勐海热带雨林地区土壤侵蚀动态变化研究

郑买富 张 坤 李艳梅 邓 清 邓志华 孙仕仙

( 1. 西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650233；2. 西南林业大学学报编辑部，云南 昆明 650233；

3. 西南林业大学湿地学院，云南 昆明 650233)

土壤侵蚀是指在水力、风力、重力或冻融等外营力作用下，土壤及其母质被破坏剥蚀、搬运和沉积的全部过程[1]。土壤侵蚀会引起土地退化、土壤肥力下降和河道淤积等问题，同时也会造成经济损失并影响人类健康[2]。相关调查表明，2018年中国水土流失面积达273.69 万km2，占国土面积（不含港澳台）的28.6%[3]。中国是土壤侵蚀最严重，也是水土流失防治任务最艰巨的国家之一[4-6]。掌握土壤侵蚀现状和时空动态变化是生态文明建设、生态红线划定和流域综合治理等领域中的技术保障。近年来，随着“3S”技术的发展，中国陆续建立了一定数量的土壤侵蚀监测定位站、天地一体化水土流失监测模型以及多源多尺度遥感水土流失监测与数据中心，实现了监测数据的科学性和持续性[7]。由于中国幅员辽阔，要快速获取某些地区的较大空间尺度土壤侵蚀时空动态数据仍然十分困难，因此快速有效的数据获取方法有待深入研究。目前与土壤侵蚀相关的研究较多，但专门针对热带雨林地区土壤侵蚀状况研究还较少。西双版纳傣族自治州属于典型的热带雨林地区，具有重要的防止水土流失功能。然而，随着人类对原生环境干扰强度的不断增加，超出其承载能力，致使该区域的生态安全受到严重威胁[8]。而西双版纳州的生态区位又极其重要，承担着国家生态安全战略，对其开展土壤侵蚀状况研究具有重要意义。

目前，土壤侵蚀模型较多，包括通用土壤侵蚀方程（USLE）、水蚀预测模型（WEPP）、分布式水文模型（SHE）等[9-11]。其中应用最为广泛的为美国学者Wischmeier 等[12]提出的USLE 模型。本研究以西双版纳州勐海县为研究对象，基于USLE 模型，选取2009年和2016年的2 期影像数据对其土壤侵蚀动态变化进行定量分析，探求变化规律及成因，以期为县域水土流失治理提供参考。

1 研究区概况

勐海县位于云南省西南部，西双版纳傣族自治州西部，地处北纬21°28′～22°28′，东经99°56′～100°41′，东接景洪市，北连普洱市，西北靠澜沧县，西部和南部与缅甸接壤，山区面积93.45%，坝区面积6.55%，最高海拔2 429 m，最低海拔535 m，境内地势高差超过1 500 m。该县属西南山原地貌，高原丘陵盆地。地势西北高，东南低，四周高峻，中部平缓，山峰、丘陵、平坝相互交错。处于热带、亚热带西南季风气候区，境内流程2.5 km 以上的常年河流有159 条，总流长1 868 km，总集水面积5 570 km2，主要河流有澜沧江、流沙河、南果河、南览河、勐往河等，雨量充沛，干湿分明，多年平均气温18.5 ℃，年平均降雨量1 319.4 mm。森林资源主要分布在县境南面和北面，森林覆盖率占60.33%。研究区土壤类型多样，土壤分7个土类、18个亚类、52个土属、85个土种，各类土壤随海拔高低垂直分布。海拔600～800 m 以内的属砖红壤；海拔800～1 500 m 的属砖红壤性红壤（赤红壤），分布在低山和中山地区，是全县土壤面积中占绝对优势的土类，又是主要农业区；海拔1 500～2 400 m 的属红壤土类，分布于山的中部或山顶平缓地；水稻土主要分布于海拔600～1 500 m 之间的坝区。

2 材料与方法

2.1 数据来源

研究使用的数据包括：1）2009年、2016年空间分辨率为30 m 的Landsat 影像数据，来源于地理空间数据云（http://www.giscloud.cn）；2）空间分辨率为30m 的DEM 数据，来源于地理空间数据云（http://www.giscloud.cn）；3）降雨数据来源于中国气象共享网（http://cdc.cma.gov.cn/）；4）土壤数据由西双版纳州环境监测站提供。

