貴州省土壤可蝕性K值空間分布特征及主要影響因子

高家勇, 李 瑞, 楊坪坪, 盤禮東, 黃 凱

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴陽 550001; 2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001)

水土流失是西南喀斯特地區最為嚴峻的生態問題之一，2018年西南石漠化地區水土流失面積為25.18萬km2，占土地總面積的23.82%[1]，嚴重的水土流失導致生態惡化、石漠化加劇，制約著西南地區社會經濟的可持續發展。水土流失與地質、地形、降水、溫度、植被和土壤等自然因素有關[2]，土壤可蝕性(Erodibility)是土壤的內在因素，是反映土壤對侵蝕敏感性的指標，也是對土壤侵蝕預報和水保措施效益評價的重要參數，通常用K值來表示。土壤可蝕性K這一指標自20世紀60年代提出以來[3]，廣泛運用到多個模型中，如USLE/RUSLE，CSLE，WEPP和SWAT模型等。劉寶元等探究了土壤可蝕性的不同計算方法，倡導開發我國的土壤侵蝕經驗模型[4]，張科利等研究表明土壤可蝕性受土壤物理性質、降雨強度等影響會發生變化[5]，同時根據徑流小區實測資料，采用不同的方法計算土壤可蝕性值，并做出了修正，估算了中國土壤可蝕性值[6]。隨著研究的深入，諸多學者研究了土壤可蝕性與環境因子的關系，如坡地土壤可蝕性的變化[7-8]；不同土地利用方式下土壤可蝕性的變化[9-12]；礫石與土壤可蝕性的關系[13-14]；海拔、土壤質地和成土母質等因子與土壤可蝕性的關系[15-16]。隨著地理信息技術的發展，對土壤可蝕性的研究已逐步轉換到空間尺度上，目前的空間估算方法主要包括屬性連接法[17-19]、空間自相關法和地理信息綜合法等[20]，其中空間自相關法應用最為廣泛[21]。通過采集土壤樣點，根據樣點數據，計算土壤可蝕性值，在ArcGIS中用克里金插值法生成土壤可蝕性K值的空間插值圖[16,22-24]，實現了對區域內土壤可蝕性的空間分析。

貴州省是我國土壤侵蝕最嚴重的省份之一，依據《貴州省水土保持公告》(2006—2010年)，貴州省水土流失面積為55 269.40 km2，占國土總面積的31.37%[25]，長期的水土流失造成區域表層土大量流失，石漠化現象日趨嚴重[26]，制約著當地生態與經濟的發展。為平衡區域人地矛盾和實現可持續發展，開展生態治理刻不容緩[27]。而土壤侵蝕的首要對象是表層土，當表層土流失后，侵蝕對象會轉變為深層土。深層土的可蝕性值高于表層土[11,28]，抗侵蝕能力更弱，更易被侵蝕，因此保護表層土成為了防治水土流失的關鍵。目前對貴州省土壤可蝕性的研究較少，而基于貴州全省空間尺度的探討暫未見到報道，故開展省域尺度土壤可蝕性相關研究具有較為重要的現實意義，可填補相關研究的不足。本文的研究目的主要包括：(1) 構建貴州省土壤可蝕性K值空間數據庫；(2) 探討貴州省土壤可蝕性K的空間分布特征及主要影響因素。以期為USLE/RUSLE，CSLE等相關土壤流失模型在貴州省及類似地區的應用提供參考，為貴州省水土保持普查等生產實踐提供參考和支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴州省位于中國西南部，面積17.616 7萬km2，地理坐標范圍為103°36′—109°35′E，24°37′—29°13′N。地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔1 100 m左右，海拔最高點為西部的烏蒙山脈韭菜坪，2 900.6 m，最低點地處東部黎平縣地坪鄉，147.8 m(圖1)。貴州省地貌類型可概括為高原、山地、丘陵和盆地4種，其中山地和丘陵占92.5%，喀斯特分布范圍廣泛，喀斯特面積11.25萬km2，占全省面積的63.8%。研究區氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風氣候，最冷月為1月，平均氣溫在3～6℃，最熱月為7月，平均氣溫在22～25℃。降雨充沛，但年內分配不均，多集中于5—10月，年均降雨量1 100～1 400 mm。貴州處長江和珠江水系的上游交錯地帶，全省水系順地勢由西部、中部向北、東、南三面分流，境內重要流域包括長江水系烏江、赤水河流域，珠江水系南、北盤江流域等。土壤類型復雜多樣，主要包括黃壤、石灰(巖)土、水稻土、紫色土、粗骨土、紅壤等。貴州全境植被類型分為南亞熱帶具熱帶成分的常綠闊葉林亞帶、貴州高原濕潤性常綠闊葉林地帶和云貴高原半濕潤常綠潤葉林地帶3個植被分布單元。

