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  中国水土保持科学   2019, Vol. 17 Issue (6): 69-77.  DOI: 10.16843/j.sswc.2019.06.009
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引用本文 

刘璐璐, 曹巍, 贺添, 吴丹, 江华. 南北盘江流域土壤侵蚀时空动态变化及影响因素分析[J]. 中国水土保持科学, 2019, 17(6): 69-77. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.06.009.
LIU Lulu, CAO Wei, HE Tian, WU Dan, JIANG Hua. Analysis on spatial-temporal variation of soil loss and its driving factors in North-south Pan River watershed[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(6): 69-77. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.06.009.

项目名称

国家重点研发计划“多类型保护地国家公园建设生态保护与优化综合管理技术研究”（2017YFC0506404）；国家自然科学基金“黄土坡面细沟形态与土壤再分布空间特征的耦合机制研究”（41977069）

第一作者简介

刘璐璐(1988-), 女, 博士, 讲师。主要研究方向:生态系统服务评估。E-mail:liululu@cdu.edu.cn

通信作者简介

曹巍(1982-), 男, 博士, 助理研究员。主要研究方向:生态系统监测与水土保持评估。E-mail:caowei@ig-snrr.ac.cn

文章历史

收稿日期：2018-09-25
修回日期：2018-11-07
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
南北盘江流域土壤侵蚀时空动态变化及影响因素分析
刘璐璐 1, 曹巍 2, 贺添 3, 吴丹 4, 江华 5     
1. 成都大学建筑与土木工程学院, 610106, 成都;
2. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室, 100101, 北京;
3. 郑州大学水利与环境学院, 450001, 郑州;
4. 环境保护部南京环境科学研究所, 210042, 南京;
5. 重庆市长寿勘测规划院, 401220, 重庆
收稿日期：2018-09-25; 修回日期：2018-11-07
项目名称：国家重点研发计划“多类型保护地国家公园建设生态保护与优化综合管理技术研究”（2017YFC0506404）；国家自然科学基金“黄土坡面细沟形态与土壤再分布空间特征的耦合机制研究”（41977069）
第一作者简介：刘璐璐(1988-), 女, 博士, 讲师。主要研究方向:生态系统服务评估。E-mail:liululu@cdu.edu.cn
通信作者简介：曹巍(1982-), 男, 博士, 助理研究员。主要研究方向:生态系统监测与水土保持评估。E-mail:caowei@ig-snrr.ac.cn
摘要：南北盘江流域是珠江流域水土流失严重的地区之一。为了解该区土壤侵蚀状况，对后续水土保持建设提供科学支撑和理论基础，采用修正的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE），分析了2000-2010年该区土壤侵蚀时空分异特征，同时对其驱动因子进行探讨。结果表明：2000-2010年南北盘江流域多年平均土壤侵蚀模数为14.6 t/（hm2·a），年土壤侵蚀量约为1.18亿t。10年间，土壤侵蚀模数以-0.87 t/（hm2·a·a）的年变化量呈波动下降态势，局部区域出现上升趋势；土壤侵蚀强度下降的区域主要集中在流域北部、西南部以及东南部，侵蚀强度上升区域主要集中在流域东部以及南部。植被覆盖度的上升，侵蚀性降雨时间和降雨量的大幅减少，均有利于防治土壤侵蚀的形成。
关键词：土壤侵蚀    RUSLE    植被覆盖度    降雨侵蚀力    南北盘江流域    
Analysis on spatial-temporal variation of soil loss and its driving factors in North-south Pan River watershed
LIU Lulu 1, CAO Wei 2, HE Tian 3, WU Dan 4, JIANG Hua 5     
1. School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University, 610106, Chengdu, China;
2. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, 100101, Beijing, China;
3. School of Water Conservancy & Environment, Zhengzhou University, 450001, Zhengzhou, China;
4. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, 210042, Nanjing, China;
5. Changshou Surveying and Planning Institute of Chongqing, 401220, Chongqing, China
Abstract: [Background] North-south Pan Rivers are the main rivers in the upper reaches of the Pearl River, and the watershed is one of the areas with the most serious soil and water loss in the Pearl River Basin. Analysis on spatial and temporal dynamics of soil erosion in this watershed may provide scientific support and theoretical basis for soil and water conservation construction and will benefit regional sustainable development. [Methods] Based on multi-source remote sensing data, meteorological data, ecosystem types data, soil properties data, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Digital Elevation Model (DEM) data, the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) was used to analyze the spatial and temporal variation of soil erosion in North-south Pan River watershed from 2000 to 2010. To improve the accuracy of simulation results, parameters in the RUSLE model were amended according to local environment and achievements of previous researches. Meanwhile, the driving factors of soil erosion change were discussed from the perspectives of precipitation and vegetation coverage. [Results] Average soil erosion modulus in North-south Pan River watershed was 14.6 t/(hm2·a) during 2000-2010, and annual soil erosion amount was about 118×106 t/a. In the period from 2000 to 2010, soil erosion modulus decreased with the annual variation of-0.87 t/(hm2·a·a), and the area of unapparent soil erosion increased apparently by 1 076 km2 each year, while local area still showed a certain increasing trend on soil erosion, which accounted for about 22.8% of the total area. The areas with decreasing soil erosion mainly concentrated in the northern, southwestern and southeastern part of the watershed, and areas with increasing soil erosion mainly concentrated in the eastern and the southern part of the watershed. The change of soil erosion in the North-south Pan River watershed was mainly caused by joint effect of ecological engineering and climate change. The increase of vegetation coverage benefitting from the implementation of ecological engineering in this watershed better protected the soil from erosion. Meanwhile, the decrease of rainfall erosivity weakened the external force of soil erosion and helped prevent the formation of soil erosion. In addition, the Grain for Green Project led much sloping field change to forest and grass, and this land use change contributed to the soil retention a lot. [Conclusions] It is critical to take effective measures to protect the soil from erosion. Although the soil erosion has been alleviated, the ecological situation of the North-south Pan River watershed is still fragile on the whole, especially in Guizhou province. To further curb the occurrence of soil erosion thoroughly in this watershed, protection should be strengthened and more precise, especially in steep slope area. Meanwhile, a long-term mechanism of ecological protection needs to be established and the achievement of early water and soil erosion governing should be consolidated.
Keywords: soil erosion    RUSLE    vegetation coverage    rainfall erosivity    North-south Pan River watershed    

