蘇新宇， 吳鎮(zhèn)宇， 劉 霞?， 唐 俊， 李 想， 趙傳普， 黎家作， 張春強(qiáng)

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210037，南京；2.淮河水利委員會淮河流域水土保持監(jiān)測中心站，233001，安徽蚌埠)

水土流失受氣象、地形、土壤、植被和人為活動等多種風(fēng)險因素影響和制約[1]。區(qū)域中某處受一個或多個風(fēng)險因素影響后，某處相比于其他位置水土流失可能發(fā)生的相對概率，稱之為水土流失風(fēng)險[2]，其結(jié)果為從最低到最高的水土流失風(fēng)險等級，較好地反映區(qū)域內(nèi)水土流失強(qiáng)度的空間差異性；因此，開展水土流失風(fēng)險分析研究，對了解區(qū)域水土流失空間差異，合理配置水土保持措施以及制訂水土保持政策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前有關(guān)區(qū)域水土流失調(diào)查與評價方面的研究[3-6]積累較多，集中在定性與定量2方面。定性是以多因子綜合評判和專家經(jīng)驗(yàn)法為主，定性判斷水土流失發(fā)生發(fā)展的可能[7-8]；定量則以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ蜑橹鳎ㄟ^模型計算土壤侵蝕模數(shù)，定量評價區(qū)域水土流失狀況[9-11]。而開展區(qū)域水土流失風(fēng)險研究的還比較少，雖有部分學(xué)者對水土流失引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行探索性研究[12-16]，但主要是采用多因子定性分析或美國通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE；revised universal soil loss equation, RUSLE)，而基于中國土壤流失方程(Chinese soil loss equation, CSLE)開展區(qū)域水土流失風(fēng)險分析的研究還未見報道。

蒙陰縣屬國家級重點(diǎn)治理區(qū)，該縣經(jīng)濟(jì)林比例大，有“中國蜜桃之鄉(xiāng)”的稱號，山地和丘陵廣泛分布，由于長期以來人類不合理的活動，自然植被幾乎蕩然無存，被人工防護(hù)林與用材林替代，坡耕地和坡地果園是水土流失的主要策源地，采礦用地水土流失也比較嚴(yán)重；因此，為了解蒙陰縣水土流失發(fā)生可能性較高的區(qū)域，以及不同地形、植被覆蓋和土地利用方式導(dǎo)致水土流失風(fēng)險的差異性，探究未來水土流失治理和水土保持規(guī)劃的重點(diǎn)區(qū)域。筆者以國家級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)蒙陰縣為研究區(qū)域，在遙感(remote sensing, RS)和地理信息系統(tǒng)(geography information systems, GIS)技術(shù)支撐下，基于CSLE模型定量計算土壤侵蝕模數(shù)，分析縣域尺度水土流失風(fēng)險因子空間分異特征，評估水土流失風(fēng)險及其等級，探討水土流失風(fēng)險與地形地貌、植被覆蓋以及土地利用的關(guān)系，以期為區(qū)域水土流失綜合整治和水土保持管理決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

蒙陰縣地處北方土石山區(qū)(E 117°45′～118°15′，N 35°27′～36°02′之間)，土地面積1 602 km2。地勢南北高，中間低，由西向東逐漸傾斜，地貌以低山丘陵為主，占97.77%。屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，多年平均氣溫12.8 ℃，多年平均降水量700 mm，降水時空分布不均勻，年際變化大。巖石類型以石灰?guī)r和頁巖為主，土壤包括粗骨土、棕壤、褐土和潮土等，以粗骨土為主。區(qū)內(nèi)有梓河、東汶河、蒙河3條主要河流，屬沂河水系。植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域，自然植被破壞嚴(yán)重，現(xiàn)多為人工植被，主要喬木樹種有側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustableulaeformis)等；自然灌木與草本植物主要有黃荊(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolors)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)等。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源及處理

