1975-2008年塘背河小流域土壤侵蝕時空變化特征分析

宋月君，張金生

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室， 南昌 330029；2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州 350002；3.江西省水土保持科學(xué)研究院， 南昌 330029)

塘背河小流域位于江西省贛南革命老區(qū)腹地，曾有“江南紅色沙漠”之稱[1]，是1980年首批開展小流域綜合治理試點的41條小流域之一，是南方水土保持綜合治理試點的樣板，曾被國家水利部、財政部命名為“全國水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)示范小流域”[1]，其水保治理的成功經(jīng)驗為江西省的水土保持治理工作奠定了基礎(chǔ)[2]，江西省自1980年以興國縣塘背河小流域的水土保持治理為始，至2013年江西省共治理水土流失面積 2223.26 km2[3]，取得了顯著的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益。塘背河小流域的水土保持經(jīng)驗，也越來越受到相關(guān)學(xué)者的重視，分別從生態(tài)經(jīng)濟效益[2,4]、土壤質(zhì)量改良[5]、綜合效益評價[6]以及水土保持治理模式[7]等方面已開展了相關(guān)研究工作。土壤侵蝕是生態(tài)環(huán)境惡化的重要表現(xiàn)特征[8]，其主要受降雨、地形、土壤以及人為活動的影響[9～14]，為了更好的開展土壤侵蝕危害以及動態(tài)監(jiān)測，國內(nèi)外學(xué)者利用USLE[15,16]、RULSE[17,18]以及CSLE[19,20]等土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報模型，開展了流域以及區(qū)域宏觀尺度的土壤侵蝕研究工作，土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報模型可較好的實現(xiàn)區(qū)域土壤侵蝕時空變化特征的分析以及主要驅(qū)動影響因子的提取功能，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及政府決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐和決策參考。本文從區(qū)域宏觀角度出發(fā)，基于1975～2008年相關(guān)數(shù)據(jù)資料，利用地理信息系統(tǒng)平臺，采用中國土壤流失方程(CSLE)對30多年來塘背河小流域的土壤侵蝕時空變化動態(tài)特征進行了分析與探討，可為科學(xué)、系統(tǒng)的評價塘背河小流域水土保持治理成效以及贛州全國水土保持改革試驗區(qū)建設(shè)提供有效的技術(shù)手段與參考。

1 研究區(qū)概況

塘背河小流域位于江西省興國縣西南，地處龍口鄉(xiāng)境內(nèi)，涉及中嶺、文院、都田、來溪、里溪以及蘆溪等5個村莊，隸屬鄱陽湖水系五大河流之一的贛江流域，流域土地總面積16.38 km2，流域地貌類型以山地丘陵為主，其中40%左右為低山，主要分布在上游，50%左右為丘陵。流域海拔高度在131～469 m之間，相對高差多為300 m以內(nèi)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為1 528.8 mm，成土母質(zhì)以花崗巖類風(fēng)化物為主，土壤類型主要有紅壤和水稻土，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，植被主要為針闊混交林、針葉林、荒山灌草等，其中以馬尾松純林分布最廣，林草覆蓋率約為82.5%，流域內(nèi)溪流縱橫，地表水資源極為豐富，年徑流總量為385.2 萬m3，但年內(nèi)分布不均，4-6月份水量充足，8-11月份高溫少雨，伏旱、秋旱較為嚴(yán)重，河流多年平均流量約12 m3/s。小流域地理位置和行政區(qū)劃如圖1、2所示。

