安徽省1980—2020年土壤侵蝕時空變化特征

徐少杰, 鄧良, 趙明松*, 陳宣強(qiáng), 邱士其

(1.安徽理工大學(xué)空間信息與測繪工程學(xué)院，淮南 232001；2.礦山采動災(zāi)害空天地協(xié)同監(jiān)測與預(yù)警安徽省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001； 3.礦區(qū)環(huán)境與災(zāi)害協(xié)同監(jiān)測煤炭行業(yè)工程研究中心， 淮南 232001； 4.安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院，合肥 230022)

土壤侵蝕嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展，在水力、風(fēng)力或凍融等外營力的作用下，土壤侵蝕會導(dǎo)致土壤及其母質(zhì)被破壞、搬運(yùn)以及堆積，造成土壤的退化、肥力下降以及山體滑坡等自然災(zāi)害的加劇，嚴(yán)重制約著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。隨著對土壤侵蝕的不斷關(guān)注，研究土壤侵蝕的方法也在不斷被完善。從19世紀(jì)40～50年代開發(fā)并得到實(shí)踐應(yīng)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)、水蝕預(yù)測項(xiàng)目(water erosion prediction project，WEPP)等土壤侵蝕模型[3]，到如今經(jīng)過各國學(xué)者研究改正的中國土壤流失方程(Chinese soil loss equation，CSLE)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評估(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs，InVEST)[4]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的人工智能(artificial intelligence for ecosystem services，ARIES)等模型。

應(yīng)用不同的模型，探討不同區(qū)域的土壤侵蝕特征為當(dāng)前土壤侵蝕研究的主要熱點(diǎn)之一。如Wang等[5]運(yùn)用InVEST模型，分析了粵北地區(qū)在2000—2008年內(nèi)水土流失的時空演變特征。李娜等[6]基于CSLE模型，利用采樣調(diào)查與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)相結(jié)合，探討了天山北坡西白楊溝流域的土壤侵蝕強(qiáng)度變化的驅(qū)動機(jī)制及其時空變化。影響土壤侵蝕的因素較多，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)匮芯繀^(qū)的實(shí)際情況，采取不同的影響因子以及適宜的模型進(jìn)行土壤侵蝕的研究。陳起偉等[7]基于土地利用類型、巖性、基巖裸露率等因子，針對貴州省喀斯特地區(qū)進(jìn)行了土壤侵蝕及土壤抗侵蝕年限的研究，為喀斯特區(qū)土壤侵蝕的防治提供了參考。曾成等[8]基于RUSLE模型對喀斯特峰叢洼地的土壤侵蝕展開研究，并探討了土壤侵蝕與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，結(jié)果表明：人類活動是造成該地區(qū)土壤侵蝕及養(yǎng)分流失的重要因素，為喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。RUSLE模型因其普適性，被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕的研究之中，為合理規(guī)劃黃河流域在蘭州段的水土資源，武翠翠等[9]基于RUSLE模型對黃河流域蘭州段的土壤侵蝕敏感性進(jìn)行定量評價(jià)，該地區(qū)土壤侵蝕敏感性面積占比較大。肖武等[10]利用USLE模型分析了安徽省巢湖流域2000—2010年的土壤侵蝕空間變化趨勢，并識別出土壤侵蝕的關(guān)鍵區(qū)域。陳朝良等[11]基于RUSLE模型在黃河上游湟水流域開展土壤侵蝕研究，結(jié)果表明：2000—2015年該流域土壤侵蝕強(qiáng)度整體呈減弱趨勢。研究表明，RUSLE等模型在平原以及河谷平原地區(qū)具有較高的適用性。

在安徽省的土壤侵蝕的研究之中，大多數(shù)均為小區(qū)域或短時間段內(nèi)的土壤侵蝕時空演變分析。如管禮松等[12]基于CSLE模型精確評估了安徽省皖南區(qū)域2010—2018年的土壤侵蝕狀況。趙明松等[13]定量分析了安徽省大別山區(qū)域的土壤侵蝕空間分布特征，并探討了地形因素對土壤侵蝕的影響。但當(dāng)下卻很少有人對安徽省近年來的土壤侵蝕時空變化進(jìn)行完整的研究和分析。因此，現(xiàn)以安徽省為研究區(qū)，利用1980年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年6個時期的降雨量、土地利用現(xiàn)狀圖、地形數(shù)據(jù)、土壤類型等數(shù)據(jù)，借助GIS分析探討安徽省40年以來土壤侵蝕的時空演變，并著重探討土壤侵蝕和土地利用類型之間的關(guān)系，為今后安徽省土壤流失的治理保護(hù)提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括

