基于RUSLE 模型的安徽郎溪縣土壤侵蝕時空變化及其影響因素分析

聶澤棟，蔡士雪

（安徽省地球物理地球化學勘查技術院，安徽合肥 230022）

0 引言

土壤是生物的棲息地，也是糧食生產的主要自然資源，受人為活動和自然變更的影響，土壤資源的質量和生產力逐漸退化［1］。土壤侵蝕作為土地退化的表現形式，時刻威脅著全球的水和糧食安全，是影響各國經濟和民生的突出災害之一［2-3］。而長期且持續性地進行不合理的退耕還林、土地基礎設施開發和其他人為活動對環境的負面影響將加速土壤侵蝕的進程。Keesstra等［4］曾預測，到2050年，全球將有90%以上的土壤可能會發生退化。因此，評估土壤侵蝕風險對于管理者實施旨在減輕土壤資源流失而進行的土地利用決策至關重要。目前，全球已開發出多個模型可用于土壤侵蝕的評估，其中修正的通用土壤流失方程（RUSLE 模型）應用最為廣泛，且該模型已多次應用于全球性土壤侵蝕風險評估和土壤流失統計相關研究中［5-6］。在RUSLE 模型中，主要考慮了5 個因素，分別為降水侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被覆蓋與管理因子以及水土保持措施因子，該模型可以通過詳細的空間評估和大區域內的特征來進行土壤侵蝕的估算及風險預測。在過去二十年左右，中國為了控制土壤侵蝕問題的惡化，實施了如“退耕還林”和”三北防護林”等生態恢復措施，均取得了較好的效果。本文的研究區域郎溪縣位于皖南丘陵山區，目前已有多個學者在皖南山區進行了土壤侵蝕評估。趙明松等［7］曾指出，在1980 年、2000 年和2010 年間皖南丘陵山區的土壤侵蝕量呈現逐漸遞減的趨勢；管禮松等［8］曾估算出皖南山區的土壤侵蝕變化在2000—2018年呈先增后減的趨勢。根據《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190—2007）的規范劃分，郎溪縣的土壤侵蝕類型為水力侵蝕，受降水影響較大；Makaya等［9］也曾指出土壤流失的顯著增加與降水量的增加有關。而2020年由于極端降水，全國多個地區的洪澇災害頻發，雨水和洪流對土壤的沖刷強度也相應增大，因此，有必要對2020年郎溪縣土壤侵蝕進行評估與監測，以響應可持續發展目標。

本文基于RUSLE 模型、GIS 技術與RS 技術獲取了2020 年郎溪縣土壤侵蝕空間分布，并與2010 年的土壤侵蝕空間分布進行動態分析，探究極端降水事件對郎溪縣土壤侵蝕的影響。此外，本文還將2011—2020 年10 年間計算獲取的各結果的均值記為（2011—2020）年的結果，比如將2011—2020 年共10 年的郎溪縣土壤侵蝕模數的均值記為2011—2020 年土壤侵蝕模數，然后與2010 年土壤侵蝕進行對比分析，進而探究長時序、常態化下郎溪縣土地管理和資源保護措施的合理性，為郎溪縣土地資源管理決策提供參考。

1 研究區概況

郎溪縣地理位置位于安徽省沿江平原與皖南山區的交界部分，根據第三次全國土地利用現狀調查成果，郎溪縣現有土地面積約為1 100.73 km2。如圖1所示，全縣以平原區域為主，平原區域主要位于北部和中部沿郎川河主、支流和南漪湖東岸，而東部邊緣和南部為地形起伏的山區和丘陵，其中東北側為天目山余脈，南部地勢整體較高。境內屬北亞熱帶濕潤季風氣候區，降水量充沛，在2010—2020 年11 年間的年均降水量范圍為1 072.68~1 561.50 mm，且相較于平原區域，郎溪縣丘陵山區的降水強度更大。

