基于RUSLE模型的重慶土地利用變化及土壤侵蝕特征分析

高泗強(qiáng)，劉 琪，羅 歆

(1.北京林淼生態(tài)環(huán)境技術(shù)有限公司，北京 100085； 2.重慶市沙坪壩區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會(huì)，重慶 400030)

土壤侵蝕是全球土壤退化主要形式和重要環(huán)境問題之一[1]，指的是土壤和其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融及重力等作用下被剝蝕、破壞、搬運(yùn)及沉積的過程[2]。引起土壤侵蝕變化的因子很多，人類活動(dòng)可加速土壤侵蝕。土壤侵蝕破壞土地資源、加劇洪澇災(zāi)害、造成土壤養(yǎng)分流失并降低肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量[3]。我國土壤侵蝕較嚴(yán)重，據(jù)第二次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查，土壤流失量達(dá)49.80億t[4]，大量土壤流失威脅區(qū)域生態(tài)安全，開展土壤侵蝕特征研究迫在眉睫。目前，國內(nèi)對(duì)于土壤侵蝕的研究主要集中在時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征[5-9]、土壤侵蝕與養(yǎng)分流失特征分析[10-13]、土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)力[14]等方面。在土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征方面，姚昆等[5]采用RUSLE模型、空間疊置和線性回歸方程等方法，發(fā)現(xiàn)川西南山地區(qū)有50%以上區(qū)域存在明顯土壤侵蝕現(xiàn)象，超95%地區(qū)土壤侵蝕程度呈顯著好轉(zhuǎn)和未發(fā)生改變狀態(tài)；陳峰等[6]研究發(fā)現(xiàn)，微度和輕度侵蝕占云陽侵蝕面積比例80%左右，輕度和中度侵蝕構(gòu)成50%的全年土壤侵蝕總量，土壤侵蝕分布與海拔、坡度相關(guān)性較大；在黃河上游典型區(qū)域湟水流域，不同土地利用類型和不同坡度下的土壤侵蝕強(qiáng)度均有所降低，其中耕地的減幅最大，為20.58%[7]。研究尺度主要集中在省域，如寧夏[8]、湖北[9]、云南[10]等。在土壤侵蝕及養(yǎng)分流失特征方面，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)隨侵蝕泥沙及地表徑流遷移[10]，如：王永平等[11]發(fā)現(xiàn)滇南小流域土壤侵蝕強(qiáng)度大小表現(xiàn)為耕地>草地>林地，不同土地利用方式影響土壤養(yǎng)分含量分布和流失量，其中林地土壤養(yǎng)分流失量最小。趙明松等[12]發(fā)現(xiàn)安徽省因土壤侵蝕引起的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀等養(yǎng)分流失總量為106.6萬t/a，土壤養(yǎng)分流失量由北向南逐漸增多。在土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)力方面，土地利用/覆被變化引起土壤侵蝕效應(yīng)主要受人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)和政策等驅(qū)動(dòng)[14]，如：李益敏等[15]研究發(fā)現(xiàn)土地利用類型是福貢縣土壤侵蝕的主要影響因子，影響程度大小為土地利用類型>植被覆蓋度>年均降雨量>海拔>坡度；姚昆等[16]采用地理探測(cè)器和RUSLE模型，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度、降水和高程是驅(qū)動(dòng)岷江上游地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布格局形成和改變的主要因素。

重慶市地處三峽庫區(qū)腹心地帶，是長(zhǎng)江流域的重要生態(tài)屏障。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，土地利用/覆被變化明顯，重慶市土壤侵蝕及土壤保持狀況也發(fā)生明顯變化，研究重慶市土壤侵蝕特征及土地利用類型變化對(duì)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)至關(guān)重要。因此，本研究以重慶市為研究對(duì)象，采用RUSLE模型，分析2015年重慶市土壤侵蝕特征、縣域尺度土壤侵蝕變化特征、不同土地利用類型土壤侵蝕特征，以期為重慶市可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