依據貴州省自然特征將全省劃分為6個水土流失類型區(表1)，即黔西高原山地區、黔西南山原丘陵區、黔北中山峽谷區、黔中山原丘陵區、黔南低山河谷區和黔東低山丘陵區[29]。

圖1 貴州省DEM

表1 貴州省水土流失分區

1.2 數據來源與研究方法

1.2.1 數據來源及分析方法 本研究使用的數據主要包括土壤數據、行政區數據和DEM(30 m)數據等，其中土壤數據來自中國土壤數據庫(http:∥vdb3.soil.csdb.cn)中的二調土壤剖面數據，以及《貴州土種志》，土壤樣點數據主要包括樣點的粒徑含量、有機質含量、成土母質、海拔和土地利用方式等。對數據進行整合、篩選，錄入Excel，剔除不完整的數據，共15個土類，31個亞類，151個采樣點(圖2)，行政區數據和DEM(30 m)數據來自中國科學院資源環境科學與數據中心(www.resdc.cn)。采用SPSS 24.0軟件對數據進行分析處理，并運用Origin 2018軟件繪圖。

1.2.2 土壤粒徑轉換 我國第二次土壤調查采用的是國際制土壤粒徑分級，>2 mm為石礫、2～0.02 mm為砂粒、0.02～0.002 mm為粉粒、<0.002 mm為黏粒，而本研究選用的EPIC模型中的土壤粒徑為美國制，即>2 mm為石礫、0.10～2 mm為砂粒、0.05～0.10 mm為極細砂、0.002～0.05 mm為粉粒、<0.002 mm為黏粒。本文采用三次樣條插值法[30]，運用MATLAB軟件進行土壤粒徑轉換。

圖2 樣點分布

1.2.3K值計算 目前國內外常用的K值計算方法有諾模方程和修正諾模方程、EPIC模型、幾何平均粒徑模型計算公式等。EPIC模型由于其需要的數據信息相對較少、計算簡單和較好的估算效果等優點，目前使用較為廣泛，因此本文采用EPIC模型計算K值。

K=0.2+0.3exp〔-0.0256SAN·(1-SIL/100)〕·

式中:SAN為砂粒含量(0.05～2.00 mm);SIL為粉粒含量(0.002～0.05 mm);CLA為黏粒含量(<0.002 mm);SN1=1-SAN/100;C為有機碳含量(%);所得結果乘以0.131 7轉換為國際制,單位為t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)。

1.2.4 克里金插值 克里金插值法又被稱為空間自協方差最佳插值法，基于變異函數理論和結構分析，在一定區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法，在土壤制圖中得到廣泛運用[21]。計算公式為：

式中:P(x0)為x0處土壤可蝕性K值的估計值;P(xi)為第i個點實算的K值;wi為第i個點對插值點的權重;n為實算K值點的個數。克里金插值法包括普通克里金方法、泛克里金方法和協同克里金方法等[17],本文結合采集樣點的土壤數據特征,采用EPIC模型計算出土壤可蝕性K值,在ArcGIS中選用普通克里金方法,建立K值的協方差函數,根據方差變異分析結果,選用球面模型作為變異函數模型,完成K值的空間插值,形成K值空間數據庫。

2 結果與分析

2.1 貴州省土壤可蝕性K值與空間分布特征

(1) 貴州省土壤類型及K值總體狀況。貴州省土壤類型包括黃壤、石灰土、水稻土、紫色土、粗骨土、紅壤、黃棕壤、山地草甸土、潮土、棕壤、石質土、沼澤土、泥炭土、新積土和紅黏土等15類。黃壤主要分布在黔北和黔中地區；石灰土在貴州省分布十分廣泛，有石灰巖的地方都有石灰土分布；水稻土集中在黔中山原丘陵區、黔北中山峽谷區、黔東低山丘陵區和黔南低山河谷區；紫色土主要分布在黔北地區。貴州省各類型表層土壤平均K值為0.023 0～0.047 7，面積加權平均值為0.034 8，其中紅黏土的K值最大，為0.047 7，其次是潮土，為0.046 0；黃壤、紅壤、石灰土、紫色土、水稻土是貴州省主要的土壤類型，加權K值依次為0.037 4，0.041 0，0.035 0，0.035 1，0.038 0，見表2。

