基于CSLE的湖北省土壤侵蚀时空变化特征

李嘉麟，陈家慧，华 丽，韩兆君，蔡崇法

(华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070)

土壤侵蚀(soil erosion)是指在风力、水力和重力等外力作用下，土壤及母质被剥蚀、搬运和沉积的自然现象。人类对自然资源不合理的开发利用导致土壤侵蚀加剧，生态环境问题日益突出，给经济和社会发展带来了极大危害，严重影响我国的可持续发展。中国是世界上受土壤侵蚀影响最严重的国家之一，目前水土流失问题已成为我国急需解决的环境问题。

土壤侵蚀预报模型是分析土壤侵蚀过程的重要依托工具，更是土壤侵蚀研究的热门领域。目前计算土壤侵蚀模数的主要模型有USLE模型、WEEP模型、EUROSEM模型、LISEM模型、RUSLE模型等。我国土壤侵蚀定量观测始于20世纪中期，主要工作为在各地建立径流小区从而获取大量观测数据。1980年以来，随着USLE模型的广泛应用，我国学者通过大量系统科学的试验，针对不同侵蚀类型，对USLE模型进行修正。江忠善等修正浅沟侵蚀影响系数，建立计算沟间地次降雨的土壤流失模型；蔡强国等建立次降雨侵蚀产沙模型，模型综合考虑降雨入渗、径流分散、重力侵蚀及泥沙输移过程，从而对影响侵蚀过程的因子做出定量分析，建立黄土丘陵区侵蚀产沙过程模型；蔡崇法等建立典型小流域地理数据库，运用USLE模型对小流域土壤侵蚀量进行预测；刘宝元等以USLE模型为原型根据国内水土流失情况和水保措施情况提出中国土壤侵蚀模型(Chinese Soil Loss Equation, CSLE)，通过分析大量观测小区规格，综合考虑地形、植被、降雨、水土保持措施等因子，提出我国标准小区规格，其中水保措施根据国内具体实施情况进行修改，分为耕作措施因子()、工程措施因子()和生物措施因子()。国内学者经过大量试验验证，对模型或因子进行修正，能够使其更好地应用于国内各区域。江忠善等基于黄土高原的研究数据对坡长坡度因子进行修改，并引入浅沟侵蚀因子，建立水蚀坡面土壤侵蚀预报模型；刘宝元等对地形因子计算进行修改，得出符合我国土壤侵蚀特点的坡长坡度因子计算公式；周伏建等提出福建省以为降雨侵蚀力指标；郭继成等、范建荣等分别利用CSLE方程对我国西南喀斯特地区和东北地区的因子值进行了研究。同时，随着GIS与RS的发展，越来越多的学者综合利用GIS、RS与土壤侵蚀预报模型理论技术对土壤侵蚀进行定量化分析，史彦林利用TM影像和通用土壤流失方程(USLE)分析了饶河县1995年、2005年土壤侵蚀变化情况；齐晓君等利用遥感数据和修正的通用土壤侵蚀方程(RUSLE)动态研究了浑河上游抚顺地区的土壤侵蚀；陆建忠等利用GIS与通用土壤流失方程(USLE)相结合对鄱阳湖流域1990年、2000年土壤侵蚀量进行计算。目前大部分研究着眼于特定时期县域、市域、流域等范围的土壤侵蚀空间分布特征分析，已有的不同时期的土壤侵蚀动态变化研究也多集中于市域、流域范围，对省域范围长时间序列多期土壤侵蚀时空变化特征的研究较少。

本文以湖北省为研究区，综合地理信息系统和遥感学科理论与技术，通过CSLE模型计算全省6期(5年1期)土壤侵蚀量，得出湖北省1990—2015年土壤侵蚀模数。根据湖北省25年间土壤侵蚀的变化，分析其变化特征和各等级侵蚀转移特点，从不同土地利用类型和不同坡度条件下对土壤侵蚀的分布特征和变化规律进行总结。

