基于CSLE的安溪县土壤侵蚀估算与分析

吴思颖， 汪小钦†， 曾舒娇， 林敬兰， 陈妙金

(1.福州大学 福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，卫星空间信息技术综合应用国家地方联合工程研究中心，350116，福州；2.福建省水土保持试验站, 350003，福州)

水土流失导致土地生产力的下降以及生态环境的急剧恶化，成为一种全球性的灾害问题[1]，越来越受到世界各国的重视。遥感技术因其具有大范围同步监测和重复周期快的特点，是重要的水土流失监测手段[2]。随着侵蚀过程和机制研究的不断深入以及土壤侵蚀影响因素的不断加强，近100年来国内外水土流失遥感监测方法也愈见丰富。在水土流失定量监测模型中，通用土壤流失方程USLE(universal soil loss equation)和修订土壤流失方程RUSLE(revised universal soil loss equation)因其结构形式简单，各参数计算方式易于实现，且在全球范围内适用性强，应用最为广泛[3-8]。中国土壤流失方程CSLE(Chinese soil loss equation)在USLE/RUSLE基础上，结合我国水土保持措施特点，进一步细化了模型因子，其结构简单且在中国具有更强的适用性。CSLE模型被广泛应用于中国境内土壤侵蚀定量评价中，例如：陈美淇等[9]基于CSLE模型对贵州省的水土流失空间分布特征进行分析；孙禹等[10]应用CSLE模型定量对东北克山县小流域的水土流失进行估算，进一步分析东北黑土区土壤侵蚀现状；宋文龙等[11]利用CSLE模型定量评估黄土高原丘陵沟壑区靖边县的水土流失情况，对其土壤侵蚀强度等级进行划分。目前CSLE模型在南方红壤区的应用较少，因此笔者在估算安溪县土壤侵蚀模数的同时，通过野外考察的方式进而验证CSLE模型在南方红壤区的适用性。

安溪县位于福建省泉州市的西南部，属南方红壤水土流失区。在历史、自然和经济因素的作用下，其水土流失情况严重，属于福建省22个水土流失重点县的I类县。福建省水保站提供的资料显示，安溪县2015年水土流失面积为659 km2，流失率为22.01%，是目前福建省水土流失最严重的县[注]数据由福建省水土保持试验站提供。福建省是中国最大的产茶省份，著有“中国茶都”之称的福建省安溪县茶叶种植面积达400 km2，占福建省茶叶种植面积的16%，由于地形限制，安溪县茶园大部分分布在山地开垦的梯田上，茶园梯田的开垦人为的破坏了地表植被，同时在茶园管理过程中，除草、松土等行为使得原本土层深厚的红壤变得裸露且疏松，增加了地表径流的作用，因此加剧了水土流失[12]。安溪县地处闽南花岗岩区域，崩岗侵蚀极其严重，是福建省乃至全国典型的地区之一[13]。鉴于安溪县水土流失的严重性及典型性，对该区域进行水土流失监测显得十分重要。

笔者以福建省安溪县为研究区，基于CSLE模型开展土壤侵蚀定量估算，并分析其空间分布以及与坡度、海拔间的关系，为安溪县水土流失防治决策提供依据。

1 研究区概况

安溪县位于福建省泉州市，地处我国东南沿海。其县域范围为E 117°36′～118°17′，N 24°50′～25°26′之间。它的位置东面接连南安市，西面接连华安县，南面与同安区毗邻，北邻永春县。全县以丘陵山地为主，河谷盆地分布其间。地势自西北向东南倾斜，属南、中亚热带海洋性季风气候，年平均温度在16～18 ℃之间，年降雨量约为1 800 mm。安溪县内广泛种植茶园，近年来在经济利益的驱使下，茶农不断的超坡度开垦茶园，且未能有序耕种，缺乏有效的茶园管理模式，从而导致茶园水土流失面积增多。而作为石材矿山主产区之一的安溪官桥、龙门等区域，由于粗放开采，一度出现“牛奶河”，成为水土流失源之一，崩岗侵蚀也是安溪县主要的土壤侵蚀类型之一。随着人口的增长，人们不断的占用土地资源，在茶园、矿山、崩岗这3种主要水土流失源的影响下，安溪县水土流失日益严重。

