黔西南石漠化生態脆弱區水土流失敏感性評價

龍蓉華, 孫虎, 徐崟堯

黔西南石漠化生態脆弱區水土流失敏感性評價

龍蓉華, 孫虎*, 徐崟堯

陜西師范大學, 地理科學與旅游學院, 西安 710119

為探索黔西南州水土流失敏感性空間分布特征, 選取降雨侵蝕力、地形起伏度、植被類型、土壤類型作為水土流失敏感性綜合評價指標并建立評價標準, 基于GIS和敏感性評價模型對水土流失敏感性進行多指標及單指標分析評價, 并計算各土壤類型的可蝕性值以加強評價結果的科學性。結果表明: 1. 黔西南州水土流失敏感性普遍較高, 各級敏感性面積比從小到大依次為中度敏感性、輕度敏感性、高度敏感性、極敏感性和不敏感性, 輕度敏感性以上的區域占州面積的83.4%, 水土流失程度嚴重; 總體呈現中心向四周逐級增加、東部高于西部的分布趨勢。九個縣市中晴隆縣、望謨縣和冊亨縣輕度敏感性以上的面積占各縣域面積的90%以上。2. 各評價指標對水土流失敏感性的相關性從高到低依次為地形起伏度、土壤類型、降雨侵蝕力、植被類型。上述研究結果旨在為黔西南州水土流失防治和進一步減緩及防治石漠化提供一定科學依據。

黔西南; 水土流失; 敏感性; 空間分布

0 前言

水土流失是當今全球面臨的危害最大、影響最廣的環境問題之一, 屬緩變性的自然災害[1], 會導致土壤養分流失甚至土地退化[2], 加上人類不合理活動的影響, 加劇了水土流失的態勢, 對生態環境的可持續發展產生明顯的脅迫作用。土壤作為生態系統中的重要組成部分[3], 遭破壞后短期難以恢復。國外對土壤侵蝕研究主要運用基于Wischmeier 提出的通用土壤流失方程(USLE)進行修正的修正型通用土壤流失方程(RUSLE)[4]。Pasquale等人采用RUSLE對意大利中部山區環境的水土流失情況進行評價[5]; Prasannakumar等人基于RUSLE方程, 運用RS和GIS對印度Siruvan流域的水土流失進行定量評價[6]; 國內研究主要借鑒和引進國外成熟的理論和技術, 并根據當地具體情況選取評價指標, 凡非得根據我國西南巖溶區的具體情況選取了降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤類型、植被類型和土壤允許流失量五個指標, 運用GIS進行水土流失敏感性評價[7]; 謝剛依據RUSLE模型研究水土流失敏感性并結合巖溶地區景觀生態風險評價進行分析[3]。水土流失敏感性能夠反映地區水土流失過程發生的潛在可能性及其程度[8], 利用敏感性評價模型結合自然因素與人為因素對區域的水土流失敏感性進行分級綜合評價, 能夠識別易發生水土流失的區域[9]。盡管水土流失敏感性的尚未有普適性的模型, 但根據研究區的生態系統特點選取指標來對其進行評價是眾多學者采取的方法[10]。

貴州省位于我國西南巖溶區, 屬云貴高原水土流失區[11]。由于特殊的地貌類型, 92.8%的國土面積為山地丘陵地形, 水土流失嚴重并顯示出高度的空間異質性[12]。土壤層厚度薄, 在相同侵蝕強度下, 水土流失的危害較其他地區嚴重[13], 是我國第二大水土流失嚴重區[14]。在喀斯特山區水土流失的極致是石漠化的發生[15]。黔西南州作為全省水土流失嚴重區[7], 已有研究大多從石漠化空間分布[16]、石漠化與人類活動之間的影響[17]的角度開展, 而對導致石漠化的主要誘因——水土流失研究較少, 大多研究以縣為研究區單位[18], 研究區涉及范圍與內容未能對黔西南州的水土流失情況進行較為全面的評價。故本文從水土流失綜合敏感評價著手, 根據黔西南州生態環境特點選取評價指標, 建立水土流失敏感綜合評價標準, 揭示黔西南州不同等級水土流失敏感性空間分布規律, 旨在為黔西南州水土流失防治工作, 生態環境治理提供科學依據。

