不同巖性背景下土壤侵蝕與石漠化關聯性分析

羅旭玲,白曉永,*,譚 秋,陳 歡,冉 晨,習慧鵬

1 貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550025 2 中國科學院地球化學研究所, 貴陽 550081

西南典型喀斯特地區是一種脆弱的生態環境,土壤侵蝕和石漠化已成為制約西南喀斯特山區社會經濟可持續發展的問題[1-7]。喀斯特山地土壤流失具有地上地下重疊、地表產流產沙少等特點[8],研究喀斯特地區石漠化與土壤侵蝕變得極其重要。

為了更好的防治石漠化與土壤侵蝕的危害,當前對特定喀斯特地貌背景下的研究有很多。例如：何永彬等[9]對西南喀斯特山地土壤侵蝕研究探討；鄧艷等[10]西南巖溶石漠化綜合治理水-土-植被關鍵技術進展與建議；戴全厚等[11]對西南喀斯特石漠化與水土流失研究進展的分析；李瑞玲等[12]對貴州巖溶地區巖性與土地石漠化的相關分析,等研究表明石漠化治理與土壤侵蝕息息相關。張信寶等[13]對貴州石漠化空間分布與喀斯特、巖性、降水和人口密度的關系研究；白曉永等[14]對貴州碳酸鹽巖巖性基地對土地石漠化時空演變的控制；李陽兵等[1]對中國典型石漠化地區土地利用與石漠化的關系的研究,以上研究均取得較好的成果。喀斯特地區土壤侵蝕和石漠化受坡度影響[15],由石漠化[16]與土壤侵蝕[17]的概念可知,影響因子不同對兩者的作用存在差異。

因此,本文在借鑒前人的研究基礎上,以沿河縣為例,利用ArcGIS軟件對土壤侵蝕、石漠化、巖性三者進行疊加分析,對石漠化與土壤侵蝕空間分布、不同巖性下的石漠化與土壤侵蝕分布狀況、土壤侵蝕與石漠化相關性進行分析,以期獲得較好的分析結果,為研究區石漠化與土壤侵蝕防治工作提供指導依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

沿河土家族自治縣位于貴州省黔東北(圖1),隸屬銅仁市,108°03′49″—108°37′5″E,28°12′45″—29°05′23″N。縣內屬于中亞熱帶季風溫潤氣候區,年均溫13—18℃,年降水量1050—1220 mm,年日照1100—1400 h。巖性以碳酸鹽巖類(石灰巖、白云質灰巖、白云巖等)為主,碳酸鹽巖類與碎屑巖類交錯分布,巖性組合較為復雜[18]。在全縣面積中,山地占69.9%,丘陵占27%,槽壩占3.1%,屬于典型的巖溶山區[19-20]。沿河縣水土流失得到有效控制[21]。位于烏江流域下游的沿河縣比流域上游石漠化等級較高,但近幾年來石漠化面積有減少,石漠化處于好轉趨勢[21]。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 數據源

DEM用于土壤侵蝕LS因子計算,Landsat OLI 2015年遙感影像用于土地利用解譯,NDVI用于C因子計算,均來自地理空間數據云。用于R因子計算的降雨數據,來自中國氣象數據共享網,用于K因子計算的沙粒、粉粒、粘粒、有機質成分,來自HWSD數據庫。土壤侵蝕所有因子具有統一的投影(WGS_1984_UTM_Zone_48N)和分辨率(30 m)。沿河縣巖性圖和石漠化分布圖源于喀斯特科學數據中心。數據詳細來源及網站見表1。

表1 主要數據來源

1.2.2 土壤侵蝕計算

研究計算公式為Wischemier和Smith于1958年提出[22],經美國農業部修正的通用土壤流失方程(USLE)。表達式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中,A為年土壤侵蝕量,R為降雨侵蝕力因子,K為土壤侵蝕力因子,LS為地形因子,C植被與作物管理因子,P土壤保持措施因子。

(1) 降雨侵蝕力因子

研究采用周伏建、黃炎和[23-24]等人根據南方實測數據提出的R值計算式：

(2)

式中,Pi為月降水量,由氣象數據共享網下載的貴州省19個氣象站點的月值數據,利用EXCEL表格統計獲得,借助ArcGIS地圖代數幾何計算工具,按照公式(2)計算得每個站點的年降雨侵蝕力R,進行Kriging插值得到R值的空間分布圖,對R重采樣(30 m)和裁剪。