重慶市地處我國西南部，位于長(zhǎng)江上游，介于北緯28°10′～32°13′、東經(jīng)105°11′～110°11′之間，東西長(zhǎng)470 km，南北寬450 km，總土地面積8.24萬km2，是長(zhǎng)江流域重要侵蝕地帶和長(zhǎng)江上游最大經(jīng)濟(jì)中心。地勢(shì)由南北向長(zhǎng)江河谷逐級(jí)降低，東南部、東北部海拔高，中部和西部海拔低，東南部緊鄰大巴山、武陵山兩大山脈，坡地較多。地形以丘陵和山地為主，山地面積占76%，丘陵占22%。海拔500 m以下面積3.18萬km2，占總土地面積的38.59%；海拔500～800 m面積達(dá)2.09萬km2，占25.36%。土壤類型以黃壤和紫色土為主。屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫18.4 ℃，雨熱同期，冬暖春早，夏熱秋涼，四季分明。降水較豐富，大部分地區(qū)年均1 000～1 350 mm，降水集中在5—9月，占全年總降水量的70%。山地多、坡度大和降雨分配不均等導(dǎo)致土壤侵蝕較劇烈。全市森林覆蓋率由直轄初的21%提高至2015年的45%，林木蓄積量由0.72億m3增加到2.0億m3，增長(zhǎng)178%，林草植被覆蓋逐步增加，生態(tài)環(huán)境明顯趨好。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用2015年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)(來源于地理空間數(shù)據(jù)云)，空間分辨率30 m。影像在ENVI中進(jìn)行裁剪拼接、幾何糾正、大氣校正等預(yù)處理，解譯精度達(dá)85%以上，符合研究精度要求。將土地利用分類為耕地(水田和旱地)、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6類。土壤數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)構(gòu)建的世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)，空間分辨率為1 km[10]。降雨數(shù)據(jù)來源于重慶市及周邊15個(gè)氣象站2000—2015年逐月降水資料。數(shù)字高程模型DEM來自中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，空間分辨率為30 m。

2.2 研究方法

采用RUSLE模型和GIS技術(shù)研究重慶市土壤侵蝕空間分布特征。RUSLE模型公式為

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A為單位面積土壤侵蝕量,t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJmm/(hm2ha)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

2.2.1 降雨侵蝕力因子(R)估算

降雨侵蝕力因子(R)反映降雨因素對(duì)土壤侵蝕的潛在作用，一般采用簡(jiǎn)易公式計(jì)算。根據(jù)史東梅等[17-18]對(duì)重慶市降雨侵蝕力計(jì)算模型適宜性研究結(jié)果，計(jì)算公式為

R=0.011 3P1.734

(2)

式中：P為年降雨量，mm。

2.2.2 土壤可蝕性因子(K)估算

土壤可蝕性因子(K)反映土壤承受侵蝕動(dòng)力剝蝕及搬運(yùn)的敏感性，計(jì)算公式[19]為

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(3)

(4)

式中:KEPIC為修正前的土壤可蝕性因子，thm2h/(MJmm·hm2)；SAN為砂粒含量，%；SIL為粉砂含量，%；CLA為黏粒含量，%；C為有機(jī)碳含量，%。

2.2.3 坡度坡長(zhǎng)因子(LS)估算

坡度坡長(zhǎng)因子反映地形特征對(duì)土壤侵蝕的影響，L因子采用WISCHMEIER et al.[20]提出的公式計(jì)算；S因子，緩坡采用MCCOOL et al.[21]提出的公式，陡坡(≥14°)采用LIU et al.[22]提出的公式。

2.2.4 植被覆蓋與管理因子(C)估算

植被覆蓋與管理因子反映地表植被覆蓋對(duì)侵蝕的阻礙作用，采用賦值法，取值在0～1之間，其中水田取0.12，旱地取0.31，林地取0.02，草地取0.03，其他地類取0[23]。

2.2.5 水土保持措施因子(P)估算

水土保持措施因子反映采用水土保持措施后侵蝕的減小程度，采用賦值法，取值在0～1之間，其中水田取0.01，旱地取0.4，林地取1，草地取0.8，其他地類取0[23]。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤侵蝕空間分布特征