基于1∶5萬地形圖，提取海拔、坡度與坡長，獲取地形地貌特征數(shù)據(jù)；基于2017年2 m分辨率GF-1，通過野外調(diào)查和人機(jī)交互解譯，獲取土地利用與水土保持措施數(shù)據(jù)；基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的NDVI產(chǎn)品，采用歸一化植被指數(shù)計算林草植被覆蓋度，并通過調(diào)查樣地校核林草植被覆蓋度計算值，獲取林草植被覆蓋特征數(shù)據(jù)；搜集沂蒙山區(qū)88個雨量站點(diǎn)30年日降雨數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力；搜集2018—2019年研究區(qū)及周邊徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)，為水土流失風(fēng)險等級劃分提供依據(jù)；搜集1∶5萬土壤類型分布圖、森林資源分布圖，開展矢量化及配準(zhǔn)，獲取研究區(qū)土壤分布圖。依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T 21010—2017)和區(qū)域?qū)嶋H，考慮人為活動及水土保持措施影響，將研究區(qū)土地利用類型劃分為8個一級類、15個二級類(表1)。

表1 土地利用現(xiàn)狀分類Tab.1 Land use classification

2.2 水土流失風(fēng)險評估方法

2.2.1 土壤侵蝕模數(shù)計算 筆者基于CSLE模型計算土壤侵蝕模數(shù)，CSLE模型如下：

A=RKLSBET。

(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)；L為坡長因子，量綱為1；S為坡度因子，量綱為1；B為生物措施因子，量綱為1；E為工程措施因子，量綱為1；T為耕作措施因子，量綱為1。降雨侵蝕力因子(R) 基于沂蒙山區(qū)88個雨量站點(diǎn)1986—2017年日降雨數(shù)據(jù)，通過逐日雨量公式法計算[17]，采用普通Kriging插值法，生成10 m空間分辨率降雨侵蝕力空間分布圖。

土壤可蝕性因子(K) 基于1∶5萬土壤類型分布圖，采集典型土壤樣品，測定土壤粒徑和有機(jī)碳，根據(jù)Williams模型[18-19]計算土壤可蝕性因子K值，并采用徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)修正。經(jīng)重采樣生成10 m空間分辨率的K因子數(shù)據(jù)圖層。

坡度、坡長因子(LS) 基于1∶5萬地形圖，采用符素華等[20]和劉寶元等[21]的修正計算公式，提取坡度坡長因子，結(jié)合野外調(diào)查單元修正，獲取10 m空間分辨率LS因子圖層。

水土保持措施因子(B、E、T) 基于MODIS標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)產(chǎn)品和TM遙感數(shù)據(jù)，采用參數(shù)修訂法[22]，獲取24個半月植被覆蓋度，依據(jù)不同土地利用類型確定各地類生物措施因子B，鑲嵌生產(chǎn)10 m空間分辨率B因子圖層。依據(jù)水土保持工程措施、全國輪作區(qū)名稱及代碼，賦值法確定工程措施因子E、耕作措施因子T，經(jīng)重采樣，生成10 m空間分辨率的ET因子圖層。

2.2.2 水土流失風(fēng)險評估 基于計算的土壤侵蝕模數(shù)，結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果和研究區(qū)徑流小區(qū)資料，探索多階自然斷點(diǎn)法與區(qū)域?qū)嶋H情況的結(jié)合，合理確定風(fēng)險斷點(diǎn)，研究土壤侵蝕風(fēng)險等級及其空間分異性，探討與風(fēng)險影響因素之間的耦合關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失風(fēng)險因子空間分異性

