2009—2019年湖北省土壤侵蝕時空變化分析

王 海，黃躍飛，趙 泉，黃 婧，陳 穎，劉 海

(1.武漢智匯元環(huán)?？萍加邢薰荆?武漢 430079； 2.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

土壤侵蝕會導(dǎo)致土壤退化、土質(zhì)惡化與土地生產(chǎn)力下降等一系列問題，威脅到生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。定量評價區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度及其時空分布特征，對減少水土流失、保護(hù)和合理利用土地資源具有重要意義[3-4]。當(dāng)前，土壤侵蝕定量研究應(yīng)用最廣泛、實用性較好的計算模型為通用土壤流失方程(USLE)及修正通用土壤流失方程(RUSLE)[5-6]。USLE能較為全面地考慮影響土壤侵蝕的各種因素，具有一定的精度且相對簡單[7]，而RUSLE[5，8]根據(jù)實際情況對因子參數(shù)進(jìn)行了修正，更符合實際情況，適用范圍更廣。

湖北省位于長江中游洞庭湖以北，是長江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，在促進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展和中部崛起戰(zhàn)略中肩負(fù)著重要使命。受特殊的自然地理條件及不斷增強(qiáng)的開發(fā)建設(shè)活動影響，湖北省土壤侵蝕嚴(yán)重。為了研究其土壤侵蝕動態(tài)變化規(guī)律，采用RUSLE模型，基于2009、2019年兩期相關(guān)數(shù)據(jù)計算土壤侵蝕量，評估土壤侵蝕時空變化特征，以期為湖北省水土保持措施的制定提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于29°01′53″～33°6′47″N、108°21′42″～116°07′50″E之間，東西長約740 km，南北寬約470 km。全省地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)?，地勢大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。全省地處亞熱帶，除高山地區(qū)為高山氣候外，大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，降雨量時空分布不均勻，冬季少雨，夏季多雨，山區(qū)降雨豐富，平原區(qū)和中北部區(qū)域降雨較少[9]。

由于研究區(qū)面積較大，各地區(qū)之間自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)條件存在較大差異，故參考《湖北省水土保持規(guī)劃》及區(qū)域內(nèi)主要山脈和地形地貌特征劃分為如下八大分區(qū)(圖1)：桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)(Ⅰ區(qū))、南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)(Ⅱ區(qū))、江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)(Ⅲ區(qū))、三峽庫區(qū)丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)(Ⅳ區(qū))、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)(Ⅴ區(qū))、丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)(Ⅵ區(qū))、大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)(Ⅶ區(qū))和鄂西南武夷山水源涵養(yǎng)保土區(qū)(Ⅷ區(qū))。

圖1 湖北省水土保持分區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源

降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)中心(CMDC，http://data.cma.cn)，包括位于研究區(qū)內(nèi)17個站點的月降水量及年降水量監(jiān)測數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)采用地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)的SRTMDEMUTM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m。土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)提供的1 km的土壤類型及土地利用數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)采用MOD13Q1的NDVI數(shù)據(jù)(https://www.nasa.gov)。

1.3 研究方法

采用RUSLE進(jìn)行計算，模型公式[10]為

A=R·K·L·S·C·P

式中：A為年平均土壤侵蝕量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子，無量綱；S為坡度因子，無量綱；C為植被覆蓋與管理因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱。

本研究中R、K、L、S、C、P因子分別由年(月)降水量、土壤類型數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)等計算獲取。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕時空分布特征

計算湖北省2009、2019年土壤侵蝕模數(shù)，并依據(jù)水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)[11]劃分侵蝕等級，分別統(tǒng)計出湖北省及各分區(qū)2009、2019年平均土壤侵蝕模數(shù)、土壤侵蝕面積與土壤侵蝕量，見表1。

表1 2009、2019年湖北省及各分區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計

由表1可知，2009、2019年湖北省整體屬中度侵蝕，2019年土壤侵蝕面積比2009年減少3 250.65 km2，土壤侵蝕量降低18.93%，說明湖北省土壤侵蝕較為嚴(yán)重，但侵蝕強(qiáng)度正呈下降趨勢。從各分區(qū)土壤侵蝕情況來看，Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)、土壤侵蝕面積與土壤侵蝕量均呈增長趨勢，其他區(qū)的則均呈下降趨勢，其中：Ⅳ區(qū)、Ⅷ區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)下降趨勢最明顯；Ⅶ區(qū)、Ⅷ區(qū)土壤侵蝕面積減少量最多；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)數(shù)值變化較小。

對湖北省及各分區(qū)不同侵蝕強(qiáng)度區(qū)域的面積進(jìn)行統(tǒng)計，得到2009、2019年不同侵蝕強(qiáng)度面積比例，見表2。結(jié)果顯示：2009、2019年湖北省大部分區(qū)域是微度侵蝕區(qū)。2009年除微度侵蝕外以極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域占比最大，其次是強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域；2019年除微度侵蝕外以中度侵蝕區(qū)域占比最大，其次是極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域。2009—2019年輕度及中度侵蝕面積呈增長趨勢，面積占比增加4.17百分點；強(qiáng)烈侵蝕及以上區(qū)域面積呈減少趨勢，面積占比減少6.00百分點。

