山區(qū)地形因子尺度依賴性及其對水土流失評價的影響研究
——以江西省崇義縣為例

廖元群，廖富強，萬小星，齊述華

(1.江西師范大學 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室/地理與環(huán)境學院，江西 南昌 330022；2.江西省水政監(jiān)察總隊，江西 南昌 330009)

水土流失是在外營力(水力、風力、重力、凍融張縮力等)作用下，土壤物質剝離、遷移或沉積的過程。水土流失的發(fā)生主要是地形、土壤、降雨、植被及土地利用方式等多因子共同作用的結果[1-2]。目前，常用于區(qū)域水土流失評價的經驗模型有USLE、RUSLE和CSLE。2018年水利部印發(fā)了《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術規(guī)定(試行)》，要求采用CSLE模型開展全國全覆蓋的水土流失動態(tài)監(jiān)測。地形因子是CSLE模型中的重要參數(shù)，包括坡長因子(L)和坡度因子(S)，其中：L是指其他條件一致的情況下，某種坡長坡面土壤侵蝕量與22.13 m坡長坡面土壤侵蝕量的比值[3]；S是指降雨、土壤、坡長、地表狀況等條件一致的情況下，某坡度下坡面土壤侵蝕量與坡度為5.14°時坡面土壤侵蝕量的比值[3]。

研究人員對地形因子的計算方法及其尺度依賴性進行了研究。梁曉珍等[4]分別利用分段坡長法和匯流面積法計算L、S因子值，并分析了不同方法計算的L因子值及其對水土流失評價的影響；矯欣航[5]利用同一地形資料空間內插重采樣成不同空間分辨率DEM，分析不同分辨率的DEM計算的L、S因子值對水土流失評價的影響；羊秀娟等[6]利用GDEMDEM和SRTM DEM重采樣為不同分辨率，分析地形因子的分辨率對水土流失評價的影響；李新艷[7]分析了不同地貌區(qū)的宏觀和微觀地形因子對區(qū)域水土流失評價的影響；LU Shaojuan et al.[8]比較了5種地形數(shù)據(jù)計算的L、S因子值。上述成果主要集中于研究不同地形因子提取方法、不同分辨率和不同地貌區(qū)的地形因子與土壤侵蝕的關系，而對山地地貌區(qū)不同尺度地形因子及其對區(qū)域水土流失評價結果的影響研究較少?；谏鲜鲅芯勘尘?，本研究選擇山地特征明顯的崇義縣，分別利用1∶1萬、1∶5萬地形圖和ASTER GDEM數(shù)據(jù)，比較山地條件下L、S因子的尺度依賴性及其對區(qū)域水土流失評價結果的影響，希望能為山區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測提供參考。

1 研究區(qū)概況

崇義縣地處江西省西南邊陲，隸屬贛州市，位于東經113°55′～114°38′、北緯25°24′～25°55′之間，東西長約73 km，南北寬約59 km，國土總面積2 197 km2，東與南康區(qū)接壤，南與大余縣和廣東省仁化縣相交，西與湖南省汝城縣、桂東縣毗鄰，北與上猶縣交界。全縣地勢由西南向東北方向傾斜，按地貌特征分為中山、低山、高丘陵、河谷階地4種類型，見圖1。

圖1 研究區(qū)概況

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 土地利用數(shù)據(jù)

利用高分一號衛(wèi)星2 m分辨率光學遙感影像，依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)制定的分類體系，以人工目視解譯為主，生成崇義縣土地利用空間分布數(shù)據(jù)。

2.2 地形數(shù)據(jù)及L、S因子計算

在利用崇義縣1∶1萬、1∶5萬等高線高程數(shù)據(jù)和ASTER GDEM30 m空間分辨率的柵格高程數(shù)據(jù)，通過反距離加權算法重采樣，插值生成10 m空間分辨率DEM數(shù)據(jù)的基礎上，利用符素華等[3]研發(fā)的地形因子軟件計算L、S因子值。該算法充分考慮了坡耕地的特點，結合MCCOOL提出的公式[9]和LIU Baoyuan提出的公式[10]計算S因子，計算公式為

(1)

