2000-2015年西南山地土壤侵蚀时空格局研究

叶 馨

（重庆师范大学，重庆 401331）

随着社会发展和科学进步，人类对自然环境的影响强度和广度都不断增强，由此引发的区域环境问题如土壤侵蚀等日渐突出[1]。土壤侵蚀是指土壤或成土母质在外力作用下被剥蚀、搬运和沉积的过程[2]。我国是土壤侵蚀最严重的国家之一，有1/2的耕地和2/3的草原面临不同程度的水土流失，造成大量的人力、物力、财力损失，对国家安全构成潜在威胁[3]。近年来，通用土壤流失方程（USLE）和改进后的方程（RUSLE）被广泛应用于土壤侵蚀研究。齐述华等人将USLE模型与遥感技术结合，对1995-2005年江西省土壤侵蚀做了研究[4]；高翔进行了喀斯特地貌的土壤侵蚀模型估算[5]；韩永伟应用模型对黄土高原生态区土壤保持与价值进行了评价[6]；Jazouli利用USLE模型与GIS、遥感结合，模拟了摩洛哥某流域的土壤侵蚀[7]。

我国在时间尺度上的研究多集中于中短期，区域尺度上多集中于县域等中等尺度[3]。对于西南山地这种地形跨越较大、水系交错、降雨时空分布不均且水土流失频发的地域，目前进行综合研究的并不多。川渝地区的土壤研究侧重在土壤侵蚀时空动态变化与驱动因子的研究，研究区域又以三峡库区、生态功能区、丘陵区的坡耕地等为主[8-11]；基于云南地区的土壤侵蚀研究集中在河谷段落、流域以及铁矿区附近[12-14]；贵州地理环境独特，对喀斯特地区的土壤研究 较多[15-16]。因此，作为西南地区经济发展的重要区域，为防止其生态环境恶化，使退化的生态系统得到恢复与重建，实现资源的可持续利用，研究其土壤侵蚀的时空格局演变具有重要意义[17]。

1 研究区概况

西南山地指四川、贵州、云南和重庆，大致位于东经97°～111°，北纬21°～35°之间，总面积约为114万km2。区内河流纵横，峡谷广布，地形以高原和山地为主，还有广泛分布的喀斯特地貌、河谷地貌和盆地。在气候上，从南部的热带向北部的亚热带过渡，干湿季明显且复杂多变。区内雨量丰富，平均为1 000～1 300 mm，且自西南向西北递减。在地形上，从海拔4 000 m以上的青藏高原向东、东南降到2 000 m以下的云贵高原、500 m以下的四川盆地，该区域是西部青藏高原向东部丘陵平原的过渡地区。在地势上，由西北向东南降低，其跨越全国地势的第一、二级阶梯，主要有横断山区、云贵高原和四川盆地。全区的土壤类型主要有紫色土、红壤、黄壤、棕壤、石灰土、水稻土、粗骨土和新积土等。

2 数据的获取与处理

数据来源主要包括4个部分.一是DEM数据来源于SRTM90m Digital Elevation Data，已在全球得到广泛应用[18]。二是结合遥感降水数据，通过降水降尺度研究获取2000-2015年1 km空间分辨率降水结果，按照就近原则并取平均获得4期的降水数据（2000：2000-2001；2005：2004-2006；2010：2009-2011；2015：2014-2015），并进一步计算降雨侵蚀力。三是土地利用/覆被数据来源于“全国生态十年”数据，将土地利用/覆被分为6个I级类、25个II级类。四是1∶100万土壤类型数据、1∶25万道路、水系、行政区划等基础地理数据来源于地球系统科学数据共享网——西南山地科学数据共享平台。在已有数据的基础上，进一步将所有空间数据转换到同一投影坐标Albers等积投影并重采样到90 m的空间分辨率再参与空间运算。

3 研究方法

3.1 侵蚀模型构建

现阶段，国内外对土壤侵蚀的研究都是在充分考虑复杂多变的气候和地理条件下，将不同的遥感信息与非遥感信息结合，再基于ArcGIS的空间分析技术，对水土流失进行定量分析。基本公式为：

式中，USLE为土壤侵蚀模数即年平均土壤流失量，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·hm2·h/（MJ·hm2·mm）；LS为地形因子中的坡度和坡长因子；C为地表植被覆盖因子；P为土壤保持因子。

