基于CSLE的南雄市土壤侵蚀评价及主成分因子分析

李新尧，张晓远，刘朱婷

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

土壤侵蚀使土地资源遭到破坏和恶化，淤塞河道，污染水质，对农业生产活动和人民生命财产安全造成严重威胁，是我国南方红壤区最严峻的生态环境问题之一[1-2]。定量计算土壤侵蚀模数、强度和面积，明确土壤侵蚀空间分布规律和影响因素，对于区域制定科学合理的水土保持措施至关重要。在众多土壤侵蚀定量测度方法中，通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)和修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)是应用最广泛的技术方法[3-4]。但USLE和RUSLE都是一种经验模型，是美国学者依据当地的试验观测数据模拟建立的，并不完全适用我国特有自然地理条件下的土壤侵蚀估算[5]。2001年，刘宝元等人利用中国的实测数据，以通用土壤流失方程为蓝本构建出中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE)，该方程充分考虑了我国的水土流失特点，在黄土高原区、西南喀斯特区等区域土壤侵蚀定量研究中得到成功应用[6-8]。

南雄市位于粤北水土保持生态建设的重要位置[9]，研究其土壤侵蚀分布规律和主导因子对于粤北山地丘陵区水土保持工作开展具有重要指导意义。本文基于中国土壤流失方程，对南雄市土壤侵蚀空间分布特征进行定量分析，并通过主成分分析法研究了各土壤侵蚀因子的贡献度，以期为研究区进行水土保持规划和生态文明建设提供科学依据。

1 研究区概况

南雄市地处广东省东北部、北江上游，地理位置为E113°55′～114°44′、N24°57′～25°25′，北、东、东南三面分别毗邻江西省大余县、信丰县和全南县，西、西南分别与广东省仁化县、始兴县接壤，市域总面积为2 402 km2。南雄市地处南岭山脉腹地，南北两面群山连绵，中部丘陵起伏，地形上也称“南雄盆地”。该地属于亚热带季风气候，四季分明，年平均气温为19.7℃，年平均降水量为1 515 mm。土壤类型以红壤、赤红壤为主，抗蚀性较弱，母岩易风化。南雄市是广东省北部重要的水土保持生态维护区，被划入北江上中游省级水土流失重点预防区[10]。由于降水年内分布不均且强度大，加之山地、丘陵为主的特殊地貌和人类生产活动的深刻影响，使该地区水土流失具有点多、面广、易发等特点。

2 数据与方法

2.1 研究数据

本文收集并处理的基础数据：

1) 覆盖南雄市的高分1号(GF1C、GF1D)卫星影像：来源于中国资源卫星应用中心，其中GF1C影像1景，成像时间为2021年2月18日，GF1D影像2景，成像时间分别为2021年1月1日和2021年2月15日，空间分辨率都为2 m。该数据用于更新解译南雄市土地利用类型和部分水土保持工程措施。根据解译的土地利用数据对轮作区字段赋值，生成耕作措施因子栅格数据。

2) 降雨数据：南雄市及其周边雨量站1986—2015年月平均降雨数据，用于计算降雨侵蚀力因子。

3) 土壤可蚀性成果数据：采用第一次全国水利普查水土保持情况普查土壤可蚀性因子成果，提取南雄市土壤可蚀性因子数据。

4) DEM数据：收集南雄市1：50 000比例尺的DEM数据，用于计算坡长因子和坡度因子。

5) MODIS归一化植被指数产品数据：在美国地质调查局(USGS)官网下载覆盖南雄市范围250 m空间分辨率的MODIS-NDVI产品(MOD13Q1)，数据时间序列为2018—2020年，共69景，该数据用于计算植被覆盖与生物措施因子。

6) 南雄市近年实施的水土保持工程项目资料，按照不同的工程措施类型进行因子赋值，经重采样生成水土保持工程措施因子栅格数据。

2.2 研究方法

2.2.1土壤侵蚀模数计算方法

南雄市地处南方红壤区，土壤侵蚀类型为水力侵蚀，采用中国土壤流失方程[11]计算土壤侵蚀模数，该方程针对中国的水土流失特点建立提出，对不同空间尺度的水力侵蚀区具有较好的适用性。方程基本形式为：

A=RKLSBET

(1)

式中:

A——土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；

R——降雨侵蚀力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；

K——土壤可蚀性因子，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；

L和S——坡长因子和坡度因子，无量纲；

B——植被覆盖与生物措施因子，无量纲；

E——工程措施因子，无量纲；

T——耕作措施因子，无量纲。

由于上述土壤侵蚀因子计算方法已经较为成熟，这里不再赘述。

基于中国土壤流失方程和计算获取的各土壤侵蚀因子，在ArcGIS10.2软件中利用栅格计算器工具(Raster Calculator)进行栅格图层的叠加计算，得到基于栅格像元的土壤侵蚀模数值，再根据相关土壤侵蚀分级分类标准对其进行重分类，得到研究区土壤侵蚀强度空间分布栅格，最后进行土壤侵蚀空间可视化制图和栅格统计分析。

2.2.2土壤侵蚀因子贡献度分析方法

基于R、K、L、S、B、E、T这7个土壤侵蚀因子栅格图层，利用ArcGIS空间分析中的值提取至点功能，提取采样点(随机选取755组)各侵蚀因子像元值。使用SPSS软件对各土壤侵蚀因子进行相关分析，若不同侵蚀因子之间具有显著相关性，则将其降维，采用主成分分析法PCA(Principal Component Analysis)[12-13]，确定主成分，分析各土壤侵蚀因子的贡献度。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀空间分布特征

