中國4種典型土地利用類型土壤水蝕成因的差異性分析

［關鍵詞］

土壤水蝕；成因；差異性；氣候變化；土壤質地；土地利用類型；中國

［摘" 要］

為揭示區域尺度上不同土地利用類型土壤水蝕產生的機理，分析了我國水蝕區4種典型土地利用類型（水田、旱地、草地和林地）下氣溫、降水量、土壤質地、坡度、歸一化植被指數和土壤水蝕量的差異，并利用多元逐步回歸計算了不同因素對4種土地利用類型土壤水蝕量的貢獻，結果表明：4種土地利用類型的土壤水蝕量表現為林地［55.10 t/（hm2·a）］＞水田［54.35 t/（hm2·a）］＞旱地［26.69 t/（hm2·a）］＞草地［12.96 t/（hm2·a）］；土壤水蝕量均隨氣溫和坡度的增加顯著上升，水田、旱地和草地的土壤水蝕量受降水量的正向調控，草地和林地的土壤水蝕量與土壤砂粒含量呈顯著負相關關系。中國水蝕區土壤侵蝕的形成不僅受氣候條件的影響，還與土地利用類型及土壤特性有關。

［中圖分類號］ S157.1" ［文獻標識碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.11.019

［引用格式］ 雷羚潔，李英，戚立凱，等.中國4種典型土地利用類型土壤水蝕成因的差異性分析［J］.中國水土保持，2024（11）：76-80.

土壤是維持地球生物圈的重要因素。土壤侵蝕會導致表土流失、土壤退化，是全球范圍內不可忽視的生態環境問題。水蝕是最常見的土壤侵蝕類型，約占全球侵蝕區面積的55%［1］。土壤水蝕不僅會遷移泥沙，造成江河阻塞，還會帶走土壤表層養分，降低土壤肥力和生產力，繼而影響農業生產，并威脅糧食安全。我國土地利用類型繁多，環境條件多樣，導致土壤水蝕的成因較為復雜。加強土壤水蝕成因的研究，對科學治理水土流失，改善生態環境具有重要意義。

氣候變化是影響土壤水蝕的重要原因之一。降水量和降水強度的增大通過促進地表徑流加劇土壤水蝕［2］，氣候變暖主要通過改變植被覆蓋和土壤濕度來影響土壤水蝕［3］。土壤質地與土壤阻力密切相關，其變化會導致土壤可蝕性的差異，例如粉砂壤土具有較高的可蝕性，而黏土具有較低的可蝕性［4］。坡度的變化會引起徑流的改變，從而導致土壤水蝕速率的變化［5］。另外，一些研究表明土壤水蝕速率還與植被覆蓋度和土地利用類型密切相關［6-7］。因此，在復雜的土壤水蝕成因中篩選出導致土壤水蝕形成的關鍵因子，可以為我國土壤保持技術的選擇提供支撐。

當前已有學者研究我國土壤水蝕產生的原因，但是主要集中在單因素或雙因素對小尺度、單一土地利用類型的影響上［8-9］。我國土壤水蝕區土地利用類型多樣，分布范圍廣泛，小尺度研究存在著一定的局限性。因此，從區域尺度上探究不同土地利用類型下土壤水蝕成因尤為迫切。本研究利用2010年中國水蝕區土壤侵蝕數據，通過多元逐步線性回歸分析，闡明不同土地利用類型（水田、旱地、草地和林地）下導致土壤水蝕產生的因素，以揭示區域尺度上土壤水蝕產生的機理，為我國未來生態環境保護、土壤保持提供科學依據。

1" 材料與方法

1.1" 數據來源

本研究分析數據包括2010年中國土地利用類型、年平均氣溫、年降水量、土壤質地、坡度、歸一化植被指數（NDVI）和土壤水蝕等數據。土地利用類型、土壤質地和NDVI數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）。在本研究中，土地利用類型被重新分為4種類型：水田、旱地、草地和林地（見圖1）。土壤質地依據土壤粒徑分為黏粒、粉粒和砂粒。氣候數據來源于KARGER et al.［10］的研究成果，包括1981—2010年全球平均氣溫和降水量數據。坡度數據來源于國家青藏高原科學數據中心［11］（http：//data.tpdc.ac.cn）。中國土壤水蝕數據來源于李佳蕾等［12］的研究成果。本研究中的所有柵格數據均利用ArcGIS重采樣，分辨率為10 km×10 km。

