青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布特征

劉斌濤，陶和平，史 展，2，宋春風，2，郭 兵，2

土壤侵蝕是全球性的生態環境問題之一，土壤侵蝕不僅引起土壤質量不斷下降，土地退化，耕地資源流失等問題，還會引起水體環境惡化，河道淤積甚至泥石流、洪澇災害等一些列問題［1－3］。導致土壤侵蝕的因素有降雨、土壤、地形地貌、植被等，其中土壤自身的抗侵蝕能力是重要因子之一，國際上通常用土壤可蝕性K值來衡量［4］。土壤可蝕性K值大小表示土壤是否易受侵蝕破壞的性能，是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應［5］。因此，土壤可蝕性一直作為水土保持學科和土壤學科的重要研究內容之一［6－8］。

國外從20世紀30年代便開始研究土壤可蝕性問題，并于60年代由Wischmeier等提出了具有實用價值的土壤可蝕性評價指標［9］。Wischmeier［10］于1971又提出了5個主要影響土壤可蝕性因子的土壤理化性質參數，建立了利用常規土壤普查資料計算土壤可蝕性因子K值的關系模型。我國學者張憲奎等［11］、張愛國等［12］、劉寶元等［13］、張科利等［2］也對土壤可蝕性因子進行了相關探討。盡管關于土壤可蝕性估算的研究很多，但常用的方法有 Wischmeier等［10］提出的方法、EPIC 模型方法［14］和 Shirazi等［15］提出的方法。在大尺度土壤可蝕性估算與分析方面，梁音等［4］利用第二次土壤普查數據計算我國東部丘陵區的土壤可蝕性并制作了該區域的K值的空間分布圖；王小丹等［5］計算了西藏自治區主要土壤類型的土壤可蝕性K值，并分析了土壤可蝕性的空間分布特征；劉吉峰等［16］計算并分析了青海湖流域土壤可蝕性K值的分布特征；岑奕等［17］等利用第二次土壤普查數據，計算了華中地區主要土壤的土壤可蝕性K值；吳昌廣等［3］分析了三峽庫區土壤可蝕性K值的計算方法，指出國外計算K值的經驗公式不能照搬，可以采用幾何平均粒徑進行修正。這些研究都采用了我國第二次土壤普查的數據成果，對我國土壤可蝕性研究與應用具有重要的指導意義。

青藏高原地形高亢，平均海拔在4 000m以上，是我國生態環境最脆弱的地區之一［18］。同時，青藏高原水資源豐富，是我國眾多大江大河的源頭。近年來，由于氣候變化和人類活動影響，青藏高原已經成為我國重要的水土流失地區之一［19］。青藏高原土壤侵蝕不僅會對該區域脆弱的生態環境造成破壞，還會對我國大江大河的水沙環境造成嚴重影響，威脅我國的水安全和水電工程安全。因此，研究青藏高原土壤侵蝕的重要因素——土壤可蝕性對于青藏高原水土保持和生態環境保育具有重要意義。前人以對青藏高原個別區域進行研究，尚無關于青藏高原土壤可蝕性整體性的研究成果，無法揭示青藏高原整體性的土壤可蝕性分布規律，而且青藏高原地形高差懸殊，土壤垂直分異明顯，有必要對青藏高原土壤可蝕性的垂直分異特征進行分析研究。本研究通過模型計算和GIS空間分析，對青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布特征進行定量分析，旨在深入理解青藏高原土壤侵蝕的成因和分布規律，為青藏高原生態環境保護和生態安全屏障建設提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究查閱了中國土壤數據庫（http：∥www.soil.csdb.cn／），《四川土種志》［20］，《青海土種志》［21］，《西藏自治區土種志》［22］等第二次土壤普查資料，共收集了1 255個典型土壤剖面資料。所用的土壤圖來自地球系統科學數據共享服務網（http：∥www.geodata.cn／）提供的青藏高原區域1∶100萬土壤類型圖，該數據為矢量格式，可以在ArcGIS軟件支持下進行分析處理。研究所需的輔助數據為SRTM數字高程模型（DEM）數據，從中國科學院國際科學數據服 務 平 臺 （http：∥datamirror.csdb.cn／admin／datademMain.jsp）獲得。