2 材料与方法

2.1 数据来源

笔者所使用的数据包括：1)2015年覆盖安溪县的GF- 2遥感影像(全色1 m、多光谱4 m)，用于土地利用/土地覆盖的提取。2)2015年覆盖安溪县的GF- 1中等分辨率遥感数据(多光谱16 m)，如图1所示，用于植被覆盖度和生物措施因子B的估算。3)中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据(http:∥data.cma.cn/)，称为“逐时网格降雨融合数据”，用于降雨侵蚀力因子R的计算。4)安溪县的DEM数据，其空间分辨率为18 m，用于坡长坡度因子LS计算及流域的划分。5)福建省的主要土壤类型专题图，用于土壤可蚀性因子K的计算。6)福建省水土保持试验站提供的2014—2016年安溪县多组坡面径流小区资料，用于工程措施因子E的计算。7)野外考察数据，包括土壤侵蚀程度、土地利用类型、植被覆盖情况等，考察点分布如图1所示。

图1 2017年安溪县水土流失野外考察地分布Fig.1 Distribution of soil loss field investigation in Anxi county 2017

2.2 研究方法

采用中国土壤侵蚀模型(CSLE)估算安溪县土壤侵蚀模数，计算式[14]为

A=RKLSBET。

(1)

式中：A为年平均土壤侵蚀模数，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·hm2·h/(MJ·hm2·mm)；L、S为坡长、坡度因子；B为生物措施因子；E为工程措施因子；T为耕地措施因子。

降雨是导致土壤侵蚀的主要动力因素，降雨引起对土壤的冲刷、击打、分解等会造成土壤的分离和搬运。由福建省气象公报数据[15]显示，安溪县2015年降雨情况正常，2014年(偏低)和2016年(偏高)是近几年降雨相对极端的年份，因此选用2015年气象观测数据具有一定的代表性，能够相对客观地描述安溪县的年平均降雨情况。笔者采用周伏建等[16]提出的福建省降雨侵蚀力因子R的简便计算模型，该模型是利用福建省多个站点多年的实测数据回归计算而得，计算公式如下：

Ri=-2.639 8+0.304 6Pi。

(2)

式中：Ri为月降雨侵蚀力,MJ·mm/(hm2·h·a)；Pi为月降雨量，mm。

土壤作为侵蚀作用的直接对象，其自身的可侵蚀性是导致水土流失问题的重要原因。土壤可蚀性因子K是作为定量估算和预报土壤潜在侵蚀量的指标，指的是单位面积上每降雨侵蚀系数单位的土壤流失率。笔者采用方纲清等[17]利用EPIC模型计算出的福建省主要土壤类型的K值，从而得到安溪县的K因子。

坡度因子S和坡长因子L定量表征地形地貌特征对土壤侵蚀的综合影响，坡长影响坡面径流流速、流量等，坡度影响水流挟沙能力，从而影响土壤侵蚀。基于区域尺度的水土流失研究中，LS因子一般利用DEM数据计算获得。考虑到安溪县属丘陵地带，整体坡度较大，因此选用刘宝元等[18]根据我国土壤侵蚀特点而提出的适用于坡度较大地区的LS因子估算方法，利用DEM数据计算获得研究区内LS因子。

耕作措施因子T指的是采取某种耕作措施的土壤流失量与同等条件下没有采取任何耕作措施。根据当地人耕作习惯和前人研究成果[19]，笔者采用经验赋值，根据不同坡度条件下等高耕作减少的土壤侵蚀量确定T值，其中，在没有耕作措施的地方，将耕作措施因子值赋为1，最终得到安溪县耕作措施因子结果，其结果如表1所示。

表1 研究区耕作措施因子取值

2.2.1 基于遥感数据的植被覆盖与生物措施因子B估算 生物措施因子B是指在一定条件下有植被覆盖或实施田间管理的土壤流失总量与同等条件下清耕的连续休闲地土壤流失总量的比值，其表征地表覆盖对土壤侵蚀的抑制作用[20]。笔者采用植被覆盖度与地类赋值法相结合进行B因子估算。对于林地、茶园、裸地，利用马超飞等[21]提出的植被覆盖度法进行B因子估算；其中，植被覆盖度和B因子的计算方法分别如式(3)、式(4)所示。对于其他地类，则根据土地利用/土地覆盖类型赋值：耕地赋值为0.230，水体和不透水面赋值为0，其他用地(包括建设用地等)为0.353，最后得到2015年安溪县的植被覆盖度和生物措施因子B。

V=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

(3)

