1975-2008年塘背河小流域土壤侵蚀时空变化特征分析

宋月君，张金生

(1.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室， 南昌 330029；2.福建农林大学林学院，福州 350002；3.江西省水土保持科学研究院， 南昌 330029)

塘背河小流域位于江西省赣南革命老区腹地，曾有“江南红色沙漠”之称[1]，是1980年首批开展小流域综合治理试点的41条小流域之一，是南方水土保持综合治理试点的样板，曾被国家水利部、财政部命名为“全国水土保持生态环境建设示范小流域”[1]，其水保治理的成功经验为江西省的水土保持治理工作奠定了基础[2]，江西省自1980年以兴国县塘背河小流域的水土保持治理为始，至2013年江西省共治理水土流失面积 2223.26 km2[3]，取得了显著的经济、生态和社会效益。塘背河小流域的水土保持经验，也越来越受到相关学者的重视，分别从生态经济效益[2,4]、土壤质量改良[5]、综合效益评价[6]以及水土保持治理模式[7]等方面已开展了相关研究工作。土壤侵蚀是生态环境恶化的重要表现特征[8]，其主要受降雨、地形、土壤以及人为活动的影响[9～14]，为了更好的开展土壤侵蚀危害以及动态监测，国内外学者利用USLE[15,16]、RULSE[17,18]以及CSLE[19,20]等土壤侵蚀预测预报模型，开展了流域以及区域宏观尺度的土壤侵蚀研究工作，土壤侵蚀预测预报模型可较好的实现区域土壤侵蚀时空变化特征的分析以及主要驱动影响因子的提取功能，可为区域生态环境监测以及政府决策提供有力的数据支撑和决策参考。本文从区域宏观角度出发，基于1975～2008年相关数据资料，利用地理信息系统平台，采用中国土壤流失方程(CSLE)对30多年来塘背河小流域的土壤侵蚀时空变化动态特征进行了分析与探讨，可为科学、系统的评价塘背河小流域水土保持治理成效以及赣州全国水土保持改革试验区建设提供有效的技术手段与参考。

1 研究区概况

塘背河小流域位于江西省兴国县西南，地处龙口乡境内，涉及中岭、文院、都田、来溪、里溪以及芦溪等5个村庄，隶属鄱阳湖水系五大河流之一的赣江流域，流域土地总面积16.38 km2，流域地貌类型以山地丘陵为主，其中40%左右为低山，主要分布在上游，50%左右为丘陵。流域海拔高度在131～469 m之间，相对高差多为300 m以内，属亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量为1 528.8 mm，成土母质以花岗岩类风化物为主，土壤类型主要有红壤和水稻土，地带性植被为亚热带常绿阔叶林，植被主要为针阔混交林、针叶林、荒山灌草等，其中以马尾松纯林分布最广，林草覆盖率约为82.5%，流域内溪流纵横，地表水资源极为丰富，年径流总量为385.2 万m3，但年内分布不均，4-6月份水量充足，8-11月份高温少雨，伏旱、秋旱较为严重，河流多年平均流量约12 m3/s。小流域地理位置和行政区划如图1、2所示。

图1 塘背小流域地理位置图Fig.1 The location map of Tangbei river watershed

图2 塘背小流域行政区划图Fig.2 The administrative map of Tangbei river watershed

2 数据与方法

2.1 数据来源

主要搜集了1975、1998以及2008年的植被覆盖、土地利用、地形地貌、降雨、土壤等本底数据，植被覆盖数据主要通过遥感影像解译和NDVI(Normal Differential Vegetation Index，归一化植被指数)运算获取[21]，获取的遥感影像时间主要集中在每年的夏、秋两季，云量小于10%，均从美国USGS官网(http://glovis.usgs.gov/)免费下载获取。其中，1975年主要采用Landsat 2 MSS数据，地面分辨率为78m，1998年和2008年主要采用Landsat 5 TM遥感影像，地面分辨率为30 m；土地利用数据主要基于获取的三期遥感影像，通过监督分类等人工解译并参考国家科学数据服务平台(http://datamirror.csdb.cn/)发布的1：10万土地利用栅格数据获取[22]；降雨资料主要来自于全国第一次水利普查数据，主要涉及赣州市18个气象站的日降雨数据资料；地形、地貌数据均下载自国家科学数据服务平台(http://datamirror.csdb.cn/)，其地面分辨率为30 m；土壤图来自于江西省第三次土壤侵蚀遥感调查数据，为1：5万比例尺的矢量数据。具体的数据来源以及处理方法详见表1所示。