本文基于模型原理，采用生态系统服务与权衡综合评价（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，INVEST）模型，通过对该模型所需关键参数的计算，得到研究区的实际土壤侵蚀量[19]。具体参数的计算和处理如下。

3.1.1 降雨侵蚀力R

降雨量的强度大小是影响一个区域水土流失质量的重要因素，也是导致土壤侵蚀变化的原因，通常，降雨量的时空分布不均是导致土壤侵蚀时空分异的动力因素。本文主要参考重庆市涪陵区降雨侵蚀力时间分布特征的降雨侵蚀力回归模型[20]，基本公式为：

式中，R年为年降雨侵蚀力，MJ·mm（hm2·h·a）；P年为年降雨量，mm。其中，年降雨量数据由4期（2000-2015年）的月降雨量数据累计得到。

3.1.2 土壤可蚀性因子K

土壤可蚀性是土壤对侵蚀外力的敏感性反应，由土壤本身的属性特征决定，同时受外在环境的影响。本文通过借鉴相关研究成果并咨询专家意见，得到西南山地的土壤可蚀性K值，再结合土壤类型图进一步得到K值的空间分布图[21-24]。

3.1.3 地形因子LS

地形因子是坡度、坡长等因子与降雨流动能量关系的表征，通过对降雨流动能量的影响，间接影响土壤侵蚀。本文直接将DEM数据导入INVEST模型中运算得到该参数。

3.1.4 水土保持因子P与地表植被覆盖因子C

植被覆盖因子C指在相同的外在条件下，对于某一特定作物，轮作的土壤流失量与连续休闲地的土壤流失量之比，该值介于0～1[25]。水土保持因子C定义为采取保护措施的土壤流失量与顺坡耕地的土壤流失量之比，0表示采取保护措施，该地区不会发生土壤侵蚀，1表示未采取任何措施，可能发生土壤侵蚀[26]。本文结合蔡崇法等人的研究，结合土地利用类型图得到C、P的值（见表1）[27]。

3.2 土壤侵蚀分级

基于上述模型算出的土壤侵蚀量，参照中国水利部2008年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007），将西南山地2000-2015年的土壤侵蚀分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈6个等级，得到研究区土壤侵蚀强度的时空分布图。水力侵蚀强度分级如表2所示。之后，导入Excel进行相关计算，定量分析各侵蚀等级间的相互转变特征。

表1 不同土地利用的C、P值

表2 水力侵蚀强度分级

4 研究结果与分析

4.1 土壤侵蚀现状特征分析

4.1.1 时间尺度特征

由表3可知，2000年西南山地土壤侵蚀总面积为1 127 492.27 km2，其中微度占35.33%，轻度占17.87%，中度占14.23%，强度占8.64%，极强占9.49%，剧烈侵蚀占14.44%，总体属中度侵蚀，土壤质量适中；2005年中度侵蚀以下所占面积较2000年略有上升，强度侵蚀以上比例下降，说明水土流失逐步改善；2010年侵蚀强度与2005年相比明显降低，其中微度侵蚀幅度提高了4.87%，面积增加了55 004.46 km2，剧烈侵蚀幅度降低了2.35%，面积减少了26 518.44 km2；2015年与2010年相比较剧烈侵蚀占比上升2.67%，面积增加30 099.75 km2，微度侵蚀占比下降4.79%，面积减少54 008.13 km2。综上所述，在时间尺度上研究区土壤侵蚀整体好转，尤其在2010年水土流失有明显改善，其中以贵州最好，其次是云南，而川渝地区的土壤侵蚀强度相对较高。

4.1.2 空间尺度特征

西南山地受空间差异性和自然环境区域性、复杂性影响，侵蚀程度的空间分布存在差异。川渝地区的侵蚀程度普遍高于云贵地区，这是外部总特征，各省市内部空间分布趋势和走向不同，具体表现在4个方面。

（1）从重庆市土壤侵蚀多年平均来看，剧烈侵蚀占比1.28%，面积为14 410.43 km2，微度面积为30 917.77 km2，占2.74%。发生强侵蚀的区域主要是渝东北部、东南部和南部，中部和西部较轻，空间分布呈块状，总体呈中度侵蚀，如图1所示。