1 研究区概况

湖北省位于我国中部，东接安徽，西邻重庆，南接江西、湖南，北与河南毗邻，西北与陕西接壤。介于北纬29°01′53″—33°6′47″，东经108°21′42″—116°07′50″。总面积185 900 km，占中国总面积的1.94%。湖北省处于中国地势第二级阶梯至第三级阶梯过渡地带，其北、西、东三面环山，中间低平，拥有多种地貌类型，山地、丘陵和平原兼备。地势高低相差悬殊，呈现由西北向东南倾斜的趋势。湖北省地处亚热带，位于典型的季风区内。全省除高山地区外，大部分为亚热带季风性湿润气候，光能充足，热量丰富，无霜期长，降水充沛，雨热同季。温度空间分布呈现东高西低的态势，多年降水量自北向南逐渐增加，鄂西南和鄂东地区为降水量高值区，鄂西北为降水量低值区。根据第一次全国水利普查结果,湖北省共有水土流失面积36 900 km，占全省总面积的19.85%，是全国水土流失严重的省份之一。

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

本文所用数据来源及预处理方法见表1。

表1 数据来源与预处理

2.2 研究方法

2.2.1 中国土壤侵蚀预报模型(CSLE) 选用的中国土壤侵蚀预报模型(CSLE)是刘宝元等参考美国通用土壤流失方程(USLE)和修正通用土壤流失方程(RUSLE)进行本土化修改后提出的。该模型在不同地区参数选取不同，其表达式为：

=××××××

(1)

式中：为土壤侵蚀模数(t/(hm·a))；为降雨侵蚀力因子((MJ·mm)/(hm·h·a))；为土壤可蚀性因子((t·hm·h)/(hm·MJ·mm))；为坡长因子；为坡度因子；为生物措施因子；为工程措施因子；为耕作措施因子。

2.2.2 降雨侵蚀力因子() 降雨量数据统计自1951年以来全国八百多个气象站点日观测数据，搜集湖北省及周边共41个站点日降雨量数据，并按月统计汇总。利用地统计插值方法建立降雨量的空间分布推算模型。

本文利用周伏建等建立的降雨侵蚀力模型，分别利用1975—1990年、1980—1995年、1985—2000年、1990—2005年、1995—2010年和2000—2015年的年平均降雨侵蚀力估算1990—2015共6期的降雨侵蚀力(图1)。

注：降雨侵蚀力单位为(MJ·mm)/(hm2·h·a)。

(2)

式中：为年降雨侵蚀力((MJ·mm)/(hm·h·a))；为月降雨量(mm)。

2.2.3 土壤可蚀性因子() 土壤可蚀性因子是用来衡量土壤侵蚀本体敏感性的一个重要因子，是基于土壤类型图计算所得。湖北省土壤类型多样，共计39种，主要有水稻土、潮土、黄棕壤、黄褐土、石灰土、红壤、黄壤和紫色土等。本文采用Williams的EPIC模型中的计算方法，其具体计算公式为：

(3)

(4)

式中：、、、分别是指砂砾、粉粒、黏粒和有机碳含量(%)。运用EPIC模型进行计算结果可得到湖北省土壤可蚀性因子(图2)。

图2 土壤可蚀性因子值

2.2.4 坡度坡长因子() 地形对土壤侵蚀有着重要的影响作用。坡长坡度是根据DEM衍生出来的2个因子，其中坡度因子采用Foster等的分段坡长因子公式：

(5)

式中：为第个栅格坡长因子；、为栅格出口及入口坡长；为坡长指数，其中的值根据刘宝元等的修改取值为=0.2，<0.5°；=0.3，0.5°≤<1.5°；=0.4，1.5°≤<3°；=0.5，≥3°。

坡度因子的提取分为10°以上和10°以下，分别参考McCool等与Liu等的公式：

(6)

式中：为坡长因子；为坡度(°)。

2.2.5 水土保持措施因子(BET) 水土保持因子可以衡量水土保持措施对土壤侵蚀的抑制程度。CSLE模型将RUSLE模型中的水土保持因子分为3个因子：植被覆盖与生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子。

