王海濤， 謝紅霞?， 楊勤科， 周 清， 段良霞

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，410128，長(zhǎng)沙；2.西北大學(xué)，710127，西安)

土壤侵蝕破壞地表植被，造成土壤養(yǎng)分流失，降低土地生產(chǎn)力，導(dǎo)致土地資源破壞、流域水質(zhì)污染、水庫(kù)泥沙堆積和洪澇災(zāi)害，危及生態(tài)安全，是全球性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[1- 3]。USLE和RUSLE模型的大力發(fā)展[4]，廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕研究，多在坡面和小流域尺度上進(jìn)行。當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于流域土壤侵蝕時(shí)空變化特征以本地小流域的研究較多，且大多局限于短時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)，對(duì)于大型流域長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究較少。蒸水流域曾經(jīng)是湖南省水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一，流域內(nèi)土壤母質(zhì)風(fēng)化程度高，防洪、排澇設(shè)施少，洪水來(lái)臨導(dǎo)致河水漫灘，造成較大財(cái)產(chǎn)損失[5]。為了遏制水土流失，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門(mén)在蒸水流域開(kāi)展了水土保持和水環(huán)境綜合治理工作，如蒸水南堤草橋- 蒸水橋防洪工程建設(shè)等。要了解流域土壤侵蝕歷史及現(xiàn)狀，需要在蒸水流域土壤侵蝕狀況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)與分析。筆者基于土壤侵蝕的基本理論，利用GIS和RS技術(shù)，將CSLE模型與長(zhǎng)時(shí)序地面觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，定量評(píng)價(jià)蒸水流域1995、2000、2005、2010和2015年的土壤侵蝕情況，了解流域內(nèi)土壤侵蝕環(huán)境背景和土壤侵蝕差異，掌握其水土流失整體現(xiàn)狀，研究結(jié)果可望為水土流失防治、水土保持規(guī)劃和技術(shù)管理提供科學(xué)參考，以便更好的利用水土資源。

1 研究區(qū)概況

蒸水屬洞庭湖水系湘江的一級(jí)支流，流域介于E 111°53′～112°37′、N 26°52′～27°10′之間，流域面積3 480 km2，河長(zhǎng)194 km，形狀呈“乙”字型，河流坡降0.54‰。北、東、南3面環(huán)山，山地丘陵為2 720 km2，約占流域總面積的71%；中、下游地區(qū)為平原、低地，面積為750 km2，約占總面積的20%[6]；其余為水域。流域內(nèi)及流域周邊有雙峰站、邵東站等9個(gè)氣象站，神山頭站為水文站(圖1)。

圖1 蒸水流域高程圖Fig.1 Elevation map of Zhengshui River Basin

2 數(shù)據(jù)與方法

研究采用中國(guó)土壤流失方程CSLE模型來(lái)估算蒸水流域的土壤侵蝕量，CSLE是Liu等[7]基于我國(guó)土壤侵蝕現(xiàn)狀，以USLE和RUSLE為原型，改進(jìn)提出的適用于我國(guó)的預(yù)測(cè)坡耕地年土壤流失的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ撃Ｐ徒Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)要求低，也適用于溝壑縱橫，山高坡陡地區(qū)。模型為

A=RKLSBET。

(1)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，表示多年平均土壤流失速率，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為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；B為植被覆蓋與生物措施因子；E為工程措施因子；T為耕作措施因子。參考水利部辦公廳文件辦水保(2018)189號(hào)文件《關(guān)于印發(fā)區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)的通知》及水利部監(jiān)測(cè)中心頒布的技術(shù)規(guī)定[8]：R因子采用殷水清等[9]的利用冷暖季日雨量資料計(jì)算半月降雨侵蝕力公式，累加半月降雨侵蝕力得到年降雨侵蝕力，經(jīng)過(guò)普通克里金空間插值后，形成蒸水流域降雨侵蝕力因子分布圖。K因子數(shù)據(jù)由劉寶元教授提供，計(jì)算方法采用的國(guó)務(wù)院第1次全國(guó)水利普查計(jì)算K值方法[10]。LS因子采用Liu等[7]的CSLE算法。

參照《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》附錄7的要求，并結(jié)合前人對(duì)B因子的研究和對(duì)華中區(qū)林下蓋度的野外調(diào)查成果[11- 13]，得到不同用地類(lèi)型的B因子值，其中林地和草地的B因子利用TM多光譜影像(1995—2010年利用Landsat4-5 TM衛(wèi)星影像，2015年利用Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像)中紅波段和近紅外波段，計(jì)算歸一化植被指數(shù)( normalized difference vegetation index， NDVI)，基于NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算得到30 m空間分辨率的植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)。

