雅鲁藏布江中游地区小流域土壤侵蚀分级指标研究

谭杰峻，邓 健，范建容，徐京华，德吉色珍

(1.西藏自治区水土保持局，西藏 拉萨 850000；2.中国科学院/水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)

西藏地区地域辽阔，生态环境脆弱，土壤侵蚀严重且地区间差异大，其水土流失问题一直是学者们研究的热点。张建国等[1]根据土壤侵蚀状况将西藏自治区划分为6个区，即藏东南暖热湿润高山深谷水蚀区，藏东温带半湿润高山峡谷水蚀区，藏南温带半干旱高原宽谷水蚀区，藏北寒冷半干旱高原水蚀、风蚀区，藏西温凉干旱高原宽谷风蚀区，以及藏西北寒冻干旱高原冻融侵蚀区；张鹏等[2]对西藏“一江两河”地区的土壤侵蚀状况和分布特征进行了分析，探讨了土壤侵蚀的影响因素及防治思路；赵晓丽等[3]应用RS和GIS相结合的方法对西藏中部地区进行了土壤侵蚀动态监测；张琳等[4]对2000—2005、2005—2009年雅鲁藏布江中游地区的水土流失动态变化进行了研究，并预测了2010—2020年水土流失变化趋势。

土壤侵蚀模型是估算土壤侵蚀量和进行土壤侵蚀评价分析的重要方法。刘宝元等[5]以美国通用土壤流失方程(USLE)为基础，建立了适用于我国的中国土壤流失方程(CSLE模型)，随后该模型得到了广泛应用。程琳等[6]利用GIS与CSLE模型对陕西省土壤侵蚀定量评价方法进行了研究；高峰[7]基于GIS与CSLE模型研究了广西喀斯特岩溶区和典型红壤区的土壤侵蚀定量评价方法；秦建军[8]研究了CSLE模型在土壤侵蚀预报中的应用，得到了开县水土流失分布规律，并验证了CSLE模型在该地区的适应性。但是，应用CSLE模型法计算得到的结果为土壤侵蚀模数，需根据现行分级标准，即《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)进行强度分级，最终得到区域土壤侵蚀分布情况。《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)适用于我国绝大部分地区，但是西藏地区环境条件特殊，容许土壤流失量较小，因此需要进一步研究适用于该地区的土壤侵蚀分级指标，以配合CSLE模型法使用。

本研究以西藏雅鲁藏布江中游地区扎叶巴小流域为研究对象，根据CSLE模型法与多因子综合法分别得到的研究区土壤侵蚀分布结果，研究制定该区域的土壤侵蚀分级指标，并通过差异指数分析与相对误差理论对指标进行精度评价，筛选出最佳指标作为该地区的土壤侵蚀分级指标。

1 研究区概况

研究区选择在西藏雅鲁藏布江中游地区拉萨河右岸的扎叶巴小流域。该小流域位于东经91°12′06″～91°18′17″、北纬29°40′24″～29°46′37″，南北长约11.5 km，平均宽约6.1 km，流域面积70.75 km2，主河道长15.7 km；地处青藏高原东南部，属高原内陆山间盆地，地势北高南低，河谷宽约100 m，两侧为高山，地面高程3 681～5 443 m；位于高原温带季风气候区，干、湿季节分明，与我国同纬度地区相比，具有气温低、日温差大、年温差小及降水强度小、蒸发旺盛等高原气候特征。根据拉萨气象站资料，研究区多年平均气温为7.8 ℃，年最高气温为30.4 ℃，年最低气温为-16.5 ℃；多年平均降水量为400 mm，降水在年内分配极不均匀，雨季主要集中在6—9月，期间降水量约占全年的89%。受气候、地形条件影响，流域植被具有典型的垂直分布规律，在河谷地带分布有人工林(以北京杨、旱柳为主)，在河谷两侧坡地广泛分布以沙生槐为主的灌丛或灌丛草地，在两侧高山主要分布高寒草甸。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究植被覆盖度信息来自2016年Landsat 8影像数据(空间分辨率为30 m)，土地覆被信息来自2017年1月20日GF-1数据(多光谱分辨率8 m、全色分辨率2 m)；地形因子及坡度信息来自DEM数据(分辨率30 m)；采用中国气象数据网2012—2016年的日降雨量数据，计算降雨侵蚀力；通过实测表层土壤颗粒组成与有机质含量，计算土壤可蚀性。

