基于CSLE模型的南、北盤江流域水土流失定量分析評價

劉曉林 史燕東 曾小磊 黃海容 尹斌

摘要：水土流失定量評價可為防治水土流失災害和開展生態(tài)環(huán)境建設提供科學依據(jù)。以多源遙感影像為信息源，基于ArcGIS平臺的空間分析與數(shù)據(jù)管理等功能，獲取南、北盤江流域土地利用、植被覆蓋、地形坡度等數(shù)據(jù)，應用中國土壤流失方程（CSLE）計算土壤侵蝕模數(shù)，得到南、北盤江流域水土流失監(jiān)測成果。結(jié)果表明，2021年南、北盤江流域水土流失面積共23 966.97 km²，以輕度侵蝕強度為主，流域東北部水土流失較西南部嚴重；水土流失主要發(fā)生在耕地、林地和草地，占總水土流失面積比例達90%以上，各等級園、林、草植被覆蓋度均以輕度和中度侵蝕水土流失為主，整個區(qū)域水土流失主要發(fā)生在6～35°的坡度等級上。整體而言南、北盤江局部區(qū)域水土流失問題仍然突出，需以預防和治理相結(jié)合的手段改善該區(qū)域水土流失狀況。

關(guān)鍵詞：水土流失；CSLE模型；南、北盤江流域

中圖分類號：S157.1文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）02-0069-08

Quantitative Assessment of Soil and Water Loss in the Nanpan and Beipan River Basins Based on CSLE Model

LIU Xiaolin^1，2，SHI Yandong^1，2，ZENG Xiaolei^1，2，HUANG Hairong^1，2，YIN Bin^1，2

（1.Soil and Water Conservation Monitoring Center of Pearl River Basin，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China;2. Pearl River Hydraulic Research Institute，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China）

Abstract： The quantitative assessment of soil and water loss can provide a scientific basis for preventing and controlling soil and water loss disasters and implementing ecological environmental construction.Based on the spatial analysis and data management functionalities on the ArcGIS platform with multisource remote sensing imagery used as the information source，the data of land use，vegetation cover，and terrain slope in the Nanpan River and Beipan River basins were obtained.The soil erosion modulus was calculated by employing China soil loss equation （CSLE），yielding monitoring results for soil and water loss in the Nanpan River and Beipan River basins.The results show that in 2021， the total area affected by soil and water loss in the Nanpan River and Beipan River basins was 23 966.97 km²，primarily characterized by mild erosion intensity.Soil and water loss in the northeast part of the basins was more severe than that in the southwest part.The phenomenon mainly occurred in arable land，woodland，and grassland，accounting for over 90% of the total soil and water loss area，with vegetation cover at all levels showing a prevalence of mild and moderate erosion.Soil and water loss in the entire region mainly occurred in slope grades ranging from 6° to 35°.In general，the issue of soil and water loss remains prominent in specific regions of the Nanpan and Beipan River basins.It is necessary to adopt a combined approach of prevention and remediation to address this issue and improve the overall situation.

Keywords：soil and water loss;CSLE model;the Nanpan and Beipan River basins

水土流失是全球性的生態(tài)環(huán)境問題之一，土壤侵蝕造成土地資源流失，嚴重制約著全球經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展^［1］，開展水土流失評價工作可為防治水土流失災害、編制區(qū)域水土保持規(guī)劃、實施水土保持目標責任考核等提供科學依據(jù)^［2］。水土流失強度與區(qū)域土地利用、地形地貌、植被狀況等密切相關(guān)^［3］，在3S等相關(guān)技術(shù)的支持下，中國水土流失方程（Chinese Soil Loss Equation，CSLE）結(jié)合上述因子，綜合考慮了中國地貌、水土保持措施的特點，能定量評價土壤侵蝕狀況^［4］。當前，CSLE被廣泛地應用于不同尺度的土壤侵蝕研究，如在縣域尺度上，吳迪等^［5］采用CSLE模型和統(tǒng)計分析相結(jié)合等方法定量評價了沂水縣的水土流失情況；在市域尺度上，樊彥國等^［6］基于GIS和CSLE模型定量估算了山東省臨沂市的土壤侵蝕量；在省域尺度上，程琳等^［7］應用CSLE模型，在ArcGIS平臺上計算了陜西省的土壤侵蝕量；在流域尺度上，王凱等^［8］在GIS和RS的支持下，運用CSLE模型定量研究了黃土高原孤山川流域土壤侵蝕情況。

