黃河中游河龍區(qū)間潛在土壤侵蝕研究

2014-10-24 12:03譚詩

湖南師范大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版 2014年3期

譚詩

摘要利用CSLE模型計算并分析了在無水土保持工程和耕作措施條件下黃河中游河龍區(qū)間土壤侵蝕各因子特征值以及2011年的潛在土壤侵蝕情況.結(jié)果表明：降雨侵蝕力因子和坡度坡長因子的分布與潛在土壤侵蝕的分布呈一定的相反趨勢，土壤可蝕性因子和植被覆蓋與生物措施因子則表現(xiàn)出一致性.2011年潛在土壤侵蝕模數(shù)為2 600.1 t/（hm2·a），潛在土壤侵蝕面積占整個區(qū)間總面積的50.45%，并且以強(qiáng)烈侵蝕為主，造成的水土流失較為嚴(yán)重.

關(guān)鍵詞潛在；土壤侵蝕；河龍區(qū)間

中圖分類號 S157文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 10002537（2014）03000106

Research on Potential Soil Erosion in the HeLong Region

of the Middle Reaches of the Yellow River

TAN Shi1，2*， LIU Jianxiang3， ZHANG Ke4， WANG Zhiqiang2

（1.Hunan First Normal University， Changsha 410205， China；

2. School of Geography， Beijing Normal University， Beijing 100875， China；

3. The Monitoring Center of Soil and Water Conservation， Songliao River Basin， Songliao Water Resources Commission，

the Ministry of Water Resources， Changchun 130021， China； 4. Hunan Educational Technology Center， Changsha 410005， China）

Abstract Based on the CSLE model， the characteristic of each factor of soil erosion and potential soil erosion in the HeLong region of the middle reaches of the Yellow River without engineering and tillage conservation measures in 2011 were calculated. The results indicated that the geographic distribution of rainfall erosivity， slope gradient and slope length revealed contrary trends with potential soil erosion， while soil erodibility， vegetation cover and biological measures showed the consistency trend with potential soil erosion. Potential soil erosion modulus of the HeLong region was 2 600.1 t/ （hm2·a） in 2011. Area of potential soil erosion region covered 50.45% of the whole region and intense erosion mainly occurred in potential soil erosion region， causing a high level soil and water loss.

Key words potentiality； soil erosion； the HeLong region

潛在土壤侵蝕是指在無水土保持工程和耕作措施條件下的侵蝕行為，能反映在特定的降雨和植被覆蓋下所能達(dá)到的最大侵蝕.區(qū)域潛在土壤侵蝕的分布可以指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水土保持規(guī)劃，實現(xiàn)分重點、有的放矢地進(jìn)行水土流失治理的目的.

國內(nèi)學(xué)者主要利用USLE模型或者RUSLE模型計算潛在土壤侵蝕量，即不考慮覆蓋管理因子，研究尺度從小流域到流域[14]，從縣級到省級[59]，總體上針對潛在土壤侵蝕的研究較少，研究區(qū)域分散.黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間（簡稱河龍區(qū)間）是黃河流域、我國乃至世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，也是我國水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點地區(qū)，但是目前在該區(qū)域尚未開展?jié)撛谕寥狼治g的研究，為加深對水土流失影響的理解、科學(xué)制定水土保持規(guī)劃、合理布置區(qū)域水土流失治理措施，本文對河龍區(qū)間2011年的潛在土壤侵蝕狀況進(jìn)行研究分析.

河龍區(qū)間位于黃河中上游，面積約11.3萬km2，是黃土高原的主要組成部分，涉及山西、內(nèi)蒙古和陜西省的50個縣（市、區(qū)、旗），見圖1.地貌類型區(qū)以黃土丘陵溝壑區(qū)、沙丘沙地草灘區(qū)、砂礫丘陵區(qū)和石質(zhì)山嶺區(qū)為主，氣候為大陸性氣候，年均溫度6～14 ℃，年均降水量310～580 mm，黃土層深厚，土質(zhì)疏松，土壤主要為黃綿土，植被以草原為主，從東南至西北由森林草原向荒漠草原過渡.

區(qū)間流域面積1 000 km2以上的支流有21條.多年平均徑流量77.0億m3，占黃河徑流量的13.8%，多年平均輸沙量6.0億t，占黃河輸沙量的37.5%，平均輸沙模數(shù)為6 643 t/km2[10].

2 研究方法

根據(jù)我國的實際情況，劉寶元建立了CSLE（Chinese soil loss equation）模型，該模型簡單實用，在我國具有廣泛的實用性[11]，本研究采用此模型計算潛在侵蝕量.

A=R·K·L·S·B·E·T，

式中：A是土壤水蝕模數(shù)，t/（hm2·a）；R是降雨侵蝕力因子，MJ·mm/（hm2·h·a）；K是土壤可蝕性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；L·S是坡長坡度因子，無量綱；B是植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E是工程措施措施因子，無量綱；T是耕作措施因子，無量綱.分析潛在侵蝕時，E、T因子為1.

