基于CSLE模型的廣西土壤侵蝕規(guī)律

魏夢(mèng)瑤, 張卓棟, 劉瑛娜, 張科利

(北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100875)

我國(guó)是世界上喀斯特面積最大(344.3萬(wàn)km2)、分布最廣、類(lèi)型最多的國(guó)家，其中西南喀斯特地區(qū)是全球三大喀斯特集中分布區(qū)，該區(qū)連片裸露碳酸鹽巖面積最大、巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈[1]。脆弱復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境與不合理的人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致該地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，危害人類(lèi)生存與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕導(dǎo)致的石漠化問(wèn)題逐漸嚴(yán)重，已經(jīng)成為繼黃土高原水土流失和北方地區(qū)沙漠化問(wèn)題之后的我國(guó)第三大嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2]，同時(shí)該地區(qū)相關(guān)研究還比較薄弱，缺少基礎(chǔ)規(guī)律性的研究成果。

廣西壯族自治區(qū)作為我國(guó)喀斯特地貌分布主要省區(qū)之一，土壤侵蝕分布范圍廣泛，根據(jù)廣西第一次水利普查公報(bào)數(shù)據(jù)[3]，廣西土壤侵蝕面積達(dá)5.05萬(wàn)km2，占土地總面積的21.34%，同時(shí)人類(lèi)不合理的土地利用導(dǎo)致區(qū)域水土流失加劇、石漠化日益嚴(yán)重，成為西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)地區(qū)[4]。目前有關(guān)廣西喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究相對(duì)較少且主要集中在坡面、小流域等較小尺度，李豪等[5]利用137Cs示蹤技術(shù)定量研究峰叢洼地與小流域尺度泥沙堆積、土壤流失情況；陳洪松等[6]利用大型徑流小區(qū)法研究了環(huán)江地區(qū)峰叢洼地區(qū)不同利用方式坡面的降雨產(chǎn)流與地表產(chǎn)沙特征的關(guān)系；王保田等[7]利用人工降雨探索了廣西石漠化地區(qū)坡面侵蝕過(guò)程。已有零散研究為初步認(rèn)識(shí)廣西土壤侵蝕特征及其影響因素提供了有益參考。然而，由于喀斯特地貌廣泛發(fā)育，地形破碎，區(qū)域差異顯著，已有研究不能夠完整全面反映出全區(qū)尺度的土壤侵蝕狀況。水利部自2010—2012年開(kāi)展了第一次全國(guó)水利普查，運(yùn)用野外調(diào)查與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，得到了全國(guó)范圍土壤侵蝕強(qiáng)度與分布數(shù)據(jù)。本文的研究目標(biāo)是利用第一次水利普查廣西野外調(diào)查數(shù)據(jù)，通過(guò)分析廣西土地利用、地形等重要因子，探究廣西土壤侵蝕規(guī)律及空間分布特征，從而為全面、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)廣西土壤侵蝕現(xiàn)狀以及水土保持規(guī)劃布局和確定生態(tài)恢復(fù)治理重點(diǎn)區(qū)域提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)位于我國(guó)南部(104°26′—112°04′E，20°54′—26°24′N(xiāo))，地處云貴高原東南邊緣，兩廣丘陵西部，南臨北部灣。地形以山地為主，丘陵次之，平原較少。地勢(shì)自西北向東南傾斜，四周多山地與高原，中、南部多為丘陵平地，呈盆地狀。氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)氣候，降水豐富，雨熱同期，年均溫21℃，年均降水量1 070 mm。植被類(lèi)型為常綠闊葉林，主要土壤類(lèi)型為紅壤、赤紅壤、黃壤、石灰?guī)r土等。區(qū)域內(nèi)水土流失、石漠化嚴(yán)重。土地利用以林地、耕地、草地和園地為主。

1.2 野外調(diào)查方法與內(nèi)容

野外調(diào)查單元是為了野外實(shí)地調(diào)查土地利用和水土保持措施而劃定的空間范圍，根據(jù)地形分為平原區(qū)的網(wǎng)格與丘陵、山地的小流域[8]。選取高斯—克呂格投影分帶并劃分為四層網(wǎng)格，每一層網(wǎng)格在上一層網(wǎng)格基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分，以4%的密度在第4層基本侵蝕調(diào)查單元中心抽取1個(gè)1 km×1 km網(wǎng)格作為基本位置。野外調(diào)查內(nèi)容主要為土壤侵蝕各影響因子，主要包括坡度、坡長(zhǎng)、土地利用、植被覆蓋狀況，以及生物、耕作、工程措施實(shí)施現(xiàn)狀。經(jīng)野外調(diào)查獲得有關(guān)廣西數(shù)據(jù)共有100個(gè)市縣區(qū)，2 319個(gè)侵蝕調(diào)查單元，21 473個(gè)侵蝕調(diào)查地塊，調(diào)查總面積686.35 km2。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

