平耀東，田培，任茜，龔雨薇，賈婷惠，楊嚴(yán)攀，虞悅

（1.華中師范大學(xué)地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079；2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

土壤侵蝕是土壤退化的主要原因，對(duì)人類生存構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)能夠準(zhǔn)確掌握區(qū)域土壤侵蝕的狀況以及變化趨勢(shì)，是開展水土保持工作的基礎(chǔ)[2]。土壤侵蝕模型在土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛[3]，其中具有代表性的是Wischmeier 等[4]提出的通用土壤流失方程（USLE）及修正的通用土壤流失方程（RUSLE）[5]；劉寶元等[6]在此基礎(chǔ)上提出了中國(guó)通用土壤流失方程（CSLE）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者融合3S技術(shù)和RUSLE模型開展土壤侵蝕時(shí)空變化研究[7-9]。同時(shí)，土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[10]，傳統(tǒng)的空間分析方法在識(shí)別侵蝕驅(qū)動(dòng)因子方面取得了良好成效[11-12]，但在定量分析多因子交互影響時(shí)稍顯不足[13]，而地理探測(cè)器與RUSLE模型和3S 技術(shù)相結(jié)合可以定量分析土壤侵蝕程度及其空間異質(zhì)性，揭示主要驅(qū)動(dòng)因子，且可以探測(cè)多因子交互作用對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)[14]。王歡等[13]借助地理探測(cè)器開展喀斯特流域土壤侵蝕的多因子定量歸因，甄別出土地利用和坡度是主導(dǎo)因子；王猛等[15]基于地理探測(cè)器識(shí)別出西南地區(qū)15°～35°坡度、3 000～5 000 m海拔、30%～45%植被蓋度和400～800 mm 年降水梯度區(qū)域是發(fā)生土壤侵蝕的主要源地。

鄂東北作為湖北省重點(diǎn)水土保持區(qū)，其水土流失具有復(fù)雜性和特殊性，《2021 年湖北省水土保持公報(bào)》顯示，鄂東北山丘區(qū)2021 年水土流失面積為6 158 km2，占湖北省水土流失總面積的19.81%。因此，定量分析鄂東北土壤侵蝕時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因子對(duì)科學(xué)實(shí)施水土保持措施具有重要意義。蘆婕[2]基于RUSLE 模型發(fā)現(xiàn)鄂東北是湖北省水土流失主要分布區(qū)之一；李嘉麟等[16]基于CSLE 模型發(fā)現(xiàn)鄂東北地區(qū)土壤侵蝕總體較嚴(yán)重，且存在劇烈侵蝕；Tian 等[17]基于改進(jìn)的RUSLE 模型發(fā)現(xiàn)鄂東北2019 年微度、輕度和重度侵蝕面積之和占比超過(guò)50.0%。韓旭等[18]發(fā)現(xiàn)武漢市新洲區(qū)土壤侵蝕的主導(dǎo)因子是植被覆蓋度和水土保持措施因子。由此可見，目前鄂東北地區(qū)水土流失定量研究不夠深入，相關(guān)研究大多將鄂東北納入湖北省整體研究之中，且應(yīng)用地理探測(cè)器、RUSLE 模型和3S 技術(shù)相結(jié)合定量研究鄂東北土壤侵蝕時(shí)空變化及其影響因子的研究未見報(bào)道。

本研究基于地理探測(cè)器和RUSLE 模型，利用鄂東北地區(qū)2000—2020 年遙感影像數(shù)據(jù)，選取降雨量、植被覆蓋度、坡度、土地利用類型和海拔5 個(gè)影響因子，揭示該區(qū)域土壤侵蝕的時(shí)空演變特征，量化不同因子對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)，明確主要驅(qū)動(dòng)因子及其交互作用的土壤侵蝕效應(yīng)，識(shí)別主要的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在此基礎(chǔ)上提出土壤侵蝕防控建議，以期為該區(qū)域的水土保持工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂東北地處湖北省東北部，主要包括孝感市、黃岡市、隨州市和武漢市新洲區(qū)，面積約37 366 km2，見圖1。研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，雨熱同季，降水充沛，光熱充足，無(wú)霜期長(zhǎng)，是湖北省熱量最為豐富的地域，多年平均日照時(shí)數(shù)為2 000～2 150 h。多年平均降水量約為1 000～1 500 mm，且集中在每年6—8月，約占全年總降水量的40%。該區(qū)是湖北省水土保持分區(qū)中主要以水源涵養(yǎng)為第一基礎(chǔ)功能的重要戰(zhàn)略區(qū)域，更有“鄂東北大別山生態(tài)屏障”之稱，是湖北省“三江四屏千湖一平原”國(guó)土空間保護(hù)格局的“四屏”之一。

