长江上游生态系统土壤保持重要性评价及分区

刘 青，范建容

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

长江上游生态系统土壤保持重要性评价及分区

刘 青1，2，范建容1

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

长江上游是我国西部重要的生态屏障，开展该区的生态系统土壤保持重要性评价级及分区将为长江上游生态系统功能保护区规划的制定提供科学依据。在长江上游土壤侵蚀敏感性评价的基础上，结合土壤侵蚀现状，滑坡泥石流的危害，以及土壤侵蚀对河流、水库等洪水调控能力的影响程度，确定土壤保持重要区域，并根据河流泥沙输移能力分布情况以及土壤保持重要性相同等级成片集中分布且地貌类型一致原则，将长江上游生态系统分为土壤保持极重要区、重要区、较重要区、中等重要区、一般重要区总共5个类型区，对科学地开发利用长江上游土地资源有重要的指导意义。

长江上游；土壤保持；重要性评价；重要性分区

1 研究背景

长江上游是指宜昌以上的长江流域，位于我国西部的内陆腹心地带。涉及青海、甘肃、陕西、西藏、四川、云南、贵州、重庆、湖北等9省、市，共计348个县，面积1.05×106km2，占整个长江流域面积的58.9%。该区是长江流域和我国西部的重要生态屏障［1］，水情变化和调控功能的发挥在很大程度上决定着长江中下游的水安全，上游调蓄洪水能力的降低将加重中下游洪涝灾害［2］。长江上游还是生态脆弱区和环境敏感区，任何不合理的人类开发活动极容易引起长江上游的土壤侵蚀和生态退化，其影响范围不仅是区域的，而且是全流域的，乃至全国的。长江上游土壤侵蚀面广量大，河湖塘库泥沙淤积严重，土壤侵蚀仍是长江上游区突出的生态环境问题，水土保持作为长江上游区生态环境建设的中心内容之一，将在21世纪中国经济和社会发展中具有极其重要的战略地位。本文在土壤侵蚀敏感性评价的基础上，结合土壤侵蚀严重程度及滑坡泥石流的危害，分析土壤侵蚀对河流、水库等洪水调控能力的影响程度，确定土壤保持重要区域，并根据河流泥沙输移能力分布情况以及土壤保持重要性相同等级成片集中分布且地貌类型一致原则进行重要性分区，以期为长江上游生态系统功能保护区规划的制定提供依据。

2 指标体系与评价方法

2.1 评价指标

周伏建［3］、孙立达［4］等人通过研究表明通用土壤流失方程能较好地适用于我国的区域土壤侵蚀估算和分析，是一种能很好地反映土壤侵蚀与其影响因素之间关系的模型［5］：

式中：A为土壤侵蚀量；R为降水侵蚀力；K为土壤质地因子；LS为坡度坡长因子；C为地表覆盖因子；P为农业措施（耕作）因子。

通过该土壤流失方程可以看出，影响土壤侵蚀的因素主要有5个。其中降水侵蚀力（R）、土壤质地因子（K）和坡度坡长因子（LS）与人类活动的关系不大，纯粹是自然力所控制的，反映了自然的作用过程。地表覆盖因子（C）主要是由植被决定的，在目前情况下，植被的分布是自然因素和人类活动共同作用的产物。上述因子被认为是影响土壤保持功能的基本因素。

本次土壤保持重要性评价基于上述影响因子，通过对长江上游环境背景状况以及已有的基线活动的了解，初步筛选评价指标，提交科学咨询专家小组的审查，按审查意见修改完善指标，确定评价指标为：降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度、地表覆被、滑坡泥石流危害情况，以及土壤侵蚀对河流、水库等洪水调控能力的影响程度。

2.2 指标获取

本次研究通过实地调查、遥感影像分析滑坡泥石流危害情况，根据控制长江上游流域集水面积的长江宜昌水文站多年观测资料，可获得长江上游各级河流悬移质输沙情况来反映土壤侵蚀对河流、水库等洪水调控能力的影响程度。其余指标根据如下方法获得。

2.2.1 降雨侵蚀力指标

降雨侵蚀力利用长江上游的各气象站点近40a的雨量资料，采用误差变化范围相对较小、稳定性更好且具有较好精度的简易模型获得，即

式中：Mi为第i个半月时段的侵蚀力值［（Mj· mm）／（hm2·h）］；k为该半月时段内的天数；Dj为半月时段内第j天的侵蚀性日雨量，要求日雨量≥12 mm，否则以0计算；α和β为模型待定参数，利用日雨量参数估计模型参数α和β的公式为：

