基于GIS和RUSLE模型的1993—2020年贵州省土壤保持量评价

摘 要：对中国西南山区贵州省的土壤保持量进行评价，以期为该地的生态安全、生态文明建设及可持续发展等提供理论参考。基于贵州省1993年、2000年、2010年和2020年共4个时期的数字高程模型（DEM）、土地利用、土壤类型、降水量、遥感影像等基础数据，采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE），结合GIS中的空间分析方法，评价1993—2020年贵州省土壤保持量的变化趋势和空间分布。贵州省土壤保持强度在1993—2000年急剧升高，而2000—2020年又呈缓慢下降趋势；全省土壤保持功能等级以一般重要和重要等级为主；全省土壤保持量变化以不变为主，土壤保持量减少区域的面积约占总面积的1/3。评价结果揭示了贵州省土壤保持强度、重要性等级、土壤保持量时空分布及变化特征。总体来看，贵州省未来的土壤保持及生态保护工作任务仍然严峻。

关键词：土壤保持；土壤流失；RUSLE；喀斯特；贵州省

中图分类号：S157.1；P964 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）3-130-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.03.031

0 引言

土壤侵蚀是目前全球性土地退化的主要原因之一，其引发的生态环境问题备受关注，因此对土壤保持能力的研究也愈发重要［1-3］。快速准确地对区域土壤保持量进行定量评价，对该地水土保持和生态恢复十分关键。修正的通用土壤流失方程（RULSE）是常用的土壤侵蚀研究方法之一，在定量评估区域土壤侵蚀及土壤保持量的研究中发挥着重要作用［4-5］。国内外相关学者在该模型的适用性上开展了多方面的研究，取得了一系列实质性进展。宁婷等［6］对山西省生态系统的土壤保持功能进行了重要性评估；武国胜等［7］对福建省长汀县的土壤保持功能及生态系统变化进行了研究；蒋春丽等［8］对2000—2010年黑龙江省的土壤保持量进行了定量评价；陆传豪等［9］的研究表明，土壤保持服务空间分布受到地形和人类活动等因素的显著影响。以上研究均揭示了不同区域土壤保持量变化的客观规律，为各区域水土保持规划及可持续发展决策部署提供了理论依据，但目前多数研究对象以平原或河流分布广泛的地区为主，对中国西南山区的研究较少。因此，该研究选择中国西南山区贵州省作为长序列研究对象，以期为中国西南山区的土壤保持理论研究提供参考。

贵州省位于中国西南腹地，是全国第一个国家级大数据综合试验区，是长江经济带的重要组成部分和西南地区的重要交通枢纽。然而，由于贵州省广布的喀斯特地貌和其土地利用的不合理极易造成石质荒漠化［10-12］，再加上极端天气增多，旱涝灾害风险增大，给贵州省广大区域的水土保持、生态文明建设带来不小的风险挑战。鉴于此，采用GIS空间分析方法和RUSLE模型定量评价1993—2020年贵州省的土壤保持强度状况，对其时空变化及分布情况进行研究，以此为贵州省人地矛盾尖锐背景下的生态文明建设和水土保持工作提供理论参考。

1 研究区概况

贵州省地域总面积为17.62万km2，共有6个地级市、3个自治州；位于东经103°36′～109°35′、北纬24°37′～29°13′，与四川、湖南、广西、云南、重庆等省份毗邻；平均海拔1 100 m，地形地貌以山地、丘陵为主，地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜；区域内的岩溶地貌发育尤为典型，单喀斯特（出露）面积占区域面积的60%左右；全省处于雨热同期的亚热带季风气候区。贵州省还拥有丰富的自然资源，是中国西南地区生态屏障的重要组成部分。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基础数据的选取时间段为1993—2020年。归一化植被指数（NDVI）和数字高程模型（DEM）等栅格数据主要来源于地理空间数据云，研究区及周边区域基础气象站点的日降水数据则由中国气象数据服务中心提供，土壤质地及有机质数据、土地利用数据由寒区旱区科学数据中心提供。矢量数据包括土壤类型数据和行政边界数据。

2.2 土壤保持量计算

为快速准确地定量评估贵州省在各时期的土壤保持量，研究采用修正的通用土壤流失方程（RULSE），表达公式见式（1）至式（3）［13-15］，结合GIS空间分析方法及工具进行定量计算。

Ap=R·K·LS                                                      （1）

Ar=R·K·LS·C·P                                             （2）

Ac=Ap-Ar=R·K·LS·（1-C·P）                          （3）

式（1）至式（3）中：Ap 表示潜在土壤侵蚀量， t/（hm2·a）；Ar 表示实际土壤侵蚀量， t /（hm2·a）；Ac 表示土壤保持强度， t /（hm2·a）；R 表示降雨侵蚀力因子，（MJ·mm）/（hm２·h·a）；K 表示土壤可蚀性因子，（t·hm2·h）/（hm2·MJ·mm）；LS 表示坡长坡度因子；C表示植被覆盖与管理因子；P表示水土保持措施因子。

2.3 降雨侵蚀力因子（R）

通常当自然界的降水量达到一定强度时就会诱发地表发生土壤侵蚀，它是导致土壤侵蚀及流水最主要的外部驱动因素，各区域因气候和降水特征的不同也显示出不同的区域土壤侵蚀特点。在降雨侵蚀力因子计算模型的选择中，参照胡续礼等［16］的研究成果，采用精确性和稳定性兼顾的CREAMS模型对降雨侵蚀力因子进行计算。降雨侵蚀力因子的计算公式见式（4）。