式中：θ為坡度，(°)；S為坡度因子，取值范圍為[0, 9.99]。

采用FOSTER et al.[11]提出的分段坡長法計算柵格中每個像元的坡長因子值，計算公式[12]為

(2)

其中

(3)

上兩式中：Li為第i個柵格的坡長因子；λi、λi-1分別為第i個和第i-1個坡段的坡長，m；m為坡長指數(shù)。

2.3 CSLE模型

采用劉寶元等[12]提出的中國土壤流失方程CSLE模型，計算公式為

A=R·K·L·S·B·E·T

(4)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·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)；B為植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

其中：R、K因子數(shù)據(jù)來自水利部信息中心；采用Landsat-8衛(wèi)星獲取的光學影像計算的NDVI和MODIS 16天合成23時相NDVI數(shù)據(jù)產品，通過融合法計算24個半月尺度的NDVI，再按照像元二分模型計算植被覆蓋度，分別計算園地、林地和草地的B因子值；依據(jù)高分衛(wèi)星遙感影像提取的水土保持工程措施確定E因子值，研究區(qū)提取的工程措施主要有土坎水平梯田、水平階(反坡梯田)和地埂，分別賦值為0.084、0.151和0.347；依據(jù)《中國耕作制度70年》，崇義縣屬于南嶺丘陵山地水田旱地二熟三熟區(qū)，耕地的耕作措施因子賦值0.338。

3 結果與分析

3.1 不同地形數(shù)據(jù)的地形特征差異

坡度是地形特征的要素，坡度的大小直接影響地表的物質流動與能量轉換的規(guī)模與強度[6]。按照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)中的坡度分級標準，將坡度分為6級(0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°)，以1∶1萬、1∶5萬和ASTER地形數(shù)據(jù)進行坡度分析，結果見圖2。從圖2可以看出：作為山區(qū)縣，崇義縣8°～35°坡度帶分布面積較大；在0°～15°緩坡帶，1∶1萬地形數(shù)據(jù)土地面積大于ASTER和1∶5萬；在≥25°陡坡度帶，1∶5萬地形數(shù)據(jù)土地面積明顯大于ASTER和1∶1萬；1∶1萬和1∶5萬高程數(shù)據(jù)中，比例尺越大，計算的平均坡度越小，陡坡區(qū)分布面積占比越小。

圖2 不同地形數(shù)據(jù)坡度分級面積分布

依據(jù)崇義縣地形地貌特點，將高程分為4個等級(表1)：低丘及河谷階地(<300 m)、高丘(300～500 m)、低山(500～1 000 m)和中山(1 000～3 500 m)。分別統(tǒng)計各級高程面積，結果表明3種地形數(shù)據(jù)在各高程帶的分布面積相近。

表1 不同地形數(shù)據(jù)高程面積分級

3.2 不同地形數(shù)據(jù)計算的坡長因子差異

根據(jù)崇義縣坡長因子空間分布(圖3)，統(tǒng)計分析不同地形數(shù)據(jù)計算的L因子頻率分布(圖4)。坡長因子分級面積占比計算結果見表2。結果表明：基于1∶1萬、1∶5萬和ASTER地形數(shù)據(jù)計算的L因子平均值分別為1.78、1.69、1.63，離差系數(shù)分別為0.48、0.54、0.62；在L因子1.0～1.5和≥2.5分級范圍內的面積占比均表現(xiàn)為1∶5萬>ASTER>1∶1萬，且在0.5～1.0的分級范圍內1∶5萬、ASTER地形數(shù)據(jù)面積占比均為0；在L因子1.5～2.0分級范圍內的面積占比1∶1萬>1∶5萬>ASTER。

表2 坡長因子分級面積占比

圖3 崇義縣不同地形數(shù)據(jù)計算的L因子空間分布

圖4 崇義縣不同地形數(shù)據(jù)計算的L因子頻率分布

3.3 不同地形數(shù)據(jù)計算的坡度因子差異

根據(jù)崇義縣坡度因子空間分布(圖5)，統(tǒng)計分析不同地形數(shù)據(jù)計算的S因子頻率分布(圖6)。坡度因子分級面積占比計算結果見表3。結果表明：基于1∶1萬、1∶5萬和ASTER地形數(shù)據(jù)計算的S因子平均值分別為2.66、3.93、3.04，離差系數(shù)分別為0.56、0.41、0.52；1∶1萬地形數(shù)據(jù)S低值區(qū)的面積占比高，1∶5萬地形數(shù)據(jù)S高值區(qū)的面積占比高；1∶1萬地形數(shù)據(jù)中85.66%的區(qū)域S<7.5，1∶5萬地形數(shù)據(jù)中77.50%的區(qū)域S>4.5，ASTER地形數(shù)據(jù)中S值在各分級范圍內分布較為均勻。