2.2 研究方法

2.2.1 试验方案

(1)利用ArcGIS软件的波段集统计工具对CSLE模型法和多因子综合法分析结果的栅格图层作相关性分析，计算两种方法结果的相关系数，判断二者是否具有较强的相关性，为后续以多因子综合法分析结果为参考研究该区域土壤侵蚀分级指标提供依据。

(2)根据多因子综合法分析结果，得到不同强度等级的土壤侵蚀面积所占比例，并初步划分CSLE模型法结果中6个强度等级的土壤侵蚀模数间断值，再以多因子综合法结果的侵蚀强度空间分布情况为参考，对微度侵蚀、剧烈侵蚀两个极端强度等级作进一步的修正，使其在面积比例与空间分布上基本与多因子综合法结果相吻合。

(4)从差异指数与相对误差两个方面对这8组分级指标作精度评价，综合分析各试验组精度情况，筛选出最佳结果作为该区域的土壤侵蚀分级指标。

2.2.2 侵蚀评价方法

(1)CSLE模型法。CSLE模型[7]的基本形式为

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A为单位面积年平均土壤流失量，t/(hm2·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·h/(MJ·mm)；L为坡长因子；S为坡度因子；B为水土保持生物措施因子；E为水土保持工程措施因子；T为水土保持耕作措施因子。

(2)多因子综合法。根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，通过获取的研究区植被盖度、土地覆被类型、坡度数据，利用Arc/Info空间分析功能，综合分析得到土壤侵蚀强度分布图，再结合野外调查的水土保持措施信息进行修正，分级标准见表1。

表1 土壤侵蚀分类分级指标

2.2.3 精度评价方法

(1)相关性分析。相关性分析是对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的密切程度[9]。相关系数(r)计算公式为

(2)

(2)差异指数。差异指数表达不同土壤侵蚀模型在计算各级土壤侵蚀强度中的差异程度[10]。其计算公式为

Dij,n=[(Ai,n-Aij,n)/Ai,n+(Aj,n-Aij,n)/Aj,n]/2

(3)

式中：Dij,n为差异指数，介于0～1之间，值越大代表差异越大，值越小代表差异越小；Ai,n为采用第i种土壤侵蚀模型计算的第n级土壤侵蚀强度的面积；Aj,n是采用第j种土壤侵蚀模型计算的第n级土壤侵蚀强度的面积；Aij,n是采用第i种和第j种土壤侵蚀模型都被计算为第n级土壤侵蚀强度的面积。

(3)相对误差。相对误差是测量所造成的绝对误差与被测量真值之比再乘以100%所得数值，以百分数表示。一般来说，相对误差反映测量的可信程度[11]。其计算公式为

δ=Δ/L×100%

(4)

式中：δ为相对误差，%；Δ为绝对误差；L为真值。

3 结果与分析

3.1 试验结果

依据试验方案对CSLE模型结果进行土壤侵蚀模数间断值划分，得到各强度等级之间的间断值及其微调值范围为30、(80、100)、(380、400)、(650、700)、1 200，单位为t/(km2·a)。对微调值进行排列组合，得到各试验组分级指标数据，见表2。

表2 各试验组分级指标数据 t/(km2·a)

3.2 精度分析

3.2.1 相关性分析

对CSLE模型法与多因子综合法得到的栅格图层进行相关性分析，二者相关系数为0.87，说明两种方法得到的土壤侵蚀结果呈正相关，且相关性较强，因此以多因子综合法的土壤侵蚀结果作为参考，对CSLE模型法分级指标进行研究具有一定可靠性。

3.2.2 差异指数分析

将CSLE模型法的研究结果经不同试验组分级指标重新分级后，与多因子综合法结果作差异指数分析，从各强度等级面积的差异指数(图1)和各试验组差异指数和(图2)两个方面，通过整体与局部综合分析，对不同试验组土壤侵蚀分级指标作精度评价。结果显示：在各强度等级差异指数上，微度侵蚀和剧烈侵蚀标准分别为30和1 200 t/(km2·a)，各试验组二者的差异指数不变，分别为0.15和0.60，可见CSLE模型与多因子综合法计算的微度侵蚀差别较小，而剧烈侵蚀差别较大；轻度侵蚀方面，试验组2、4、7、8的差异指数相对较低，差异指数为0.69，故该强度等级的微调值取100 t/(km2·a)；中度侵蚀方面，各试验组差异指数均在0.45附近，相差不大，说明380、400 t/(km2·a)的微调值对中度侵蚀强度等级分级均可行；强烈侵蚀方面，试验组1、2、5、7的差异指数为0.66左右，相对其他组较小；极强烈侵蚀方面，试验组1、2、3、4的差异指数为0.76，另外4组为0.79，二者出入不大，取较小者的微调值650 t/(km2·a)。对各试验组差异指数和进行统计，从图2可以看出，试验组2、4的差异指数和最小，分别为3.35和3.36。再结合局部各强度等级的差异指数分析结果(图1)，得到各强度等级之间划分值为30、100、(380、400)、650、1 200，单位为t/(km2·a)，与试验组2、4相符。