重慶市2015年土壤侵蝕面積81 019.79 km2，占總面積的98.40%，土壤侵蝕總量20 052.48萬t，平均土壤侵蝕模數(shù)2 475.01 t/(km2a)。圖1為重慶市土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖，從中可看出，重慶市大部分地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度處于微度侵蝕等級(jí)，其次是輕度侵蝕和中度侵蝕等級(jí)，強(qiáng)烈及以上侵蝕等級(jí)分布面積較小。

表1為重慶市土壤侵蝕特征，由表可知：全市微度侵蝕面積最大，面積占總侵蝕面積的比例為40.76%，侵蝕模數(shù)僅為187.55 t/(km2a)，年侵蝕量占總侵蝕量的3.09%；輕度侵蝕次于微度侵蝕，侵蝕面積占比33.76%，侵蝕模數(shù)為1 166.74 t/(km2a)，年侵蝕量占總侵蝕量的15.92%；中度侵蝕面積6 939.43 km2，占總面積的8.57%，侵蝕模數(shù)3 598.74 t/(km2a)，年侵蝕量占總侵蝕量的12.45%；強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積較小，分別占總面積的7.49%、7.27%和2.15%，但三者平均侵蝕模數(shù)較大，分別為6 376.32、10 763.01和20 240.65 t/(km2a)，侵蝕量占總侵蝕量的比例達(dá)19.29%、31.61%和17.64%。其中劇烈侵蝕的面積僅為1 747.90 km2，占2.15%，但侵蝕量達(dá)3 537.87萬t/a，其侵蝕量占比達(dá)17.64%。總的說來，重慶市土壤侵蝕主要以微度和輕度侵蝕為主，極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕量占比較大，需重視極強(qiáng)烈、劇烈等較高侵蝕等級(jí)的水土流失防治。

圖1 重慶市土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布

表1 重慶市土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)特征

3.2 縣域尺度土壤侵蝕特征

重慶市不同區(qū)(縣)土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量存在差異(表2)。從侵蝕面積來看，酉陽、奉節(jié)、巫溪、彭水縣的侵蝕面積較大，分別為5 009.11、4 030.92、3 972.35和3 838.89 km2，占總侵蝕面積的比例分別為6.18%、4.98%、4.90%和4.74%。其中酉陽、奉節(jié)和巫溪3縣以微度侵蝕為主，其次是輕度侵蝕，無劇烈侵蝕，酉陽微度侵蝕面積占其總侵蝕面積的64.94%。從侵蝕分級(jí)來看，微度侵蝕中酉陽、城口、巫溪和奉節(jié)縣侵蝕面積較大，分別為3 253.02、2 644.54、2 263.77和2 081.32km2；輕度侵蝕中彭水、武隆和豐都等區(qū)(縣)侵蝕面積較大，分別為2 181.17、1 882.60和1 435.07 km2；中度侵蝕中云陽、開州、萬州等區(qū)(縣)侵蝕面積較大，分別為1 113.40、1 055.79和572.75 km2；強(qiáng)烈侵蝕中豐都、彭水和綦江等區(qū)(縣)侵蝕面積較大，分別為541.41、472.68和461.72 km2；極強(qiáng)烈侵蝕中江津、合川和墊江等區(qū)(縣)侵蝕面積較大，分別為544.95、398.05和354.90 km2；劇烈侵蝕中永川、墊江和合川等區(qū)(縣)侵蝕面積較大，分別為199.70、188.22和151.97 km2。