式中：Pd12为日雨量≥12 mm的日平均雨量（mm），Py12为日雨量≥12 mm的年平均雨量（mm）。

计算结果插值获得长江上游降雨侵蚀力分布图，并按照如下标准（与全国生态功能区划中分级标准一致）进行分级。

表1 长江上游降雨侵蚀力分级赋值标准Table 1 Classification of rainfall erosivity in the upstream of Yangtze River

2.2.2 土壤可蚀性指标

土壤可蚀性指标K值以土壤普查资料插值分别获得长江上游土壤表层黏粒、粉沙、沙粒、有机质含量分布图为基础数据，采用1990年Williams等人在侵蚀－生产力影响评价模型（EPIC）中发展形成的数学模型计算获得，

式中：SAN，SIL，CLA和C是砂粒、粉粒、黏粒和有机碳含量（%）；SN1＝1－SAN／100。

计算所得K值图层按如下（见表2）标准进行分级，获得土壤可蚀性类型分布图。

表2 长江上游土壤可蚀性K值分类分级Table 2 Classification of soil erodibility K in the upstream of Yangtze River

2.2.3 地形起伏度指标

地形起伏度由DEM数据分析建立长江上游地形起伏度分布图，按表3的标准由地形起伏度分布图获得长江上游地形起伏分级图。

表3 长江上游地形起伏分级赋值标准Table 3 C lassification of topographic relief in the upstream of Yangtze River

2.2.4 植被覆盖指标

根据全国1∶1 000 000植被类型分布图结合土地利用图修正，根据专家讨论分析结果，将植被覆盖度因子对土壤侵蚀的影响分为5级（表4），利用植被类型图绘制土壤侵蚀对植被的敏感性分布图，再应用MODIS 2005—2007三年夏季长江上游植被指数NDVI最大值图，对定为轻度的森林、轻度及中度的草地群落分别进行修正。

表4 植被覆盖分级赋值标准Table 4 C lassification of vegetation cover

2.3 评价方法

根据研究目的将本次长江上游的土壤保持重要性评价及分区分为4个阶段：土壤侵蚀现状评价、土壤侵蚀敏感性评价、土壤保持重要性评价及土壤保持重要性分区。

2.3.1 土壤侵蚀现状评价

根据长江上游第二次土壤侵蚀遥感调查资料（2000年），并结合野外调查数据，针对该区域多种土壤侵蚀方式典型分布的特点，逐类对长江上游地区进行土壤侵蚀现状进行评价；并将评价结果信息影像化，作为土壤保持重要性评价中的一项重要指标。同时，还对长江上游区域滑坡、泥石流分布及危害程度以及各级河流的悬移质多年输沙状况进行调查分析［6－8］，为该区土壤保持重要性评价及分区提供依据。

2.3.2 土壤侵蚀敏感性评价

土壤侵蚀敏感性评价是为了识别容易形成土壤侵蚀的区域，评价土壤侵蚀对人类活动的敏感程度。从土壤侵蚀的影响因素及分布规律出发，探讨主要自然因素对土壤侵蚀敏感性的影响规律。从通用土壤流失方程可以看出，通过区域地形、降雨、土壤、植被环境背景特征的分析［9］，可以获得区域土壤侵蚀敏感性空间分布情况［10－11］。

土壤侵蚀敏感性指数计算式为

式中：Sj为j空间单元土壤侵蚀敏感性指数；Wi为i因素的权重；Cij为i因素j空间单元等级值。

其中，因子权重采用因子分析法确定，将降雨侵蚀力图、土壤可蚀性图、地形起伏度图、植被敏感性图通过图像处理中的主成份变换方法，获得的第一主分量是这4个因子的综合反映，其贡献率达到85.54%。由第一主成份特征向量归一化值作为相应因子权重的估计值，其结果降雨侵蚀力、地形起伏度、土壤可蚀性和植被覆盖的权重值分别为0.286 7，0.298 7，0.242 0，0.172 6。

应用式（5）建模进行评价，评价结果按表5对长江上游土壤侵蚀敏感性进行分级，并生成长江上游区域生态系统土壤侵蚀敏感性分级图，为该区土壤保持的重要性评估做准备。

2.3.3 土壤保持重要性评价

土壤保持重要性评价以土壤侵蚀敏感性评价为基础，结合土壤侵蚀现状、滑坡泥石流规模及其分布，分析其对河流、水库等洪水调控能力的影响程度，获得长江上游土壤保持重要性分布情况，为土壤保持重要性分区提供依据。土壤保持重要性评价涉及主要内容包括土壤侵蚀敏感性、土壤侵蚀现状、滑坡泥石流危险度区划。本文采用ARCGIS的空间叠加分析法实现综合评价，具体评价指标根据研究区实际情况通过专家分析讨论确定，见表6、表7。