土壤侵蚀造成土地资源流失，产生严重的生态环境问题，严重制约着全球经济和社会的可持续发展。定量核算土壤侵蚀量、分析土壤侵蚀的空间差异性是防治水土流失、加强水土保持生态建设的基础。

传统的土壤侵蚀定量研究主要有径流小区观测法[1]、测针法[2]、核示踪法[3]等方法，这些方法均以观测为基础，能较准确地获取土壤侵蚀量，但很难适用于大范围的研究。20世纪50年代以来，在大量观测研究结果的基础上，各国学者构建了不同经验模型和物理过程模型以预测土壤侵蚀量，能较好地解决区域尺度土壤侵蚀模拟的难题。土壤侵蚀经验模型主要有基于大量小区观测资料和人工模拟降雨实验资料的通用土壤流失方程(USLE)[4]，通过对USLE方程中各因子的测算方法进行改进建立的修正通用土壤流失方程(RUSLE)[5]以及在USLE的基础上建立的中国土壤流失预报方程(CSLE)[6]等。物理过程模型主要通过研究侵蚀产沙的各个过程，模拟土壤侵蚀的形成，国外相继推出了水蚀预报模型WEEP[7]、欧洲水蚀预报模型EUROSEM[8]、荷兰土壤侵蚀预报模型LISEM[9]等，同时国内也开展了大量相关研究[10]。目前，RUSLE模型因其考虑了影响土壤侵蚀的多个因素，因模型结构较简单、参数易于获取等优点而得到广泛应用[11-13]。

