南方红壤区水土流失治理成效的多尺度趋势分析

石海霞，梁 音，朱绪超，曹龙熹

(1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，210008，南京； 2.中国科学院大学，100049，北京)

随着“两山理论”的普及与深入，以及山水林田湖草生命共同体生态综合修复工程的实施，南方红壤区的生态环境进一步改善，其中水土流失综合治理是生态修复的主要内容之一，对水土流失综合治理成效进行评估是制定水土保持规划的关键。孙昕等[1]选择治理程度存在差异的3条小流域进行了生态、经济和社会效益的水土保持综合效益定量评价和比较，说明构建的指标体系和采用的评价方法具有一定适用性，且不同的治理投入与时间，水土保持综合效益存在差异；尹辉等[2]对不同水土保持措施配置和实施情况的湘中丘陵4大治理区，进行水土保持效益灰色关联评价，并将各区的水土保持治理效益进行了排序，得出长、株、潭丘陵区的效益最高；何长高等[3]回顾江西省的治理历程和模式，利用普查数据分析江西水土流失的变化趋势，阐述了几十年来的水土流失治理成效，为该省今后的发展提供了经验借鉴。由以上研究可以看出，目前针对红壤区水土流失治理成效的评估多基于单一尺度和短时间序列，对该类型的水土保持成效分析起到示范作用，但不能代表整个区的治理状况；故本研究从全区、重点工程县和典型流域3个尺度分析水土流失治理成效，能准确客观地表征南方红壤区的水土流失治理成效，为该区山水林田湖草生命共同体生态修复工程的评价提供参考。

1 研究区概况

根据水利部2013颁布的《全国水土保持区划》，南方红壤区以大别山为北屏，巴山、巫山为西障，西南以云贵高原为界，包括湘西、桂西，东南直抵海域并包括台湾、海南岛及南海诸岛。位于我国热带、亚热带季风气候区，年均温15～25 ℃，年均降雨量800～2 000 mm，山地丘陵广布，地形破碎[4]。主要植被类型为常绿针叶林、阔叶林、针阔混交林以及热带季雨林。土壤类型包括棕壤、黄红壤和红壤等。总土地面积118万km2，占国土总面积的12.3%，包括浙江、江西、福建、湖南、广东、海南等15个省(自治区、直辖市)，共888个县(市、区)。

图1 南方红壤区典型区域的位置图Fig.1 Location of typical areas in the red soil region of South China

2 材料与方法

2.1 研究对象

根据《全国水土保持区划》中对南方红壤区的划分，红壤全区的范围如图1所示，省级土壤侵蚀趋势分析缺少河南、台湾、香港和澳门的数据。重点工程县按照以下4类进行选取：一是国家级水土流失重点防治区所在县、国家水土保持科技示范园所在县(含中科院野外CERN站)、国家水土保持生态文明工程所在县和国家级水土保持清洁小流域所在县，共涉及177个县(图1灰色部分)，约占南方红壤区888个县级行政单位的20%，分布在桐柏山大别山预防保护区、新安江预防保护区、湘资沅澧上游预防保护区、东江上游预防保护区、东南沿海开发监督区、湘资沅澧中游治理区和赣江上游治理区等；典型小流域在江西、浙江、福建和广东省境内，选择经过长期水土流失综合治理、有连续监测数据的小流域共26条，位置分布见图1的小三角；同时，选择了赣江、信江和饶河具有长期径流泥沙监测数据的中尺度江河流域，地处原中央苏区。

2.2 数据来源

本研究使用的数据包括：1)红壤全区的土壤侵蚀数据来源于我国土壤侵蚀遥感普查和第1次水利普查公告[5]，县级的土壤侵蚀数据来源于省级水土保持公报；2)江河径流量和输沙量分别使用各控制站外洲、梅巷、虎山和渡峰坑的近60年的逐年实测值，来源于《江西省水土保持公报》[6]；3)小流域土壤侵蚀模数、植被覆盖率和人均纯收入数据从已发表的学术论文[7-16]中获得。

需要说明的是，尽管1)中2期土壤侵蚀普查方法和遥感影像信息源等精度不尽相同[17]，这会导致局部土壤侵蚀数据有一定差异，但对大尺度来讲，不影响其土壤侵蚀的宏观变化趋势。郭春香[18]曾以江西潋水河为例，对我国土壤侵蚀普查中水蚀模型进行对比研究，表明两者估算结果相差不大。因此，虽然本研究中用的2期数据获取方法不同，但能够总体反映区域和县尺度上土壤侵蚀的总体变化趋势。