灌木林地和草地的B值采用計(jì)算公式：

(2)

(3)

果園、其他園地、有林地和其他林地的B值采用計(jì)算公式：

B=0.444 68e(-3.200 96GD)- 0.040 99e(FVC-FVC×GD)+0.025。

(4)

式中：GD為喬木林的林下蓋度。根據(jù)前人對(duì)華中區(qū)林下蓋度的研究和野外調(diào)查[12- 13]，分別擬定有林地、疏林地和其他林地的林下蓋度值，代入到上式計(jì)算。耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地、其他建設(shè)用地、水域、裸土地和裸巖的B值分別直接賦值為1.000、0.010、0.025、0.100、0、1.000和0[8]，形成蒸水流域植被覆蓋與生物措施因子圖。

蒸水流域內(nèi)工程措施主要為土坎水平梯田，參照《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》，將水田賦E因子值為0.084，其余用地類(lèi)型賦值為1.000。蒸水流域所在區(qū)域在全國(guó)輪作區(qū)內(nèi)均處于2湖平原丘陵水田中三熟二熟區(qū)，將耕地T因子賦值為0.312，其他用地類(lèi)型賦值為1。形成蒸水流域工程措施因子圖和耕作措施因子圖。

由于土壤侵蝕變化受到了自然和人類(lèi)活動(dòng)的綜合作用影響，其中自然因素主要考慮于降水變化，人類(lèi)活動(dòng)主要考慮土地利用變化和水土保持措施實(shí)施的變化。為了區(qū)分降水和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)蒸水流域土壤侵蝕的不同影響，利用控制變量方法，分別模擬只考慮降水變化和只考慮土地利用變化情景下2015年的土壤侵蝕狀況[14]。具體步驟如下：1)不考慮其他因素變化，只考慮降水變化情景下的2015年土壤侵蝕模數(shù)：A2015R=R2015KLSB1995E1995T1995；2)不考慮其他因素變化，只考慮土地利用變化情景下的2015年土壤侵蝕模數(shù)：A2015=R1995KLSB2015E2015T2015；3)同時(shí)考慮降水變化和土地利用變化情景下的2015年土壤侵蝕模數(shù)：A2015RBET=R2015KLSB2015E2015T2015；4)將計(jì)算的1995年實(shí)際土壤侵蝕模數(shù)與模擬情景下的2015年土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕因子

基于CSLE的因子算法，利用1995—2015年的5個(gè)年度數(shù)據(jù)，獲得了蒸水流域30 m分辨率R、K、LS、B、E、T因子圖。

3.1.1 降雨侵蝕力因子 統(tǒng)計(jì)蒸水流域周邊9個(gè)氣象站每年侵蝕性降雨的出現(xiàn)時(shí)間，繪制柱狀圖(圖2)。1995—2015年各年的平均侵蝕性降雨時(shí)間分別為32.6、44.6、44.1、47.9和48.3 d；非侵蝕性降雨時(shí)間分別為332.4、321.4、320.9、317.1和316.7 d。1995年侵蝕性降雨占全年比例最小，而2010和2015年侵蝕性降雨占全年比例最大。

圖2 蒸水流域各氣象站5個(gè)年度各級(jí)侵蝕性降雨全年出現(xiàn)次數(shù)Fig.2 Frequency of different erosive rainfall of 5 periods in each climate station of Zhengshui River Basin

如表1與圖3所示，2010年R值最大，均值為5 934 MJ·mm/(hm2·h·a)，地區(qū)間年降雨侵蝕力分布差異最大，標(biāo)準(zhǔn)差為1 280 MJ·mm/(hm2·h·a)；1995年R值最小，均值4 275 MJ·mm/(hm2·h·a)，標(biāo)準(zhǔn)差為215 MJ·mm/(hm2·h·a)；2005年R值為5 177 MJ·mm/(hm2·h·a)，降雨侵蝕力空間分布最為均勻，標(biāo)準(zhǔn)差為199 MJ·mm/(hm2·h·a)。

表1 蒸水流域降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Statistics of rainfall erosivity in Zhengshui River Basin MJ·mm/(hm2·h·a)

圖3 蒸水流域5個(gè)年度降雨侵蝕力因子圖Fig.3 Rainfall erosivity factor map of 5 periods in Zhengshui River Basin