南北盘江是珠江上游的主要河流，该区石灰岩广泛发育，山地土壤土层浅薄，加之坡度大，降雨多以及人类不合理的农业耕作和生产建设活动等，直接破坏了地面的植被和地貌，可耕土地减少，肥力降低，造成了“越穷越垦，越垦越穷”的局面，使该地区成为珠江流域水土流失最严重的地区，阻碍着区域可持续发展[14-15]。为此，国家积极推动珠江上游南北盘江石灰岩地区水土流失综合治理工程，以小流域为单元，提高区域生态容量[16]。目前，涉及该区的土壤侵蚀研究年代较久远，已不适宜用于现实状况[17]。分析明晰土壤侵蚀的时空动态变化并在此基础上对其驱动影响因子进行探究，可对后续水土保持建设提供科学支撑和理论基础。笔者利用RUSLE模型，对2000—2010年南北盘江流域土壤侵蚀时空分异特征进行科学分析，同时对其驱动因子进行探讨。

1 研究区概况

南北盘江是珠江上游的主要河流(图 1)，干流全长分别为914.5和449.0 km，位于E102°15′~106°22′、N23°07′~26°51′之间，其中南盘江流域面积为5.62万km2，北盘江流域面积为2.66万km2。该地区处于云贵高原向桂中山地丘陵地区过渡的斜坡地带，地形起伏大，属于亚热带季风气候区，5—10月为湿季，11月—翌年4月为干季。该地区的主要生态系统类型为森林、草地以及农田生态系统，其中：森林面积最多，为4.06万km2，占全区总面积的49.07%；其次是草地，面积为2.43万km2，占全区总面积的29.38%；农田面积有1.65万km2，占全区总面积的19.91%(图 1)。该地区主要土壤类型为红壤、黄壤、石灰土、紫色土等，面积分别为3.68万、1.47万、1.15万和0.56万km2。

图 1 2010年南北盘江流域生态系统类型空间分布 Fig. 1 Spatial distribution of ecosystem in North-south Pan River watershed in 2010
2 数据与方法 2.1 研究方法

本文采用RUSLE模型计算单位面积土壤侵蚀量，即水力侵蚀模数，并依据SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》分为6个不同侵蚀等级，计算公式如下：

$ A = RKLSCP。$ (1)

式中，A为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；L为坡长因子，量纲为1；S为坡度因子，量纲为1；C为覆盖和管理因子，取值范围为0~1，量纲为1；P为水土保持措施因子，取值范围为0~1，量纲为1。

降雨侵蚀力因子采用基于日降雨量估算半月降雨侵蚀力的方法[18]进行计算，为保持各因子时间步长的一致，将半月降雨侵蚀力模型改进为16 d降雨侵蚀力模型。土壤可蚀性因子采用诺谟图模型[19]计算。坡度因子的计算过程中，当坡度≤18%时，采用RUSLE模型的计算公式及Remortel算法[20]；当坡度>18%时，采用刘宝元等[21]改进后的计算公式。坡长因子采用RUSLE模型中的公式及Remortel算法[20]进行计算。覆盖和管理因子通过与植被覆盖度建立关系式[22]进行计算。水土保持措施因子的设定是结合前人研究成果，根据南北盘江流域土地利用数据，林地和草地取1，沙地与盐碱地取1，旱地取0.4，水体与沼泽取0，居民地与建设用地取0。各因子详细计算公式见文献[23]。

