马方正，于兴修，胡砚霞，李明蔚，程思，王星峰，肖娟花

（湖北大学资源环境学院/区域开发与环境响应湖北省重点实验室，武汉 430062）

土壤侵蚀引发土壤肥力下降、江河淤积、旱涝灾害加剧，已成为全球重大生态环境问题之一[1]。土壤侵蚀敏感性反映的是在自然条件下发生土壤侵蚀的潜在可能性及其程度[2]，开展土壤侵蚀敏感性评价对深化土壤侵蚀机理研究及水土流失治理和生态建设均具有重要意义。在土壤侵蚀敏感性研究中，国外多侧重于探讨环境因子对土壤侵蚀敏感性的影响，如BORRELLI 等[3]研究了意大利亚平宁山区林地伐木后土壤侵蚀敏感性现状；MISRA 等[4]探讨了地中海地区土地利用类型和耕作方式变化对土壤侵蚀敏感性的影响。国内对土壤侵蚀敏感性的研究多以区域为单元，探讨土壤侵蚀敏感性的空间分布和形成机制，目前已经取得许多研究成果。国内学者对土壤侵蚀敏感性的研究大多基于修正的通用土壤流失方程（RUSLE）[5]，几何平均数模型[6]、加权叠加模型[7]及土壤侵蚀潜在危险度指数模型[8]等方法在土壤侵蚀敏感性研究中也得到一些应用。近年来，随着3S 技术的应用，土壤侵蚀敏感性已实现了动态研究[9]。评价指标体系构建、主要敏感因子识别及侵蚀因子权重确定等[10-11]是开展土壤侵蚀敏感性评价研究的前提和基础，所用的统计方法主要有叠加排序法[12]、空间自相关分析法[13]、层次分析法[14]、专家打分法[15]等，其中，专家打分法在土壤侵蚀关键因子识别及不同扰动因子权重研究中应用较为广泛。

丹江口水库是我国南水北调中线工程的水源地，库区土壤侵蚀状况对流域生态环境具有重要影响[16]。丹江口市地处国家级水土流失重点防治区和南水北调中线工程丹江口水源区核心范围，境内地形地貌复杂，沟壑密布，地形坡度大，夏季多暴雨，容易引发水土流失，目前相关研究主要集中在小流域水土流失监测[17]、养分流失[18]、土壤侵蚀对土地利用的响应[19]等方面，土壤侵蚀敏感性时空变化方面的研究比较缺乏。本研究以丹江口市为研究区，以30 m×30 m的栅格作为评价单元，借鉴国内外土壤侵蚀敏感性研究成果，以RUSLE 和GIS、RS 技术为基础，结合研究区自然地理特征，选取研究区土壤侵蚀的主要影响因子，以2013 年丹江口大坝加高工程项目完工为时间节点，研究该区土壤侵蚀的空间分布差异及时空变化特征，以期为该区土壤侵蚀机理研究和水土保持及生态环境建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

丹江口市位于湖北省西北部（图1），鄂、豫两省交界处（110°48′～111°34′E，32°13′～32°58′N），总面积3 121 km2，是南水北调中线工程水源地，被誉为“亚洲天池”。丹江口市整体地势呈南北高、中间低的特点，汉水自西向东贯穿全镜，最高海拔为武当山天柱峰1 612 m，最低海拔为东部三宫殿87 m，平均海拔192 m；丹江口市属北亚热带季风性湿润气候，多年平均降雨量850～900 mm，降雨季节差异大，夏季降水量占年降水量的30%～49%；主要土壤类型为黄棕壤、水稻土、灌淤土等；地带性植被为常绿阔叶林、针叶林及针阔混交林。

图1 丹江口市位置及地势起伏示意图Figure 1 Schematic diagram of the location and topography of Danjiangkou City

1.2 数据来源

本研究的基础地理数据包括：2012 年9 月30 日、2017 年11 月8 日两期Landsat EM、Landsat 8 遥感影像，空间分辨率均为30 m；研究区降雨数据来源于欧洲气象局高分辨率网格数据集月降雨数据；地形数据来源于ASTER 官网提供的30 m 分辨率数字高程数据（DEM）；土壤数据来源于世界土壤数据库（HWSD）的中国土壤数据集。

