基于RUSLE模型的三峡库区腹地土壤侵蚀演变研究

冉彩虹

（重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 401331）

土壤侵蚀是土地退化的重要形式，国内外学者基于土壤流失方程（USLE模型）和修正通用土壤流失方程（RUSLE模型）对土壤侵蚀进行了大量研究[1-3]，主要从土地利用变化[4-7]、高程、坡度[8-9]及流域尺度和区域大尺度[10-12]等角度分析土壤侵蚀的动态变化特征。三峡库区由于复杂的自然地理条件导致其生态环境脆弱[13]，库区土壤侵蚀强度的演化过程及未来趋势是库区生态文明建设过程中亟需解决的关键科学问题[14]。现有研究表明，三峡库区土壤侵蚀状况在2000—2010年间得到一定程度的改善，轻、中度侵蚀逐渐成为主要侵蚀类型[15]，土壤侵蚀强度有好转趋势[15-16]，库区的土壤侵蚀总体上有所好转[17]，但区域尺度和乡镇尺度土壤侵蚀时空演变存在差异性[18]。

现有研究多侧重于从三峡库区整体尺度讨论库区土壤侵蚀演变的一般规律，而对库区的自然地理背景和社会经济背景的空间差异性考虑不够，仍需进一步深入研究库区局地人地系统土壤侵蚀演变的特殊性，同时加强对土壤侵蚀时空演变特征尺度和影响因素作用尺度的系统研究[19]。三峡库区腹地岩溶地貌广泛分布，在中国变绿的大背景下[20]，三峡水库建设以来的20多年中，随着山区土地利用转型和库区社会经济的发展，库区腹地土壤侵蚀演变趋势如何？是否存在同样的土壤侵蚀演变转型？回答这些问题，对库区生态建设有着重要的参考价值。巫山和奉节两县作为三峡库区腹地，山多地少，景观破碎化程度较高，探究其土壤侵蚀时空演变对库区生态建设有着重要作用。因此，选取巫奉地区作为研究对象，基于3S技术以及修正的通用土壤流失方程，借鉴近几年对各个土壤侵蚀因子算法的研究成果，结合野外踏勘获得的相关资料，定量分析1988—2015年巫奉两县土壤侵蚀的时空演变特征，从而探究三峡库区腹地土壤侵蚀演变规律是否存在明显的转变，以及这些转变的生态效应等问题，为研究区及库区其他区域水土保持建设提供科学的参考依据。

1 研究区概况

选取三峡库区重庆东部地区的奉节县和巫山县为研究区域（图1），地理坐标为109°10′E～110°11′E，30°29′N～32°28′N，总面积约7045km2。截至2015年底，研究区常住人口为121.62万人，下辖56个乡镇。区域地势东高西低，地表起伏较大，以山地为主，深谷与中低山相间分布，坡度大于15°的地带占总面积的81.85%。研究区属于亚热带季风性湿润气候，年均降雨量1 000 mm以上，河网密布，水系发达，中部长江贯穿东西，石灰土广泛分布。巫奉县域内，植被共244科2 107种，植被覆盖率分别达到53%和58%，但由于巫奉两县山多地少，县域内自然景观破碎化程度较高，生态环境脆弱；两县经济水平远低于重庆市平均水平，经济条件较为落后[21]。多种自然和社会经济因素条件决定了研究区对于三峡库区具有一定的典型性和代表性。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

本研究基础数据包括4个方面：1）降雨数据源自国家气象科学数据中心①http://data.cma.cn/data/weatherBk.html，主要有研究区及其周边共17个站点的1980—2015年月降水量及年降水量监测数据。采用ArcGIS10.2栅格计算器和Kriging插值法获得整个研究区不同时期的降雨侵蚀力数据。2）土壤类型分布数（图1）据源自重庆市1∶500 000土壤图，对土壤类型分布矢量图进行赋值后转化为栅格数据。3）研究区岩性数据（图1）来自文献[22]基于重庆市1∶500 000地貌和地质图修改的1∶5岩性地貌分布图。4）研究区DEM数据（图1）来自1∶50 000地形图数字化，1988年为Landsat TM影像，2000年、2010年为Landsat ETM+影像，2015年为Landsat8 OLI/TIRS影像。运用ENVI5.0进行波段融合、拼接、校正、去条带等预处理后，结合ArcGIS10.2和实地勘察，采用人机交互解译，获得水田、旱地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地七大类土地利用数据，并通过实地探勘进行抽样验证，解译精度均达到90%以上。同时基于ENVI5.0波段运算模块和ArcGIS10.2栅格计算器，利用植被指数近似估算，对遥感数据进行运算得到植被覆盖数据。

