上杭县上坊小流域水土流失分析及综合治理效果评估

林 腾

(福建省地质测绘院，福建 福州 350011)

随着经济的高速发展，人类对土地的过度开发极大地破坏了地表植被，加快了水土流失速度,严重制约了中国生态环境建设和社会经济发展[1-4].水土流失问题成为广大学者高度关注的环境问题之一.随着GIS和RS技术的迅速发展，地理信息技术被越来越多的国内外学者尝试应用于水土流失的调查与监测，并取得了一定成果.早期经验模型是通用土壤侵蚀方程(USLE)，利用该模型对大量水土流失资料进行统计分析和系统研究，在世界范围内得到广泛应用[5-7].而修正版土壤侵蚀模型(RUSLE)作为土壤侵蚀基础模型得到学术界广泛认可[8].20世纪80年代，我国学者开始将USLE和RUSLE模型引进中国，并根据具体实验数据和观测资料进行修正，建立适用于本土的土壤侵蚀模型[9].刘宝元等[10]基于USLE建立了中国土壤流失方(CSLE)；俱战省等[11]利用RUSLE模型，结合GIS技术对三峡库区菱角塘小流域进行土壤侵蚀定量估算，并分析探讨了不同坡度范围土壤侵蚀的空间格局特征和不同土地利用类型土壤侵蚀的空间分布差异，结果证明了RUSLE的可靠性；洪华生等[12]结合GIS和USLE，计算福建省九龙江典型小流域的土壤侵蚀量，并讨论了土壤侵蚀强度.RUSLE模型所具有的结构简单、数据需求少、成果可靠等优点，使其能够较好地应用于不同土地利用条件下的土壤侵蚀定量评估，以及分析土壤侵蚀状况的空间分异.

上杭县上坊小流域河岸损毁严重，河道严重淤积，直接影响两岸村庄和农田的安全；另外项目区烧山毁林现象时有发生，山地开发水土流失也相当严重，致使该区域旱涝灾害频繁，生态环境恶化，严重影响了当地经济的发展，威胁着人民的生命财产安全.本文以上杭县上坊小流域为研究区，运用RUSLE模型，定量研究上坊小流域综合治理前后的水土流失变化情况，通过探讨土地利用、植被覆盖等影响因素及其耦合关系来分析治理前后发生变化的主要原因，并对重点工程实施效果进行分析评估，为因地制宜地制定区域水土防治措施提供参考.

1 研究区概况

上坑县上坊小流域是2015年度国家水土保持重点建设工程，主要位于福建省龙岩市上杭县中部.地理位置：116°26′—116°34′E，24°58′—25°6′N(图1).包括泮境乡的彩霞、泮境、祖加、院康、乌石、定达、元康等7个行政村；庐丰畲族乡的章金、上坊、中坊等3个行政村；白砂镇的嫩洋、扶福、大金、军侨等4个行政村，土地面积82.77 km2.境内地势北高南低，地貌类型以低丘河谷为主，平均海拔高度180～850 m，切割深度10～50 m，丘陵起伏，山低坡缓，河漫滩广布，冲、洪积阶地明显.属中亚热带季风型气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，气候温和，雨量充沛，年平均气温19.9 ℃，多年平均降雨量1 701 mm，3—9月份降雨多.土壤以红壤为主，植被为中亚热带常绿阔叶林，现存植被多为人工林和次生林，植被类型是以马尾松和杉木为主的常绿针叶林.