表2 貴州省土壤可蝕性統計

根據梁音等[14]采用的土壤可蝕性K值的分級指標，將貴州省的土壤可蝕性K值進行分級。由圖3可知，貴州省土壤可蝕性等級包括較低可蝕性土壤、中低可蝕性土壤、中可蝕性土壤、中高可蝕性土壤和高可蝕性土壤5個等級，其中分布最廣的是中可蝕性土壤，占33.39%，其次是中低可蝕性土壤，占25.60%，中高可蝕性土壤占16.35%，較低可蝕性土壤占16.21%，高可蝕性土壤占8.45%，中可蝕性土壤等級以上的土壤占58.19%。總的來說，貴州省土壤可蝕性較高，中可蝕性土壤等級以上的土壤超過一半，無低可蝕性土壤級別，表明貴州省土壤侵蝕風險較高。

(2) 貴州省土壤可蝕性K值空間分布特征。從圖4不難看出，全省K值分布的空間差異性較大，土壤可蝕性從西向東逐漸增加，與貴州省西高東低的地勢走向相反。在東西方向上，K值黔東>黔中>黔西，南北方向上，K值黔北南部>黔中>黔北北部>黔南。土壤可蝕性較高的區域主要集中在黔東和黔北南部，土壤可蝕性低的區域分布在黔南和黔北的西北部。

圖3 貴州省土壤可蝕性分級

圖4 貴州省土壤可蝕性空間分布

2.2 貴州省土壤可蝕性K的主要影響因子

(1) 成土母質與土壤可蝕性。不同成土母質形成的同類土壤，其K值有明顯的差異；同種成土母質形成的不同土壤類型，其K值也有明顯的差異(表3)。各類成土母質形成土壤的可蝕性K值主要分布在0.028 4～0.046 8的范圍內，頁巖風化形成的紅壤K值最大，為0.046 8；砂頁巖風化形成黃壤的K值最小，為0.028 4。頁巖發育形成土壤的K值都較大(黃棕壤除外)，處于中可蝕性級別；砂巖發育形成土壤的K值較小，處于中低可蝕性級別。

(2) 海拔與土壤可蝕性的相關性分析。對剖面點的海拔、K值、砂粒、粉粒、黏粒和有機碳等數據進行相關性分析，結果見表4。海拔與K值呈負相關，即隨著海拔的升高，K值有降低的趨勢，但未達顯著水平(p>0.05)。海拔對K值的影響，通過對土壤有機碳，以及土壤結構指標砂粒、粉粒和黏粒含量的影響而間接產生影響，可以看出，海拔與土壤有機碳呈顯著正相關(p<0.01)，即隨著海拔的升高，土壤有機碳呈增加趨勢；海拔與砂粒、粉粒含量呈顯著正相關(p<0.01)，即隨著海拔的升高，土壤砂粒、粉粒含量呈增加趨勢；同時，還可以看出，海拔與黏粒含量呈負相關關系，即隨著海拔的升高，黏粒含量呈下降趨勢，但未達顯著水平(p>0.05)。故海拔對土壤可蝕性K的影響是對土壤有機碳、土壤砂粒、粉粒及黏粒含量綜合影響的結果。

表3 貴州省主要成土母質發育形成土壤的K值

表4 土壤數據集的皮爾遜相關系數矩陣

2.3 土地利用方式對土壤可蝕性的影響

同種類型的土壤有多種利用方式，如水稻土的利用方式是主要是水田、旱地、草地等，紫色土的利用方式有旱地、林地、灌木林、草地等，從表5可知，不同土地利用方式下土壤可蝕性K值不同，水田的土壤可蝕性均值最大，0.038 2；其次是旱地，為0.037 1；林地的土壤可蝕性均值最小，0.033 9。耕地的土壤可蝕性值明顯大于其他用地類型，人為活動越強烈，土壤的可蝕性值越高。各用地類型K值的變異系數都較小，主要處于中小變異等級，各類土地利用的可蝕性值比較集中，變化范圍不大。