圖1 塘背小流域地理位置圖Fig.1 The location map of Tangbei river watershed

圖2 塘背小流域行政區(qū)劃圖Fig.2 The administrative map of Tangbei river watershed

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

主要搜集了1975、1998以及2008年的植被覆蓋、土地利用、地形地貌、降雨、土壤等本底數(shù)據(jù)，植被覆蓋數(shù)據(jù)主要通過遙感影像解譯和NDVI(Normal Differential Vegetation Index，歸一化植被指數(shù))運算獲取[21]，獲取的遙感影像時間主要集中在每年的夏、秋兩季，云量小于10%，均從美國USGS官網(wǎng)(http://glovis.usgs.gov/)免費下載獲取。其中，1975年主要采用Landsat 2 MSS數(shù)據(jù)，地面分辨率為78m，1998年和2008年主要采用Landsat 5 TM遙感影像，地面分辨率為30 m；土地利用數(shù)據(jù)主要基于獲取的三期遙感影像，通過監(jiān)督分類等人工解譯并參考國家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http://datamirror.csdb.cn/)發(fā)布的1：10萬土地利用柵格數(shù)據(jù)獲取[22]；降雨資料主要來自于全國第一次水利普查數(shù)據(jù)，主要涉及贛州市18個氣象站的日降雨數(shù)據(jù)資料；地形、地貌數(shù)據(jù)均下載自國家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http://datamirror.csdb.cn/)，其地面分辨率為30 m；土壤圖來自于江西省第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)，為1：5萬比例尺的矢量數(shù)據(jù)。具體的數(shù)據(jù)來源以及處理方法詳見表1所示。

表1 數(shù)據(jù)資料來源說明Tab.1 The description of data source

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 土壤侵蝕估算方法

當(dāng)前關(guān)于土壤侵蝕估算的方法，應(yīng)用較多的主要有USLE、RUSLE以及CSLE等模型與方法，其中中國土壤流失方程(CSLE)是劉寶元教授[23]結(jié)合中國土壤侵蝕現(xiàn)狀研發(fā)的一種土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報模型，在國內(nèi)已有大量應(yīng)用[19,24]。CSLE模型的表達式(1)如下：

A=100RKLSBET

(1)

式中：A為多年平均土壤流失量，t/(km2·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為坡度坡長因子 ，無量綱；B為水土保持生物措施因子，無量綱；E為水土保持工程措施，無量綱；T為水土保持耕作措施因子，無量綱。

2.2.2 各因子的獲取方法

(1)降雨侵蝕力因子(R)的獲取。在這里主要采用章文波[25]等提出的利用日降雨數(shù)據(jù)獲取降雨侵蝕力的方法以及南方紅壤區(qū)的特性[21]獲得，如公式(2)所示：

(2)

(2)土壤可蝕性因子(K)的獲?。褐饕捎脧埧评忍岢龅男拚椒╗26]計算土壤可蝕性因子K值,公式如下：

(3)

式中：SAN、SIL、CLA是砂粒、粉粒、黏粒含量；C則為土壤有機碳含量(%),SN1=1-SAN/100。

K=-0.013 83+0.515 75Kepic

(4)

(3)坡度坡長因子(LS)的獲取。采用劉寶元等[23]修正后的坡度坡長因子提取方法，其公式為：

(5)

L=(λ/22.1)m

m=0.2θ≤1°

m=0.3 1°<θ≤3°

m=0.4 3°<θ≤5°

m=0.5θ>5°

(6)

式中：S為坡度因子；θ為坡度；L為坡長因子；m為坡長指數(shù)。

(4)水土保持生物措施因子(B)以及水土保持工程措施因子(E)的獲取。通過汪邦穩(wěn)等[21]提出的水土保持生物措施以及工程措施因子的提取方法獲取，具體計算方法見文獻[21]。

(5)水土保持耕作措施因子(T)的獲取。據(jù)已有研究結(jié)果表明[5]，塘背河小流域內(nèi)的水土保持治理主要采取配以一定工程措施的植物措施為主，注重后期植物的自然生態(tài)修復(fù)，同時，南方的水土保持措施工程因子值研究還少見報道，有待進一步研究。在此，耕作措施的因子暫取常值為1。

2.3 研究方法

2.3.1 各因子的運算圖層的獲取

根據(jù)各因子的計算公式，基于獲取的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成各因子?xùn)鸥襁\算圖層數(shù)據(jù)的獲取工作。

(1)降雨侵蝕力因子(R)圖層的獲取。運用Arcgis軟件中的矢量數(shù)據(jù)插值功能，對18個氣象站的降雨數(shù)據(jù)進行空間差值運算，從而獲取降雨侵蝕力因子(R)柵格運算圖層數(shù)據(jù)。

(2)土壤可蝕性因子(K)圖層的獲取。應(yīng)用公式(3)和(4)中關(guān)于土壤可蝕性因子的運算方法，進行不同土壤類型可蝕性因子的賦值，然后采用Arcgis的圖層格式轉(zhuǎn)換工具，將土壤可蝕性因子(K)的矢量圖層，轉(zhuǎn)化為柵格運算圖層數(shù)據(jù)。