圖1 郎溪縣區域概況Figure 1.Overview of Langxi County

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源介紹與處理

本文降水數據來源于國家青藏高原科學數據中心（http://data.tpdc.ac.cn/）提供的“中國1 km 分辨率逐月降水量數據集（1901—2020）”［10］；土壤有機碳含量和土壤質地數據分別來源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據中心（http://www.geodata.cn/）和中國科學院地理科學與資源研究所（https://www.resdc.cn/）［11-12］；DEM 高 程 數 據 來 源 于ASF DAAC（https://search.asf.alaska.edu/）平臺提供的12.5 m分辨率的ALOS DEM 產品；用于計算植被覆蓋度的遙感數據來源于GEE 平臺上的Landsat TM/OLI 影像；土地利用類型數據為武漢大學提供的CLCD 數據集（https://zenodo.org/record/）［13］。

其中，土壤和DEM 高程數據相對靜態，而由于降水和植被生長的自然模式，降水數據、用于計算植被覆蓋度的Landsat 數據及土地利用類型數據在各年份均不斷地發生變化，因此，根據研究目的，本文分別獲取了2010—2020年共11年的長時間序列降水、Landsat及土地利用類型數據，為生產出30 m 分辨率的郎溪縣土壤侵蝕空間分布，將所有數據的柵格尺寸統一為30 m。

2.2 土壤侵蝕計算與各因子分析

RUSLE 是目前廣泛使用的評估土壤侵蝕的模型，該模型基于5個主要因子的加權影響進行評估，即降雨、土壤類型、地形、植被覆蓋和土地利用。RUSLE模型公式如下：

式中：A為年土壤侵蝕量，單位為t/（ha·a），需乘以100，將其單位轉換為t/（km2·a）；R為降水侵蝕力因子，MJ·mm/（ha·h·a）；K為土壤可蝕性因子，t·ha·h/（ha·MJ·mm）；LS為地形因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。其中LS、C和P子為無量綱。

本文根據數據獲取情況，基于動態變量R、C、P和固定變量K、LS分別計算了2010—2020 年共11 年的郎溪縣土壤侵蝕量，并獲取2010 年、2020 年及2011—2020年的30 m分辨率的土壤侵蝕空間分布。

2.2.1 降水侵蝕力因子（R）

降水的強度、數量對土壤損失的影響可通過降水侵蝕力因子（R）反映，R是降水的指數函數表示，因此，極端降水事件發生頻率的增加將顯著地促進土壤的水力侵蝕程度［14-15］。

本文統計了郎溪縣2010—2020 年每年的年均降水量以及2011—2020 年的年均降水量（圖2）。從圖2中可以看出，除2015 年，由于強降水事件，2020 年的年均降水量明顯高于周圍年份的年均降水量，其值為1 493.75 mm。

圖2 2010—2020年及2011—2020年均降水量直方圖Figure 2.Histogram of average annual precipitation in 2010—2020 and 2011—2020

通過對比各種方法以及考慮可獲取的降水數據的精度和尺度問題，本文選取由Wischmeier［16］提出的基于月尺度的降水因子計算公式，該計算方法已在世界范圍內進行了廣泛的使用。郎溪縣2010 年、2020年及2011—2020 年的R分布如圖3 所示，其中2011—2020 年 對 應 的R值 為2011—2020 年10 年 間R值 的均值。

2010 年、2020 年與2011—2020 年的R統計結果見表1。從圖3 和表1 可以看出，2020 年由于極端降水，該年份的降水侵蝕力R大于2010 年和2011—2020年，最高值可達7 740.752 MJ·mm/（ha·h·a）。

表1 2010年、2020年及2011—2020年郎溪縣R平均值［MJ·mm/（ha·h·a）］統計表Table 1.Statistics of averages of R［MJ·mm/（ha·h·a）］in Langxi County in 2010,2020 and 2011—2020

