南流江流域水土流失状况与影响因素分析

翁月梅，卢 远,2，杨坤士，韦丽珍

(1.南宁师范大学 地理科学与规划学院，广西 南宁 530100；
2.南宁师范大学 北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530100)

水土流失是指在水力、重力、风力等外营力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失[1]。土壤遭到侵蚀以后，其含有的养分会随着侵蚀的过程流失，导致农作物的产量和质量下降。

1917年，美国学者MILLER[2]进行了土壤侵蚀定量研究；
1965年，WISCHMEIER et al.[3]经过大量的试验，第一次提出了通用土壤流失方程USLE；
20世纪末，美国农业部农业研究机构推出了USLE的修订版RUSLE[4]。我国在水土流失方面的研究虽起步较晚，但近年来也取得了一系列研究成果，比如：姜娜等[5]针对黄土高原小流域，研究了水土流失特点与坡地不同利用类型的关系；
凡非得等[6]运用GIS技术，在喀斯特地区选取降雨、地形、植被覆盖度、土壤类型及土壤允许流失量等因子进行了土壤侵蚀敏感性评价；
陈玉东等[7]基于GIS和USLE评估了龙墩水库小流域土壤侵蚀状况。目前，虽然RUSLE模型在我国应用广泛，但在广西南流江流域开展的相关研究仍较少。

南流江是广西沿海诸河中独流入海第一大河，位于北纬21°21′～23°04′、东经105°47′～107°41′，自北向南流经玉林市、钦州市、北海市，在北海市的合浦县注入北部湾，全长287 km，流域面积9 270.5 km2，年径流量达77.4亿m3[8]。流域内年均气温21.5～22.4 ℃，年降水量可达1 400～1 700 mm。

南流江流域人口基数大，工农业发达，是广西重要的农业生产基地之一。近年来，由于城市化进程加快，因此南流江流域水资源环境不断恶化。工业废水和生活污水流入南流江污染水体，农业耕作使用大量的氮磷钾肥料污染环境，且南流江流域夏季高温多雨，易发生洪涝灾害，大量的雨水冲刷导致水土流失加剧。作为广西重要的经济发展区域和粮食生产基地，在南流江流域开展水土流失研究具有重要意义。

本研究所用数据主要有：①2000年Landsat TM4-5遥感影像和2015年Landsat 8 OLI遥感影像；
②1990—2015年广西多个气象站点的日降雨数据；
③广西1∶100万土壤类型分布图和土壤属性数据；
④2000年和2015年南流江流域土地利用数据。

3.1 土壤侵蚀计算模型

通过文献阅读和方法对比，综合前人的研究结论，本研究采用RUSLE模型来计算南流江流域的土壤侵蚀量，其表达式为

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；
R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a);K为土壤可蚀性因子,t·hm2·h/(MJ·mm·hm2);L为坡长因子；
S为坡度因子;C为植被覆盖因子;P为水土保持措施因子。

3.2 土壤侵蚀影响因子的计算

3.2.1 降雨侵蚀力因子R的计算

降雨是影响土壤侵蚀的重要因素之一，RUSLE模型中R值的计算方法有很多种，其中威斯奇迈尔(WISCHMEIER)法在没有极端暴雨的地区精确度较高、适用性强。考虑到南流江流域整体降雨较为平稳，本研究采用威斯奇迈尔法进行R的计算[3]，其公式为

(2)

式中：Pi为各月降雨量，mm；
P为年降雨量，mm。

3.2.2 土壤可蚀性因子K的计算

土壤可蚀性因子是对不同类型土壤抗冲蚀能力的评价指标，可蚀性大的土壤类型易发生土壤侵蚀。本研究采用WILLIAMS创建的EPIC模型计算K值，并结合我国土壤特性，利用张科利等[9]提出的K值修正公式进行修正，计算公式为

(3)

K=-0.013 83+0.515 75KEPIC

(4)

式中：KEPIC为EPIC模型计算的K值；
SAN为土壤中的砂粒含量；
SIL为土壤中的粉粒含量；
CLA为土壤中的黏粒含量；
C为土壤中的有机碳含量，%;SN=1-SAN/100；
K为修正后的K值。