表2 不同區(qū)縣土壤侵蝕特征

從侵蝕量占比來看，江津、彭水、合川、涪陵等區(qū)(縣)的侵蝕量較大，其侵蝕量占重慶市土壤侵蝕總量的比例分別為6.49%、5.23%、4.96%和4.54%，江北、渝中、大渡口、九龍坡等10個(gè)區(qū)(縣)的侵蝕量占比均小于1%。土壤侵蝕量較低區(qū)域主要分布在地勢(shì)平坦、植被覆蓋較高的渝中區(qū)及渝西地區(qū)。從平均侵蝕模數(shù)來看，墊江、永川、璧山等區(qū)(縣)平均侵蝕模數(shù)較大，分別為5 977.51、5 810.76和5 158.10 t/(km2a)。這主要是由于這些區(qū)域降雨侵蝕力強(qiáng)，地形高差較大，水土保持能力較弱。整體看來，巴南、北碚和璧山等25個(gè)區(qū)(縣)以微度侵蝕為主；豐都、彭水、武隆等11個(gè)區(qū)(縣)以輕度侵蝕為主；永川區(qū)微度侵蝕、輕度侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕相差不大，分別占其土壤侵蝕面積的28.57%、27.74%和20.89%；云陽縣微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕差異較小，分別占其土壤侵蝕面積的26.87%、37.76%和30.67%?？傮w上，微度和輕度流失面積比例最大，各區(qū)(縣)均超過56%。

3.3 不同土地利用類型土壤侵蝕特征

重慶市林地面積占比最大，占土地總面積的40.95%；其次是旱地，占土地總面積的32.05%；之后是水田、草地和建設(shè)用地，占比分別為13.66%、9.27%和2.59%。不同土地利用類型受人類活動(dòng)影響不同，土壤侵蝕特征存在差異。表3為不同土地利用類型土壤侵蝕特征，由表3可知，不同土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度及面積、侵蝕面積占比、侵蝕量占比存在一定差異。從侵蝕面積來看，旱地和林地侵蝕面積占比較大，分別為31.98%和40.56%，其中：旱地以微度侵蝕為主，其次是輕度侵蝕，分別占旱地侵蝕面積的33.63%和29.10%；林地輕度侵蝕面積最大，其次是微度侵蝕，面積分別為14 008.40和13 448.30 km2，分別占其侵蝕面積的42.63%和40.92%。水域、建設(shè)用地和未利用地侵蝕面積較小，侵蝕面積占比分別為1.48%、3.14%和0.01%，三者以微度侵蝕為主，分別占其侵蝕面積的61.18%、72.57%和48.17%；強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕面積較少，其中劇烈侵蝕面積最少，分別為25.46、57.79和0.26 km2，僅占其侵蝕面積的2.12%、2.28%和2.57%。從侵蝕量占比來看，旱地、林地和水田的較大，分別為44.32%、27.18%和19.14%；水域和未利用地的侵蝕量占比較小，分別為1.29%和0.01%?？偟恼f來，林地、旱地和水田是重慶市侵蝕產(chǎn)沙主要來源地，其他地類侵蝕量較小。

表3 不同土地利用類型土壤侵蝕特征

4 結(jié) 論

(1)重慶市土壤侵蝕面積81 019.79 km2，占總面積的98.40%，土壤侵蝕總量20 052.48萬t/a，年平均土壤侵蝕模數(shù)2 475.01 t/(km2a)；微度侵蝕分布面積最大，面積占比40.76%，其次是輕度侵蝕和中度侵蝕，強(qiáng)烈及以上侵蝕等級(jí)分布面積較小。

(2)縣域尺度上，酉陽、奉節(jié)、巫溪、彭水的侵蝕面積較大，分別為5 009.11、4 030.92、3 972.35和3 838.89 km2；江津、彭水、合川、涪陵的侵蝕量占比分別為6.49%、5.23%、4.96%和4.54%；各區(qū)(縣)微度和輕度流失面積比例最大，均高于56%。

(3)林地面積最大，占總面積的40.95%，其次是旱地；林地和旱地侵蝕面積占比較大，分別為40.56%和31.98%。水域、建設(shè)用地和未利用地三者以微度侵蝕為主，分別占其侵蝕面積的61.18%、72.57%和48.17%，林地、旱地和水田是重慶市侵蝕產(chǎn)沙主要來源地，其他地類侵蝕量較小。