九江市濂溪区金桥生态清洁小流域水土流失空间分布研究

刘 峻

（江西省九江市濂溪区水务局，江西 九江 332005）

金桥小流域位于九江市濂溪区赛阳镇，属江南丘陵西北边缘地区，海拔介于43.8 m～1162.2 m之间。低山、丘陵、平地相间分布，由于地形破碎、沟谷纵横，加之强降水时洪水汇水历时短、流速快，对河道冲蚀破坏明显，属水土流失典型区[1]。该地区属亚热带季风气候区，气候温润，多年平均气温16℃～17℃，年降雨量1300 mm～1600 mm，无霜期245 d。流域典型植被以马尾松、铁芒萁为主，虽然地表覆被程度高，但“林下侵蚀”仍然显著。经计算，金桥小流域共计水土流失面积13.68 km2，占区域总面积的26.33%，年均土壤流失量3.69万t。

1 研究方法与数据源

1.1 土壤保持量计算

通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation)是美国科学家经半个多世纪以来基于实际观测数据建立起来的水土流失经验方程[2]，将区域年水土流失量视作降水侵蚀、植被覆盖、地形、土壤质地、人为活动等环境因子的函数，公式如下：

式中：A为年水土壤流失量,单位为t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子，单位为 t/(hm2·h·a);其计算如下：

式中:i=1,2,…,12，表示月份；Pi为月总降雨，单位为mm；R为降雨侵蚀力因子，其值越大，表明降雨强度越大，对地表侵蚀作用越大；植被通过地上截留、汇聚和地下固结作用减弱水土流失[2～5]。

1.2 数据来源与处理

多光谱遥感技术具有监测范围广、空间可视化和时效性高的特点，因而在水土流失调查中具有广泛应用。为表征流域水土流失前瞻性，以2017年8月21日获取的Landsat OLI影像为基础数据，其空间分辨率具有30 m、15 m两种特征，经融合处理后以15 m分辨率为基本绘图单元，能反映区域真实信息。通过OLI影像主要获取植被特征与土地利用空间分布信息；在ENVI5.3软件上先通过Flassh模块进行大气校正，以减小大气对地表光谱辐射信息的影响，植被覆盖度则通过band math模块运用像元二分法进行计算；土地利用信息通过面向对象方法，在feature extract模块完成，其具体操作流程参见文献[3]。

地形是水土流失重要影响因子，以美国地质调查局(USGS)提供的SRTM DEM为辅助，该数字高程的分辨率为30 m，为确保空间分析一致性，运用arcgis10.5的resample功能将像元重采样，并且均采用WGS-84投影系统。需要提取的地形因子主要包含坡度、坡长等，将其转化为ascii格式后，通过SimDTA软件定量提取。侵蚀莫属为区域年内水土流失量，依据1.1部分所阐述的公式，将各个因子生成栅格图层，应用arcgis10.5平台的Map Algebra工具进行提取。

2 结果分析

2.1 金桥流域环境因子基本特征

基于上述数据和GIS平台，绘制金桥流域环境因子空间分布图，见图1。由图1可知，金桥流域植被覆盖空间分布不均，其值介于-0.32～0.98之间，由于地物光谱反射特征的差异性，通常认为该值低于0时，表示其为非植被覆盖；在局部地区植被覆盖度高达75%以上。需要指出的是，金桥流域以次生林、人工林为主，原生的乔木林、灌草地较少，加之植被立体空间组合结构较差，高覆盖度的情况下依然存在水土流失现象[4]。DEM显示金桥流域数字高程介于113 m～1181 m之间，正北部为山地，海拔达到800 m以上；中、东、西部以低山、丘陵为主，介于300 m～800 m之间；中南部以沟谷、低地为主，海拔小于300 m。另外提供了该流域OLI遥感影像，通过卫星影像数据可直接观测区域地表环境差异，以便于理解水土流失空间差异性。

