第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
当前，水土流失是全球范围内发生最广泛、危害最严重的生态环境问题之一，严重威胁着人类的生存与发展。据估算全球的水土流失面积约为 16.43×106km2，占地表总面积的10.95%（李占斌 2005）。其中，中国是世界上水土流失最为严重的国家之一，也是世界上的人口和农业大国，国土面积约为960 万km2，其中，山区、丘陵区约占国土面积的 2/3，也是我国水土流失的主要地区（冯绳武 1989；秦天枝 2009）。水土流失在我国的危害已达到十分严重的程度，虽在一定程度上有所治理，但流失面积还在扩大，可以说“治理赶不上破坏”。根据 2002 年全国水土流失公告，全国水土流失面积356 万 km2(不包括冻融侵蚀面积)，约占国土总面积的37.1%，其中水力侵蚀面积165 万km2，风力侵蚀面积 191 万 km2（陈雷 2002；秦天枝 2009；中华人民共和国水利部 2002）。它不仅造成土地资源的破坏、粮食减产、降低土壤肥力、淤积库容和湖泊、导致农业生产环境恶化、生态平衡失调、水旱灾害频繁，而且影响各业生产的发展（彭珂珊 2000a，2000b，2001；王占礼 2000a，2000b；张俊飚 2001）。
水土流失是我国的头号环境问题（李运学等 2002），是我国土地资源遭受的最常见的地质灾害，其中以黄土高原地区最为严重（秦天枝 2009）。调查结果表明，我国土壤侵蚀从面积和强度上都是由东到西逐渐递增，土壤侵蚀分布存在集中连片的特点（李运学等 2002；赵晓丽等 2002）。我国水土流失不仅面积大、范围广，且其类型多样、成因复杂，是一个十分复杂的自然地理现象。地形起伏不平、坡陡沟多、多暴雨、降水集中、植被稀少、土质疏松等，是水土流失发生的自然原因，也是其发生和发展的潜在条件。国内学者（彭珂珊 2000a，2000b，2001；史更申 1994；王占礼 2000a，2000b；张俊飚 2001）以水土流失较为严重的黄土高原地区、长江流域部分地区为例进行分析，影响土壤侵蚀的自然因素主要包括降雨、地形地貌、植被、土壤等，而人为因素包括土地利用方式不合理、滥垦滥伐、过度放牧、陡坡开荒、毁林毁草、工程建设的影响等，它是加速土壤侵蚀的催化剂。水、土资源是人类生存与发展的基本条件，也是不可替代的资源，水土流失给经济建设和社会发展带来极大的危害，加速水土流失防治，已成为全国人民所面临的一项紧迫的战略任务。但由于各地自然条件和社会经济发展历史不同，水土流失特点及规律也不同，即水土流失区域差异明显，黄土高原区、西南岩溶区、南方红壤丘陵区、北方土石山区、东北黑土区、长江上游及西南诸河区和北方农牧交错区等区域引起水土流失的主要成因、产生的危害及治理的重点各有不同，这要根据各地不同特点，分别采用不同的防治措施，如蒙海花和王腊春（2006）从自然条件和人为因素两方面出发，探讨分析了我国黄土高原区、西南岩溶区、南方红壤丘陵区、平原区四个具有代表性地区的水土流失成因及其规律，并提出了相应地防治水土流失的一些措施和政策。对各地土壤侵蚀成因、类型、特征和分布规律等进行深入研究，再从各地实际情况出发，因地制宜地采取一些行之有效的措施进行治理，以使水土流失得到控制，这对于改善生态环境和保障国土安全都具有十分重要的意义。
1.2 国内外研究现状和进展
1.2.1 区域土壤侵蚀评价研究现状
区域尺度土壤侵蚀研究是土壤侵蚀学科的前沿研究领域之一，它是在较长时段、较大区域进行的研究，在研究方法上较依赖于土壤侵蚀试验研究、RS 和GIS 技术方法的集成，其研究成果能直接为水土保持决策提供支持，又能与全球环境变化研究相联系（冷疏影等 2004；李锐和杨勤科 2000；王礼先等 2005；谢红霞 2008；杨勤科等 2006）。关于区域尺度土壤侵蚀评价研究，李锐、杨勤科等人曾做过系统的分析（李锐等 1999；杨勤科和李锐 1998；杨勤科等 2006）。总之，从目前已有的研究成果来看，土壤侵蚀评价可划分为定性评价和定量评价两个方面，近年来，各国花费大量的人力、物力对土壤侵蚀过程及其机理进行了研究，并建立了多种评价方法，对土壤侵蚀的研究走过了从定性、半定量到定量，由单一方法、单一手段研究到多途径和多学科交叉研究。