2.2 RUSLE土壤侵蚀模型

1978年，Wischmeier和Smith[1]提出了通用土壤流失方程（USLE）。1997年，美国农业部在此基础上提出了更具有通用性的修正通用土壤流失方程（RUSLE）[2]，使其得到更广泛的运用。RUSLE公式如下：

式中，A为土壤侵蚀模数，t/（km2·a）；R为降雨侵蚀力因子，指降雨对土壤侵蚀的能力，MJ·mm/（km2·h·a）；K为土壤可蚀性因子，指在标准小区的条件下，单位降雨侵蚀力引起的土壤流失率[23]，（t·km2·h）/（km2·MJ·mm）；L、S为坡长、坡度因子，坡长坡度越大，土壤潜在侵蚀力就越高，无量纲；C和P分别为植被覆盖因子、水土保持措施因子，均为无量纲（表1）。

表1 RUSLE各因子计算Table 1 RUSLE factors calculation

将计算出的R、K、L、S、C、P因子在同一坐标系（西安1980坐标系统）下统一转化为像元30 m×30 m的栅格图层，通过ArcGIS10.2空间分析模块中的栅格计算器将各因子相乘，得到各期土壤侵蚀模数图。由于研究区喀斯特地貌分布较为广泛，因此，在对土壤侵蚀进行等级划分时，按照中国水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007）[28]中的分级标准，对碳酸盐岩区和非碳酸盐岩区分别进行等级划分，由于分级标准中平均侵蚀模数单位为t/（km2·a），因此，需将土壤侵蚀模数乘以系数100将t/（hm2·a）转化为t/（km2·a）。Liu等[29]将植被和坡度作为主要解释因子，将土壤侵蚀强度分为轻微、轻度、中度和严重4个等级，但没有把降雨侵蚀力作为土壤侵蚀的一个重要因子考虑进去。本研究在研究区不同岩性基础上结合降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡度坡长因子、地表植被覆盖因子和水土保持措施因子，将土壤侵蚀强度分为微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀6级。

2.3 空间自相关分析

空间自相关可以描述某空间变量的总体布局情况，检测在空间上具有一定规律性的空间变量在不同位置上的相关性，即是否存在集聚性[30]。本文采用常用的Moran’s I全局指数和局部指数来进行土壤侵蚀空间相关性分析,其中全局空间自相关从整体衡量空间要素之间的相互关系，而局部空间自相关则从局部衡量空间自相关，进一步度量每个地域单元与其邻近空间单元的属性特征值之间的相似性或相关性[31-32]。具体公式如下：

全局Moran’s I指数：

局部Moran’s I指数：

式中：n为研究单元的数目；Xi、Xj为研究单元的平均侵蚀模数；为Xi平均值。W(i,j)为研究单元i与j之间的空间连接矩阵，S2为方差。Moran’s I值取值范围为[-1，1]，I与Ii大于0表示空间正相关，研究对象呈空间聚合特性；I与Ii小于0表示空间负相关，研究对象呈空间离散特性；I和Ii等于0，则表示研究对象随机分布，一般用Z值进行显著性检验。为更简便直观地表现空间的集聚性，以格网作为研究单元，对研究区生成7 422个1 km×1 km格网，计算出每个格网平均土壤侵蚀模数，模数值越大该格网的侵蚀越严重。