1.3 研究方法

1.3.1 评价因子的选取

土壤侵蚀敏感性评价主要选取能够反映土壤侵蚀敏感性的自然因子，通过定量的土壤侵蚀模型，对区域土壤侵蚀敏感性进行综合研究。丹江口市位于我国亚热带地区，因此研究区主要考虑由水蚀所引发的土壤侵蚀状况。RUSLE 是目前应用最为广泛的土壤水蚀模型，模型全面考虑了影响土壤侵蚀的自然和人为因素，其参数因子可以很好地反映土壤侵蚀的敏感性问题，因此本研究以该模型为基础，选取土壤侵蚀敏感性评价因子。RUSLE如下：

其中：A为土壤侵蚀量；R为降水侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；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。

在已有研究得出土壤侵蚀敏感性主要受气候、土壤性质、地形和植被影响的基础上[20]，基于RUSLE 模型，考虑数据资料的有效性并结合丹江口市地形破碎、沟壑纵横的地形特征，本研究选取降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度、植被覆盖度、沟壑密度5 个因子作为土壤侵蚀敏感性评价指标，构建研究区土壤侵蚀敏感性评价体系。

1.3.2 土壤侵蚀敏感性因子量化

（1）降雨侵蚀力因子

降雨侵蚀力是指由降水引起土壤侵蚀的潜在势能，雨滴溅蚀和降雨径流是引发土壤侵蚀的主要动力因素[21]。年降雨量和降雨强度越大，土壤侵蚀越剧烈，二者呈正相关。由于降雨侵蚀力难以直接测定，本研究采用R值计算方法[22]：

式中：R为年降雨侵蚀力，MJ·mm·hm-2·h-1；Pi为研究区月均降雨量，mm。

基于研究区多年月均降雨量数据，采用普通Kriging内插法进行空间化处理，生成研究区R值栅格文件（图2）。依据表1 进行分级赋值，空间分辨率为30 m×30 m。

表1 土壤侵蚀敏感性评价指标及分级赋值Table 1 Evaluation index and classification standard of soil erosion sensitivity

图2 2012、2017年降雨侵蚀力空间分布图Figure 2 Spatial distribution of rainfall erosivity in 2012 and 2017

（2）土壤可蚀性因子

土壤可蚀性是土壤对降雨击溅侵蚀或地表径流等侵蚀介质剥蚀、搬运的敏感程度[23]，反映了土壤自身理化性质对土壤侵蚀的抵抗能力，是影响土壤流失量的内在因素。本研究选取土壤侵蚀和生产力影响估算模型（EPIC）[24]，计算研究区不同土壤类型K值，公式如下：

式中：ρSAN、ρSIL、ρCLA分别表示砂粒、粉粒、黏粒含量，%；ρC为有机碳含量，%；ρSN1=1-ρSAN/100。

根据公式（3）计算研究区各土壤类型的K值，赋值于土壤类型图，进行数据转换，得到30 m 栅格大小的Grid格式空间数据，分级赋值得到土壤可蚀性因子敏感性空间分布图（图3）。

图3 土壤可蚀性因子分布图Figure 3 Distribution map of soil erodibility factors

（3）地形起伏度

地形起伏是引发土壤侵蚀最直接的因素，宏观尺度通常选取地形起伏度来反映坡度、坡长等地形因子对土壤侵蚀的敏感性[25]。本文以ASTER GDEM 为数据源，运用邻域分析法提取丹江口市地形起伏度。利用均值变点分析法得出丹江口市地形起伏度最佳统计单元是7×7 窗口，通过ArcGIS 软件Neighborhood statistics 工具，绘制研究区地形起伏度分级赋值图（图4）。