(3)坡度坡長因子(LS)圖層的獲取。應(yīng)用公式(5)和(6)中關(guān)于坡度坡長因子(LS)的運算方法，基于研究區(qū)的DEM柵格數(shù)據(jù)，通過Arcgis的圖層運算功能，獲取坡度坡長因子(LS)的柵格運算圖層數(shù)據(jù)。

(4)水土保持生物措施因子(B)以及水土保持工程措施因子(E)圖層的獲取。采用汪邦穩(wěn)等[26]提出的計算公式，基于各時段土地利用數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)以及水土保持工程措施量數(shù)據(jù)，通過Arcgis的圖層格式轉(zhuǎn)換、圖層運算等功能，獲取水土保持生物措施因子(B)以及水土保持工程措施因子(E)的柵格運算圖層數(shù)據(jù)。

水土保持耕作措施因子(T)統(tǒng)一賦值為1，在此，不做柵格運算圖層處理，基于各不同遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率的限制，最后統(tǒng)一生成為空間分辨率為50 m的柵格影像數(shù)據(jù)進行流域內(nèi)土壤侵蝕時空變化特征分析。

2.3.2 土壤侵蝕估算以及分類、分級

根據(jù)CSLE方程，將獲得的各因子?xùn)鸥襁\算圖層，代入Arcgis軟件中，通過其圖層運算功能，獲取其土壤侵蝕時空分布特征，并開展土壤侵蝕估算以及分類、分級研究。土壤侵蝕程度按照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)[27]進行土壤侵蝕分級如表2所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 塘背河小流域土壤侵蝕時間變化特征

如圖3、表3所示，通過對塘背河小流域的土壤侵蝕估算分析得到，1975年未治理前，小流域土壤侵蝕面積達12.20 km2，占小流域總面積的74.48%，其中輕度土壤侵蝕面積為1.25 km2，中度土壤侵蝕面積為0.68 km2，強烈土壤侵蝕面積為1.23 km2，極強烈土壤侵蝕面積為1.61 km2，劇烈土壤侵蝕面積為7.53 km2，強烈以上的土壤侵蝕面積占到了水土流失總面積的84.20%，整個流域的水土流失情況嚴(yán)峻，這與1980年第一次水土保持治理前的調(diào)查結(jié)果(11.53 km2)相接近；截止到1998年，經(jīng)過第一期水土保持重點治理工程后，伴隨著各項水土保持措施效益的發(fā)揮，土壤侵蝕面積減少到了2.83 km2，僅占塘背小流域面積的17.28%，其中，主要以輕度土壤侵蝕為主，輕度土壤侵蝕面積為1.09 km2，占到了土壤侵蝕總面積的38.50%，中度土壤侵蝕面積為0.98 km2，強烈土壤侵蝕面積為0.35 km2，極強烈以上的土壤侵蝕面積為0.41 km2，通過多年的水土保持治理工作，土壤侵蝕狀況大為改善，土壤侵蝕治理程度達到76.80%，已無集中連片的水土流失區(qū)，僅存在一些零星的水土流失區(qū)；從2008年的土壤侵蝕估算來看，土壤侵蝕面積相比1998年，有所增加，由原來的2.83 km2上升為3.40 km2，但是從土壤侵蝕等級上來看，強烈以上的土壤侵蝕面積大為減少，由原來的0.76 km2減少到了0.053 km2，主要以輕度和中度土壤侵蝕面積為主，占到了土壤侵蝕總面積的98%以上。

表2 土壤侵蝕分類、分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The classification and classification criteria of soil erosion

表3 各年份塘背河小流域土壤侵蝕面積統(tǒng)計表 km2Tab.3 Statistics of soil erosion area of Tangbei river watershed in each year

3.2 塘背河小流域土壤侵蝕空間變化特征

如圖4所示，1975年水土流失治理前，塘背河小流域的土壤侵蝕主要發(fā)生在山地丘陵區(qū)域，其中以來溪和都田境內(nèi)土壤侵蝕最為嚴(yán)重，流域上游的里溪村也有零星分布，1998年經(jīng)過了近20年的水土保持治理工程，其境內(nèi)的土壤侵蝕狀況得到了較好改善，其中原來侵蝕嚴(yán)重的來溪和都田村治理度均達到了85%以上，只存在零星的劇烈侵蝕小斑塊；2008年，經(jīng)歷了長達10年之久的自我生態(tài)修復(fù)和人為干預(yù)過程，流域內(nèi)的土壤侵蝕面積雖有小幅提升，但是其侵蝕強度大大減弱。

