基于InVEST模型的青弋江流域土壤侵蚀与影响因素研究.pdf

第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 9 资助项目:国家自然科学基金项目(4 1 9 7 7 4 0 2,4 2 2 7 1 0 6 0);安徽省高校工程技术研究中心重点项目(K J 2 0 1 9 A 0 5 0 8);安徽省教育厅科研项目(Y J S 2 0 2 1 0 1 8 3)第一作者:黄振华(2 0 0 0),男,硕士研究生,主要从事生态环境保护与评价研究。E-m a i l:2 6 9 2 8 2 7 7 4 7q q.c o m 通信作者:余健(1 9 7 9),男,博士,副教授,主要从事土地生态环境保护与修复研究。E-m a i l:j y u 1 4 4a h n u.e d u.c n基于I n V E S T模型的青弋江流域土壤侵蚀与影响因素研究黄振华1,余 健1,2,房 莉1,3,方凤满1,2,苗雨青1,2,支俊俊1,3,徐光来1,2,水恒涛1,曹 雨1(1.安徽师范大学地理与旅游学院,安徽 芜湖2 4 1 0 0 3;2.江淮流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室,安徽 芜湖2 4 1 0 0 3;3.资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心,安徽 芜湖2 4 1 0 0 3)摘要:为探究安徽省青弋江流域土壤侵蚀的演变规律和驱动因素,采用I n V E S T模型对该流域2 0 0 02 0 1 8年的土壤侵蚀特征开展了研究,量化了不同土地利用类型、海拔、坡度下土壤侵蚀状况,并借助地理探测器对流域土壤侵蚀影响因素进行分析。结果表明:(1)2 0 0 0年、2 0 1 0年、2 0 1 8年该流域平均土壤侵蚀模数分别为1 5.2 9,1 4.1 4,1 0.7 4t/(h m2a),侵蚀总量分别为1.0 81 07,1.0 01 07,0.7 61 07t,呈现逐渐减小特征;(2)流域内土壤侵蚀空间差异显著,呈现“北低南高”的分布格局;(3)不同土地利用类型土壤侵蚀模数大小表现为裸地草地林地耕地建设用地水体,全流域林地侵蚀量最大,占总侵蚀量的7 3.7 1%;(4)地形因子对流域内土壤侵蚀存在显著影响,坡度是青弋江流域土壤侵蚀主导因子,因子间交互作用对土壤侵蚀的解释力均大于单因子,其中坡度与年降水量和土地利用的协同作用解释力最强,分别达2 2.9 3%和2 2.2 9%;(5)坡地坡度降缓及增加草地和林地覆盖可以有效降低土壤侵蚀。研究结果为厘清青弋江流域土壤侵蚀分布格局和驱动因素,以及为青弋江流域推进水土保持治理工作和提高生态效益提供决策依据。关键词:土地利用;I n V E S T模型;土壤侵蚀;地理探测器;青弋江流域中图分类号:K 9 0 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 1 8 9-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 2 3R e s e a r c ho nS o i lE r o s i o na n dI n f l u e n c i n gF a c t o r s i nQ i n g y iR i v e rB a s i nB a s e do nI n V E S TM o d e lHUANGZ h e n h u a1,YUJ i a n1,2,F ANGL i1,3,F ANGF e n g m a n1,2,M I AOY u q i n g1,2,Z H I J u n j u n1,3,XUG u a n g l a i1,2,S HU IH e n g t a o1,C AOY u1(1.S c h o o l o fG e o g r a p h ya n dT o u r i s m,A n h u iN o r m a lU n i v e r s i t y,W u h u,A n h u i2 4 1 0 0 3;2.K e yL a b o r a t o r yo fE a r t hS u r f a c eP r o c e s sa n dR e g i o n a lR e s p o n s