南、北盤江位于珠江流域源頭區(qū)，地處云貴高原向桂中山地丘陵地區(qū)過渡的斜坡地帶，石灰?guī)r廣泛發(fā)育，為典型的喀斯特地區(qū)，山地土壤土層淺薄，坡度大，植被稀少，暴雨集中，自然條件差；同時該區(qū)域為少數(shù)民族聚集分布區(qū)，受地形和交通限制，以傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)為基礎，經(jīng)濟發(fā)展相對緩慢，是珠江流域水土流失最嚴重的地區(qū)，阻礙著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展^［9-11］。為此，國家積極推動珠江上游南、北盤江巖溶石漠化地區(qū)水土流失綜合治理工程^［12-13］，以小流域為基礎，開展造林、封育等生物措施和梯田、保土耕作等工程措施，約1 450 km²。在生態(tài)文明戰(zhàn)略的引導下，隨著一系列國家級水土流失重點治理項目的實施，該區(qū)域的水土流失狀況已經(jīng)發(fā)展了巨大變化^［14］，然而涉及該區(qū)域的水土流失分析年代較久遠，已不適宜用于現(xiàn)實狀況，亟需開展最新的水土流失定量評價分析研究。

因此，本文以南、北盤江流域為研究對象，基于多源衛(wèi)星遙感影像，應用CSLE，采用資料收集、遙感監(jiān)測、野外調(diào)查、模型計算和統(tǒng)計分析等方法，結(jié)合SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》等技術(shù)標準，開展南、北盤江流域土壤侵蝕定量評價，并探究土地利用、植被覆蓋和地形坡度與水土流失的關(guān)系，進而定量分析水土流失的影響因素，以期為流域水土保持宏觀決策和生態(tài)環(huán)境建設提供參考。

1 研究區(qū)概況

南、北盤江是珠江上游的主要河流，干流全長分別為914.50、449.00 km，發(fā)源于云南省曲靖市馬雄山，流經(jīng)云南、貴州、廣西3?。ㄗ灾螀^(qū)），位于E102°15′～106°22′、N23°07′～26°51′^［15］，流域總面積為8.30萬km²，其中南盤江流域面積為5.64萬km²，北盤江流域面積為2.66萬km²（圖 1）。該地區(qū)位于云南省的東北部、貴州省的西南部和廣西百色市西北部，地貌以云貴高原為主體和貴州、云南斜坡區(qū)組成，山地為主，丘陵、平壩并存，地形起伏大，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫在10.9～20.4℃，年平均降雨量1 200～1 600 mm，5—10月為濕季，11月至翌年4月為干季，降雨大部分集中在濕季，是珠江流域重要的水源地。該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型以森林、草地以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主，地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林、針葉林和山地灌叢植被；成土母質(zhì)主要以碳酸巖和碎屑巖為主的風化物構(gòu)成，土壤類型以紅壤、黃壤、石灰土、紫色土等為主^［16-17］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

a）遙感影像數(shù)據(jù)。采用研究區(qū)2021年1—8月2 m空間分辨率的高分遙感影像進行土地利用與水土保持措施解譯。收集研究區(qū)2018—2020年3年的MODIS歸一化植被指數(shù)（NDVI）產(chǎn)品，時間分辨率為每16 d一期，每年23期，通過插值獲得24期，空間分辨率為250 m；2018—2020年3年Landsat多光譜影像，時間分辨率為每年不少于3期（至少包含1期夏季影像），空間分辨率為30 m，用于計算植被覆蓋度^［18］。

b）地形數(shù)據(jù)。收集研究區(qū)1∶5萬比例尺數(shù)字地形圖（DLG），用于計算地形坡度。

c）降雨數(shù)據(jù)。從國家氣象科學數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/）獲取了研究區(qū)54個站點1986—2015年逐日的降雨數(shù)據(jù)，用于計算降雨侵蝕力。

d）土壤數(shù)據(jù)。第一次全國水利普查中土壤可蝕性柵格空間數(shù)據(jù)成果（30 m分辨率）^［19］和1∶5萬土壤類型分布圖。

e）水土保持重點工程數(shù)據(jù)。國家水土保持重點工程的類型、項目實施區(qū)域，以及水土保持措施分布、數(shù)量或面積，措施類型主要以造林、種草、封育、生態(tài)恢復、梯田和水平階為主，其中造林和梯田面積較大，分別為2 039.09、5 439.82 km²。

f）人為擾動數(shù)據(jù)。生產(chǎn)建設項目類型、規(guī)模、空間分布等信息。

2.2 土壤侵蝕計算

采用CSLE計算土壤侵蝕模數(shù)^［20］：

A=R·K·L·S·B·E·T ???（1）

式中 A——土壤侵蝕模數(shù)，t/（hm²·a）；R——降雨侵蝕力因子，MJ·mm/（hm²·h·a）；K——土壤可蝕性因子，t·hm²·h/（hm²·MJ·mm）；L、S——坡長、坡度因子，無量綱；B——生物措施因子，無量綱；E——工程措施因子，無量綱；T——耕作措施因子，無量綱。