式中:V为植被覆盖度；NDVIsoil为无植被象元覆盖的NDVI值；NDVIveg为纯植被象元的NDVI值。

(4)

式中V为植被覆盖度，采用百分数参与计算。

2.2.2 工程措施因子E的定量估算 工程措施主要指通过建立对改变地形的水土保持工程达到减少土壤侵蚀目的的水土保持措施，包括梯田、水平沟、竹节沟、鱼鳞坑等。工程措施因子是指在相同情况下，有工程措施的径流小区的土壤侵蚀量与无工程措施径流小区的土壤侵蚀量之比。安溪县以茶园种植为主，茶园属于梯田经济园，笔者主要考虑茶园的工程措施作用。

茶园具有明显的光谱特征，可通过植被指数进行提取。传统的NDVI指数在归一化过程中波谱分布间隔受限[22]，相邻波段之间存在一定的光谱重叠现象，为了解决光谱混淆问题，Dihkan等[23]提出了修正归一化植被指数MNDVI(modified NDV1)，通过扩大光谱间隔有利于茶园信息从其他具有相似光谱特征的地类中进一步分离。其公式为

MNDVI=(Red-Green)/(Red+Green)。

(5)

式中Red和Green分别为影像的红、绿波段。

通过计算安溪县修正归一化植被指数(MNDVI)，发现茶园区域与其他地物相比具有较高的MNDVI值，通过设定阈值，能够将茶园从林地中区分，最终有效地提取茶园信息。最后利用福建省水土保持试验站提供的2014—2016年安溪县多组茶园坡面径流小区资料，根据工程措施因子的定义，求得安溪县的茶园工程措施因子值为0.11。

2.2.3 土壤侵蚀评价方法 参照SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》规定的“土壤侵蚀强度分级标准”进行分级，将研究区内的土壤侵蚀分为5个等级，并计算不同等级的水土流失面积，水土流失率Ra和土壤侵蚀综合指数SE[24]对安溪县水土流失进行分析。其中Ra和SE的计算方法如式(6)、公式(7)所示。

Ra=Sa/Sr×100%。

(6)

式中：Ra为水土流失率，%；Sa为轻度及以上流失等级的水土流失总面积，km2；Sr为区域国土总面积，km2。

(7)

式中：SE为评价单元的土壤侵蚀综合指数；Ci为评价单元土壤侵蚀等级权重；Ai为评价单元第i等级侵蚀的面积；St为评价单元的土地总面积；N为评价单元土壤侵蚀等级数。

土壤侵蚀综合指数SE是利用权重变换形成的一个综合指标数值，旨在一个区域内用统一的标准进行计算，使其结果具有很强的对比性[25]。根据SE值范围，将红壤区土壤侵蚀综合指数SE值分为5个等级，分别为低侵蚀指数区(SE≤2)、中低指数区(26.5)[25]。

3 分析与讨论

3.1 土壤侵蚀空间分布与精度验证

根据各因子的估算方法以及式(1)，计算得到2015年安溪县土壤侵蚀模数，其结果如图2所示。经计算，2015年安溪县的平均土壤侵蚀模数为379.72 t/(hm2·a)，土壤侵蚀区域的平均土壤侵蚀模数为1 029.02 t/(hm2·a)。

根据SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》对土壤侵蚀模数进行分级，获得安溪县土壤侵蚀强度空间分布图，如图3所示。可知安溪县的土壤侵蚀情况整体较为严重，2015年安溪县土壤侵蚀总面积达638.09 km2，流失率高达21.31%，其中以轻度流失为主，面积达472.66 km2，占总流失面积的74.07%，强度及强度以上流失等级的面积所占比例较少，占总流失面积的2.94%。

利用野外调查资料和省水保站2015年的统计结果，对2015年安溪县土壤侵蚀估算进行精度验证。野外调查数据一共包含104个野外考察点(图1)，考察点是根据土地利用类型、水土流失等级和实际交通通行情况确定，全面覆盖不同土地利用类型和不同的水土流失等级，且尽量覆盖整个县域范围。各考察点的水土流失强度信息由安溪县水土办的技术人员通过结合土地利用类型、植被覆盖情况以及坡度等信息，结合工作经验判断得到。104个野外考察点位判读正确数达到87个，精度为83.65%，表明估算结果可靠，基本满足应用要求。

图2 2015年安溪县土壤侵蚀模数Fig.2 Soil erosion modulus of Anxi county in 2015

图3 2015年安溪县水土流失强度空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil loss intensity of Anxi county in 2015