2.1 降雨侵蝕力因子

本研究在利用日降雨量計算半月降雨侵蝕力的基礎(chǔ)上獲取區(qū)間年降雨侵蝕力[12].

R半月k=α∑mj=1Pβdj， α=21586β-7189 1， β=0.836 3+18.144Pd12+24.455Py12.

式中：R半月k為第k個半月的降雨侵蝕力，單位MJ·mm/（hm2·h）；Pdj為第k半月第j日大于等于12 mm的日降雨量；全年分24個半月，其中每月前15天為上半月，其余為下半月；α、β為回歸系數(shù)；Pd12表示日降雨量大于等于12 mm的日均值，單位mm；Py12表示日降雨量大于等于12 mm的年均值，單位mm.

共收集區(qū)間以及周邊共96個水文站或者氣象站的2011年日降雨量數(shù)據(jù)，在計算各站點降雨侵蝕力的基礎(chǔ)上，利用KRIGING插值法獲得區(qū)間降雨侵蝕力[13].

2.2 土壤可蝕性因子

利用Wischmeier建立的土壤性質(zhì)指標(biāo)和土壤可蝕性之間的關(guān)系公式計算土壤可蝕性值[14]：

K=[21×10-4M114（12-OM）+325（S-2）+25（P-3）]/100.

式中：M=N1（100-N2）或 M=N1（N3+N4）；N1表示粒徑在0.002 mm和0.1 mm之間的土壤顆粒含量；N2表示粒徑小于0.002 mm的土壤粘粒含量；N為表示粒徑在0.002 mm和0.05 mm之間的土壤粉砂含量；N4表示粒徑在0.05 mm和2 mm之間的土壤顆粒含量；OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量；S為土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)，P為土壤滲透性等級.

我國在20世紀(jì)80年代開展了第二次全國土壤普查，通過收集此次普查數(shù)據(jù)獲取了區(qū)間土壤類型圖以及各土種的理化性質(zhì)、機(jī)械組成等數(shù)據(jù).對照我國的土壤發(fā)生分類系統(tǒng)，基于土壤類型圖建立各土屬屬性表，輸入各土種的分布面積.采用樣條函數(shù)插值進(jìn)行土壤分析資料國際制的轉(zhuǎn)換，通過查表確定土壤滲透等級和結(jié)構(gòu)等級[15].在計算各土種的K值以后根據(jù)土壤類型圖進(jìn)行歸并獲取區(qū)間各土屬的K值.

在野外采樣（見表1）和文獻(xiàn)資料統(tǒng)計（見表2）的基礎(chǔ)上，計算各樣點的K值與土壤類型圖疊加，提取樣點對應(yīng)的土壤類型，計算各土壤類型對應(yīng)的平均K值，對各土壤類型K值進(jìn)行更新.

2.4 植被覆蓋與生物措施因子

首先獲取不同植被類型全年24個半月植被蓋度.利用3期30 m分辨率HJ1多光譜反射率數(shù)據(jù)、MODIS反射率產(chǎn)品（空間分辨率1 km，時間分辨率16天）和區(qū)間土地利用數(shù)據(jù)，生成可靠的NDVI時間序列數(shù)據(jù).將NDVI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為植被覆蓋度.具體處理方法見參考文獻(xiàn)[16].

然后計算不同土地利用類型每個半月時段的土壤流失比率Bi，再以各半月時段降雨侵蝕力比例為權(quán)重，得到年植被覆蓋與生物措施因子B值.

耕地、居民點及工礦用地、交通運輸用地、水體及其設(shè)施用地或其他土地類型可直接賦值.其中耕地賦值0.61，其他賦值1[17].園地、林地和草地根據(jù)公式（1）計算該地塊最終的B因子值：

3 結(jié)果與分析

3.1 各因子特征值

區(qū)間2011年平均降雨侵蝕力為607.97 MJ·mm/（hm2·h），降雨侵蝕力較大的地區(qū)集中于西部和南部（見圖2a），其中，區(qū)間西部的偏關(guān)河流域和三川河流域之間、清澗河和昕水河以南的地區(qū)降雨侵蝕力普遍較大，西北部普遍較低，其中皇甫川流域和窟野河流域一帶降雨侵蝕力極低.降雨侵蝕力表示的是降雨引起侵蝕的潛在能力，可以看出區(qū)間降雨侵蝕力的空間分布特征與區(qū)間土壤侵蝕空間分布并不一致，甚至相反.

平均土壤可蝕性值為0.041 8 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm），空間上區(qū)間西北部和東北部地區(qū)土壤可蝕性較?。ㄒ妶D2b），仕望川流域北部和清澗河流域之間的地區(qū)土壤可蝕性值較高.從土壤類型上看，黃綿土的土壤可蝕性值較高，黃綿土土體疏松、有機(jī)質(zhì)含量低、機(jī)械組成粉粒含量高、土壤空隙比大、滲透性好.土壤可蝕性較低的西北部以風(fēng)沙土為主要類型，東部以栗褐土為主，栗褐土為森林土壤，有機(jī)質(zhì)含量較高.