2.2 土地利用类型分类

根据国土资源部组织修订的国家标准《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）[13]相关规定，被研究对象在土地资源特征、景观变化差异以及地形、地貌方面的实际情况，运用ENVI 5.3 软件，采用监督分类、目视修正2 种相结合的分类方法，结合遥感影像的实际解译能力，将研究区的土地利用类型划分为旱地、水田、园地、林地、建设用地和水域6 类。根据分类结果对精度进行评估，总体分类精度在85%以上，满足应用要求。

2.3 土壤侵蚀力评价方法

采用通用土壤流失方程（USLE）来进行土壤侵蚀力的量化计算及评估分析，其计算表达式见式（1）。根据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL l90—2007）[14]可将土壤侵蚀分为微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀6个等级（表1）。

式中：A为土壤侵蚀量（侵蚀模数），单位为t/（hm2·a）；R为降雨侵蚀 力 因 子，单位为MJ·mm/（hm2·h·a）；K为土壤可蚀性因子，单位为t·hm2·h/（ MJ·mm·hm2）； LS 为 地 形 因 子 中的坡度和坡长因子，无量纲；C为植被覆盖度因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲。

表1 土壤侵蚀强度分级标准Table 1 Classification standard of soil erosion intensity

2.4 土壤侵蚀相关因子

2.4.1 降雨侵蚀力因子

降雨侵蚀力是指由降雨导致土壤侵蚀的潜在能力，是侵蚀的主要驱动力[15]。计算方法参考周伏建等[16]提出的适合南方热带亚热带气候的降雨侵蚀力因子计算方法，见式（2）。

式中：Pt为月降雨量（mm）；R为年降雨侵蚀力（J·cm/(m2·h)），R单位为美制单位，转换成国际制单位（MJ·mm/(hm2·h·a)）时应乘以17.02。

2.4.2 土壤可蚀性因子

土壤可蚀性因子是指单位面积上每降雨侵蚀系数单位的土壤流失率，反映了土壤抵抗雨滴击溅或径流冲刷作用的能力。根据西双版纳州环境监测站提供的云南省典型土壤属性及对应的土壤可蚀性因子（表2），可得到研究区不同土壤质地条件下的K值。

表2 土壤属性及对应土壤可蚀性因子Table 2 Soil properties and K values

2.4.3 地形因子

地形地貌是影响土壤侵蚀和水土保持措施的重要因素，坡度、坡长越大，径流能量和径流量越大，侵蚀作用越强[17]。坡长因子（L）和坡度因子（S）分别指在特定条件下，单位面积一定坡长/坡度土壤侵蚀量与标准坡长/坡度侵蚀量之比，常通过DEM 计算获得。以DEM 为基础，利用McCool 等[18]改进的坡长因子和卜兆宏等[19]提出的方法计算地形因子，见式（3）。式中：LS 为地形因子（m），λ为坡长，m为坡长指数。

2.4.4 植被覆盖因子

植被覆盖与管理因子（C）反映了植被覆盖或作物管理措施对土壤侵蚀量的影响[20]，计算公式见式（4）～（6）。

归一化植被指数（NDVI），又称标准化植被指数，定义为近红外波段（NIR）和可见光红外波段（RED）数值之差和这2个波段数值之和比值

根据像元二分模型[21]，图像中每个像元的NDVI 值可以看成植被覆盖度部分（NDVIg）与无植被覆盖部分（NDVI0）的加权平均，则得植被覆盖度（fg）的公式，如下：

不同覆盖度下的C值分段计算方法见式（6）。

2.4.5 土壤保持措施因子

水土保持措施因子是指采取水土保持措施后的土壤流失量与对应的未采取任何水土保持措施的情况下顺坡种植时的土壤流失量的比值，其值为0～1。本研究中的6 类土地利用类型所对应的P值参考钟德燕[22]和赵磊等[23]的研究成果。勐海县各土地利用类型的水土保持措施因子P值见表3。