2.2.2 土壤可蝕性因子（K）

K表示不同土壤特性（即土壤結構和有機質含量）以及人類活動對土壤侵蝕敏感性的響應程度，較高的K值則表明土壤對土壤侵蝕的敏感性較高［1,17］。本文利用Williams 等［18］在EPIC 模型中的計算方法獲取了郎溪縣的K分布結果，如圖4（a）所示。從圖4（a）可以看出，郎溪縣東北側和西南側山區的K值普遍較低，表明該區域的土壤質地對水性侵蝕更具有抵御性。

圖4 郎溪縣K和LS分布圖Figure 4. K and LS distribution in Langxi County

2.2.3 地形因子（LS）

LS是評估地形對土壤侵蝕影響的重要參數，其中L和S分別表示坡長因子和坡度因子，LS為兩者的乘積，其中坡長越長、坡度越陡，土壤侵蝕率就越高［16］。本文根據獲取的DEM 數據進行了坡度、流向提取，并根據流向計算坡長，然后基于坡度和坡長計算郎溪縣的地形因子LS。由于郎溪縣東北側和西南側為低山、丘陵地區，綜合比較下，本文選擇了Wischmeier［16］提出的方法計算坡長因子，并根據劉斌濤等［19］提出的計算方法提取坡度因子。經計算，郎溪縣地形因子（LS）分布如圖4（b）所示。從圖4（b）可以看出，郎溪縣東北側和西南側丘陵山區由于高程較高且地勢復雜，使得該區域對應的地形因子相較于平原區域較大，最高值為4.158。

2.2.4 植被覆蓋與管理因子（C）和水土保持措施因子（P）

植被覆蓋與管理因子（C）表示土地植被覆蓋對降雨侵蝕的保護作用，是評估土壤侵蝕風險的重要因子之一［14］。C的范圍為0～1，一般情況下，C值越低，表明該區域保護程度越高，所受的土壤侵蝕風險越?。?,3］。本文基于GEE平臺使用長時間序列的Landsat數據經歸一化植被指數（NDVI）處理構建了郎溪縣2010—2020 年共11 期年均植被覆蓋度數據集，然后根據蔡崇法等［20］提出的方法建立植被覆蓋度與C之間的關系。其中2011—2020 年的植被覆蓋度取2011—2020 年10 年期間植被覆蓋度的均值，經計算，2010年、2020年及2011—2020年的C分布如圖5所示。

圖5 2010年、2020年及2011—2020年郎溪縣C分布圖Figure 5.C distribution in Langxi County in 2010, 2020 and 2011—2020

水土保持措施因子（P）越接近于0，表明該區域的保護措施越好［14］?；谘芯磕康?，本文下載了郎溪縣2010—2020 年共11 期土地利用類型數據，然后根據郎溪縣土地利用情況，參考以往安徽省土壤侵蝕的研究，將P值的設置見表2［7］。其中見2011—2020年的P值取2011—2020 年10 年期間P的均值，經計算2010年、2020年及2011—2020年的P分布如圖6所示。

表2 不同土地利用類型對應的水土保持措施因子（P）Table 2. P of soil and water conservation measures corresponding to different land use

圖6 2010年、2020年及2011—2020年郎溪縣P分布圖Figure 6. P distribution in Langxi County in 2010, 2020 and 2011—2020

為探析2010年至2020年11年間郎溪縣土地管理措施下植被覆蓋和水土保持的變化，本文統計了2010年、2020 年及2011—2020 年郎溪縣植被覆蓋度（f）、C和P的均值，見表3。結合圖5、圖6 和表3 可以看出，郎溪縣整體植被覆蓋度逐漸增大，C和P逐漸減小，說明郎溪縣在2010—2020 年間的生態管理方面取得了一定的成效。

表3 2010年、2020年及2011—2020年郎溪縣植被覆蓋度（f）平均值、C平均值和P平均值統計Table 3.Statistics of averages of vegetation coverage（f）,C and P in Langxi County in 2010, 2020 and 2011—2020