图1 金桥流域环境因子特征

2.3 金桥流域水土流失空间统计特征

受不同环境因子及其组合效应影响，流域内不同空间位置上水土流失量存在差异，为定性表达这种空间差异性，参照水利部《土壤侵蚀分类分级标准(SL1996-2007)》和《江西省水土流失综合防治技术标准标准》厘定其具体阈值。由于前两标准的阈值上限与下限截距较大，不便于认识水土流失效应局部差异，因此基于部分阈值结合自然裂点法[5]，划分金桥流域水土流失强度等级见图2。由图2可知，金桥流域水土流失空间异质性强，流失强度自流域边缘山地向中部沟谷地带增强，经空间统计显示，剧烈、极强、强度、中度、轻度、微度水土流失面积分别为：9.16%、3.12%、27.38%、19.64%、17.43%、23.27%，面积依次为 1.25 km2、0.43 km2、3.75 km2、2.69 km2、2.38 km2、3.18 km2。由此可知，金桥流域水土流失以强度、中度、微度为主，流域土壤侵蚀、水资源流失情况不容忽视。

图2 金桥流域水土流失空间统计特征

2.3 金桥流域侵蚀模数与土地利用类型关系分析

将流域侵蚀模数栅格图层与土地利用类型层进行空间叠加统计，计算得到不同用地类型情况下水土流失强度大小，结果见图3。由图3可知，金桥流域水土流失强度与用地类型密切相关；7种土地利用类型中以建设用地的侵蚀模数最大，平均值为 698.59 t/(hm2·h·a)，从其空间分布来看主要与剧烈、强度(图2)水土流失区成空间耦合，沿着河流谷底分布。这是因为河谷低地为人为活动强烈地区，地表经人为破坏、降水冲刷强烈、土壤可侵蚀性强；另外实地调查证实，河谷地区护坡、护岸、道路等建筑地表较多，受侵蚀影响明显。

其次是裸地，其侵蚀模数达576.187 t/(hm2·h·a)，该流域裸地主要以河漫滩、裸岩、抛荒地为主，因无植被覆盖和地表经营作用，水土冲蚀作用显著。旱地、园地、草地的侵蚀模数居中，依次为 475.15 t/(hm2·h·a)、219.83 t/(hm2·h·a)、362.78 t/(hm2·h·a)，其中草地侵蚀模数的变异性较大，主要因为局部灌草覆盖度差异性大，因而水土保育功能异质性程度高。水域和林地的侵蚀模数最少，仅为 262.87 t/(hm2·h·a)、242.55 t/(hm2·h·a)，作为生态用地类型中的‘碳汇’，林地、草地具有重要的水土涵养功能。

图3 金桥流域水土流失与土地利用类型的关系

2.4 金桥流域水土流失与地形因子关系分析

运用arcgis10.5进行空间叠加分析，分区统计不同海拔、坡度区间内水土流失强度，其结果见图4。从海拔分异来看，侵蚀模数随着海拔升高逐渐降低，在沟谷低地(0 m～200 m)处其平均侵蚀模数为632.87 t/(hm2·h·a)，远高于浅丘地带的552.54 t/(hm2·h·a)、低山(500 m～800 m)的t/(hm2·h·a)和山地地带的245.12 t/(hm2·h·a)。这种分异是海拔过渡产生的环境梯度造成的。

首先，低海拔区人为活动频繁、地表疏松，多以建筑用地、农用地为主，土壤易侵蚀；其次，该地段植被以次生、人工种植林、景观林木为主，植被覆盖度低、立体空间结构性差，土体抗侵蚀性能低；再者，由于汇集产流面积广，加剧了水土流失的发生。从坡度来看，金桥流域水土流失分异规律与海拔的特征相似，即随着坡度增加而减少，其产生的原因与前者类似，故不在此赘述。

图4 金桥流域水土流失与地形因子的关系

3 结论

为定量表征金桥流域水土流失空间信息，以RUSLE模型与GIS技术方法相结合，研究了流域水土流失侵蚀模数与环境因子的关系。研究显示，金桥小流域水土流失面积达流域总面积的1/4，强度、中度水土流失面积达27.38%、19.64%，因而区域生态涵养、水域保育形势十分严峻；水土流失强度自山脊向河谷低地成增强分布，尤以海拔小于200 m的地带侵蚀强烈；侵蚀较强的水土流失强度随坡度变化产生分异，侵蚀模数主要集中在0°～8°的坡度带；由此可知，流域水土流失空间分布与地形、植被分布、土地利用、人为活动具有密切的空间自相关性。在生态文明建设战略部署下，今后的工作需加快该流域以水土保持为特色的生态建设，全面规划、整治水土流失和建立管治长效机制。