图1 研究区地理位置及影像图Fig.1 Geographical location and image of research area

上坊小流域项目区土壤侵蚀类型以面状侵蚀和沟蚀为主，属南方红壤丘陵水力侵蚀区，为水土流失重点治理区.项目区山多坡陡，山地面积占土地总面积的比例大于70%,是造成水土流失的主要因素.上坊小流域水土流失主要分布在林业用地，河岸侵蚀也比较严重，危及河流两边的大量农田.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究采用的数据包括：项目实施前(2015年)和项目评估年(2017年)的遥感影像，来源于中国资源卫星应用中心，分辨率均为2 m.通过几何校正、融合、镶嵌与裁剪等处理得到研究区遥感影像图.土地利用类型数据是对处理后的遥感影像进行解译并外业验证得到的.上杭县上坊小流域及周边共13个气象站，2015—2017年的年均和月均降水量数据，在ArcGIS 中利用克里金插值法进行空间插值，再裁切得到研究区降雨量栅格数据.植被指数是利用MOD13Q1遥感影像数据(来源于美国NASA数据及产品中心)，通过ENVI软件波段运算得到.DEM高程数据来自于地理空间数据云30 m分辨率的GDEMV2数字高程数据.土壤数据来源于全国第二次土壤侵蚀遥感调查结果.

2.2 研究方法

采用修正的通用土壤流失方程RUSLE模型[13]进行水土流失评价，并探究适合研究区的降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长坡度因子、覆盖与管理因子、水土保护措施因子等各因子的取值方法，其公式表示为：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：A为土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1)；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)；K为土壤可蚀性因子(t·h·MJ-1·mm-1)；L、S为坡长坡度因子；P为水土保持措施因子.

2.2.1 降雨侵蚀力因子(R) 可实现降雨过程对土壤侵蚀潜在能力的量化[14].考虑数模型的适用性以及数据获取的便捷性，选用以下简易算法[15-17]：

(2)

式中：Pi为月降雨量(mm).

2.2.2 土壤可蚀性因子(K) 反映相同条件下不同土壤性质导致的土壤侵蚀差异[18].土壤可蚀性因子越低，抗侵蚀能力越高.本研究基于福建省主要土壤K值特征[19-22]，采用应用较广的EPIC模型来获取研究区的K值，计算公式如下：

(3)

式中：SAN为砂粒含量(%)，SIL为粉砂含量(%)，CLA为粘粒含量(%)，C为有机碳含量(%)，SN1=(1-SAN)/100.

表1 上坊小流域主要土壤类型及K值Table 1 Primary soil classes and K values in the Shangfang river basin

基于土壤类型图可得到研究区主要土壤类型及K值(表1).

2.2.3 坡长因子(L)和坡度因子(S) 对土壤侵蚀有较大影响，两者呈正相关关系.基于数字高程模型(DEM)，采用ArcGIS软件中Hydrology模块的Flow Accumulation工具，通过坡面第一坡段的L因子算法[23-24]计算L值.采用坡度公式[25]计算S值.

(4)

(5)

式中：FA表示像元上坡来水流入该像元的累积面积；CS表示像元边长，取值30 m；M表示RUSLE的坡长指数，取值0.5；θ表示坡度.

2.2.4 覆盖与管理因子(C) 植被覆盖对土壤侵蚀起着一定的抑制作用，植被覆盖度越大，则土壤侵蚀越小.本文利用归一化植被指数计算植被覆盖度，再通过蔡崇法等[26]提出的植被覆盖度与覆盖与管理因子C之间的回归关系来计算C值，计算公式如下：

c=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(6)

(7)

式中：c为植被覆盖度；NDVI为归一化植被指数；NDVIveg为植被全覆盖下NDVI值；NDVIsoil为裸地覆盖下的NDVI值.

2.2.5 水土保持措施因子(P) 指在一定水土保护措施前后顺坡种植土壤侵蚀量的比值，反映水土保持措施对土壤侵蚀的抑制作用.P值为0～1，P值越大，则土壤侵蚀越强烈[27].结合研究区土地利用现状，并参考前人研究成果[28-29]，本研究将水体赋值为0，建设用地和裸地赋值为1，林地赋值为0.2，园地赋值为0.6，草地赋值为0.7，水田赋值为0.01，旱地赋值为0.02.