3.2.3 相对误差分析

CSLE模型研究结果经各试验组分级指标重新分级后与多因子综合法结果作相对误差分析，从各试验组结果整体的相对误差(图3)和各强度等级的相对

图1 各试验组不同强度等级差异指数

图2 各试验组差异指数和

图3 各试验组相对误差

误差(表3)两个方面，对不同试验组土壤侵蚀分级指标作精度评价。结果显示：微度侵蚀和剧烈侵蚀相对误差分别为6.21%和0，这与制订各试验组分级指标的试验方案有关；轻度侵蚀的相对误差普遍较高，分别为-34.00%和-41.41%，是6个级别中变化最大的，这与两种方法计算土壤侵蚀量的方式有关，取相对误差较小的试验组2、4、7、8；中度侵蚀的各试验组相对误差普遍较小，其中试验组2、4、7、8相对其他组更小，仅为2.37%和3.26%；强烈侵蚀等级各试验组相对误差起伏较大，最小值为试验组5、7的-2.8%，最大值为试验组3、4的-11.6%，其他组相对误差值居中；极强烈侵蚀等级方面，后4组的相对误差最小，为-5.71%，而前4组较大，为17.14%。从土壤侵蚀强度等级方面综合考虑，试验组2、4、7、8各等级相对其他组效果较好。各试验组相对误差如图3所示，试验组2、5、7、8的相对误差与其他4组相比较小，分别为10.95%、10.42%、8.52%、9.60%；试验组1、3、4、6的相对误差分别为12.86%、13.94%、12.04%、11.50%，较前面4组稍大但不明显，主要原因在于各强度等级之间的间断值微调，使得各试验组间差异并不大。综上所述，通过各强度等级面积的相对误差与各试验组相对误差两方面分析可得，试验组2、7、8的土壤侵蚀分级指标精度较好，相对误差分别为10.95%、8.52%、9.60%。

表3 各试验组不同强度等级相对误差

3.3 土壤侵蚀分级指标

从试验结果的差异指数与相对误差分析可看出，试验组2的土壤侵蚀分级指标精度能满足要求，这是两个不同角度精度分析的共同结果。试验组2的分级指标各强度等级之间的间断值为30、100、380、650、1 200，单位为t/(km2·a)。因此，综合考虑筛选出试验组2的结果作为研究区土壤侵蚀分级指标(表4)。

表4 研究区土壤侵蚀分级指标 t/(km2·a)

4 结 语

(1)根据差异指数分析各试验组结果的精度情况，试验组2、4的差异指数和最小，分别为3.35和3.36，相对于其他各组精度较高，且各强度等级差异指数的总体情况也是各试验组中较好的。因此，从差异指数分析的角度筛选出试验组2、4的土壤侵蚀分级指标满足要求。

(2)根据相对误差分析各试验组结果的精度情况，试验组2、5、7、8的整体相对误差绝对值较小，其相对误差分别为10.95%、10.42%、8.52%、9.60%，与其他4组结果相比精度较好；根据各强度等级的相对误差分析结果，试验组2、4、7、8各强度等级的整体相对误差较好。因此，从相对误差分析的角度筛选出的结果为试验组2、7、8。

(3)根据差异指数分析和相对误差分析结果，筛选出试验组2的精度较高，综合考虑后，最终选取试验组2的结果作为该区域土壤侵蚀分级指标。即微度侵蚀<30 t/(km2·a)、轻度侵蚀30～100 t/(km2·a)、中度侵蚀100～380 t/(km2·a)、强烈侵蚀380～650 t/(km2·a)、极强烈侵蚀650～1 200 t/(km2·a)、剧烈侵蚀>1 200 t/(km2·a)。