表1 数据资料来源说明Tab.1 The description of data source

2.2 数据处理方法

2.2.1 土壤侵蚀估算方法

当前关于土壤侵蚀估算的方法，应用较多的主要有USLE、RUSLE以及CSLE等模型与方法，其中中国土壤流失方程(CSLE)是刘宝元教授[23]结合中国土壤侵蚀现状研发的一种土壤侵蚀预测预报模型，在国内已有大量应用[19,24]。CSLE模型的表达式(1)如下：

A=100RKLSBET

(1)

式中：A为多年平均土壤流失量，t/(km2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS为坡度坡长因子 ，无量纲；B为水土保持生物措施因子，无量纲；E为水土保持工程措施，无量纲；T为水土保持耕作措施因子，无量纲。

2.2.2 各因子的获取方法

(1)降雨侵蚀力因子(R)的获取。在这里主要采用章文波[25]等提出的利用日降雨数据获取降雨侵蚀力的方法以及南方红壤区的特性[21]获得，如公式(2)所示：

(2)

(2)土壤可蚀性因子(K)的获取：主要采用张科利等提出的修正方法[26]计算土壤可蚀性因子K值,公式如下：

(3)

式中：SAN、SIL、CLA是砂粒、粉粒、黏粒含量；C则为土壤有机碳含量(%),SN1=1-SAN/100。

K=-0.013 83+0.515 75Kepic

(4)

(3)坡度坡长因子(LS)的获取。采用刘宝元等[23]修正后的坡度坡长因子提取方法，其公式为：

(5)

L=(λ/22.1)m

m=0.2θ≤1°

m=0.3 1°<θ≤3°

m=0.4 3°<θ≤5°

m=0.5θ>5°

(6)

式中：S为坡度因子；θ为坡度；L为坡长因子；m为坡长指数。

(4)水土保持生物措施因子(B)以及水土保持工程措施因子(E)的获取。通过汪邦稳等[21]提出的水土保持生物措施以及工程措施因子的提取方法获取，具体计算方法见文献[21]。

(5)水土保持耕作措施因子(T)的获取。据已有研究结果表明[5]，塘背河小流域内的水土保持治理主要采取配以一定工程措施的植物措施为主，注重后期植物的自然生态修复，同时，南方的水土保持措施工程因子值研究还少见报道，有待进一步研究。在此，耕作措施的因子暂取常值为1。

2.3 研究方法

2.3.1 各因子的运算图层的获取

根据各因子的计算公式，基于获取的各种基础数据，完成各因子栅格运算图层数据的获取工作。

(1)降雨侵蚀力因子(R)图层的获取。运用Arcgis软件中的矢量数据插值功能，对18个气象站的降雨数据进行空间差值运算，从而获取降雨侵蚀力因子(R)栅格运算图层数据。

(2)土壤可蚀性因子(K)图层的获取。应用公式(3)和(4)中关于土壤可蚀性因子的运算方法，进行不同土壤类型可蚀性因子的赋值，然后采用Arcgis的图层格式转换工具，将土壤可蚀性因子(K)的矢量图层，转化为栅格运算图层数据。

(3)坡度坡长因子(LS)图层的获取。应用公式(5)和(6)中关于坡度坡长因子(LS)的运算方法，基于研究区的DEM栅格数据，通过Arcgis的图层运算功能，获取坡度坡长因子(LS)的栅格运算图层数据。

(4)水土保持生物措施因子(B)以及水土保持工程措施因子(E)图层的获取。采用汪邦稳等[26]提出的计算公式，基于各时段土地利用数据、植被覆盖数据以及水土保持工程措施量数据，通过Arcgis的图层格式转换、图层运算等功能，获取水土保持生物措施因子(B)以及水土保持工程措施因子(E)的栅格运算图层数据。

水土保持耕作措施因子(T)统一赋值为1，在此，不做栅格运算图层处理，基于各不同遥感影像数据的空间分辨率的限制，最后统一生成为空间分辨率为50 m的栅格影像数据进行流域内土壤侵蚀时空变化特征分析。

2.3.2 土壤侵蚀估算以及分类、分级

根据CSLE方程，将获得的各因子栅格运算图层，代入Arcgis软件中，通过其图层运算功能，获取其土壤侵蚀时空分布特征，并开展土壤侵蚀估算以及分类、分级研究。土壤侵蚀程度按照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)[27]进行土壤侵蚀分级如表2所示。