3.2 不同小流域的水土流失

通过计算安溪县内细小流域的水土流失率和土壤土壤侵蚀综合指数(图4和图5)，分析各流域的土壤侵蚀程度。

图4 安溪县各细小流域水土流失率Fig.4 Soil loss rate in various small watershed of Anxi county

图5 安溪县各细小流域土壤侵蚀综合指数Fig.5 Soil erosion index in various small watersheds of Anxi county

由图4和图5可知，安溪县中北部和西南部流域土壤侵蚀较严重，部分流域流失率高达30%，中部流失最轻，各细小流域流失率在10%～15%之间。其中双溪流域和大畬溪流域土壤侵蚀最严重，侵蚀面积分别为36.96 km2和18.04 km2，流失率分别为29.00%和32.19%。双溪流域的部分细小流域水土流失率虽然低于30%，但是SE值同样处于4～6.5之间，其原因是这些细小流域轻度流失所占比例相对较小，其他流失程度所占的比重相对较大，导致虽然水土流失率小于30%，但SE值同样较大。究其原因，双溪流域和大畬溪流域流经区域处安溪北部，海拔普遍较高且以红壤土为主，极易造成水土流失，此外大规模超坡度开垦茶园会加速地表径流，使土壤侵蚀加剧，特别是大畬溪流域，各小流域流失率几乎均超出了25%，因此需要将这2个流域作为重点治理的对象。蓝溪流域、高层溪流域的细小流域水土流失率和SE值也较高，其中蓝溪流域东南部流经区域为安溪县县城所在地，坡度平缓但植被覆盖度较低，特别是龙门镇、官桥镇一带的崩岗较多。此外，人类开发建设项目活动多，工矿用地、城镇开发区、居民用地所占面积大，造成该区域土壤侵蚀比较严重。龙津溪流域北部、洛溪流域、蓬莱溪流域内大部分细小流域的水土流失率低于15%且SE值均小于3，主要是因为这些区域具有较高的植被覆盖度，因其林地能更好地涵养水土所以土壤侵蚀更少。坑仔口溪流域、金谷溪流域、高层溪流域的水土流失率也较高，流失率在20%～25%之间且SE值也处于4～6.5之间，属于中高侵蚀指数区域，应该对其采取一定的水保措施防止其生态环境进一步恶化。

表2 2015年安溪县各小流域土壤侵蚀面积统计

3.3 不同坡度土壤侵蚀空间分布

根据《水利水电工程水土保持技术规范》标准[27]，将坡度划分为6级，分别为0°～5°，>5°～8°，>8～15°，>15°～25°，>25°～35°，>35°。从整体上看，安溪县的坡度分布主要集中在>8～15°和>15°～25°且分布较为均匀。0°～5°坡度带集中分布于城镇以及城镇周边的耕地，>25°～35°和>35°坡度带所占比重较少，主要分布于安溪县西部和北部的高山区域。

图6 各坡度带水土流失情况Fig.6 Soil loss in each slope zone

对安溪县不同坡度带内的各流失等级面积进行统计，得到图6，图中各圆面积大小代表各坡度带所占安溪县面积的比例。由图6可知，土壤侵蚀主要集中在>8°～35°的坡度带，该坡度带内侵蚀面积占全县流失面积比例较高。>15°～25°、>25°～35° 2个坡度带的水土流失率均近30%且土壤侵蚀综合指数均在3.5左右。特别是15°～25°的坡度带，其土壤侵蚀最严重，坡度带内侵蚀面积占全县总侵蚀面积的比例最高，达49.33%，且土壤侵蚀综合指数SE也较高，这主要是由于安溪县存在超坡度开垦茶园及陡坡种植现象，在坡度高于15°的地区内未能按照标准采用合理的方式进行茶园开垦，例如建设一些内倾等高梯级园地等。极强、剧烈水土流失多发生在>8°～35°的坡度带，该范围内的极强水土流失面积达5.553 km2，剧烈水土流失面积达1.367 km2，分别占相同等级水土流失总面积的85.84%和81.45%。

图7 水土流失率和土壤侵蚀综合指数随高程的变化Fig.7 Change of soil loss rate and soil loss index with elevation

