莫建飛, 陳燕麗, 莫偉華

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學研究所/國家衛(wèi)星氣象中心遙感應用試驗基地,南寧 530022; 2.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心, 南寧 530022)

巖溶(喀斯特)生態(tài)系統(tǒng)具有特殊的生態(tài)功能定位，其與黃土、沙漠、高寒并列為我國的四大生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)，水土流失是該地區(qū)最重要的生態(tài)環(huán)境問題。由水土流失所導致生態(tài)環(huán)境惡化對社會經濟、生存環(huán)境和生態(tài)安全會產生諸多不利影響，嚴重制約了該地區(qū)經濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。因此，了解水土流失在巖溶生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的潛在可能性、關鍵影響因子及其時空分布格局，對國家和政府劃定生態(tài)保護修復區(qū)、制定水土保持措施及政策、促進生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

合理的土壤侵蝕模型及代表性強的土壤侵蝕敏感性的因子，是實現(xiàn)水土流失敏感性客觀準確評價的基礎。目前國內外發(fā)展成熟的土壤侵蝕模型主要有經驗統(tǒng)計模型[1]、物理成因模型[2-11]和分布式模型[12-13]。修正通用土壤流失模型(RUSLE)在巖溶地區(qū)的適用性已被驗證[14-15]，但由于巖溶生態(tài)區(qū)水土流失機理較復雜，土壤侵蝕的敏感性因子的區(qū)域適用性仍需深入研究。已有研究普遍證實強降水是引發(fā)巖溶地區(qū)水土流失的主要外營力[16-17]，植被覆蓋度與水土流失具有較高的相關性[18]。坡度也是影響巖溶生態(tài)區(qū)水土流失速率的重要因子，在相同坡體長度下水土流失速率與坡度呈正比[19]。巖溶生態(tài)區(qū)的原狀土壤可蝕性低于其他常見土壤也是其水土流失的重要原因[20]。此外，不合理的土地開發(fā)利用方式導致的巖溶區(qū)水土資源空間調配失衡也會造成嚴重的水土流失[21-23]。石漠化是巖溶區(qū)的重要生態(tài)景觀，水土流失會導致土壤生產力下降、土層變薄、加速土地石漠化，而石漠化加劇又會加重水土流失，形成惡性循環(huán)，但目前有關巖溶地區(qū)水土流失研究中鮮有考慮石漠化演變的影響。

目前，針對區(qū)域水土流失敏感性評估并沒有普適性的評價方法，較常用的是GIS疊加分析法[24-31]和層次分析法[32-34]。但這些方法由于采用的敏感性指標不同所得的評估結果也存在較大差異。羅俊等[35]以碳酸鹽巖區(qū)巖性的差異為主導指標，采用層次分析法評價了桂西北喀斯特地區(qū)水土流失敏感性，結果表明廣西喀斯特地區(qū)以高度敏感和極敏感為主。凡非得等[36]利用降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤類型、植被類型及土壤允許流失量為評價指標，選擇GIS疊加分析方法對西南喀斯特區(qū)水土流失敏感性進行評價，結果表明廣西喀斯特區(qū)水土流失以高度、輕度和極敏感區(qū)為主。因此，合理的評估方法對水土流失敏感性評價同樣重要，但目前鮮見針對巖溶地區(qū)水土流失敏感性評價方法的適用性研究報道。

廣西地處我國南疆，巖溶地貌分布廣泛、石漠化現(xiàn)象突出。巖溶總面積833.4萬hm2，占廣西土地總面積35.1%，屬亞熱帶季風氣候，雨熱同期，降水量豐沛，石漠化范圍廣，重度石漠化面積比例達13%。針對現(xiàn)有巖溶區(qū)土壤侵蝕敏感性指標研究中對石漠化演變考量較少，以及敏感性評估方法適用性比較研究不足的現(xiàn)狀，本文以廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，以修正通用土壤流失模型(RUSLE)為藍本，通過引入石漠化因子，對RUSLE進行修正；通過計算土壤侵蝕量、劃分土壤侵蝕強度、分析水土流失關鍵影響因子，構建廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估指標體系；在此基礎上，對比分析空間疊加分析法、層次分析法、空間主成分分析法3種水土流失敏感性評價方法，利用遙感數據對多種評估結果進行驗證與對比，選取最優(yōu)評價方法對廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性進行評估，為巖溶區(qū)精準的生態(tài)保護空間定位提供技術支撐和水土流失的防治提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