圖5 崇義縣不同地形數(shù)據(jù)計算的S因子空間分布

圖6 崇義縣不同地形數(shù)據(jù)計算的S因子頻率分布

表3 坡度因子分級面積比例

3.4 基于不同地形數(shù)據(jù)計算的水土流失面積差異

根據(jù)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術規(guī)定(試行)》，各土壤侵蝕因子重采樣為10 m空間分辨率，分別利用不同來源DEM計算的地形因子，以CSLE模型計算土壤侵蝕模數(shù)。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，將土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕等6個等級，其中輕度及以上侵蝕區(qū)為水土流失區(qū)。根據(jù)崇義縣土壤侵蝕強度空間分布(圖7)，統(tǒng)計不同侵蝕強度面積(表4)，結果表明：3種地形數(shù)據(jù)評價的崇義縣水土流失面積均以輕度侵蝕為主，但地形數(shù)據(jù)的差異對水土流失強度評價的結果影響顯著，水土流失面積1∶5萬>ASTER >1∶1萬。

表4 土壤侵蝕面積 km2

圖7 崇義縣不同地形數(shù)據(jù)計算的土壤侵蝕強度空間分布

利用坡度與土壤侵蝕強度進行疊加分析，結果見圖8。從圖8可以看出，崇義縣以輕度侵蝕為主，主要分布在15°～35°坡度帶；1∶1萬和ASTER地形數(shù)據(jù)計算的土壤侵蝕強度在各坡度帶分布的面積比例較相近；從各坡度帶的土壤侵蝕分布情況看，1∶5萬地形數(shù)據(jù)計算的中度以上侵蝕比1∶1萬和ASTER地形數(shù)據(jù)均高一個坡度帶等級。結果說明，在崇義縣坡度是影響水土流失強度的重要因素。

圖8 不同坡度帶水土流失面積占比

利用高程與土壤侵蝕強度進行疊加分析，結果見圖9。從圖9可以看出，崇義縣土壤侵蝕主要分布在300～1 000 m高程帶；1∶1萬和ASTER地形數(shù)據(jù)計算的極強烈以上侵蝕在各高程帶分布的面積比例較相近；1∶5萬和ASTER地形數(shù)據(jù)計算的中度和強烈侵蝕在各高程帶分布的面積比例較相近。

圖9 不同高程帶水土流失面積占比

4 結 論

以崇義縣為例，分別采用1∶1萬、1∶5萬和ASTER地形數(shù)據(jù)計算L、S因子值和土壤侵蝕模數(shù)，探討山區(qū)條件下地形因子的尺度依賴性及其對水土流失評價的影響，得到以下結論：

(1)1∶1萬地形數(shù)據(jù)計算的L因子主要分布在2.0～2.5分級范圍內，1∶5萬地形數(shù)據(jù)計算的L因子主要分布在1.0～1.5、2.0～2.5分級范圍內，ASTER地形數(shù)據(jù)計算的L因子主要分布在<0.5、2.0～2.5分級范圍內。

(2)1∶1萬地形數(shù)據(jù)計算的S因子主要分布在中低值區(qū)，1∶5萬地形數(shù)據(jù)計算的S因子主要分布在中高值區(qū)，ASTER地形數(shù)據(jù)在各分級分布較為均勻。

(3)不同地形因子的尺度效應對水土流失評價結果影響較大，不同地形因子計算的水土流失面積1∶5萬>ASTER>1∶1萬。從坡度、高程與土壤侵蝕的關系看，在不同坡度帶和高程帶中，不同地形因子數(shù)據(jù)計算的土壤侵蝕空間分布具有一致性，各強度等級間的土壤侵蝕空間分布存在差異。