3.1.1 降雨侵蝕力因子 降雨侵蝕力反映降雨能引起土壤侵蝕的潛在能力。研究區(qū)降雨侵蝕力因子(R)分布呈現(xiàn)由北到南依次升高趨勢，見圖1a。降雨侵蝕力介于3 333.05～4 033.19 MJ·mm/(hm2·h·a)之間，最小值位于北部岱崮鎮(zhèn)，最大值在南部垛莊鎮(zhèn)。在保持其他因子不變的情況下，僅考慮降雨單一因素影響，聯(lián)成鎮(zhèn)南部、桃墟鎮(zhèn)、垛莊鎮(zhèn)存在較高的水土流失風(fēng)險。

圖1 水土流失風(fēng)險因子及水土流失風(fēng)險等級分布Fig.1 Risk factors of soil and water loss and risk level distribution of soil and water loss

3.1.2 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性反映土壤受到侵蝕的難易程度。研究區(qū)土壤可蝕性因子(K)值介于0.001～0.013 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)之間，≥0.012 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)的K因子在空間上呈兩帶兩片狀分布，見圖1b。岱崮鎮(zhèn)、坦埠鎮(zhèn)、垛莊鎮(zhèn)、以及舊寨鎮(zhèn)東部和桃墟鎮(zhèn)北部土壤類型主要是粗骨土，土壤可蝕性因子K值較高，若考慮土壤單一因素影響，上述區(qū)域面臨較高的水土流失風(fēng)險。研究區(qū)中部及南部K因子值平均較低，水土流失風(fēng)險小，主要涉及野店鎮(zhèn)、高都鎮(zhèn)、舊寨鎮(zhèn)、聯(lián)成-桃墟-垛莊南部山區(qū)。

3.1.3 地形因子 地形是影響水土流失的重要因素之一，地形因子是坡度(S)與坡長(L)因子綜合。總體來看，研究區(qū)地形因子分布呈現(xiàn)南北高中間低的特點(diǎn)，LS值介于0～31.56之間，見圖1c。從空間上看，岱崮鎮(zhèn)、野店鎮(zhèn)、坦埠鎮(zhèn)、桃墟鎮(zhèn)以及垛莊鎮(zhèn)的南部LS值較大，而中部的蒙陰鎮(zhèn)、常路鎮(zhèn)、高都鎮(zhèn)和聯(lián)城鎮(zhèn)LS值較小，只考慮地形因素，南部與北部較中部區(qū)域更易引發(fā)水土流失。

3.1.4 生物措施因子 生物措施因子(B)能夠定量衡量植被覆蓋對土壤侵蝕的抑制作用，植被覆蓋度高的區(qū)域，生物措施因子較低。研究區(qū)B因子介于0～1之間，從空間上看，南部蒙山山脈，中部蒙陰鎮(zhèn)附近，B因子較??；其次為北部野店鎮(zhèn)、高都鎮(zhèn)、舊寨鎮(zhèn)和岱崮鎮(zhèn)；B因子值最大的區(qū)域?yàn)槌Ｂ锋?zhèn)、聯(lián)城鎮(zhèn)、桃墟鎮(zhèn)和垛莊鎮(zhèn)(圖1d)，若考慮植被單一因素影響，這些區(qū)域則面臨較高的水土流失風(fēng)險。

3.1.5 工程措施與耕作措施因子 水土保持工程措施可以改變地形條件并控制水土流失，耕作措施則通過增加地表覆蓋和土壤入滲等提高土壤抗蝕性能。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，本文重點(diǎn)考慮梯田措施和耕作制度影響。研究區(qū)內(nèi)梯田措施有土坎和石坎2類，土坎梯田主要分布在常路鎮(zhèn)、高都鎮(zhèn)、聯(lián)城鎮(zhèn)以及野店鎮(zhèn)的北部，石坎梯田則在全縣均勻分布。在中國耕作制度區(qū)劃中，研究區(qū)屬山東丘陵水澆地二熟旱坡地花生棉花一熟區(qū)(圖1e)。