1 研究區概況

黔西南布依族苗族自治州地處我國西南巖溶區, 地勢呈西高東低, 北高南低, 具有地形起伏大、地貌復雜、基巖裸露率高、暴雨頻繁等特點[19], 易發水土流失。州總面積為16804 km2, 石漠化面積占州總面積23.39%[17]。黔西南屬亞熱帶季風濕潤氣候區, 據州內7各站點降雨量數據統計, 近30年來年均降雨量高達2557.9 mm, 年均溫13.8—19.4 ℃。, 州境內河流均屬珠江流域, 南盤江、北盤江、紅水河是州內三條較大的江河, 河網較密集, 大小河流共有100多條[17]。黔西南州處珠江流域的強烈土壤流失區[20], 劇烈的水土流失情況加重生態環境的惡化。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

DEM用于提取研究區地形起伏度, 數據來源于國家地理空間數據云網站; 土壤可蝕性K值計算采用HWSD土壤數據庫表層的沙粒、粉粒和粘粒及有機質含量, 日降雨數據用于降雨侵蝕力計算, 數據來源于中國氣象數據網; 區劃圖、植被類型及土壤類型數據均來自中國科學院資源環境科學數據中心。以上數據投影統一定義為Albers Conical Equal Area, 且重采樣為30×30的柵格大小, 以此保證空間疊加分析的有效進行。

2.2 研究方法

2.2.1 評價因子選擇

參考國務院和環保總局2002年聯合發布的《生態功能區劃技術暫行規程》和水利部2008年發布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007), 確定降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤類型、植被類型4個指標作為黔西南州水土流失敏感性評價因子。不同土壤類型的抗蝕能力差異較大, 由此將土壤可蝕性值賦至相應的土壤類型中, 土壤可蝕性值越大, 土壤抗蝕能力越弱, 發生水土流失的可能性則越高[21]。參照《生態功能區劃技術暫行規程》及上述研究建立黔西南州的水土流失敏感性綜合評價標準(表1)。

表1 水土流失敏感性綜合評價分級標準

2.2.2 評價因子計算方法

(1)降雨侵蝕力降雨是導致水土流失的重要動力因子,而降雨侵蝕力能有效的反映降雨對水土流失強度的綜合關系[22]。本研究降雨侵蝕力借鑒謝剛[3]和許月卿[23]和的研究, 利用周伏建[24]等改進適用于中國南方的值經驗公式(1)計算出。同時由于天然降雨存在顯著的空間差異性, 同一地區不同年份、季節降雨量均不相同, 而貴州省降雨量大小與降雨侵蝕力基本呈正相關[23], 故運用公式(2)求取近30年均降雨侵蝕力。運用Kriging插值并依據表1對插值結果進行分級賦值, 最終繪制黔西南州多年R值分布圖。

(2)地形起伏度研究小尺度區域時, 坡度坡長是主要的地形因子, 土壤侵蝕量與其呈明顯的正相關[25]。但在大尺度的研究區中, 坡度坡長并不能作為有效的地形因子, 只具備數學意義而缺乏土壤侵蝕等意義[26], 相對來說地形起伏度則更適合于大尺度區域研究[7]。黔西南喀斯特地貌地形起伏度大, 為水土流失提供了有利條件。利用數字高程模型(Digital Elevation Model, 簡稱DEM)提取地形起伏度是獲取地形信息的有效途徑[26]。故文章利用ARCGIS的空間分析工具集對DEM(數字高程模型Digital Elevation Model)數據分別焦點統計出高程最大值和最小值, 做差值運算后獲取黔西南州地形起伏度, 并將數據重采樣為30×30。依據分級標準(表1), 繪制黔西南州地形起伏度因子敏感性分級圖。

(3)土壤類型土壤是水土流失發生的主體, 土壤自身的可蝕性是水土流失發生的內在因素。研究以土壤類型圖為基礎, 將土壤侵蝕力K值賦至相應的土壤類型上, 裁剪后重采樣為30×30的柵格數據。依據表1對土壤數據進行分級賦值, 繪制土壤類型因子敏感性分布圖。值計算采用EPIC模型(公式3)[27]:

(4)植被類型植被措施是目前治理與防治水土流失較有效的措施之一。植被能夠很好的截留降雨, 增加入滲量從而減緩降雨對地表的侵蝕。植被因子在水土流失治理及防治中有積極作用[28]。已有研究表明南方植被覆蓋度高的森林區會發生不同程度的“林下水土流失”[29], 易形成“空中綠化”景觀[30]。黔西南州植被覆蓋度較高, 結合植被覆蓋度做黔西南州水土流失敏感性分級分布圖得出的分布趨勢與實際有較大差別, 全州基本上為不敏感和輕度敏感。因此鑒于黔西南州的具體情況及上述已有研究, 故不選取植被覆蓋度作為黔西南州水土流失敏感性綜合評價的評價因子, 而選用植被類型因子。研究在ArcGIS 支持下, 用裁剪后的黔西南州植被類型數據重采樣為30×30后, 根據表1的分級標準繪制植被類型敏感性等級分布圖。

第二種觀點認為我國正處于跨越中等收入陷阱的中間區域。有學者提出在2010年中國進入中等收入國家后，出現了幾個非常值得關注的現象：一是我國經濟增速呈現出放緩的態勢；二是我國同其他眾多發展中國家相比，制造業的成本優勢不復存在，且由于勞動力價格的上升，比較優勢在下降；三是與發達國家相比，我們的中高端高科技力量仍然不夠雄厚。雖然我國現在有一些符合“中等收入陷阱”的特征描述，但是由于以上三種現狀的存在，表明了中國正處于跨越中等收入陷阱的中間區域。以國家發改委宏觀經濟研究院原院長馬曉河為代表的學者持有這種觀點。

2.2.3 綜合評價模型

單一評價因子無法準確表現出黔西南州水土流失敏感性的分布情況, 因此結合上述4個因子, 運用敏感性綜合評價模型[31]進行運算:

式中,SS為空間單元土壤侵蝕敏感性指數,V為因素敏感性等級值。

3 結果與分析

3.1 綜合敏感性空間分布特征

運用自然斷點法將水土流失綜合敏感性劃分為一般敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感5個等級, 生成黔西南州水土流失綜合敏感性分布圖(圖1)。

根據分級后的黔西南州水土流失綜合敏感性分布圖, 得出黔南州各縣市各級敏感性面積比情況(圖2)。黔西南州境內處于水土流失輕度敏感性及以上的面積有13721.45 Km2, 占國土面積的83.39%, 中度敏感性面積>輕度敏感性>高度度敏感性>極敏感性。興義市、安龍縣和貞豐縣不敏感區基本位于輕度石漠化到重度石漠化區域[32], 基巖裸露率高, 土壤可蝕量極少。總體上黔西南州東南部水土流失敏感性高于西北部, 四周高于中部, 各等級水土流失敏感性分布破碎, 空間異質性強。

不敏感區主要分布在地形起伏度輕度敏感區和中度敏感區——興義市中部及東北部、普安縣南部, 興仁縣中部, 少部分分布于地形起伏度極敏感區——貞豐縣北部及晴隆縣北部; 植被類型情況較好區域——安龍縣、貞豐縣; 石漠化嚴重區域[32]——貞豐縣、興仁市以及安龍縣東南部; 降雨侵蝕力中度敏感區——興義市和興仁市。

輕度敏感性主要分布在道路沿線或者山間壩子——冊亨縣、望謨縣以及安龍縣; 地勢低平河谷區——望謨縣、興義市、興仁市北部以及晴隆縣北部。

中度敏感性區主要在地勢低平的河谷——冊亨縣; 道路沿線——望謨縣; 地形起伏度較大河谷區——晴隆縣北部; 有輕度/中度石漠化區[32]——望謨縣西北部; 降雨侵蝕力極敏感區。

圖1 黔西南州水土流失敏感性綜合評價圖

Figure 1 Integrated assessment of water and soil loss sensitivity in southwest Guizhou

極敏感區主要分布在黃壤、黃棕壤, 地形起伏度極敏感(300—1135 m)區域——冊亨縣、望謨縣東南部、冊亨縣西南部及與廣西省樂業縣接壤處、興義市和貞豐縣東南部; 河網密集區——冊亨縣西南部; 植被類型較單一區——晴隆縣中部、冊亨縣西南部, 其他地區零散分布。