圖1 鄂東北地區(qū)位置Figure 1 Location of northeast Hubei

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所需數(shù)據(jù)的主要來(lái)源如表1所示。

表1 研究區(qū)主要數(shù)據(jù)來(lái)源Table 1 Main data sources of the study area

1.3 土壤侵蝕模型及計(jì)算

（1）修正通用土壤流失方程（RUSLE）

本研究采用修正通用土壤流失方程[4]來(lái)計(jì)算鄂東北土壤侵蝕模數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；L為坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；S為坡度因子，無(wú)量綱；C為植被覆蓋因子，無(wú)量綱；P為水土保持控制措施因子，無(wú)量綱。

（2）降雨侵蝕力因子（R）

降雨侵蝕力表示降雨能夠引起土壤侵蝕的能力。本研究中R值計(jì)算基于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)——國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心-地理資源分中心月降雨量數(shù)據(jù)，考慮月降雨量的經(jīng)典雨量型簡(jiǎn)易算法即《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》（SL773—2018）[19]得到計(jì)算公式如下：

式中：Rm為月度降雨侵蝕力，MJ·mm·hm-2·h-1；Pm為月降雨量，mm；R為年降雨侵蝕力，MJ·mm·hm-2·h-1。

（3）土壤可蝕性因子（K）

K為土壤可蝕性因子，是關(guān)于土壤屬性的函數(shù)，參考Williams 等[20]的計(jì)算公式，使用基于HWSD 建立的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集，對(duì)研究區(qū)土壤質(zhì)地、有機(jī)碳數(shù)據(jù)提取后進(jìn)行估算，獲得K值計(jì)算公式如下：

式中：SAN為土壤砂粒含量，%；SIL為土壤粉粒含量，%；CLA為土壤黏粒含量，%；C為土壤有機(jī)碳含量，%；SNI為常數(shù)，SNI=1-SAN/100，公式中所需數(shù)據(jù)來(lái)源于HWSD手冊(cè)。

（4）坡度因子（S）

坡長(zhǎng)和坡度因子反映地形地貌對(duì)水土流失的影響，是估算土壤侵蝕模數(shù)重要的地形參數(shù)，本研究從McCool 等[21]和Liu 等[22]研究公式中提取坡度因子，計(jì)算公式如下：

式中：θ表示坡度（°）。

（5）坡長(zhǎng)因子（L）

借鑒Liu 等[22]的研究結(jié)果及其他成果，采用坡長(zhǎng)指數(shù)的方法提取坡長(zhǎng)因子L，利用ArcGIS 軟件依據(jù)Qiu等[23]的計(jì)算公式計(jì)算坡長(zhǎng)因子：

式中：L為坡長(zhǎng)因子；λ為坡長(zhǎng)，m；m為坡長(zhǎng)指數(shù)；θ為坡度（°）。

（6）植被覆蓋因子（C）

植被覆蓋因子是指在相同的外界條件下有植被覆蓋地區(qū)土壤流失量與裸地環(huán)境條件下的土壤侵蝕總量之比。C因子的取值范圍為0～1，C的取值越大，說(shuō)明地區(qū)植被覆蓋度越低，對(duì)水土流失的抑制作用越小，土壤侵蝕越嚴(yán)重。本研究根據(jù)鄂東北典型山地丘陵區(qū)NDVI數(shù)據(jù)，并根據(jù)蔡崇法等[24]的研究來(lái)計(jì)算植被覆蓋因子，計(jì)算公式如下：

植被覆蓋度f(wàn)c計(jì)算公式如下：

式中：fc是根據(jù)植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)基于像元二分法計(jì)算得到；NDVIsoil表示純裸土像元的NDVI值；NDVImax表示純植被像元的NDVI值。