e i nt h eY a n g z e-H u a i h eR i v e r,W u h u,A n h u i2 4 1 0 0 3;3.E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e ro fR e s o u r c e sE n v i r o n m e n ta n dG I S,W u h u,A n h u i2 4 1 0 0 3)A b s t r a c t:T o i n v e s t i g a t et h ee v o l u t i o np a t t e r na n dd r i v e r so fs o i le r o s i o ni nt h eQ i n g y iR i v e rw a t e r s h e do fA n h u iP r o v i n c e,t h e I n V E S T m o d e lw a su s e dt o i n v e s t i g a t e t h es o i l e r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ew a t e r s h e df r o m2 0 0 0t o2 0 1 8,q u a n t i f yt h es o i le r o s i o nc o n d i t i o n su n d e rd i f f e r e n tl a n du s et y p e s,e l e v a t i o n s,a n ds l o p e s,a n da n a l y z e t h e f a c t o r s i n f l u e n c i n gs o i l e r o s i o n i nt h ew a t e r s h e dw i t ht h eh e l po f ag e o g r a p h i cp r o b e.T h er e s u l t s s h o w e d t h a t:(1)T h e a v e r a g e s o i l e r o s i o nm o d u l u s i n t h ew a t e r s h e dw a s 1 5.2 9,1 4.1 4,a n d1 0.7 4t/(h m2a)i n2 0 0 0,2 0 1 0,a n d2 0 1 8,r e s p e c t i v e l y,a n d t h e t o t a l e r o s i o nw a s 1.0 8 1 07,1.0 0 1 07,a n d0.7 61 07t,r e s p e c t i v e l y,s h o w i n gag r a d u a l l yd e c r e a s i n gc h a r a c t e r i s t i c.(2)S o i le r o s i o ni nt h ew a t e r s h e dv a r i e ds i g n i f i c a n t l y i ns p a c e,s h o w i n gad i s t r i b u t i o np a t t e r no f l o wi nt h en o r t ha n dh i g h i nt h es o u t h.(3)T h es i z eo f s o i l e r o s i o nm o d u l u so fd i f f e r e n t l a n du s e t y p e ss h o w e dt h a tb a r e l a n d g r a s s l a n d f o r e s t l a n d c u l t i v a t e dl a n d c o n s t r u c t i o nl a n dw a t e rb o d i e s,a n dt h ee r o s i o no ff o r e s tl a n di nt h ew a t e r s h e dw a st h el a r g e s t,a c c o u n t i n gf o r7 3.7 1%o f t h e t o t a l e r o s i o n.