勐海熱帶雨林地區(qū)土壤侵蝕動態(tài)變化研究

鄭買富 張 坤 李艷梅 鄧 清 鄧志華 孫仕仙

( 1. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報編輯部，云南 昆明 650233；

3. 西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院，云南 昆明 650233)

土壤侵蝕是指在水力、風(fēng)力、重力或凍融等外營力作用下，土壤及其母質(zhì)被破壞剝蝕、搬運和沉積的全部過程[1]。土壤侵蝕會引起土地退化、土壤肥力下降和河道淤積等問題，同時也會造成經(jīng)濟損失并影響人類健康[2]。相關(guān)調(diào)查表明，2018年中國水土流失面積達273.69 萬km2，占國土面積（不含港澳臺）的28.6%[3]。中國是土壤侵蝕最嚴重，也是水土流失防治任務(wù)最艱巨的國家之一[4-6]。掌握土壤侵蝕現(xiàn)狀和時空動態(tài)變化是生態(tài)文明建設(shè)、生態(tài)紅線劃定和流域綜合治理等領(lǐng)域中的技術(shù)保障。近年來，隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，中國陸續(xù)建立了一定數(shù)量的土壤侵蝕監(jiān)測定位站、天地一體化水土流失監(jiān)測模型以及多源多尺度遙感水土流失監(jiān)測與數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學(xué)性和持續(xù)性[7]。由于中國幅員遼闊，要快速獲取某些地區(qū)的較大空間尺度土壤侵蝕時空動態(tài)數(shù)據(jù)仍然十分困難，因此快速有效的數(shù)據(jù)獲取方法有待深入研究。目前與土壤侵蝕相關(guān)的研究較多，但專門針對熱帶雨林地區(qū)土壤侵蝕狀況研究還較少。西雙版納傣族自治州屬于典型的熱帶雨林地區(qū)，具有重要的防止水土流失功能。然而，隨著人類對原生環(huán)境干擾強度的不斷增加，超出其承載能力，致使該區(qū)域的生態(tài)安全受到嚴重威脅[8]。而西雙版納州的生態(tài)區(qū)位又極其重要，承擔(dān)著國家生態(tài)安全戰(zhàn)略，對其開展土壤侵蝕狀況研究具有重要意義。

目前，土壤侵蝕模型較多，包括通用土壤侵蝕方程（USLE）、水蝕預(yù)測模型（WEPP）、分布式水文模型（SHE）等[9-11]。其中應(yīng)用最為廣泛的為美國學(xué)者Wischmeier 等[12]提出的USLE 模型。本研究以西雙版納州勐?？h為研究對象，基于USLE 模型，選取2009年和2016年的2 期影像數(shù)據(jù)對其土壤侵蝕動態(tài)變化進行定量分析，探求變化規(guī)律及成因，以期為縣域水土流失治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

勐?？h位于云南省西南部，西雙版納傣族自治州西部，地處北緯21°28′～22°28′，東經(jīng)99°56′～100°41′，東接景洪市，北連普洱市，西北靠瀾滄縣，西部和南部與緬甸接壤，山區(qū)面積93.45%，壩區(qū)面積6.55%，最高海拔2 429 m，最低海拔535 m，境內(nèi)地勢高差超過1 500 m。該縣屬西南山原地貌，高原丘陵盆地。地勢西北高，東南低，四周高峻，中部平緩，山峰、丘陵、平壩相互交錯。處于熱帶、亞熱帶西南季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)流程2.5 km 以上的常年河流有159 條，總流長1 868 km，總集水面積5 570 km2，主要河流有瀾滄江、流沙河、南果河、南覽河、勐往河等，雨量充沛，干濕分明，多年平均氣溫18.5 ℃，年平均降雨量1 319.4 mm。森林資源主要分布在縣境南面和北面，森林覆蓋率占60.33%。研究區(qū)土壤類型多樣，土壤分7個土類、18個亞類、52個土屬、85個土種，各類土壤隨海拔高低垂直分布。海拔600～800 m 以內(nèi)的屬磚紅壤；海拔800～1 500 m 的屬磚紅壤性紅壤（赤紅壤），分布在低山和中山地區(qū)，是全縣土壤面積中占絕對優(yōu)勢的土類，又是主要農(nóng)業(yè)區(qū)；海拔1 500～2 400 m 的屬紅壤土類，分布于山的中部或山頂平緩地；水稻土主要分布于海拔600～1 500 m 之間的壩區(qū)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究使用的數(shù)據(jù)包括：1）2009年、2016年空間分辨率為30 m 的Landsat 影像數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.giscloud.cn）；2）空間分辨率為30m 的DEM 數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.giscloud.cn）；3）降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象共享網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn/）；4）土壤數(shù)據(jù)由西雙版納州環(huán)境監(jiān)測站提供。