2.2 数据来源

气象数据来源于2000—2010年国家气象站逐日降雨量观测值，采用ANUSPLIN方法对该数据进行空间插值，空间分辨率为1 km。将插值结果与国家气象信息中心发布的0.25°×0.25°的逐日降雨网格数据进行空间配准，采取降雨总量控制法，对插值结果进行纠正。生态系统类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心提供的2000年和2010年2期土地利用/覆被数据，其基于多源卫星遥感数据判读解译获得[24-25]，空间分辨率为1 km，按照生态系统类型分类标准，划分出森林、草地、农田、湿地、荒漠、聚落等生态系统类型。归一化植被指数(NDVI)来源于NASA发布的2000—2010年MODIS数据产品MOD13Q1(https://lpdaac.usgs.gov)，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m。同时，本研究利用Savitzky-Golay滤波[26-27]对NDVI数据进行处理，去除了云和大气等因素的影响。土壤类型(亚类)、质地、有机质含量等数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心的1:100万中国土壤数据库；地形数据则来源于SRTM3 V4.1数据加工制作得到的90 m分辨率DEM数据(http://www.gscloud.cn/)。

3 结果与分析 3.1 2000—2010年土壤侵蚀的平均状况

2000—2010年南北盘江流域多年平均土壤侵蚀模数为14.6 t/(hm2·a)，年土壤侵蚀量约为1.18亿t。其中云南、贵州和广西境内的土壤侵蚀模数分别为13.6、17.6和6.1 t/(hm2·a)(图 2(a))，年土壤侵蚀量分别为6 413万、5 125万和298万t。流域内大部分地区属于微度、轻度和中度侵蚀区，强度及以上等级的区域面积较小，面积比例分别为47.1%、36.0%、11.4%和5.5%(图 2(b))。

图 2 2000—2010年南北盘江流域多年平均土壤侵蚀模数和年土壤侵蚀强度 Fig. 2 Average soil erosion modulus and soil erosion intensity in North-south Pan River watershed during 2000-2010

随着坡度的增加，土壤侵蚀模数逐渐增加。坡度 < 25°的地区面积比例约为90.4%，侵蚀总量约占全区的87.3%。其中：坡度 < 5°的地区面积比例最大，为28.5%，该坡度范围内的侵蚀模数最小，土壤侵蚀总量比例达到21.6%；坡度在15°~25°的地区土壤侵蚀总量比例最大，约为27.4%，面积比例约为23.8%。坡度在25°~35°以及>35°的地区土壤侵蚀模数较高，但由于面积较小，土壤侵蚀量比例较小(表 1)。从不同土壤侵蚀强度来看，不同坡度条件下，微度和轻度侵蚀区的面积比例均明显高于其他侵蚀等级区。随着坡度的增加，微度和轻度侵蚀区的面积比例呈下降趋势，中度及以上等级的面积比例呈上升趋势。

表 1 2000—2010年不同坡度条件下土壤侵蚀状况 Tab. 1 Soil erosion in different slope in North-south Pan River watershed during 2000-2010
3.2 2000—2010年土壤侵蚀变化状况 3.2.1 土壤侵蚀模数

2000—2010年，南北盘江流域的土壤侵蚀模数呈波动下降态势，年变化量为-0.87 t/(hm2·a·a)，下降趋势较为明显(图 3)。

图 3 2000—2010年南北盘江流域的土壤侵蚀模数 Fig. 3 Soil erosion modulus in North-south Pan River watershed during 2000-2010
3.2.2 土壤侵蚀强度

2000—2010年，流域内无明显土壤侵蚀区的面积大幅增加，每年约增加1 076 km2；土壤侵蚀区的面积大幅下降，其中，中度侵蚀区面积下降速度最快，约为-397 km2/a，其次是强度侵蚀区，剧烈侵蚀区面积下降速度最慢，约为-66 km2/a(表 2)。

表 2 2000—2010南北盘江流域土壤侵蚀强度面积变化 Tab. 2 Area change of soil erosion intensity in North-south Pan River watershed during 2000-2010
3.2.3 土壤侵蚀空间分布变化