在ArcGIS软件中，利用栅格计算器计算研究区土壤侵蚀模数，根据土壤侵蚀模数大小将其重分类为轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈5个级别，制作土壤侵蚀强度空间分布示意(见图1)，并统计不同土壤侵蚀强度的面积和占比。

图1 2021年南雄市土壤侵蚀强度空间分布示意

根据计算结果，2021年南雄市土壤侵蚀面积(轻度及以上)为242.37km2，占南雄市国土面积的10.09%；土壤侵蚀模数在0～73 691.7 t/(km2·a)，平均侵蚀模数为193.1 t/(km2·a)。侵蚀强度以轻度为主，面积为226.91km2，占土壤侵蚀总面积的93.61%；其次中度侵蚀面积为10.56km2，占土壤侵蚀总面积的4.36%；强烈侵蚀面积为4.04 km2，占土壤侵蚀总面积的1.67%；极强烈侵蚀面积为0.82 km2，占土壤侵蚀总面积的0.34%；剧烈蚀面积为0.04 km2，占土壤侵蚀总面积的0.02%。从土壤侵蚀空间分布特征来看，轻度侵蚀主要分布于南雄盆地周边坡度较大的有林地或疏林地，中度及以上侵蚀则分布于受人为活动影响较大的人为扰动用地。

3.2 土壤侵蚀因子贡献度分析

南雄市土壤侵蚀空间分布特征受到7个土壤侵蚀因子的共同影响，但不同因子的影响程度有主次之分，为了探讨影响南雄市土壤侵蚀的主要因子，利用主成分分析法分析各土壤侵蚀因子的贡献度。首先利用SPSS软件对755组样本数据进行相关分析，得知各土壤侵蚀因子之间具有显著的相关性，KMO检验的值为0.747，适合进行主成分分析。采用主成分分析法，提取土壤侵蚀因子中特征值大于1的因子(见表1所示)，共提取了4个因子，每个主成分因子解释原有7个因子总方差百分比分别为38.091%、16.768%、16.392%和14.804%，总共解释了原有变量总方差的86.055%。总体上，提取的4个主成分信息丢失较少，效果较为理想，因此，采用这4个主成分因子对原有的7个因子进行降维。

表1 主成分因子的特征值及贡献率

使用最大方差旋转方法对研究数据进行旋转，以便找出各主成分与侵蚀因子的对应关系。根据旋转后的因子载荷系数(见表2)，可以看出坡长因子L、坡度因子S、植被覆盖与生物措施因子B可归为第1个主成分，土壤可蚀性因子K和耕作措施因子T可归为第2个主成分，工程措施因子E和耕作措施因子T可归为第3个主成分，降雨侵蚀力因子R可单独归为1个主成分，这说明L、S、B，K、T，E、T，R分别代表着同类型的指标，同一主成分的因子之间具有一定的联系。

根据表2还可以看出，降雨侵蚀力因子R对研究区土壤侵蚀的贡献度最高，其在第4主成分上的因子载荷系数为0.955，公因子方差为0.940，这是因为降雨侵蚀力是一个综合指标，能全面反映当地的降水、地形、地表覆盖等状况，加之南雄市处于华南丘陵地区，侵蚀性降雨多，对土壤侵蚀强度有直接影响。坡度因子S和坡长因子L在第1主成分上的因子载荷系数都大于0.9，公因子方差分别为0.933、0.913，这说明坡度因子S和坡长因子L对土壤侵蚀也有较大影响，因而土壤侵蚀多发生在坡度较大的山丘区。工程措施因子E、植被覆盖与生物措施因子B分别与第3、第1主成分密切相关，其公因子方差均超过了0.86，是影响土壤侵蚀的次要因子。土壤可蚀性因子K和耕作措施因子T与第2主成分都有较强关系，对土壤侵蚀也有一定的影响，但二者重要性是7个因子最低的。

表2 旋转后的因子载荷系数

4 结语

通过CSLE定量研究南雄市土壤侵蚀空间分布特征，并分析了各侵蚀因子的贡献度。南雄市土壤侵蚀面积共242.37 km2，占土地总面积的10.09%。侵蚀强度以轻度为主，面积占土壤侵蚀总面积的93.61%，主要分布于南雄盆地周边坡度较大的有林地或疏林地；中度及以上侵蚀面积占比较小，分布于受人为活动影响较大的人为扰动用地。7个土壤侵蚀因子之间具有明显的相关性，可归为4个主成分，其中降雨侵蚀力因子对南雄市土壤侵蚀的贡献度最高，其次是坡度因子和坡长因子，再次是工程措施因子、植被覆盖与生物措施因子，土壤可蚀性因子和耕作措施因子对土壤侵蚀的贡献度最低。

根据南雄市土壤侵蚀分布特征和主要影响因子，其土壤侵蚀以林地上的轻度侵蚀(自然侵蚀)为主，兼之人为扰动用地上的小范围中度侵蚀(人为侵蚀)，自然侵蚀主要受到高强度降雨、地形坡度坡长较大等因素的影响，人为侵蚀主要是由于植被破坏、没有采取有效的水土保持措施等。针对不同类型的侵蚀应采取不同的应对措施，对有自然侵蚀的林地，应通过封育保护、对采伐迹地进行补植补种等措施，提高植被覆盖度，减少降雨侵蚀；对水土保持效果不良的桉树林及低效林进行林分改造，营造林下植被，抑制林下水土流失。对造成人为侵蚀的生产建设项目，应采取拦挡、覆盖等临时措施，及时对裸露地表进行植被恢复，以避免强降雨直接对地表进行冲刷，从而有效控制人为水土流失。