1.2 土壤可蝕性K值估算方法

土壤可蝕性K值一般是針對水力侵蝕而言的。雖然，其量值會受到其它侵蝕營力（風力、凍融）的影響，但就區域尺度而言，其空間分布規律相對穩定。因此，在其它營力對K值的影響作用難以確定的前提下，采用通用的土壤可蝕性計算模型是可行。

土壤可蝕性估算模型較多，其中EPIC模型在我國應用較多。在第一次全國水利普查水土保持專項普查全國土壤可蝕性因子計算分析中也選用了該模型［23］。因此，選用 EPIC模型［14］中給出的土壤可蝕性K值估算模型，其計算公式為：

式中：Sa——砂粒（2～0.05mm）含量（%）；Si——粉砂（0.05～0.002mm）含量（%）；Cl——黏粒（＜0.002mm）含量（%）；C——有機碳含量（%）。

1.3 土壤可蝕性K值估算步驟

土壤可蝕性K值估算的主要步驟包括：（1）從土種志、中國土壤數據庫等處獲取土壤剖面數據，錄入數據庫，建立青藏高原土壤剖面數據庫；（2）將不同土壤粒徑制資料使用3次樣條插值方法［24］統一轉換為美國制，將土壤有機質含量轉換為有機碳含量；（3）使用公式（1）—（2）計算每一個土種的土壤可蝕性K值；（4）根據土種和土壤亞類的隸屬關系以及面積統計數據，統計面積加權權重，計算各土壤亞類的土壤K值的加權平均值；（5）將土壤亞類的K值鏈接到青藏高原1∶100萬土壤類型圖上，制作青藏高原土壤可蝕性K值分布圖，并將K值分布圖轉換成100m×100m分辨率的柵格數據。

2 結果與分析

2.1 土壤可蝕性K值估算結果

圖1為青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布圖。青藏高原土壤可蝕性平均值為0.230 8，比青藏高原臨近區域的黃土高原［1］、川渝地區［25］和滇東北地區［26］土壤可蝕性K值略低。最高值出現在青海省東北部的淡灰鈣土，土壤可蝕性值為0.423 3。以土壤可蝕性 K 值為0.09，0.20，0.25和0.30為閾值，分別將青藏高原土壤可蝕性劃分為低可蝕性、較低可蝕性、中等可蝕性、較高可蝕性和高可蝕性，則它們的面積分別為1.45×105km2，4.71×105km2，6.29×105km2，1.14×106km2和2.02×105km2，分別占青藏高原總面積的5.60%，18.23%，24.35%，44.02%和7.80%。可以看出，青藏高原土壤可蝕性主要以較高可蝕性和中等可蝕性為主，即土壤可蝕性值主要集中在0.20～0.30之間，二者分布面積達1.77×106km2，占青藏高原總面積的68.37%。從圖1中可以看出，青藏高原土壤可蝕性較高可蝕性、高可蝕性區域主要分布在青藏高原中西部的羌塘高原部分、柴達木盆地的堿化鹽土、沼澤鹽土、草甸鹽土、含鹽石質土、棕鈣土等地帶和橫斷山區的低海拔河谷中，而喀喇昆侖山和青藏高原東南部的高海拔地區土壤可蝕性較低。土壤可蝕性在空間分布上具有明顯的水平地帶性和垂直地帶性。

圖1 青藏高原土壤可蝕性K值分布

2.2 土壤可蝕性K值空間分異特征

從圖1中可以看出，青藏高原土壤可蝕性的空間分異特征十分明顯。為進一步分析青藏高原土壤可蝕性的空間分異特征，本研究從不同土壤區劃類型和不同海拔梯度兩個角度分別討論青藏高原土壤可蝕性的空間分異特征。

2.2.1 不同土壤區的土壤可蝕性分布特征 表1是依據青藏高原土壤區劃圖［27］中土壤大區進行的土壤可蝕性統計結果。從表1可以看出，各土壤大區的土壤可蝕性平均值相差不大，平均值最高的為阿里冷漠土地帶，為0.255 5；平均值最低的為青東栗鈣土、灰褐土地帶，為0.196 2。綜合極值變幅、標準差和變異系數3項指標可以看出，青東栗鈣土、灰褐土地帶和柴達木冷漠土、寒漠土地帶土壤可蝕性空間變異最明顯，這主要由于土壤大區內各土壤亞類的理化性質差異引起的。而川西藏東褐土、黃棕壤地帶和川青藏接壤寒氈土地帶極值變幅也非常高，由于這一地區地形垂直高差很大，因此可以說這種變異有可能是土壤可蝕性垂直分異的結果。