3.2 區(qū)域水土流失風(fēng)險評估

3.2.1 水土流失風(fēng)險等級

1)特殊土地利用土壤侵蝕風(fēng)險界定：結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果與專家經(jīng)驗(yàn)，將城鎮(zhèn)村建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地及河湖庫塘直接歸為無風(fēng)險；對應(yīng)生產(chǎn)建設(shè)活動擾動圖斑(包括正在修建的城鎮(zhèn)村建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地以及采礦用地)按照其類型，將采礦類項目歸為高風(fēng)險、非采礦類歸為低風(fēng)險；其他土地歸為低風(fēng)險。

2)多階自然斷點(diǎn)法：結(jié)合徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)和水土流失較嚴(yán)重區(qū)域的侵蝕模數(shù)，先在0.2、0.3和0.5中確定0.5 t/(hm2·a)為“無”風(fēng)險斷點(diǎn)，又在25和50的侵蝕模數(shù)中確定了25 t/(hm2·a)為高風(fēng)險斷點(diǎn)，再根據(jù)自然斷點(diǎn)法得到0.5～25之間的2個斷點(diǎn)，最終得到0.5、2、10和25共4個斷點(diǎn)侵蝕模數(shù)，直方圖如圖2，將水土流失風(fēng)險等級劃分為無風(fēng)險、低風(fēng)險、中等風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險5級。

圖2 土壤侵蝕模數(shù)直方圖Fig.2 Histogram of soil erosion modulus

3.2.2 水土流失風(fēng)險分布 通過對不同區(qū)域水土流失風(fēng)險等級統(tǒng)計分析，研究區(qū)水土流失風(fēng)險等級的侵蝕模數(shù)閾值及不同等級面積見表2?？傮w看，隨著風(fēng)險等級升高，風(fēng)險分布面積呈減少趨勢。無風(fēng)險等級區(qū)域占比最大，達(dá)45.75%，其次為中等風(fēng)險、低風(fēng)險等級，較高和高風(fēng)險等級僅占8.78%。

表2 研究區(qū)水土流失風(fēng)險等級分布統(tǒng)計Tab.2 Distribution statistics of soil and water loss risk levels in the study area

從空間分布看(圖1f)，研究區(qū)水土流失風(fēng)險空間分異性明顯，中部以“無”風(fēng)險和“低”風(fēng)險分布為主，兩邊以“較高”風(fēng)險和“高”風(fēng)險等級分布為主，其中“高”風(fēng)險與“較高”風(fēng)險分布面積最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為岱崮鎮(zhèn)、野店鎮(zhèn)、垛莊鎮(zhèn)和坦埠鎮(zhèn)，占各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積比例均>20%；而“無”風(fēng)險分布面積最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為蒙陰鎮(zhèn)、高都鎮(zhèn)和常路鎮(zhèn)，占各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積比分別為64.34%、55.11%和55.16%。

3.3 水土流失風(fēng)險性關(guān)系分析

3.3.1 水土流失風(fēng)險與地形地貌 為分析不同地形地貌水土流失的風(fēng)險情況，將研究區(qū)地貌與坡度，與水土流失風(fēng)險進(jìn)行疊置分析，得到不同地形地貌水土流失風(fēng)險分布特征(圖3和圖4)。從地貌類型來看，“無”風(fēng)險等級主要集中在平原區(qū)，其次為丘陵區(qū)，分別占其面積的80.72%和47.97%；“低”風(fēng)險和“中等”風(fēng)險在各地貌類型中均有分布，主要集中在丘陵與山地，但隨著海拔與地表起伏高度增加，在各地貌類型中分布面積占比呈增加趨勢；“較高”風(fēng)險和“高”風(fēng)險則主要分布在小起伏山地與中起伏山地，其次為丘陵區(qū)，平原區(qū)沒有分布。

圖3 不同地貌類型水土流失風(fēng)險面積分布Fig.3 Area distribution of soil and water loss risk by different geomorphic types

圖4 不同坡度等級水土流失風(fēng)險面積分布Fig.4 Area distribution of soil and water loss risk at different slope levels