3.1.2 土壤可蝕性因子 蒸水流域表層土壤可蝕性因子K值主要介于0～0.006 748 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)之間，均值為0.004 333 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。高值區(qū)主要分布在流域南部、東南部以及中部區(qū)域，低值區(qū)主要分布在流域西北部地區(qū)。造成這種空間異質(zhì)性的原因主要取決于土壤類(lèi)型的異質(zhì)性； 高值區(qū)的主要土壤類(lèi)型為水稻土，低值區(qū)的主要土壤類(lèi)型為石灰土(圖4)。

圖4 蒸水流域土壤可蝕性因子K值圖Fig.4 Soil erodibility factor K map in Zhengshui River Basin

3.1.3 坡長(zhǎng)坡度因子 利用DEM數(shù)據(jù)提取得到蒸水流域坡度分布圖和地形因子圖(圖5和6)蒸水流域LS值均值為4.45。流域東北部、北部、西南山區(qū)LS值較高，中部、南部與東南部LS值較低，呈馬蹄形分布。

3.1.4 植被覆蓋與生物措施因子和土地利用情況 1995、2000、2005、2010和2015年蒸水流域的年均B因子分別為0.451 1、0.450 7、0.449 6、0.448 5和0.445 6。B因子逐漸減小，年際差異主要來(lái)源于土地利用變化情況。西南、北部區(qū)域B值較低，東南部區(qū)域B值較高(圖7)。

圖5 蒸水流域坡度分布圖Fig.5 Slope map of Zhengshui River Basin

圖6 蒸水流域坡度坡長(zhǎng)因子圖Fig.6 Slope and slope length factor LS map of Zhengshui River Basin

圖7 蒸水流域5個(gè)年度植被覆蓋與生物措施因子圖Fig.7 Vegetation cover and biological practice factor B map during 5 periods in Zhengshui River Basin

1995年蒸水流域內(nèi)以耕地和林地為主，其面積分別占總面積的42.79%和54.16%，呈現(xiàn)以農(nóng)、林地為主的土地利用結(jié)構(gòu)特征。此后隨著退耕和建設(shè)占用，耕地面積逐年下降。到了2015年，耕地和林地為主要用地類(lèi)型的格局沒(méi)有變化，分別占流域面積的42.22%和53.89%。相比于1995年，水田面積占比減少0.37%，旱地面積占比減少0.19%，林地面積比例減少0.27%，而城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)等建設(shè)用地面積比例增加0.80%，這種變化是流域內(nèi)城市化發(fā)展的結(jié)果。

3.1.5 工程措施因子與耕作措施因子 1995—2015年蒸水流域的年均E因子分別為0.710 9、0.711 5、0.711 9、0.712 1和0.714 3，西南、北部區(qū)域E值較高，中部與東南部區(qū)域E值較低。E因子的空間異質(zhì)性來(lái)源于梯田，而西南及北部地區(qū)為非水田區(qū)域，工程措施因子都為1(圖8)。1995—2015年蒸水流域的年均T因子分別為0.705 6、0.706 1、0.706 8、0.707 1和0.709 5。西南、北部區(qū)域T值較高，中部與東南部區(qū)域T值較低。T因子的空間異質(zhì)性來(lái)源于2湖平原丘陵輪作區(qū)的耕地，西南及北部地區(qū)用地類(lèi)型為非耕地，耕作措施因子都為1(圖9)。

圖8 圖8 蒸水流域2015年工程措施因子E值圖Fig.8 Engineering practice factor E map of Zhengshui River Basin in 2015

圖9 蒸水流域2015年耕作措施因子T值圖Fig.9 Tillage practice factor T map of Zhengshui River Basin in 2015

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度

運(yùn)用CSLE模型計(jì)算得到蒸水流域1995、2000、2005、2010和2015年的土壤侵蝕模數(shù)(圖10)。各年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為412、520、479、530和528 t/(km2·a)，1995與2005年屬于微度侵蝕等級(jí)，2000、2010和2015年屬于輕度侵蝕等級(jí)。根據(jù)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190—2007《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，蒸水流域所在的南方紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕模數(shù)所推薦的容許土壤流失量為500 t/(km2·a)，這5年的平均侵蝕模數(shù)為494 t/(km2·a)，低于容許土壤流失量，可以判定蒸水流域水土流失情況較輕。