圖3 各年份塘背河小流域不同土壤侵蝕等級比例圖Fig 3 The proportion of different soil erosion grades in Tangbei river watershed in different years

塘背河小流域自1980年始開展了第一期治理工程之后，截止到2008年，未開展過任何大規(guī)模的水土保持治理工程，流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境基本是在原有治理成果自然修復(fù)以及人為干擾的雙重作用下形成的，從土壤侵蝕估算結(jié)果來看，基本上是向著生態(tài)友好、環(huán)境優(yōu)美的方向發(fā)展。但是仍然存在著少量的水土流失強烈侵蝕區(qū)，這可能與流域內(nèi)采石場以及新果園開發(fā)初期有關(guān)，特別是山頂以及個別區(qū)域零星存在林下水土流失和崩崗侵蝕所致。

圖4 各年度塘背河小流域土壤侵蝕模數(shù)估算圖Fig 4 The estimation of soil erosion modulus in Tangbei river watershed

3.3 塘背河小流域土壤侵蝕時空轉(zhuǎn)移特征分析

對塘背河小流域不同時期的土壤侵蝕柵格影像做轉(zhuǎn)移矩陣分析(如表4所示)得到，1975～1998年間，各不同土壤侵蝕面積的變化程度從大到小依次為劇烈土壤侵蝕面積、極強烈土壤侵蝕面積、輕度土壤侵蝕面積、強烈土壤侵蝕面積、中度土壤侵蝕面積和微度土壤侵蝕面積，其中劇烈土壤侵蝕面積共轉(zhuǎn)移面積達7.51 km2，其中5.54 km2轉(zhuǎn)移為微度侵蝕，占到了轉(zhuǎn)移總面積的73.77%，其余轉(zhuǎn)移面積僅占總轉(zhuǎn)移面積的26.23%，其中，0.81 km2轉(zhuǎn)移為輕度侵蝕，0.69 km2轉(zhuǎn)移為中度侵蝕，0.23 km2和0.24 km2分別轉(zhuǎn)移為強烈和極強烈侵蝕，僅有0.02 km2未發(fā)生變化，還處于劇烈侵蝕；極強烈土壤侵蝕的轉(zhuǎn)移面積為1.58 km2，均向著侵蝕等級較低的方向轉(zhuǎn)移，其中向微度侵蝕轉(zhuǎn)移面積為1.37 km2，占總轉(zhuǎn)移面積的86.70%，其余轉(zhuǎn)移占13.30%；輕度土壤侵蝕的轉(zhuǎn)移面積為1.22 km2，其中向微度侵蝕轉(zhuǎn)移面積為1.13 km2，占總轉(zhuǎn)移面積的92.62%，其余均向著中度侵蝕等級以上轉(zhuǎn)移；強烈土壤侵蝕轉(zhuǎn)移面積為1.11 km2，其中向強烈以下等級轉(zhuǎn)移面積為1.09 km2，占總轉(zhuǎn)移面積的98.20%；中度土壤侵蝕的轉(zhuǎn)移面積為0.64 km2，有0.61 km2的面積轉(zhuǎn)移到了中度侵蝕等級以下，占總轉(zhuǎn)移面積的95.31%；微度土壤侵蝕的轉(zhuǎn)移面積較少，僅為0.20 km2?？傮w而言，如圖5所示，1975-1998年，在第一期水土保持治理工程后，流域內(nèi)土壤侵蝕格局發(fā)生了顯著變化，與1975年相比，整個流域內(nèi)不同土壤侵蝕等級面積轉(zhuǎn)移為微度侵蝕等級的總面積最大為9.58 km2，其次為輕度侵蝕等級為1.06 km2，最小的為劇烈侵蝕等級，僅為0.02 km2，土壤侵蝕程度顯著降低。