土地利用数据来源于美国地质勘探局(USGS)Landsat 5卫星上TM传感器的影像。经过人机交互目视解译获得1990—2015年(共6期，5年1期)研究30 m分辨率土地利用图，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地(含城乡用地及工矿用地)和未利用地(含裸土地和其他未利用地)。

利用MODIS影像的8天合成的地表反射率MOD09Q1产品，选取1990—2015年(共6期，5年1期)每年5—9月的数据计算归一化植被指数(NDVI)，其公式为：

(7)

式中：NIR为近红外波段；为红外波段。

取每月4期NDVI的最大值作为月NDVI值，取5个月的均值计算年NDVI值。采取融合修订的方式，利用年NDVI值计算植被覆盖度，计算公式为：

(8)

式中：NDVI为裸土或无植被覆盖区域的NDVI值；而NDVI则表示完全被植被覆盖区域的NDVI值。关于NDVI和NDVI值的选取，根据张亮等的选取方法进行调整，统计图像中不同NDVI值对应的栅格数，根据NDVI的概率分布表，寻找其累计概率在1%和99%附近的值，即作为NDVI和NDVI的值，以此得到各年份植被覆盖度均值。

结合湖北省土地利用数据，根据RUSLE手册和刘宝元等、王万忠等的研究，由表2对不同土地利用类型赋值，最终得到因子。

表2 B因子赋值依据

工程措施因子采用水保工程数据结合水保投入数据进行估算。其中水保工程数据以湖北省的水土保持公告数据作为计算基础。其中1990年和1995年的梯田面积因数据缺失，通过时间序列分析推算，并结合《水土保持公报》中的水保投入数据进行合理地修改外推。根据上述数据，采用加权平均算法，通过公式得出工程因子值：

(9)

式中：ESL是指将梯田面积按照权重平均至坡耕地上后坡耕地处的工程措施因子；ETL为梯田的工程措施因子值，这里的ETL采用水土保持工程措施因子赋值表中的石坎水平梯田的工程因子值0.121；STL与SSL分别为梯田和坡耕地的面积。

根据《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》中全国轮作区因子赋值表，结合郭乾坤等的研究将对应耕作措施因子值赋值到湖北省不同耕作制度区域旱地的栅格上，得到不同年份的湖北省耕作措施因子。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀空间分布

运用CSLE模型对1990—2015年各个因子进行计算，得到湖北省近25年间共6期的土壤侵蚀模数(图3)。其中根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，将湖北省土壤侵蚀划分为6个等级，0～500 t/(km·a)为微度，500～2 500 t/(km·a)为轻度，2 500～5 000 t/(km·a)为中度，5 000～8 000 t/(km·a)为强烈，8 000～15 000 t/(km·a)为极强烈，>15 000 t/(km·a)为剧烈侵蚀。从空间上可知，土壤侵蚀较为严重区域分布在鄂西南、鄂西北、鄂东区域，其中位于鄂西南区域的鄂渝山地侵蚀面积最大，且侵蚀更严重。由图3可以看出，1990—1995年土壤侵蚀等级降低集中在恩施、咸宁，1995—2000年土壤侵蚀等级降低集中在恩施、十堰，2000—2005年土壤侵蚀等级降低集中在神农架林区和宜昌市秭归县周边，2005—2010年土壤侵蚀等级降低集中在黄冈和黄石市，2010—2015年土壤侵蚀等级降低集中在神农架林区和宜昌市。