[R=1.03P1.51iPi≥d12]                                    （4）

式（4）中：R表示降雨侵蚀力因子，（MJ·mm）/（hm２·h·a）；Pi 表示日降水量，mm；d12表示达到土壤侵蚀性的降水标准（Pi≥12 mm）。降雨侵蚀力因子R由该区及周围区域基础气象站点的日降水量在GIS中的克里金插值法计算得出。

2.4 土壤可蚀性因子（K）

土壤可蚀性因子（K）是土壤对外来侵蚀能力的综合体现，不同的土地类型决定着不同的土壤类型，而不同类型土壤的K值不同，K值越大代表土壤越容易受到外力的侵蚀。结合研究区的土地和土壤类型实际情况，采用Sharply等［17］的研究成果来计算K值，计算公式见式（5）。

式（5）中：SAN表示砂粒的含量，%；SIL表示粉砂的含量，%；CAL表示黏粒的含量，%；C表示有机质的含量，%；SN=1-SAN/100。

2.5 坡长坡度因子（LS）

坡长坡度因子采用贵州省的DEM数据进行计算。上述模型中坡度因子S的计算公式是根据美国实际的耕地坡度情况建立的，而贵州省坡度大于15°的土地面积占比较大，因此继续使用原计算模型来计算坡度因子S并不符合该研究区实际。此处采用Liu等［18］、Mccool等［19］的研究方法，通过分段计算对坡度因子S的计算模型进行修正，公式见式（6）。

坡长因子L则采用Wischmeier等［20］提出的算法，见式（7）。

[L=λ/22.13α]

式（7）中：λ 表示特指的集水面积，m2； 22.13 m表示标准小区的坡长；θ 表示坡度，°；α 表示坡长因子指数。

2.6 植被覆盖与管理因子（C）

植被覆盖与管理因子（C）的取值范围为0～1，是侵蚀动力的主要阻碍因素。参考蔡崇法等［21］、谭炳香等［22］的研究方法及成果，植被覆盖与管理因子C的计算公式见式（8）。

式（8）中：C表示植被覆盖与管理因子，fg表示植被的覆盖度，NDVImax、NDVImin分别表示归一化植被指数（NDVI）的最大值和最小值，ρNIR 表示近红外波段，ρR 表示红外波段。

2.7 水土保持措施因子（P）

结合贵州省地形地貌、耕种习惯及土地利用类型等综合因素，并参考许月卿等［23］在贵州省的研究成果，确定各土地利用类型的P值，见表1。P的取值范围为0～1，0代表不会发生侵蚀，1代表未采取措施。

3 结果分析与讨论

3.1 土壤保持强度时空演变总体特征

1993年土壤保持强度Ac的取值范围为2.39～14 731.10 t /（hm2·a），平均约为1 698.70 t /（hm2·a）。从分布上看，土壤保持强度较高的区域主要分布在六盘水市、黔西南布依族苗族自治州（以下简称“黔西南州”）、安顺市及铜仁市，而土壤保持强度较低的区域主要分布在贵州中部的贵阳市及贵州西北部的毕节市区域。

2000年土壤保持强度Ac的取值范围为2.12～22 296.40 t /（hm2·a），平均约为2 197.93 t /（hm2·a）。从分布上看，土壤保持强度较高的区域主要分布在黔东南苗族侗族自治州（以下简称“黔东南州”）、黔南布依族苗族自治州（以下简称“黔南州”）及安顺市的部分区域，而土壤保持强度较低的区域与1993年几乎一致，主要分布在贵州中部的贵阳市及贵州西北部的毕节市区域。

2010年土壤保持强度Ac的取值范围为2.33～23 281.70 t /（hm2·a），平均约为1 987.83 t /（hm2·a）。从分布上看，土壤保持强度较高的区域主要分布在黔西南州、安顺市及黔南州，而土壤保持强度较低的区域主要分布在贵阳及毕节市区域。

2020年土壤保持强度Ac的取值范围为2.98～14 414.70 t /（hm2·a），平均约为1 825.95 t /（hm2·a）。从分布上看，土壤保持强度较高的区域主要分布在黔西南州、安顺市、黔南州及黔东南州，而土壤保持强度较低的区域与前三个时期有所不同，除主要分布在贵州省中部的贵阳市、西北部的毕节市以外，在贵州北部的遵义市也有分布。

3.2 土壤保持功能重要性分级

研究采用《生态保护红线划定指南》的分级方法对贵州省土壤保持功能的重要性进行分级，先确定分界值，再根据分界值对整体进行分级［15］。考虑到研究区水土流失现状及为了更好地进行定量评估，采用1993—2020年各时期土壤保持强度的平均值作为参考值。将贵州省生态系统土壤保持功能重要性等级分为极其重要、重要、一般重要共3个等级，其中一般重要等级的面积占全省总面积的47.62%，全省各地市州一般重要等级的面积占比较高，且主要分布在贵阳市、毕节市、遵义市等区域；重要等级的面积占全省总面积的39.53%，且在全省各地市州均有分布，而黔东南州、黔西南州、六盘水市、铜仁市在此等级中的面积占比相对较高；极其重要等级的面积占全省总面积的12.86%，在全省各地市州也均有分布，而黔东南州、黔南州、黔西南州、六盘水市、铜仁市等地区在此等级中的面积占比较高。从全省分布来看，贵州省土壤保持功能重要性等级以一般重要和重要为主；结合贵州省的总体地形地貌来看，极其重要等级的面积在全省分布呈现沟壑状分布。