表5 不同土地利用方式K值分布

3 討 論

3.1 貴州省土壤可蝕性K值與其他地區的比較

貴州省是典型的喀斯特地區，碳酸鹽巖出露率較高，呈現地帶性土壤與非地帶性的石灰土交錯分布的規律[31]，K值介于0.023 0～0.047 7 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，低于西北黃土區[32]和北方土石山區[33]，高于南方紅壤區[33]和東北黑土區[34]。土壤可蝕性是土壤的內在屬性，受自然環境條件和社會經濟因素的影響。西北黃土區土壤可蝕性較高的原因可能是西北地區干旱少雨，植被破壞嚴重，土層十分深厚，質地為粉砂壤土，土體松散，通氣透水性強，土壤中的粉砂含量通常在50%以上，碳酸鈣含量平均在10%左右[35]，有機碳集中在1～4 kg/m2[36]；南方紅壤區雨熱充足，母質風化十分強烈，土層深厚，以紅壤與磚紅壤為主，磚紅壤的黏粒含量高達50%，紅壤的黏粒含量高達70%，土壤中腐殖質含量不高，呈弱酸性，紅壤的黏粒含量更高，呈酸性到強酸性，有機質貧乏[37]，所以土壤可蝕性低；而貴州省壤土分布廣泛，土層淺薄，粉粒含量高達70%，黏粒和砂粒含量較低，有機質總體水平較高，平均為4.06%，且貴州省人地矛盾更為突出，土地資源未能得到合理利用，造成土壤質地下降，所以K值高于南方紅壤區和低于西北黃土區。此外土壤樣點的海拔、土地利用方式、溫度和成土母質等自然因素，都會對土壤質地產生影響，進而影響土壤可蝕性。

3.2 貴州省K值空間分布特征與水土流失狀況

從空間分布看，全省的土壤可蝕性從西向東呈現逐漸增加的趨勢，黔東和黔北部分地區的土壤可蝕性高。同時，依據《貴州省水土保持公告》(2006—2010年)[26]，全省的水土流失率從西北向東南呈現逐漸減輕的特點。具體表現為：黔西地區水土流失率37.91%，黔西南地區為37.42%，黔北地區為37.14%，黔中地區為29.52%，黔南地區為24.98%，黔東地區為17.79%(圖5)。貴州省土壤可蝕性與水土流失的空間特征存在較大差異，可能是因為土壤可蝕性受土壤質地和有機質的直接影響，而水土流失與土壤可蝕性、坡度、植被覆蓋率和人類活動等因素有關[2]。雖然黔西和黔西南的土壤可蝕性低，但是地勢起伏變化大，植被覆蓋率低，土層淺薄，石漠化嚴重，坡耕地多且生態環境較差，人類活動強烈，因而土壤侵蝕量大[38]；而黔東地區盡管土壤可蝕性高，但地勢起伏變化相對較小，植被覆蓋率高，土層較厚，石漠化面積小[29]，人類活動較弱，因而土壤侵蝕量較小。因此，土壤可蝕性只是影響水土流失的一個因素，可蝕性值高的區域，水土流失不一定嚴重，但土壤可蝕性高，抗侵蝕能力就弱，易發生水土流失，在采取水保措施的時候，一定要引起重視。

圖5 貴州省各地區水土流失分布面積比例

3.3 貴州省土壤可蝕性K的影響因素

(1) 成土母質對土壤可蝕性的影響。成土母質決定了土壤的類型和土壤質地，相同母質形成不同土壤類型，其質地和有機質也不相同，砂頁巖形成的水稻土的砂粒含量明顯低于紫色土，粉粒含量高于紫色土，因而水稻土的K值高于紫色土。不同成土母質形成的相同土壤類型，其質地和有機質存在著較大差異，就紫色土而言，頁巖形成的紫色土黏粒和粉粒含量高，砂巖形成的紫色土的砂粒含量較高，這與侯大斌[39]的研究結論一致，因此頁巖發育形成紫色土的K值高于砂巖發育形成紫色土的K值。總的來說，成土母質對土壤可蝕性的影響是多方面的，一方面成土母質直接影響土壤質地和有機質含量，進而影響了土壤可蝕性，另一方面成土母質受氣候、降雨等影響導致母質風化程度不同，形成土壤的微地形、土層厚度和土壤特性發生變化，進而影響了土壤可蝕性。