表5 土壤侵蚀敏感性分级标准Table 5 Classification of soil erosion sensitivity

表6 针对土壤侵蚀现状的土壤保持重要性等级划分Table 6 Levels of soil conservation significance based on the current soil erosion degrees

表7 针对滑坡泥石流危害的土壤保持重要性等级划分Table 7 Levels of soil conservation significance based on the hazard degrees of landslide and debris flow

2.3.4 土壤保持重要性分区

土壤保持重要性分区是在土壤保持重要性评价结果的基础上，参考长江上游各支干流输沙模数分布现状，考虑侵蚀对河、库等洪水调控能力的影响，在土壤保持重要性相同等级成片集中分布以及地貌类型一致的原则指导下，基于ARCGIS软件的空间分析功能对长江上游土壤保持功能进行重要性分区［1］。本文分为极重要区、重要区、较重要区、中等重要区、一般重要区共5个土壤保持重要性类型区。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀现状

长江上游土壤侵蚀类型齐全、区域分异明显。根据长江上游第二次土壤侵蚀遥感调查资料（2000年），长江上游土壤侵蚀面积（轻度以上土壤侵蚀面积）43.83万km2，约占长江上游流域总面积43.6%。四川盆地属水蚀区，云贵高原为水蚀、重力侵蚀区，横断山水蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀均有分布，秦巴山地以水蚀、重力侵蚀为主，其石灰岩区还有溶蚀分布，青藏高原以冻融侵蚀为主。

各侵蚀类型及强度分级面积见表8。

表8 长江上游土壤侵蚀面积及强度Table 8 Areas and intensities of soil erosion in the upstream of Yangtze River

同时，长江上游地区是我国滑坡和泥石流等重力侵蚀最为发育的地区。滑坡和泥石流的分布，受地形、地质和气候等条件的控制，在空间分布上具有一定的规律性［12］。该区滑坡和泥石流分布具有非地带性特点，在大地貌单元过渡带上，河流切割强烈、相对高差大的地区，沿断裂带和地震带，降水丰沛和暴雨多发区集中分布。滑坡和泥石流不仅直接造成严重的自然灾害，还影响到国家、人民生命财产的安全，也造成严重的土壤侵蚀，是土壤保持的重点关注区。

长江流域多年平均悬移质输沙模数为243 t／（km2·a），宜昌以上的上游地区较高，平均为468 t／（km2·a）。根据水文站实测泥沙资料分析，由于长江上游区域产沙条件的差异，流域输沙模数差别悬殊，从＜100 t／km2·a到＞3 000 t／km2·a不等。金沙江下游是长江上游地区滑坡泥石流最为发育的区域之一，造成的土壤侵蚀也最为严重。其多年平均悬移质输沙量却高达17 600万t，占流域总输沙量的68.5%。平均含沙量4.33 kg／m3，为上游地区的6倍，平均输沙模数2 060 t／（km2·a），约为上游区的11倍。

3.2 土壤敏感性空间分布

长江上游土壤侵蚀敏感性总体水平较高，统计结果具体为：土壤侵蚀不敏感面积占总面积的8.24%；轻度敏感面积占22.21%；中度敏感面积占53.02%；高度敏感面积占16.53%。

根据长江上游区域的土壤侵蚀敏感性指数，将该区域土壤侵蚀敏感性依据上述土壤侵蚀敏感性分级标准，分级并成图，见图1。大渡河中下游和岷江上游区域、大巴山片区、乌江下游片区均为山地向平原过渡地带，为土壤侵蚀高度敏感区；川西高原区、乌江上游区、嘉陵江上游部分地区为土壤侵蚀中度敏感区；除此之外的长江源区和成都平原大部分、乌江上游部分区域为轻度或不敏感区域。

图1 长江上游土壤侵蚀敏感性分布图Fig.1 Spatial distribution of soil erosion sensitivity in the upstream of Yangtze River

3.3 土壤保持重要性空间分布

基于长江上游地区的土壤侵蚀敏感性，结合该区土壤侵蚀现状以及滑坡、泥石流危害程度以及土壤侵蚀对河流、水库等洪水调控能力的影响，参考该区社会经济状况，本文对该区生态系统土壤保持重要性进行了评估。评估结果见图2。

图2 长江上游土壤保持重要性评价结果图Fig.2 Result of significance evaluation of soil conservation in the upstream of Yangtze River

