安徽省1980—2020年土壤侵蚀时空变化特征

徐少杰, 邓良, 赵明松*, 陈宣强, 邱士其

(1.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，淮南 232001；2.矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽省教育厅重点实验室，淮南 232001； 3.矿区环境与灾害协同监测煤炭行业工程研究中心， 淮南 232001； 4.安徽省地质测绘技术院，合肥 230022)

土壤侵蚀严重威胁着人类的生存和发展，在水力、风力或冻融等外营力的作用下，土壤侵蚀会导致土壤及其母质被破坏、搬运以及堆积，造成土壤的退化、肥力下降以及山体滑坡等自然灾害的加剧，严重制约着社会经济的发展[1]。随着对土壤侵蚀的不断关注，研究土壤侵蚀的方法也在不断被完善。从19世纪40～50年代开发并得到实践应用的通用土壤流失方程(universal soil loss equation，USLE)[2]、修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，RUSLE)、水蚀预测项目(water erosion prediction project，WEPP)等土壤侵蚀模型[3]，到如今经过各国学者研究改正的中国土壤流失方程(Chinese soil loss equation，CSLE)、生态系统服务和交易的综合评估(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs，InVEST)[4]、生态系统服务的人工智能(artificial intelligence for ecosystem services，ARIES)等模型。

应用不同的模型，探讨不同区域的土壤侵蚀特征为当前土壤侵蚀研究的主要热点之一。如Wang等[5]运用InVEST模型，分析了粤北地区在2000—2008年内水土流失的时空演变特征。李娜等[6]基于CSLE模型，利用采样调查与地理信息系统(geographic information system，GIS)相结合，探讨了天山北坡西白杨沟流域的土壤侵蚀强度变化的驱动机制及其时空变化。影响土壤侵蚀的因素较多，应根据当地研究区的实际情况，采取不同的影响因子以及适宜的模型进行土壤侵蚀的研究。陈起伟等[7]基于土地利用类型、岩性、基岩裸露率等因子，针对贵州省喀斯特地区进行了土壤侵蚀及土壤抗侵蚀年限的研究，为喀斯特区土壤侵蚀的防治提供了参考。曾成等[8]基于RUSLE模型对喀斯特峰丛洼地的土壤侵蚀展开研究，并探讨了土壤侵蚀与土壤养分之间的关系，结果表明：人类活动是造成该地区土壤侵蚀及养分流失的重要因素，为喀斯特地区生态环境治理提供了重要的数据支撑。RUSLE模型因其普适性，被广泛应用于土壤侵蚀的研究之中，为合理规划黄河流域在兰州段的水土资源，武翠翠等[9]基于RUSLE模型对黄河流域兰州段的土壤侵蚀敏感性进行定量评价，该地区土壤侵蚀敏感性面积占比较大。肖武等[10]利用USLE模型分析了安徽省巢湖流域2000—2010年的土壤侵蚀空间变化趋势，并识别出土壤侵蚀的关键区域。陈朝良等[11]基于RUSLE模型在黄河上游湟水流域开展土壤侵蚀研究，结果表明：2000—2015年该流域土壤侵蚀强度整体呈减弱趋势。研究表明，RUSLE等模型在平原以及河谷平原地区具有较高的适用性。

在安徽省的土壤侵蚀的研究之中，大多数均为小区域或短时间段内的土壤侵蚀时空演变分析。如管礼松等[12]基于CSLE模型精确评估了安徽省皖南区域2010—2018年的土壤侵蚀状况。赵明松等[13]定量分析了安徽省大别山区域的土壤侵蚀空间分布特征，并探讨了地形因素对土壤侵蚀的影响。但当下却很少有人对安徽省近年来的土壤侵蚀时空变化进行完整的研究和分析。因此，现以安徽省为研究区，利用1980年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年6个时期的降雨量、土地利用现状图、地形数据、土壤类型等数据，借助GIS分析探讨安徽省40年以来土壤侵蚀的时空演变，并着重探讨土壤侵蚀和土地利用类型之间的关系，为今后安徽省土壤流失的治理保护提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概括