（7）水土保持控制措施因子（P）

水土保持控制因子是指在其他因素相同條件下，實(shí)施一定水土保持措施的土壤流失總量與未實(shí)施水土保持措施的土壤流失總量之比。本研究參考游松財(cái)?shù)萚25]、胡曉倩等[26]對(duì)南方丘陵區(qū)的研究成果確定鄂東北不同土地利用類型的P值，耕地、草地、水域、居民用地、未利用地和林地P值分別為1、0.3、0、0.1、0.8和0.15。

1.4 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是一套用于檢測(cè)空間異質(zhì)性并解釋其驅(qū)動(dòng)力的統(tǒng)計(jì)方法[14]，在定量評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)因素方面具有優(yōu)勢(shì)。本研究應(yīng)用因子探測(cè)和交互作用探測(cè)研究鄂東北地區(qū)水土流失驅(qū)動(dòng)因子并進(jìn)行定量分析。

式中：h=1，…，L，為變量Y或因子X的分層（Strata），即分類或分區(qū)；Nh和N分別是層h和全區(qū)的單元數(shù)和σ2分別是層h和全區(qū)的Y值的方差。SSW（Within Sum of Squares）、SST（Total Sum of Squares）分別為層內(nèi)方差之和、全區(qū)總方差。q的值域?yàn)閇0，1]，如果用X進(jìn)行分層，q越大，說(shuō)明Y的解釋力越強(qiáng)。當(dāng)q=1時(shí)，表示X完全控制了Y的空間分布，而q=0表示兩者之間無(wú)聯(lián)系。該q值滿足非中心F分布。地理探測(cè)器的輸入值需要對(duì)因子進(jìn)行分層，根據(jù)Liang 等[27]2020 年的研究經(jīng)驗(yàn)和離散化分類方法，本研究將降雨和海拔高度在ArcGIS中按照自然斷點(diǎn)法進(jìn)行重分類，分為9類，植被覆蓋度分為8類（≤0.3、＞0.3～0.4、＞0.4～0.5、＞0.5～0.6、＞0.6～0.7、＞0.7～0.8、＞0.8～0.9、＞0.9～1.0），將坡度分為≤5°、＞5°～8°、＞8°～15°、＞15°～25°、＞25°～35°、＞35°共6類，土地利用類型分為6 類，分別是耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用地。運(yùn)用ArcGIS 10.8軟件中的漁網(wǎng)工具，通過(guò)1.5 km等距網(wǎng)格的均勻采樣方法提取了16 699個(gè)點(diǎn)。

交互作用探測(cè)可識(shí)別不同風(fēng)險(xiǎn)因子之間的交互作用，即評(píng)估兩個(gè)因子共同作用時(shí)是否會(huì)增加或減弱對(duì)因變量的解釋力，或這些因子對(duì)因變量的影響是否獨(dú)立。交互作用的判斷依據(jù)見表2。

表2 不同驅(qū)動(dòng)因子之間相互作用的解釋力Table 2 Explanatory power of interaction between different driving factors

風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器用于判斷兩個(gè)子域間的屬性均值是否有顯著的差別，本研究利用其計(jì)算各個(gè)影響因子的不同分區(qū)下平均土壤侵蝕模數(shù)大小，比較并得出土壤侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

利用ArcGIS 分區(qū)統(tǒng)計(jì)和面積制表功能，對(duì)土壤流失量、高程、坡度、土地利用類型等進(jìn)行可視化處理，從而更加直觀地了解各因子對(duì)水土流失的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)空變化特征

根據(jù)水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007），可將土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為微度（Ⅰ）、輕度（Ⅱ）、中度（Ⅲ）、強(qiáng)烈（Ⅳ）、極強(qiáng)烈（Ⅴ）和劇烈（Ⅵ）6 個(gè)等級(jí)。基于RUSLE 模型的鄂東北地區(qū)不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度變化如圖2 所示。鄂東北地區(qū)2000—2020 年5 個(gè)代表年份的年均土壤侵蝕模數(shù)為390、220、154、84、145 t·km-2·a-1，呈下降趨勢(shì)，2020年平均土壤侵蝕模數(shù)較2000 年下降了62.82%，表明鄂東北土壤侵蝕強(qiáng)度有所減弱。由圖2 可知，中部和東南部地區(qū)侵蝕強(qiáng)度明顯下降，侵蝕強(qiáng)度由之前的強(qiáng)烈及以上侵蝕轉(zhuǎn)為2020 年的中度及以下，中強(qiáng)烈侵蝕零星分布，說(shuō)明鄂東北地區(qū)多年水土保持工作取得明顯成效，但在鄂東北地區(qū)的東北部仍存在極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕。