图3 不同时期土壤侵蚀等级

3.2 土壤侵蚀动态变化

3.2.1 土壤侵蚀总体变化分析 微度侵蚀被定义为土壤侵蚀小于土壤容许流失量，在统计土壤总侵蚀面积时应统计轻度及以上侵蚀等级的侵蚀面积。利用ArcGIS对湖北省25年间各等级土壤侵蚀面积进行汇总。由表3可知，总侵蚀面积由1990年的48 023.0 km减至1995年约41 977.9 km，后增至2000年44 398.8 km，2000年后持续减少，1995—2000年总侵蚀面积增加是受“九五”规划影响，湖北省林地被破坏，部分林地植被覆盖度下降，轻度侵蚀面积在林地区域增加11.13%。25年侵蚀面积共减少12 562.9 km，相对1990年侵蚀面积下降26.16%。而轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀面积25年间分别减少11 267.0，497.6，176.9，307.7，313.7 km，减幅分别为27.39%，13.85%，11.79%，24.88%和56.04%，说明经过多年的水土保持治理，湖北省土壤侵蚀状况得到较好的改善。

轻度侵蚀及以上等级侵蚀需着重关注，由表3可知，轻度侵蚀约占总侵蚀面积的85%，且25年间减少1.67%，中度侵蚀和强烈侵蚀占比分别增加16.67%和19.46%，剧烈侵蚀占比变化最为明显，占比减少40.47%。

表3 湖北省25年间土壤侵蚀各等级情况

中度侵蚀以上侵蚀等级1990—2015年变化见图4。1990—1995年各侵蚀等级的面积均有下降，1995—2000年间维持稳定，后至2015年持续缓慢减少，其中极剧烈和剧烈侵蚀面积减少相对明显，强烈侵蚀则变化较少，这表明强烈侵蚀区域的治理需得到更多关注。

图4 中度侵蚀以上侵蚀等级面积变化

3.2.2 侵蚀强度变化分析 利用ArcGIS的Tabulate Area工具对25年的土壤侵蚀各强度面积转移矩阵、不同土地利用类型的土壤侵蚀强度、不同坡度等级的土壤侵蚀强度进行统计分析。不同土地利用类型的侵蚀强度面积见表4。

从图5可以看出，1990—2015年土壤侵蚀强度中微度侵蚀最为稳定，其次为轻度侵蚀；强烈侵蚀和剧烈侵蚀相对而言更易转移为别的侵蚀强度；大部分侵蚀等级主要向更低侵蚀等级转移。流向剧烈侵蚀的主要为轻度侵蚀，其次为微度侵蚀与极强烈侵蚀，1990—2015年湖北省林地面积减少628.81 km，草地面积减少46.81 km，这些主要是因基础设施建设、房地产开发、农林生产开发等人为扰动造成的土地利用发生变化，进而导致短期局部区域侵蚀强度发生的变化。从长时间序列来看，湖北省土壤侵蚀总体呈现好转趋势。

图5 1990-2015年湖北省各时期土壤侵蚀强度等级变化转移情况

从表4和图6可以看出，在土地利用类型方面，旱地中微度侵蚀面积由1990年14 255.6 km下降至2015年14 132.3 km，主要是旱地转换为其他地类，面积有所减少导致。旱地侵蚀等级分布均匀，面积占比随侵蚀等级增加而减少，旱地中强烈侵蚀及以上等级的占比由10.33%逐年减少至7.22%，剧烈侵蚀面积25年间减少377.4 km，减少68.72%。

图6 不同变化等级下土地利用分布情况

表4 湖北省25年间不同土地利用土壤侵蚀各等级情况

林地微度侵蚀面积由1990年的66 778.7 km增至2015年的78 586.2 km，占比由1990年的71.95%增至2015年的85.21%，林地中轻度侵蚀及以上等级的侵蚀面积占比由26 035.0 km减少至13 637.2 km，减少47.62%。林地能使土壤理化性质有所变化，有效减少水土流失并提高植被覆盖度，对土壤侵蚀的控制起到积极作用，所以林地的土壤侵蚀集中在轻度侵蚀，土壤侵蚀强度低。但在1995—2000年和2005—2010年湖北省林地土壤加剧较为严重，主要与林地植被覆盖度降低有关，1995—2000年林地植被覆盖度下降区域占林地加剧和明显加剧面积的78.6%，2005—2010年林地植被覆盖度下降区域占林地加剧和明显加剧面积的65.7%。