(4)T o p o g r a p h i c f a c t o r sh a ds i g n i f i c a n te f f e c t so ns o i l e r o s i o ni nt h ew a t e r s h e d,a n ds l o p ew a s t h ed o m i n a n t f a c t o ro f s o i l e r o s i o n i n t h eQ i n g y iR i v e rw a t e r s h e d.T h ee x p l a n a t o r yp o w e ro f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n f a c t o r so ns o i l e r o s i o nw a sg r e a t e r t h a nt h a t o f s i n g l e f a c t o r s,a m o n gw h i c ht h es y n e r g i s t i ce f f e c to f s l o p ew i t ha n n u a l p r e c i p i t a t i o na n d l a n du s ew a s t h e s t r o n g e s t,r e a c h i n g2 2.9 3%a n d2 2.2 9%.(5)S o i le r o s i o nc o u l db ee f f e c t i v e l yr e d u c e db ys l o w i n gt h es l o p ea n di n c r e a s i n gg r a s s l a n da n dw o o d l a n dc o v e r i ns l o p ea r e a s.T h er e s u l t so f t h es t u d yp r o v i d eab a s i s f o r c l a r i f y i n gt h ed i s t r i b u t i o np a t t e r na n dd r i v i n gf a c t o r so f s o i l e r o s i o n i nt h eQ i n g y iR i v e rb a s i n,a n dc a np r o v i d eab a s i sf o rd e c i s i o nm a k i n gt op r o m o t es o i l a n dw a t e rc o n s e r v a t i o nm a n a g e m e n t a n d i m p r o v ee c o l o g i c a lb e n e f i t s i nt h eQ i n g y iR i v e rb a s i n.K e y w o r d s:l a n du s e;I n V E S Tm o d e l;s o i l e r o s i o n;g e o g r a p h i cd e t e c t o r;Q i n g y iR i v e rB a s i n 土壤侵蚀是指土壤在人力、水力、风力等外力作用下被剥蚀、搬运的过程1。土壤侵蚀不但破坏土壤结构,造 成 土 壤 肥 力 下 降,而 且 侵 蚀 冲 积 的 土 壤也易导致河道淤积,加剧洪涝灾害的发生,严重影响人们的生产生活。据统计2,我国水土流失面积约3.6 01 06k m2,占国土面积的3 7%,每年水土流失治理耗费资金达7 0亿元。水利部颁布 水土保持规划(2 0 1 52 0 3 0年)3制定了实现重点防治地区水土流失全面治理的远期目标。区域自然条件,包括地形、土壤性质、气候、地表植被覆盖等决定该区域是否容易发生土壤侵蚀,人类活动对自然环境的利用不当是引起土壤侵蚀加剧的一个重要原因4。然而,由于地理环境的差异性,影响土壤侵蚀的驱动因素在不同区域存在着不同的作用方式。如在我国内蒙古科尔沁沙漠边缘地区,温度升高加速地表水分流失,导致冷空气对流增强,加剧土壤侵蚀。然而在一些气温较低的区域,温度上升促进植被生长,减弱土壤侵蚀5。