2000—2010年间，南北盘江流域内75.1%的地区土壤侵蚀模数呈下降趋势，22.8%的地区土壤侵蚀模数有所上升。其中：贵州境内土壤侵蚀模数年变化量为-1.34 t/(hm2·a·a)，绝大部分地区土壤侵蚀模数以下降为主，东部和南部有少量地区土壤侵蚀模数呈上升趋势；云南境内土壤侵蚀模数年变化量为-0.65 t/(hm2·a·a)，土壤侵蚀模数上升和下降的面积比例相当，上升区主要集中在东南部以及西南部；广西境内土壤侵蚀模数年变化量为-0.26 t/(hm2·a·a)，土壤侵蚀模数上升地区的面积要大于下降的地区(图 4(a))。

图 4 2000—2010年南北盘江流域土壤侵蚀模数及强度等级变化图 Fig. 4 Change of soil erosion modulus and erosion intensity in North-south Pan River watershed during 2000-2010

在土壤侵蚀强度等级方面，2000—2010年，流域约26.8%的地区土壤侵蚀强度等级发生了改变，侵蚀等级下降的地区面积明显高于上升地区，前者主要集中在流域的北部、西南部以及东南部，面积约占流域总面积的23.6%，大部分地区侵蚀强度下降了1个等级，主要是由轻度向微度、中度向轻度，以及强度向中度转变，面积比例分别为10%、7.7%和2.9%。在流域内贵州与云南接壤的北部地区，侵蚀强度大多下降2个等级，主要是由中度向微度、强度向轻度、极强度向中度转变，面积比例分别为0.2%、0.7%和0.6%。土壤侵蚀强度上升的地区主要集中在流域的东部以及南部，仅占流域总面积的3.2%，且大部分地区只上升1个等级，主要是由微度向轻度、轻度向中度、中度向强度、强度向极强度转变，面积比例分别为1.6%、0.8%、0.4%和0.2%(图 4(b))。

3.3 土壤侵蚀变化的驱动因素分析

降雨量尤其是侵蚀性降雨量的变化是导致土壤侵蚀改变的重要影响因素之一。从2000—2010年南北盘江流域多年降水空间插值数据来看，南北盘江流域内超过85%的区域年降雨量呈下降趋势，年降水量的平均变化速率约为-9 mm/a。本研究按照日降雨量>12 mm的侵蚀性降雨划分标准[28]，分别对10个气象台站各年出现侵蚀性降雨的时间、年侵蚀性降雨总量进行统计，除盘县站和兴仁站，其他站2000—2010年的侵蚀性降雨时间均呈减少趋势，在侵蚀性降雨量变化速率方面，仅有兴仁站呈上升趋势，其他站均有所下降(表 3)。2000—2010年，南北盘江流域降雨侵蚀力的变化速率为-56.5 (MJ·mm)/(hm2·h·a·a)。降雨侵蚀力下降区的面积达到流域总面积的74%，主要集中在流域中部及南部区域，云南省境内；降雨侵蚀力上升的地区仅占26%，主要集中在流域东部区域，贵州省境内(图 5(a))。

表 3 2000—2010年南北盘江流域主要气象站侵蚀性降雨天数和侵蚀性降雨量的变化 Tab. 3 Change of erosive rainfall day and volume in North-south Pan River watershed during 2000-2010
图 5 2000—2010年南北盘江流域降雨侵蚀力和植被覆盖度空间变化态势 Fig. 5 Change rate of rainfall erosivity and vegetation coverage in North-south Pan River watershed during 2000-2010

同时，云南、贵州及广西等省份于2000—2010年期间实施了多项重点生态保护工程，尤其以林业生态工程为主，累计投入资金超过400亿元，累计完成退耕地造林(草)、荒山荒地造林(草)、封山育林、低产低效林改造等470万hm2[29]。南北盘江流域是各类生态工程的重点实施区之一，生态工程的持续实施，使流域内林木资源的砍伐受到严格限制，大量劳动力向周边城镇流动，降低了人口对土地的依赖及人类对生态系统的扰动；因此，在降水量普遍呈下降趋势的情况下，流域内植被状况仍有所改善。2000—2010年，南北盘江流域77.8%的地区植被覆盖度呈上升趋势，平均变化速率为0.35%/a，整体呈现好转态势，尤其是流域中部和东部区域(图 5(b))。