草地土壤侵蚀等级主要为轻度侵蚀，其次为微度侵蚀，轻度侵蚀占比由1990年的61.90%上升至2015年的67.20%，强烈及以上等级侵蚀面积由1990年的91.1 km减少至2015年的13.3 km，下降85.38%，说明在草地侵蚀强度高的区域得到有效治理，这与种草及退耕还草等水保措施有着密切关系。

居民点用地土壤侵蚀等级主要为微度侵蚀，其次为轻度侵蚀，轻度及以上等级侵蚀面积由1990年的420.0 km增至2015年的1 374.5 km。居民点用地土壤侵蚀面积逐年增加，在25年间增加2 516.53 km，这是由于社会经济飞速发展，以及人口增加、迁移和城镇化建设引起的城市扩张所导致的。裸地轻度及以上等级侵蚀面积由1990年的16.8 km减少至2015年的13.9 km，减少17.10%，强烈及以上侵蚀等级约占30%，侵蚀强度较高。裸地各侵蚀等级在各年间变化差异不大，25年间侵蚀变化区域主要以好转为主。

由图7可知，在不同坡度等级方面，1990—1995年和2000—2005年间，极陡坡侵蚀情况好转与加剧无太大差距，但在1995—2000年和2005—2015年间，侵蚀好转面积明显多于加剧面积，可知这些区域水土流失治理效果明显。斜坡、陡坡和急坡区域中轻度以上等级侵蚀面积25年分别减少2 212.9，4 599.8，3 298.9 km，侵蚀占比分别减少24.8%，38.2%和33.2%，表明该区域治理效果较为明显。

图7 不同坡度等级下侵蚀面积变化情况

4 讨 论

4.1 不同区域土壤侵蚀强度的变化

由6期土壤侵蚀模数可知，侵蚀分布及不同侵蚀强度的面积与《湖北省水土保持公报》数据较为一致。湖北省主要为轻度侵蚀，中度侵蚀及以上等级侵蚀所占面积较小。总侵蚀面积先减再增后持续减少，其中极剧烈和剧烈侵蚀面积下降明显。1990—1995年土壤侵蚀等级降低集中在恩施、咸宁：咸宁开展农业生产结构优化，结合1990年和1995年土地利用数据得出，咸宁耕地面积减少19.8 km，林地面积增加10.2 km，恩施实施长江防护林工程，共16.6 km坡耕地、裸地转换成林地，在一定程度上减少土壤侵蚀；但同期神农架地区由于局部地区砍伐严重，林地面积减少7.9 km，存在局部水土流失加剧的隐患。1995—2000年土壤侵蚀等级降低集中在恩施、十堰：根据恩施水土流失公报，恩施在水土流失方面资金投入不断加大，实施坡改梯、经果林、水保林、保土耕作等措施，治理力度不断加强，5年共完成68.3 km的水土保持综合防治；十堰“九五”期间加大土地改良投入，增强土壤蓄水能力，使得土壤侵蚀状况有所缓减；但同期神农架地区仍处于木头经济转为生态经济的阶段，且主要能源为木材，土壤侵蚀加剧。2000—2005年土壤侵蚀等级降低集中在神农架林区周边：神农架地区加大天然林保护力度，转变能源使用方式，推动生态保护；但十堰市工业迅速发展，结合2000年和2005年土地利用数据得出，十堰市建设用地面积5年增加3.8 km，林地和草地向建设用地转换导致短期土壤侵蚀加剧。2005—2010年土壤侵蚀等级降低集中在黄冈：“十一五”期间黄冈地区通过退耕还林、退田还湖、荒山造林等措施，给土壤侵蚀治理带来积极影响；但“十一五”期间竹溪县借助退耕还林政策，大面积对耕地、草地进行农业生产改造，在土地改造过程中因挖损、塌陷、压占等造成土地破坏，结合土地利用数据，竹溪县共2.4 km的草地和耕地转化成建设用地，加剧了土壤侵蚀。2010—2015年土壤侵蚀等级降低集中在神农架林区和宜昌市，神农架林区因为多年的林区保护，木材采伐量骤减，生态恢复良好，宜昌市优化种植模式，积极植树造林，林地面积增加9.4 km，土壤侵蚀状况持续好转。