安徽省位于中國華東地區(qū)，地處長江、淮河中下游以及長江三角洲腹地。介于114°54′E～119°37′E，29°41′N～34°38′N，土地面積約為13.94萬km2。屬暖溫帶與亞熱帶的過渡地區(qū)，年平均氣溫為14～17 ℃，年平均降水量為773～1 670 mm[14]。全省分成淮北與沿淮平原、沿江平原、江淮丘陵崗地、皖西大別山區(qū)、皖南丘陵山地區(qū)5個地貌區(qū)，全省地勢西南高、東北低，平均海拔119.3 m。土壤類型主要為潮濕雛形土、水耕人為土、濕潤淋溶土、正常新成土、正常有機(jī)土等。安徽省數(shù)字高程模型及地理分區(qū)如圖1所示。

圖1 安徽省數(shù)字高程模型及地理分區(qū)Fig.1 Digital elevation model and geographical division of Anhui Province

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1)安徽省1980年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的月平均降雨量數(shù)據(jù)，來源于安徽省氣象信息中心及安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒。

(2)安徽省土壤圖以及《安徽土種》，比例尺為1∶50萬，來源于安徽省土壤普查辦公室。

(3)90 m空間分辨率的數(shù)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年土地利用圖，由Landsat TM影像圖監(jiān)督分類而來，空間分辨率為30 m，分類精度均達(dá)到了88.9%。

(5)2010年安徽省典型土壤類型理化性質(zhì)，來源于國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制”中的安徽省土系調(diào)查的206個典型樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集。

1.3 RUSLE模型因子確定

基于RUSLE模型以及GIS技術(shù)評價(jià)安徽省40年來土壤侵蝕的時空變化特征，其公式為

A=RKLSCP

(1)

式(1)中：A為單位面積上的年平均土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子， MJ·mm/(hm2·h·a),采用周伏建等[15]的降雨侵蝕力因子計(jì)算公式，利用安徽省各站點(diǎn)的月平均降雨量分別計(jì)算每個站點(diǎn)的R因子，插值生成各時期R值分布圖；K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm);基于Williams[16]在EPIC模型中的估算方法計(jì)算K值，并根據(jù)張科利等[17]的研究對K值進(jìn)行修正；L、S分別為坡長、坡度因子，L因子采用Wischmeier等[18]提出的公式進(jìn)行計(jì)算，S因子在緩坡(坡度≤14°)采用Liu等[19]的算法進(jìn)行計(jì)算，而在陡坡(坡度>14°)則采用McCool等[20]提出的公式；C為植被覆蓋與管理因子[21]。根據(jù)前人的研究[22-23]，為不同的土地利用類型賦以不同的C值:旱地為0.31，建設(shè)用地為0.2，水田為0.18，草地為0.06，疏林地為0.017，其他林地為0.006,水域和裸地均為0；P為水土保持措施因子。根據(jù)以往學(xué)者的相關(guān)研究[24-26]，結(jié)合安徽省的土地利用圖，完成水土保持措施因子的賦值:旱地為0.35，水田為0.15，草地、疏林地及林地均為1，水域、裸地和建設(shè)用地均為0。

按照水利部《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007)，根據(jù)土壤侵蝕模數(shù)將安徽省土壤侵蝕等級劃分為6類：微度侵蝕[500 t/(km2·a)以下]、輕度侵蝕[500～2 500 t/(km2·a)]、中度侵蝕[2 500～5 000 t/(km2·a)]、強(qiáng)度侵蝕[5 000～8 000 t/(km2·a)]、極強(qiáng)度侵蝕[8 000～15 000 t/(km2·a)]以及劇烈侵蝕[15 000 t/(km2·a)以上]。

2 結(jié)果與分析

2.1 安徽省土壤侵蝕量變化

圖2是安徽省1980、2000、2005、2010、2015、2020年的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖。表1為安徽省土壤侵蝕量的分類及統(tǒng)計(jì)情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，安徽省土壤侵蝕整體呈現(xiàn)南高北低的分布特征。大部分區(qū)域?yàn)槲⒍燃拜p度侵蝕，中度及以上侵蝕主要分布在安徽省西部和南部，北部以微度、輕度侵蝕為主。