圖2 2000—2020年鄂東北地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度Figure 2 Soil erosion intensity of northeast Hubei from 2000 to 2020

在ArcGIS 中，利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具，對(duì)鄂東北地區(qū)不同土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，得出2000—2020年間不同土壤侵蝕強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。

表3 2000—2020年鄂東北土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of soil erosion intensity in northeast Hubei from 2000 to 2020

鄂東北地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度以微度侵蝕為主，5 個(gè)代表年份占比分別為43.75%、52.99%、50.03%、65.98%、64.24%；其次為輕度侵蝕，微度與輕度侵蝕面積之和占侵蝕總面積的82%以上，2015、2020 年微度和輕度侵蝕占比之和達(dá)到91%。除微度侵蝕外，其他等級(jí)的侵蝕面積占比均不同程度減小，土壤侵蝕減弱趨勢(shì)明顯。由表3可知，鄂東北2000—2020年間微度侵蝕在面積轉(zhuǎn)移中一直最穩(wěn)定，穩(wěn)定率均在90%以上。2000—2005 年隨著侵蝕強(qiáng)度的增大，穩(wěn)定率下降，土壤侵蝕轉(zhuǎn)化增強(qiáng)，主要由高等級(jí)侵蝕轉(zhuǎn)向低等級(jí)侵蝕，其中輕度-微度、中度-輕度、強(qiáng)烈-中度、極強(qiáng)烈-強(qiáng)烈、劇烈-極強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)化率分別為14.43%、31.76%、37.90%、29.76%、26.84%，土壤侵蝕強(qiáng)度在逐漸降低。2005—2010 年，劇烈侵蝕穩(wěn)定率增強(qiáng)，為81.14%，除微度侵蝕外，其他等級(jí)侵蝕強(qiáng)度穩(wěn)定率也大幅增強(qiáng)。2010—2015 年整體侵蝕強(qiáng)度從高等級(jí)向低等級(jí)轉(zhuǎn)化增多。2015—2020 年面積轉(zhuǎn)化主要類型為跨越式，強(qiáng)烈轉(zhuǎn)向輕度侵蝕（55.36%），極強(qiáng)烈轉(zhuǎn)向輕度侵蝕（65.91%），劇烈轉(zhuǎn)向中度侵蝕（46.38%）。

2.2 不同土地利用類型和坡度下土壤侵蝕強(qiáng)度的變化

2.2.1 土地利用類型

土地利用類型對(duì)土壤侵蝕的方式和強(qiáng)度均有影響。鄂東北地區(qū)土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用地（圖3）。2000—2020 年主要土地利用類型為耕地和林地，5 個(gè)代表年份二者面積之和占比均大于85%。2000—2005 年不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化主要為耕地轉(zhuǎn)向林地，轉(zhuǎn)化面積占鄂東北總面積的2.78%，遠(yuǎn)大于其他土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移面積。2005—2010 年各土地利用類型面積趨于穩(wěn)定，主要發(fā)生在耕地與林地之間。2010—2015年耕地向林地轉(zhuǎn)移最多，轉(zhuǎn)移面積占總面積的3.57%。2015—2020 年耕地開始大面積轉(zhuǎn)移，其中，向林地轉(zhuǎn)移面積最大，占鄂東北總面積的12.59%，其次為水域（3.03%）和居民用地（3.92%），同時(shí)林地也向耕地轉(zhuǎn)移了6.02%。2000—2020 年間，鄂東北耕地面積一直處于減小的趨勢(shì)，其他土地利用類型的面積均在增加。

圖3 2000—2020年不同土地利用類型面積占比及轉(zhuǎn)移變化Figure 3 The area proportion and transfer change of different land use types from 2000 to 2020