因,此科学评估区域土壤侵蚀强度规律,并找出影响区域土壤侵蚀的驱动因素,是区域水土流失治理的一项重要工作。1 9世纪以来,国内外学者采取不同研究方法对土壤侵蚀展开定量研究,如同位素示踪法6、稀土元素示踪法7和土壤侵蚀模型法8等。土壤侵蚀模型因其在宏观大尺度区域研究的优势成为土壤侵蚀预测的有效手段。早期建立的土壤侵蚀模型是以U S L E/RU S L E为主的经验模型9,但未考虑地块自身拦截上游泥沙的能力,使得预测结果存在一定误差。1 9世纪8 0年代,基于物理过程的土壤侵蚀模型接踵问世,如E U-R O S EM1 0,但该模型仅考虑植被对下渗和降水动能的影响,未考虑地表碎石的影响。随着研究的进一步深入,生态系统服务与权衡综合评估(I n V E S T)模型在土 壤 侵 蚀 方 面 的 研 究 得 到 快 速 发 展。相 较 于U S L E/RU S L E,I n V E S T模型不但将地块自身的泥沙持留量和水库数据纳入计算过程,使得土壤侵蚀运算结果更加合理与准确,而且可利用其他分析软件进行可视化表达与分析,使评估结果更为直观1 1。近年来,I n V E S T模型以精准、定量、空间表达与综合性强的优势在土壤侵蚀研究中应用广泛,在国内成功运用于额尔齐斯河流域1 2、黄河流域1 3等区域。由此可见,应用I n V E S T模型对区域土壤侵蚀评估具有较好的适用性。青弋江流域地形地貌复杂,是安徽省土壤侵蚀重点关注的区域之一。根据 安徽省国土空间生态修复规划(2 0 2 12 0 3 5年)1 4,青弋江流域地跨长江生态廊道和皖南山区生态屏障2个生态修复区,更加突出青弋江流域的水土保持工作在全省生态修复中举足轻重的地位。然而目前对青弋江流域土壤侵蚀的定量研究还鲜有报道,青弋江流域土壤侵蚀的主控因素尚不明确。鉴于此,本文基于I n V E S T模型从时间尺度和空间尺度分析青弋江流域土壤侵蚀的变化特征,揭示不同土地利用类型、海拔、坡度下土壤侵蚀的变化规律,并结合地理探测器模型对流域内土壤侵蚀驱动因素开展研究,为青弋江流域生态修复和全省“一心两屏四廊多点”的生态安全格局的布局提供理论依据。1 研究区概况青弋江流域位于安徽省南部(2 9 5 7 3 1 3 4 N,1 1 7 3 9 1 1 8 4 3 E),全长2 7 5k m,流域面积约70 8 1k m2,涵盖芜湖、池州、宣城3个地级市,是长江下游最大的支流。流域内地势呈“南高北低”的特点,由南部的皖南山地丘陵向沿江平原过渡(图1)。青弋江流域降水充沛,年均降水量14 0 0mm,多年平均气温1 6,属亚热带湿润季风气候。流域内茶树种植历史已有2 0 0 0多年,产出中国十大名茶的黄山毛峰和太平猴魁。流域内旅游资源丰富,有黄山、九华山、太平湖、桃花潭等景区,是安徽省重要旅游休闲区。2 研究方法与数据来源2.1 数据来源为研究2 0 0 02 0 1 8年青弋江流域土壤侵蚀变化情况,本研究选取2 0 0 0年、2 0 1 0年、2 0 1 8年的D EM、年降水量、N D V I、土壤属性和土地利用等5项数据来开展研究,数据来源见表1。各项数据均通过A r c G I S裁剪、镶嵌、栅格重采样等工具统一成3 0m3 0m分辨率、WG S_1 9 8 4_UTM_Z o n e_5 0 N投影坐标系统的栅格数据。091水土保持学报 第3 7卷图1 青弋江流域概况2.2 I n V E S T模型及计算方法I n V E S T模型中泥沙输入比模块(S D R)是在土壤流失方程(U S L E)基础上改进优化,以像元尺度来计算地块土壤侵蚀量。输入模型必要参数,可获得基于流域和栅格的2种土壤侵蚀计算结果。输入参数前需统一各因子的分辨率和坐标系统。模型所需必要的参数为样点区D EM、降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、土地利用数据、植被覆盖因子(P)、水土保持因子(C)、小流域和流量阈值等。A=RKL SPC(1)式中:A为实际土壤侵蚀量t/(h m2a);R为降雨侵蚀力因子(M Jmm)/(h m2ha);K为土壤可蚀性因子(th m2h)(h m2M Jmm);L S为坡度坡长因子;C为植被覆盖因子;P为水土保持因子。(1)降雨侵蚀力因子(R)反映降雨对土壤侵蚀的影响1 5。