利用GIS和InVEST-SDR模型进行土壤流失与沉积物输出的时空分析：以巴西里奥帕尔多河流域为例

《Journal of South American Earth Sciences》：Spatio-temporal analysis of soil loss and sediment export using GIS and the InVEST-SDR model: application in the Rio Pardo Basin, Brazil

研究基于RUSLE和InVEST-SDR模型，分析巴西圣保罗州里奥帕尔多流域2003-2023年水土流失及泥沙输移动态，揭示土地利用变化加剧侵蚀（轻微侵蚀占比下降17.4%，高强度侵蚀比例上升），泥沙输移率从0.16增至0.22 Mg·ha?1·yr?1，并识别Baixo Pardo子流域及上游关键侵蚀区，为流域生态治理提供决策支持。

　　土壤侵蚀是全球范围内土地退化的主要因素之一，其对农业生产和生态环境产生了深远的影响。随着人类活动的不断扩张，土地利用和土地覆盖（LULC，Land Use and Land Cover）的变化加剧了土壤侵蚀的进程，进而影响了水体的质量和数量，威胁到水安全和生态系统功能。因此，识别高侵蚀率区域以及土壤侵蚀的主要来源，对于有效管理自然资源和制定合理的土地利用规划至关重要。

本研究聚焦于巴西东南部的里约帕尔多流域（Rio Pardo Basin，简称RPB），应用修正版通用土壤流失方程（RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation）与生态系统服务综合评估模型（InVEST，Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）中的沉积输送率（SDR，Sediment Delivery Ratio）模块，以估算该流域的水侵蚀和沉积物输送速率。研究结果表明，自2003年至2023年间，该流域的高侵蚀强度等级（如轻微/中度、中度、中度/重度、重度、极重度和严重）的面积显著增加，而轻微侵蚀等级的面积则减少了17.4%。这一趋势表明，该流域的表层侵蚀过程正在加剧，主要受到土地利用和土地覆盖变化的影响。

在研究过程中，将里约帕尔多流域划分为四个子流域，并发现“下帕尔多”子流域（Baixo Pardo）具有最高的侵蚀率、SDR值和沉积物输出率。进一步的热点分析确认了该子流域以及其它子流域源头区域是关键的侵蚀热点。这表明，不同区域的侵蚀强度存在显著差异，而这些差异与当地的土地利用方式密切相关。因此，通过识别这些高侵蚀区域，可以更有针对性地制定土壤和水资源保护措施，以减少侵蚀带来的负面影响。

土壤侵蚀不仅影响土地质量，还导致大量沉积物进入河流和水库，从而影响水质和水体的生态功能。沉积物的输入会减少水体的储水量，影响水循环过程，并对水力发电和水生生物的生存构成威胁。因此，了解沉积物的来源和输送路径对于有效管理水资源和生态系统服务具有重要意义。本研究通过结合RUSLE模型和SDR模块，不仅能够估算土壤流失和沉积物输出的速率，还能够识别关键的沉积物来源区域，为决策者提供科学依据。

RUSLE模型是一种基于经验的土壤流失估算工具，它结合了气候、土壤、植被、地形等多个因素，以估算土壤在表层过程中的年均流失率。其中，降雨侵蚀力（R因子）代表降雨的侵蚀能力，土壤可蚀性（K因子）反映土壤对水侵蚀的敏感程度，地形因子（LS因子）包括坡长和坡度，植被覆盖因子（C因子）表示不同土地覆盖类型对侵蚀的抑制能力，以及保护措施因子（P因子）反映人类活动对土壤流失的控制效果。RUSLE模型因其操作简便，能够与地理信息系统（GIS）和遥感数据相结合，因此被广泛应用于不同规模的流域，从较小的水系到广阔的亚马逊流域、整个国家甚至全球范围。

除了土壤侵蚀，沉积物的输送对水体的环境也产生重要影响。沉积物进入河流和水库，不仅会改变水体的物理和化学特性，还会影响水体的储水量和水质，进而威胁到水安全。因此，识别沉积物的来源区域及其输送路径，对于制定合理的土地利用和水资源管理策略至关重要。本研究通过应用RUSLE和SDR模块，不仅能够评估土壤流失和沉积物输送的速率，还能够识别出主要的侵蚀源区，为未来实施土壤和水资源保护措施提供支持。