评估结果表明，土壤保持“极重要”区域主要分布于三峡库区、西秦岭山地、金沙江下游北岸地区，该区域土壤侵蚀敏感性高，土壤侵蚀严重，加强这些区域的土保工作至关重要，应作为土壤侵蚀治理及泥沙控制的优先区考虑。其次，邛崃山和岷山一带、大巴山、乌江下游、金沙江下游南岸区域是土壤保持“重要”区，特别是作为成都平原农业、工业、生活主要用水的岷江上游土壤保持重要性尤为突出。金沙江中游、雅砻江中游、大渡河上游、四川盆地及赤水河流域土壤保持重要性也较重要。土壤保持“中等重要”和“一般重要”的区域主要分布在江源高原区、金沙江中上游、雅砻江中上游、大渡河中上游等流域植被较好的地区，这些区域植被覆盖好，地形起伏较小，土壤侵蚀敏感性低。

3.4 土壤保持重要性类型区划分及其分布

依据分区原则将长江上游生态区分为极重要区、重要区、较重要区、中等重要区、一般重要区5个类型区。其中，极重要区3个，重要区4个，较重要区4个，中等重要区2个，一般重要区2个。如图3显示各类型区的空间分布。

图3 长江上游土壤保持重要性分区图Fig.3 Zoning of soil conservation significance in the upstream of Yangtze River

3.4.1 土壤保持极重要区

极重要区分布于嘉陵江上游、三峡库区、金沙江下游。

四川广元以北的嘉陵江上游地区为水蚀区，地势起伏，山高坡陡，岩性松软，降雨集中，土壤侵蚀敏感性高；坡耕地种植、沙金等矿产开采，人为加速和新增水土流失占有重要地位。除面蚀、沟蚀外、泥石流、滑坡等重力侵蚀也很频繁。重庆万县以东的三峡库区内碳酸盐岩广布，溶蚀作用强烈，岩溶地貌发育，峰丛、洼地溶蚀槽谷等广泛分布。同时，本区由于山地河谷相对高差较大，谷坡陡峻，土壤侵蚀敏感性较高，且常导致崩塌、滑坡等重力侵蚀发生，水土流失严重。金沙江下游及其支流（以北岸为主一直延伸到大渡河）地区下切侵蚀强烈，地势高差悬殊，加之断裂发育，岩层十分破碎，又地处东南季风和西南季风交汇带，多暴雨，侵蚀敏感性非常高。沟蚀严重，滑坡、泥石流广泛分布，频率高，侵蚀量大，该区域是长江泥沙的主要来源区，同时水电工程开发强度大，为长江上游生态系统土壤保持极重要区。

3.4.2 土壤保持重要区

重要区分布于大渡河中下游和岷江上游、大巴山、乌江下游、金沙江中游及下游南岸4个区域。

大渡河中下游和岷江上游区内森林资源受到严重破坏，森林覆盖率大幅度下降，水源涵养功能下降，土壤侵蚀增强。由于岷江上游及其支流强烈下切，形成深切河谷，谷坡陡峭，滑坡、崩塌、泥石流等重力侵蚀非常发育，不仅造成严重水土流失，而且常中断交通。四川盆地北缘的大巴山片区水土流失类型为水蚀，除一般的面蚀和沟蚀外，由于区内碳酸盐岩广布，溶蚀作用强烈，岩溶地貌发育，峰丛、洼地溶蚀槽谷等广泛分布。同时，本区由于山地河谷相对高差较大，谷坡陡峻，又兼地形雨较多，有大巴山暴雨中心，强度大，土壤侵蚀敏感性高，且常导致崩塌、滑坡、泥石流等重力侵蚀发生，水土流失严重。乌江下游片区碳酸盐岩分布很广，受水蚀、溶蚀作用，峰林、溶洞等喀斯特地貌发育，在长期水蚀、溶蚀作用下，本区石漠化现象严重；同时碳酸盐岩成土速率慢，容许侵蚀量小，水土流失危险性大。金沙江中游及下游南岸区域地处东南季风和西南季风交汇带，多暴雨，水土流失以水蚀为主，多为中度侵蚀，侵蚀敏感性较高，滑坡、泥石流广泛分布，侵蚀量大，且水电工程建设大规模开展，为长江上游生态系统土壤保持重要区。