廣西巖溶地區(qū)分布在北緯21°57′—26°06′，東經105°02′—111°43′，主要包括西江流域中上游的河池市、百色市、桂林市、崇左市、南寧市等老、少、邊、山窮地區(qū)。地貌以峰叢洼地、峰林谷地、孤峰、殘丘等類型為主，發(fā)育典型、分布廣闊，占我國西南地區(qū)巖溶土地總面積的18.9%。地勢由桂西北向桂東南傾斜，大部分出于云貴高原斜坡過渡地帶，海拔為10～1 000多米。氣候屬亞熱帶季風氣候，雨熱同期，降水量時空分布不均。年平均氣溫17～23℃，年降雨1 100～1 500 mm，大雨、暴雨頻率高，多集中在5—9月，大暴雨極易引發(fā)石漠化植被稀少地區(qū)的水土流失。土壤以石灰?guī)r土為主，分為黑色、棕色、黃色和紅色4類石灰土。黑色石灰土面積零星分布于石灰?guī)r山地上部的巖縫和坡麓低洼地；棕色石灰土多分布于石山下坡和山弄槽谷；黃色石灰土多在海拔較高的石灰?guī)r山地上；紅色石灰土主要分布在桂東北溶蝕平原區(qū)。植被類型較復雜，主要有熱帶雨林性常綠闊葉林、中亞熱帶典型常綠闊葉林、南亞熱帶季雨林化常綠闊葉林?？側丝诩s占廣西總人口的一半左右，經濟發(fā)展相對落后，是廣西重要生態(tài)保護、生態(tài)恢復治理和生態(tài)扶貧攻堅地區(qū)。

2 研究數據與方法

2.1 研究數據

研究數據主要包括遙感植被指數、氣象、石漠化等級、土地覆被類型、地形等資料，所有數據采用GIS轉換為柵格格式，空間分辨率為250 m，投影方式為CGCS2 000_GK_Zone_18。

2.1.1 歸一化植被指數NDVI NDVI為NASA官網下載的陸地標準數據產品MOD13Q1，即全球250 m分辨率植被指數16 d合成產品，數據年限為2000—2018年。利用MRT(ModisReprojection Tool)對數據進行格式轉換、圖像拼接、投影轉換、質量檢驗、NDVI子集提取預處理。采用最大值合成法(MVC)，將MO13Q1產品數據合成為月尺度的NDVI數據。

2.1.2 氣象數據 氣象數據為廣西氣象信息中心提供的1961—2018年廣西91個氣象站點的日降水量，6，12，24 h共3個時段災害性強降水過程的降水量。

2.1.3 石漠化等級 石漠化等級數據來自廣西氣象科學研究所。該數據利用美國Landsat和中國HJ，GF衛(wèi)星遙感數據，通過分析不同等級石漠化區(qū)的光譜和紋理特征，建立石漠化等級識別模型，共劃分潛在、輕度、中度、重度4個石漠化等級[37]。本研究使用1988年、2018年兩個時相的石漠化等級數據。

2.1.4 水土流失數據 利用中國GF衛(wèi)星遙感數據，研判滑坡、崩塌的形狀、紋理、色調、地形、地貌等特征，并結合野外實地調查情況，建立水土流失遙感解譯模型，從遙感影像計算出巖溶區(qū)水土流失遙感監(jiān)測信息。

2.1.5 土地覆被類型 使用地球系統(tǒng)科學數據共享網提供的中國1∶25萬土地覆被類型數據。

2.1.6 地理信息數據 基礎地理信息數據為廣西氣象信息中心提供的1∶25萬廣西行政邊界、行政區(qū)點、喀斯特區(qū)邊界數據。廣西數字高程模型(DEM)數據來自地理空間數據云，空間分辨率為30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失估算方法 在GIS技術的支持下，以修正通用土壤侵蝕模型RUSLE模型為藍本，建立考慮巖溶區(qū)石漠化等級影響的土壤流失方程，模型基本表達式如下[38]：

A=R·K·LS·C·P·M

(1)

式中:A是土壤侵蝕模數[t/(km2·a)]；R是降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]；LS是坡長坡度因子，無量綱；C是植被措施因子，無量綱；P是水土保持控制措施因子，無量綱；M是石漠化修正因子，無量綱。R,K,LS,C,P等因子計算方法參見《生態(tài)保護紅線劃定指南》。