图4 地形起伏度因子分布图Figure 4 Distribution map of topographic relief factors

（4）植被覆盖度因子

植被覆盖是影响土壤侵蚀最敏感的因素，植被覆盖对土壤侵蚀的防治作用主要表现为对降雨能量的削减作用、保水作用和抗侵蚀作用[26]。依照现行的土地利用分类系统，以研究区2012、2017 年两期遥感影像为基础数据源，通过目视解译得到土地利用类型图，依据《生态功能区划暂行规程》[27]对植被覆盖因子敏感程度进行分级赋值（表1），得到研究区植被覆盖因子敏感性空间分布图（图5）。需要说明的是，建设用地和交通用地虽无植被覆盖，但一般认为其不会发生土壤侵蚀，因此将二者归为土壤侵蚀不敏感级别。

图5 2012、2017年植被覆盖因子分布图Figure 5 Distribution map of vegetation cover factors in 2012 and 2017

（5）沟壑密度

沟壑密度是表征内外营力对地表侵蚀影响的重要指标。沟壑密度的大小与地表的切割破碎程度呈正相关，沟壑密度越大，地表越破碎，越容易引发土壤侵蚀[28]。利用ArcGIS 软件水文分析工具提取研究区盆地与沟壑，在考虑研究区地形特征及DEM分辨率的基础上，确定提取流域盆地流量累计阈值为200，提取沟壑流量累计阈值为100，再将沟壑长度相加赋于流域面积，计算得到研究区沟壑密度分级图（图6）。

图6 沟壑密度因子分布图Figure 6 Distribution map of gully density factors

1.4 土壤侵蚀敏感性评价方法

单因子的土壤侵蚀敏感性仅反映某一因子对土壤侵蚀的作用程度，由于不同影响因子对土壤侵蚀的贡献度不同，需要对土壤侵蚀各单一指标进行加权计算，对土壤侵蚀敏感性进行综合评价。综合评价公式如下：

式中：Sj为j空间单元土壤侵蚀敏感性指数；Ci为i因素敏感性等级值；Wi为影响土壤侵蚀i因子的权重。

根据丹江口市的实际情况及各因子对土壤侵蚀影响的大小，参考前人研究结果[29]，采用专家打分法，确定土壤侵蚀敏感性各因子权重，降雨、土壤质地、地形起伏度、植被、沟壑密度权重依次为0.25、0.1、0.25、0.3、0.1。参考《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007）和《生态功能区划暂行规程》，确定主要影响因子评价指标敏感性等级和分级赋值标准（表1）。依据公式（4），在ArcGIS 操作平台上将单因子敏感性进行加权叠加运算，运用自然分界法将运算结果划分为五级，得到丹江口市2012、2017 年土壤侵蚀敏感性评价结果（表2），绘制丹江口市两期30 m分辨率土壤侵蚀敏感性分级图。其中自然分界法是利用统计学的JENK 最优化法确定的分界点，可以使各级内部方差和最小，根据2012 年研究区自然分界法的划分阈值，对2017 年各因子加权求和结果进行分级，得到研究区两期土壤侵蚀敏感性分级图（图7）。

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀敏感性现状

土壤侵蚀敏感性综合评价结果（表2）表明，2017年丹江口市土壤侵蚀以中度敏感（1 365.66 km2）为主，其次为轻度敏感（985.24 km2），二者占75.19%；高度敏感区面积为408.21 km2，占比为13.06%；不敏感区面积为352.52 km2；土壤侵蚀极敏感区面积为14.56 km2，仅占丹江口市总面积的0.47%。由图7 可知，研究区分布最为广泛的中度敏感区主要分布在库区北侧习家店镇、蒿坪镇、石鼓镇，南部武当山中高山区及库区西侧平原向低山丘陵过渡的丘陵台地区；轻度敏感区分布广泛但零散，主要分布在植被覆盖度较高、人类活动干扰较少的低山丘陵区；高度敏感区主要分布在凉水河镇、习家店镇、六里坪镇、均县镇、土台乡等山地丘陵区，该区地形起伏度较大，沟壑密布，土壤类型以黄棕壤为主，土壤中砾石、沙粒含量高，养分匮乏，保水保肥性差，土壤侵蚀敏感性较高；不敏感区主要分布在丹江口市区、丹江口水库、库区周边河谷平原区及大小河流的阶地上，这些地区地形平坦，土壤类型以水稻土和潮土为主，土壤质地多为壤黏土，土壤砂粒、粉粒、黏粒含量适中，保水保温性能强，土壤侵蚀敏感性相对较低；极敏感区零散分布于北部大横山区及南部武当山区，是由人类生产建设活动、局部微地貌等多种土壤侵蚀易发因子叠加所致。