表1 不同土壤區的土壤可蝕性K值

為進一步研究不同土壤區的土壤可蝕性特征，統計分析了各個土壤區不同可蝕性等級的面積。圖2為不同土壤區各個可蝕性等級累計百分比柱狀圖，從圖2中可以看出各個土壤區中低可蝕性和高可蝕性土壤均不占優勢，相對來說柴達木冷漠土、寒漠土地帶和川西藏東褐土、黃棕壤地帶高可蝕性土壤占研究區域總面積的比例稍高，分別為14.13%和10.14%。川西藏東褐土、黃棕壤地帶、川青藏接壤寒氈土地帶、治多、那曲寒凍氈土地帶和青東栗鈣土、灰褐土地帶中等可蝕性土壤占主要地位，所占比例分別達到47.05%，72.10%，50.69%和39.83%；東喜馬拉雅南翼磚紅壤、黃壤、黃棕壤地帶、青南藏北寒凍鈣土地帶、阿里冷漠土地帶、昆侖高寒雛漠土、寒漠土地帶和柴達木冷漠土、寒漠土地帶較高可蝕性土壤占主導地位，所占比例分別達到57.66%，71.85%，69.83%，57.16%和39.89%。圖3為青藏高原各土壤區高可蝕性土壤占青藏高原全部高可蝕性土壤的百分比。從圖3中可以看出，青藏高原高可蝕性土壤主要集中分布在川西藏東褐土、黃棕壤地帶、青南藏北寒凍鈣土地帶和柴達木冷漠土、寒漠土地帶，分別占21.19%，24.18%和24.43%。對比青藏高原土壤可蝕性分布圖和DEM可以看出，在川西藏東褐土、黃棕壤地帶和青南藏北寒凍鈣土地帶高可蝕性土壤集中分布在低海拔河谷之中，從一個側面反映出青藏高原土壤可蝕性的垂直變異特征，而在柴達木冷漠土、寒漠土地帶高可蝕性土壤集中分布在柴達木盆地的堿化鹽土，沼澤鹽土，草甸鹽土，含鹽石質土，棕鈣土等地區。

圖2 青藏高原不同土壤區各可蝕性等級土壤的比例

2.2.2 不同海拔梯度的土壤可蝕性分布特征 為進一步定量分析不同海拔梯度的土壤可蝕性特性，按照間隔1 000m劃分了海拔梯度，并統計每一個海拔等級的土壤可蝕性的平均值、最大值、最小值、極值變幅、標準差和變異系數等指標。表2為青藏高原不同海拔梯度的土壤可蝕性特征。從表2中可以看出，1 000～2 000m梯度范圍土壤可蝕性平均值最高，其次為＜1 000m梯度，這個兩個梯度土壤可蝕性平均值均超過了0.25，即平均已經達到了較高可蝕性等級。青藏高原地勢高亢，只有在河谷中地勢才會低于2 000m，因此可以說明青藏高原低海拔河谷地區土壤可蝕性較高。3 000～4 000m，4 000～5 000m，5 000～6 000m這3個梯度等級土壤可蝕性介于0.20～0.25之間，即屬于中等可蝕性等級。從圖1中可以看出3 000～6 000m海拔高度范圍內的土壤可蝕性明顯分為兩部分，青藏高原高原東南部此海拔范圍內基本屬于中等可蝕性等級，而青藏高原中西部廣大的羌塘高原部分此海拔范圍內基本屬于較高可蝕性等級。海拔高于6 000m的地區土壤可蝕性等級明顯降低，主要原因是該海拔范圍內主要分布有寒凍土、寒漠土等土壤類型以及永久性冰雪、裸巖石礫地等類型，成土作用弱，礫石含量高，水力侵蝕已不是主要的土壤侵蝕類型。