石漠化等級因子M是巖溶區(qū)土壤侵蝕程度嚴重、土層流失殆盡、無土無林、基巖大面積裸露、土地退化的表現(xiàn)形式。考慮到巖溶地區(qū)土壤瘠薄且分布不連續(xù)，為了合理評價巖溶地區(qū)土壤流失狀況，在石漠化等級劃分評價基礎上，在侵蝕模型中引入石漠化修正因子，以修正土壤侵蝕模型的評價結果。本文基于巖溶區(qū)石漠化等級數據，確定石漠化等級修正因子的賦值。其中，潛在石漠化賦值0.7，輕度石漠化賦值0.6，中度石漠化賦值0.5，重度石漠化賦值0.4，極重度石漠化賦值0.3。

2.2.2 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關鍵因子影響評價方法 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失是自然條件與人為活動等多種因素綜合影響的自然災害。為表示巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕因子對土壤流失的影響程度，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關鍵因子影響評價模型，公式如下[39]：

(2)

式中:μij為土壤侵蝕影響因子第i等級對土壤侵蝕第j等級的影響率；Aij為土壤侵蝕因子第i等級在土壤侵蝕第j等級下的土壤侵蝕量；A為土壤侵蝕總量；Sij為土壤侵蝕因子第i等級在土壤侵蝕第j等級下的面積；S為土壤侵蝕總面積。

2.2.3 巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評價方法 基于GIS空間疊加分析法，利用各因子連乘并開方，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數，公式如下[40]：

(3)

式中:AEI為水土流失敏感性指數；Si為水土流失第i因子敏感性等級值；n為因子個數。

基于層次分析法確定因子權重，采用加權綜合評價法，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數，公式如下[41]：

(4)

式中:BEI為水土流失敏感性指數；Fi為水土流失第i因子敏感性等級值；wi為第i因子權重值，由層次分析法確定；n為因子個數。

基于空間主成分分析法進行降維，將空間主成分與對應解釋量的加權求和，建立巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數，公式如下[42]：

(5)

式中:CEI為水土流失敏感性指數；PCi為第i個主成分的解釋量；ai為第i主成分解釋量的貢獻率。

基于GIS的信息量法，建立巖溶區(qū)水土流失敏感性評價驗證模型，計算巖溶區(qū)水土流失敏感性評價信息量，公式如下[43]：

(6)

式中:I(L,Xi)為因子Xi對水土流失發(fā)生事件(L)提供的信息量；N為研究區(qū)水土流失遙感監(jiān)測單元總數；Ni為研究區(qū)內影響因子Xi在某二級指標水土流失遙感監(jiān)測數；S為研究區(qū)單元總面積；Si為研究區(qū)內影響因子Xi在某二級指標的單元面積。水土流失敏感性評價信息量越大，說明水土流失敏感性區(qū)劃結果與實際分布情況吻合度越較高。

基于巖溶區(qū)水土流失敏感性分區(qū)，采用加權綜合評價法，建立研究區(qū)某區(qū)域的水土流失敏感性的危險性指數，公式如下[44]：

SEPDI=(M1+2M2+3M3+6M4+9M5)/(M1+M2+M3+M4+M5)

(7)

式中:M1為不敏感區(qū)面積；M2為輕度敏感區(qū)面積；M3為中度敏感區(qū)面積；M4為高度敏感區(qū)面積；M5為極敏感區(qū)面積。SEPDI值為1～9，值越大表明該區(qū)域水土流失敏感性的危險度越大。

3 結果與分析

3.1 水土流失量分析

依據巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失估算模型和各因子計算獲取方法，計算廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失總量，按照水利部頒布的《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術標準》(SL461—2009)進行水蝕強度分級。廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕強度等級見圖1。

廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)平均土壤侵蝕模數為560.21 t/(km2·a)，土壤侵蝕總量為3 691.06萬 t/a。從侵蝕強度看，中度及以上土壤侵蝕量較大，土壤侵蝕模數分別為1 572.74萬 t/a，826.49萬 t/a，530.65萬 t/a，394.08 t/a，所占巖溶區(qū)土壤侵蝕總量比例分別為42.61%，22.39%，14.38%，10.55%；微度土壤侵蝕量最小，為14.74萬t/a，僅占巖溶區(qū)土壤侵蝕總量比例為0.40%。從侵蝕面積上看，微度、輕度、中度土壤侵蝕面積較大，土壤侵蝕面積分別為15 539.25，24 595.13，19 877.68 km2，所占巖溶區(qū)總面積比例分別為23.58%，37.33%，30.17%；劇烈土壤侵蝕面積最小，為433.44 km2，占巖溶區(qū)總面積比例為0.66%。