表3 各土地利用类型对应的P 值Table 3 Corresponding P values of each land use type

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀时间变化分析

根据各因子的估算方法计算得到2009年和2016年勐海县土壤侵蚀模数分别为812 t/（km2·a）和783 t/（km2·a），在退耕还林还草、生态红线划定、小流域综合治理及相关水保治理措施下，土壤流失量呈减少趋势，7 a 间共减少了3.75%，说明水土流失正在逐步改善。根据《土壤侵蚀分类分级标准》[14]将勐海县的土壤侵蚀程度进行强度分级，结果见表4。由表4 可知，2009年，微度和轻度土壤侵蚀面积共计5 334.78 km2，占土壤侵蚀总面积的95.08%，中度土壤侵蚀面积为238.24 km2，占土壤侵蚀总面积的4.25%，强烈土壤侵蚀面积为37.88 km2，占土壤侵蚀总面积的0.68%；2016年，微度和轻度土壤侵蚀面积共计5 136.22 km2，占土壤侵蚀总面积的91.54%，中度土壤侵蚀面积为205.92 km2，占土壤侵蚀总面积的3.67%，强烈及以上土壤侵蚀面积共计268.76 km2，占土壤侵蚀总面积的4.79%。勐海县的土壤侵蚀主要以微度和轻度侵蚀为主，各等级面积占比呈现随侵蚀强度等级的增加而递减的趋势，7 a 间，土壤侵蚀向两极化发展，轻度和中度侵蚀面积有所减少，减少率分别为37.96%和13.56%，微度和强烈有所增加，增加率分别为4.60%和178.47%，极强烈和剧烈侵蚀出现新增现象，分别新增112.22 km2和51.06 km2。

为了进一步研究勐海县的土壤侵蚀转移变化情况，将2 期的土壤侵蚀栅格数据进行叠加处理，可得到土壤侵蚀等级转移矩阵，见表5。其中，微度侵蚀面积稳定率最高，达到99.49%，轻度、中度、强烈侵蚀面积稳定率分别为59.11%、10.43%、9.56%。轻度侵蚀主要转为微度、中度、强烈侵蚀，转出率分别为20.47%、26.68%、6.22%。中度侵蚀转为各类侵蚀均有，但主要是向更高侵蚀等级转移。强烈侵蚀主要转为中度、极强烈、剧烈侵蚀，转出率分别为5.70%、20.17%、10.26%。极强烈和剧烈侵蚀均由中度和强烈侵蚀共同转移而来。

表4 勐海县土壤侵蚀等级Table 4 Soil erosion grade in Menghai County km2

表5 勐海县2009—2016年土壤侵蚀等级转移矩阵Table 5 Transfer matrix of soil erosion grade in Menghai County from 2009 to 2016 km2

3.2 土壤侵蚀空间变化分析

勐海县的不同地区不同年份土壤侵蚀强度分级见表6。从土壤侵蚀面积来看，土壤侵蚀面积最广区域为布朗山乡，侵蚀面积为1 203.52 km2，其次为西定乡，侵蚀面积为591.55 km2，土壤侵蚀面积较小区域为打洛镇、勐海镇、勐混镇，侵蚀面积分别为385.21、357.58、352.55 km2，土壤侵蚀面积最小区域为格朗和乡，侵蚀面积为340.73 km2。总体来看，土壤侵蚀呈现东南、西北高，东北、西南、中部低的分布状态，从土壤侵蚀强度面积占比来看，土壤侵蚀最严重的是勐满镇，强烈及以上侵蚀面积由2009年的3.42 km2增至51.52 km2，侵蚀面积占比由2009年的0.76%增至11.49%，其次为西定乡，由2009年的5.12 km2增至65.17 km2，侵蚀面积占比由2009年的0.87%增至11.02%；土壤侵蚀最轻微的是勐往乡，微度和轻度侵蚀面积由2009年的449.36 km2增至453.72 km2，侵蚀面积占比由2009年的98.5%增至99.46%，其次为打洛镇，微度和轻度侵蚀面积由2009年的378.83 km2增至380.86 km2，侵蚀面积占比由2009年的98.34%增至98.87%。7 a 间，勐宋乡出现极强烈土壤侵蚀现象，勐满镇、格朗和乡、布朗山乡、西定乡出现极强烈和剧烈土壤侵蚀现象。

表6 不同地区土壤侵蚀强度分级Table 6 Classification of soil erosion intensity in different areas