定性评价法是对不同土壤侵蚀影响因子和因子组合进行的综合评价（刘志红 2007；汪邦稳 2007）。早在50 年代，前苏联完成了全苏土壤侵蚀图，所使用的方法为传统地图制图法，于 70 年代末，联合国环境署（UNEP）资助国际土壤信息中心（ISRIC）组织进行了全球土地退化（GLASOD）制图研究，来自世界各国的 250 多名科学家利用常规调查法，对水力侵蚀、风力侵蚀、物理退化、化学退化等退化类型进行了研究，将结果编制成图，首次提出全球土壤侵蚀面积约为16.43×106 km2（Oldeman et al. 1991；Oldeman 1994）。我国对区域水土流失研究的历史，可以追溯到 19 世纪 40 年代（朱显谟 1947）。系统研究始于上世纪 50 年代对黄土高原的第一次考察（黄秉维 1955；罗来兴和朱震达 1965；朱显谟 1956，1958）和 80 年代对黄土高原第二次考察（唐克丽等 1991）。并在 20 世纪50 年代末，将黄土高原第一次综合考察成果编制成了土壤侵蚀系列图（朱显谟 2005）、黄河中游土壤侵蚀分区图（黄秉维 1955）和水土保持图（罗来兴等 1965）。60 年代，在全国各地已有土壤侵蚀调查资料的基础上，编制了全国土壤侵蚀类型图（朱显谟 1965；朱显谟等 1999），且利用已有的水文观测数据编制了中国输沙模数图，为分析研究区域及全国尺度土壤侵蚀类型、区域特征提供了基础（杨勤科等 1994）。水利部分别于上世纪 80 年代、90 年代末期先后两次组织进行了全国土壤侵蚀的遥感调查和制图（中华人民共和国水利部 2002），基本查清并公告了我国土壤侵蚀的基本状况，这为水土流失治理工作提供了较系统的数据支持，并再次分析认识了全国尺度的土壤侵蚀特征与土地利用和环境条件的关系（许峰等 2003；张国平等 2001；邹亚荣等 2001）。
第二章 降雨因子
所有气候因子都从不同方面和不同程度上影响着水土流失，其中降雨和风是造成水土流失的直接动力和主要因子，温度、湿度、日照等的变化也间接影响水土流失的发生、发展过程与程度。雨滴击溅及由降雨产生的径流是土壤侵蚀的主要动力，研究评价降雨对土壤侵蚀的潜在作用，对定量预报土壤流失、制定水土保持规划等具有重要的意义。本章以我国气象站发布的日雨量资料为基础，采用章文波的日雨量估算半月降雨侵蚀力模型对我国 1998—2011 年各个站点的逐月降雨侵蚀力进行了计算，由此计算得到1998—2011 年月平均、逐年和年平均降雨侵蚀力；在此基础上采用 Kriging 内插法进行降雨侵蚀力空间插值，得到月平均、逐年和年平均降雨侵蚀力空间分布数据；最后对降雨侵蚀力的空间分布和时间变化特征进行分析评价。
2.1 降雨侵蚀力简介
研究降雨侵蚀力因子与土壤侵蚀的定量关系，是开展土壤侵蚀定量研究的基础工作之一，准确评估计算降雨侵蚀力对定量预报水土流失具有重要的意义。R 值一般很难直接测定，大多使用降雨参数来估算。自 Wischmeier 在USLE 方程中提出此概念及其计算方法以来，伴随着通用土壤流失方程在世界各地的推广应用，R 值的研究受到广泛的重视（Haith and Merrill 1987；Selker et al. 1990；胡续礼 2006；刘志红 2007；史志华等 2006；王万忠等 1995，1996；伍育鹏等 2001；谢云等 2000，2001；杨开宝和郭培才 1994；章文波和付金生 2003；章文波等 2002a，2002b，2002c，2003；郑粉莉等 1994），同时也成为后来研究提出各种土壤侵蚀模型的一个十分重要的因子（Arhonditsis et al. 2002；Kinnell 1998；Liu B Y et al. 2002；卜兆宏等 1997；唐克丽 2004），因此，要实现土壤侵蚀预报与评价，首先要对降雨侵蚀力进行估算。
