本研究所采用的基础数据主要包括区域地质图、2016年日降水数据、土壤类型和质地数据、高程数据(DEM)、以及Landsat8数据,数据来源见表1。

表1 数据来源

本文采用广泛应用的RUSLE模型计算土壤侵蚀模数及土壤侵蚀量,其表达式如下:

A=R×K×L×S×C×P(1)

式中:A为土壤侵蚀模数; R为降雨侵蚀力因子; K为土壤可蚀性因子; L为坡长因子; S为坡度因子; C为植被覆盖与管理因子; P为水土保持措施因子。

因岩溶区域特殊的地质构造以及石漠化现象的存在,RUSLE模型的传统算法在一定程度上会高估土壤侵蚀量。因此Gao等^[21]基于Dai等^[12]提出的地表沉积物与裸岩率的关系对RUSLE模型进行了修正,使其适宜于岩溶区土壤侵蚀评价,其修正方法如下:

A=(1-0.076²×a)×R×K×L×S×C×P(2)

式中:a的取值方法见表2。

表2 不同裸岩率下a的取值

根据研究区实际情况,本研究中覆盖型岩溶区土壤侵蚀模数的计算采用公式(1),裸露型岩溶区土壤侵蚀模数的计算采用公式(2)。

(1)降雨侵蚀力因子。降雨侵蚀力是指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力^[22]。降雨侵蚀力的计算一般采用经典算法EI30,但是该算法需要大量的自记降雨资料,一般难以获取。因此许多学者提出了降雨侵蚀力的简易算法。胡续礼等^[23]的研究表明CREAMS模型计算降雨侵蚀力具有较高的精度。

R=1.03×P_i^1.51(P_i>P₀)(3)

式中:P_i为日降水量; P₀为侵蚀性降水量阈值。根据杨子生在滇东北的研究,区域内侵蚀性降雨的基本雨量标准为9.2 mm^[21]。

(2)土壤可蚀性因子。土壤可蚀性因子是指土壤抵抗流水冲刷和侵蚀的能力。对于K值的计算比较成熟的有Wischmeier提出的田间实测法和诺谟图法以及EPIC模型,但是由于田间实测法要耗费大量的人力,财力,许多学者通过研究证明了诺谟图法不适合中国土壤可蚀性因子的计算^[24]。因此本研究K值的计算选择Williams提出的EPIC模型^[25],其计算公式如下:

K=0.1317{0.2+0.3exp[-0.0256SAN(1-(SIL)/(100))]}×

((SIL)/(CLA+SLA))^0.3×[1-(0.25C)/(C+exp(3.72-2.95C))]×

[1-(0.7SN)/(SN+exp(22.9SN-5.51))](4)

式中:SAN为砂粒含量百分比; SIL为粉砂含量百分比; CLA为黏粒含量百分比; C为有机质含量百分比,SN=1-SAN/100。

(3)坡度坡长因子。地形对于土壤侵蚀具有较大的影响,地形平坦能够降低重力势能,进而减小土壤侵蚀发生的可能性,相反地形高差大则会增加重力势能,在一定程度上就会增加土壤侵蚀风险。利用研究区30 m分辨率的DEM数据采用刘斌涛^[26]提出的西南土石山区坡度因子的修正算法以及张宏鸣研发的LS-TOOL进行坡度S和坡长L因子的计算,其计算方法如下

LS=L×S(5)

L=(λ/22.13)^α(6)

α=β/(β+1)(7)

β=sinθ/[3sinθ^0.8+0.56](8)

S={10.8sinθ+0.03

16.8sinθ-0.50

20.204sinθ-1.2404

29.582sinθ-5.607(θ≤5°)

(5°<θ≤10°)

(10°<θ≤25°)

(θ>25°)

(9)

式中:θ为坡度; λ为坡长,α为坡长因子指数。

(4)植被覆盖与管理因子。植被覆盖与管理因子是土壤侵蚀的抑制性因子,充足的植被覆盖与良好的管理措施有助于减缓土壤侵蚀速率,减少土壤侵蚀量。目前对于C值的计算还未有统一方法,参照蔡崇法^[27]、许月卿^[28]等人的研究结合研究区的实际情况进行C因子赋值,赋值方法见表3。

表3 不同土地利用类型下的C值

(5)水土保持措施因子。水土保持措施因子是指采取专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值,其值在0～1之间,0表明不发生水土流失,1表示未采取任何水土保持措施^[29]。P因子一般是根据土地利用类型进行赋值,根据许月卿^[28]、杨子生^[30]等的研究以及野外观测P值赋值方法见表4。

表4 不同土地利用下的p值

从地理空间数据云获取Landsat 8数据,在ENVI 5.3中经过辐射定标、大气校正等处理后,计算南洞地下河流域归一化植被指数(NDVI),计算方法如下:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)(10)

式中:NIR为近红外波段; R为红波波段。

在地质图的辅助下,对南洞地下河流域岩溶区NDVI图层进行裁剪以计算裸岩率。采用像元二分法模型,在置信度为5%,95%区间内,计算植被覆盖度(FVC),公式如下:

FVC=(NDVI-NDVI_min)/(NDVI_max-NDVI_min)(11)

式中:NDVI_min为NDVI最小值; NDVI_max为NDVI最大值。

根据裸岩率与植被覆盖度的关系计算得到南洞地下河流域岩溶区裸岩率。

裸岩率=1-FVC(12)