圖1 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失強度等級分布

3.2 水土流失關鍵指標影響分析

廣西巖溶區(qū)水土流失的形成和發(fā)生是一個極其復雜的過程，從影響因素來看，是氣象、地形、土壤、植被、石漠化、工程措施等多種因子綜合作用的結果。氣象因子根據廣西不同時段極端降水事件[45]、降雨侵蝕力[46]的時空分布特征，將6，12，24 h極端降水量指標分5級：≤100 mm，100～150 mm，150～200 mm，200～250 mm，>250 mm；將降雨侵蝕力指標分5級：≤5 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，5 000～6 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，6 000～7 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，7 000～8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)，>8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)。地形、土壤、植被因子按照《生態(tài)保護紅線劃定指南》結合廣西實際情況分級，其中，地形起伏度指標分5級：≤50 m，50～100 m，100～150 m，150～200 m，>200 m；土壤可蝕性指標分5級：≤0.012，0.012～0.014，0.014～0.016，0.016～0.018，>0.018；植被覆蓋度指標分5級：≤0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.7，>0.7。石漠化因子則根據廣西石漠化等級數據劃分為：潛在、輕度、中度、重度。人類活動因子根據土地利用方式劃分為：林地、灌木林、草地、濕地、水田、旱地、園地、居住地、工礦用地、交通用地、裸地。采用巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關鍵因子影響評價模型，計算廣西不同影響因子等級對不同土壤侵蝕強度的影響率(表1)。

表1 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關鍵指標影響率

從氣象因子看，氣象條件對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：6 h極端降水量影響率均值(4.63)>12 h極端降水量影響率均值(4.57)>24 h極端降水量影響率均值(4.50)>降雨侵蝕力影響率均值(4.35)；降水量各等級指標對土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強度均呈遞增趨勢，其中，極端降水量(>250 mm)和降雨侵蝕力[>8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)]對土壤侵蝕量的總影響率最大，6，12，24 h極端降水量的總影響率分別為29.72，29.41，28.15，降雨侵蝕力的總影響率為28.12；氣象條件各等級指標對土壤侵蝕中度及以下的影響隨降水量的增加基本不變，而強烈及以上的影響隨降水量的增加呈遞增趨勢，其中，極端降水量(>250 mm)和降雨侵蝕力[>8 000 MJ·mm/(hm2·h·a)]的劇烈侵蝕對土壤侵蝕的影響最大，6，12，24 h極端降水量的影響率分別為17.00，16.84，15.77，降雨侵蝕力的影響率為15.55。

從地形因子看，地形起伏度對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：地形起伏度各等級指標對土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強度均呈遞增趨勢，其中，地形起伏度(>200 m)對土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計為29.71；地形起伏度各等級指標對土壤侵蝕各強度的影響隨地形起伏度的增加呈增加趨勢，其中，地形起伏度(>200 m)的劇烈侵蝕對土壤侵蝕的影響最大，影響率為17.17，地形起伏度(150～200 m)的劇烈侵蝕次之，影響率為13.89，地形起伏度(<150 m)，影響率差別不大。

從土壤因子看，土壤可蝕性對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：土壤可蝕性各等級指標對土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強度均呈遞增趨勢，其中，土壤可蝕性(>0.018)對土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計為27.29；土壤可蝕性各等級指標對土壤侵蝕各強度的影響，除強烈侵蝕隨土壤可蝕性的增加呈遞減趨勢，其余侵蝕等級呈增加趨勢，其中，土壤可蝕性(>0.018)的劇烈侵蝕對土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.59，土壤可蝕性(0.016～0.018)的劇烈侵蝕次之，影響率為14.36，土壤可蝕性(<0.016)，影響率差別不大。

從植被因子看，植被覆蓋度對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：植被覆蓋度各等級指標對土壤侵蝕的影響隨土壤侵蝕強度均呈遞增趨勢，其中，植被覆蓋度(≤0.2)對土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計為28.47；植被覆蓋度各等級指標對土壤侵蝕中度及以下的影響隨植被覆蓋的增加呈增加趨勢，而強烈及以上的影響隨植被覆蓋度的增加呈遞減趨勢，其中，植被覆蓋度(≤0.2)的劇烈侵蝕對土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.68，植被覆蓋度(0.2～0.4)的劇烈侵蝕次之，影響率為14.60，植被覆蓋度(>0.4)，影響率差別不大。