降雨侵蚀力的算法视所用降雨观测资料的多少分为两种：即经典算法和简易算法（王万忠等 1995；王万忠和焦菊英 1996；周斌 2000）。经典算法是由 Wischmeier 和Smith（1958）利用美国 35 个水土保持试验站 8 250 个休闲小区的降雨侵蚀资料分析得来。对降雨量（P）、降雨动能（E）、最大时段雨强（In）、前期降雨（Pa）及各种复合因子与土壤流失量进行回归分析，发现降雨动能与最大30min 降雨强度的乘积E·I30 有最好的相关性，可作为衡量次降雨侵蚀力大小的指标。王万忠等（1995）在全国选择10 个有代表性的小区资料，通过统计分析降雨单因子及不同复合形式因子与土壤流失量的关系，认为使用 E·I30 指标分析我国的降雨侵蚀力是比较适宜的。但使用降雨侵蚀力指标计算侵蚀力的方法以次降雨过程资料为基础，可这类资料在许多国家和地区是很难获得的，资料的整理与计算也是一个很繁琐的过程（章文波等 2002b，2002c；胡续礼 2006a，2006b）。降雨动能E 的计算需要降雨过程，而获取降雨过程是很费事费力的，不大适合大范围使用（王万忠和焦菊英 1996）。因此，一般建立降雨侵蚀力简易算法，通过气象站常规降雨统计资料（如日雨量、月雨量、年雨量或其他降雨参数）来估算降雨侵蚀力，以省去降雨动能E 的计算（刘志红 2007；王万忠和焦菊英 1996；章文波等 2002b，2002c，2003），国内学者（胡续礼 2006a，2006b；黄炎和等 1992；刘平等 2005；史志华等 2006；王万忠等 1995，1996；吴素业 1994；张坤等 2008；章文波和付金生 2003；章文波等 2002b，2003；周伏建等 1995）在这方面已做大量的工作，并建立了全国或不同地区的降雨侵蚀力计算模型。
2.2 降雨侵蚀力的计算
2.2.1 降雨侵蚀力计算及空间插值方法
近年来，众多学者采用Kriging 方法实现降雨侵蚀力数据的空间化和离散化（李璐等 2011），洪伟和吴承祯（1997）研究发现Kriging 插值方法在我国降雨侵蚀力研究上有很好的拟合优度；章文波（2003）利用 Kriging 插值方法绘制了北方农牧交错带降雨侵蚀力等值线图；赵文武等（2008）运用析取 Kriging 插值对延河流域降雨侵蚀力进行空间分布研究；降雨侵蚀力空间格局研究中，基于地统计学的Kriging 内插法对区域降雨侵蚀力空间插值有较好的拟合效果（门明新等 2006；张坤等 2009）。
综上，本研究选用章文波等（2002b，2003）用日雨量数据估算半月侵蚀力的简易算法模型（公式（2-1）～（2-3）），计算我国1998—2011 年各个站点逐月降雨侵蚀力，再由此计算出 1998—2011 年月平均、逐年和年均降雨侵蚀力，然后采用 Kriging 内插法进行降雨侵蚀力空间插值，得到月平均、逐年和年均降雨侵蚀力空间分布数据。降雨量和侵蚀力一般呈现幂函数关系（Richardson et al. 1983）。利用日雨量估算半月侵蚀力的模型如下（李良冬等 2009；刘平等 2005；马良等 2010；吴昌广等 2011；章文波和付金生 2003；章文波等 2002b，2003）：
本研究的基础数据为：1998—2011 年中国 680 多个气象站点的逐日降雨资料，此数据来源于：中国气象数据共享网，数据格式为文本格式；中国矢量边界数据来源于国家基础地理信息系统全国1:400 万数据库，其地理坐标系为 WGS_1984。
数据处理大致步骤如下：
1. 利用统计软件筛选 1998—2011 年各站点≧0mm 的日雨量，经汇总得到月平均降雨量，逐年降雨量及多年平均降雨量；
2. 利用统计软件筛选 1998—2011 年各站点≧12mm 的日雨量（日雨量≧12mm 做为侵蚀性降雨标准（谢云等 2000）），汇总得月平均侵蚀性降雨量、逐年侵蚀性降雨量及多年平均侵蚀性降雨量；
3. 在第 2 步基础上，依据公式（2-2）和（2-3） 分别求取 α 和β 值，求得各站点的逐月降雨侵蚀力后，就可求得月平均降雨侵蚀力、逐年降雨侵蚀力和多年平均降雨侵蚀力；
4. 采用 Kriging 内插法进行降雨量及降雨侵蚀力空间插值；
5. 对降雨量、侵蚀性降雨量及降雨侵蚀力的时空分布特征进行分析。