從不同坡度等級來看，“無”風(fēng)險集中分布在0～2°，比例達(dá)67.99%，隨坡度等級增加面積比例顯著下降；“低”風(fēng)險在>2°～5°、>5°～8°范圍內(nèi)面積比例最高，分別為27.40%和26.82%；“中等”風(fēng)險隨坡度等級增加面積比例增大，其中>8°～15°、>15°～25°、>25° 3個坡度帶內(nèi)的面積比例均>50%；“較高”風(fēng)險主要分布在>5°～8°，面積比例為13.90%，8°以后的3個坡度等級范圍內(nèi)面積比例相近；“高”風(fēng)險主要分布在>8°～15°坡度帶，面積比例為10.82%。

3.3.2 水土流失風(fēng)險與土地利用 為分析水土流失風(fēng)險與土地利用關(guān)系，疊加分析水土流失風(fēng)險圖層與土地利用圖層，獲取不同土地利用類型水土流失風(fēng)險分布特征(圖5)?？梢?，城鎮(zhèn)村建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地均為“無”風(fēng)險，說明這3種土地利用類型不易產(chǎn)生水土流失，旱平地中“無”風(fēng)險等級分布達(dá)62.35%，有林地36.26%；“低”風(fēng)險主要分布在裸土地、裸巖石礫地，2種土地利用類型面積比例均>90%，平緩地果園中“低”風(fēng)險面積比例達(dá)52.11%；“中等”風(fēng)險主要分布在灌木林地、其他林地和其他草地，面積比例均達(dá)50%左右；“較高”和“高”風(fēng)險主要分布在坡耕地、坡地果園與采礦用地中，其中采礦用地“高”風(fēng)險面積比例達(dá)82.91%，這3種土地利用類型是區(qū)域水土流失治理的重點(diǎn)。

圖5 不同土地利用類型水土流失風(fēng)險面積分布Fig.5 Area distribution of soil and water loss risk by land use type

3.3.3 水土流失風(fēng)險與林草植被覆蓋 為分析不同植被的水土流失風(fēng)險狀況，將研究區(qū)植被類型分為林草地和園地，覆蓋度劃分為低覆蓋(0～30%)、中低覆蓋(>30%～45%)、中覆蓋(>45%～60%)、中高覆蓋(>60%～75%)、高覆蓋(>75%)5個等級。疊置分析水土流失風(fēng)險圖層與植被覆蓋度圖層，得到不同植被類型及覆蓋度下水土流失風(fēng)險分布情況(圖6)。

由圖6a可看出，林草地“無”風(fēng)險主要分布在中覆蓋及其以上等級；“低”風(fēng)險在低覆蓋和中低覆蓋面積比例較高，分別為36.1%和30.83%；“中等”風(fēng)險在各覆蓋度等級中面積比例相近；“較高”和“高”風(fēng)險在各覆蓋度等級中分布較少，均<10%，“較高”風(fēng)險主要分布在中覆蓋及其以下等級，“高”風(fēng)險則集中在低覆蓋和中低覆蓋等級。

由圖6b可看出，園地中“無”風(fēng)險在各覆蓋度等級中分布均最多，但隨著覆蓋度降低面積比例呈下降趨勢；“低”風(fēng)險與“中等”風(fēng)險在各覆蓋度等級中面積比例相近；“較高”風(fēng)險集中分布在低覆蓋和中低覆蓋，面積比例分別為14.33%和14.86%，“高”風(fēng)險等級則在低覆蓋中面積比例達(dá)到最大為10.14%，這2種風(fēng)險等級面積比例均隨覆蓋度增加而降低，表明隨著植被覆蓋度增加，水土流失相比于其他區(qū)域發(fā)生的相對概率也隨之降低。因此，中覆蓋及其以下等級的園地和林草地水土流失風(fēng)險較高，是區(qū)域水土流失綜合治理和封育保護(hù)的重點(diǎn)。