表2 2012—2017年丹江口市土壤侵蚀敏感性综合评价Table 2 Comprehensive evaluation of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City from 2012 to 2017

图7 丹江口市2012、2017年土壤侵蚀敏感性分级图Figure 7 Classification map of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City in 2012 and 2017

2.2 土壤侵蚀敏感性时空变化特征

对丹江口市2012、2017年两期土壤侵蚀敏感性分级图进行叠加分析，得到土壤侵蚀敏感性强度转移矩阵（表3）。由表3可知，5年间研究区土壤侵蚀敏感性等级降低的面积达105.87 km2，主要表现为高度敏感转化为中度敏感、中度敏感转化为轻度敏感和不敏感；土壤侵蚀敏感性等级升高的面积仅为11.83 km2，主要表现为轻度敏感转化为中度和高度敏感、中度敏感转化为高度敏感。

表3 2012—2017年丹江口市土壤侵蚀敏感性强度转移矩阵Table 3 The intensity transfer matrix of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City from 2012 to 2017

由图8 可知，研究区土壤侵蚀敏感性等级降低比较明显的有：①北部石鼓镇、蒿坪镇、习家店镇、均县镇，土壤侵蚀敏感性由高度敏感向中度敏感转化。该区地形以丘陵为主，山地丘陵与平原相间分布，人类开发强度大，土壤侵蚀敏感性较高，2012 年以来国家在丹江口库区实施水土流失综合整治项目，将丹江口水库大坝加高后即将淹没的优质耕园地的耕作层剥离转移到交通便利、距库岸较近的瘠薄耕园地上，改良土壤性能，区域土壤抗蚀能力明显增强，土壤侵蚀敏感性由高度敏感向中轻度敏感转化。②南部武当山区六里坪镇、武当山镇、盐池河镇、浪河镇、丁家营镇和白杨坪林业开发区部分区域，土壤侵蚀敏感性由高度敏感向中度、轻度敏感转化。该区植被覆盖度整体较高，近年来对疏残幼林地和荒山荒坡进行封育管理，营造生态防护林，进行生态修复，推进退化林和人工纯林修复，增加复层异龄混交林比例，土壤侵蚀敏感程度降低。③南部官山河小流域，土壤侵蚀敏感性主要由中度和高度敏感转化为轻度敏感和不敏感。该地区早年间土地利用类型以坡耕地为主，土层薄，保水能力差，抗蚀性能差，土壤侵蚀敏感性较高，2013年以来，官山河进行流域综合治理，以坡耕地整治为重点，进行坡面整治，实施“移土培肥”改造，提高土壤抗蚀性能，营造农田防护林，多手段减少流域输沙率，土壤侵蚀敏感程度降低。

图8 丹江口市2012—2017年土壤侵蚀敏感性空间变化图Figure 8 Spatial variation map of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City from 2012 to 2017

土壤侵蚀敏感性等级上升地区零散分布于研究区南部，该区地形起伏度高，地表破碎，沟壑密布，近年来伴随汉十高铁施工建设，部分地区地表植被破坏严重，土层直接暴露于地表，研究区降雨季节差异巨大，夏季遇侵蚀性降水，水土流失严重，土壤侵蚀敏感性有所增强。

2.3 土壤侵蚀敏感性与主要影响因素之间的关系

植被覆盖是土壤侵蚀的抑制因子，不同土地利用类型对应不同程度的植被覆盖度和人为干扰程度，进而影响土壤侵蚀的抗侵蚀阻力系统和动力系统，在区域土壤侵蚀发生、发展、变化中起重要作用。地形因子是区域地形特征的综合表征，也是土壤侵蚀敏感性空间分异的重要影响因素。为了进一步明确土壤侵蚀敏感性的空间分布规律，利用ArcGIS 空间分析功能，探讨不同土地利用类型、不同坡度下土壤侵蚀敏感性大小。