1.2" 數據分析

分析4種土地利用類型下年平均氣溫、年降水量、土壤質地、坡度、NDVI和土壤水蝕量的差異，并通過多元逐步線性回歸分析，探究土壤水蝕量與非生物和生物變量之間的關系，闡明不同土地利用類型下土壤水蝕產生的機理。先前的研究表明，土壤水蝕速率主要受土壤砂粒含量的影響［13］，為了排除多重共線性，在評估土壤質地對土壤水蝕的影響時，本研究只探討土壤砂粒含量對土壤水蝕的貢獻。所有的統計分析均利用SAS V8.1軟件進行。

2" 結果與分析

2.1" 不同土地利用類型下非生物與生物因素的差異

對4種土地利用類型下年平均氣溫和年降水量的分析表明，不同土地利用類型下年平均氣溫和年降水量存在差異（見圖2）。水田的年平均氣溫（15.03 ℃）和年降水量（1 365.04 mm）最大，林地（10.46 ℃，1 281.08 mm）和旱地（10.29 ℃，757.16 mm）次之，草地的年平均氣溫（2.05 ℃）和年降水量（600.37 mm）最小。

由圖3可知，4種土地利用類型的土壤質地均以砂粒為主，水田、旱地、草地和林地的平均土壤砂粒含量分別為38.16%、47.11%、55.74%和43.44%。由圖4可知，林地的平均坡度最大（4.53°），其次是草地（3.93°）和水田（2.33°），旱地的平均坡度最小（2.24°）。不同土地利用類型間NDVI值差異較大（見圖5）：草地的平均NDVI值最小，為0.45；旱地和林地的平均NDVI值分別為0.69和0.75；水田的平均NDVI值最大，為0.77。

2.2" 不同土地利用類型下土壤水蝕的差異

我國水蝕區主要分布在黃土高原、云貴高原、東南丘陵區等地（見圖6）。水田土壤水蝕較強的區域主要集中在我國長江流域，例如四川省東南部、湖南省和江西省的部分地區土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）；旱地土壤水蝕區域主要分布在東北、華北和西南地區，四川盆地和黃土高原的部分旱地土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）；草地土壤水蝕區分布范圍最廣泛，

其中云貴高原的部分草地土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）；林地土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）的區域主要集中在云貴高原、東南丘陵區和長江中下游平原。不同土地利用類型土壤水蝕量存在差異，平均土壤水蝕量林地最大［55.10 t/（hm2·a）］，其次是水田［54.35 t/（hm2·a）］和旱地［26.69 t/（hm2·a）］，草地最小［12.96 t/（hm2·a）］，4種土地利用類型的平均土壤水蝕量按大小排序為林地＞水田＞旱地＞草地。

2.3" 不同土地利用類型下土壤水蝕的驅動因子

多元逐步線性回歸分析結果（見表1）表明，我國水田、旱地、草地和林地的土壤水蝕量均受到多種因素的共同調控，其中：水田土壤水蝕量的變化與年平均氣溫、年降水量、NDVI值和坡度顯著相關（R2=0.073 7），水田土壤水蝕量隨著年平均氣溫、年降水量、NDVI值和坡度的增加顯著增大（p＜0.05）；旱地土壤水蝕量的變化受到年平均氣溫、年降水量、NDVI值和坡度的共同影響（R2=0.137 9），隨年平均氣溫、年降水量和坡度的增加顯著升高（p＜0.05），但是隨著NDVI值的增大顯著減小（plt;0.05）；草地土壤水蝕量的變化受到年平均氣溫、年降水量、土壤質地和坡度的共同調控（R2=0.133 0），與土壤中砂粒含量呈顯著負相關關系（p＜0.05），但是與年平均氣溫、年降水量和坡度呈顯著正相關關系（p＜0.05）；林地土壤水蝕量的變化與年平均氣溫、土壤質地和坡度顯著相關（R2=0.076 1），隨著土壤中砂粒含量的增加顯著下降（p＜0.05），但是隨著年平均氣溫和坡度的升高顯著增大（p＜0.05）。