3.4.3 土壤保持较重要区

较重要区分布于金沙江中游、雅砻江中游、大渡河上游、四川盆地及赤水河流域。

金沙江右岸的金沙江中游区土壤侵蚀敏感性轻度为主，但土壤侵蚀较强，侵蚀泥沙输移入江距离较短，土壤保持较重要。雅砻江中游地形起伏大，土壤侵蚀敏感性属中等，土壤侵蚀以中度为主，且泥石流危险性较高，土壤保持仍较重要。四川盆地和赤水河流域地势起伏，岩性松散，降雨丰沛，土壤侵蚀敏感性较高。人多耕地少，水土流失严重，以中度水蚀为主。嘉陵江流域是长江上游主要产沙流域之一，土壤保持功能重要性较高，为长江上游生态系统土壤保持较重要区。

3.4.4 土壤保持中等重要区

中等重要区分布于横断山高原山地、乌江中上游区域。

位于四川省西部的横断山高原山地区地势高差悬殊，水土流失垂直分带明显，高海拔的山地，以冻融侵蚀为主，海拔较低的地区以水蚀为主。横断山区新构造运动活跃，在金沙江、雅砻江、大渡河等深切河谷，谷坡陡峭而不稳定，岩体崩塌频繁，松散固体物质丰富，降水集中，时有暴雨及冰湖溃决，有利于滑坡和泥石流的形成，成为我国滑坡泥石流最发育的地区之一，对水电工程和人民生命财产产生巨大影响。本区土壤侵蚀敏感性以中度为主，土壤侵蚀以轻度为主，其土壤保持功能重要性总体上属于中等。乌江中上游区域植被覆盖良好，土壤侵蚀敏感性属轻度，土壤侵蚀以轻度为主，该区域土层浅薄，土壤侵蚀危险性较高，土壤保持重要性属中等。

3.4.5 土壤保持一般重要区

一般重要区包括成都平原、长江源区2个区域。

成都平原地势平坦，水田广泛，为微度侵蚀区，侵蚀敏感性较弱，为长江上游生态系统土壤保持一般重要区。长江源区水力侵蚀敏感性不高，由于高原气候严寒，分布着大面积多年冻土，以冰川侵蚀和冻融侵蚀为主，并伴有大风和风沙天气。

4 结 语

长江上游地区是我国关键的生态区域，也是整个长江流域生态安全的保障。为了科学合理地对长江上游进行生态功能保护区划分，首先必须对长江上游生态系统的水源涵养、土壤保持、生物多样性保育等主要的生态系统服务功能进行评估。本文将长江上游生态系统按土壤保持重要性分为5个类型区：极重要区、重要区、较重要区、中等重要区、一般重要区。极重要区为泥沙重点监控区，土壤保持极为重要，以坡面整治和滑坡治理为主，搞好封山育林、育草，加强护林、育林，促进生态环境自然修复、改善和优化。重要区应注意生态修复与保育、泥石流滑坡防治、工程建设水土保持监督监测，控制人为新增水土流失发生，保护库区水质安全。较重要区应科学合理发展生态农业经济，提高农产品附加值，减轻对耕地资源的压力，重点进行坡耕地改造，修建坡地排灌水系，实施水土保持耕作法。中等重要区和一般重要区生态环境较好，做好保护现有植被生态系统，对退化生态系统实施生态修复与保育。

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））

（编辑：曾小汉）

Significance Evaluation and Zoning of Ecosystem Soil Conservation in the Upstream of the Yangtze River

LIU Qing1，2，FAN Jian-rong1
（1.Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences and Ministry ofWater Conservancy，Chengdu 610041，China；2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Significance evaluation and zoning of ecosystem soil conservation will provide scientific basis for the planning of ecosystem protection regions in the upstream of Yangtze River，the ecological shelter ofwest China.The following factorswere selected as the evaluation indexes：rainfall erosivity，soil erodibility，topographic relief degree，and vegetation cover.Based on the sensitivity assessment of soil erosion，and in association with hazards of landslide and debris flow，and impact degree of soil erosion on the flood control capacity of rivers and reservoirs，aswell as river sediment transport capacity，and soil conservation significance level and landform consistency，the upstream area of Yangtze River was divided into 5 zones according to the significance levels.This result will be important guidance for the utilization of land resources in the upstream of Yangtze River.

upstream of the Yangtze River；soil conservation；significance evaluation；significance zoning

S157.1

A

1001－5485（2012）11－0022－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.11.005

2011－09－06；

2011－11－20

刘 青（1987－），女，四川威远人，硕士研究生，主要从事水土保持与GIS应用的研究，（电话）028－85018812（电子信箱）liuqing210＠mails.gucas.ac.cn。

范建容（1969－），女，四川井研人，博士，研究员，主要从事山地土壤侵蚀、荒漠化等生态环境问题的研究和遥感与地理信息系统的应用研究，（电话）028－85018812（电子信箱）fjrong＠imde.ac.cn。