2.3.1 不同土地利用类型下的土壤侵蚀敏感性评价

将2017 年土壤侵蚀敏感性评价图与该年份土地利用图叠加分析（表4）可知，研究区土壤侵蚀高度以上敏感区土地利用类型面积大小排序依次为园地、旱地、草地、灌木林地、有林地、疏林地、未利用地、城乡居民和工矿用地、水体及水田。但从土壤侵蚀高度以上敏感区面积占各土地利用类型面积比例来看，大小排序依次为疏林地、未利用地、园地、旱地、草地、灌木林地、水田、城乡居民和工矿用地、水体及有林地。丹江口市疏林地高度以上敏感区面积占比最高，研究区疏林地主要为2013 年丹江口库区水土流失综合整治项目实施以来，植树造林形成的次生疏林地，生长期短，郁闭度低，水土保持性能差，土壤侵蚀敏感性高。未利用地高度以上敏感区面积超过该地类总面积的70%，这是因为未利用地植被覆盖度极低，土壤结构破坏严重，抗蚀能力弱，水土保持措施不到位。对于疏林地、未利用地，虽然侵蚀面积较小，但是其侵蚀比例非常高，说明疏林地、未利用地是研究区高敏感性土地利用类型，今后应切实加强这些区域的植被恢复工作。有林地主要分布在研究区海拔较高的山地丘陵区，较其他植被类型而言，有林地高度以上敏感区面积占比较小，这表明有林地可以有效增强当地的土壤抗蚀能力，具有良好的水土保持性能。相比有林地，研究区灌木林地和草地土壤侵蚀敏感性较高，土壤抗侵蚀能力较弱，今后应进一步优化林灌草植被结构。丹江口市土层较薄，大部分坡耕地土层厚度不足30 cm，遇侵蚀性降水，极易形成集中水流，引发坡面侵蚀，因此坡耕地治理是该区域水土保持工作的重点。总体而言，研究区植被覆盖因子敏感性与土壤侵蚀敏感性的空间分布较为吻合，说明植被覆盖是丹江口市土壤侵蚀敏感性的重要影响因子。

表4 不同土地利用类型土壤侵蚀敏感性分布面积（km2）Table 4 Distribution area of soil erosion sensitivity in different land use types（km2）

2.3.2 不同坡度下的土壤侵蚀敏感性评价

丹江口市属低山丘陵区，地形起伏交错是引发土壤侵蚀最直接的因素，对研究区坡度分级图和土壤侵蚀敏感性分级图进行叠加分析，可提取不同坡度等级土壤侵蚀敏感性分布情况（表5）。从表5 可以看出，随着坡度增大，研究区土壤侵蚀敏感性总体呈现先升高后降低的趋势，0°～5°坡度带土壤侵蚀敏感性最低，35°～45°坡度带土壤侵蚀敏感性最高，从5°～15°坡度带到25°～35°坡度带，随坡度增加土壤侵蚀敏感性逐渐提高，这是因为随着坡度加大，土壤自身稳定性降低，雨滴击溅侵蚀增强，加之人类不合理经济活动导致土壤结构破坏严重，使得土壤侵蚀敏感性升高。45°以上的坡度带土壤侵蚀敏感性不升反降，这是因为坡度大于45°的地区，封育管理、生态防护林营造等水土保持措施相对完善，植被覆盖度高。

表5 不同坡度土壤侵蚀敏感性分布面积（km2）Table 5 Distribution area of soil erosion sensitivity in different slope（km2）