其中，R因子基于流域站點降雨數(shù)據(jù)，采用降雨侵蝕力因子計算方法^［21］獲得；K因子基于1∶5萬土壤類型分布圖，采集典型土壤樣品進行理化分析，結(jié)合第一次全國水利普查中土壤可蝕性數(shù)據(jù)^［22］獲得；L、S基于地形數(shù)據(jù)，采用符素華等^［23］開發(fā)的坡度坡長因子計算工具獲得；B基于土地利用和植被覆蓋計算獲得；E根據(jù)水土保持措施賦值獲得；T根據(jù)輪作措施賦值表查找獲得。將上述7個因子坐標統(tǒng)一后，生成10 m分辨率的柵格圖層，相乘得到土壤侵蝕模數(shù)，具體方法可參考《2021年度水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)指南》^［18］。

2.3 關(guān)鍵因子提取及分析方法

a）土地利用。土地利用方式改變了原有地表植被類型、覆蓋度和微地形，從而影響土壤侵蝕的動力和抗侵蝕阻力系統(tǒng)，是影響土壤侵蝕最重要的因素。根據(jù)土壤侵蝕計算要求，將土地利用分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他土地共八大地類進行分析。

b）植被覆蓋。地表植被覆蓋狀況與土壤侵蝕存在著密切的聯(lián)系，是進行園林草地土壤侵蝕模數(shù)計算的重要因子。采用歸一化植被指數(shù)二分法^［24］計算得到園林草植被覆蓋度，按低覆蓋（≤30%）、中低覆蓋（30%～45%）、中覆蓋（45%～60%）、中高覆蓋（60%～75%）和高覆蓋（＞75%）5個等級進行分級分析。

c）地形坡度。在影響土壤侵蝕的因子中，坡度是一個非常重要的因子?；?∶5萬地形圖生成30 m分辨率DEM，應用三維空間分析工具提取地形坡度，按照平地（≤2°）、緩坡（2～6°）、中等坡（6～15°）、較陡坡（15～25°）、陡坡（25～35°）和極陡坡（>35°）6個等級進行分級分析。

d）水土流失。將土壤侵蝕模數(shù)按照SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》^［25］，分為微度（＜500 t/（km²·a））、輕度（500～2 500 t/（km²·a））、中度（2 500～5 000 t/（km²·a））、強烈（5 000～8 000 t/（km²·a））、極強烈（8 000～15 000 t/（km²·a））和劇烈（＞15 000 t/（km²·a））6個強度等級，并統(tǒng)計輕度及其以上各級土壤侵蝕強度面積之和，即水土流失面積。

e）野外調(diào)查驗證。建立土地利用類型和水土保持措施等水土流失因子解譯標志，復核驗證南、北盤江流域水土流失模型計算成果精度。依據(jù)SL 592—2012《水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，選取典型耕地、林地、園地、草地和建設用地進行實地驗證，現(xiàn)場復核精度為92.17%，說明模型計算結(jié)果較貼合南北盤江流域的實際情況，評價結(jié)果是相對合理的。

3 結(jié)果分析

3.1 水土流失總體情況

監(jiān)測結(jié)果表明（表1、圖2），2021年南、北盤江流域水土流失面積23 966.97 km²（全部為水力侵蝕），占土地總面積的28.89%。按照水土流失強度等級劃分，輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積分別為16 870.69、3 921.73、1 994.97、976.36、203.22 km²；水土流失以輕度侵蝕為主，占總水土流失面積的70.40%，強烈及以上侵蝕面積僅占總流失面積的13.24%，隨著侵蝕強度等級升高，水土流失面積逐漸減小。其中，南盤江流域水土流失面積為15 898.74 km²，占總水土流失面積比例為66.34%；北盤江流域水土流失面積為8 068.23 km²，占總水土流失面積比例為33.66%?？臻g分布方面，輕度和中度侵蝕主要分布在云南省和廣西壯族自治區(qū)，極強烈和劇烈侵蝕主要分布在貴州省，整體上流域東北部水土流失較西南部嚴重，與該區(qū)域相關(guān)研究結(jié)果基本一致^{［1，12］}。