利用ArcGIS軟件統(tǒng)計(jì)功能，得到各土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的侵蝕面積與比例。按照水利侵蝕強(qiáng)度分級(jí)對(duì)土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行劃分，蒸水流域1995—2015年發(fā)生的主要侵蝕類(lèi)型為微度侵蝕，均占到全流域面積的70%以上；輕度侵蝕區(qū)域均占全流域面積的20%以上；中度侵蝕區(qū)域占全流域面積的2%以?xún)?nèi)；強(qiáng)烈及以上等級(jí)侵蝕區(qū)域占全流域面積的1%以?xún)?nèi)(表2)。將土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖(圖10)與流域坡度分布圖(圖5)比較，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕強(qiáng)度在空間上的分布與坡度區(qū)間在空間上的分布相似，坡度較大的區(qū)域，土壤侵蝕強(qiáng)度較高。

2015年與1995年相比，時(shí)間跨度較長(zhǎng)，R值與B、E和T值差異較大，A值差異也較大。通過(guò)模擬考慮降水變化和考慮土地利用變化情景下2015年的土壤侵蝕狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1)只考慮降雨變化情景下的2015年單位面積土壤侵蝕量均值為526 t/(km2·a)；2)只考慮土地利用變化情景下的2015年單位面積土壤侵蝕量均值為412 t/(km2·a) ；3)同時(shí)考慮降水和土地利用變化情景下的2015年單位面積土壤侵蝕量均值為528 t/(km2·a)。通過(guò)對(duì)比可以看出：從1995年到2015年，降水變化加劇了蒸水流域的土壤侵蝕，土地利用變化對(duì)土壤侵蝕變化不明顯，其中降水變化使流域侵蝕量增加27.67%，土地利用變化使流域侵蝕量增加0.18%，降水和土地利用變化共同作用使侵蝕量增加28.16%。

圖10 蒸水流域5個(gè)年度土壤侵蝕模數(shù)空間分布Fig.10 Spatial distribution of soil erosion modulus during 5 periods in Zhengshui River Basin

表2 蒸水流域5個(gè)年度各土壤侵蝕強(qiáng)度的面積Tab.2 Area of each soil erosion intensity during 5 periods in Zhengshui River Basin km2

分區(qū)統(tǒng)計(jì)不同用地類(lèi)型的土壤侵蝕情況(表3)。流域內(nèi)面積大小占比靠前的土地利用類(lèi)型分別為有林地(35.94%)、水田(31.24%)、疏林地(15.20%)、旱地(11.00%)，以上4類(lèi)用地占到研究區(qū)總面積的93.38%。土壤侵蝕強(qiáng)度從大到小分別為旱地>有林地>疏林地>水田，旱地土壤侵蝕模數(shù)大于有林地土壤侵蝕模數(shù)，主要原因是旱地較有林地的植被覆蓋度小，其B值遠(yuǎn)大于有林地的B值；有林地土壤侵蝕模數(shù)大于疏林地土壤侵蝕模數(shù)，主要原因是有林地的平均海拔高、坡度大，其LS值遠(yuǎn)大于疏林地的LS值；疏林地土壤侵蝕模數(shù)略大于水田土壤侵蝕模數(shù)，主要原因是水田在工程措施與耕作措施的共同影響下，保土效果略?xún)?yōu)于植被覆蓋與生物措施對(duì)疏林地的影響。

表3 蒸水流域5個(gè)年度主要用地類(lèi)型與土壤侵蝕模數(shù)Tab.3 Soil erosion modulus under different land use type during 5 periods in Zhengshui River Basin

3.3 各縣區(qū)的侵蝕強(qiáng)度分析

根據(jù)模擬估算結(jié)果表明，土壤侵蝕現(xiàn)象在蒸水流域并不常見(jiàn)。蒸水流域涉及的行政區(qū)面積前3的區(qū)縣為衡陽(yáng)縣、邵東縣和衡南縣，面積占比分別為64.98%、16.47%和11.84%，其余各縣區(qū)總面積比例不足7%(表4)。南方紅壤丘陵區(qū)所推薦的容許土壤流失量為500 t/(km2·a)，衡陽(yáng)縣僅在2010年達(dá)到輕度侵蝕等級(jí)，平均侵蝕模數(shù)為462 t/(km2·a)；衡南縣在2000年、2005年和2015年達(dá)到輕度侵蝕等級(jí)，平均侵蝕模數(shù)為517 t/(km2·a)；邵東縣在5個(gè)年度均為輕度侵蝕，平均侵蝕模數(shù)為591 t/(km2·a)。流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)>500 t/(km2·a)的地區(qū)集中分布在邵東縣東部，衡陽(yáng)縣西部、北部、東北部，衡南縣西北部，南岳區(qū)，以上地區(qū)是未來(lái)水土保持的重點(diǎn)地區(qū)。