圖2 安徽省1980—2020年土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil erosion intensity in Anhui Province from 1980 to 2020

表1 安徽省1980—2020年各土壤侵蝕強(qiáng)度的土壤侵蝕量

圖3 安徽省土壤侵蝕強(qiáng)度變化空間分布Fig.3 Spatialdistribution of soil erosion intensity change in Anhui Province

自1980年，安徽省的土壤侵蝕總量及平均土壤侵蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。1980年安徽省土壤侵蝕總量達(dá)到6 510.81 萬t/a，2010年土壤侵蝕總量下降至3 450.88 萬t/a，之后土壤侵蝕有所加劇，2020年土壤侵蝕總量上升至4 202.89 萬t/a。與1980年相比，2000年、2005年、2010年、2015年、2020年土壤侵蝕總量分別下降了23.82%、51.32%、47.00%、41.70%、35.45%，但相比于2010年，2015年和2020年的土壤侵蝕總量有所增加。

2.2 安徽省土壤侵蝕面積變化

圖3為安徽省1980—2020年間6個時間段內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度空間變化圖。在1980—2000年、2000—2005年各地區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)減弱的趨勢，侵蝕強(qiáng)度變化的區(qū)域主要集中在皖西大別山區(qū)、皖南丘陵山地區(qū)。相比于2005年的土壤侵蝕狀況，2010年、2015年、2020年皖西大別山區(qū)、皖南丘陵山地區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)加強(qiáng)的趨勢。

圖4為1980—2020年各等級侵蝕強(qiáng)度的面積轉(zhuǎn)移流向圖。中度以上侵蝕等級占比較少，因此，將強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕以及劇烈侵蝕歸為一類，即中度以上侵蝕。

圖4 安徽省1980—2020年侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)移桑基圖Fig.4 Sankey plot of erosion intensity area transfer from 1980 to 2020 in Anhui Province

安徽省40年來土壤侵蝕強(qiáng)度有所減弱，在2005年及以前，土壤治理措施非常有成效，微度侵蝕面積呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，有較大部分的輕度侵蝕向微度侵蝕進(jìn)行轉(zhuǎn)移，較大面積的土壤侵蝕得到治理及改善。在2005年以后有所回升，但回升趨勢較低，但相比于1980年來說，總體上還是處于降低趨勢。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，相比于1980年，2020年安徽省微度侵蝕面積有所增加，而輕度、中度及中度以上的侵蝕面積均得到了一定程度的降低。

3 討論

3.1 降雨量變化對土壤侵蝕的影響

在安徽省近些年里，特別是在2020年，安徽省降雨頻繁，為探究在降雨“驟增”的情況下，安徽省土壤侵蝕變化情況，對比分析安徽省1980—2020年土壤侵蝕總量與年平均降雨量，圖5。

圖5 安徽省1980—2020年侵蝕量與年平均降雨對比Fig.5 Comparison of the amount of erosion and annual average rainfall in Anhui Province from 1980 to 2020

在2005年，安徽省總侵蝕量達(dá)到最低，在降雨量相近的情況下，安徽省一系列的土壤治理措施使得安徽省土壤侵蝕得到了較大的改善，總土壤侵蝕量得到了較大幅度的降低；相比于2005年降雨，2010年、2015年、2020年年平均降雨量有了較大幅度的增長。特別是2020年，相比于2015年，年平均降雨曲線出現(xiàn)了明顯的“陡坡”，雖然一定的水土保持措施，減緩了水土流失，但降雨量的暴增使得全省2010年、2015年、2020年的土壤侵蝕總量有所增加。

盡管2020年強(qiáng)降雨以及洪澇災(zāi)害頻發(fā)，但安徽省40年來的土壤治理措施使得土壤抗侵蝕能力得到了大大的提升，侵蝕量并沒有因?yàn)槟杲涤昶骄康摹绑E增”而迅速提升。安徽省近年來開展的一系列水土保持與治理工程，例如：自2010年，安徽省每年平均審批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案近500個。2019年達(dá)到了837個，2019年內(nèi)治理小流域24條，治理水土流失493.8 km2，使水土保持監(jiān)測與保護(hù)效率進(jìn)一步提高[27-28]。