本研究采用青弋江流域周边气象站年降水量数据,得到各站点降水侵蚀力值,并运用A r c G I S软件对各站点降雨侵蚀力进行克里金插值,得到青弋江流域降雨侵蚀力图层(图2),公式为:R=a Pb(2)式中:R为年均降雨侵蚀力(M Jm m)/(h m2ha);P为年降水量(mm);a、b均为模型系 数,分别为0.0 5 34,1.6 5 481 6。表1 数据来源数据数据来源用途D EM数据地理空间数据云h t t p:/w ww.g s c l o u d.c n/计算L S因子年降水量数据中国气象科学数据共享平台h t t p:/d a t a.c m a.c n/生成R因子图层N D V I数据国家生态科学数据中心h t t p:/ww w.n e s d c.o r g.c n/计算C因子土壤属性数据国家青藏高原科学数据中心h t t p:/d a t a.t p d c.a c.c n/生成K因子图层土地利用数据中国科学院资源环境科学数据中心h t t p s:/ww w.r e s d c.c n/计算C、P因子 (2)土壤可蚀性(K)是土壤对外界侵蚀力的敏感程度1 7。对于K值的研究方法主要有E P I C模型、实测法和诺谟图法等。汪邦稳1 8采用E P I C模型对安徽省土壤可蚀性的分布特征展开研究并取得可靠的结果,因此本研究也采用E P I C模型(图3),计算公式为:K=0.1 3 1 70.2+0.3 e x p-0.0 2 6 5 S AN(1-S I L/1 0 0)S I L/(C L A+S I L)0.31-0.2 5C/C+e x p(3.7 2-2.9 5C)1-0.7 S N 1/S N 1+e x p(2 2.9 S N 1-5.5 1)(3)S N 1=1-S AN/1 0 0(4)(3)流域尺度中,坡度坡长因子(L S)是评价土壤侵蚀最重要的基础1 9,反映地形地貌对土壤侵蚀的影响,其本质为标准小区与雨滴或者泥沙沿坡面流动直到能量消耗殆尽的距离的比值。一般情况下,坡度越大,坡长越长,土壤侵蚀越剧烈。I n V E S T模型根据不同坡度自动采用不同公式计算坡度坡长因子(L S)值,生成坡度坡长因子(L S)图层。(4)植被覆盖因子(C)指有植被覆盖地块的土壤侵蚀量与连续休耕地块土壤侵蚀量之比,其值介于012 0,C值越大,表示区域植被覆盖度越低,水土流失越严重。C因子不仅与植被覆盖度相关,还与土地利用方式、土壤水分、降水量以及耕作方式等密不可分,植被覆盖因子的精度将直接影响土侵蚀模型预测结果的准确性。本研究采用蔡崇法的C因子估算方法,反映流域植被覆盖以及管理方式对土壤侵蚀的影响(表2)。计算公式为:C=1 F V C=0C=0.6 5 0 8-0.3 4 3 6 l o gF V C 0F V C7 8.3%C=0 F V C7 8.3%(5)F V C=(N D V I-N D V Is)/(N D V I v-N D V Is)(6)式中:C为植被覆盖因子;F V C表示植被覆盖度;N D V I表示归一化植被指数;N D V Is为无植被覆盖区域的N D V I值;N D V Iv为完全被植被所覆盖的像元的N D V I值。191第5期 黄振华等:基于I n V E S T模型的青弋江流域土壤侵蚀与影响因素研究图2 青弋江流域降水侵蚀力(R)分布图3 青弋江流域土壤可蚀性(K)分布(5)水土保持因子(P)反映人为保护措施对土壤侵蚀的影响,其值介于01区间2 1。极值0指无土壤侵蚀地区,极值1指该区域未采取任何水土保持措施。本研究参考前人9的研究确定本研究中相应土地利用类型的P值(表2)。表2 青弋江流域不同土地利用方式下C、P值土地利用方式C2 0 0 0年2 0 1 0年2 0 1 8年P耕地0.1 40.0 90.0 80.1 5林地0.0 20.0 10.0 11.0 0草地0.0 40.0 20.0 21.0 0水体0000建设用地0000裸地1.0 01.0 01.0 01.0 02.3 地理探测器地理探测器是揭示地理要素空间异质性的统计学方法,既可以探究数值型,又可以探究定性数据,主要由因子探测、交互作用探测、风险探测和生态探测4个模块组成2 2。本研究利用因子探测和交互探测2个模块,对青弋江流域可能影响土壤侵蚀的5类因子(年降水量、海拔高度、坡度、植被覆盖度、土地利用类型)进行定量分析。因子探测器主要用q值表示因子X对因变量Y的影响程度,q值越大,因子X对Y的影响越大。交互式探测器主要探测2个因子共同作用时对因变量的影响程度。由于地理探测器要求输入类别数据,所以首先将5类因子进行离散化处理。