2.2 土地利用類型分類

根據(jù)國土資源部組織修訂的國家標準《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）[13]相關(guān)規(guī)定，被研究對象在土地資源特征、景觀變化差異以及地形、地貌方面的實際情況，運用ENVI 5.3 軟件，采用監(jiān)督分類、目視修正2 種相結(jié)合的分類方法，結(jié)合遙感影像的實際解譯能力，將研究區(qū)的土地利用類型劃分為旱地、水田、園地、林地、建設(shè)用地和水域6 類。根據(jù)分類結(jié)果對精度進行評估，總體分類精度在85%以上，滿足應(yīng)用要求。

2.3 土壤侵蝕力評價方法

采用通用土壤流失方程（USLE）來進行土壤侵蝕力的量化計算及評估分析，其計算表達式見式（1）。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》（SL l90—2007）[14]可將土壤侵蝕分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕6個等級（表1）。

式中：A為土壤侵蝕量（侵蝕模數(shù)），單位為t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕 力 因 子，單位為MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，單位為t·hm2·h/（ MJ·mm·hm2）； LS 為 地 形 因 子 中的坡度和坡長因子，無量綱；C為植被覆蓋度因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱。

表1 土壤侵蝕強度分級標準Table 1 Classification standard of soil erosion intensity

2.4 土壤侵蝕相關(guān)因子

2.4.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力是指由降雨導(dǎo)致土壤侵蝕的潛在能力，是侵蝕的主要驅(qū)動力[15]。計算方法參考周伏建等[16]提出的適合南方熱帶亞熱帶氣候的降雨侵蝕力因子計算方法，見式（2）。

式中：Pt為月降雨量（mm）；R為年降雨侵蝕力（J·cm/(m2·h)），R單位為美制單位，轉(zhuǎn)換成國際制單位（MJ·mm/(hm2·h·a)）時應(yīng)乘以17.02。

2.4.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性因子是指單位面積上每降雨侵蝕系數(shù)單位的土壤流失率，反映了土壤抵抗雨滴擊濺或徑流沖刷作用的能力。根據(jù)西雙版納州環(huán)境監(jiān)測站提供的云南省典型土壤屬性及對應(yīng)的土壤可蝕性因子（表2），可得到研究區(qū)不同土壤質(zhì)地條件下的K值。

表2 土壤屬性及對應(yīng)土壤可蝕性因子Table 2 Soil properties and K values

2.4.3 地形因子

地形地貌是影響土壤侵蝕和水土保持措施的重要因素，坡度、坡長越大，徑流能量和徑流量越大，侵蝕作用越強[17]。坡長因子（L）和坡度因子（S）分別指在特定條件下，單位面積一定坡長/坡度土壤侵蝕量與標準坡長/坡度侵蝕量之比，常通過DEM 計算獲得。以DEM 為基礎(chǔ)，利用McCool 等[18]改進的坡長因子和卜兆宏等[19]提出的方法計算地形因子，見式（3）。式中：LS 為地形因子（m），λ為坡長，m為坡長指數(shù)。

2.4.4 植被覆蓋因子

植被覆蓋與管理因子（C）反映了植被覆蓋或作物管理措施對土壤侵蝕量的影響[20]，計算公式見式（4）～（6）。

歸一化植被指數(shù)（NDVI），又稱標準化植被指數(shù)，定義為近紅外波段（NIR）和可見光紅外波段（RED）數(shù)值之差和這2個波段數(shù)值之和比值