3 结果分析

3.1 研究区土壤侵蚀数量演变

1988—2015年期间研究区的平均土壤侵蚀模数为3 309.06～4 030.99 t/（km2·a）[图2（a）]，与其他研究结果相一致[33]，属于中度侵蚀。平均侵蚀模数呈现先增后减的趋势，2000年达到最大，侵蚀最为严重，2000年后侵蚀模数递减；2010年平均侵蚀模数已经低于1988年，侵蚀状况大为好转。侵蚀面积与平均侵蚀模数类似，随时间推移，侵蚀面积呈现先增后减[图2（a）]，各侵蚀类别的面积变化出现以下三种情况：1）轻度侵蚀、剧烈侵蚀呈现出先增后减的趋势[图2（b）]；2）微度侵蚀以先减后增为主；3）中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀面积逐年递减。

图2 研究区1988—2015年土壤侵蚀强度变化统计图Fig.2 Statistics of soil erosion intensity in the study area from 1988 to 2015

3.2 土壤侵蚀强度类型演变

由图3可看出，1988—2000年土壤侵蚀强度转移主要表现在微度侵蚀和轻度侵蚀之间的转换最为明显，主要表现为微度侵蚀转为轻度侵蚀，极强烈侵蚀和剧烈侵蚀转入量大于转出量；2000—2010年微度侵蚀转入量大于转出量，其中54.99%是由轻度侵蚀转移得来，而微度侵蚀转为轻度侵蚀较1988—2000年降低15.081%，中度侵蚀比上一时段也有所下降，这一时段是三时段中土壤侵蚀强度变化最活跃的阶段，主要是由于该段处于库区建设中后期，大量移民安置和经济发展及生态恢复等因素导致土壤侵蚀强度变化活跃；2010—2015年微度侵蚀的转入量大于转出量，以轻度侵蚀转入为主，除微度侵蚀外，其余侵蚀类型转出量都大于转入量。1988—2015年整体演变过程中，微度侵蚀和轻度侵蚀转入量大于转出量，中度及其以上的侵蚀强度土壤侵蚀转出量大于转入量，说明土壤侵蚀好转趋势明显。

图3 土壤侵蚀强度类型转移图Fig.3 Type transfer diagram of soil erosion intensity

总体而言，1988—2015年研究区土壤侵蚀状况呈现波动性好转趋势；1988—2000年研究区土壤侵蚀强度转移情况主要表现为低级别土壤侵蚀向高级别土壤侵蚀强度转变，土壤侵蚀趋于恶化；2000—2015年主要由高级别土壤侵蚀向低级别土壤侵蚀强度转变，土壤侵蚀好转趋势明显，缓解了库区水土流失。27年间研究区微度侵蚀和轻度侵蚀的转移量在三阶段中一直处于最高，这与两种侵蚀强度本身的面积基数有关。

3.3 土壤侵蚀空间演变

3.3.1 土壤侵蚀强度空间集聚变化

从侵蚀强度分布（图4）来看，微度侵蚀一般分布于研究区中部及东部地区，而轻度侵蚀与微度侵蚀相反，多分布在研究区东部地区：中度及其以上侵蚀强度则多分布在长江沿岸及长江沿岸以北地区，特别是偏中部地区，而在长江以南主要集中于平行岭谷间的槽谷地区呈现带状分布，这些地区侵蚀状况较为严重。

图4 研究区土壤侵蚀等级分布图Fig.4 Distribution map of soil erosion levels in the study area

以1 km×1 km格网为研究单元，计算每个单元的平均土壤侵蚀模数。运用ArcGIS10.2中的空间统计模块进行全局空间自相关运算，四期土壤侵蚀的 Morans’I分别为 0.55、0.56、0.53、0.53，且均通过Z-score＞1.96的检验，说明四期土壤侵蚀数据具有空间集聚性。再进行局部空间自相关运算，得到不同时期土壤侵蚀空间集聚分布图（图5），存在无显著性集聚、高高集聚、高低集聚、低高集聚和低低集聚5种集聚状态，由于高低集聚和低高集聚存在面积很少，且本研究侧重于对侵蚀状况较好和侵蚀严重区的分析，因此，只分析高高集聚和低低集聚的演变。

图5 不同时期土壤侵蚀空间集聚特征图Fig.5 Spatial accumulation characteristics of soil erosion in different periods