3.2 水土流失主要影響因素分析

3.2.1 土地利用

監(jiān)測結(jié)果表明（表2），監(jiān)測區(qū)土地利用以林地為主，面積為43 239.79 km²，占土地總面積的52.14%；其次，耕地面積為25 556.50 km²，占比為30.81%；其他土地利用類型面積從大到小依次為草地占比為6.42%，建設用地占比為4.54%，園地占比為2.40%，水域及水利設施用地占比為1.65%，交通運輸用地占比為1.55%，其他土地占比為0.49%。林地、耕地和草地是該區(qū)域主要土地利用類型，合計占比將近90%。監(jiān)測區(qū)水土流失主要發(fā)生在耕地、林地和草地，三者的水土流失面積之和占總水土流失面積的比例達90%以上，其中，耕地的水土流失面積最大，為10 466.09 km²，占總水土流失面積的43.67%；林地次之，面積為9 394.48 km²，占比為39.20%；草地的水土流失面積為2 166.20 km²，占比為9.04%；交通運輸用地與其他土地的水土流失面積較小，水域及水利設施用地無水土流失發(fā)生。

從各侵蝕強度在不同土地利用類型分布來看（表3），輕度侵蝕主要發(fā)生在林地、耕地和草地，面積分別占輕度侵蝕面積的51.07%、31.90%、10.46%；中度侵蝕主要發(fā)生在耕地、林地和建設用地，面積分別占中度侵蝕面積的62.35%、7.88%、9.46%；強烈侵蝕主要發(fā)生在耕地、建設用地和林地，面積分別占強烈侵蝕面積的79.57%、7.83%、5.81%；極強烈侵蝕主要發(fā)生在耕地、林地和園地，面積分別占極強烈侵蝕面積的89.97%、3.75%、2.95%；劇烈侵蝕主要發(fā)生在耕地、建設用地和園地，面積分別占劇烈侵蝕面積的85.14%、7.59%、2.25%。整體上流域輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕等級的水土流失均主要發(fā)生在耕地和林地，劇烈侵蝕等級的水土流失主要發(fā)生在耕地，這表明耕地和林地是未來流域水土流失治理的重點，且坡耕地是耕地水土流失的主要策源地之一。

3.2.2 植被覆蓋

監(jiān)測結(jié)果表明（表4），監(jiān)測區(qū)園林草植被覆蓋度以中高覆蓋為主，面積為16 451.39 km²，占植被覆蓋總面積的32.54%；高覆蓋面積占比為29.19%；中覆蓋面積占比為17.99%；中低覆蓋占比為10.80%；低覆蓋面積占比為9.48%。不同覆蓋度下園林草地均有水土流失分布，其中中覆蓋度的園林草水土流失面積最大，為3 146.26 km²，占園林草水土流失總面積的25.33%，高覆蓋度的園林草水土流失面積最小1 060.82 km²，占比僅為8.54%。

從不同侵蝕強度來看，不同等級植被覆蓋度均以輕度和中度侵蝕強度水土流失為主，低覆蓋度區(qū)域的水土流失在各個侵蝕強度均有分布，輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕水土流失面積分別為1 735.74、590.13、210.23、82.14、8.53 km²，中低覆蓋度區(qū)域的水土流失集中于輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕強度，面積分別為2 257.41、379.74、35.53、2.16 km²，中覆蓋度區(qū)域的水土流失集中于輕度、中度和強烈侵蝕強度，面積分別為3 026.28、115.90、4.03 km²，中高植被覆蓋度區(qū)域的水土流失集中于輕度和中度侵蝕強度，面積分別為2 895.72、17.15 km²，高植被覆蓋度區(qū)域的水土流失集中于輕度和中度侵蝕強度，面積分別為1 059.62、1.17 km²，這表明，隨著園林草植被覆蓋度的增加，強烈及以上侵蝕強度的水土流失發(fā)生的概率也隨之降低，因此，中低覆蓋度等級的園林草水土流失較嚴重，是區(qū)域水土流失綜合治理的重點。