(2) 海拔對土壤可蝕性的影響。海拔升高，土壤可蝕性有降低的趨勢(圖6)，與荊莎莎[40]、李子君[41]等的研究結果一致。因為海拔是通過影響土壤質地和有機碳含量，進而間接影響土壤可蝕性。而土壤可蝕性與砂粒、粉粒、黏粒、有機碳含量密不可分，與有機碳含量呈負相關，與砂粒含量呈顯著負相關，與粉粒和黏粒含量呈正相關，其中與粉粒含量相關性顯著，海拔通過影響前述土壤指標間接影響土壤可蝕性，使得土壤可蝕性隨海拔的升高呈降低的趨勢。隨著海拔的升高，土壤有機碳含量有增加的趨勢，這一結論與王琳[42]、彭新華[43]和JavedMallick[44]等研究的結果一致，其原因可能是海拔升高，溫度降低，分解速率下降，腐殖質層中的枯枝落葉堆積更多，有機質含量增加。本研究中海拔升高，砂粒與粉粒含量有增加的趨勢，而黏粒含量有降低的趨勢，這與JavedMallick等[44]、舒錕等[45]的研究結果相反，他們的研究表明，海拔升高，砂粒含量降低，而黏粒和粉粒含量是增加的。原因可能是因為本研究從全省的角度，整體上分析了海拔與土壤砂粒、粉粒和黏粒的關系，而非僅針對同一種土壤分析海拔與土壤質地的關系。

圖6 不同海拔梯度K值變化趨勢

(3) 土地利用方式對土壤可蝕性的影響。就土地利用方式而言，同種土壤由于不同的利用方式，其土壤可蝕性K值會有所不同[9,46]。整體上，貴州省林地的土壤可蝕性最低，耕地的土壤可蝕性最高，而水田雖然可蝕性較高，但由于梯平化的影響，一般土壤侵蝕風險較低，旱地則多為坡耕地，受地形的影響更易發生水土流失。這一結果與尖山河小流域土壤可蝕性K值空間變異研究結果相同[47]，與坡面不同種植措施的徑流小區觀測結果相同，即坡耕地>草地>林地的產流產沙規律[48-49]，表明土壤經過多年的耕種其抗侵蝕能力下降，土壤侵蝕風險更大，是區域水土流失的主要策源地[9,46]。不同土地利用方式條件下，土壤可蝕性出現差異的原因，一方面林地與草地發達的根系可以固結土壤，改良土壤質地，植被冠層起到截流的作用，減少雨水對土壤的濺蝕作用；另一方面，枯枝落葉腐解后能夠增強土壤中的有機質含量，從而增強土壤可蝕性。總體而言，人類活動對土壤可蝕性有明顯的影響，人為干擾越大的地方，土壤可蝕性越高，土壤侵蝕風險越大。因此在生境復雜的喀斯特區域，需要合理規劃土地利用方式，降低人為活動的影響，從而減少對土地資源的影響，降低土壤侵蝕風險。此外，對于土壤可蝕性高和水土流失嚴重的坡耕地，更需要重點關注，相關研究表明，秸稈覆蓋是控制喀斯特地區坡耕地水土流失，減小土壤可蝕性的有效途徑[50-51]，對于坡耕地的水土流失防治有重要意義。

4 結 論

(1) 貴州省各土壤類型表層土的平均K值介于0.023 0～0.047 7 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，其中紅黏土的K值最大，為0.047 7 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，其次是潮土為0.046 0 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，新積土的K值最小，為0.023 0 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)。

(2) 貴州省以中低和中可蝕性土壤為主，中可蝕性土壤占33.39%，中低可蝕性土壤占25.60%，土壤可蝕性值較高，潛在土壤侵蝕風險大。

(3) 從空間分布看，全省的土壤可蝕性從西向東逐漸增加，黔東和黔北南部土壤可蝕性最大，黔中次之，黔北北部和黔南的土壤可蝕性最低；南北方向上呈現出：黔北南部>黔中>黔北北部>黔南。

(4) 各類成土母質形成土壤的可蝕性值介于0.028 4～0.046 8 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，頁巖發育形成土壤的K值都較大(黃棕壤除外)，砂巖發育形成土壤的K值較小。

(5) 海拔通過影響土壤質地和有機碳含量，進而間接影響土壤可蝕性，即隨著海拔升高，土壤可蝕性有降低的趨勢。

(6) 不同土地利用方式下土壤可蝕性值不同，總體上呈現出水田>旱地>草地>灌木>林地的特征。