根據(jù)像元二分模型[21]，圖像中每個像元的NDVI 值可以看成植被覆蓋度部分（NDVIg）與無植被覆蓋部分（NDVI0）的加權(quán)平均，則得植被覆蓋度（fg）的公式，如下：

不同覆蓋度下的C值分段計算方法見式（6）。

2.4.5 土壤保持措施因子

水土保持措施因子是指采取水土保持措施后的土壤流失量與對應(yīng)的未采取任何水土保持措施的情況下順坡種植時的土壤流失量的比值，其值為0～1。本研究中的6 類土地利用類型所對應(yīng)的P值參考鐘德燕[22]和趙磊等[23]的研究成果。勐海縣各土地利用類型的水土保持措施因子P值見表3。

表3 各土地利用類型對應(yīng)的P 值Table 3 Corresponding P values of each land use type

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕時間變化分析

根據(jù)各因子的估算方法計算得到2009年和2016年勐海縣土壤侵蝕模數(shù)分別為812 t/（km2·a）和783 t/（km2·a），在退耕還林還草、生態(tài)紅線劃定、小流域綜合治理及相關(guān)水保治理措施下，土壤流失量呈減少趨勢，7 a 間共減少了3.75%，說明水土流失正在逐步改善。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》[14]將勐?？h的土壤侵蝕程度進行強度分級，結(jié)果見表4。由表4 可知，2009年，微度和輕度土壤侵蝕面積共計5 334.78 km2，占土壤侵蝕總面積的95.08%，中度土壤侵蝕面積為238.24 km2，占土壤侵蝕總面積的4.25%，強烈土壤侵蝕面積為37.88 km2，占土壤侵蝕總面積的0.68%；2016年，微度和輕度土壤侵蝕面積共計5 136.22 km2，占土壤侵蝕總面積的91.54%，中度土壤侵蝕面積為205.92 km2，占土壤侵蝕總面積的3.67%，強烈及以上土壤侵蝕面積共計268.76 km2，占土壤侵蝕總面積的4.79%。勐?？h的土壤侵蝕主要以微度和輕度侵蝕為主，各等級面積占比呈現(xiàn)隨侵蝕強度等級的增加而遞減的趨勢，7 a 間，土壤侵蝕向兩極化發(fā)展，輕度和中度侵蝕面積有所減少，減少率分別為37.96%和13.56%，微度和強烈有所增加，增加率分別為4.60%和178.47%，極強烈和劇烈侵蝕出現(xiàn)新增現(xiàn)象，分別新增112.22 km2和51.06 km2。

為了進一步研究勐?？h的土壤侵蝕轉(zhuǎn)移變化情況，將2 期的土壤侵蝕柵格數(shù)據(jù)進行疊加處理，可得到土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移矩陣，見表5。其中，微度侵蝕面積穩(wěn)定率最高，達到99.49%，輕度、中度、強烈侵蝕面積穩(wěn)定率分別為59.11%、10.43%、9.56%。輕度侵蝕主要轉(zhuǎn)為微度、中度、強烈侵蝕，轉(zhuǎn)出率分別為20.47%、26.68%、6.22%。中度侵蝕轉(zhuǎn)為各類侵蝕均有，但主要是向更高侵蝕等級轉(zhuǎn)移。強烈侵蝕主要轉(zhuǎn)為中度、極強烈、劇烈侵蝕，轉(zhuǎn)出率分別為5.70%、20.17%、10.26%。極強烈和劇烈侵蝕均由中度和強烈侵蝕共同轉(zhuǎn)移而來。

表4 勐海縣土壤侵蝕等級Table 4 Soil erosion grade in Menghai County km2

表5 勐?？h2009—2016年土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Transfer matrix of soil erosion grade in Menghai County from 2009 to 2016 km2

