库区土地侵蚀估算
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三峡库区生态环境面临的一个重要问题就是水土流失。20世纪80年代中期第一次全国水土流失遥感监测显示，三峡库区水土流失面积占土地总面积63％；2007年全国水土保持公报遥感调查显示，三峡库区水土流失面积占土地总面积48．5％［1］。目前，虽然不比西北黄土高原严重，但潜在的石质化威胁，则非前者可比［2］。大量的水土流失威胁到三峡工程及下游的生态安全，严重影响三峡工程的使用寿命和防洪发电功能的发挥。基于ArcGIS，采用修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）来估算三峡库区的土壤侵蚀量，以期为土壤侵蚀防治、合理利用土地提供依据。
1 材料与方法
1．1 研究区概况及数据来源
三峡库区是指长江三峡水利枢纽工程175m水位淹没所涉及的湖北省、重庆市20个县（市、区），幅员面积5．8×104 km2，其中重庆段总面积4．62×104 km2，湖段总面积1．18km2。地貌区划为板内隆升蚀余中低山，总体地势西高东低。库区内河谷平坝约占总面积的4．3％，丘陵占21．7％，山地占74％。库区处于中纬度，具有亚热带季风湿润地区的气候特征，整个库区四季分明，冬季微冷，夏季热而多雨。区内热量充足，年平均气温为15～18℃，年降水量为1 000～1 250mm。土壤以紫色砂页岩发育的紫色土和花岗岩发育的黄壤、黄棕壤为主。库区属亚热带常绿、落叶和针阔混交植物区，并混杂其他大陆成分。
1．2 研究方法
研究所用1995—2010年降雨资料来自中国气象科学数据共享服务网；库区90 m分辨率DEM、1∶400万土壤类型及分布数据和植被覆盖类型数据均来自“地球系统科学数据共享平台”；1∶25万土地利用数据来自武汉长江水利委员会长江科学院。目前，关于土壤侵蚀量的计算方法主要有外实地观测法、遥感解译法、模拟模型法［3］。模型模拟方法最具代表的就是Wischneier于20世纪60年代提出的USLE方程，经过2次修正后得到修正的通用土壤流失方程RUSLE［4］，RUSLE与USLE的结构相同，但引入了土壤侵蚀过程的概念，改进了各因子的含义和算法，因而使用范围更加广泛。RUSLE方程较为全面地考虑了土壤侵蚀的影响因素，其基本结构为：
借鉴以往研究经验，考虑数据的获取，采用仅需年降雨量和月降雨量数据的经典雨量型简易算法Wischmeier经验公式［5］计算R值，此时得到的是空间上离散的年降雨侵蚀力，需利用ARC／INFO软件的空间插值功能，采用克里金插值法，将年降雨侵蚀力从点值转换成面值，制作空间上连续的年降雨侵蚀力因子图层。以RUSLE手册中的坡长坡度因子算法为主，兼顾考虑陡坡地坡度因子计算。借鉴王宁对松花湖流域的研究结果及其他成果［6－7］，采用坡长指数的方法计算坡长因子L。土壤侵蚀量对坡度较敏感，RUSLE方程在缓坡地的模拟较准确，通用土壤流失方程允许计算的最大坡度为18％，而研究区域坡度超过18％的土地面积达到40．36％，因此，坡度因子S的计算借鉴刘宝元［9］对9％～55％的陡坡地土壤侵蚀的研究成果。利用ArcGIS软件从90m分辨率的DEM数据中提取三峡库区的坡长、坡度栅格图层，然后根据坡长坡度因子的计算式，利用ArcGIS的空间分析功能，对栅格图层进行计算，得到坡长坡度因子图层。以Sharply等［9－10］的K因子算法为主，参考国内学者对南方紫色土、黄壤、黄棕壤等土壤可蚀性研究成果，最终确定三峡库区不同土壤类型的可侵蚀性因子K值（见表1），并利用ArcGIS的空间分析功能确定三峡库区土壤可蚀性分布图。在不同的侵蚀影响因素下土壤侵蚀情况不同，为了进行比较分析，需要一个综合指标，其大小可以反映各影响因素下土壤受侵蚀的严重程度，可用土壤侵蚀的综合指数（INDEX）［13］来表示，计算公式如下：式中：Wij为第i类第j级的土壤侵蚀强度的分级值；Aij为第i类 第j级 的 土 壤 侵 蚀 强 度 的 面 积比例。
土壤侵蚀强度等级的分级值划分如下：侵蚀中的微度、轻度、中度、强度、极强和剧烈的分级值分别为0、2、4、6、8、10。其分级值越大说明对土壤侵蚀综合指数的贡献也就越大。
2 结果与分析
通过上述方法获得土壤侵蚀模型所需因子的栅格分布图层之后，利用ArcGIS软件的栅格计算功能，按照RUSLE方程，对各因子进行空间图层运算，得到三峡库区1995—2010年年均土壤侵蚀模数分布图，见图1。对三峡库区年均土壤侵蚀状况进行统计分析，结果见表3。
2．1 土壤侵蚀空间及其统计分析