3 结果与分析

3.1 塘背河小流域土壤侵蚀时间变化特征

如图3、表3所示，通过对塘背河小流域的土壤侵蚀估算分析得到，1975年未治理前，小流域土壤侵蚀面积达12.20 km2，占小流域总面积的74.48%，其中轻度土壤侵蚀面积为1.25 km2，中度土壤侵蚀面积为0.68 km2，强烈土壤侵蚀面积为1.23 km2，极强烈土壤侵蚀面积为1.61 km2，剧烈土壤侵蚀面积为7.53 km2，强烈以上的土壤侵蚀面积占到了水土流失总面积的84.20%，整个流域的水土流失情况严峻，这与1980年第一次水土保持治理前的调查结果(11.53 km2)相接近；截止到1998年，经过第一期水土保持重点治理工程后，伴随着各项水土保持措施效益的发挥，土壤侵蚀面积减少到了2.83 km2，仅占塘背小流域面积的17.28%，其中，主要以轻度土壤侵蚀为主，轻度土壤侵蚀面积为1.09 km2，占到了土壤侵蚀总面积的38.50%，中度土壤侵蚀面积为0.98 km2，强烈土壤侵蚀面积为0.35 km2，极强烈以上的土壤侵蚀面积为0.41 km2，通过多年的水土保持治理工作，土壤侵蚀状况大为改善，土壤侵蚀治理程度达到76.80%，已无集中连片的水土流失区，仅存在一些零星的水土流失区；从2008年的土壤侵蚀估算来看，土壤侵蚀面积相比1998年，有所增加，由原来的2.83 km2上升为3.40 km2，但是从土壤侵蚀等级上来看，强烈以上的土壤侵蚀面积大为减少，由原来的0.76 km2减少到了0.053 km2，主要以轻度和中度土壤侵蚀面积为主，占到了土壤侵蚀总面积的98%以上。

表2 土壤侵蚀分类、分级标准Tab.2 The classification and classification criteria of soil erosion

表3 各年份塘背河小流域土壤侵蚀面积统计表 km2Tab.3 Statistics of soil erosion area of Tangbei river watershed in each year

3.2 塘背河小流域土壤侵蚀空间变化特征

如图4所示，1975年水土流失治理前，塘背河小流域的土壤侵蚀主要发生在山地丘陵区域，其中以来溪和都田境内土壤侵蚀最为严重，流域上游的里溪村也有零星分布，1998年经过了近20年的水土保持治理工程，其境内的土壤侵蚀状况得到了较好改善，其中原来侵蚀严重的来溪和都田村治理度均达到了85%以上，只存在零星的剧烈侵蚀小斑块；2008年，经历了长达10年之久的自我生态修复和人为干预过程，流域内的土壤侵蚀面积虽有小幅提升，但是其侵蚀强度大大减弱。

图3 各年份塘背河小流域不同土壤侵蚀等级比例图Fig 3 The proportion of different soil erosion grades in Tangbei river watershed in different years

塘背河小流域自1980年始开展了第一期治理工程之后，截止到2008年，未开展过任何大规模的水土保持治理工程，流域内的生态环境基本是在原有治理成果自然修复以及人为干扰的双重作用下形成的，从土壤侵蚀估算结果来看，基本上是向着生态友好、环境优美的方向发展。但是仍然存在着少量的水土流失强烈侵蚀区，这可能与流域内采石场以及新果园开发初期有关，特别是山顶以及个别区域零星存在林下水土流失和崩岗侵蚀所致。

图4 各年度塘背河小流域土壤侵蚀模数估算图Fig 4 The estimation of soil erosion modulus in Tangbei river watershed

3.3 塘背河小流域土壤侵蚀时空转移特征分析

对塘背河小流域不同时期的土壤侵蚀栅格影像做转移矩阵分析(如表4所示)得到，1975～1998年间，各不同土壤侵蚀面积的变化程度从大到小依次为剧烈土壤侵蚀面积、极强烈土壤侵蚀面积、轻度土壤侵蚀面积、强烈土壤侵蚀面积、中度土壤侵蚀面积和微度土壤侵蚀面积，其中剧烈土壤侵蚀面积共转移面积达7.51 km2，其中5.54 km2转移为微度侵蚀，占到了转移总面积的73.77%，其余转移面积仅占总转移面积的26.23%，其中，0.81 km2转移为轻度侵蚀，0.69 km2转移为中度侵蚀，0.23 km2和0.24 km2分别转移为强烈和极强烈侵蚀，仅有0.02 km2未发生变化，还处于剧烈侵蚀；极强烈土壤侵蚀的转移面积为1.58 km2，均向着侵蚀等级较低的方向转移，其中向微度侵蚀转移面积为1.37 km2，占总转移面积的86.70%，其余转移占13.30%；轻度土壤侵蚀的转移面积为1.22 km2，其中向微度侵蚀转移面积为1.13 km2，占总转移面积的92.62%，其余均向着中度侵蚀等级以上转移；强烈土壤侵蚀转移面积为1.11 km2，其中向强烈以下等级转移面积为1.09 km2，占总转移面积的98.20%；中度土壤侵蚀的转移面积为0.64 km2，有0.61 km2的面积转移到了中度侵蚀等级以下，占总转移面积的95.31%；微度土壤侵蚀的转移面积较少，仅为0.20 km2。总体而言，如图5所示，1975-1998年，在第一期水土保持治理工程后，流域内土壤侵蚀格局发生了显著变化，与1975年相比，整个流域内不同土壤侵蚀等级面积转移为微度侵蚀等级的总面积最大为9.58 km2，其次为轻度侵蚀等级为1.06 km2，最小的为剧烈侵蚀等级，仅为0.02 km2，土壤侵蚀程度显著降低。