2.3 研究方法

全区和重点工程县的成效分析均采用侵蚀面积和土壤侵蚀综合指数进行表征，典型流域尺度采用径流量、输沙量、平均土壤侵蚀模数、平均植被覆盖率和人均纯收入等参数进行表征。

土壤侵蚀综合指数(EI)[19]是评价区域土壤侵蚀总体状况的综合指标，是根据一个单元内各级土壤侵蚀面积和土地总面积量化分级，进行权重变换后形成的一个综合指标数值，其表达式为

(1)

式中：wi为评价单元土壤侵蚀等级权重分值；Ai为第i等级侵蚀的面积，km2；S为评价单元的土地总面积，km2；i为土壤侵蚀等级数，取值范围为1～5之间的整数，n=5。

3 结果与分析

3.1 红壤全区水土流失治理成效

南方红壤区从2002年到2011年，土壤侵蚀面积整体减少0.5 万km2(表1)，其中减少幅度较大的是中度侵蚀面积，共减少1.6 万km2，减幅为21.6%，强烈侵蚀面积减少0.1万km2，而轻度、极强烈和剧烈侵蚀面积有增加趋势，分别增加1.5、0.7和0.2 万km2，充分说明南方红壤区水土流失状况总体趋于好转，但局部有加重趋势。

表1 2002年到2011年南方红壤区土壤侵蚀面积的变化Tab.1 Variation of soil erosion area in the red soil region of South China between 2002 and 2011 104 km2

从省级行政分布来看，湖北、浙江、江西等7省土壤侵蚀面积有所减少(表2)，其中湖北省的土壤侵蚀面积减幅最大，由2002年的6万843 km2降为2011年的3万6 903 km2，降幅达39.3%；广西、广东和海南等4省区的土壤侵蚀面积呈增加趋势，其中广西的土壤侵蚀面积增加了4万164 km2，增幅超过3.8倍。统计侵蚀强烈以上的面积，广西、广东、安徽、湖南、江苏和海南均增加，而江西、湖北、福建和浙江呈下降趋势，其中，广西强烈以上侵蚀面积增幅最大，共增加1万2 863 km2，江西省强烈以上侵蚀面积减少7 433 km2，减幅最大。

应用公式(1)计算各省的EI(表2)。结果表明2011年广西和湖北的EI分别为4.88和3.57，均高于其他省份，说明这2个省的土壤侵蚀程度较其他省严重。与2002年相比，江西、湖北、浙江、福建、湖南和安徽的EI有减少趋势，说明这6个省的土壤侵蚀程度有减轻趋势。其中：江西省的EI减少2.57，减幅最大；广西、广东、海南和江苏的EI有增加趋势，说明这4个省的土壤侵蚀有加剧趋势，其中广西的EI增幅高达7.7倍，究其原因是裸岩面积的统计口径不一致；上海市的土壤侵蚀状况变化不明显。

表2 2002年到2011年红壤区各省土壤侵蚀面积和EI的变化Tab.2 Variation of soil erosion area and EI of each province in the red soil region between 2002 and 2011

3.2 重点工程县水土流失治理成效

177个重点工程县的EI平均值从2002年的2.77减少到2011年的2.20(表3)，呈下降趋势。其中：有112个县的EI减少，占总县数的63.3%；有63个县的EI呈上升趋势，土壤侵蚀状况有加剧趋势。从重点工程县所在的类型区来看，2011年各类别EI平均值相较于2002年都减少，生态文明工程县EI平均值减少最多，水土流失治理成效最显著，其次是国家重点治理区、科技示范园和清洁小流域所在县。从宏观分布(图2)上来看，2011年赣南、湘中、皖西、浙闽沿海各县EI减少，湘南、皖南山区、粤东沿海县稍有增加。

按国家水土流失防治区分析(表4)，除湘资沅澧上游预防保护区和东江上游预防保护区侵蚀面积和EI稍有增加，其他区域土壤侵蚀总体转好，尤其是赣江上游治理区EI减幅达42.4%。分析不同侵蚀强度下的变化趋势，湘资沅澧中游治理区主要是轻度侵蚀面积增加，中度侵蚀面积明显减小；赣江上游治理区和东南沿海开发监督区仅轻度侵蚀面积微增，其他强度侵蚀面积均显著减少；桐柏山大别山预防保护区各级强度侵蚀面积均减少；新安江预防保护区强烈以上侵蚀面积细微增加，轻度和中度侵蚀面积减幅在50%以上；湘资沅澧上游预防保护区强烈以上侵蚀增加剧烈，增幅达904.84%；东江上游预防保护区各级强度侵蚀面积都增加，轻度侵蚀增幅最大，达80.64%。

表3 2002年到2011年各类重点工程县EI平均值的变化Tab.3 Variation of EI average in each key project county type between 2002 and 2011