3 結果與分析

本文基于RUSLE 模型獲取了2010 年、2020 年及2011—2020 年郎溪縣的土壤侵蝕空間分布，并按照《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190—2007）規范要求，繪制了2010 年、2020 年及2011—2020 年的土壤侵蝕等級分布圖（圖7），對應的土壤侵蝕等級的統計信息見表4。

表4 2010年、2020年及2011—2020年郎溪縣土壤侵蝕統計表Table 4.Statistics of soil erosion in Langxi County in 2010, 2020 and 2011—2020

圖7 2010年、2020年及2011—2020年郎溪縣土壤侵蝕等級分布Figure 7.Distribution of soil erosion levels in Langxi County in 2010, 2020 and 2011—2020

3.1 2010—2020年土壤侵蝕變化分析

由于郎溪縣2020年汛期暴雨頻繁，因此探究郎溪縣2010 年與2020 年土壤侵蝕強度的時空變化，有利于對強降水事件引起的土壤侵蝕進行監測，并在未來出現類似強降水事件時有助于管理者做好相應的預防管理措施。如圖7 所示，從整體上，郎溪縣2020 年土壤侵蝕強度大于2010年土壤侵蝕強度。其中，2010年與2020 年具有中度侵蝕等級及以上的侵蝕區域主要分布于郎溪縣東北側和西南側的丘陵山區；而對于2020 年，通過結合2.2.4 節所述，該年份郎溪縣東北側和西南側的丘陵山區植被密集，植被覆蓋度增高，因此在丘陵山區中具有中度侵蝕等級及以上的侵蝕區域相較于2010年減少，而微度侵蝕與輕度侵蝕區域增多。由表4可見，2010年與2020年的平均土壤侵蝕模數分別為549.148 t/（km2·a）和704.924 t/（km2·a），差值約155 t/（km2·a），2010 年與2020 年水土流失（輕度侵蝕等級及以上）面積分別為333.836 km2和694.418 km2，占全縣總面積的30.3%和63.1%，與2010 年相比，2020 年水土流失面積增加了108%。且從表3 可以看出，2010年的C值和P值均大于2020年，因此，在R不變的情況下，按照RUSLE 模型的計算方法，2010年的土壤侵蝕強度應大于2020 年。然而，由于2020年的強降水事件，2010 年的R值明顯小于2020 年，使得最終2010 年的土壤侵蝕強度小于2020 年，這說明強降水事件對該區域土壤侵蝕的影響顯著，其對土壤侵蝕的影響力度大于C與P的綜合作用，這也與R是降水的指數函數表示有關。

從表4 還可以得出，郎溪縣2010 年所有土壤侵蝕等級所占面積均隨著侵蝕等級的加大而減小，其中，微度侵蝕所占比例最大，約為全縣總面積的69.7%，其次是輕度土壤侵蝕等級，約占全縣總面積的27.3%，而2020 年土壤侵蝕等級中，輕度侵蝕所占比例最大，約為全縣總面積的60.2%，其次是微度侵蝕，約為全縣總面積的36.9%，但無論是2010 年還是2020 年，微度侵蝕和輕度侵蝕占比均遠大于其他侵蝕等級。值得注意的是，2010年中度侵蝕等級及以上的區域占全縣面積約為3.08%，與2020 年中度侵蝕以上的占比（2.90%）接近，甚至大于2020 年，這在一定程度上說明強降水事件對郎溪縣土壤侵蝕加劇的影響主要集中在微度和輕度侵蝕層面上，即強降水的沖刷使得土壤侵蝕等級逐漸由微度侵蝕向輕度侵蝕轉變。