圖6 不同植被覆蓋度等級水土流失風(fēng)險面積分布Fig.6 Area distribution of soil and water loss risk at different coverage levels

4 討論

自然斷點(diǎn)法是依據(jù)數(shù)據(jù)固有的特征來進(jìn)行斷點(diǎn)分級，實(shí)現(xiàn)各類別之間的差異最大化，斷點(diǎn)選擇的個數(shù)直接影響分級體系。本研究在分析不同土地利用對水土流失風(fēng)險響應(yīng)的基礎(chǔ)上，探索自然斷點(diǎn)和多階段自然斷點(diǎn)分析法在斷點(diǎn)及其個數(shù)選擇上的應(yīng)用，合理確定研究區(qū)0.5、2、10和25 4個斷點(diǎn)侵蝕模數(shù)，水土流失風(fēng)險等級相應(yīng)劃分為無風(fēng)險、低風(fēng)險、中等風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險5級。結(jié)合周邊徑流小區(qū)定位觀測數(shù)據(jù)，依據(jù)多階段自然斷點(diǎn)法確定的風(fēng)險等級適合于研究區(qū)域，但是否適用于其他區(qū)域仍有待進(jìn)一步研究。

本研究中采礦用地不單單指采礦、采石、采(砂)沙場、磚瓦窯等地面生產(chǎn)用地、排土(石)及尾礦堆放地等生產(chǎn)建設(shè)項目，還包括正在擾動的在建生產(chǎn)建設(shè)項目。CSLE模型不能完全適應(yīng)這類項目的土壤侵蝕計算，目前，采礦用地主要采用遙感和實(shí)地調(diào)查手段，依據(jù)坡度和水土保持措施實(shí)施程度判定，但措施實(shí)施程度判定受人為因素影響較大，同時因數(shù)據(jù)源限制，解譯的措施數(shù)量往往與實(shí)地調(diào)查措施狀態(tài)有一定差距。如何開展采礦用地土壤侵蝕的定量計算是CSLE模型應(yīng)用中面臨的問題，仍需進(jìn)一步研究探索。

5 結(jié)論

1)根據(jù)多階自然斷點(diǎn)法確定斷點(diǎn)模數(shù)為0.5、2、10、25 t/(hm2·a)，分為無、低、中等、較高和高風(fēng)險5個等級。蒙陰縣水土流失風(fēng)險以“無”風(fēng)險為主，占45.75%，集中在該縣中部；“較高”和“高”風(fēng)險等級面積比例最少，主要分布在該縣南部和北部，是區(qū)域水土流失防治重點(diǎn)。

2)山地丘陵水土流失風(fēng)險明顯高于平原，>8°～15°及其以上坡度等級水土流失風(fēng)險高?！拜^高”風(fēng)險和“高”風(fēng)險等級主要集中于>8°～15°、>15°～25°坡度等級，分別占10.82%和9.00%；隨著海拔與地表起伏高度增加，“低”風(fēng)險以上等級在各地貌類型中面積比例呈增加趨勢。

3)土地利用方式導(dǎo)致水土流失風(fēng)險差異，“較高”和“高”風(fēng)險等級集中分布在坡耕地、坡地果園與采礦用地，“高”風(fēng)險在這3種土地利用中分別占41.59%、30.52%和82.91%；“低”風(fēng)險主要集中在裸巖石礫地、裸土地和平地果園；“無”風(fēng)險集中在城鎮(zhèn)村建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地。

4)中覆蓋及其以下等級的園地和林草地是區(qū)域水土流失綜合治理和封育保護(hù)的重點(diǎn)?！拜^高”和“高”風(fēng)險在林草地中主要分布在中覆蓋及其以下等級，在園地集中在低覆蓋和中低覆蓋等級，“中等”和“低”風(fēng)險在各植被覆蓋度等級中面積比例相近。