(2) 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性因子K值是經過試驗獲得的定量數值,通常以標準小區單位降水侵蝕力所造成的土壤流失量獲得,但在該區域大規模布設天然小區很難做到,因此本研究以Williams等[25]發展的僅由土壤顆粒和土壤有機碳組成數據來估算K值,其表達式為：

(3)

(3) 地形坡長坡度因子

地形地貌對土壤侵蝕有著重要的影響,區域不同,USLE模式中斜坡長度因子(L)和坡度因子(S)有變化。本文根據水流功率理論和物理過程,以及充分考慮了徑流和水文過程的影響,選擇以下公式[26-27]進行計算LS。

L=(λ/22.13)m

(5)

λ=flowacc×cellsize

(6)

m=n/(1+n)

(7)

n=(sinθ/0.0896)/(3.0×sin0.8θ+0.56)

(8)

(9)

式中,L為坡長因子；m為可變坡長指數；22.13為標準小區坡長；S為坡度因子；θ為坡度。

(4) 植被與作物管理因子

采用Van der Knijff M提出的利用NDVI確定C因子的方法[28-29]。兩者關系為：

(10)

式中,α=2,β=1,NDVI為歸一化植被指數。

(5) 土壤保持措施因子

水土保持措施因子的值在0—1之間。貴州喀斯特山區,海拔落差較大,坡度較陡,水土保持措施常與土地利用類型緊密相關。所以,把水體、建設用地和裸地賦值為0,水田0.15,旱地0.5,其他用地0.8,有林地、灌木用地、草地為1。

2 結果與分析

2.1 石漠化與土壤侵蝕空間分布

研究區石漠化和土壤侵蝕空間分布情況,通過ArcGIS空間分析得出。喀斯特面積為623.04 km2,占總面積的25.24%；非石漠化面積為1845.76 km2,占總面積的74.76%(表2)。沿河縣石漠化面積達284.44 km2,占全縣國土面積的11.52%。已發生石漠化現象區域,中度石漠化面積最大,為135.87 km2,占石漠化面積的47.77%；輕度石漠化與重度石漠化次之,面積分別為126.33,21.58 km2,分別占石漠化面積的44.41%,7.59%；極重度石漠化分布面積最小,為0.66 km2,僅占0.23%。分析得出,沿河縣已發生石漠化等級以輕度、中度和重度為主。石漠化變化面積整體呈現隨等級的增加而減少。

表2 沿河縣喀斯特與非喀斯特區石漠化分布情況

非石漠化=無石漠化+非喀斯特;PKRD,潛在石漠化 Potential Rock Desertification；LKRD,輕度石漠化 Light Rock Desertification；MKRA,中度石漠化 Medium Rock Desertification；SKRD,重度石漠化 Severe Rock Desertification；ESKRD,極重度石漠化 Extremely Severe Rock Desertification；NKRD,非石漠化區 Non-Rock Desertification Area

土壤侵蝕面積1838.97 km2,占全縣總面積的74.48%,微度侵蝕面積為629.83 km2,占全縣總面積的25.51%(表3)。已經發生土壤侵蝕現象區域,輕度侵蝕面積分布最廣,1637.69 km2,占土壤侵蝕面積的89.05%；中度侵蝕和強度侵蝕面積次之,分別為154.15,28.51 km2,占土壤侵蝕面積的8.38%,1.55%,極強度侵蝕面積為13.63 km2,占侵蝕面積0.74%,劇烈侵蝕面積最少,為4.99 km2,僅占土壤侵蝕面積的0.27%。分析數據可知,沿河縣境內土壤侵蝕較嚴重,以輕度和中度侵蝕為主,隨侵蝕等級的升高,其面積越小。

表3 沿河縣水土流失情況

PSE,微度侵蝕 Potential soil erosion；LSE,輕度侵蝕 Light soil erosion；MSE,中度侵蝕 Medium soil erosion；SSE,強度侵蝕 Strength soil erosion；ESSE,極強度侵蝕 Extremely strength soil erosion；FSE,劇烈侵蝕 Fierce soil erosion