3.3 不同土地利用类型的土壤侵蚀分析

将2 期的土地利用类型和土壤侵蚀栅格数据分别进行叠加处理，可得到不同土地利用类型下的土壤侵蚀强度等级分布情况，见表7。从土壤侵蚀强度等级来看，旱地和园地有强烈及以上土壤侵蚀等级，并且强烈及以上土壤侵蚀面积有增加趋势，旱地强烈及以上土壤侵蚀面积由2009年的16.46 km2增至108.07 km2，园地强烈及以上侵蚀面积由2009年的21.42 km2增至160.69 km2；林地最大侵蚀等级为中度侵蚀，并且中度侵蚀面积有减小趋势，由2009年的116.83 km2减至80.36 km2；水田和水域只出现微度和轻度土壤侵蚀等级，并且微度和轻度土壤侵蚀面积有减小趋势，水田微度和轻度土壤侵蚀面积由2009年的491.17 km2减至432.14 km2，水域微度和轻度土壤侵蚀面积由2009年的22.16 km2减至20.96 km2；建设用地仅发生微度土壤侵蚀等级，并且微度土壤侵蚀面积有增加趋势，微度土壤侵蚀面积由2009年的37.91 km2增至56.91 km2。从总体土地利用类型来看，建设用地只发生微度土壤侵蚀，水田和水域以微度和轻度侵蚀为主，林地以中度及以下侵蚀为主，旱地和园地各种土壤侵蚀类型均有。研究区不同土地利用类型水土保持效益顺序为建设用地＞林地＞水域＞水田＞旱地＞园地。

表7 勐海县2009—2016年不同土地利用的土壤侵蚀强度表Table 7 Soil erosion intensity of different land use in Menghai County from 2009 to 2016

4 结论与讨论

基于USLE 水土流失模型，定量估算并分析了勐海县2009—2016年的土壤侵蚀动态变化和空间分布规律，并探讨了不同土地利用类型下的水土保持效益，得出以下结论。

1）2009 年和2016年勐海县土壤侵蚀模数分别 为812 t/（km2·a）和783 t/（km2·a），土 壤 侵蚀主要以微度和轻度侵蚀为主，各等级面积占比呈现随侵蚀强度等级的增加而递减的趋势，土壤侵蚀向两极化发展。

2）总体来看，土壤侵蚀呈现东南、西北高，东北、西南、中部低的分布状态，其中，土壤侵蚀最严重的是勐满镇，应作为水土流失防治的重点综合治理区域。土壤侵蚀最轻微的是勐往乡。

3）研究区不同土地利用类型水土保持效益顺序为建设用地＞林地＞水域＞水田＞旱地＞园地。研究区水土保持效益的排序是基于土地利用类型不发生变化的情况下，而当土地利用类型发生变化时所产生的水土流失往往是显著的。

勐海县土壤侵蚀模数的降低以及土壤侵蚀等级分布表明多年来水土保持成效显著，但土壤侵蚀向两极化发展也预示着今后水土保持工作的重点应该围绕强烈及以上土壤侵蚀等级的治理上。土壤侵蚀呈现不同空间分布规律主要与地形起伏度有关。地形起伏度与土壤侵蚀状况息息相关，已成为引起土壤侵蚀的一个主要原因[24]。地形越陡峭，土壤侵蚀越严重，反之亦然。近年来，地形起伏度广泛用来评价土壤侵蚀敏感性[25]。位于中部区域的勐海镇、勐遮镇和勐混镇，均是地形起伏较为平缓的坝子，其土壤侵蚀敏感性为轻度敏感或不敏感。其次，土壤类型直接反映土壤的含沙量、颗粒粗细、渗水速度、保水性和通气性特征，决定土壤产流产沙过程，成为影响土壤可蚀性的关键因子。勐海县境内位于东北位置的勐往乡和西南位置的打洛镇土壤类型均为砖红壤，其发育于热带雨林，是一种强富铝化的酸性土壤，属于地带性土壤，分布面积较小[26]，土壤可蚀性较勐海县境内其他乡镇不敏感，这与土壤侵蚀敏感区呈现东北、西南低的分布状态相符。

建设用地的水土保持效益最好主要是由于建设用地在基建期存在的地表扰动会随着施工期结束，土壤侵蚀敏感性也会逐渐降低。林地水土保持效益较好与研究区林地的面积占比最高有关。旱地比园地水土保持效益更好主要是与当地农业作物种植方式有关，近年来，勐海县大力发展茶叶、甘蔗和云麻等作物种植，导致土地利用方式发生了很大转变。茶叶属于灌木树种，间接的使旱地变成次生林地，有一定的水土保持效益，甘蔗和云麻的种植密度和盖度都比普通的作物高，有效减缓了水土流失量。此外，为追求农业综合效益，当地一直保留间作的传统习惯，作物间作系统一般能通过有效确保地面覆盖的连续性来保护土壤[27]。

通过对比2 期不同土地利用类型下的土壤侵蚀强度分布，旱地和园地出现极强烈和剧烈侵蚀现象，分析认为部分旱地和园地均由林地、水田和水域转移而来，这几种土地利用方式的转变均会加剧水土流失。林地微度土壤侵蚀面积的减少、轻度侵蚀面积的增加主要与林地面积的转出和橡胶林的发展有关。