4.2 不同土地利用下土壤侵蚀强度的变化

不同土地利用类型植被覆盖、微地貌特征、水土保持效应存在差异性，从而影响地表径流和土壤侵蚀过程。从本文研究结果来看，湖北省旱地的土壤侵蚀等级在长时间周期内逐年减弱，侵蚀等级改善区域得益于坡改梯、退耕还林等水保工程措施的实施，治理成效显著。但在1995—2000年和2005—2010年旱地土壤侵蚀加剧较为明显，主要与降雨有关，1995—2000年降雨侵蚀力增加区域占旱地总面积的39.55%，2005—2010年降雨侵蚀力增加区域占旱地总面积的49.23%。1990—2015年林地侵蚀加剧和明显加剧区域共772.0 km，其中植被覆盖度下降面积达638.3 km，占林地加剧和明显加剧面积的82.67%；降雨侵蚀力增加面积达278.1 km，占林地加剧和明显加剧面积的36.02%，植被覆盖度对林地侵蚀变化产生较大影响。1990—2015年草地侵蚀加剧和明显加剧区域共672.9 km，其中植被覆盖度下降面积达118.9 km，占草地加剧和明显加剧面积的17.76%，降雨侵蚀力增加面积达402.3 km，占草地加剧和明显加剧面积的59.79%，降雨对草地侵蚀变化产生较大影响；草地土壤侵蚀总体情况在25年间未有明显改善，该类型土壤侵蚀治理需得到重视。

4.3 不同坡度下土壤侵蚀强度的变化

1990—2015年侵蚀加剧和明显加剧区域面积为1 815.55 km，平缓坡和中等坡区适合人类生活，开发利用较多，其中平缓坡和中等坡25年间耕地有238.89 km转成居民点用地，林地有72.88 km转化成居民点用地，分别占侵蚀加剧和剧烈加剧区域的13.1%和6.6%，这导致该区域轻度以上等级侵蚀面积在1990—2015年间逐年增加。

5 结 论

(1)湖北省1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年侵蚀面积分别为48 023.0，41 977.8，44 98.8，40 301.4，39 720.0，35 460.1 km，分别占湖北省总面积的25.8%，22.6%，23.9%，21.7%，21.4%和19.1%。湖北省主要为微度侵蚀，其次为轻度侵蚀，中度侵蚀及以上强度的侵蚀所占面积较小。

(2)从土壤侵蚀等级转移矩阵分析可知，微度侵蚀最为稳定，其次为轻度侵蚀，强烈侵蚀和剧烈侵蚀容易发生转移。大部分变化区域的侵蚀等级降低，微度侵蚀和轻度侵蚀中极少部分转移为剧烈侵蚀，湖北省土壤侵蚀总体呈现好转趋势。

(3)在不同环境背景下对土壤侵蚀变化进行研究，使用叠置分析功能统计分析土壤侵蚀在不同土地利用类型和不同坡度等级下空间分布特征，可得1990—1995年、2000—2005年和2010—2015年间土壤侵蚀以好转为主，其中旱地与裸地好转情况最为明显；在1995—2000年和2005—2010年土壤侵蚀变化区域中，侵蚀加剧情况不容小觑，其中林地与旱地表现最为明显，林地土壤侵蚀加剧主要和林地植被覆盖度降低有关，土壤侵蚀变化区域中平缓坡和中等坡区域25年间轻度以上等级侵蚀面积逐年增加，斜坡、陡坡和急坡区域轻度以上等级侵蚀面积明显减少。

本文土壤侵蚀计算时因遥感影像数据源无法统一，2000年前计算生物措施使用的GIMMS NDVI3g数据受混合像元影响计算出的植被覆盖度精度低，经过简单校正后仍然存在一定误差，在以后的植被覆盖度计算中使用更高分辨率影像进行统一计算来提高精度。