由图1可以看出，三峡库区重庆段的开县、巫溪县、云阳、奉节、巫山以及武隆县，湖北段的兴山县和秭归县土壤侵蚀最严重，局部地区的平均侵蚀模数达到22 139．94t／（km2•a）以上；其次为重庆段的丰都、石柱、万州也较为严重。强度侵蚀面积为4 606．63km2，占总面积的6．52％；有3 440．32km2和2 147．31km2分别属极强侵蚀和剧烈侵蚀，分别占总面积的4．87％和3．04％。分析主要原因是因为这些地区降雨侵蚀力强；地形高差较大；土壤类型以黄壤、黄棕壤、其可蚀性也比较敏感；植被类型以林地、草地为主，水土保持能力低。此外，开县、云阳、奉节、万州等是库区移民搬迁建设工程最为集中的地区，大量人为活动及其农业陡坡旱作，从而导致这些地区土壤侵蚀比较严重。
另外可以看出，微度和轻度的流失面积比例最大，共达到68．57％，面积为48 438．66km2，但其土壤侵蚀量仅为19．45％，水土流失量小。从图1可以看出，三峡库区东部和西部地区土壤侵蚀较轻，这些地区地形起伏小，由降雨造成的侵蚀力弱，虽然这些地区以旱地为主，植被覆盖与水土保持措施因子敏感，但其不是造成土壤侵蚀的主要动力，因此影响较小。中度土壤侵蚀面积达12 003．04km2，占总面积的17％，土壤侵蚀量为库区侵蚀总量的21．88％，这些地区主要受人类不合理活动干扰的影响。
2．2 不同坡度条件下土壤侵蚀分布特征分析
将土壤侵蚀模数图与坡度图进行叠加和统计分析，得到三峡库区不同坡度条件下不同侵蚀强度的数据，进而计算出各个坡度条件下的土壤侵蚀综合指数（表4）。 从表4可以看出，三峡库区土壤侵蚀最严重的区域为坡度大于35°的地区，其侵蚀综合指数为544．14，远大于其他坡度等级，强度以上等级侵蚀面积占该区面积的59．63％，同时该区极强度侵蚀所占的比例较大，达到了11．70％。其次为25°～35°地区，强度以上等级侵蚀面积占到了该区域面积的19．61％，该区中度侵蚀所占的比例最大，达到62．28％。而在坡度小于8°的地区，土壤侵蚀为微度侵蚀和轻度侵蚀，土壤侵蚀综合指数最小，为31．40。通过分析可以看出，侵蚀综合指数随着坡度的增加而增大，随着坡度的增加强度以上侵蚀所占的比例也逐渐增大。
2．3 不同土地利用类型的土壤侵蚀分布特征分析
三峡库区以林地面积最大，占库区总面积的46．71％；其次为旱地，占27．42％；再次为草地和水田，各占12．77％和10．92％。由于水域、居民点及建设用地、裸岩石砾地所占的面积很小，这里不做统计。将三峡库区土地利用现状图与土壤侵蚀空间图进行空间叠加和统计，得到不同土地利用类型下土壤侵蚀情况，然后再计算出土壤侵蚀综合指数，结果见表5。 库区土壤侵蚀严重程度是旱地＞草地＞林地。库区旱地不仅面积所占比例大，其侵蚀综合指数也是最大，达到了450．50，且强度以上等级侵蚀所占的比例也较大，其中强度和极强度侵蚀占旱地总面积的31．06％，剧烈侵蚀占11．12％，是库区需要重点加强水土保持的区域。林地以微度侵蚀与轻度侵蚀为主，占林地总面积的75．38％，中度侵蚀面积占19．99％、强度与极强度侵蚀占4．63％；草地面积占库区总面积的12．77％，强度以上侵蚀占草地总面积的5．57％，其土壤侵蚀也是以轻度和微度侵蚀为主，分别占草地总面积的46．73％和26．47％，中度侵蚀占21．23％，其侵蚀综合指数为212．84。水田以微度侵蚀为主，可以忽略。总的说来，旱地地区土壤侵蚀严重，需重点治理。
2．4 不同土壤类型的土壤侵蚀分布特征分析
由表6知，土壤侵蚀指数最高的是暗黄棕壤和石灰（岩）土，分别是300．58和291．32，强度以上等级侵蚀所占比例也较大，分别为17．39％和15．20％，说明这2类土壤上的土壤侵蚀最为严重。接下来黄壤侵蚀也较为严重，其侵蚀综合指数为262．10，强度以上等级侵蚀所占比例为16．20％；紫色土侵蚀综合指数虽然不算过高，但紫色土面积大，占库区总面积的39．61％，强度以上级别侵蚀所占比例为14．05％，也是库区需要重点治理的范围。其他土壤侵蚀综合指数依次为紫色土、棕壤、水稻土、黄棕壤。
3 结 论
1）根据对三峡库区土壤侵蚀遥感定量监测结果，三峡库区年均土壤侵蚀量为18 476．27×104 t／a，平均土壤侵蚀模数为3 316．53t／（km2•a），属于中度侵蚀。模拟数量结果与遥感监测的结果相差不大，说明研究所采取的模型和因子算式相对合理，可为进一步模拟年非点源污染负荷奠定基础。2）三峡库区土壤侵蚀以微度、轻度侵蚀为主，占库区总面积的67．69％。从中度侵蚀到剧烈侵蚀，随着侵蚀等级的增加面积不断缩小。强度以上侵蚀面积虽然只占库区总面积的14．43％，但侵蚀量却占库区侵蚀总量的58．67％，是预防和治理水土流失的重点区域。3）库区土壤侵蚀严重地区主要分布在重庆段东部，湖北段的西部；重庆段西部及湖北段东部侵蚀较轻；万州以下至秭归、兴山县是侵蚀最为严重的区域，要加强治理工作。4）通过土壤侵蚀综合指数的计算，反映出了三峡库区各侵蚀影响因子内部土壤侵蚀程度的差异，在不同坡度等级中，坡度大于35°的土壤侵蚀最强；不同的土地利用类型上，旱地侵蚀最为严重；在各种土壤类型中，暗黄棕壤和石灰（岩）土的侵蚀最为突出。