图1 重庆市土壤侵蚀分类分级图

表3 2000-2015年西南山地土壤侵蚀面积

（2）从四川省土壤侵蚀多年平均来看，剧烈区面积为80 900.51 km2，占7.81%，微度侵蚀区面积为149 045.82 km2，占13.22%。发生强侵蚀的区域集中在川西北部高原、西南部山地和川东平行岭谷区，呈南北纵向分布，包括康定县、九龙县、雅江县、泸定县、汶川县、茂县、宝兴县和阆中等地，总体侵蚀程度中度偏上，如图2所示。

图2 四川省土壤侵蚀分类分级图

（3）从云南省土壤侵蚀多年平均来看，剧烈区面积约为38 441.17 km2，占3.41%，微侵蚀区面积约为83 132.83 km2，占14.75%。发生强侵蚀的区域分布在西部、西北部、东北部，包括横断山脉纵谷区和青藏高原南延段，且有自西北向东南的纵向分布，总体侵蚀程度中度偏下，如图3所示。

图3 云南省土壤侵蚀分类分级图

（4）从贵州省土壤侵蚀多年平均来看，剧烈区面积为18 821.59 km2，占1.67%，微度侵蚀区面积为74 028.6 km2，占6.57%。发生强侵蚀的区域主要在北部、西南部和东部少许地区，包括兴义市、普安县、水城县、六枝特区、仁怀市、桐梓县等海拔较高区县；中部和南部较轻，为西秀区、花溪区等人口密集区。总体属轻度侵蚀，空间分布呈环状，如图4所示。

4.2 土壤侵蚀时空格局演变

图4 贵州省土壤侵蚀分类分级图

为了研究西南山地在2000-2015年土壤侵蚀强度分级的转变特征，本文分析了4期的等级升降变化，如表4所示。从时间上看，2000-2005年降级区面积占14.16%，升级区占2.08%；2005-2010年降级区面积占11.5%，升级区占4.44%。2000-2010年降幅大于增幅，剧烈、极强度和强度侵蚀降为中度、轻度或微度侵蚀，说明水土流失情况好转。2010-2015年降级区面积占3.51%，升级区占23.27%，侵蚀面积大幅度增加，侵蚀等级明显上升，且增幅大于降幅，表明水土流失加剧。总的来说，这15年间土壤侵蚀总量稳定，水土保持质量呈先增后减的趋势，但仍要加强生态保护，建立可持续发展生态战略。

从空间上看，降级区域主要集中在川西南、南部，年均占比2.85%；渝东北部占0.27%；贵州和云南大面积侵蚀等级下降，分别占1.22%和5.49%。升级区域分布在川西北部，年均占4.77%；渝中、西部占1.04%；云南东、东北部占2.14%；贵州东、东南部占2.46%。其中，2010-2015年土壤侵蚀有明显的恶化（见图5（c）），从微度、轻度或中度转为强度以上等级占比22.79%，由微度、轻度转为中度占26.15%，云贵两省较明显。图5的图例中，恶化代表侵蚀等级的上升，改善代表侵蚀等级的下降，平衡代表侵蚀等级不变。

5 结论

西南山地土壤侵蚀时空分布的研究表明，2000-2015年，土壤侵蚀状况总体稳定，属中度侵蚀，但各省市存在差异性。

从时间上看，2000-2010年，研究区的土壤侵蚀状况整体好转，尤其在2010年水土流失有明显改善，其中贵州最好，其次是云南，而川渝地区的土壤侵蚀强度都相对较高。2010-2015年侵蚀等级有明显上升，这可能与当地政策、生态措施、经济发展等相关，有待深入研究和探讨。总体上，2000年来研究区水土质量呈先上升后下降趋势，增幅大于降幅，土壤侵蚀的强度总体稳定，并受降雨量、土地利用和相关生态政策影响。

从空间上看，土壤侵蚀改善区主要集中在川西南、南部、渝东北部、贵州和云南大部分区域。恶化区为川西北、渝中、渝西、滇东北、黔东和黔东南。因此，这些区域当是水土保持与生态修复的重点区域。

2010-2015年，西南山地土壤侵蚀明显恶化，可能与当地的政策变化或人文因素有很大的关系，有待更进一步的深入研究。

图5 2000-2015年西南山地土壤侵蚀等级变化图