年降水量和植被覆盖度按照自然断点法分成9类,海拔分为5类(15 0 0m),坡度根据水利部关于水土保持坡度等级划分标准将青弋江流域坡度划分为6类(3 5),土地利用类型分为耕地、草地、林地、水体、建设用地、裸地。在A r c G I S中创建渔网,采样间距2k m,剔除异常值后选取17 6 8个点作为地理探测器输入数据。3 结果与分析3.1 土壤侵蚀时空变化特征运行模型计算获得2 0 0 0年、2 0 1 0年、2 0 1 8年3个时期青弋江流域土壤侵蚀分布状况。根据水利部颁布的 土壤侵蚀分类分级标准(S L1 9 02 0 0 7)2 3对其分类,共分为微度侵蚀 1 5 0t/(h m2a)6类。由表3和图4可见,2 0 0 0年、2 0 1 0年、2 0 1 8年青弋江流域平均侵蚀强度分别为1 5.2 9,1 4.1 4,1 0.7 4t/(h m2a)。青弋江流域主要以微度和轻度侵蚀为主,3个时期微度和轻度侵蚀面积均占流域总面积的8 2%以上,且呈增加的趋势。微度、轻度侵蚀区主要集中在下游平原,强度、极强度、剧烈侵蚀的主要集中在青弋江流域上游的山地沟壑区。3个时期的土壤侵蚀量分别为1.0 81 07,1.0 01 07,0.7 61 07t,呈下降的特征。流域内以轻度和中度侵蚀量最大,3个研究期内2种侵蚀强度的土地面积占流域总面积的比例约为4 0%,但侵蚀量分别占当年总侵蚀量的5 0.7 7%,5 3.1 4%,6 0.2 7%。总体来看,1 8年间青弋江流域土壤侵蚀强度在逐渐减弱,侵蚀总量也逐年降低。为了进一步分析2 0 0 02 0 1 8年青弋江流域土壤侵蚀变化特征,将青弋江流域2 0 0 0年和2 0 1 8年土壤侵蚀图层相叠加获得流域2 0 0 02 0 1 8年土壤侵蚀转291水土保持学报 第3 7卷移矩阵(表4)。2 0 0 02 0 1 8年流域内总体表现为高强度级别向低强度级别转移。其中,轻度侵蚀向微度侵蚀转移面积约占转移面积的9 9.3 6%;强度侵蚀向中度侵蚀转移面积占转移面积的9 8.4 8%。1 8年间,低强度向高强度转移面积为7.4 1k m2,由高强度级别向低强度级别转移的面积为1 1 8 7.6 8k m2,后者约为前者1 6 0倍。青弋江流域土壤侵蚀状况得到良好改善。表3 2 0 0 0-2 0 1 8年青弋江流域土壤侵蚀强度统计年份侵蚀强度等级面积/k m2面积占比/%侵蚀量/t侵蚀量占比/%平均侵蚀模数/(th m-2a-1)侵蚀总量/t微度侵蚀3 6 9 6.3 55 2.2 00.3 81 063.5 3轻度侵蚀2 1 1 9.8 92 9.9 42.7 91 062 5.7 32 0 0 0中度侵蚀7 7 9.2 01 1.0 02.7 11 062 5.0 41 5.2 91.0 81 07强度侵蚀2 6 4.7 33.7 41.6 41 061 5.1 9极强度侵蚀1 5 3.2 62.1 61.6 21 061 4.9 3剧烈侵蚀6 8.1 80.9 61.6 91 061 5.5 9微度侵蚀3 7 6 2.7 15 3.1 30.3 91 063.9 0轻度侵蚀2 1 7 1.5 93 0.6 72.8 21 062 8.1 92 0 1 0中度侵蚀7 2 0.8 71 0.1 82.5 01 062 4.9 51 4.1 41.0 01 07强度侵蚀2 3 3.8 53.3 01.4 51 061 4.5 0极强度侵蚀1 3 4.3 71.9 01.4 21 061 4.1 4剧烈侵蚀5 8.2 20.8 21.4 41 061 4.3 3微度侵蚀4 0 6 3.8 45 7.3 90.4 21 065.5 6轻度侵蚀2 2 1 5.2 53 1.2 82.7 61 063 6.2 62 0 1 8中度侵蚀5 3 2.5 27.5 21.8 31 062 4.0 11 0.7 40.7 61 07强度侵蚀1 5 3.7 52.1 70.9 51 061 2.5 5极强度侵蚀8 4.0 91.1 90.8 91 061 1.6 4剧烈侵蚀3 2.1 50.4 50.7 61 069.9 9图4 2 0 0 0-2 0 1 8年土壤侵蚀空间分布3.2 不同土地利用类型下土壤侵蚀差异根据2 0 1 8年数据分析,流域内林地面积占总面积的5 6.4 6%,土壤侵蚀量达5.6 01 06t,占总侵蚀量的7 3.7 1%(表5),主要分布在南部山区(图5)。