>15°～25°的坡度带极易发生极强、剧烈水土流失，该坡度带内极强流失面积和剧烈流失面积占同等级全县流失总面积的比例分别为41.13%、35.36%。徐劲林等[26]和陈志强等[27]分别对安溪县和同样位于南方红壤区的长汀县的坡度与土壤侵蚀关系进行了分析，研究结果同样表明，>15°～25°坡度带的水土流失较其他坡度带更加严重。究其原因，25°是该地区土壤侵蚀的理论临界坡度[28]，即坡度在25°以下，随着坡度的上升，土壤侵蚀加剧，当坡度超过25°，土壤侵蚀反而随着坡度的增加而下降。另一方面，茶园的不科学开垦，破坏了原本的植被覆盖以及土壤结构，增加了地表径流从而加剧了水土流失。因此应该特别注重>15°～25°坡度带内的水土流失的治理，禁止顺坡种植，应修筑标准的水平梯田增强拦蓄水的水土保持功能，对该坡度带的茶园进行间种绿肥，提高茶园的植被覆盖度以降低茶园的水土流失。

3.4 不同高程的土壤侵蚀空间分布特征

安溪县高程分布范围为0～1 688 m，其中多数地区主要分布在400～600 m，100～200 m高程带集中分布于安溪东部的城镇以及城镇周边的耕地，1 300 m以上的高程分布较少，主要集中分布于安溪县西北部的太华山区域。将安溪县数字高程模型(DEM)以100 m为间隔分为16个不同的高程带，并与安溪县水土流失强度空间分布图进行叠置分析，统计不同高程带内的水土流失率及土壤侵蚀综合指数得到图7。

由图7可知，水土流失率及土壤侵蚀综合指数(SE指数)随高程的增加呈现相同的变化规律。水土流失率及SE指数在0～600 m的高程带内急速上升，在600～1 300 m的高程带内缓慢下降，在1 200 m后趋于平缓。水土流失在200～500 m的高程带内最为严重，水土流失率>20%，SE指数>2.5。赵明松等[29]和陈文祥[30]对位于南方红壤区的安徽省和福建省长汀县的水土流失与海拔之间的关系进行了研究，其研究结果与本文相符，均表明200～500 m高程带水土流失情况最为严重。通过将高程数据与水土流失等级叠加发现，该高程带主要分布在安溪县北部城镇及东部城镇四周。一方面，由于城镇的扩张和交通建设的需要，大量的人类活动破坏了原有的地表状况加剧了水土流失，同时建设过程中“乱堆乱放”现象也形成了新的人为水土流失；另一方面，该高程带存在着较多的坡耕地及茶园，坡耕旱地及茶园极易造成水土流失[31]。此外，水土流失在500～1 200 m也较严重，其水土流失率、SE指数也较高，安溪县在这个高程带内以种植茶园为主，在大力发展茶园种植时毁林种茶，盲目开垦园林，没有按照标准修建茶园、耕作方式不合理，幼龄茶园行间未套种绿肥作物这系列行为都会使山地茶园流失加剧。而1 200 m后为海拔较高的地带，多以种植高山森林为主，植被覆盖度高，且海拔高的地区人为活动干预小，水土流失情况也有所改善。

4 结论

笔者基于CSLE水土流失模型，结合RS、GIS技术，定量估算并分析了安溪县2015年水土流失的整体情况以及空间分布规律。

1)2015年安溪县水土流失总面积为638.09 km2，流失率高达21.31%，水土流失总体情况较严重。其中以轻度流失为主，主要分布在安溪县的的北部和南部地区，受过度开垦茶园等人为活动的影响，较为严重的是双溪流域和大畬溪流域，而龙津溪流域北部、洛溪流域、蓬莱溪流域水土流失较少。中侵蚀SE指数区多分布于双溪流域、坑仔口溪流域、大畬溪流域，其流域内的细小流域多为中高SE指数区，土壤侵蚀较为严重。低侵蚀SE指数区主要为龙津溪流域、蓬莱系流域。

2)安溪县在以>15°～25°的坡度带内水土流失程度最严重，极易发生极强、剧烈水土流失，主要原因是该地区内未能按照标准采用合理的方式进行茶园开垦。水土流失在海拔200～500 m的地带最为严重，水土流失基本都高达20%。

3)双溪流域和大畬溪流域、>15°～25°坡度带以及200～500 m高程带应为今后安溪县水土流失的重点治理区域，有针对性地制订水土流失防护措施，改善水土流失情况来保证生态环境的安全。

此次野外考察过程中，安溪县水保站提供了人力、物力和技术上的支持，在此表示衷心的感谢！