3.2.3 地形因子LS的计算

地形因子LS由坡长因子L和坡度因子S组成，地形对地表径流的形成具有很大的影响。南流江流域地处我国西南地区，地形复杂且破碎，土壤侵蚀在空间上的分布差异明显，用传统RUSLE模型中的算法计算地形因子得到的结果与实际地形存在较大的差异。为了减小误差，坡度因子S采用刘斌涛等[10]提出的坡度因子的修正算法计算，公式为

(5)

坡长因子L的计算采用杨子生[11]提出的公式,即

(6)

式中：L0为坡长，m。

3.2.4 植被覆盖因子C的计算

基于土地利用分类和植被覆盖度的大小，通过植被覆盖度与土地利用分类数据的结合，得到的植被覆盖因子较为准确。根据计算出的研究区植被覆盖度，综合考虑研究区的土地利用分类和广西2 319个土壤侵蚀野外调查成果，对不同地类进行C因子的赋值。本研究采用像元二分法计算植被覆盖度，计算公式为

VC=(NDVI-NDVImin)/

(NDVImax-NDVImin)×100%

(7)

式中：VC为植被覆盖度，%；
NDVI为区域内某个像元的NDVI值；
NDVImin和NDVImax分别为统计区域内的最小和最大NDVI值。

3.2.5 水土保持措施因子P的计算

水土保持措施因子P是对不同土地利用类型水土保持状况的反映，根据不同土地利用类型的水土保持状况，取不同的P值。本研究根据水土保持措施的研究[12]，结合前人在桂南沿海诸河流域的土壤侵蚀研究成果[13]，分别给不同的土地利用类型赋P值，见表1。

表1 不同土地利用类型P值

3.3 RUSLE模型运算

将各个影响因子进行叠乘运算，并乘以常数100进行转换，得到南流江流域的土壤侵蚀结果。通过区域统计功能，得到南流江流域2000年土壤侵蚀模数均值为43.32 t/(km2·a)，最大土壤侵蚀模数为29 126.80 t/(km2·a)，最小土壤侵蚀模数为1.71 t/(km2·a)，土壤侵蚀总量为39.90万t；
2015年土壤侵蚀模数均值为138.09 t/(km2·a)，最大土壤侵蚀模数为53 057.00 t/(km2·a)，最小土壤侵蚀模数为1.03 t/(km2·a)，土壤侵蚀总量为128.01万t。

4.1 土壤侵蚀现状

根据《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》(SL 657—2014)，将研究区的土壤侵蚀强度分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈6个等级[14]。分级标准见表2。

表2 土壤侵蚀强度分类标准

利用ArcGIS中的分区统计功能(Zonal Statistics)统计不同侵蚀强度的面积总和，结果见表3。

表3 南流江流域水土流失面积统计

由表3可知：2000年南流江流域的水土流失总面积为103.91 km2，其中轻度侵蚀面积91.25 km2，占总侵蚀面积的87.82%，中度及以上侵蚀面积仅占12.18%，表明2000年南流江流域整体情况良好，未发生大面积水土流失；
2015年南流江流域的水土流失面积为594.64 km2，其中轻度侵蚀面积446.41 km2，占总侵蚀面积的75.07%。对比可知，2015年的水土流失状况较2000年更加严重，表现为土壤侵蚀面积的增加和部分地区土壤侵蚀状况加剧，说明南流江流域水土流失态势不容乐观。

4.2 降雨—输沙关系

降雨侵蚀力是土壤侵蚀中的一个重要指标[15]。本研究收集南流江流域1990—2015年历年径流量和输沙量数据(见图1和图2)，对比径流量和输沙量之间的增减趋势，发现南流江流域输沙量和降雨量年际变化较大。由图1和图2可知，南流江流域多年平均径流量2.4亿m3,最大年径流量为2002年的4.05亿m3，最小年径流量为2007年的1.15亿m3；
多年平均输沙量114.58万t,最大年输沙量为2013年的247.0万t,最小年输沙量是2007年的16.9万t。从径流量和输沙量的折线图走势可以看出，输沙量同径流量的变化趋势呈较强的一致性。