3.2 土壤侵蝕空間變化分析

勐海縣的不同地區(qū)不同年份土壤侵蝕強度分級見表6。從土壤侵蝕面積來看，土壤侵蝕面積最廣區(qū)域為布朗山鄉(xiāng)，侵蝕面積為1 203.52 km2，其次為西定鄉(xiāng)，侵蝕面積為591.55 km2，土壤侵蝕面積較小區(qū)域為打洛鎮(zhèn)、勐海鎮(zhèn)、勐混鎮(zhèn)，侵蝕面積分別為385.21、357.58、352.55 km2，土壤侵蝕面積最小區(qū)域為格朗和鄉(xiāng)，侵蝕面積為340.73 km2。總體來看，土壤侵蝕呈現(xiàn)東南、西北高，東北、西南、中部低的分布狀態(tài)，從土壤侵蝕強度面積占比來看，土壤侵蝕最嚴重的是勐滿鎮(zhèn)，強烈及以上侵蝕面積由2009年的3.42 km2增至51.52 km2，侵蝕面積占比由2009年的0.76%增至11.49%，其次為西定鄉(xiāng)，由2009年的5.12 km2增至65.17 km2，侵蝕面積占比由2009年的0.87%增至11.02%；土壤侵蝕最輕微的是勐往鄉(xiāng)，微度和輕度侵蝕面積由2009年的449.36 km2增至453.72 km2，侵蝕面積占比由2009年的98.5%增至99.46%，其次為打洛鎮(zhèn)，微度和輕度侵蝕面積由2009年的378.83 km2增至380.86 km2，侵蝕面積占比由2009年的98.34%增至98.87%。7 a 間，勐宋鄉(xiāng)出現(xiàn)極強烈土壤侵蝕現(xiàn)象，勐滿鎮(zhèn)、格朗和鄉(xiāng)、布朗山鄉(xiāng)、西定鄉(xiāng)出現(xiàn)極強烈和劇烈土壤侵蝕現(xiàn)象。

表6 不同地區(qū)土壤侵蝕強度分級Table 6 Classification of soil erosion intensity in different areas

3.3 不同土地利用類型的土壤侵蝕分析

將2 期的土地利用類型和土壤侵蝕柵格數(shù)據(jù)分別進行疊加處理，可得到不同土地利用類型下的土壤侵蝕強度等級分布情況，見表7。從土壤侵蝕強度等級來看，旱地和園地有強烈及以上土壤侵蝕等級，并且強烈及以上土壤侵蝕面積有增加趨勢，旱地強烈及以上土壤侵蝕面積由2009年的16.46 km2增至108.07 km2，園地強烈及以上侵蝕面積由2009年的21.42 km2增至160.69 km2；林地最大侵蝕等級為中度侵蝕，并且中度侵蝕面積有減小趨勢，由2009年的116.83 km2減至80.36 km2；水田和水域只出現(xiàn)微度和輕度土壤侵蝕等級，并且微度和輕度土壤侵蝕面積有減小趨勢，水田微度和輕度土壤侵蝕面積由2009年的491.17 km2減至432.14 km2，水域微度和輕度土壤侵蝕面積由2009年的22.16 km2減至20.96 km2；建設(shè)用地僅發(fā)生微度土壤侵蝕等級，并且微度土壤侵蝕面積有增加趨勢，微度土壤侵蝕面積由2009年的37.91 km2增至56.91 km2。從總體土地利用類型來看，建設(shè)用地只發(fā)生微度土壤侵蝕，水田和水域以微度和輕度侵蝕為主，林地以中度及以下侵蝕為主，旱地和園地各種土壤侵蝕類型均有。研究區(qū)不同土地利用類型水土保持效益順序為建設(shè)用地＞林地＞水域＞水田＞旱地＞園地。

表7 勐海縣2009—2016年不同土地利用的土壤侵蝕強度表Table 7 Soil erosion intensity of different land use in Menghai County from 2009 to 2016

4 結(jié)論與討論

基于USLE 水土流失模型，定量估算并分析了勐?？h2009—2016年的土壤侵蝕動態(tài)變化和空間分布規(guī)律，并探討了不同土地利用類型下的水土保持效益，得出以下結(jié)論。