3.2 不同土地利用類型下土壤侵蝕強(qiáng)度差異

根據(jù)安徽省土壤侵蝕變化特征，以2005年為節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)1980—2005年、2005—2020年、1980—2020年間的土地利用情況，對不同土地利用類型的土壤侵蝕情況進(jìn)行分析。

3.2.1 各土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度變化

表2反映了各土地利用類型(剔除水體)在1980年、2005年、2020年的土壤侵蝕平均侵蝕模數(shù)及總侵蝕量信息?？梢园l(fā)現(xiàn)，整體上草地的侵蝕模數(shù)和侵蝕量相對較大；建設(shè)用地以及裸地的平均侵蝕模數(shù)及侵蝕量最低。同時對比各土地利用類型的侵蝕模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，草地平均侵蝕模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差加大，這表示在草地區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)浮動較大，同時與平均侵蝕模數(shù)有較大的差異；建筑用地及裸地在2005年以前標(biāo)準(zhǔn)差均維持在1以下，但在2020年標(biāo)準(zhǔn)差有所提升，參照兩類區(qū)域內(nèi)總侵蝕量占比較少，可以得知，建筑用地及裸地區(qū)域的土壤侵蝕僅存在于個別區(qū)域。這與程先富等[22]的研究結(jié)果相符，草地區(qū)域的侵蝕最為嚴(yán)重，林地次之，而建筑用地和裸地區(qū)域的侵蝕情況較弱。

表2 各類土地利用類型土壤侵蝕概況

3.2.2 土地利用變化對侵蝕強(qiáng)度的影響

進(jìn)一步分析土地利用的改變對土壤侵蝕強(qiáng)度的影響，由于建筑用地及裸地的侵蝕量較少，僅統(tǒng)計(jì)1980—2020年水田、旱地、林地及草地區(qū)域的土地利用面積轉(zhuǎn)移以及土壤侵蝕強(qiáng)度的變化情況，見表3。

表3 土地利用改變區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度變化面積

土地利用類型發(fā)生改變的區(qū)域占據(jù)了較少的一部分，較大面積的土地利用未發(fā)生變化，未發(fā)生土地利用轉(zhuǎn)移的區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度仍以減弱為主，由此可知，安徽省的一系列治理措施取得了較高的成效。在土地利用發(fā)生改變的區(qū)域，除了林地，其他3類用地的侵蝕強(qiáng)度減弱的面積均比侵蝕強(qiáng)度增加的面積多。在水田區(qū)域，侵蝕強(qiáng)度得到降低的區(qū)域集中在水田-林地。旱地區(qū)域同樣主要集中在旱地-林地的區(qū)域。同時草地區(qū)域也以侵蝕強(qiáng)度減弱為主，在草地-林地的區(qū)域有175.36 km2的面積侵蝕強(qiáng)度得到減弱；而林地則有較大面積的土壤侵蝕強(qiáng)度得到加劇，主要集中在林地-草地區(qū)域。當(dāng)?shù)乇砺懵兜暮档?、草地及水田轉(zhuǎn)移為能有效阻擋降雨動能的林地后，有效地遏制了土壤侵蝕，而當(dāng)林地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)移時，旱地、草地等區(qū)域無法抵擋雨水的沖刷，從而導(dǎo)致土壤侵蝕強(qiáng)度加劇。

4 結(jié)論

(1)安徽省土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)南高北低的趨勢，整體以微度侵蝕為主。

(2)1980—2005年，安徽省整體土壤侵蝕呈現(xiàn)減弱的趨勢，在2015—2020年土壤侵蝕因降雨略有回升。侵蝕強(qiáng)度變化的區(qū)域主要集中在皖西大別山區(qū)、皖南丘陵山地區(qū)。

(3)旱地、水田和草地轉(zhuǎn)移為林地能有效地降低土壤的侵蝕強(qiáng)度，特別是在侵蝕較為嚴(yán)重的草地區(qū)域，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加強(qiáng)林地的建設(shè)。

安徽省一系列的水土管理與治理措施使土壤侵蝕得到了一定的改善。但在安徽南方，由于降雨量較多導(dǎo)致南方土壤侵蝕均較為嚴(yán)重，仍存在著較多的強(qiáng)度及以上的侵蝕，今后應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)皖西大別山區(qū)、皖南丘陵山地區(qū)的水土防護(hù)和治理。