從石漠化因子看，石漠化等級對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：1988年石漠化等級影響率均值(4.52)>2018年石漠化等級影響率均值(4.44)；1988年、2018年石漠化等級指標對土壤侵蝕的影響均隨土壤侵蝕強度呈遞增趨勢，其中，1988年重度石漠化等級對土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計分別為27.33，2018年潛在石漠化等級對土壤侵蝕量的影響率最大，影響率合計分別為27.53；1988年石漠化各等級指標對土壤侵蝕中度及以下的影響隨石漠化強度的增加變化不大，而強烈及以上的影響隨石漠化強度的增加呈遞增趨勢，其中，重度石漠化等級的劇烈侵蝕對土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.66，2018年石漠化各等級指標對土壤侵蝕中度及以下的影響隨石漠化強度的增加變化也不大，而強烈及以上的影響隨石漠化強度的增加呈遞減趨勢，其中，潛在石漠化等級的劇烈侵蝕對土壤侵蝕的影響最大，影響率為14.78。

從人類活動因子看，土地利用方式對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：工礦用地的劇烈侵蝕對土壤侵蝕的影響最大，影響率為15.85，灌木林的劇烈侵蝕次之，影響率為14.94，之后旱地、裸地的劇烈侵蝕，影響率分別為14.47，14.44。

從綜合因子看，各影響因子指標對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為：因子影響率，氣象(4.51)>石漠化(4.48)>植被(4.44)>土壤(4.36)>地形(4.18)>人類活動(4.12)；指標影響率，6 h極端降水量(>250 mm)影響率最大，為29.72，其次為地形起伏度(>200 m)，為29.71，之后為12 h極端降水量(>250 mm)，為29.00，地形起伏度(≤50 m)影響率最小，為20.55；等級強度影響率，地形起伏度(>200 m)的劇烈侵蝕影響最大，為17.17，6 h極端降水量(>250 mm)的劇烈侵蝕次之，為17.00，之后為12 h極端降水量(>250 mm)的劇烈侵蝕，為16.84。

3.3 水土流失敏感性評估指標體系構建

巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失在巖溶背景環(huán)境和人類活動的影響下，造成了土壤量流失和土壤質量下降。巖溶環(huán)境的脆弱性和人為的破壞性，決定了巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失的敏感性?；趲r溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失關鍵指標影響評價，從自然和人為因素，考慮選取降水量、地形起伏度、土壤可蝕性、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢、土地利用方式等為評估指標，構建廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標體系(表2)。

根據巖溶水土流失關鍵指標影響評價，將各因子對水土流失敏感性劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極敏感，規(guī)定量值從1—9敏感性依次增加，獲得廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指數值。從氣象影響因子可知，水土流失量與高強度、大暴雨、特大暴雨等大侵蝕降水量密切關系，降水強度越高、降水總量越大，其水土流失量越大，水土流失敏感性越高。從石漠化影響因子可知，不同階段石漠化等級對水土流失的敏感性呈現(xiàn)出較大差異。在石漠化形成初級，巖溶區(qū)還有土地覆蓋，即“有土可流”，此時水土流失量隨石漠化等級強度呈遞增趨勢。石漠化等級越高，水土流失敏感性越高。在石漠化擴張階段，巖溶區(qū)已基本無土地覆蓋，即“無土可流”，此時水土流失量隨石漠化等級強度呈遞減趨勢。但這并不表明石漠化等級強度越高，水土流失敏感性越低。因此，可以采用石漠化演變趨勢作為石漠化因子對水土流失敏感性評價指標。石漠化演變趨勢變得越差，水土流失敏感性越高?；贕IS技術，將不同階段的石漠化等級進行空間疊加，分析石漠化演變趨勢，劃分為變好、變較好、不變、變較差、變差5個等級，其中，變好：輕度變潛在、中度變潛在、重度變潛在；變較好：中度變輕度、重度變輕度、重度變中度；不變：潛在變潛在、輕度變輕度、中度變中度、重度變重度；變較差：潛在變輕度、潛在變中度、輕度變中度；變差：潛在變重度、輕度變重度、中度變重度。人類活動對水土流失的影響主要體現(xiàn)在土地利用方式的變化。土地利用方式越不合理越容易造成水土流失。根據土地利用方式對土壤侵蝕的影響率，將濕地、居住地劃分為不敏感區(qū)；林地、灌木林地為輕度敏感區(qū)；草地和水田為中度敏感區(qū)；旱地、園地為高度敏感區(qū)；交通用地、工礦用地和裸地為極敏感區(qū)。