在研究过程中，发现里约帕尔多流域的沉积输送率在2003年和2023年分别为0.033和0.034，表明该流域的沉积物输送能力有所增强。同时，2023年的平均沉积物输出率为0.22 Mg ha?1 yr?1，高于2003年的0.16 Mg ha?1 yr?1。这一趋势表明，随着土地利用和土地覆盖的变化，沉积物的输出能力也在上升，从而对水体的质量和数量造成更大的影响。

本研究的成果对于决策者具有重要的参考价值。通过识别关键的侵蚀区域和沉积物输送路径，可以为制定土壤和水资源保护措施提供科学依据。同时，该研究的方法论也为其他具有相似地形特征、土地利用变化剧烈且数据相对匮乏的地区提供了借鉴。因此，RUSLE和SDR模型的结合应用不仅能够提高土壤侵蚀和沉积物输送的估算精度，还能够为土地利用和水资源管理提供更加全面的支持。

此外，本研究还发现，里约帕尔多流域的土地利用和土地覆盖变化主要表现为森林向农业用地的转变，以及城市扩展对原有自然景观的侵占。这些变化导致了土壤侵蚀的加剧，同时也影响了水体的储水量和水质。因此，有必要通过科学手段对这些变化进行监测，并制定相应的管理措施，以减少其对生态环境的负面影响。

在实施土壤和水资源保护措施的过程中，需要综合考虑多种因素，包括土地利用方式、植被覆盖状况、地形特征以及气候条件。这些因素共同决定了土壤的侵蚀能力和沉积物的输送路径。因此，通过建立科学的评估体系，能够更有效地识别关键的侵蚀区域，并制定针对性的管理措施，以实现土地利用的可持续发展。

本研究的结果表明，土地利用和土地覆盖的变化是影响土壤侵蚀和沉积物输送的主要因素之一。因此，在未来的土地利用规划中，需要充分考虑这些变化的影响，并采取相应的措施，以减少土壤侵蚀带来的生态风险。同时，通过科学的模型和工具，能够提高对土壤侵蚀和沉积物输送的预测能力，为水资源管理提供更加精准的支持。

里约帕尔多流域的重要性不仅体现在其地理和生态特征上，还体现在其对当地居民的生活和经济活动的支持上。该流域覆盖了4,734.61平方公里，其支流为流域内的20个城镇提供了主要的农业灌溉用水。同时，流域内的水坝建设也对水资源的调控产生了重要影响，虽然在一定程度上满足了人类的需求，但也对生态系统的完整性构成了威胁。因此，有必要通过科学的评估和管理手段，以实现水资源的可持续利用和生态系统的保护。

在研究过程中，发现里约帕尔多流域的土壤流失和沉积物输送速率在2003年至2023年间发生了显著变化。这一变化主要受到土地利用和土地覆盖变化的影响，尤其是农业用地的扩张和森林的减少。因此，通过识别这些变化的影响，可以为未来的土地利用规划提供科学依据，并帮助决策者制定更加有效的保护措施。

本研究的成果不仅限于里约帕尔多流域，还为其他具有相似地理和生态特征的地区提供了参考。通过应用RUSLE和SDR模型，能够提高对土壤侵蚀和沉积物输送的估算精度，并为土地利用和水资源管理提供更加全面的支持。因此，这一研究为未来的环境保护和可持续发展提供了重要的科学依据和实践指导。

此外，本研究还强调了数据在环境评估中的重要性。由于里约帕尔多流域的监测数据相对有限，因此采用RUSLE和SDR模型进行估算具有较高的可行性。这些模型对输入参数的要求较低，能够与地理信息系统和遥感数据相结合，从而提高了估算的精度和适用性。因此，未来在类似地区开展研究时，可以借鉴本研究的方法论，以提高评估的科学性和实用性。

本研究的实施过程表明，结合多种模型和数据来源，能够更全面地评估土壤侵蚀和沉积物输送的状况。通过分析土地利用和土地覆盖的变化，可以识别出主要的侵蚀源区，并制定相应的管理措施。因此，本研究不仅为里约帕尔多流域的水资源管理提供了支持，也为其他地区的类似研究提供了借鉴。

总之，土壤侵蚀和沉积物输送的评估对于有效管理自然资源和制定合理的土地利用规划具有重要意义。通过应用RUSLE和SDR模型，能够提高评估的精度和适用性，为决策者提供科学依据。同时，识别关键的侵蚀区域和沉积物输送路径，能够更有针对性地实施土壤和水资源保护措施，以减少侵蚀带来的生态风险，保障水安全和生态系统的完整性。