為進一步分析2010 年與2020 年之間郎溪縣土壤侵蝕的變化，本文將兩期土壤侵蝕等級分布圖進行疊加，獲取了2010—2020年郎溪縣土壤侵蝕面積轉移矩陣（表5）。從不同的土壤侵蝕等級轉移方向上可以發現，郎溪縣在2010—2020 年，由微度侵蝕等級向輕度侵蝕等級轉移的面積最多，約為453.416 km2，占全縣總面積的41.2%，遠大于其他侵蝕等級發生變化的區域所占面積。其中，土壤侵蝕等級不變的區域所占面積約為513.238 km2，所占比例為全縣總面積的46.7%，土壤侵蝕由高等級侵蝕強度向低等級侵蝕強度轉移的區域所占面積約為102.687 km2，即土壤侵蝕強度減弱區域所占比例為9.3%，土壤侵蝕由低等級侵蝕強度向高等級侵蝕強度轉移的區域所占面積約為484.075 km2，即土壤侵蝕強度增加區域所占比例為44.0%。將增加區域占比減去減弱區域占比作為2010—2020年的總土壤侵蝕變化比例，且由于2020 年強降水事件，郎溪縣土壤侵蝕的總體變化情況為加劇了34.7%。

表5 2010—2020年郎溪縣土壤侵蝕面積轉移矩陣（km2）Table 5.Transfer matrix of soil erosion area in Langxi County in 2010—2020

此外，本文還統計了2010—2020年郎溪縣土壤侵蝕強度的變化分布情況（圖8）。由圖8可以看出，2010—2020年間的土壤侵蝕出現大范圍的加劇，結合郎溪縣高程分布（圖1）、C分布（圖5）與P分布（圖6）可以看出，郎溪縣土壤侵蝕減弱區域主要集中于植被覆蓋度較高且高程較低的耕地區域，這說明2020年強降水事件對郎溪縣土壤侵蝕加劇的影響主要集中于高植被覆蓋且低地勢的耕地區域。

圖8 2010—2020年郎溪縣土壤侵蝕強度變化空間分布Figure 8.Spatial distribution of change in soil erosion intensity in Langxi County from 2010 to 2020

3.2 2010年與2011—2020年土壤侵蝕變化分析

如3.1所述，郎溪縣2020年汛期的強降水事件，使得2020 年整體土壤侵蝕強度明顯大于2010 年，但對于郎溪縣2010—2020 年長時序的土壤資源管理措施成效的探究不具有代表性，因此，本文獲取了2011—2020年郎溪縣的平均土壤侵蝕模數，進一步分析2010—2020年在長時序、常態化管理下郎溪縣土壤侵蝕的時空動態變化。

從圖7 和表4 可以看出，郎溪縣2011—2020 年土壤侵蝕強度相對于2010 年土壤侵蝕強度整體呈現減弱趨勢，且與2010 年和2020 年土壤侵蝕分布類似，具有較高土壤侵蝕等級的區域主要分布在郎溪縣東北側和西南側的丘陵山區，微度與輕度土壤侵蝕等級主要分布在郎溪縣平原與具有高植被覆蓋度的丘陵山區。其中，2011—2020 年的平均土壤侵蝕模數為443.923 t/（km2·a），與2010 年相比，整體減小105.225 t/（km2·a）；2011—2020 年水土流失（輕度侵蝕等級及以上）面積為212.608 km2，占全縣面積的19.3%，相較于2010 年減少了36.3%。由表4 可知，2011—2020 年所有土壤侵蝕等級所占面積比例均隨著侵蝕等級的增加而減小，其中微度侵蝕所占面積為887.392 km2，較2010 年增加了121.228 km2，其次是輕度土壤侵蝕，所占面積為188.215 km2，但無論是微度侵蝕所占面積還是輕度侵蝕所占面積均遠大于其他侵蝕等級。除微度土壤侵蝕外，郎溪縣2011—2020年的其他侵蝕等級均小于2010年，且中度土壤侵蝕等級及以上區域面積約為24.393 km2，占全縣總面積的2.25%，相較于2010年減少了9.514 km2。