图2 2002年和2011年重点工程县的EIFig.2 EI of key project counties in 2002 and 2011

表4 2002年到2011年国家级重点防治区侵蚀面积和EI的变化

图3 典型江河径流量和输沙量的年际变化Fig.3 Interannual variation of runoff and sediment in typical rivers

赵其国[20]指出：南方红壤区水土流失面积减少幅度与所治理面积极不相符，就是由于人为活动影响不断产生新的水土流失。珠江三角洲经济迅猛发展，用地紧张，城镇和建设用地侵占林草地和耕地，生产建设活动新增水土流失不容小觑。此外，湘南和粤东山区耕地数量不足，农业开发强度过高，出现较大面积的坡耕地，造成人为侵蚀。这些山区以农林业为基础，经济基础薄弱，水土流失治理投入不足，治理进度与经济社会的发展不匹配[21]。

3.3 典型流域水土流失治理成效

图3是近60年来赣江、信江和饶河的逐年径流量和输沙量，不难看出，赣江和信江流域径流量无明显的增加趋势，但输沙量显著减少。赣江自1983年以来输沙量均小于多年平均值；信江基本符合丰水多沙、枯水少沙的规律，1990年之后输沙量显著降低，基本低于多年平均值[22]。而饶河径流量微弱下降，输沙量却呈上升趋势。1998年之前径流对输沙量影响显著；1998年大洪水之后径流量和输沙量急剧减小，水沙的年际变化不甚一致；2010年到2015年输沙量急剧上升，超过多年平均值[23]。

输沙量反映流域土壤侵蚀强度和水土流失等状况，受气候条件、地质地貌和人为活动影响[24]。地质地貌无人类干扰相对不变；气候条件中降雨对输沙量的影响最大，自然条件下呈正相关；人为活动是主导因素，包括各项水利、水保工程等。赣江作为水土流失重点区被纳入了第1批国家级水保重点治理项目，蓄水保土能力不断提高，输沙量变化趋势线斜率为-19.91，呈显著减少趋势[25]。信江随着经济发展，采砂规模逐渐扩大，导致局部河床下切，过水断面增加，流速减小，输沙量反而降低，斜率为-3.96。而界牌和信州水利枢纽的建成对饶河流域的水沙关系有一定影响[23]，近几十年饶河输沙量趋势线的斜率为0.79，输沙量呈轻微上升趋势，可能是因为大洪水之后输沙量急剧减少导致河床下降、河岸崩塌，土壤侵蚀程度加剧。

以小流域为单元的水土流失综合治理是我国水土保持的特色，查阅国内近30年来在期刊上公开发表的关于小流域水土流失综合治理成效的文献60余篇，筛选出频度排名前3的评价指标为土壤侵蚀模数、植被覆盖率和人均纯收入，频度分别为0.72、0.66和0.64。同时找出了数据相对完整、治理年限超过10年的26个典型小流域，分析治理前后土壤侵蚀模数、植被覆盖率和人均纯收入的变化，并以直方图的形式表征于图4，结果发现小流域土壤侵蚀模数平均下降76%，减幅最大达95%，植被覆盖率平均增幅72%，增幅最大超过7倍，人均纯收入平均增加194%，最多增加约24.5倍(表5)，说明经过长期的水土流失综合治理，南方红壤区小流域的治理成效显著。

图4 小流域治理前后的指标变化Fig.4 Index variation of small watersheds after governance

表5 红壤区26个典型小流域治理前后的指标变化

4 结论

1)红壤区从2002年到2011年间，土壤侵蚀面积总体呈下降趋势，共减少0.5万km2，年均减少556 km2，主要是中度和强烈侵蚀面积减少，轻度、极强烈和剧烈侵蚀面积增加，轻度侵蚀多数是从中度侵蚀转化而来，而极强烈和剧烈侵蚀面积增加，预示着局部土壤侵蚀在加剧。从省级变化趋势来看，江西、湖北、浙江、福建、湖南和安徽6省境内土壤侵蚀状况呈好转趋势，而广西、广东、海南和江苏4省土壤侵蚀状况有加剧趋势。

2)从177个重点工程县的EI来看，有112个县的土壤侵蚀程度有减轻趋势，占63.3%；从空间分布来看，赣南、湘中、皖西及浙闽沿海各县土壤侵蚀状况有不同程度的好转，而湘南、皖南山区和粤东沿海各县有局部加重趋势；根据各类重点工程县的EI变化，显然生态文明工程县的EI平均值减幅最大，水土流失治理成效最显著，其次是国家级重点防治区、科技示范园和清洁小流域所在县。

3)从典型流域尺度来看，近几十年来江河流域的径流量随着时间的推移有轻微上升趋势，但输沙量显著下降，且随着小流域内的平均植被覆盖率和农民人均纯收入的不断增加，其平均土壤侵蚀模数也呈下降趋势，水土流失综合治理成效显著。