在前期野外調(diào)查與準(zhǔn)備工作完成后，利用中國(guó)土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)[9]計(jì)算各侵蝕調(diào)查單元土壤水蝕模數(shù)。

表1 主要土地利用類(lèi)型坡度統(tǒng)計(jì)

方程基本形式為：M=R·K·L·S·B·E·T。其中：M為土壤水蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm)/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；L和S分別為坡長(zhǎng)和坡度因子，無(wú)量綱；B為植被覆蓋與生物措施因子，無(wú)量綱；E為工程措施因子，無(wú)量綱；T為耕作措施因子，無(wú)量綱[9]。在分析統(tǒng)計(jì)土壤侵蝕模數(shù)過(guò)程中，根據(jù)以往小區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[10]對(duì)耕作措施因子及生物措施因子進(jìn)行了修正。利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析和分類(lèi)匯總，利用Pearson相關(guān)分析探索坡度、坡長(zhǎng)與土壤侵蝕的相關(guān)關(guān)系。利用ArcGIS 10.2軟件從已有研究中[11]提取石漠化地貌類(lèi)型分區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)坡長(zhǎng)、坡度及侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金空間插值，并疊加地貌分區(qū)圖進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡度與土壤侵蝕

由表1可知，廣西侵蝕調(diào)查單元的平均坡度為18.49°，4種主要土地利用中林地坡度最大，為24.34°，草地次之，隨后是園地，耕地平均坡度最小，為11.06°。整體來(lái)看，廣西坡度范圍0°～70°，主要集中在0°～40°(面積占比為96.2%)。相較于東北地區(qū)(0.8°)和北方土石區(qū)(12.1°)等，廣西喀斯特地區(qū)坡面整體坡度較大，但小于黃土丘陵區(qū)平均坡度(22.3°)[12]。空間上，廣西坡度主要為由西北向東南遞減(圖1)。其中西北部鄰近貴州、云南地區(qū)坡度最大，以陡坡為主，中部及北部坡度較小，地形較平緩。

坡度是地貌形態(tài)重要因子之一，同時(shí)也是影響土壤侵蝕的重要因素[13]。研究表明，坡度對(duì)土壤侵蝕的影響具有臨界坡度，即隨著坡度增加土壤侵蝕量隨之增加，但到達(dá)某一坡度即臨界坡度后，不再增加或開(kāi)始減少[14]。統(tǒng)計(jì)各土地利用類(lèi)型土壤侵蝕模數(shù)隨坡度變化情況(表2)可以看出，各土地利用類(lèi)型隨坡度增加，土壤侵蝕模數(shù)都呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，這與已有研究規(guī)律一致[15-16]。由于不同土地利用下的侵蝕環(huán)境與主要侵蝕方式不同，侵蝕模數(shù)的最大值出現(xiàn)的坡度范圍有所不同，林地的最大值出現(xiàn)在30°～35°，耕地和園地出現(xiàn)在35°～40°，草地和區(qū)域總體統(tǒng)計(jì)得到的最大值都出現(xiàn)在25°～30°。大于此最大值出現(xiàn)的坡度后，土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度的增大而逐漸減小或趨于平緩，這表明廣西土壤侵蝕存在臨界坡度，范圍在25°～40°。

