。從對侵蝕量的貢獻來說，經(jīng)計算，來源于1～2°的坡度范圍侵蝕量最大，占比為27.9%，其次為3～5°和2～3°，貢獻比例分別為26.6%和24.3%。拜泉縣的平均坡長超過100 m，最大坡長超過3 000 m，達3 254 m。50 m 以上的坡長面積比例為43.8%，其中100～200 m 的坡長所占比例最大，約為16.2%，其次為50～100m 和200～400 m，所占比例分別為12.6%和9.8%。1 000 m 以上的坡長面積比例較小，約為0.4%（圖 4 c）。侵蝕模數(shù)最大的坡長為200～400 m，其次為100～200 m 和50～100 m（圖 4 d）。經(jīng)計算，100～200 m的坡長對侵蝕的貢獻最大，達35%，其次為200～400 m和50～100 m 的坡長，對侵蝕的貢獻分別為22.0%和20.7%。東北黑土區(qū)的九三水土保持試驗站（48°59′N～49°03′N，125°16′E～125°21′E）的野外徑流小區(qū)土壤侵蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)表明（表4），坡長與土壤侵蝕模數(shù)的關系并非簡單的線性關系，隨著坡長的變長，土壤侵蝕模數(shù)大致呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。這與本文的研究結果相對一致。

圖4 不同坡度坡長下的土壤侵蝕面積比例及其土壤侵蝕模數(shù) Fig.4 Area proportion and soil erosion modulus at different slopes and slope lengths

表4 2011—2015 年野外徑流小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù) Table 4 Soil erosion modulus of field runoff plots from 2011 to 2015

4 結 論

本文以地處東北漫川漫崗區(qū)拜泉縣為例，針對土壤侵蝕問題開展研究，通過定量評價區(qū)域的土壤侵蝕狀況，并提出了解決土壤侵蝕評價的“落地”方案。土壤侵蝕面積比例作為土壤侵蝕評價的結果呈現(xiàn)方式便于理解，在空間上能較好地實現(xiàn)“落地”，對水土保持規(guī)劃和土壤侵蝕防治的指向性確定。本文得到的主要結論如下：

1）拜泉縣平均土壤侵蝕模數(shù)為6.77 t/(hm2·a)，土壤侵蝕面積比例為39.35%，強烈及其以上侵蝕的面積比例較小為7.73%。極強烈和劇烈侵蝕的高侵蝕主要分布于拜泉縣的東南部丘陵區(qū)和西北部的漫川漫崗區(qū)，是侵蝕的主要源地。

2）旱地的侵蝕模數(shù)最大，發(fā)生于旱地上的土壤侵蝕面積比例高達62.7%，旱地又占據(jù)研究區(qū)絕大多數(shù)土地面積，因此，旱地為土壤侵蝕治理的重點區(qū)。

3）土壤侵蝕模數(shù)與坡度成正比，坡度越大侵蝕強度越大。但隨著坡長的變長，土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。對侵蝕量的貢獻來說，來源于1～2°的坡度范圍侵蝕量最大，其次為3～5°和2～3°。100～200 m 的坡長對侵蝕的貢獻最大，其次為200～400 m 和50～100 m 的坡長。

4）在小流域的尺度上統(tǒng)計其土壤侵蝕面積比例，是實現(xiàn)區(qū)域土壤侵蝕評價“落地”的有效途徑，可以更好地服務于區(qū)域水土保持規(guī)劃。