通过对植被覆盖度和土壤侵蚀模数的变化趋势进行空间叠加分析，可以发现，在植被覆盖度呈上升趋势的地区，土壤侵蚀模数有所下降，年变化速率约为-1.27 t/(hm2·a)，下降趋势明显高于全流域-0.87 t/(hm2·a)的平均变化速率。随着植被覆盖度年增长速率的上升，土壤侵蚀模数年变化速率由-0.63 t/(hm2·a)逐渐变化至-2.22 t/(hm2·a)，下降趋势越来越明显(表 4)。

表 4 植被覆盖度增加对土壤侵蚀模数变化的影响 Tab. 4 Impact of vegetation coverage increase on the change of soil erosion modulus

除了植被覆盖度增加对土壤侵蚀的影响，退耕地造林(草)的实施，将大量容易形成土壤侵蚀的陡坡耕地转变为林地和草地，也使土壤侵蚀有所下降。通过对比2000年和2010年的土地利用数据可以发现：当耕地转变为林地后，土壤侵蚀模数由18.1 t/(hm2·a)下降至11.5 t/(hm2·a)，下降比例达到36.5%；当耕地转变为草地后，土壤侵蚀模数由20.9 t/(hm2·a)下降至13.9 t/(hm2·a)，下降比例达到33.5%。

4 结论与讨论

1) 2000—2010年，南北盘江流域94.5%的地区属于中度及以下侵蚀区，其中贵州境内土壤侵蚀状况最为严重。流域多年平均土壤侵蚀模数为14.6 t/(hm2·a)，土壤侵蚀模数及强度随着坡度的升高逐渐增加。

2) 2000—2010年，南北盘江流域的土壤侵蚀状况呈现好转态势，尤其是流域北部。全流域75.1%的地区土壤侵蚀模数呈下降趋势，平均土壤侵蚀模数以-0.87 t/(hm2·a)的年变化率波动下降，约23.6%的地区土壤侵蚀强度等级下降，无明显土壤侵蚀区的面积大幅增加。

3) 生态工程的实施和降雨量的下降是导致南北盘江流域土壤侵蚀整体呈下降态势的主要驱动因素，土地利用状况的改变也使得土壤侵蚀状况得到改善。侵蚀性降雨的下降，使外部的侵蚀动能下降，土壤侵蚀也将随之下降。植被覆盖度上升区的土壤侵蚀模数年下降速率比全流域高约45.98%。耕地转变为林地及草地后，土壤侵蚀模数下降比例分别达到36.5%和33.5%。

尽管南北盘江流域土壤侵蚀整体呈下降趋势，在局部地区，受降水减少的影响，植被覆盖度有所下降，同时部分地区的生态工程出现了“重建设、轻管护”，造林结构不合理，树种选择不当，种植成活率不高等问题，导致局部地区的植被恢复未能达到预期的效果，土壤保护能力下降，约22.8%的地区土壤侵蚀模数有所上升，且3.2%的区域出现土壤侵蚀强度上升。因此，流域内的整体生态状况依然较为脆弱，需继续实施生态保护工程，尤其是贵州省，10年来其土壤侵蚀转好态势最为明显，但目前的侵蚀强度依然最大。同时，基于坡度对土壤侵蚀影响的认识，针对陡坡地区，应加强天然林保护或坡耕地退耕等治理保护措施实施力度。建立生态保护的长效机制，对该流域进行持续的保护，着重加强生态管护，对前期的生态成效进行巩固，在继续提升区域植被覆盖度的同时，还要加强对林分结构的优化、对林下植被以及植被根系层的恢复，形成立体的植被防护体系，从而在根本上遏制土壤侵蚀的发生。

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