安徽省位于中国华东地区，地处长江、淮河中下游以及长江三角洲腹地。介于114°54′E～119°37′E，29°41′N～34°38′N，土地面积约为13.94万km2。属暖温带与亚热带的过渡地区，年平均气温为14～17 ℃，年平均降水量为773～1 670 mm[14]。全省分成淮北与沿淮平原、沿江平原、江淮丘陵岗地、皖西大别山区、皖南丘陵山地区5个地貌区，全省地势西南高、东北低，平均海拔119.3 m。土壤类型主要为潮湿雏形土、水耕人为土、湿润淋溶土、正常新成土、正常有机土等。安徽省数字高程模型及地理分区如图1所示。

图1 安徽省数字高程模型及地理分区Fig.1 Digital elevation model and geographical division of Anhui Province

1.2 数据来源

(1)安徽省1980年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的月平均降雨量数据，来源于安徽省气象信息中心及安徽省统计年鉴。

(2)安徽省土壤图以及《安徽土种》，比例尺为1∶50万，来源于安徽省土壤普查办公室。

(3)90 m空间分辨率的数字高程模型SRTM DEM(https://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp)。

(4)安徽省1980年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年土地利用图，由Landsat TM影像图监督分类而来，空间分辨率为30 m，分类精度均达到了88.9%。

(5)2010年安徽省典型土壤类型理化性质，来源于国家科技基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”中的安徽省土系调查的206个典型样点数据集。

1.3 RUSLE模型因子确定

基于RUSLE模型以及GIS技术评价安徽省40年来土壤侵蚀的时空变化特征，其公式为

A=RKLSCP

(1)

式(1)中：A为单位面积上的年平均土壤侵蚀模数，t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子， MJ·mm/(hm2·h·a),采用周伏建等[15]的降雨侵蚀力因子计算公式，利用安徽省各站点的月平均降雨量分别计算每个站点的R因子，插值生成各时期R值分布图；K为土壤可蚀性因子，t·h/(MJ·mm);基于Williams[16]在EPIC模型中的估算方法计算K值，并根据张科利等[17]的研究对K值进行修正；L、S分别为坡长、坡度因子，L因子采用Wischmeier等[18]提出的公式进行计算，S因子在缓坡(坡度≤14°)采用Liu等[19]的算法进行计算，而在陡坡(坡度>14°)则采用McCool等[20]提出的公式；C为植被覆盖与管理因子[21]。根据前人的研究[22-23]，为不同的土地利用类型赋以不同的C值:旱地为0.31，建设用地为0.2，水田为0.18，草地为0.06，疏林地为0.017，其他林地为0.006,水域和裸地均为0；P为水土保持措施因子。根据以往学者的相关研究[24-26]，结合安徽省的土地利用图，完成水土保持措施因子的赋值:旱地为0.35，水田为0.15，草地、疏林地及林地均为1，水域、裸地和建设用地均为0。

按照水利部《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190—2007)，根据土壤侵蚀模数将安徽省土壤侵蚀等级划分为6类：微度侵蚀[500 t/(km2·a)以下]、轻度侵蚀[500～2 500 t/(km2·a)]、中度侵蚀[2 500～5 000 t/(km2·a)]、强度侵蚀[5 000～8 000 t/(km2·a)]、极强度侵蚀[8 000～15 000 t/(km2·a)]以及剧烈侵蚀[15 000 t/(km2·a)以上]。

2 结果与分析

2.1 安徽省土壤侵蚀量变化

图2是安徽省1980、2000、2005、2010、2015、2020年的土壤侵蚀强度空间分布图。表1为安徽省土壤侵蚀量的分类及统计情况。可以发现，安徽省土壤侵蚀整体呈现南高北低的分布特征。大部分区域为微度及轻度侵蚀，中度及以上侵蚀主要分布在安徽省西部和南部，北部以微度、轻度侵蚀为主。