值得注意的是,流域内裸地仅占总面积的0.0 0 4%,而土壤侵蚀量占总侵蚀量的0.3 1%,防控系数达到7 5.0 0;另外,草地的防控系数也达到2.4 4,因此流域水土流失防治工作中,裸地和草地土壤侵蚀应加强关注。从不同土地利用方式侵蚀强度分布(图5)来看,耕地、水体、建设用地主要为微度侵蚀,林地和草地的侵蚀强度增强,轻度侵蚀以上面积占比分别为6 0.5 4%和6 6.2 8%;祼地的侵蚀强度最大,轻度侵蚀以上的面积占该类土地总面积的9 0.0 0%,其中剧烈侵蚀面积占比达5 1.6 6%。表4 2 0 0 0年、2 0 1 8年土壤侵蚀强度转移矩阵单位:k m22 0 0 0年2 0 1 8年微度侵蚀轻度侵蚀中度侵蚀强度侵蚀极强度侵蚀剧烈侵蚀微度侵蚀3 6 9 3.5 82.5 60.1 30.0 30.0 30.0 1轻度侵蚀3 6 8.6 01 7 4 8.9 32.3 6中度侵蚀0.8 54 6 1.5 53 1 5.3 91.4 00.0 1强度侵蚀0.3 82.2 12 1 2.6 34 8.8 40.6 7极强度侵蚀0.3 02.0 21 0 2.8 54 7.8 50.2 4剧烈侵蚀0.1 20.0 100.6 23 5.5 43 1.8 8391第5期 黄振华等:基于I n V E S T模型的青弋江流域土壤侵蚀与影响因素研究表5 不同土地利用类型土壤侵蚀分布土地利用类型面积/k m2面积占比/%侵蚀模数/(th m-2a-1)侵蚀量/t侵蚀量占比/%防控系数耕地2 1 2 2.2 82 9.9 72.5 70.5 51 067.1 80.2 4林地3 9 9 7.9 35 6.4 61 4.0 25.6 01 067 3.7 11.3 1草地5 4 4.1 97.6 82 6.2 21.4 31 061 8.7 72.4 4水体1 4 8.3 72.1 00.0 68.1 71 020.0 10建设用地2 6 8.5 73.7 90.0 82.1 61 030.0 30.0 1裸地0.2 708 8 0.9 10.0 21 060.3 07 5.0 0图5 不同土地利用类型土壤侵蚀强度空间分布3.3 不同海拔土壤侵蚀差异根据2 0 1 8年数据分析,流域内土壤侵蚀模数随区域海拔上升先增加后减小,其中海拔2 0 0m的区域平均侵蚀模数最小,为2.6 8t/(h m2a),防控系数为0.2 5,侵蚀较微弱;2 0 05 0 0,5 0 010 0 0,10 0 015 0 0 m平 均 侵 蚀 模 数 依 次 增 大,分 别 为1 5.6 5,2 2.2 8,2 8.2 0,其中海拔10 0 015 0 0m区达到中度侵蚀水平(表6、图6)。从防控系数来看,海拔2 0 0m以上区域该系数均大于1,表明这些区域需要重点加强土壤侵蚀防控工作。表6 不同海拔土壤侵蚀分布海拔/m面积/k m2面积占比/%侵蚀模数/(th m-2a-1)侵蚀量/t侵蚀量占比/%防控系数1 5 0 06.6 70.0 91 8.0 40.0 11 060.1 61.7 8图6 不同海拔土壤侵蚀强度空间分布3.4 不同坡度土壤侵蚀强度差异 根据水利部关于水土保持坡度等级划分标准将青弋江流域坡度划分为6级,并与土壤侵蚀图层叠491水土保持学报 第3 7卷加,得到青弋江流域不同坡度土壤侵蚀分布(表7、图7)。青弋江流域土壤侵蚀模数随坡度的增大而增大。其中,坡度2 5 的地区土壤侵蚀模数为2 5.2 0t/(h m2a),属于中度侵蚀。1 5 3 5 范围是流域土壤侵蚀最严重区域,占侵蚀总量的6 0.5 5%。表7 不同坡度土壤侵蚀分布坡度/()面积/k m2面积占比/%侵蚀模数/(th m-2a-1)侵蚀量/t侵蚀量占比/%防控系数3 54 2 8.5 76.0 53 1.5 81.3 51 061 7.8 02.9 4图7 不同坡度土壤侵蚀强度分布3.5 基于地理探测器的土壤侵蚀影响因素探测由于不同土地利用类型、海拔、坡度下土壤侵蚀空间分布存在明显空间异质性,为了进一步找出影响青弋江流域土壤侵蚀的主导因子,运用地理探测器对流域土壤侵蚀产生影响的土地利用类型、海拔、坡度、植被覆盖度和年降水量5个因子进行因子探测(表8)。土地利用类型、坡度、海拔、植被覆盖度、年降水量均对土壤侵蚀分布存在显著性影响(p海拔土地利用年降水量植被覆盖度,坡度对青弋江流域土壤侵蚀解释力最强,达1 9.8 8%。