2.2 不同巖性下的石漠化與土壤侵蝕分布狀況

對巖性、石漠化和土壤侵蝕在ArcGIS中進行疊加分析,統計得到不同巖性所占全縣、石漠化和土壤侵蝕面積比例(表4)。非碳酸鹽巖分別占石漠化與土壤侵蝕面積的5.08%,14.75%,土壤侵蝕在碳酸鹽巖上分布較廣,但石漠化分布卻是最少。灰巖與碎屑巖占石漠化面積7.50%,占土壤侵蝕面積9.38%。灰巖與白云巖混合面積最少,占沿河縣面積8.18%,占土壤侵蝕面積8.69%,是土壤侵蝕分布最少的巖性,占石漠化面積11.56%,該區人類活動較強,導致石漠化面積較大,但因地表較緩,所以土壤侵蝕較小。灰巖夾碎屑巖互層面積最大,占沿河縣面積30.66%,分別占石漠化與土壤侵蝕面積的36.53%和30.90%,巖性基底大,加上人類活動與自然環境的綜合影響,因此,石漠化和土壤侵蝕面積分布均為最大。連續性石灰巖占石漠化面積21.46%,占土壤侵蝕面積19.55%,連續性石灰巖分別占石漠化與土壤侵蝕面積的17.86%和16.74%。由分析可知,同一巖性上石漠化與土壤侵蝕發生不具有單一的相關性,石漠化發生比例小的地方土壤侵蝕并不是最小,說明石漠化與土壤侵蝕的發生有著一定的滯后性。

2.3 石漠化與土壤侵蝕相關性分析

2.3.1 不同巖性下各石漠化等級區的土壤侵蝕

依據沿河縣巖性、石漠化和土壤侵蝕疊加分析得到的數據,在EXCLE表格中統計得到表5和圖2。土壤侵蝕主要發生在潛在、輕度和中度石漠化區(表5,圖2),在非碳酸鹽巖、灰巖夾碎屑巖、灰巖與碎屑巖互層和連續性石灰巖中,潛在石漠化區侵蝕面積最大,分別為18.40,18.53,112.08,56.01 km2。因為中度石漠化區植被較發育,土被基本連續,土壤侵蝕明顯,所以,中度石漠化區侵蝕面積比輕度石漠化區要大。極重度石漠化區最少,其中非碳酸鹽上極重度石漠化區侵蝕面積0.06 km2最小,土壤侵蝕與石漠化等級在中度至極重度石漠化區間呈負相關,因為石漠化等級越高,巖石裸露率越大,表層土壤越薄,會出現少有或無土可流。灰巖與白云巖混合和連續性白云巖上,在潛在石漠化區面積最大,分別為38.91 km2與94.44 km2,在極重度石漠化區最小,分別為0.17 km2與0.07 km2。土壤侵蝕面積隨著石漠化等級的增加而減少,存在負相關。

表4 不同巖性下土壤侵蝕與石漠化面積比例/%

NCRC,非碳酸鹽巖組合Non-carbonate rock combination；LCRC,灰巖夾碎屑巖組合 Limestone clastic rock combination；MCLD,灰巖與白云巖混合組合 Mixed combination of limestone and dolomite；LLRI,灰巖與碎屑巖互層 Limestone and lastic rock interbed；CD,連續性白云巖 Continuous dolomite；CL,連續性石灰巖 Continuous limestone

表5 不同巖性下各石漠化等級區已發生土壤侵蝕面積/km2

圖2 不同巖性下各石漠化等級區域的土壤侵蝕 Fig.2 Soil erosion in different rocky desertification areas under different lithologiesNCRC,非碳酸鹽巖組合Non-carbonate rock combination；LCRC,灰巖夾碎屑巖組合 Limestone clastic rock combination；MCLD,灰巖與白云巖混合組合 Mixed combination of limestone and dolomite；LLRI,灰巖與碎屑巖互層 Limestone and lastic rock interbed；CD,連續性白云巖 Continuous dolomite；CL,連續性石灰巖 Continuous limestone,PSE,微度侵蝕 Potential soil erosion；LSE,輕度侵蝕 Light soil erosion；MSE,中度侵蝕 Medium soil erosion；SSE,強度侵蝕 Strength soil erosion；ESSE,極強度侵蝕 Extremely strength soil erosion；FSE,劇烈侵蝕 Fierce soil erosion.潛在石漠化 Potential rock desertification；LKRD,輕度石漠化 Light rock desertification；MKRA,中度石漠化 Medium rock desertification；SKRD,重度石漠化 Severe rock desertification；ESKRD,極重度石漠化 Extremely severe rock desertification；NKRD,非石漠化區 Non-rock desertification area