图2 安徽省1980—2020年土壤侵蚀强度空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil erosion intensity in Anhui Province from 1980 to 2020

表1 安徽省1980—2020年各土壤侵蚀强度的土壤侵蚀量

图3 安徽省土壤侵蚀强度变化空间分布Fig.3 Spatialdistribution of soil erosion intensity change in Anhui Province

自1980年，安徽省的土壤侵蚀总量及平均土壤侵蚀模数总体呈现先减少后增加的趋势。1980年安徽省土壤侵蚀总量达到6 510.81 万t/a，2010年土壤侵蚀总量下降至3 450.88 万t/a，之后土壤侵蚀有所加剧，2020年土壤侵蚀总量上升至4 202.89 万t/a。与1980年相比，2000年、2005年、2010年、2015年、2020年土壤侵蚀总量分别下降了23.82%、51.32%、47.00%、41.70%、35.45%，但相比于2010年，2015年和2020年的土壤侵蚀总量有所增加。

2.2 安徽省土壤侵蚀面积变化

图3为安徽省1980—2020年间6个时间段内的土壤侵蚀强度空间变化图。在1980—2000年、2000—2005年各地区土壤侵蚀状况呈现减弱的趋势，侵蚀强度变化的区域主要集中在皖西大别山区、皖南丘陵山地区。相比于2005年的土壤侵蚀状况，2010年、2015年、2020年皖西大别山区、皖南丘陵山地区土壤侵蚀呈现加强的趋势。

图4为1980—2020年各等级侵蚀强度的面积转移流向图。中度以上侵蚀等级占比较少，因此，将强度侵蚀、极强度侵蚀以及剧烈侵蚀归为一类，即中度以上侵蚀。

图4 安徽省1980—2020年侵蚀强度面积转移桑基图Fig.4 Sankey plot of erosion intensity area transfer from 1980 to 2020 in Anhui Province

安徽省40年来土壤侵蚀强度有所减弱，在2005年及以前，土壤治理措施非常有成效，微度侵蚀面积呈现不断增加的趋势，有较大部分的轻度侵蚀向微度侵蚀进行转移，较大面积的土壤侵蚀得到治理及改善。在2005年以后有所回升，但回升趋势较低，但相比于1980年来说，总体上还是处于降低趋势。从图4中可以发现，相比于1980年，2020年安徽省微度侵蚀面积有所增加，而轻度、中度及中度以上的侵蚀面积均得到了一定程度的降低。

3 讨论

3.1 降雨量变化对土壤侵蚀的影响

在安徽省近些年里，特别是在2020年，安徽省降雨频繁，为探究在降雨“骤增”的情况下，安徽省土壤侵蚀变化情况，对比分析安徽省1980—2020年土壤侵蚀总量与年平均降雨量，图5。

图5 安徽省1980—2020年侵蚀量与年平均降雨对比Fig.5 Comparison of the amount of erosion and annual average rainfall in Anhui Province from 1980 to 2020

在2005年，安徽省总侵蚀量达到最低，在降雨量相近的情况下，安徽省一系列的土壤治理措施使得安徽省土壤侵蚀得到了较大的改善，总土壤侵蚀量得到了较大幅度的降低；相比于2005年降雨，2010年、2015年、2020年年平均降雨量有了较大幅度的增长。特别是2020年，相比于2015年，年平均降雨曲线出现了明显的“陡坡”，虽然一定的水土保持措施，减缓了水土流失，但降雨量的暴增使得全省2010年、2015年、2020年的土壤侵蚀总量有所增加。