1998-2008年间的土壤侵蚀等级变化特征与1975-1998年截然不同，此阶段主要经历了水土保持治理工程后的自我生态修复和人为干扰过程，从表5可以看到，微度土壤侵蚀面积变化最大为1.84 km2，其中98.91%的面积向着中度和轻度侵蚀等级转移；其次为轻度和中度土壤侵蚀，转移面积分别为0.79 km2和0.71 km2，主要向着比其侵蚀等级较低的方向转移；最小的为剧烈土壤侵蚀面积，转移面积仅为0.04 km2，主要向着微度和中度侵蚀等级转移。与1975-1998年的土壤侵蚀转移特征相比，土壤侵蚀等级转移矩阵呈现相反的趋势，从1998-2008年的整个小流域内不同土壤侵蚀等级面积转移总量来看，如图5所示，以转移到轻度侵蚀等级的面积最大为1.50 km2，主要来源于微度土壤侵蚀等级，占到了总转移量的68.67%，其次为中度和微度侵蚀等级面积分别为1.29 km2和1.26 km2，其中，中度侵蚀转移面积主要源于原有微度和轻度侵蚀等级面积，微度侵蚀转移面积主要源于原有轻度和中度侵蚀面积，向着强烈以上等级的转移面积均较小。

表4 1975-1998年塘背河小流域土壤侵蚀转移矩阵Tab.4 The transfer matrix of soil erosion in Tangbei river watershed in 1975-1998

图5 各阶段不同土壤侵蚀等级转移面积统计图Fig.5 The statistical chart of soil erosion grade transfer area at different stages

年份2008年侵蚀等级微度轻度中度强烈极强烈剧烈合计1998年微度11.711.030.790.020013.55轻度0.490.300.290.01001.09中度0.420.270.270.01000.98强烈0.180.090.090000.35极强烈0.140.100.120000.37剧烈0.0300.010000.04合计12.971.801.560.0400.0116.38

表6 1975-2008年塘背河小流域土壤侵蚀转移矩阵Tab. 6 The transfer matrix of soil erosion in Tangbei river watershed in 1975-2008

1975-2008年，塘背河小流域土壤侵蚀等级整体向着较低侵蚀等级转移，如表6所示，向着微度侵蚀等级的转移面积可达9 km2，向轻度和中度侵蚀等级的转移面积分别为1.71 km2和1.51 km2，其中均以1975年剧烈侵蚀等级面积转移比重最高，分别占到了55.55%、76.60%和78.00%，剧烈土壤侵蚀等级向低一级土壤侵蚀等级转移面积共7.53 km2。

4 结 语

(1)塘背河小流域土壤侵蚀状况得到了明显改善，土壤侵蚀面积已有原来的12.20 km2，减少到了2008年的3.40 km2，土壤侵蚀治理度达72.13%，其中以1975-1998年成效最为显著，土壤侵蚀治理度达76.80%；后期1998～2008年间土壤侵蚀面积虽有增加，但主要集中在轻度和中度侵蚀等级，土壤侵蚀等级普遍降低。

(2)塘背河小流域土壤侵蚀存在空间上的特征，土壤侵蚀改良最为显著的地区主要位于中游以及下游的来溪村和都田村境内，土壤侵蚀空间格局已由1975年的集中连片式转变为2008年的零星分散式。

(3)1975～2008年，塘背河小流域土壤侵蚀等级整体向较低等级转移，其中均以剧烈侵蚀等级转移面积最大，剧烈土壤侵蚀等级向低一级土壤侵蚀等级转移面积达7.53 km2，期间，1998-2008年，土壤侵蚀等级出现了向侵蚀高等级转移的情况，从转移面积上看，微度侵蚀向高一级侵蚀等级转移面积仅为1.84 km2，且主要向轻、中度侵蚀等级转移，并占总转移面积的98.91%，同时，向强烈土壤侵蚀等级以上的转移量仅有0.04 km2，流域内土壤侵蚀整体改善状况良好。

□

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