基于遙感的水土流失長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)分析

雷少華，徐 春，韓丹妮，金 秋，耿 韌

（南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

土壤侵蝕是我國(guó)生態(tài)安全面臨的主要問(wèn)題之一，可導(dǎo)致水系泥沙淤積、水利系統(tǒng)運(yùn)行效率降低甚至癱瘓，因此開(kāi)展土壤侵蝕長(zhǎng)時(shí)序連續(xù)監(jiān)測(cè)研究十分必要。

與傳統(tǒng)方法相比，遙感技術(shù)憑借快速、實(shí)時(shí)、低成本、大面積監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已成為土壤侵蝕監(jiān)測(cè)的重要方式［1-2］。梁文廣等［3］和馬力等［4］利用2000、2008、2014年遙感數(shù)據(jù)提取的植被與作物覆蓋因子對(duì)南京市進(jìn)行了水土流失監(jiān)測(cè)，認(rèn)為輕度及以上水土流失區(qū)域是水土流失治理的重點(diǎn)；邵方澤等［5］基于遙感技術(shù)，利用改進(jìn)的土壤流失方程（RUSLE），認(rèn)為南京市2006、2010、2014年水土流失主要發(fā)生在城市及山丘邊緣植被覆蓋度較低的區(qū)域；郭賡等［6］研究了南京市土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)87%以上的土壤侵蝕量動(dòng)態(tài)變化集中在林地與耕地；楊德菲等［7］基于Landsat遙感衛(wèi)星影像提取了南京市植被信息，認(rèn)為2017年植被覆蓋面積比2009年降低了8.6%；林杰等［8］通過(guò)耦合葉面積指數(shù)、植被覆蓋管理措施因子與137Cs同位素示蹤技術(shù)，表明抵抗土壤侵蝕能力較弱區(qū)域面積持續(xù)升高，從1988年到2013年，升高面積占南京市總面積的3.88%～5.02%。

然而由于基礎(chǔ)資料的缺乏，現(xiàn)有研究多基于某一特定時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，將植被覆蓋或降雨侵蝕力等因子在多年時(shí)間跨度內(nèi)預(yù)設(shè)為某一固定值，缺少對(duì)區(qū)域土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展等中間過(guò)程的逐年監(jiān)測(cè)。同時(shí)，高歌等［9］和余寒等［10］分析了過(guò)去50余年逐日降雨資料，認(rèn)為每年侵蝕性的降水量、侵蝕性降雨日數(shù)動(dòng)態(tài)變化大，年際差異大，導(dǎo)致利用多年平均降雨侵蝕力結(jié)果計(jì)算逐年土壤侵蝕強(qiáng)度的不確定性增大。

因此，本研究以南京市為例，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)中土地利用、植被覆蓋度等信息的挖掘，構(gòu)建基于遙感衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)的降雨侵蝕力本地化方法，進(jìn)而揭示區(qū)域土壤侵蝕時(shí)空變化特征，為水土保持精細(xì)化監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省南京市下轄鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)、棲霞區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、浦口區(qū)、六合區(qū)、江寧區(qū)、溧水區(qū)、高淳區(qū)11個(gè)區(qū)。地貌以低山、丘陵、崗地和平原洲地為主，四季分明，夏季雨熱同期，冬季低溫少雨，2001—2020年平均降水量約為1 090 mm，平均氣溫15.5℃。轄內(nèi)以黃棕壤為主，廣泛分布于南北低山丘陵和崗地，耕作土壤主要為水稻土。自然植被包括針葉林、落葉闊葉林、落葉與常綠闊葉混交林、竹林等。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤侵蝕計(jì)算

中國(guó)土壤流失方程綜合考慮了多因子的影響，原理如下：

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，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）；LS、B、E、T分別為坡長(zhǎng)坡度因子、生物措施因子、工程措施因子、耕作措施因子，無(wú)量綱。

1.2.2 統(tǒng)計(jì)與分析方法

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190—2007），南京市土壤微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕分級(jí)的土壤侵蝕模數(shù)（單位：t/（hm2·a））判定范圍分別為＜500，500～2500，2 500～5 000，5 000～8 000，8 000～15 000，＞15 000。