3.2 各評價指標敏感性空間分布特征

黔西南州降雨充沛, 據7個觀測站點降雨數據, 計算出1986—2015年降雨量范圍大致在1122—1441mm, 降雨侵蝕力在373—470之間, 敏感性分級標準以極敏感性為主, 占全州國土面積的82.39%; 且空間分布上呈現出降雨量大的區域, 降雨侵蝕力也普遍偏高的特征, 這與許月卿等人[23]的結論一致。降雨侵蝕力中度敏感及高度敏感主要分布在普安縣、興仁市和興義市, 而其他地區均為極敏感性。

(2)黔西南屬珠江流域西江上游的南、北盤江水系, 為云貴高原南部偏東的斜坡地帶, 南北地勢高差大, 州內地面切割破碎, 山地、谷地、丘陵、盆地、河谷壩地鑲嵌排列[33]。地形起伏度是影響水土流失的地形因素, 起伏越大土體越不穩定, 容易導致水土流失。黔西南喀斯特區峰林等地貌廣泛分布, 有萬峰林、雙乳峰及石林等獨特旅游景點。州內地形起伏普遍較大, 地形起伏最小18 m, 最大1135 m。敏感性以高度與極敏感性分布最廣, 分別占州國土面積50.75%、43.12%, 其中極敏感在望謨縣、冊亨縣、晴隆縣、貞豐縣及普安縣分布面積最大, 分別占縣域面積的45%以上, 望謨縣甚至達到了65%以上。高度敏感性在安龍縣、興仁市、興義市及貞豐縣分布較多, 占高度敏感性在全州分布面積的88%以上。地形起伏度整體上呈現出從中部往四周逐級增大。

(3)土壤類型敏感性以高度敏感為主, 其次為中度敏感, 兩者分布面積比達97.40%。空間上, 高度敏感性主要分布于研究區東部及西北部, 興義市四周。其中在望謨縣和冊亨縣分布面積分別達到2498 km2和2117 km2, 分別占縣域面積的84.31%和84.61%; 中度敏感性主要分在研究區西南部——興義市、安龍縣及晴隆縣北部, 分布面積分別占縣域面積49.70%、47.90%和46.05%。各類型土壤中以水土流失高度敏感的黃棕壤、紅壤的分布最廣且抗蝕能力最弱, 其次為中度敏感的石灰土。

圖2 各縣市各級水土流失綜合敏感性面積分布(km2)

Figure 2 Integrated assessment of water and soil loss sensitivity in different counties and cities

表2 各評價指標水土流失敏感性面積分布

(4)黔西南植被類型以一年兩熟作物、草叢分布較廣, 其次是灌叢、草甸及闊葉林。其中一年兩熟作物和草叢這兩種植被類型對水土流失敏感性為中度敏感性, 灌叢、草甸和闊葉林為輕度敏感性。各植被類型對水土流失敏感性的空間分布特點: 輕度敏感在各縣中均有分布, 其中在望謨縣、冊亨縣、興義市和貞豐縣分布較廣, 分別占縣域面積的53.63%、53.32%、48.79%和58.46%; 各縣中度敏感性分布面積均在40%以上, 其中晴隆縣和普安縣分布面積占到縣域面積的81.38%和85.23%。

3.3 各因子對綜合敏感性相關性分析

黔西南州水土流失敏感性的分布特征與地形起伏度空間相關性最強(表3)。這是由于在喀斯特地貌的背景下, 坡度起伏大, 雨水沖刷作用劇烈, 且坡耕地在耕地總面積中占有較大比例[34], 加劇水土流失, 進而使得土壤層更薄, 長此以往形成惡性循環加劇研究區土地退化; 土壤類型對水土流失敏感性相關性僅次于地形起伏度, 黃壤、石灰土和紅壤等土壤可蝕性值大的土壤類型分布面積占90%, 而值越大, 土壤的抗蝕性越弱, 水土流失發生的可能性極高; 黔西南降雨侵蝕力與降雨量基本呈正相關[23], 降雨量在空間上差異不大, 因而降雨侵蝕力大小的空間分異性不強, 故對水土流失敏感性的相關性較弱; 植被能夠很好地截留降水, 對水土流失起抑制作用, 因而植被類型總體上對水土流失敏感性的影響小。

