耦合RUSLE模型多源数据江西省水土流失风险评价

鄢为星

（江西鸿溢水利工程有限公司，江西 南昌 330000）

1 研究区描述

江西位于中国东南腹地，介于113.57～118.484°E、24.487～30.078°N，总面积16.69 万km2。该地属江南丘陵地形，中北部为鄱阳湖平原、西北为幕阜山，南部为井冈山、武夷山等山系，地形破碎崎岖、地貌景观纷杂，海拔介于0-2 108 m。受副热带高压带影响，区域形成亚热带湿润季风气象，年均气温14℃-18℃、年降水量1 341-1 943 mm，其中月65%降水量集中于5-9 月，具有降雨强度大、历时长特点。地带性植被为常绿阔叶林，但现存植被多为次生马尾松、经果林等，具有植被类型单调、多样性差的特点。典型土壤为红壤，其质地黏重、饱水滞水、易汇聚而发生沟壑和面状侵蚀。

2 研究方法

2.1 RULSE模型及其参数率定方法

本研究利用通用水土流失方程（RUSLE）开展江西地区水土流失定量评价，其数学公式为：

式中A 表示土壤流失量，单位为t/hm2·a,R 为侵蚀动力来源，即降雨侵蚀力，单位为MJ·mm/hm2·h·a,K表示土壤抗蚀能力，是土壤多种属性的函数，单位为（t·hm2·h/hm2·MJ·mm)，LS、C 和P 则均是无量纲，依次表示地形坡度坡长因子、植被覆盖管理因子。

鉴于RUSLE 模型是一松散概念模型，该模型在特定区域展开应用之前需进行参数率定。参照相关研究经验，对R因子率定公式为：

式中S为坡度因子，θ 为坡度（°），L为坡长因子，λ为水平投影坡长，m为可变坡长指数。

C因子率定方式如下：

式中α、β为曲线参数，通常取值为α=2.5，β=1。

P值的率定方式为赋值法。

2.2 数据来源与处理

江西省水土流失评价所使用的数据具体如下：①GPM_IMERG 卫星降雨资料，其空间分辨率可达0.1°（约10 km），②landsat-8卫星资料衍生的NDVI产品，其空间分辨率为30×30 m；③STRM DEM产品，地面分辨率为90m；④中国土壤数据集，包含有机质、砂砾、粉粒和黏粒等土壤属性，其空间分辨率1km×1km，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心；⑤欧空局提供的10 m空间分辨率的土地利用类型数据，数据分辨率为10 m 像素。在定量计算区域水土流失之前，对上述资料进行如下处理：利用ArcGIS 10.5 平台进行重投影（UTM49N)、裁剪、栅格计算等处理，最后水土流失计算的栅格单元为1 000 m。

3 结果与分析

3.1 江西省水土流失因子空间分布特征

研究区R因子值介于5 978-15 648 MJ·mm/hm2·h·a之间，省域空间平均值为8 687.63 MJ·mm/hm2·h·a，其离差系数为18.85%，观察到高值区呈片状自赣东向赣中延伸，局部可达9000 MJ·mm/hm2·h·a；低值区分布于赣西北和赣南，仅为6500 MJ·mm/hm2·h·a左右；R分布与降雨量具有空间一致性。K因子最高值达到0.08（t·hm2·h/hm2·MJ·mm），最低值为0.01（t·hm2·h/hm2·MJ·mm），全省平均值为0.051（t·hm2·h/hm2·MJ·mm）；高值呈小斑块状分布。LS因子介于0～69之间，呈现环鄱阳湖递减分布特征，其与该地地形高程密切相关。C因子高值区呈条带状分布于平原、谷地地带，而山地地区C因子较低；P因子分布与C因子具有相似性。

3.2 江西省水土流失评价结果

以3.1部分的R、K、LS、C和P因子统一数据格式和空间质量后，利用GIS 软件的Raster Calculator 工具进行连乘，得到研究区1 km分辨率尺度上侵蚀模数分布，其栅格单位为t/hm2·a。侵蚀模数介于0～189 t/hm2·a，其空间平均值为13.56 t/hm2·a，表明江西省水土流失以轻度为主。侵蚀模数较高地区以为园地、旱地和裸地为主，一方面是这些地段植被覆盖度且单一性，另一方面是受到人为活动影响更敏感，例如矿区开发、园地开垦、工程建设等。低侵蚀模数呈斑点状或小块状分布，多位于中高山地地段，主要由于低影响开发与高植被覆盖。

研究区水土流失强度评价则参考水利部颁布《土壤侵蚀分类分级标准》。其基于侵蚀模数将水土流失程度界定为微度（0～5 t/hm2·a）、轻度（5～25 t/hm2·a）、中度（25～50 t/hm2·a）、强烈（50～80）t/hm2·a、极强（80～150 t/hm2·a）和剧烈(＞150 t/hm2·a）等级。在此基础上使用GIS软件的Reclassify工具统计得到各水土流失等级的像素数。在江西省现有环境条件与人为扰动下，区域水土流失强度以整体向好为主要特征。其中微度和轻度水土流失面积占省域总面积的77.07%、15.74%，而中度、强烈、极强和剧烈侵蚀面积分布最少，其分别占纵面的4.75%、1.42%、0.70%、0.31%。在未来一定时期内区域水土流失演进相对平缓，但土壤损失来源主要来自由中度、强烈等级，因此其是区域水土保持治理重点。仍需关注的是，区域植被类型结构单一而林下植被缺失，在植被覆盖区仍然存在一定的林下侵蚀未被有效观测到，这是由于在饱和降雨发生了植被冠层聚集雨滴进而增加地表冲刷、溅蚀。

研究区水土流失结果与地形因子之间存在密切耦合关系，司志文等研究指出江西省水土流失空间分布受地形因子控制。为更好认识区域水土流失的地带性差异，将LS 因子划分为0～10、10～20、20～30、30～70 共4 个等级，统计了不同地形等级下水土流失强度面积分布。从水土流失强度分级度来看，各地形分级下的水土流失强度以微度及轻度侵蚀为主。具体地，中度、强度、极强烈、剧烈均以0-10°的缓坡分布最广泛，分别占0-10°的缓坡区域面积的6.02%、4.00%、4.10%、3.17%。这是由于研究区以山地丘陵地形分布为主，在缓坡地区人为可达性较高，并以坡耕地和园地聚集因此水土流失风险较大；此外上缓坡地形易于地表产流、渗流，在侵蚀高强度降雨条件下的降雨地表径流无法快速运移则极易引起下渗泥沙、泥石流或崩岗侵蚀。因此0-10°的缓坡地形区是各类侵蚀程度和强度分布的主要地形区。

4 结论

南方地区特殊气候环境、地形景观与普遍人为活动促使了区域典型水土流失自然过程。本研究在GIS、RS 技术的支持下，研究了江西省水土流失空间分布，结论如下：①尽管RUSLE 模型给出了水土流失定量化评估松散概念框架，但仍可运用本地化公式对各项参数进行率定，进而得到区域化侵蚀模数；②江西省土壤侵蚀模数极具空间异质性，得益于复杂的气候、地形、植被和土壤因素综合交互，但地形空间异质性决定了侵蚀模数分布。③江西省总体水土流失强度为轻度等级，鉴于区域频繁水热交换和旺盛生产力的生态背景，该地土壤流失后极难恢复，因此优化水土流失治理措施极有必要。地表景观过程是由微气候、地形、水文过程和植被等多要素构建的，其能准确反演侵蚀过程演替，未来可深入探究地表景观异质性对水土流失强度影响，进而更好理解水土流失与自然环境之间关系。