2.3.2 不同巖性下各土壤侵蝕等級區的石漠化

通過ArcGIS疊置分析,導出面積進行Excel統計得到表6和圖3。沿河縣石漠化主要發生在微度和輕度侵蝕區。各巖性上不同土壤侵蝕等級區石漠化主要發生在微度、輕度和中度。石漠化發生主要分布在灰巖與碎屑巖互層、連續性白云巖、連續性石灰巖上,其面積發生最大值在輕度侵蝕區,分別為72.20、42.88 km2和30.96 km2,非碳酸鹽巖上分布最少。各巖性中土壤侵蝕等級與石漠化在微度侵蝕與輕度侵蝕內呈正相關,在輕度與劇烈侵蝕內呈負相關。石漠化治理是預防潛在石漠化向石漠化的轉移,以及對已發生石漠化的改善。石漠化的改善有利于固土持水,所以輕度侵蝕區石漠化面積最大。由表6可知,各土壤侵蝕等級區,石漠化面積最大的巖性是灰巖與碎屑巖互層,灰巖與碎屑巖互層主要是人類居住聚集的巖層,地表人類活動(耕種,開采,放牧等)強烈,再加上灰巖與碎屑巖互層本地較大,所以,這可能是石漠化較高的原因。石漠化面積最小的巖性為非碳酸鹽巖。研究區非碳酸鹽巖分布不是最少,但石漠化分布是最少的,說明石漠化主要發生在碳酸鹽巖上。

3 結論

(1)沿河縣石漠化面積為284.44 km2,占全縣國土面積的11.52%。已發生石漠化現象區域,以輕度、中度、強度較顯著,分別占石漠化面積的44.41%,47.77%,7.59%,石漠化現象較輕。土壤侵蝕面積為1838.97 km2,占全縣總面積的74.48%,微度侵蝕面積為629.83 km2,占全縣總面積的25.51%。已經發生土壤侵蝕現象區域,以輕度、中度、強度侵蝕為主,分別占沿河縣土壤侵蝕面積的89.05%,8.38%,1.55%,土壤侵蝕程度較嚴重。

表6 不同巖性下各土壤侵蝕等級區已發生石漠化面積/km2

圖3 不同巖性下各土壤侵蝕等級區域的石漠化Fig.3 Rocky desertification in different soil erosion grades under different lithologies

(2)在不同石漠化等級區,潛在、輕度和中度石漠化區土壤侵蝕發生面積最大,重度和極重度石漠化區,土壤侵蝕發生面積最小,因為早期劇烈土壤侵蝕發生,導致石漠化嚴重區域,地表可流物質減少。在不同的土壤侵蝕區,石漠化主要發生在微度和輕度侵蝕區,輕度侵蝕區石漠化發生面積最大。當土壤侵蝕嚴重區域石漠化發生更加劇烈時,地表土層薄、巖石裸露程度大、植被覆蓋率低,土壤侵蝕會逐漸減少。所以,石漠化與土壤侵蝕的發生是受多種因素綜合作用的結果。

(3)各巖性上,石漠化與土壤侵蝕的發生是相互影響的,兩者之間沒有完全單一正相關和負相關關系。非碳酸鹽巖、灰巖夾碎屑巖、灰巖與碎屑巖互層和連續性石灰巖上,石漠化等級與土壤侵蝕在潛在和輕度、中度和極重度石漠化內呈負相關,在輕度和中度石漠化內呈正相關,土壤侵蝕等級與石漠化在微度和輕度侵蝕內呈正相關,在輕度和劇烈侵蝕內呈負相關。灰巖與白云巖混合和連續性白云巖上,石漠化等級與土壤侵蝕存在單一的負相關關系,土壤侵蝕等級與石漠化在土壤侵蝕等級與石漠化在微度和輕度侵蝕內呈正相關,在輕度和劇烈侵蝕內呈負相關。