1998-2008年間的土壤侵蝕等級變化特征與1975-1998年截然不同，此階段主要經(jīng)歷了水土保持治理工程后的自我生態(tài)修復(fù)和人為干擾過程，從表5可以看到，微度土壤侵蝕面積變化最大為1.84 km2，其中98.91%的面積向著中度和輕度侵蝕等級轉(zhuǎn)移；其次為輕度和中度土壤侵蝕，轉(zhuǎn)移面積分別為0.79 km2和0.71 km2，主要向著比其侵蝕等級較低的方向轉(zhuǎn)移；最小的為劇烈土壤侵蝕面積，轉(zhuǎn)移面積僅為0.04 km2，主要向著微度和中度侵蝕等級轉(zhuǎn)移。與1975-1998年的土壤侵蝕轉(zhuǎn)移特征相比，土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移矩陣呈現(xiàn)相反的趨勢，從1998-2008年的整個小流域內(nèi)不同土壤侵蝕等級面積轉(zhuǎn)移總量來看，如圖5所示，以轉(zhuǎn)移到輕度侵蝕等級的面積最大為1.50 km2，主要來源于微度土壤侵蝕等級，占到了總轉(zhuǎn)移量的68.67%，其次為中度和微度侵蝕等級面積分別為1.29 km2和1.26 km2，其中，中度侵蝕轉(zhuǎn)移面積主要源于原有微度和輕度侵蝕等級面積，微度侵蝕轉(zhuǎn)移面積主要源于原有輕度和中度侵蝕面積，向著強烈以上等級的轉(zhuǎn)移面積均較小。

表4 1975-1998年塘背河小流域土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 The transfer matrix of soil erosion in Tangbei river watershed in 1975-1998

圖5 各階段不同土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計圖Fig.5 The statistical chart of soil erosion grade transfer area at different stages

年份2008年侵蝕等級微度輕度中度強烈極強烈劇烈合計1998年微度11.711.030.790.020013.55輕度0.490.300.290.01001.09中度0.420.270.270.01000.98強烈0.180.090.090000.35極強烈0.140.100.120000.37劇烈0.0300.010000.04合計12.971.801.560.0400.0116.38

表6 1975-2008年塘背河小流域土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣Tab. 6 The transfer matrix of soil erosion in Tangbei river watershed in 1975-2008

1975-2008年，塘背河小流域土壤侵蝕等級整體向著較低侵蝕等級轉(zhuǎn)移，如表6所示，向著微度侵蝕等級的轉(zhuǎn)移面積可達9 km2，向輕度和中度侵蝕等級的轉(zhuǎn)移面積分別為1.71 km2和1.51 km2，其中均以1975年劇烈侵蝕等級面積轉(zhuǎn)移比重最高，分別占到了55.55%、76.60%和78.00%，劇烈土壤侵蝕等級向低一級土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移面積共7.53 km2。

4 結(jié) 語

(1)塘背河小流域土壤侵蝕狀況得到了明顯改善，土壤侵蝕面積已有原來的12.20 km2，減少到了2008年的3.40 km2，土壤侵蝕治理度達72.13%，其中以1975-1998年成效最為顯著，土壤侵蝕治理度達76.80%；后期1998～2008年間土壤侵蝕面積雖有增加，但主要集中在輕度和中度侵蝕等級，土壤侵蝕等級普遍降低。

(2)塘背河小流域土壤侵蝕存在空間上的特征，土壤侵蝕改良最為顯著的地區(qū)主要位于中游以及下游的來溪村和都田村境內(nèi)，土壤侵蝕空間格局已由1975年的集中連片式轉(zhuǎn)變?yōu)?008年的零星分散式。

(3)1975～2008年，塘背河小流域土壤侵蝕等級整體向較低等級轉(zhuǎn)移，其中均以劇烈侵蝕等級轉(zhuǎn)移面積最大，劇烈土壤侵蝕等級向低一級土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移面積達7.53 km2，期間，1998-2008年，土壤侵蝕等級出現(xiàn)了向侵蝕高等級轉(zhuǎn)移的情況，從轉(zhuǎn)移面積上看，微度侵蝕向高一級侵蝕等級轉(zhuǎn)移面積僅為1.84 km2，且主要向輕、中度侵蝕等級轉(zhuǎn)移，并占總轉(zhuǎn)移面積的98.91%，同時，向強烈土壤侵蝕等級以上的轉(zhuǎn)移量僅有0.04 km2，流域內(nèi)土壤侵蝕整體改善狀況良好。

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