4 討論與結論

黔西南州水土流失敏感性普遍較高, 各級敏感性面積比從小到大依次為中度敏感性、輕度敏感性、高度敏感性、極敏感性和不敏感性, 處于輕度敏感性以上的區域占州面積的83.4%。水土流失敏感性大致呈現中心向四周逐級增加、東部高于西部的趨勢。九個縣市中以晴隆縣、望謨縣和冊亨縣水土流失程度最為嚴重, 輕度敏感性以上面積均占到縣域面積的90%以上。

降雨侵蝕力、土壤類型、地形起伏度和植被類型4個因子中, 地形起伏度與研究區水土流失綜合敏感性的相關性最高, 相關性從高到低依次為:地形起伏度、土壤類型、降雨侵蝕力和植被類型。且在空間分布上地貌起伏度、土壤類型和降雨侵蝕了與水土流失綜合敏感性的分布趨于一致。這與黔西南的地貌背景及耕作方式、土壤類型以抗蝕性弱的黃棕壤和紅壤為主、降雨豐富有關。

黔西南州受地質背景影響, 石漠化程度嚴重[32], 部分區域地表幾乎無土壤層覆蓋, 此時的土壤侵蝕量極低[35], 這種情況下運用原有的水土流失敏感性評價方法已無法準確的反映水土流失程度, 應加入石漠化面積、石漠化程度及土壤層厚度進行分析, 進一步豐富和完善評價體系, 增強水土流失及石漠化的防治措施的針對性。

表 3 水土流失敏感性評價因子圖層相關性系數

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Assessment of sensitivity of soil and water loss in rocky desertification ecologically vulnerable area, southwest Guizhou

LONG Ronghua, SUN Hu*, XU Yinyao

School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China

In order to explore the spatial distribution characteristics of water and soil loss sensitivity in southwest Guizhou.Basedon geographic information system (GIS) and sensitivity evaluation model select rainfall erosivity,topography,vegetation type and soil type as integrated assessment index of water and soil loss sensitivity and establish classification standard of assessment. The sensitivity of soil and water loss was analyzed and assessed with multiple and single index.And the soil erodibility of each soil type was calculated to enhance the scientificity of the assessment result.The results showed that: (1) The sensitivity of water and soil loss in southwest Guizhou is generally higher.The proportion ofeach sensitivity level area from large to small was:moderate sensitivity,slight sensitivity,high sensitivity,extreme sensitivity and insensitivity.The areas with slight sensitivity or above accounted for 83.4%,and the degree of water and soil loss was serious.In general,it gradually increases from the center to the surroundings,the east is higher than the west.In nine counties and cities,over 90% of the county areas are covered by mild sensitivity in Qinglong County,Wangmo County and Ceheng County.(2) In each assessment index,the correlation of sensitivity on water and sol loss from high to low is as follows:topography, soil type,rainfall erosivity,vegetation type.Topography has the greatest impact on soil and water loss.The research aims to provide scientific basis for soil and water loss control and further mitigation of rocky desertification in southwest Guizhou.

southwest Guizhou; soil and water loss; sensitivity; spatial distribution

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.016

X826

A

1008-8873(2021)06-133-07

龍蓉華, 孫虎, 徐崟堯. 黔西南石漠化生態脆弱區水土流失敏感性評價[J]. 生態科學, 2021, 40(6): 133–139.

LONG Ronghua, SUN Hu, XU Yinyao. Assessment of sensitivity of soil and water loss in rocky desertification ecologically vulnerable area, southwest Guizhou[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 133–139.

2020-05-05;

2020-05-26

陜西省水利廳基金項目(201510085)作者簡介:龍蓉華 (1996—), 女, 湖南花垣人, 碩士研究生, 研究方向為水土保持與環境治理, E-mail:carolronghua@qq.com

通信作者:孫虎(1962—), 男, 陜西西安人, 教授, 主要從事自然地理與水土保持研究, E-mail:kycjh6@snnu.edu.cn