可见,坡度是影响青弋江流域土壤侵蚀主控因子。各因子交互探测结果见表9。各因子交互作用的q值明显增大,对土壤侵蚀的解释力明显增强。其中坡度与年降水量协同作用的q值最高,达2 2.9 3%;土壤植被覆盖度单因子的q值最低,对土壤侵蚀解释强度最弱,但与其他因子交互作用的q值大幅提高,坡度与植被覆盖度协同作用对土壤侵蚀的解释力约是植被覆盖度单因子解释力的4倍。可见,在高陡坡地区植被覆盖对土壤侵蚀抵抗具有良好的效果。表8 土壤侵蚀因子的p值和q值项目降水量海拔坡度植被覆盖度土地利用类型q值0.0 6 9 4 9 70.1 0 7 0 6 10.1 9 8 7 8 90.0 5 6 5 20.0 9 0 3 5p值00000表9 土壤侵蚀因子交互探测土壤侵蚀因子降水量海拔坡度植被覆盖度土地利用类型降水量0.0 6 9 4 9 7海拔0.1 2 8 8 6 20.1 0 7 0 6 1坡度0.2 2 9 3 3 90.2 1 6 5 3 10.1 9 8 7 8 9植被覆盖度0.1 1 7 9 3 60.1 2 6 2 9 90.2 1 5 8 0 70.0 5 6 5 2土地利用类型0.1 3 3 0 1 20.1 3 7 2 2 90.2 2 2 9 1 40.1 1 6 3 1 80.0 9 0 3 5591第5期 黄振华等:基于I n V E S T模型的青弋江流域土壤侵蚀与影响因素研究4 讨 论青弋江流域地处我国东部亚热带季风气候区,降水对土壤表面击打及地表径流冲刷是引起土壤侵蚀发生的原动力。流域内坡度的差异是导致流域内土壤侵蚀差异较大的直接原因,也是影响青弋江流域土壤侵蚀最显著的因子。青弋江流域土壤侵蚀表现为显著的随坡度增大而增强的特征,与王猛等2 4在西南地区的研究结果一致。坡度越大,土壤侵蚀增幅越大,这是山地丘陵地形区的一致特征。坡度越大,地表径流流速越大,水流的溯源侵蚀力越强,更易造成土壤的深层侵蚀,使深厚土壤层松弛,加剧其在水流和重力作用下移动,最后导致大量水土流失2 5。土地利用主要从2个方面影响土壤侵蚀:一方面是扰动表层土壤,影响土壤紧实度,进而影响降水击打及地表径流冲刷的侵蚀效果2 6;另一方面,通过改变地面覆盖状况的方式来改变降水对地表直接击打、调节表面径流过程,进而影响土 壤侵蚀强度2 7。一些 研究2 8认为,植被冠层不仅可以减弱降水侵蚀能力,而且可以改变土壤理化性质,减小土壤容重,增大土壤孔隙度,增加土壤入渗等,进而减少表面径流对表面土壤的冲刷作用,减轻土壤侵蚀。青弋江流域上游地区主要为山地及岗丘地形,流域内除少量高陡祼岩外,大面积土地为林地和草地利用,地表有效覆盖较高,较好地减弱降水对地面的直接击打,对地表径流也起到很好的缓冲作用,进而保护表面土壤不被强烈侵蚀。地理交互探测结果也表明,因子间存在显著的交互作用,其中坡度与土地利用和植被覆盖度的交互探测结果q均较大,充分表明土地利用及植物覆盖对土壤侵蚀影响较大,森林和草地覆盖可以有效降低坡地土壤侵蚀。青弋江流域土壤侵蚀表现为祼地草地林地耕地建设用地,这与有些研究1 1不尽一致。这些研究结果是耕地及建设用地因受人为干扰较大,对表层土壤的保护度没有草地和林地强,所以耕地和建设用地的土壤侵蚀一般比林地和草地强。本地区土壤侵蚀因子分析表明,对侵蚀影响最大的因子是坡度,其次是海拔,土地利用的影响排第3,年降水量和植被覆盖度分别排第4和第5。坡度及海拔对土地利用影响较大,由表1 0可知,耕地主要分布在海拔2 0 0m以下坡度低于5 的地区,大面积分区为流域下游青弋江冲积平原区,地势平坦,同时土壤中积累较大比例上游冲积下来的黏粒物质,有效降低土壤侵蚀作用。建设用地地表硬化较多,直接隔绝降水及径流对土壤的侵蚀作用。青弋江流域土壤侵蚀性表现为随海拔高度的增加呈先增强后减弱的特征,这与何莎莎等2 9在淇河流域研究的结果相似。青弋江流域海拔2 0 0m以下地区多为岗地和冲积平原地形,地势较平坦,是土壤侵蚀性较弱的主要原因;海拔2 0 0m以上地区多为山地地形,1 5 的坡地多,山间为窄形谷地,水流速度快,对土壤的侵蚀作用增强。随海拔高度的增加,山地内坡地坡度逐渐加大,山间谷地进一步变窄,而到坡上部及山顶,坡度逐渐变缓,这是山地地形发育的一般规律。坡面径流流速随坡度的变化相应发生变化。表1 0 不同土地利用类型下海拔、坡度均值土地利用类型耕地林地草地水体建筑用地未利用地海拔均值/m9 0.3 63 6 1.6 94 0 9.0 77 0.6 34 7.7 56 3