選取應(yīng)用廣泛的決定系數(shù)（R2）進(jìn)行年際趨勢(shì)與擬合魯棒性分析，R2越大表示年際趨勢(shì)越明顯或擬合魯棒性越好。選取平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）評(píng)價(jià)模型的精確度，MAPE越小表明模型精度越高。

1.2.3 逐年降雨侵蝕力計(jì)算

降雨侵蝕力計(jì)算如下：

2001—2020年逐月1 km分辨率降雨量柵格數(shù)據(jù)根據(jù)英國(guó)East Anglia大學(xué)氣候研究所與WorldClim發(fā)布的全球氣候數(shù)據(jù)集，通過(guò)Delta空間降尺度生成，使用496個(gè)獨(dú)立氣象觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后結(jié)果可信。該柵格數(shù)據(jù)按照年度累加后得到年降水量柵格，根據(jù)公式（5），重采樣后生成30 m空間分辨率的逐年降雨侵蝕力數(shù)據(jù)。

1.2.4 逐年生物措施與植被覆蓋度計(jì)算

利用30 m分辨率Landsat遙感數(shù)據(jù)區(qū)分了耕地、林地、草地、水、裸地和建設(shè)用地6種土地利用類型，驗(yàn)證總精度約80%。耕地、水域、裸地、建設(shè)用地B分別賦值為1、0、1、0.01。林地和草地B值與低山丘陵崗地（LS＞2）植被覆蓋度根據(jù)《2021年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》方法計(jì)算得到。

1.2.5 其他因子計(jì)算

南京市30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，鑲嵌、填洼后，利用GIS水文分析工具提取LS因子。土壤可蝕性因子選用全國(guó)第一次水利普查水土保持情況普查成果。南京市溧水區(qū)和高淳區(qū)同屬沿江平原丘陵水田旱三熟二熟區(qū)，其耕地T賦值0.338；其他地區(qū)同屬江淮平原麥稻兩熟兼旱三熟區(qū)，其耕地T賦值0.392。南京市水土保持工程措施主要有造林和梯田2種。其中梯田面積一共8.48 km2，占南京市總面積的比例不足0.13%，且布局分散，難以在30 m分辨率尺度下解譯，E統(tǒng)一按1賦值處理。

2 結(jié)果分析

2.1 南京市土壤侵蝕面積時(shí)空變化特征

根據(jù)2018年江蘇省水土保持公報(bào)，南京市輕度及以上水土流失面積為386.13 km2，本研究計(jì)算同年水土流失面積343.57 km2，MAPE為11.02%，檢驗(yàn)精度較高，表明該算法可用于2001—2020年南京市長(zhǎng)時(shí)間序列的土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)分析。

2001—2020年，南京市微度侵蝕面積5 564.85 km2，占全市總面積的84.50%（圖1）。輕度及以上水土流失面積350.08 km2，占全市總面積的5.31%。其中輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)列、劇烈侵蝕面積為242.44 km2、53.40 km2、24.76 km2、19.90 km2和9.58 km2，分別占水土流失面積的69.25%、15.25%、7.07%、5.68%和2.74%。

圖1 南京及各轄區(qū)2001—2020年土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)柱狀圖

在年際變化上，南京市輕度及以上水土流失面積波動(dòng)較大。其中2003年、2009—2010年、2015年水土流失面積相對(duì)較大，2003年為研究期內(nèi)最大。2001年、2004年、2013年及2019年水土流失面積相對(duì)較小，2013年為研究期內(nèi)最小。