3" 討論

本研究通過分析我國4種典型土地利用類型土壤水蝕量發現，我國草地平均土壤水蝕量明顯低于農田，可能原因是草地植物根系能顯著提高土壤凝聚力［14］。有關學者研究認為，自我國實施退耕還林還草工程以來，黃河流域土壤水蝕量呈下降趨勢，并且增加草地面積能有效減緩土壤侵蝕導致的水土流失［15］。因此，將耕地轉換為草地對減緩我國土壤水蝕、改善生態環境、提升生態系統服務具有重要作用。

中國土壤水蝕量主要受到氣候變化和地形的影響，該結果與前期學者的研究是一致的［16-17］。氣候變化對土壤水蝕具有正向調控作用。冬季變暖會加速融雪，夏季變暖會影響蒸發散和徑流，這均能增加土壤水蝕。此外，氣溫升高還會加劇全球水文循環，改變區域降水強度。當降水強度超過土壤滲透能力時，多余的降水形成地表徑流，沖刷土壤。隨著降水強度的增大，雨滴擊打力會減小土壤粒徑，增加徑流，從而導致土壤水蝕的加劇。由于水田和林地的年平均氣溫和年降水量均高于旱地和草地，因此水田和林地具有較大的土壤水蝕量。

通過多元逐步線性回歸分析發現，旱地土壤水蝕量的變化部分歸因于NDVI值的改變，土壤中砂粒含量的變化解釋了部分草地和林地土壤水蝕量的變化，這表明不同土地利用類型下土壤水蝕量的變化可能歸因于不同的機制。旱地土壤水蝕量與NDVI值呈顯著負相關關系，說明提高旱地植被覆蓋能有效減緩水土流失。這主要是因為提高植被覆蓋度能通過攔截降水、固定土壤、減緩徑流起到減緩土壤流失的作用。在草地和林地中，土壤水蝕量隨著土壤質地中砂粒含量的增加而減少。研究表明，在土壤水蝕過程中流失的大部分土壤由細顆粒組成，而不是由粗顆粒組成［18］。當土壤粒徑增大時，其質量與表面積之比增大，土壤顆粒更加難以被分離和運輸，從而減小了土壤水蝕速率。由于草地中土壤砂粒含量比林地大，因此草地的土壤水蝕量小于林地的土壤水蝕量。

土壤水蝕不僅受到氣候變化、土壤質地、坡度和NDVI值的影響，還受到多種因素的調控，如植物根系分布、凋落物蓋度、農田耕作方式等。本研究區為大尺度生態系統，一些觀測數據獲取困難，導致研究結果解釋度有限。因此，在未來估算中國土壤水蝕成因時，應全面考慮非生物和生物因素對土壤水蝕的影響。

4" 結論

通過計算我國水蝕區年平均氣溫、年降水量、土壤質地、坡度和NDVI對4種典型土地利用類型土壤水蝕的貢獻，評估導致不同土地利用類型土壤水蝕形成的關鍵因子，結論如下：

1）中國4種典型土地利用類型土壤水蝕量存在差異。

平均土壤水蝕量在不同土地利用類型下表現為林地［55.10 t/（hm2·a）］＞水田［54.35 t/（hm2·a）］＞旱地［26.69 t/（hm2·a）］＞草地［12.96 t/（hm2·a）］。

2）氣候變化和坡度是導致中國土壤水蝕變化的主要因素。在4種典型土地利用類型中，土壤水蝕量與年平均氣溫和坡度均呈顯著正相關關系；水田、旱地和草地的土壤水蝕量隨著年降水量的增大顯著增大。

3）不同土地利用類型下土壤水蝕的變化歸因于不同的形成機制。旱地土壤水蝕量受到NDVI的負向調控；在草地和林地中土壤水蝕量與土壤中砂粒含量呈顯著負相關關系。

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收稿日期： 2023-10-19

基金項目： 蘇州市科技發展計劃（農業科技創新）項目（SNG2022013）；蘇州農業職業技術學院博士提升計劃項目（BS〔2022〕11）；江蘇省林業科技創新與推廣項目（LYKJ〔2022〕10）

第一作者： 雷羚潔（1991—），女，湖南常寧人，講師，博士，主要從事水土保持方面的研究。

通信作者： 李英（1990—），女，河南鄭州人，工程師，博士，主要從事生態系統碳循環方面的研究。

E-mail： yli2014henu@163.com

（責任編輯" 徐素霞）