表2 不同坡度條件下各土地利用的土壤侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

圖1 廣西各侵蝕調(diào)查單元坡度空間分布

2.2 坡長(zhǎng)與土壤侵蝕

坡長(zhǎng)通過(guò)影響坡面徑流、泥沙運(yùn)移來(lái)影響侵蝕產(chǎn)沙，是影響坡面侵蝕的重要因子[17]。通過(guò)表3可知，廣西平均坡長(zhǎng)為35.60 m。不同土地利用類(lèi)型坡長(zhǎng)狀況不同，其中：林地>園地>草地>耕地，林地坡長(zhǎng)最長(zhǎng)，耕地坡長(zhǎng)最短。廣西侵蝕地塊的坡長(zhǎng)主要集中在10～60 m，占總體的90.1%，尤其集中在20～50 m，該部分坡長(zhǎng)占總體的70.7%，30～40 m為坡長(zhǎng)分布最集中的長(zhǎng)度。相較于已有研究中東北(479 m)、黃土丘陵區(qū)(83 m)、北方土石區(qū)(121 m)等[12]，廣西喀斯特地區(qū)坡面整體坡長(zhǎng)較短。圖2為廣西各侵蝕調(diào)查單元坡長(zhǎng)空間分布圖，從中可知，廣西坡長(zhǎng)在空間上分布規(guī)律與坡度基本一致，主要呈現(xiàn)由西北向東南遞減的規(guī)律。其中西北部鄰近貴州、云南的地區(qū)坡長(zhǎng)最大，坡長(zhǎng)最小的地區(qū)位于廣西中部及南部沿海地區(qū)。

表3 主要土地利用類(lèi)型坡長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

表4 不同坡長(zhǎng)條件下各土地利用的土壤侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

隨著坡長(zhǎng)增加，各土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕模數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)(表4)。各土地利用規(guī)律有所差異，但總體上當(dāng)坡長(zhǎng)小于70 m時(shí)，隨著坡長(zhǎng)增加土壤侵蝕模數(shù)逐漸增大，而在70 m以上的坡面，土壤侵蝕模數(shù)隨坡長(zhǎng)增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。同時(shí)，相同坡度或坡長(zhǎng)條件下，耕地土壤侵蝕模數(shù)明顯大于其他土地利用類(lèi)型，侵蝕強(qiáng)度較大。尤其是坡度大于15°的陡坡耕地，土壤侵蝕狀況嚴(yán)重，15°以上陡坡耕地土壤侵蝕模數(shù)是廣西總體土壤侵蝕模數(shù)平均值的3.73倍。通過(guò)Pearson相關(guān)分析可知，廣西地區(qū)坡長(zhǎng)與土壤侵蝕的相關(guān)系數(shù)稍大于坡度。

圖2 廣西各侵蝕調(diào)查單元坡長(zhǎng)空間分布

2.3 土地利用與土壤侵蝕

土壤侵蝕影響因素復(fù)雜，主要分為自然因素與人為因素，自然因素包括降雨、土壤、地形、植被條件等，人為因素更為復(fù)雜和不確定，人類(lèi)活動(dòng)影響土壤侵蝕最直接的方式為土地利用。土地利用方式會(huì)影響植被條件、土壤理化性質(zhì)等，進(jìn)而對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生重要影響[18]。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析廣西土地利用現(xiàn)狀可知(表5)，土地利用類(lèi)型以林地為主(66.15%)，其次為耕地(18.29%)、草地(6.32%)、園地(5.34%)，共占總面積的96%。總體來(lái)看廣西喀斯特地區(qū)地形相對(duì)破碎，平均侵蝕地塊面積僅為3.2 hm2，其中有66%的侵蝕地塊面積<2 hm2。見(jiàn)表5，廣西喀斯特地區(qū)4種主要土地利用類(lèi)型的平均土壤侵蝕模數(shù)為耕地>園地>林地>草地。耕地土壤侵蝕模數(shù)均值為總體的2.28倍，并分別為園、林、草地的4.81，7.18，11.65倍。這表明耕地的土壤侵蝕最嚴(yán)重，對(duì)廣西喀斯特地區(qū)整體土壤侵蝕總量貢獻(xiàn)較大。這主要是由于耕地受人為擾動(dòng)最大，農(nóng)耕活動(dòng)導(dǎo)致土壤疏松易受侵蝕，再加之喀斯特地區(qū)土層較薄，使其土壤侵蝕的后果更為嚴(yán)重。除耕地外，園地受人類(lèi)活動(dòng)影響也較大，而林草地植被覆蓋狀況較好，良好的植被覆蓋可以防止雨滴擊濺、減緩地表徑流，發(fā)達(dá)的植物根系也有利于固定土壤與改善土壤狀況，因此林草地土壤不易產(chǎn)生土壤侵蝕。

表5 不同土地利用類(lèi)型侵蝕地塊統(tǒng)計(jì)特征

表6 不同土地利用類(lèi)型侵蝕強(qiáng)度面積占比 %

分析不同土地利用類(lèi)型侵蝕強(qiáng)度占比可知(表6)，廣西喀斯特地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度以微度至輕度為主(88.22%)，4種主要的土地利用類(lèi)型相比較，耕地中強(qiáng)烈以上土壤侵蝕面積占比最多(28.02%)。如圖3所示，廣西耕地侵蝕最為嚴(yán)重地區(qū)主要集中在西北部及西南邊界地區(qū)，其中西北部基本與坡度較大地區(qū)分布范圍一致，說(shuō)明陡坡耕作對(duì)土壤侵蝕影響明顯。綜上可以發(fā)現(xiàn)，4種主要土地利用類(lèi)型中耕地不僅土壤侵蝕模數(shù)最大，同時(shí)侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)面積占比最大，侵蝕強(qiáng)度和范圍都最為突出。