3 讨论

土壤侵蚀敏感性受地形地貌、降雨、植被及土壤质地等因素的综合影响。降雨作为土壤侵蚀的主要动力，随时间变化明显，研究降雨因子与土壤侵蚀敏感性之间的关系，对于水土保持措施的实施具有重要参考作用。张恩伟等[30]在研究滇池流域土壤侵蚀敏感性时发现，降雨是影响滇池流域土壤侵蚀敏感性的关键因子，降雨侵蚀力敏感性的空间分布与土壤侵蚀敏感性的空间分布高度吻合。丹江口市降雨侵蚀力的空间分布自西南向东北递减，降雨侵蚀力敏感性的空间分布与土壤侵蚀敏感性的空间分布吻合度差。这表明，土壤侵蚀敏感性是多个因子共同作用的结果，且不同地区的主导影响因子具有差异性。

地形因子是影响土壤侵蚀敏感性最直接的因素。通过对比分析地形因子与土壤侵蚀敏感性数据，发现不敏感区主要分布在研究区坡度＜5°的区域，地形起伏度在100～300 m、坡度在5°～35°的区域与土壤侵蚀轻度敏感和中度敏感空间分布较为吻合，高度敏感和极敏感区并没有集中分布在坡度大于35°的区域，土壤侵蚀敏感性由低到高的空间分布与坡度由小到大的空间分布并不完全一致。孙小涛等[31]在研究贵州省雷山县时发现，雷山县土壤侵蚀敏感性随着坡度的增大而升高，当坡度超过35°后，土壤侵蚀敏感性随坡度的增大而降低，这表明土壤侵蚀敏感性存在坡度临界值，超过该坡度范围，土壤侵蚀敏感性降低。这与本研究结果相似。

土壤抗蚀能力与土壤自身理化性质密切相关，丹江口市土壤抗侵蚀能力偏弱，土壤可蚀敏感性主要为中度敏感和高度敏感。中度敏感区土壤类型主要为黄棕壤和黄褐土，土层深厚、质地黏重、易旱易涝，土壤侵蚀敏感性高。高度敏感性地区土壤类型主要为石灰岩土，土层贫瘠、质地松散、抗冲蚀能力差。朱明勇等[32]在研究南水北调水源区时发现，丹江口水库区土壤总体上属中高可蚀性土壤，本研究进一步验证了此结论。

植被覆盖是土壤侵蚀的阻抗因子，不同植被覆盖类型对水土保持的效果差异显著。丹江口市植被覆盖敏感性轻度以下区域占72.21%，不敏感区域主要为水体和建设用地，轻度敏感区主要为有林地。从植被类型看，丹江口市林地以北亚热带阔叶混交林为主，其林冠层对降雨截流作用较强[33]，植被覆盖因子敏感性与土壤侵蚀敏感性的空间分布高度吻合。

4 结论

本研究以通用土壤流失方程为基础，选取降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度、植被覆盖度、沟壑密度5 个因子，采用专家打分法对其赋权重，依据Arc-GIS 空间分析模块进行加权叠加计算，得到丹江口市土壤侵蚀敏感性分级结果，分析了研究区2012—2017 年土壤侵蚀敏感性各强度等级之间时空变化，探讨了土壤侵蚀敏感性与下垫面因素之间的关系。

（1）2017 年，丹江口市土壤侵蚀敏感性整体呈现南北高、中间低的态势，主要表现为轻度敏感和中度敏感，高度及以上敏感区仅占13.53%。

（2）从丹江口市土壤侵蚀敏感性空间分布及时空变化情况来看，研究区5 年间中度敏感、轻度敏感、不敏感区域面积呈增加趋势，高度敏感和极敏感区面积呈下降趋势，土壤侵蚀敏感性等级变化主要表现为高度敏感转化为中度轻度敏感、中度敏感转化为轻度敏感和不敏感；总体而言，研究区5 年间土壤侵蚀敏感性状况有所改善，仅少量区域土壤侵蚀敏感性有所升高。

（3）从不同下垫面土壤侵蚀敏感性分布来看，未利用地和疏林地是研究区高敏感性土地利用类型；研究区土壤侵蚀敏感性随坡度增大呈先升高后降低趋势，0°～5°坡度带敏感性最低，35°～45°坡度带敏感性最高，而坡度在45°以上的区域，由于植被覆盖条件好，水土保持措施较为完善，土壤侵蚀敏感性下降。