在空間分布上，下轄各區(qū)水土流失面積從大到小依次為江寧區(qū)、溧水區(qū)、浦口區(qū)、六合區(qū)、高淳區(qū)、棲霞區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、玄武區(qū)、鼓樓區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)。從水土流失面積占各區(qū)面積比例看，從大到小依次為江寧區(qū)、溧水區(qū)、浦口區(qū)、棲霞區(qū)、玄武區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、六合區(qū)、鼓樓區(qū)、高淳區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)。秦淮區(qū)和建鄴區(qū)水土流失面積均低于0.3 km2，小于區(qū)總面積的1%，且2001—2020年間建鄴區(qū)水土流失全部為輕度侵蝕；江寧區(qū)、溧水區(qū)、浦口區(qū)水土流失面積較大，約占區(qū)面積的6.2%～7.6%。其中，2013年各級(jí)水土流失面積較小，但該年溧水區(qū)水土流失面積最大。在總體水土流失面積較大年份（2003年、2009—2010年、2015年），江寧區(qū)水土流失占該區(qū)面積比例分別為6.27%、13.63%、13.99%，面積也同期較其他區(qū)最大。

整體而言，南京市2011—2020年水土流失面積平均為311.74 km2，較2001—2010年均值下降了超過(guò)20%，區(qū)域生態(tài)環(huán)境明顯改善。

2.2 南京市土壤侵蝕變化歸因分析

如圖2（a）和（b）所示，南京市2001—2020年降水量介于800～1 400 mm，平均為1 090 mm，降雨侵蝕力介于3 100～8 100 MJ·mm/（hm2·h·a），平均為5 150 MJ·mm/（hm2·h·a）。2003年、2010年、2015—2016年降水量及降雨侵蝕力相對(duì)較大，2015—2016年降雨強(qiáng)度大、暴雨量最多，因此降雨侵蝕力也最大；2001年、2004年、2012年及2019年降水量及降雨侵蝕力因子相對(duì)較小。

圖2 南京市2001—2020年降水量、降雨侵蝕力、低山丘陵崗地區(qū)域植被覆蓋度變化趨勢(shì)和建設(shè)用地占比

2001—2020年逐年降水量隨著年份有先增加后減小的趨勢(shì)。年均降水量為1 115 mm，較2001—2010年增加了5.5%，但同期降雨侵蝕力均值由4 849 MJ·mm/（hm2·h·a）增加到5 455 MJ·mm/（hm2·h·a），增加了12.5%。

圖2（c）顯示南京市LS＞2的低山丘陵崗地區(qū)域植被覆蓋度介于66.55%～77.72%，平均為73.77%，逐年植被覆蓋度有隨年份先下降后升高的趨勢(shì)（R2=0.26）。同時(shí)，根據(jù)圖2（d）土地利用類型提取結(jié)果，2001—2020年南京市建設(shè)用地面積占比從10.68%上升到了20.85%，面積增長(zhǎng)約95%，表示南京市內(nèi)開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)不斷加劇。隨著生態(tài)為基發(fā)展方針的確立，南京市開(kāi)展了礦山生態(tài)修復(fù)、環(huán)境整治等工程，增大了綠化面積，提高了區(qū)域植被覆蓋度，水土保持工作取得一定成效。因此，2008—2020年，低山丘陵崗地區(qū)域植被覆蓋度隨年份有增大趨勢(shì)（R2=0.54）。

2001—2020年，南京市水土流失面積與降水量及降雨侵蝕力大小關(guān)系較為密切（R2=0.49），與逐年植被覆蓋度有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.16），相較而言，降雨侵蝕力是驅(qū)動(dòng)年際水土流失面積變化的主要因素。

3 結(jié)論

基于衛(wèi)星遙感降雨數(shù)據(jù)的年降雨侵蝕力計(jì)算方法精度較高，可為無(wú)雨量站降雨資料區(qū)提供土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)思路和方法。

2001—2020年，南京市輕度及以上水土流失面積平均值為350.08 km2，但時(shí)空差異大，布局分散。近10年南京市水土保持工作取得一定成效，水土流失面積下降超過(guò)了20%，區(qū)域生態(tài)環(huán)境明顯改善。南京市水土流失防治面臨自然和人為雙重壓力，但降雨侵蝕力是驅(qū)動(dòng)年際水土流失面積變化的關(guān)鍵因素。隨著南京市城市化進(jìn)程不斷加劇，要更加注意防范人為水土流失。