1）2009 年和2016年勐海縣土壤侵蝕模數(shù)分別 為812 t/（km2·a）和783 t/（km2·a），土 壤 侵蝕主要以微度和輕度侵蝕為主，各等級面積占比呈現(xiàn)隨侵蝕強度等級的增加而遞減的趨勢，土壤侵蝕向兩極化發(fā)展。

2）總體來看，土壤侵蝕呈現(xiàn)東南、西北高，東北、西南、中部低的分布狀態(tài)，其中，土壤侵蝕最嚴重的是勐滿鎮(zhèn)，應(yīng)作為水土流失防治的重點綜合治理區(qū)域。土壤侵蝕最輕微的是勐往鄉(xiāng)。

3）研究區(qū)不同土地利用類型水土保持效益順序為建設(shè)用地＞林地＞水域＞水田＞旱地＞園地。研究區(qū)水土保持效益的排序是基于土地利用類型不發(fā)生變化的情況下，而當土地利用類型發(fā)生變化時所產(chǎn)生的水土流失往往是顯著的。

勐?？h土壤侵蝕模數(shù)的降低以及土壤侵蝕等級分布表明多年來水土保持成效顯著，但土壤侵蝕向兩極化發(fā)展也預(yù)示著今后水土保持工作的重點應(yīng)該圍繞強烈及以上土壤侵蝕等級的治理上。土壤侵蝕呈現(xiàn)不同空間分布規(guī)律主要與地形起伏度有關(guān)。地形起伏度與土壤侵蝕狀況息息相關(guān)，已成為引起土壤侵蝕的一個主要原因[24]。地形越陡峭，土壤侵蝕越嚴重，反之亦然。近年來，地形起伏度廣泛用來評價土壤侵蝕敏感性[25]。位于中部區(qū)域的勐海鎮(zhèn)、勐遮鎮(zhèn)和勐混鎮(zhèn)，均是地形起伏較為平緩的壩子，其土壤侵蝕敏感性為輕度敏感或不敏感。其次，土壤類型直接反映土壤的含沙量、顆粒粗細、滲水速度、保水性和通氣性特征，決定土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，成為影響土壤可蝕性的關(guān)鍵因子。勐?？h境內(nèi)位于東北位置的勐往鄉(xiāng)和西南位置的打洛鎮(zhèn)土壤類型均為磚紅壤，其發(fā)育于熱帶雨林，是一種強富鋁化的酸性土壤，屬于地帶性土壤，分布面積較小[26]，土壤可蝕性較勐?？h境內(nèi)其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)不敏感，這與土壤侵蝕敏感區(qū)呈現(xiàn)東北、西南低的分布狀態(tài)相符。

建設(shè)用地的水土保持效益最好主要是由于建設(shè)用地在基建期存在的地表擾動會隨著施工期結(jié)束，土壤侵蝕敏感性也會逐漸降低。林地水土保持效益較好與研究區(qū)林地的面積占比最高有關(guān)。旱地比園地水土保持效益更好主要是與當?shù)剞r(nóng)業(yè)作物種植方式有關(guān)，近年來，勐?？h大力發(fā)展茶葉、甘蔗和云麻等作物種植，導(dǎo)致土地利用方式發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變。茶葉屬于灌木樹種，間接的使旱地變成次生林地，有一定的水土保持效益，甘蔗和云麻的種植密度和蓋度都比普通的作物高，有效減緩了水土流失量。此外，為追求農(nóng)業(yè)綜合效益，當?shù)匾恢北Ａ糸g作的傳統(tǒng)習(xí)慣，作物間作系統(tǒng)一般能通過有效確保地面覆蓋的連續(xù)性來保護土壤[27]。

通過對比2 期不同土地利用類型下的土壤侵蝕強度分布，旱地和園地出現(xiàn)極強烈和劇烈侵蝕現(xiàn)象，分析認為部分旱地和園地均由林地、水田和水域轉(zhuǎn)移而來，這幾種土地利用方式的轉(zhuǎn)變均會加劇水土流失。林地微度土壤侵蝕面積的減少、輕度侵蝕面積的增加主要與林地面積的轉(zhuǎn)出和橡膠林的發(fā)展有關(guān)。