高高集聚区（侵蚀严重区）和低低集聚区（侵蚀状况较好区域）在空间分布上四期都具有一致性，基本上高高集聚主要分布于长江沿岸、岭谷之间的槽谷低山区，以及西北部地区。而低低集聚则分布于研究区的东北角、东南角、长江两岸中山岭谷和南部边缘区。但随着时间的推移，高高集聚区和低低集聚区的分布仍具有一定的变化：由于2000年处于库区城镇拆迁和移民安置时期，人类活动较剧烈，高高集聚在研究区西北部和槽谷地区范围扩大，而低低集聚范围变化不大；2010年，该时期采取一系列生态恢复措施使得高高集聚在西北部和槽谷地区、长江沿岸整体范围都在缩小；南部边缘地区低低集聚的范围同样在减小；2015年，高高集聚在槽谷地区有所增加，但在研究区西北部范围大幅度减少，总体上高高集聚和低低集聚的范围都在缩小；2015年相较于1988年，高高集聚的范围有明显的收缩趋势，说明需要治理区域在减少。低低集聚的面积有所减少，总体表现为从南部边缘区向东北部和岭谷地区转移，且低低集聚区的土壤侵蚀量从1988年的5.465×104t/a降至2015年的3.564×104t/a，说明侵蚀状况较好的地区也有所好转。

3.3.2 高高集聚和低低集聚在不同高程、坡度带演变分析

基于研究区1∶50 000 DEM数据，结合前人对该区域的研究[32]和自然断裂法，划分出11个高程带和12个坡度带，分析土壤侵蚀在不同高程带[图 6（a）和6（b）]和不同坡度带上[图 6（c）和 6（d）]的变化。

低低集聚在高程上的波动性变化较高高集聚大[图 6（a）和（b）]。从空间分布来看，高高集聚在1 400 m高程带以上基本呈稳定状态，在400～600 m、600～800 m和800～1 000 m这三个高程带上变化较大；1988—2015年高高集聚土壤侵蚀峰值由高程带600～800 m转移到高程800～1 000 m上；低低集聚的峰值由高程带1 800～2 000 m转移到1 600～1 800 m上，谷值从0～200 m转移到800～1 000 m高程带上，但0～200 m高程上的土壤流失量明显缩小，说明土壤侵蚀有向低海拔转移的趋势。2000年后，随着三峡水库的竣工和生态恢复建设，土壤侵蚀逐渐好转，高高集聚的范围有所缩小。

图6 不同高程、坡度带上高高集聚和低低集聚分布图Fig.6 Distribution of high-high agglomeration and low-low agglomeration on different elevations and slopes

高高集聚在坡度带上的变化集中在坡度带20°～25°、25°～30°和30°～35°上[图6（c）和6（d）]。故1988—2000年高高集聚的峰值出现在坡度带25°～30°上；2010—2015年随着三峡工程的竣工和生态恢复措施的实施，峰值向较低坡度转移。低低集聚在坡度带上的演变波动性较大，主要集中在坡度带15°～20°、20°～25°和25°～30°上，且2000年后土壤侵蚀面积剧烈下降；2010—2015年坡度带上的土壤侵蚀峰值出现在15°～20°和20°～25°之间，谷值向坡度较低的地区收缩，土壤侵蚀状况好转趋势明显。

4 讨论

4.1 研究区土壤侵蚀演变的特征

研究区在三峡水库工程建设的初期土壤侵蚀模数剧增，三峡工程完工后侵蚀逐渐降低。这说明研究区在三峡库区建设以来的这20多年间，土壤侵蚀强度类型由强到弱的转变是很明显的。

为了更好地探究研究区土壤侵蚀动态演变特征，选取了自然背景条件相同的大宁河和梅溪河流域[33]、油房沟小流域[34]、菱角塘小流域[35]、万州区[36]进行对比研究（图7）。从流域尺度上来讲，4个流域土壤侵蚀强度等级均以轻度及以下侵蚀为主，流域尺度侵蚀严重区域都分布在低山丘陵地区，地势较低，为人类活动影响深刻地域。这说明土壤侵蚀强度有向低等级转化的趋势，但不排除小面积存在较高强度的侵蚀。

图7 库区不同区域土壤侵蚀演变特征对比图Fig.7 Comparison of soil erosion evolution characteristics in different areas of the reservoir region