图1 南流江流域多年径流量变化

图2 南流江流域多年输沙量变化

运用CORREL函数计算输沙量与降雨侵蚀力因子之间的关系，见图3。由图3可知，输沙量与降雨侵蚀力呈线性关系，决定系数R2=0.35。

图3 输沙量与降雨侵蚀力因子的关系

4.3 不同高程对土壤侵蚀的影响

将土壤侵蚀强度分级图与DEM数据进行叠加分析，得到表4。由表4可知，2000年90～150 m高程带侵蚀面积为36.01 km2，占比34.65%；
其次是150～300 m高程带，侵蚀面积为29.60 km2，占比28.49%。

表4 南流江流域不同高程不同侵蚀强度等级面积统计

2015年30～90 m高程带侵蚀面积197.79 km2，占比为33.26%，其次是90～150 m高程带，侵蚀面积为175.92 km2，占比29.58%。由统计数据可知，土壤侵蚀主要集中在30～150 m的低海拔地带，低海拔地带适宜人类居住和耕作，人类活动较多，农业生产集中，对自然环境造成一定破坏，因此水土流失情况较为严重。

4.4 不同坡度对土壤侵蚀的影响

将坡度数据与土壤侵蚀强度分级图进行叠加分析，得到表5。由表5可知：2000年和2015年的土壤侵蚀集中发生在坡度≤5°的地带，随着坡度的增大，土壤侵蚀面积逐渐减少。2000年坡度≤5°地带的土壤侵蚀面积总和为31.38 km2，2015年坡度≤5°地带的土壤侵蚀面积总和为174.69 km2；
同一坡度的土壤侵蚀面积从轻度侵蚀到剧烈侵蚀递减，轻度侵蚀面积占比最大。结果表明，研究区≤5°区域面积较大，适宜人类居住和耕作，开发强度高，因此水土流失强度高。

表5 南流江流域各坡度不同侵蚀强度等级面积统计

4.5 不同土地利用类型对土壤侵蚀的影响

将土地利用分类数据与土壤侵蚀分级图进行空间叠加分析，见表6。由表6可知，2000年建设用地侵蚀面积最大，耕地、未利用地、林地、草地、交通运输用地、园地依次递减。2015年南流江流域林地的土壤侵蚀面积最大，耕地、园地、建设用地、草地、水域、交通运输用地及未利用地依次递减，林地土壤侵蚀面积为339.34 km2，占总侵蚀面积的57.07%，耕地侵蚀面积为90.04 km2，占比15.14%。南流江流域人口密集，开垦强度大，垦殖系数高，农业耕作大规模使用化肥，导致耕地土壤侵蚀严重。人类为满足自身需求，大规模破坏原生植被，种植经济林和经济作物，虽然能够带来经济效益，但对生态环境的破坏性极大，容易导致大规模的水土流失。

表6 南流江流域各土地利用类型不同侵蚀强度等级面积统计

南流江流域整体水土流失强度不大，大部分处于轻度侵蚀，2000年的土壤侵蚀模数为43.32 t/(km2·a)，土壤侵蚀总量为39.90万t；
2015年土壤侵蚀模数为138.09 t/(km2·a)，土壤侵蚀总量为128.01万t。

从降雨的角度分析，降雨量大的年份降雨侵蚀力因子的值较大，输沙量也随之增大，输沙量与降雨侵蚀力呈线性关系，其决定系数R2=0.35。从DEM的角度分析，南流江流域农业活动主要集中在低海拔地带，水土流失主要发生在30～150 m高程。从坡度的角度分析，坡度≤5°的地带适宜人类居住和耕作，开发强度大，水土流失强度高。从土地利用类型角度分析，南流江流域2000年建设用地的水土流失面积最大，耕地、未利用地、林地等依次递减；
2015年林地水土流失面积最大，耕地、园地、建设用地等依次递减。

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