2.3 土壤侵蚀量的计算及分级

利用ArcGIS平台将各因子图层相乘后得到土壤侵蚀量.由于RSULE模型为英制单位，故乘以224.2进行公制单位转换，最后得到上坊小流域的土壤流失量.根据中国水利部2007 年制定的《土壤侵蚀分类分级标准》[30]，统一将研究区的土壤侵蚀强度等级划分为六级(表2)，最终得到上坑上坊小流域2015年和2017年的土壤侵蚀强度等级分布图(图2).

表2 全国土壤侵蚀强度划分标准(SL190—2007)1)Table 2 National classification standard of soil erosion (SL190-2007)

2.4 实施效果的评估

通过解译评估年土地利用、水土保持措施和土壤侵蚀状况，结合措施布局、措施变更图中的水土保持措施规模，评估项目区水土保持措施的实施效果.评估内容包括水土保持措施保存情况和林草植被覆盖情况.

2.4.1 水土保持措施 上坊小流域水土保持措施包括种植经果林、封禁治理、护岸护坡建设、拦砂坝、河道清淤等.单类措施保存率计算公式如下：

(8)

2.4.2 林草植被覆盖 包括评估年林草覆盖率和提高林草覆盖率2项指标，林草覆盖率是指研究区内乔木林、灌木林与草地等林草植被面积之和占项目区总面积的百分比，计算公式表示如下：

(9)

(10)

3 结果与分析

3.1 水土流失强度的空间动态变化

由图2可以看出，上坊小流域范围内存在不同程度的水土流失现象.从空间分布来看，水土流失区域主要集中于庐丰乡、泮境乡和白砂镇(零散分布).对上坊小流域水土流失进行统计分析，结果(表3)表明，评估年(2017年)上坊小流域水土流失总面积为432.98 hm2，占全流域土地总面积的5.23%.全流域水土流失面积中，轻度流失占56.53%，中度流失占28.92%，强烈流失占12.58%，极强烈流失占1.97%，无剧烈流失.上坊小流域水土流失主要以轻度流失和中度流失为主，两者流失面积370.00 hm2，占水土流失总面积85.45%；强烈和极强烈流失所占比重较小，两者流失面积62.98 hm2，仅占水土流失总面积14.55%.

图2 上坊小流域2015年和2017年土壤侵蚀强度等级分布图Fig.2 Distribution of soil erosion in the Shangfang river basin in 2015 and 2017

表3 上坊小流域水土流失情况统计表Table 3 StatisticalTable of water and soil loss in the Shangfang river basin

与项目实施前(2015年)相比，评估年(2017年)上坊小流域水土流失整体上有一定好转，流失面积有所减小，由原来的449.33 hm2下降为432.98 hm2，减小了16.36 hm2；较2015年下降3.64%，流失率下降0.2个百分点.其中，中度流失的减少幅度较大，面积减少了44.56 hm2，下降了2.62个百分点；而轻度、强烈、极强烈流失则呈现上升趋势，分别增加5.22、17.06 、5.93 hm2，其主要原因是近年来开展乡镇建设和交通建设等工程建设(图3).

从表4可以看出，2015—2017年，各流失等级均有不同程度的变化.实施前上坊小流域无流失区域转变为强烈流失区域的面积最大，为9.17 hm2；其次是转变成极强烈流失区域，面积为5.89 hm2.轻度流失区域转变为无流失区域的面积最大，为16.52 hm2；其次是转变成强烈流失区域，面积为5.43 hm2.中度流失区域转变成轻度流失区域的面积最大，为27.40 hm2；其次是转变成无流失区域，面积为13.85 hm2.强烈流失区域相对稳定，仅有1.34 hm2转变成无流失区域，1.11 hm2转变成中度流失区域.极强烈流失等级未发生变化.国家水土保持重点工程项目实施以来，中度及以上水土流失区域中共有42.59 hm2分别转化为无流失区域(15.19 hm2)和轻度流失区域(27.4 hm2)，转移面积占中度及以上水土流失总面积的20.30%.说明项目实施以来，上坊小流域的水土流失得到了有效的遏制，水土流失治理初见成效.此外，在2017年强烈流失中，19.5 hm2是由2015年非强烈流失区域转化而来的，占评估年强烈流失的35.80%.在2017年极强烈流失中，5.93 hm2是由2015年非极强烈流失区域转化而来的，占评估年极强烈流失的69.68%.说明项目实施期间，上坊小流域水土流失总体上得到改善，但也存在着局部加剧的情况.