從圖4 和表4 可知，2000—2020 年草地的年平均土壤侵蝕模數(shù)最大，年平均侵蝕模數(shù)降幅也最大（85.71%）；2020 年林地土壤流失量相較于2000 年降低244.86萬(wàn)t，林地土壤侵蝕得到明顯改善；耕地對(duì)鄂東北土壤流失量的貢獻(xiàn)最大，占流失量的74.82%～82.42%，土壤流失量降低量也最多（676.36萬(wàn)t）；居民用地年均土壤侵蝕模數(shù)居于穩(wěn)定狀態(tài)，屬于微度侵蝕；未利用地2020 年的年均土壤侵蝕模數(shù)相較于2000 年減小79.41%。鄂東北地區(qū)侵蝕總量由2000年的1 553.07萬(wàn)t降低到2020年的538.24萬(wàn)t，土壤侵蝕得到明顯改善。

表4 鄂東北地區(qū)2000—2020年不同土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度變化Table 4 Changes of soil erosion intensity of different land use types in northeast Hubei from 2000 to 2020

圖4 2000—2020年不同土地利用類型土壤流失量變化Figure 4 Soil loss change of different land use types from 2000 to 2020

2.2.2 坡度

坡度是影響土壤侵蝕的重要因子，鄂東北地區(qū)坡度分布不均勻，存在高山陡坡，最高坡度達(dá)到65°。由圖5 可知，2000—2020 年微度侵蝕主要分布在0°～5°區(qū)間，占微度侵蝕總面積的80%以上；輕度侵蝕主要分布在15°以下；中度侵蝕主要分布在8°～15°區(qū)間；強(qiáng)烈侵蝕主要分布在8°～15°和15°～25°兩個(gè)坡度區(qū)間；極強(qiáng)烈侵蝕分布在15°～25°的面積占比高于55%，當(dāng)坡度大于15°時(shí)，劇烈侵蝕開始大面積出現(xiàn)，15°～25°和25°～35°坡度區(qū)間劇烈侵蝕面積平均占比分別為49.42%和36.13%，有69.33%的極強(qiáng)烈侵蝕和85.55%的劇烈侵蝕分布在15°～35°坡度區(qū)間。對(duì)比不同坡度下土壤侵蝕強(qiáng)度的變化（表5）發(fā)現(xiàn)，2000 年和2005年，隨著坡度的增加土壤侵蝕模數(shù)先增大后減小，2010、2015年和2020年，隨著坡度的增加土壤侵蝕模數(shù)增大，同一坡度下2020 年土壤侵蝕模數(shù)相較于2000 年大幅減小，不同坡度下土壤侵蝕模數(shù)降幅均大于50%，土壤侵蝕強(qiáng)度明顯減弱。

表5 鄂東北地區(qū)2000—2020年不同坡度土壤侵蝕強(qiáng)度變化Table 5 Changes of soil erosion intensity on different slopes in northeast Hubei from 2000 to 2020

圖5 2000—2020年不同坡度下土壤侵蝕強(qiáng)度分布Figure 5 Soil erosion intensity distribution under different slopes from 2000 to 2020

2.3 土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)因子及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)識(shí)別

2.3.1 主要驅(qū)動(dòng)因子

為了進(jìn)一步探究土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)因子，利用地理探測(cè)器分析鄂東北2000—2020 年各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土壤侵蝕的解釋力。結(jié)果如圖6 所示，不同的影響因子對(duì)鄂東北地區(qū)土壤侵蝕的解釋力各不相同，且5 個(gè)年份的各個(gè)因子均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。2000—2020 年各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土壤侵蝕的解釋力為植被覆蓋度＞坡度＞海拔＞土地利用類型＞降雨，植被覆蓋度5個(gè)年份的平均q值為9.61%，解釋力最強(qiáng)，2010 年q值最大，為13.85%。在選取的5 個(gè)因子中，植被覆蓋度在單因子驅(qū)動(dòng)土壤侵蝕方面具有顯著效應(yīng)，是鄂東北地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

圖6 2000—2020年各驅(qū)動(dòng)因子解釋力變化Figure 6 Explanatory power variation of driving factors from 2000 to 2020