表2 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標體系

3.4 水土流失敏感性評估模型及對比分析

基于巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標體系，耦合氣象、地形、土壤、植被、土地利用方式等自然因素和人為因素對水土流失敏感性的相互影響作用，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估模型。

3.4.1 基于GIS疊加分析法的水土流失敏感性評價模型 考慮選擇降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、土地利用方式，采用GIS疊加分析法，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估模型，公式如下：

(8)

式中:CMSEI為水土流失敏感性指數；R1,K1,T1,C1,P1分別為降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、土地利用方式敏感性等級值。

3.4.2 基于層次分析法的水土流失敏感性評價模型 考慮選擇極端降水事件、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢、土地利用方式為評估指標，采用層次分析法，基于1—9標度法，通過兩兩對比判定水土流失敏感性指標的重要性，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標矩陣(表3)。

通過判斷矩陣計算最大特征根λmax為6.120 5，特征向量為(2.345 7，0.395 2，0.620 6，0.936 8，1.537 2，0.276 0)，CR=0.019(<0.1)，滿足一致性檢驗，歸一化得權重為(0.382 9，0.064 5，0.101 4，0.153 4，0.253 1，0.044 7)。采用加權綜合評價法，建立廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估模型，公式如下：

AHPEI=0.3829R2+0.0645T1+0.1014K1+

0.1534C1+0.2531M1+0.0447P1

(9)

式中:AHPEI為水土流失敏感性指數；R2為極端降水量；M1為石漠化演變趨勢。

表3 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估指標矩陣

3.4.3 基于空間主成分分析的水土流失敏感性評價模型 同樣考慮選擇極端降水事件、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢、土地利用方式為評估指標，采用空間主成分分析法進行指標集成(表4)。

表4 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性指標主成分分析

空間主成分分析結果顯示，按照結果選取前4個主成分即可達到主成分分析85%累計貢獻率的統(tǒng)計要求，選取前5個主成分即可達到對整體評價的98.64%貢獻，說明前5個主成分已經能夠很好地反映巖溶區(qū)水土流失敏感性狀況。進一步分析各主成分，第1主成分的貢獻率為43.29%，在土壤可蝕性上的特征向量值較大，可以概括為土壤敏感性因子；第2主成分的貢獻為20.92%，在石漠化演變趨勢上的特征向量值較大，概括為石漠化敏感性因子；第3主成分的貢獻率為19.18%，在地形起伏度上的特征向量值較大，概括為地形敏感性因子；第4主成分的貢獻率為9.47%，在土地利用方式上的特征向量值較大，概括為人為活動敏感性因子；第5主成分的貢獻率為5.78%，在極端降水事件上特征向量值較大，概括為氣象敏感性因子。綜合考慮各個主成分的貢獻因子，地形、土壤、石漠化、氣象、人為活動5個因子是影響巖溶區(qū)水土流失的主要因素，這與研究區(qū)的實際也是相符的。根據空間主成分分析結果，建立廣西巖溶水土流失敏感性評估模型，公式如下：

PCAEI=0.4329PC1+0.2092PC2+0.1918PC3+0.0947PC4+0.0578PC5

(10)

式中:PCAEI為水土流失敏感性指數；PC1,PC2,PC3,PC4,PC5分別為第1—5主成分。

3.4.4 模型對比分析 根據巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估模型，采用GIS技術，獲得空間分辨率為250 m的廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)敏感性綜合指數分布，并利用自然斷點法將廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感5級敏感區(qū)。為進一步驗證評估模型研究結果的合理性，根據水土流失遙感監(jiān)測數據，采用基于GIS的信息量法，計算廣西巖溶區(qū)水土流失敏感性等級信息量(表5)。