图3 漳武高速建设工程示意图Fig.3 Spatial dynamics of the Shangfang river basin before and after construction of Zhangwu Highway

3.2 土地利用对水土流失强度的影响

表4 2015-2017年水土流失转移情况Table 4 Water and soil loss transfer from 2015 to 2017

土地利用是土地资源社会属性和自然属性的全面体现，是水土流失等级划分的重要参考指标.土地利用不同地类直接关系到水土流失等级的高低.通过对比项目实施前与评估年的土地利用不同类型的面积变化可以看出，上坊小流域耕地、园地面积增大了1.44 hm2，林地和草地面积减小了15.30 hm2，交通运输用地新增15.33 hm2.

将评估年(2017年)上坊小流域的土壤侵蚀强度等级分布图与不同土地利用类型进行叠加分析，并对各种土地利用类型下的不同土壤侵蚀强度等级面积进行统计，得到土壤侵蚀在各土地利用类型的分布情况(表5).由表5可知，不同土地类型的水土流失存在明显差异.评估年(2017年)上坊小流域的水土流失地类主要以林地为主，占总流失面积比例达81.49%.但研究区林地面积最大，占比达94.66%，是该地类水土流失面积最大的主要原因.其水土流失面积仅占林地总面积的5.34%；草地、交通运输用地、建设用地、裸地的水土流失面积相差不大，占总流失面积的比例为3%～5%，这是城市拓展和交通修建等工程施工对周边环境植被保护不当，以及对水土流失防护措施忽视造成的.水域的水土保持措施因子赋值为0，故水域发生土壤侵蚀的概率很小.从土壤侵蚀率角度来看，林地侵蚀主要以轻、中度侵蚀为主，少量强烈和极强烈侵蚀，说明林地对水土保持相对有利.裸地由于缺少植被覆盖而直接承受雨水冲刷，极易造成水土流失，故裸地侵蚀主要以强烈侵蚀为主.草地由于植被覆盖率较低，故水土流失面积与裸地相差不大，但以轻度侵蚀为主.

表5 2017年土壤侵蚀在各土地利用类型的分布情况Table 5 The status of soil erosion distribute in each LUCC

3.3 不同植被覆盖度对水土流失强度的影响

植被具有堵截雨水、减缓径流、防沙固土等作用，植被覆盖度越高，水土流失强度越低.根据研究区实际情况，将上坊小流域植被覆盖度划分为低覆盖(<30%)、中低覆盖(30%～45%)、中覆盖(45%～60%)、中高覆盖(60%～75%)、高覆盖度(>75%)5级.将项目实施前(2015年)和评估年(2017年)植被覆盖度分别与水土流失进行空间叠加分析，得到不同植被覆盖度下水土流失分布情况(表6).

表6 不同植被覆盖度下水土流失情况Table 6 Status of soil erosion under different degrees of vegetation coverage

从表6可以看出，上杭县上坊小流域通过实施国家水土保持重点工程后，高覆盖度林草地面积由原项目实施前的5 731.59 hm2增加到评估年的5 934.06 hm2，增加了202.47 hm2；中高覆盖度、中覆盖度林草地面积有所减少，分别由原项目实施前的797.34、272.91 hm2减少到评估年的624.25、191.87 hm2.从水土流失角度来看，2015年和2017年植被中高覆盖和高覆盖地区水土流失面积较大，主要是因为上坊小流域的森林覆盖率高，植被覆盖度在这两个区间的面积较大，占总面积比例达75%以上，且侵蚀程度多以轻度侵蚀为主.2017年植被中覆盖地区水土流失面积较2015年减小了61.56 hm2，流失率下降了13.36%，说明水土保持重点工程的实施取得了较好的成效.植被低覆盖地区流失率偏高的原因是该区域以城镇、交通等建设用地为主，易造成水土流失.