2.3.2 交互因子

取每個(gè)影響因子的5 年平均值進(jìn)行交互檢測(cè)。結(jié)果（表6）顯示，植被覆蓋度和坡度之間交互作用對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度的解釋力最大（32.28%）。植被覆蓋度與任一影響因子的交互作用解釋力均大于其他因子間交互作用解釋力。兩驅(qū)動(dòng)因子之間的交互作用q值明顯高于任一單因子作用的q值，且高于兩單因子作用q值之和，表明不同驅(qū)動(dòng)因子之間相互作用的解釋力符合雙因子增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)。

表6 不同驅(qū)動(dòng)因子之間相互作用的解釋力Table 6 Explanatory power of interaction between different driving factors

2.3.3 土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器結(jié)果（表7）表明植被覆蓋度小于0.3時(shí)平均土壤侵蝕模數(shù)最大，發(fā)生土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)最高；土地利用類型中草地的平均土壤侵蝕模數(shù)最大，草地發(fā)生土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)較高；坡度大于35°時(shí)土壤易發(fā)生侵蝕；降雨量介于716.80～768.39 mm之間的地區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)最大，土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)較高；海拔高度在115～186 m 之間的平均土壤侵蝕模數(shù)大于其他海拔區(qū)間的平均土壤侵蝕模數(shù)，其發(fā)生土壤侵蝕的概率較大。

表7 土壤侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域及平均侵蝕模數(shù)Table 7 High risk areas of soil erosion and average erosion modulus

利用ArcGIS對(duì)5個(gè)因子的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)求交集，得出鄂東北侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布圖（圖7），其中Ⅰ代表未出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，Ⅱ指單因子的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，以此類推，Ⅴ表示有4 個(gè)因子的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域疊加，是水土流失重點(diǎn)防治區(qū)域。結(jié)果顯示，鄂東北整體侵蝕風(fēng)險(xiǎn)較低，侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在隨州市的西部和北部，孝感市的東北部和黃岡市的北部也有零星分布。

圖7 侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布Figure 7 High erosion risk area distribution

3 討論

文雅等[28]以廣東山區(qū)烏陂河流域土壤侵蝕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，得到USLE 的模擬精度為83.54%。鄂東北黃岡市羅田石橋鋪監(jiān)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，羅田石橋小流域（30°44′43″～30°45′59″N，115°33′07″～115°35′46″E，面積5.12 km2）2015 年和2020 年的土壤侵蝕模數(shù)分別為102 t·km-2·a-1和120 t·km-2·a-1，而本研究模型在羅田石橋小流域處的計(jì)算結(jié)果分別為83 t·km-2·a-1和100 t·km-2·a-1，模型的平均模擬精度為82.35%。另外，研究區(qū)孝感市2015 年水土流失面積占其國(guó)土總面積的10.82%[29]，本研究模型計(jì)算得出孝感市2015年水土流失面積占其國(guó)土面積的9.59%，二者相差1.23 個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明本研究基于RUSLE 模型的計(jì)算結(jié)果相對(duì)可靠。

2000—2020 年的20 年間，鄂東北整體侵蝕強(qiáng)度持續(xù)下降，這與蘆婕[2]的研究結(jié)果一致。鄂東北微度和輕度侵蝕面積占研究區(qū)總面積的82%以上，微度侵蝕面積占比升高，其他等級(jí)侵蝕面積占比下降；土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣顯示，低等級(jí)侵蝕相對(duì)穩(wěn)定，高等級(jí)侵蝕變化較大，表現(xiàn)為高等級(jí)侵蝕面積大幅度向低等級(jí)侵蝕轉(zhuǎn)移，這也是微度面積占比升高的主要原因。本研究發(fā)現(xiàn)鄂東北地區(qū)耕地面積在減少，林地在增加，這得益于退耕還林、封山造林等措施的實(shí)施。葉宏萌等[30]在研究土地利用對(duì)南方紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕在裸地最為突出，植被覆蓋率低的地區(qū)水土流失嚴(yán)重。這與本研究中鄂東北稀疏草地和低植被覆蓋率未利用地土壤侵蝕嚴(yán)重的結(jié)果類似。鄂東北地區(qū)耕地土壤流失量最大，這是因?yàn)楦孛娣e占比最大。本研究表明，不同坡度下土壤侵蝕分布格局不同，坡度越大，侵蝕風(fēng)險(xiǎn)越強(qiáng)，這與Tian等[17]對(duì)湖北省典型山丘區(qū)土壤侵蝕的研究結(jié)果一致。