圖3 青藏高原不同土壤區高可蝕性土壤占全部高可蝕性土壤的比例

表2 不同海拔梯度的土壤可蝕性K值統計特征

圖4為不同海拔梯度的不同可蝕性等級的統計特征。從圖4中可以看出在2 000～3 000m高度高可蝕性土壤占有較大比例，達到24.37%，而其余各海拔梯度中高可蝕性土壤所占比例均較小。＜1 000m和1 000～2 000m范圍內較高可蝕性土壤占有非常大的比例，分別高達55.13%和78.75%，說明這個梯度范圍內的土壤可蝕性較高，這與王小丹等［5］在西藏自治區的研究結論相符。海拔高于6 000m的區域較低可蝕性土壤和低可蝕性區域占據主導地位，說明這個海拔高度上土壤可蝕性比較低，這與前面的分析也是一致的。然而意外的是的不同海拔梯度高可蝕性土壤占全部高可蝕性土壤的比例最高值卻出現在4 000～5 000m高度范圍內（圖5），其原因主要是由分布在該海拔范圍的暗寒鈣土（K＝0.322 7）、寒原鹽土（K＝0.304 0）、石質土（K＝0.323 1）和粗骨土（K＝0.323 1）等有關，這4種土壤的總面積達1.02×105km2。

圖4 青藏高原不同海拔梯度的各可蝕性等級土壤比例

為了進一步研究青藏高原土壤可蝕性的垂直分異特征，分別在金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江和西藏中部的岡底斯山脈分別建立了4個典型的剖面，分別命名為 A－A’剖面、B－B’剖面、D－D’剖面和 C－C’剖面，分別對這4個典型剖面的土壤可蝕性和海拔梯度進行了統計分析。從圖6可以看出，無論是在青藏高原東南部的橫斷山區（A－A’剖面、B－B’剖面），還是在藏南谷底（D－D’剖面）以及在青藏高原中部的羌塘高原南部區域（C－C’剖面）土壤可蝕性均呈現出隨海拔升高而降低的趨勢，這種趨勢在橫斷山區尤為突出。結合表2和圖4—5，可以認為青藏高原土壤可蝕性整體上表現出隨著海拔高度而降低的趨勢，在4 000～5 000m范圍內存在一個略升高的趨勢，海拔高度＞6 000m以后土壤可蝕性迅速降低。出現這種現象的主要原因是橫斷山區土壤的垂直分異特征決定了土壤可蝕性的垂直分異特征。橫斷山區是我國山地土壤垂直帶譜變化最復雜的地區［28］，受水熱條件的區域差異影響，土壤的理化性質也表現出明顯的變化特征，并進而影響了土壤可蝕性的垂直分布。土壤可蝕性的這種垂直分帶特征也為建立土壤可蝕性垂直帶譜奠定了基礎。

圖5 青藏高原不同海拔高可蝕性土壤占全部高可蝕性土壤的比例

圖6 青藏高原典型土壤剖面的海拔高度與K值分布特征

3 結論

（1）青藏高原土壤可蝕性平均值為0.230 8，屬中等可蝕性等級。低可蝕性、較低可蝕性、中等可蝕性、較高可蝕性和高可蝕性土壤面積分別為1.45×105km2，4.71×105km2，6.30×105km2，1.14×106km2和2.02×105km2，分別占青藏高原總面積的5.60%，18.23%，24.35%，44.02%和7.80%。青藏高原土壤可蝕性以中等可蝕性和較高可蝕性為主，二者分布面積達1.77×106km2，占青藏高原總面積的68.37%。

（2）青藏高原高可蝕性土壤主要集中分布在川西藏東褐土、黃棕壤地帶、青南藏北寒凍鈣土地帶和柴達木冷漠土、寒漠土地帶，分別占21.19%，24.18%和24.43%。青東栗鈣土、灰褐土地帶土壤可蝕性最低，平均為0.1962。

（3）青藏高原土壤可蝕性具有明顯的垂直分帶特征，1 000～2 000m高度土壤可蝕性最高。橫斷山區土壤可蝕性的垂直分異最明顯，土壤可蝕性隨海拔升高而降低。土壤的垂直分帶特征決定了土壤可蝕性的垂直分帶特征。

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