县域尺度土壤侵蚀都有从恶化到逐渐恢复的过程，而流域尺度则没有出现急剧增加这个过程，流域尺度和县域尺度侵蚀严重区域都分布在低山丘陵地区，地势较低，人类活动影响剧烈；从高程坡度带上分析，三峡库区在流域尺度上土壤侵蚀主要发生在25°～35°和大于35°坡度带，1 000～1 200 m和大于2 000 m高程带，而本研究区土壤侵蚀主要发生在坡度25°以下范围内，400～600 m和800～1 000 m高程带上，这表明流域尺度上受坡度和海拔的影响较大，而县域尺度上主要是受人类活动影响较大。

4.2 三峡库区土壤侵蚀动态演变的驱动机制

4.2.1 土地利用因素与侵蚀严重区土壤侵蚀演变机理研究

三峡大坝的修建和移民、搬迁等使该区域的水田、旱地、未利用地和建设用地面积占比都发生了较大变化。面积上，四期侵蚀严重区土地利用主要分布面积大小为旱地＞林地＞草地（图8），其他土地利用类别面积占比极小。平均侵蚀模数以旱地最为严重，均在6 000 t/（km2·a）以上（图8），达到强烈侵蚀以上[28]；旱地土壤流失量占比达到60%以上（图8），导致三峡库区坡耕地逐年撂荒[37]，因此，林地面积远大于草地，林地的贡献度高于草地。

通过以上分析发现，当侵蚀模数较大的地类的面积越大时，其对土壤流失的贡献度越大且该时期的侵蚀程度越剧烈，这与Rompaey等[38]发现随着耕地面积比例减少，林地面积比例增加，土壤侵蚀状况好转的现象大致相符。

4.2.2 研究区土壤侵蚀演变人口、政策因素

1988—2000年，三峡水利工程建设的初期，该阶段由于国家严格实施耕地保护政策和移民后靠，人类剧烈活动在短期内对研究区的地表有较大扰动，侵蚀强度增加（图8）。2000—2010年，三峡水利工程建设的中期，经历了135、156、175 m三次蓄水阶段，大量土地被淹没，研究区水域得以扩大，到2010年巫奉两县常住人口为138.6万人，人口压力有所减轻；同时两县的地区生产总值和人均生产总值都有了大幅度的提高，城镇化率上升了18.8%（表2）。这一时段土壤侵蚀状况总体减弱。2010—2015年，三峡工程建设完成，库区进入后三峡时代。研究区大量人口外出务工，相对2010年，2015年人口下降17万人，由人口造成的土地压力减轻，坡地撂荒增加，使耕地转变为较少发生侵蚀的土地利用类别，如园地、林草地等，土壤侵蚀强度进一步减轻。

图8 研究区土壤侵蚀演变机制Fig.8 Mechanism of soil erosion evolution in the study area

表2 研究区经济核算统计表Table 2 Economic accounting in the study area

5 结论

1）时间尺度上，平均侵蚀模数呈现先增后减的趋势。1988—2000年库区建设初期，土壤侵蚀处于恶化阶段；2000—2010年库区建设中期，土壤侵蚀缓慢改善；2010—2015年库区进入后三峡时代，土壤侵蚀呈现好转趋势。1988—2015年，土壤侵蚀空间分布范围逐渐缩小，需治理区域逐渐减少，好转趋势明显。

2）格网尺度上，土壤侵蚀高高集聚和低低集聚的范围都有所缩小。1988—2015年高高集聚范围收缩趋势明显，侵蚀状况有所好转。低低集聚从南部边缘区向东北部和岭谷地区转移，土壤侵蚀模数减少。

3）地形尺度来看，1988—2015年高高集聚和低低集聚在高程、坡度带上都呈先增后减的变化趋势，坡度带上为25°～30°，高程带上800～1 000 m为侵蚀严重段，是今后治理的重点区域。

4）土地类型方面，1988—2015年旱地对土壤流失量的贡献度最高。随着时间的推移，撂荒地逐渐转变为贡献度较低的土地类别，如林地、草地等，对土壤侵蚀具有一定的防护作用。