將2010 年與2011—2020 年兩期的土壤侵蝕等級分布圖進行疊加，獲取了2010 年至2011—2020 年郎溪縣土壤侵蝕面積轉移矩陣（表6）以及土壤侵蝕強度變化空間分布（圖9）。首先，從不同土壤侵蝕等級轉移方向上看，除土壤侵蝕等級不變的區域，由輕度侵蝕等級向微度侵蝕等級轉移的面積最多，約為134.166 km2，占全縣面積的12.2%，遠大于其他侵蝕等級發生變化的區域所占面積。其中，郎溪縣2010年至2011—2020年，土壤侵蝕等級不變的區域所占面積約為908.174 km2，所占比例為82.6%，土壤侵蝕由高等級侵蝕強度向低等級侵蝕強度轉移的區域所占面積約為155.150 km2，即土壤侵蝕強度減弱區域所占比例為14.1%，由低等級侵蝕強度向高等級侵蝕強度轉移的區域所占面積約為36.676 km2，即土壤侵蝕強度增加區域所占比例為3.3%。將增加區域占比減去減弱區域占比作為2010 年與2011—2020 年的總土壤侵蝕變化比例，則郎溪縣的土壤侵蝕總體減弱了10.7%。從圖9可以看出，2010年與2011—2020年郎溪縣的土壤侵蝕變化情況大多為不變和減弱，土壤侵蝕加劇的區域較少，主要分布在郎溪縣東北側和西南側的丘陵山區。

表6 2010至2011—2020年郎溪縣土壤侵蝕面積轉移矩陣（km2）Table 6.Transfer matrix of soil erosion area in Langxi County from 2010 to 2011—2020

圖9 2010年與2011—2020年郎溪縣土壤侵蝕強度變化空間分布Figure 9.Spatial distribution of change in soil erosion intensity in Langxi County from 2010 to 2011—2020

4 結束語

土壤侵蝕是對土壤可持續性的主要威脅，為更有效地幫助當地管理者進行土地資源與土地利用管理，本文基于RUSLE 模型、GIS 與RS 技術探究在強降水事件及長時序、常態化下郎溪縣土壤侵蝕的時空變化狀況，得出的主要結論如下：

（1）2020年強降水事件對郎溪縣土壤侵蝕的影響是顯著的，使得該年份整體土壤侵蝕強度大于2010年，其中2010 年與2020 年平均土壤侵蝕模數分別為549.148 t/（km2·a）和704.924 t/（km2·a），土壤侵蝕減弱區域占全縣總面積的9.3%，土壤侵蝕加劇區域占全縣總面積的44.0%，且與2010 年相比，2020 年水土流失面積增加了108%。此外，2020 年強降水事件對郎溪縣土壤侵蝕加劇的影響主要集中在微度侵蝕和輕度侵蝕層面上，即相較于2010 年，2020 年土壤侵蝕等級逐漸由微度侵蝕向輕度侵蝕轉變，并多發于高植被覆蓋且低地勢的耕地區域。因此有必要增強人為干預，退耕還林，加大生態管理力度，做好強降水對促進土壤侵蝕加劇的風險預防措施，以補償未知的極端氣候變化對郎溪縣土壤侵蝕的影響。

（2）在長時序、常態化的郎溪縣土壤資源與土地利用管理下，2011—2020年郎溪縣土壤侵蝕強度相較于2010年土壤侵蝕強度整體呈現減弱趨勢，平均土壤侵蝕模數為443.923 t/（km2·a），其中，土壤侵蝕減弱區域占全縣總面積的14.1%，土壤侵蝕增加區域占全縣總面積的3.3%，且與2010 年相比，2011—2020 年水土流失面積減少了36.3%。此外，2010 年至2011—2020年間土壤侵蝕加劇的區域主要分布在郎溪縣東北側和西南側的丘陵山區；可見在長時序、常態化下郎溪縣整體土壤侵蝕治理卓有成效，尤其是在高地勢的丘陵山區，但未來仍需加強土地資源與土地利用管理，且丘陵山區依舊應為郎溪縣土壤侵蝕治理的重點區域。