表5 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估模型驗證對比分析

驗證對比結果顯示，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性信息量均隨敏感性等級強度的增強而增加；進一步分析各敏感性等級強度信息量，CMSEI模型的高度及以上敏感性等級信息量為正值，而AHPEI模型和PCAEI模型的中度及以上敏感性等級信息量為正值，說明AHPEI模型和PCAEI模型的敏感性評價優(yōu)于CMSEI模型；PCAEI模型的中度及以上敏感性等級信息量均大于AHPEI模型的中度及以上敏感性等級信息量，且PCAEI模型的極敏感信息量最大(0.85)，而PCAEI模型的輕度與不敏感性等級信息量均小于AHPEI模型的輕度與不敏感性等級信息量，且PCAEI模型的不敏感性信息量最小(-2.27)，說明PCAEI模型的不敏感性評價也優(yōu)于AHPEI模型。因此，通過綜合的對比分析，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評估模型，PCAEI模型最優(yōu)，其次為AHPEI模型，之后為CMSEI模型。

3.5 水土流失敏感性空間分異特征

基于水土流失敏感性評估最優(yōu)的PCAEI模型，統(tǒng)計廣西巖溶區(qū)各地級市水土流失不同等級敏感區(qū)域面積及其比例，計算各地市水土流失敏感性SEPEI值(表6)。從敏感性等級看，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性主要以輕度、中度、高度敏感區(qū)為主，占巖溶區(qū)總面積的74.01%，其中，輕度敏感區(qū)面積比例最大，為29.07%，極敏感區(qū)面積比例最小，為10.56%；從敏感性的危險性看，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性整體中度偏重，其中，河池市的敏感性的危險性最高，其次為百色市，之后為南寧市；從空間分布格局看，極敏感區(qū)主要分布在河池市南部和西部、百色市東北部、南寧市北部，分別占總巖溶區(qū)總面積的5.68%，2.28%，0.84%，該區(qū)域極端降水強度大、地形起伏度大、土壤可蝕性強、植被覆蓋度小、石漠化改善狀況差，且受人類活動干擾較大；高度敏感區(qū)主要分布在河池市南部、百色市南部、崇州市北部，分別占總巖溶區(qū)總面積的7.45%，4.87%，2.21%，該區(qū)域極端降水強度較大、地形起伏度較大、土壤可蝕性較強、植被覆蓋度較小、石漠化改善狀況較差，且受人類活動干擾大；中度敏感區(qū)主要分布在河池市東南部和北部、百色市南部、崇左市北部，分別占巖溶區(qū)總面積的8.39%，5.42%，4.32%，該區(qū)域極端降水強度較大、地形起伏度較大，但石漠化演變趨勢穩(wěn)定、土壤可蝕性一般、人類活動干擾較?。惠p度敏感區(qū)主要分布在河池市東北部、崇左市中部、桂林市大部，分別占巖溶區(qū)總面積的5.95%，4.48%，4.47%，該區(qū)域極端降水強度較小、地形起伏度較小、土壤可蝕性較小，但植被覆蓋度較高、石漠化演變趨勢良好、受人類活動干擾較也較?。徊幻舾袇^(qū)主要分布在崇左市南部、桂林市東北部、河池市東部，分別占巖溶區(qū)總面積的3.37%，2.76%，2.39%，該區(qū)域極端降水強度小、地形起伏度小、土壤可蝕性小、植被覆蓋度高、石漠化改善狀況最好。從總體看，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性強度由巖溶區(qū)的東部向西部、由南部向北部逐漸增強；敏感區(qū)主要分布在河池市、百色市，分別占巖溶區(qū)總面積27.47%，15.71%(圖2)。

表6 廣西巖溶區(qū)各地市水土流失敏感性等級面積及其比例和SEPDI值

圖2 廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性分區(qū)

4 討 論

石漠化是巖溶區(qū)的重要生態(tài)景觀，水土流失和石漠化發(fā)展存在著惡性循環(huán)，但目前有關巖溶地區(qū)水土流失研究中鮮有考慮石漠化演變的影響。李陽兵等[47]研究指出的巖溶區(qū)必須基于生態(tài)退化的現(xiàn)狀來評價土壤侵蝕敏感性，凡非得等[36]也提出未來巖溶區(qū)應該結合石漠化及其變化過程數據來研究水土流失敏感性。本研究在水土流失敏感性因子中增加了石漠化等級變化作為影響因子，較充分考慮了石漠化等級變化對水土流失的影響：石漠化程度加劇，說明在自然或人為因素影響下，植被生態(tài)環(huán)境變差，水土流失敏感性較高；石漠化程度變化較小或不變，說明自然或人為因素對巖溶生態(tài)系統(tǒng)影響較小，生態(tài)平衡維持得較好，但這種平衡是基于生態(tài)保護條件下，脆弱且容易打破，水土流失敏感性中等；石漠化程度變輕，說明自然或人為因素對巖溶生態(tài)系統(tǒng)的作用是有利的，植被生態(tài)環(huán)境變好，水土流失不敏感。本研究發(fā)現(xiàn)，石漠化等級變化指標在6種水土流失敏感性因子中，作用大小僅次于氣象因子。引入石漠化因子后的修正通用土壤流失模型(RUSLE)可以較合理地評價廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤流失空間分布狀況，有效地改進了巖溶區(qū)不考慮石漠化或只考慮石漠化等級作為水土流失敏感性評估指標，解決了巖溶區(qū)水土流失“無土可流”問題，使巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評價更加合理。