参照《DD2004—02区域环境地质调查总则》,以及有关石漠化遥感解译分级标准(表5)^[31-32],根据裸岩率进行石漠化等级划分。

表5 石漠化划分标准

将以上有关土壤侵蚀的6个因子图层及裸岩率分布图统一至30 m分辨率进行土壤侵蚀和石漠化强度分析。

根据前文裸岩率的计算以及石漠化等级划分标准进行南洞地下河流域岩溶区石漠化等级划分,得到南洞地下河流域石漠化分布图(图2)。2016年,南洞地下河流域裸露型岩溶区面积约950 km²,石漠化面积达740.64 km²,其发生率为77.96%,为石漠化的高发地区。该区域轻度石漠化面积最小,为191.02 km²,发生率为20.11%,重度石漠化面积次之,为244.11 km²,发生率为25.70%,中度石漠化面积最大,为305.51 km²,发生率为32.16%(表6)。因此南洞地下河流域岩溶区石漠化等级以中度和重度为主,该结果与涂杰楠等^[33-34]在南洞地下河流域南部和东山生态治理区以及王宇等^[19]在云南的石漠化调查结论存在一致性。

图2 南洞地下河流域石漠化和土壤侵蚀模数状况

在区域地质图辅助下将南洞地下河流域土壤侵蚀图分为覆盖型岩溶区和裸露型岩溶区。参照SL190—2007《土壤侵蚀分类分级中水力侵蚀分类分级标准》和SL461—2009《岩溶地区水土流失综合治理标准》分别对南洞地下河流域覆盖型岩溶区和裸露型岩溶区进行土壤侵蚀等级划分。覆盖型岩溶区土壤侵蚀面积为444.54 km²,发生率为66.55%,土壤侵蚀模数为688.41 t/(km²·a)(图2)。根据前人对地势较为平坦的非岩溶区域的研究,土壤侵蚀模数大致在462～1 918 t/(km²·a)范围内^[35-36]。该区域以微度侵蚀为主,随着土壤侵蚀等级的升高,土壤侵蚀面积减小。其中微度侵蚀面积为276.30 km²,发生率为41.36%,轻度侵蚀面积为118.01 km²,发生率为17.67%。中度、重度和极强度面积较小,分别为27.39 km²,13.80 km²,8.37 km²。剧烈侵蚀面积最小,为0.67 km²,发生率仅为0.10%(表7)。

裸露型岩溶区土壤侵蚀面积为688.86 km²,发生率为72.51%,土壤侵蚀模数为1 096.35 t/(km²·a)(图2)。前人对于贵州、广西、云南等岩溶区侵蚀模数的计算稳定在880～2 870 t/km^2[37-38],本研究结果与此存在较大一致性。该区域土壤侵蚀以轻度和中度为主,侵蚀面积随着侵蚀等级的升高先增大后减小。中度侵蚀面积最大为273.55 km²,发生率为28.79%,其次是轻度侵蚀,为139.34 km²,发生率为14.67%。强度土壤侵蚀面积为102.78 km²,发生率为10.82%。微度、极强度土壤侵蚀面积较小,为76.26 km²,65.20 km²,发生率为8.03%,6.86%。剧烈侵蚀面积最小,为31.73 km²,发生率仅为3.34%(表8)。

根据岩溶区水土流失综合治理标准^[39],将坡度划分为<5°,5°～8°,8°～15°,15°～25°,25°～35°,>35°等6个等级。裸露型岩溶区石漠化面积随着坡度等级的升高先增加后减少,主要分布在5°～25°坡度范围内,该范围内石漠化面积约占石漠化总面积的78.77%(表9)。

表6 石漠化面积及发生率

表7 覆盖型岩溶区土壤侵蚀面积发生率

表8 裸露型岩溶区土壤侵蚀面积及发生率

石漠化面积在8°～15°坡度等级内最大,为248.02 km²,其次是15°～25°范围内,为184.34 km²。>35°坡度等级内石漠化面积最少,仅为13.53 km²。土壤侵蚀面积也随着坡度等级的升高先增加后减少,也主要分布在5°～25°坡度范围内(表 10)。该范围内土壤侵蚀面积占总面积的78.48%,其中最大面积发生在8°～15°坡度范围内,为222.85 km²。>35°坡度范围内土壤侵蚀面积最小,仅19.75 km²。这除了与各个坡度等级的分布面积有关外,还与人类活动密切相关。5°～25°坡度范围内,人类生产活动频繁,生态环境面临极大的挑战,因此土壤侵蚀面积较大,石漠化面积也较大。石漠化发生率随着坡度等级的升高而降低,在<5°坡度范围内石漠化发生率最高,为86.15%,最低是在>35°范围内,为61.77%。这与土地开垦的难易程度密切相关,坡度平缓区,开垦难度小,不合理的人类活动使得石漠化发生率较高,相反坡度较陡,开发利用困难,人类活动较少,且大部分区域实施了退耕还林,石漠化发生的概率就低。土壤侵蚀发生率随着坡度的升高而升高,原因在于坡度越高土壤侵蚀的风险就越大,一经扰动极易发生土壤侵蚀。

表9 南洞地下河流域不同坡度下石漠化面积及发生率

表 10 南洞地下河流域不同坡度下土壤侵蚀面积发生率