尽管2020年强降雨以及洪涝灾害频发，但安徽省40年来的土壤治理措施使得土壤抗侵蚀能力得到了大大的提升，侵蚀量并没有因为年降雨平均量的“骤增”而迅速提升。安徽省近年来开展的一系列水土保持与治理工程，例如：自2010年，安徽省每年平均审批生产建设项目水土保持方案近500个。2019年达到了837个，2019年内治理小流域24条，治理水土流失493.8 km2，使水土保持监测与保护效率进一步提高[27-28]。

3.2 不同土地利用类型下土壤侵蚀强度差异

根据安徽省土壤侵蚀变化特征，以2005年为节点，统计1980—2005年、2005—2020年、1980—2020年间的土地利用情况，对不同土地利用类型的土壤侵蚀情况进行分析。

3.2.1 各土地利用类型土壤侵蚀强度变化

表2反映了各土地利用类型(剔除水体)在1980年、2005年、2020年的土壤侵蚀平均侵蚀模数及总侵蚀量信息。可以发现，整体上草地的侵蚀模数和侵蚀量相对较大；建设用地以及裸地的平均侵蚀模数及侵蚀量最低。同时对比各土地利用类型的侵蚀模数标准差，草地平均侵蚀模数的标准差加大，这表示在草地区域内土壤侵蚀模数浮动较大，同时与平均侵蚀模数有较大的差异；建筑用地及裸地在2005年以前标准差均维持在1以下，但在2020年标准差有所提升，参照两类区域内总侵蚀量占比较少，可以得知，建筑用地及裸地区域的土壤侵蚀仅存在于个别区域。这与程先富等[22]的研究结果相符，草地区域的侵蚀最为严重，林地次之，而建筑用地和裸地区域的侵蚀情况较弱。

表2 各类土地利用类型土壤侵蚀概况

3.2.2 土地利用变化对侵蚀强度的影响

进一步分析土地利用的改变对土壤侵蚀强度的影响，由于建筑用地及裸地的侵蚀量较少，仅统计1980—2020年水田、旱地、林地及草地区域的土地利用面积转移以及土壤侵蚀强度的变化情况，见表3。

表3 土地利用改变区域土壤侵蚀强度变化面积

土地利用类型发生改变的区域占据了较少的一部分，较大面积的土地利用未发生变化，未发生土地利用转移的区域的土壤侵蚀强度仍以减弱为主，由此可知，安徽省的一系列治理措施取得了较高的成效。在土地利用发生改变的区域，除了林地，其他3类用地的侵蚀强度减弱的面积均比侵蚀强度增加的面积多。在水田区域，侵蚀强度得到降低的区域集中在水田-林地。旱地区域同样主要集中在旱地-林地的区域。同时草地区域也以侵蚀强度减弱为主，在草地-林地的区域有175.36 km2的面积侵蚀强度得到减弱；而林地则有较大面积的土壤侵蚀强度得到加剧，主要集中在林地-草地区域。当地表裸露的旱地、草地及水田转移为能有效阻挡降雨动能的林地后，有效地遏制了土壤侵蚀，而当林地向其他土地利用类型转移时，旱地、草地等区域无法抵挡雨水的冲刷，从而导致土壤侵蚀强度加剧。

4 结论

(1)安徽省土壤侵蚀强度呈现南高北低的趋势，整体以微度侵蚀为主。

(2)1980—2005年，安徽省整体土壤侵蚀呈现减弱的趋势，在2015—2020年土壤侵蚀因降雨略有回升。侵蚀强度变化的区域主要集中在皖西大别山区、皖南丘陵山地区。

(3)旱地、水田和草地转移为林地能有效地降低土壤的侵蚀强度，特别是在侵蚀较为严重的草地区域，应根据实际情况加强林地的建设。

安徽省一系列的水土管理与治理措施使土壤侵蚀得到了一定的改善。但在安徽南方，由于降雨量较多导致南方土壤侵蚀均较为严重，仍存在着较多的强度及以上的侵蚀，今后应重点加强皖西大别山区、皖南丘陵山地区的水土防护和治理。