气象站点分布如图2-1 所示：
第三章 土壤因子.................36
3.1 土壤抗侵蚀性................. 36
3.2 土壤可蚀性................. 36
3.3 土壤性质的空间分布............... 39
第四章 地形因子.............47
4.1 基于 SRTM DEM 的坡度因子提取与分析............. 47
4.1.1 坡度和坡长的概念.................... 47
第五章 植被因子........................62
5.1 植被指数简介........................ 62
5.2 植被覆盖度简介....................... 62
第六章 中国水土流失评价
6.1 定性评价法
根据水利部颁布标准（SL 190—2007）,利用坡度和植被覆盖度两个指标对中国水土流失进行定性评价，分级指标见表6-1。
6.1.1 数据处理
对坡度和植被覆盖度（1998—2007 年）进行重采样，采样栅格大小设为 500m×500m，然后依照表 6-1 对二者进行重分类，将坡度划分为 6 级（0-5°、5-8°、8-15°、15-25°、25-35°、＞35°），植被覆盖度划分为 5 级（＜30%、30～45%、45～60%、60～75%、＞75%），再使用 ArcGIS 软件的 Con 命令和栅格计算器中的布尔运算（And、Or）完成计算，最后得出不同时期不同侵蚀强度的分布图。
第七章 主要结论与创新点
7.1 主要结论
本研究得出的主要结论如下：
1. 利用中国680 多个地面气象站1998—2011 年的日降雨资料，采用章文波的日雨量估算半月降雨侵蚀力模型对各站点的逐月降雨侵蚀力进行估算，由此计算得到1998—2011 年月平均、逐年和多年平均降雨侵蚀力，在此基础上采用Kriging 内插法进行空间插值，然后采用线性倾向估计、滑动平均、累积距平、变异系数（CV）、趋势系数（r）等方法对降雨侵蚀力的时间变化特征进行分析，并采用相关系数统计检验法对长时间序列的降雨侵蚀力总体变化趋势进行显著性检验，同时对降雨量、降雨侵蚀力的空间分布特征进行比较与分析，所得主要结论如下：
1) 中国降雨侵蚀力年内年际变化与降雨量、侵蚀性降雨量年内年际变化趋势一致，年内分布均呈单峰型，集中分布在4～10 月。降雨量和降雨侵蚀力呈现高度集中的季节分布态势，且南方地区明显高于北方地区，南方沿海地区（主要是华南一带）的侵蚀性降雨比例在80% 以上，几乎每次降雨都能引起侵蚀。4～10 月R 值总和占年总R 值的92.22%，最大值出现在7 月份，该月降雨侵蚀力约占年总R 值的22.88%，1 月、2 月和12 月这三个月的降雨侵蚀力R 值总和仅占年总R 值的3.20%。中国多年平均降雨侵蚀力为21782.06MJ·mm/(ha·h·a)，1998—2011 年年降雨侵蚀力R 值的全距为22249.32MJ·mm/(ha·h·a)，1998—2011 年年降雨侵蚀力呈波动下降的趋势，倾向率为-278.29MJ·mm/(ha·h·10a)，采用相关系数法对1998—2011 年逐年降雨侵蚀力总体变化趋势进行显著性检验，未通过90% 的信度检验水平，说明其年际间的变化并不显著。
2) 1998—2011 年间，春、夏、冬三季的降雨侵蚀力均呈下降趋势，而秋季的降雨侵蚀力呈上升趋势，春、夏、冬三季降雨侵蚀力占全年的2/3 之余，只有春季的4 月、秋季的11 月通过0.10 显著性水平，冬季的1 月通过0.05 显著性水平。1～12 月的趋势系数在-0.213～0.338，各月降雨侵蚀力的变异系数均大于0.1，除8 月降雨侵蚀力属于高度变异程度外，其他月份的月降雨侵蚀力均属于中等变异程度，各季变异程度依次为：夏季＞春季＞秋季＞冬季。
3) 降雨量与降雨侵蚀力的空间分布具有从东南向西北梯度递减的特点，南方地区一般存在有明显的高值区，且以高值区为中心向外扩展，呈梯度递减分布。由于降雨侵蚀力是由降雨量和降雨强度决定，所以二者也有一些不同。
参考文献（略）