坡度坡長因子最大值為83.13，空間上呈現(xiàn)從西北向東南增加的趨勢.東部的呂梁山地區(qū)以及西南部的白于山、黃龍山和嶗山地區(qū)坡度坡長因子值較高，而區(qū)間西北部位于毛烏素沙漠地勢相對平坦，因子值較低.

植被覆蓋與生物措施因子平均值為0.347 5，空間上區(qū)間東部和西南部的林區(qū)B因子值普遍較低，而區(qū)間西北部的沙區(qū)B因子值較高.

（a）降雨侵蝕力因子 Rainfall erosivity factor （b）土壤可蝕性因子 Soil erodibility factor

（c）坡度坡長因子 Slope， slope length factor （d）植被覆蓋與生物措施因子

Vegetation cover and biological measures factor

圖2 2011年河龍區(qū)間潛在土壤侵蝕各因子空間分布

Fig.2 Spatial distribution of soil erosion factors in the HeLong region in 2011

3.2 潛在土壤侵蝕強(qiáng)度、面積與分布

區(qū)間年均潛在土壤侵蝕模數(shù)為2 600.1 t/（hm2·a），最大值為26 507.6 t/（hm2·a）.空間上區(qū)間東部和西南部的林區(qū)潛在土壤侵蝕模數(shù)較低（見圖3），而區(qū)間的西北地區(qū)潛在土壤侵蝕模數(shù)也較低，由于本研究僅分析了區(qū)間的水力侵蝕情況而沒有考慮風(fēng)力侵蝕，導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重的西北部地區(qū)潛在土壤侵蝕模數(shù)較低.區(qū)間內(nèi)各省份中，陜西省潛在土壤侵蝕模數(shù)為3 024.1 t/（km2·a），最大值26 507.6 t/（km2·a），山西省潛在土壤侵蝕模數(shù)2 679.0 t/（km2·a），最大值24 353.4 t/（km2·a），內(nèi)蒙古潛在土壤侵蝕模數(shù)1 575.0 t/（km2·a），最大值14 321.2 t/（km2·a）.

（a）土壤侵蝕模數(shù) Soil erosion modulus（b）土壤侵蝕強(qiáng)度 Soil erosion intensity

圖3 區(qū)間潛在土壤侵蝕模數(shù)和強(qiáng)度空間分布

Fig.3 Spatial distribution of potential soil erosion modulus and intensity in the HeLong region

從表4可以看出，區(qū)間潛在土壤侵蝕面積為60 242.7 km2，占區(qū)間總面積的50.45%.各強(qiáng)度等級中，強(qiáng)烈侵蝕面積最大，占區(qū)間總面積的18.61%；其次為輕度侵蝕，占15.23%.區(qū)間各省份中，陜西省潛在土壤侵蝕面積最大，為51 477.1 km2，且占區(qū)間內(nèi)對應(yīng)行政區(qū)域面積比例最大，為84.48%.山西省潛在土壤侵蝕強(qiáng)度等級中強(qiáng)烈侵蝕面積最大，為6 659.2 km2，占區(qū)間內(nèi)山西省總面積的17.71%，內(nèi)蒙古自治區(qū)輕度侵蝕面積最大，占總面積的19.04%，陜西省強(qiáng)烈侵蝕面積最大，占總面積的23.92%.

4 結(jié)論

（1）2011年區(qū)間降雨侵蝕力因子值為607.97 MJ·mm/（hm2·h），土壤可蝕性因子值為0.041 8 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm），坡度坡長因子最大值為83.13，植被覆蓋與生物措施因子值為0.347 5.空間上，降雨侵蝕力因子和坡度坡長因子的分布與潛在土壤侵蝕的分布呈一定的相反趨勢，土壤可蝕性因子和植被覆蓋與生物措施因子則表現(xiàn)出一致性.

（2）區(qū)間年均潛在土壤侵蝕模數(shù)為2 600.1 t/（hm2·a），各省份中，陜西省潛在土壤侵蝕模數(shù)最大，為3 024.1 t/（km2·a），內(nèi)蒙古自治區(qū)最小.區(qū)間潛在土壤侵蝕面積60 242.7 km2，占區(qū)間總面積的50.45%.各強(qiáng)度等級中，強(qiáng)烈侵蝕面積最大，占區(qū)間總面積的18.61%.各省份中，陜西省潛在土壤侵蝕面積最大，為51 477.1 km2，占總面積的84.48%.區(qū)間和各省份潛在土壤侵蝕強(qiáng)度以強(qiáng)烈侵蝕為主，造成的水土流失較為嚴(yán)重.各省份中，陜西省應(yīng)是該區(qū)水土流失治理的重點區(qū).

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（編輯王健）