3.2.3 地形坡度

監(jiān)測結(jié)果表明（表5），監(jiān)測區(qū)坡度6～15°的土地面積最大為28 066.13 km²，占監(jiān)測區(qū)土地總面積的33.84%；其次為坡度15～25°的土地，占總面積的30.94%；坡度25～35°的土地面積居第三，占總面積的16.39%；其余坡度等級的土地面積較小，坡度小于2°的土地面積最小，僅占總面積的1.97%；就整個監(jiān)測區(qū)而言，坡度25°以上陡坡地所占比例為23.22%，坡度小于6°的平坦土地所占比例為12.00%，6～25°坡度的土地面積占監(jiān)測區(qū)土地總面積的64.78%，監(jiān)測區(qū)坡度較陡，更容易發(fā)生水土流失。

從水土流失分布來看，監(jiān)測區(qū)水土流失主要發(fā)生在6～15°、15～25°和25～35°的坡度等級上，這3個坡度等級的水土流失面積占總流失面積的87.34%，其中，6～15°坡度等級的土壤侵蝕面積為6 227.58 km²，占比為25.98%，15～25°坡度等級的土壤侵蝕面積為9 021.86 km²，占比為37.65%，25～35°坡度等級的土壤侵蝕面積為5 682.23 km²，占比為23.71%，其余坡度等級水土流失面積較少。南北盤江各坡度等級的水土流失均以輕度和中度侵蝕為主，劇烈侵蝕的面積較小，且坡度越大，水土流失相對較嚴重。綜上，6～35°坡度等級的區(qū)域為南、北盤江水土保持措施實施的重點區(qū)域，同時關(guān)注35°以上的區(qū)域。

4 對策建議

南、北盤江流域地形復雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失治理程度總體較高，但水土流失面積大，水土流失預防和治理任務依然艱巨。坡耕地和中低覆蓋度林草地水土流失普遍存在，尤其坡耕地集中分布區(qū)域內(nèi)墾殖率高，人均耕地相對較少，人口密度大，人地矛盾突出，是水土流失的主要策源地。根據(jù)南、北盤江流域及其水土流失特點，未來應該以提高區(qū)域保土蓄水能力和改善群眾生產(chǎn)生活條件為核心，以坡耕地及天然林為主要防治理對象進行水土流失的綜合治理，具體治理思路為山區(qū)搶救和改造坡耕地，興建基本農(nóng)田，配置坡面水系工程，充分利用降雨和地表、地下水資源，提高水資源利用率，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，培育主導產(chǎn)業(yè)；在荒坡地和退耕地上大力營造水源涵養(yǎng)林、水土保持林，對較為偏遠、立地條件較好的地塊實施生態(tài)修復，促進植被恢復；盆地及平壩區(qū)做好溝道防護，保護現(xiàn)有耕地，完善灌排渠系，減少坡面徑流對盆地區(qū)的危害，著重加強生態(tài)管護，對前期的生態(tài)成效進行鞏固，在繼續(xù)提升區(qū)域植被覆蓋度的同時，還要加強對林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、對林下植被以及植被根系層的恢復，形成立體的植被防護體系，從而在根本上遏制土壤侵蝕的發(fā)生。

5 結(jié)論

a）2021年南北盤江流域水土流失總面積為23 966.97 km²，占土地總面積的28.89%，侵蝕強度以輕度為主；其中輕度和中度侵蝕主要分布在云南省和廣西壯族自治區(qū)，極強烈和劇烈侵蝕主要分布在貴州省，整體上流域東北部水土流失較西南部嚴重。

b）南、北盤江土地利用以林地、耕地和草地為主，水土流失主要發(fā)生在耕地、林地和草地，三者的水土流失面積之和占總水土流失面積的比例達90%以上，其中，耕地的水土流失面積最大，林地次之；園林草植被覆蓋以中高和高覆蓋為主，各等級植被覆蓋度均以輕度和中度侵蝕強度為主，占園林草總水土流失面積比例達95%以上，隨著南、北盤江植被覆蓋度的增加，強烈及以上的水土流失發(fā)生的概率會隨之降低；區(qū)域地形坡度以6～25°坡度等級為主，占監(jiān)測區(qū)土地總面積的將近65%，水土流失主要發(fā)生在6～35°的坡度等級上，其水土流失面積占總流失面積的85%以上。

c）根據(jù)南、北盤江水土流失監(jiān)測成果，基于不同土地利用，結(jié)合植被覆蓋度和坡度，以預防和治理相結(jié)合的手段，建立生態(tài)保護長效機制，改善該區(qū)域水土流失狀況。

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（責任編輯：程 茜）