2.4 土壤侵蝕空間分布與區(qū)域差異

廣西土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異明顯，土壤侵蝕強(qiáng)度較大(中度及以上)區(qū)域主要分布在西北部與南部地區(qū)。從喀斯特地貌分區(qū)上來(lái)看，侵蝕強(qiáng)度較大區(qū)域主要集中在峰叢洼地地區(qū)，部分位于峰林平原和非喀區(qū)(圖4)，這與地形、降雨以及土地利用、人類(lèi)活動(dòng)等因素有關(guān)。

圖3 廣西耕地侵蝕強(qiáng)度空間分布

圖4 廣西土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

結(jié)合圖1—3的坡長(zhǎng)、坡度及耕地侵蝕強(qiáng)度空間分布圖可知，廣西坡長(zhǎng)、坡度由西北向東南遞減，西北部主要為長(zhǎng)陡坡，同時(shí)位于峰叢洼地地區(qū)，地形崎嶇破碎、起伏變化大，土層較薄，坡耕地開(kāi)墾嚴(yán)重，加之降水年際分布不均，夏季多暴雨，土壤侵蝕嚴(yán)重。中部地區(qū)侵蝕以微度至中度為主，中部地形以盆地和平原為主，地形較平坦，雖然人口密度較西北部大，但坡度較小，土壤侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較小。降雨是坡面侵蝕重要的動(dòng)力來(lái)源，各因素中降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕的影響尤為重要[19]。廣西南部沿海地區(qū)，雖然坡長(zhǎng)、坡度較小，但靠近海洋，雨量充沛且降水集中，沖刷能力強(qiáng)，且為碳酸鹽巖地區(qū)，極易發(fā)生水土流失。根據(jù)蔡卓杰等人研究可知，南部尤其東南地區(qū)人口密度大，耕地占比較多，人類(lèi)活動(dòng)尤其是農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁[20]。地形和降水條件加上人為不合理耕作導(dǎo)致該地土壤侵蝕嚴(yán)重。在進(jìn)行區(qū)域水土流失防治和規(guī)劃布局時(shí)，應(yīng)在侵蝕嚴(yán)重地區(qū)重點(diǎn)布設(shè)水土保持措施，同時(shí)也要兼顧其他侵蝕地區(qū)，做到重點(diǎn)防護(hù)，綜合治理。

3 結(jié) 論

(1) 廣西平均坡長(zhǎng)較短，為35.60 m，平均坡度較大，為18.49°。區(qū)域內(nèi)坡長(zhǎng)與坡度空間分布特征基本一致，大致呈由西北向東南遞減，西北部臨近貴州、云南省地區(qū)，主要為峰叢洼地，地形陡峭崎嶇，坡度、坡長(zhǎng)較大。

(2) 隨坡度增加，廣西各土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕模數(shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，不同土地利用類(lèi)型坡度臨界值有所不同，集中在25°～40°范圍內(nèi)。坡長(zhǎng)小于70 m時(shí)，土壤侵蝕模數(shù)隨坡長(zhǎng)增加不斷增大。

(3) 廣西占比最大的土地利用類(lèi)型為林地(66.15%)，4種主要土地利用類(lèi)型分別為林地、耕地、草地、園地，共占總面積的96%。該地區(qū)侵蝕地塊相對(duì)破碎，66%的侵蝕地塊面積<2 hm2。各土地利用類(lèi)型中耕地侵蝕模數(shù)最大，對(duì)廣西整體土壤侵蝕貢獻(xiàn)較大，尤其是大于15°的坡耕地。

(4) 廣西侵蝕強(qiáng)度較大區(qū)域主要分布在西北部臨近貴州、云南地區(qū)以及南部臨海區(qū)域，中部地區(qū)也有部分地區(qū)侵蝕強(qiáng)度較大，這與地形地貌及人類(lèi)活動(dòng)，尤其是陡坡耕地開(kāi)墾有關(guān)。應(yīng)針對(duì)這些地區(qū)重點(diǎn)進(jìn)行水土流失防治，避免陡坡開(kāi)墾。