本研究對比分析空間疊加分析法、層次分析法、空間主成分分析法3種水土流失敏感性評價方法，發(fā)現(xiàn)以極端降水、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢、土地利用方式為評估指標的主成分分析法(PCAEI)評估結果最優(yōu)?？赡茉蚴荘CAEI的氣象評估指標考慮了極端降水事件對水土流失的影響，而巖溶區(qū)土壤淺薄且分布不連續(xù)，在地形起伏度較大、植被覆蓋度較低的下墊面，高強度的極端降水對地表具有很強的沖刷能力，極易造成水土流失，這與蔡雄飛等[48]的結論是一致的。巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性各關鍵指標的影響程度存在差異，采用空間主成分分析法將多個影響因子通過正交線性變換來選出少數重要指標進行多維數據集成的PCAEI法，改進了不考慮因子重要性的CMSEI法及采用專家打分法與層次分析法相結合主觀性的AHPEI法，使巖溶生態(tài)水土流失敏感性評估更加適用與客觀。此外，基于較高空間分辨率的石漠化等級評價數據，采用“3S”技術和空間主成分分析法開展巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性評價，可以為區(qū)域生態(tài)保護空間精準定位提供技術支撐，對生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境敏感性評估方法，具有較好的應用價值。進一步地研究采用更高分辨率的衛(wèi)星遙感影像數據獲取NDVI、石漠化數據，計算更高精度的植被覆蓋、石漠化演變趨勢數據，為巖溶區(qū)域更客觀化、精準化、定量化的生態(tài)空間劃定提供技術支撐，為巖溶區(qū)植被生態(tài)恢復及水土流失的防治提供參考依據。

5 結 論

(1) 引入石漠化因子后的修正通用土壤流失模型(RUSLE)可以較合理地評價廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤流失空間分布狀況。廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)侵蝕強度以中度及以上為主，合計占比89.93%，其中中度侵蝕占比最大(42.61%)，微度土壤侵蝕量占比最小(0.40%)。侵蝕面積以中度及以下為主，合計占比91.08%，其中輕度占比最大(37.33%)，劇烈侵蝕面積占比最小(0.66%)。

(2) 水土流失敏感性是自然因素與人為因素共同作用的結果，對比分析了氣象、土壤、植被、石漠化、地形和人類活動共6種水土流失敏感性因子，作用大小順序為：氣象>石漠化>植被>土壤>地形>人類活動。水土流失影響率與大多數敏感性因子和土壤侵蝕強度均呈一致變化趨勢，即隨著敏感性因子或土壤侵蝕強度的增大，水土流失影響率增大。對比分析各種因子，6 h極端降水量(>250 mm)對各等級土壤侵蝕的綜合影響率最大，地形起伏度(≤50 m)影響率最小。

(3) 對比分析空間疊加分析法、層次分析法、空間主成分分析法3種水土流失敏感性評價方法，以極端降水、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、石漠化演變趨勢、土地利用方式為評估指標的主成分分析法(PCAEI)評估結果最優(yōu)，層次分析法和加權綜合評價法(AHPEI)次之，因子疊加分析法(CMSEI)評估結果較差。

(4) 利用優(yōu)選的主成分分析法(PCAEI)分析水土流失敏感性空間分異特征，廣西巖溶生態(tài)系統(tǒng)水土流失敏感性主要以輕度、中度、高度敏感區(qū)為主，水土流失敏感性整體中度偏重。水土流失敏感性強度由東部向西部、由南部向北部逐漸增強，敏感區(qū)主要分布在河池市、百色市，不敏感區(qū)主要分布在桂林市、崇左市。敏感區(qū)具有極端降水強度較大、地形起伏度較大、土壤可蝕性較強、植被覆蓋度較小、石漠化改善狀況較差及受人類活動干擾大的共同的特征。