3.4 水土保持措施实施效果的评估

根据遥感影像特征，基于项目区水土保持措施布设图，以先验知识和遥感解译标志作为参考，利用GIS软件，采用人机交互方式分别勾绘出评估年水土保持措施类型图斑，并通过实地调查和验证对水土保持措施的实施效果进行评估.通过对比研究区水土保持措施布设情况与评估年水土保持措施分布情况可知，现已在彩霞村、泮境村、乌石村等3个治理点新植经果林40.10 hm2，完成计划任务.已对彩霞村、泮境村、祖加村、定达村等封禁治理点进行管护，管护面积1 280.70 hm2，对彩霞村、泮境村、元康村等造林补植102 hm2.采取仰斜式和复式生态护岸方式基本完成了护岸的工程施工和绿化工作，共新建护岸2 374.9 m.综上，上杭县上坊小流域的水土流失治理效果明显，项目区林草措施及封育治理措施的工程质量均符合设计要求.评估年林草覆盖率达76.00%，较项目实施前林草覆盖率提高0.74%.项目区水土保持措施保存情况良好，经果林、护岸措施、拦砂坝、河道清淤保存率均达100%，封禁治理措施保存率为99.37%.因此，可认为2015年上杭县上坊小流域水土流失治理项目工程能按设计要求按时完工，设施的施工质量总体合格，管理维护措施落实到位，实现了预期治理效果.通过对土壤侵蚀类型及强度、土地利用、植被覆盖度和水土保持措施等进行评估可知，上杭县上坊小流域水土流失综合治理项目的实施取得了较好的生态效益、社会效益和经济效益.有效减轻水土流失的危害，改善涵养水源，保护土壤，提高地力和调节气候的功能，生态环境得到明显的改善.一方面，增加了植被覆盖，改善了生态环境，全面立体的林草措施提高林草覆盖率，促进了林分生长，减少了地表径流和土壤冲刷量，减轻了水土流失程度，促进了生态环境的良性循环；另一方面，年增加蓄水效益199.95万m3，土壤侵蚀模数从每年2 768 t·km-2下降到1 300 t·km-2，土壤侵蚀量减少1.18万t，泥沙减少70%以上.

4 结论

(1)在RUSLE模型的基础上，结合GIS和RS技术，通过对各个模型参数因子的选取，可以有效地对上坊小流域水土流失进行定量评价和分析.上坊小流域水土流失以轻度为主，其次为中度流失，局部存在极强烈流失.从空间动态变化来看，2015—2017年上坊小流域的水土流失整体上有一定好转， 流失面积显著减小，说明国家水土保持重点工程项目的实施有效遏制了水土流失.

(2)不同土地利用和植被覆盖度等自然因素对土壤侵蚀的分布有重要影响.因此, 转变不合理的土地利用方式、加强林草措施及封育治理措施是抑制水土流失的关键环节.

(3)通过对比项目区水土保持措施布设情况和评估年水土保持措施分布情况可知，上杭县上坊小流域水土保持措施保存情况良好，经果林、护岸措施、拦砂坝、河道清淤保存率均达100%，封禁治理措施保存率为99.37%.通过综合评估土壤侵蚀类型及强度、土地利用、植被覆盖度和水土保持措施等可知，2015年度上杭县上坊小流域水土流失治理项目建设基本完成综合治理任务，有效减轻了项目区水土流失的危害，改善了生态环境，取得了较好的生态、社会和经济效益.