地理探測(cè)器結(jié)果顯示，植被覆蓋度解釋力最強(qiáng)，意味著植被覆蓋度和土壤侵蝕之間空間分布格局的相關(guān)性較高，這與吳光艷等[31]得出的植被蓋度的增加可以有效減少水土流失的結(jié)論類似。交互因子探測(cè)結(jié)果（表6）表明植被覆蓋度與坡度之間相互作用的解釋力最強(qiáng)，這與趙蒙恩等[32]得出的植被覆蓋度與坡度交互作用解釋力最大的結(jié)論一致。楊偉等[33]發(fā)現(xiàn)黃岡北部大別山區(qū)板栗林水土流失較嚴(yán)重。這與本研究得到的植被覆蓋度低且坡度陡的黃岡北部水土流失嚴(yán)重的結(jié)果類似，當(dāng)陡坡的植被覆蓋度較低時(shí)，在雨強(qiáng)較大時(shí)易發(fā)生細(xì)溝侵蝕[17]。本研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度＜0.3 時(shí)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)最大，這與Nunes 等[34]得出產(chǎn)沙量在植被覆蓋度低于30%時(shí)迅速增加、侵蝕強(qiáng)度明顯增大的結(jié)論一致。

基于本研究結(jié)果，對(duì)鄂東北土壤侵蝕防治提出如下建議：對(duì)于植被覆蓋度低且坡度陡的麻城、羅田和英山縣，應(yīng)加強(qiáng)退耕還林及經(jīng)果林建設(shè)；對(duì)于土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)高的隨州西部和北部、孝感東北部和黃岡北部，宜形成喬、灌、林、草相結(jié)合的立體防護(hù)體系，并加強(qiáng)農(nóng)田防護(hù)林及坡改梯建設(shè)。對(duì)于西北部的隨州市，近年來(lái)城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)加劇，需加強(qiáng)該地區(qū)植被覆蓋度小于0.3 和坡度大于35°區(qū)域的水土保持措施布設(shè)。

4 結(jié)論

利用GIS 技術(shù)，基于RUSLE 模型和地理探測(cè)器，定量研究鄂東北地區(qū)2000—2020 年土壤侵蝕演變規(guī)律及其影響因素，得到以下結(jié)論：

（1）鄂東北地區(qū)2000—2020 年土壤侵蝕以微度和輕度為主，平均土壤侵蝕模數(shù)呈下降趨勢(shì)，除微度侵蝕外其他等級(jí)侵蝕面積均減少，侵蝕面積表現(xiàn)為高等級(jí)侵蝕向低等級(jí)侵蝕轉(zhuǎn)移，土壤侵蝕得到明顯改善。

（2）2000—2020 年，鄂東北地區(qū)耕地面積縮減，主要轉(zhuǎn)化為林地。不同土地利用類型下的侵蝕強(qiáng)度均降低，其中草地和未利用地的土壤侵蝕得到明顯改善。耕地是鄂東北土壤流失量主要貢獻(xiàn)者，同時(shí)耕地流失量的降低量遠(yuǎn)大于其他土地利用類型，耕地土壤侵蝕治理工作取得明顯成效。

（3）80%以上的微度侵蝕分布在坡度0°～5°的區(qū)間。15°為侵蝕的臨界坡度，中度及以上等級(jí)的侵蝕主要分布在坡度大于15°的地區(qū)，其中有69.33%的極強(qiáng)烈侵蝕和85.55%的劇烈侵蝕分布在15°～35°的坡度范圍；研究時(shí)段內(nèi)的5 個(gè)代表年份，不同坡度下年均土壤侵蝕模數(shù)降幅均在50%以上。

（4）植被覆蓋度對(duì)鄂東北土壤侵蝕的解釋力最強(qiáng)，是主導(dǎo)侵蝕因子；植被覆蓋度與其他因子具有較強(qiáng)的交互作用，因子交互對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生的協(xié)同驅(qū)動(dòng)作用均比單因子造成的影響明顯。