表4 蒸水流域5個(gè)年度各縣區(qū)面積與土壤侵蝕模數(shù)Tab.4 Soil erosion modulus and area of each county or district under different region during 5 periods in Zhengshui River Basin

3.4 土壤侵蝕量與輸沙量對(duì)比

神頭山站是蒸水流域的水文站，其控制面積為2 857 km2，約占全流域面積的82.10%，利用ArcGIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具來(lái)計(jì)算神頭山水文站控制面積的侵蝕模數(shù)，并將計(jì)算侵蝕量與神頭山站觀測(cè)的輸沙量進(jìn)行對(duì)比(表5)。

表5 神山頭站控制范圍內(nèi)外各年統(tǒng)計(jì)特征值Tab.5 Statistical characteristic values of each year within and outside the control area of Shenshantou Station

結(jié)果表明1995—2015年神山頭水文站控制范圍侵蝕量呈波動(dòng)變化，輸沙量逐漸減少，由1995年的26.4萬(wàn)t減少到2015年的10.2萬(wàn)t，各年侵蝕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該年輸沙量，泥沙輸移比逐年下降，由0.22下降到了0.07。神山頭站控制范圍內(nèi)輸沙量遠(yuǎn)小于侵蝕量，實(shí)測(cè)輸沙量逐年降低。究其原因：一是因?yàn)楸狙芯康挠?jì)算侵蝕量是基于坡面模型的每個(gè)單元侵蝕量的總和，沒(méi)有考慮每個(gè)單元侵蝕量在輸移過(guò)程中的沉積[15]，神頭山水文站的控制面積占全流域的80%以上，侵蝕土壤需要通過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，輸移過(guò)程中有大量侵蝕土壤發(fā)生沉積，絕大部分侵蝕土壤因就地沉積或沿途沉積等因素最終未能抵達(dá)神頭山站；二是由于流域內(nèi)林草覆蓋度達(dá)到50%以上，植被覆蓋除減少坡面侵蝕且攔截侵蝕土壤的作用顯著；三是流域除梯田外還有一些其他水土保持工程措施，在本次評(píng)價(jià)中未考慮，他們也能攔截侵蝕土壤[16]。

4 討論與結(jié)論

1)蒸水流域土壤侵蝕在空間上呈現(xiàn)由西北至東南逐漸減弱的特征。5個(gè)年度的侵蝕模數(shù)分別為412、520、479、530和528 t/(km2·a)，呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)。5個(gè)年度的平均侵蝕模數(shù)為494 t/(km2·a)，低于容許土壤流失量，屬于微度侵蝕等級(jí)，全流域平均水土流失情況較輕，但存在局部侵蝕嚴(yán)重的情況。

2)侵蝕性降雨發(fā)生頻次較高，侵蝕性降雨變化是蒸水流域近20年侵蝕時(shí)空變化最主要的驅(qū)動(dòng)因素，降水變化使流域侵蝕量增加了26.67%。

3)蒸水流域主要用地類(lèi)型的土壤侵蝕情況為旱地>有林地>疏林地>水田。

4)神山頭水文站控制范圍內(nèi)侵蝕計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)輸沙量，輸沙量逐年降低；流域內(nèi)高覆蓋度的林草，水土保持工程參與攔截侵蝕土壤過(guò)程，使絕大部分侵蝕土壤就地或沿途發(fā)生沉積，最終未能到達(dá)水文站泥沙出口，使泥沙輸移比很小，而且逐年下降。

5)流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)>500 t/(km2·a)的地區(qū)集中分布在邵東縣東部，衡陽(yáng)縣西部、北部、東北部，衡南縣西北部，南岳區(qū)，以上地區(qū)是未來(lái)水土保持的重點(diǎn)地區(qū)。

本次研究原基于研究區(qū)土壤粒徑組成以及土壤有機(jī)碳含量，采用Williams的EPIC模型法[17]對(duì)蒸水流域的土壤可蝕性K值進(jìn)行計(jì)算，但直接利用EPIC公式估算K值與實(shí)測(cè)值存在較大差異，最大可達(dá)10倍，與其他學(xué)者研究結(jié)果類(lèi)似[18]，因此直接使用了現(xiàn)有的土壤可蝕性研究成果評(píng)價(jià)了蒸水流域的土壤侵蝕。

感謝北京師范大學(xué)劉寶元教授提供的湖南省土壤可蝕性因子K值數(shù)據(jù)，感謝西北農(nóng)林科技大學(xué)張宏鳴教授對(duì)地形因子提取的指導(dǎo)。