表2 2009、2019年湖北省及各分區(qū)不同侵蝕強(qiáng)度面積比例

從湖北省各分區(qū)不同侵蝕強(qiáng)度區(qū)域面積比例來看，2009、2019年Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)微度侵蝕區(qū)域(無明顯侵蝕區(qū)域)面積占比相近，均在90%以上，遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。除微度侵蝕區(qū)域外，2009、2019年Ⅰ區(qū)以輕度和劇烈侵蝕區(qū)域為主，Ⅴ區(qū)以極強(qiáng)烈及劇烈侵蝕區(qū)域為主，Ⅵ區(qū)以中度和強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域為主；2009年Ⅳ區(qū)以強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域為主，Ⅶ區(qū)以強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域為主，Ⅷ區(qū)以極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕區(qū)域為主，2019年Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ區(qū)侵蝕強(qiáng)度均有所降低。

2009—2019年湖北省土壤侵蝕狀況空間差異比較明顯。無明顯侵蝕區(qū)域主要分布在湖北省中部地區(qū)，侵蝕等級較高區(qū)域主要分布在湖北省東部、西南部，侵蝕等級較低區(qū)域主要分布在湖北省西北部。分析其原因，R值空間分布是西低東高，植被覆蓋度空間分布是西高東低，C值空間分布則是西低東高，因此湖北省西部侵蝕強(qiáng)度低于東部。此外，因為處于盆地和平原地區(qū)，耕地、水域及建設(shè)用地面積較大，土壤侵蝕多為微度侵蝕，所以中部地區(qū)多為無明顯侵蝕區(qū)域。

2.2 土壤侵蝕變化趨勢分析

基于像元尺度分析湖北省土壤侵蝕量空間變化特征(圖2)。湖北省土壤侵蝕量呈現(xiàn)增長趨勢的區(qū)域面積為42 685.03 km2，占研究區(qū)總面積的23.01%；無明顯變化的區(qū)域面積為67 987.55 km2，占36.65%；呈現(xiàn)減少趨勢的區(qū)域面積為74 838.38 km2，占40.34%。同時，呈現(xiàn)增長趨勢的區(qū)域主要分布在湖北省東部山地丘陵地區(qū)；無明顯變化的區(qū)域主要分布在湖北省中部平原和丘陵地區(qū)；呈現(xiàn)減少趨勢的區(qū)域主要分布在湖北省西部。

圖2 湖北省土壤侵蝕變化趨勢空間分布

2.3 土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移分析

為了進(jìn)一步分析湖北省土壤侵蝕時空變化，將2009、2019年的土壤侵蝕分級圖進(jìn)行疊加分析，得到2009—2019年的土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。

表3 湖北省2009—2019年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從表3可知：2009、2019年區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度未發(fā)生改變的區(qū)域占62.95%，低等級侵蝕強(qiáng)度向高等級轉(zhuǎn)移的面積占12.13%，高等級侵蝕強(qiáng)度向低等級轉(zhuǎn)移的面積占24.93%，土壤侵蝕發(fā)生惡化的區(qū)域明顯少于土壤侵蝕得到改善的區(qū)域。從各等級侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移幅度分析，微度侵蝕、中度侵蝕主要向輕度侵蝕轉(zhuǎn)移，輕度侵蝕主要向微度侵蝕轉(zhuǎn)移，強(qiáng)烈侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)移，極強(qiáng)烈侵蝕主要向強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)移，劇烈侵蝕主要向極強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)移。因此，研究區(qū)整體呈現(xiàn)高等級侵蝕強(qiáng)度向低等級轉(zhuǎn)移的特征。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本研究利用RUSLE模型，結(jié)合2009、2019年相關(guān)數(shù)據(jù)，定量評估了湖北省土壤侵蝕狀況，并對其時空變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

(1)湖北省整體土壤侵蝕屬中度侵蝕，土壤侵蝕狀況仍較為嚴(yán)重，但侵蝕強(qiáng)度呈下降趨勢。從各分區(qū)來看，平均土壤侵蝕模數(shù)Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)呈上升趨勢；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)、Ⅷ區(qū)呈下降趨勢。

(2)空間上，無明顯侵蝕區(qū)域主要分布在湖北省中部平原地區(qū)，侵蝕等級較低區(qū)域主要分布在湖北省西北部丘陵地區(qū)，侵蝕等級較高區(qū)域主要分布在湖北省東部、西南部的山地地區(qū)，總體呈現(xiàn)東部高(增加)、中部不變、西部低(減少)的空間格局。土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移以高等級向低等級轉(zhuǎn)移為主，土壤侵蝕增加的區(qū)域明顯少于得到改善的區(qū)域，湖北省整體的土壤侵蝕狀況有所改善。

3.2 討 論

結(jié)合湖北省各分區(qū)土壤侵蝕特征，分別采用相應(yīng)的修復(fù)措施：鄂東地區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)增長趨勢，建議采取植樹、種草、固坡等生態(tài)措施，增加植被覆蓋度，減小降雨侵蝕動力，增強(qiáng)土壤抗蝕性，提高生態(tài)系統(tǒng)功能；鄂西地區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)減少趨勢，建議以保護(hù)為主，在加強(qiáng)天然林及人工林保護(hù)的同時，實施封山育林，改善其生態(tài)環(huán)境。

另外，本研究仍存在一些不足。在RUSLE模型因子計算過程中，因子計算很關(guān)鍵，各個因子的數(shù)據(jù)精度不一，在計算的過程中難免產(chǎn)生誤差，并且部分因子參數(shù)主要是參考了相關(guān)學(xué)者的研究成果，與實際數(shù)據(jù)會有一定誤差。因此，對RUSLE模型的修正和參數(shù)的率定是以后研究工作的重點。