巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度評價(jià)方法

李依珊， 尹 斌， 謝 云?， 殷水清，劉雨鑫，章文波，殷 兵，楊 揚(yáng)，段興武

(1.北京師范大學(xué)，地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京； 2.珠江流域水土保持監(jiān)測中心站，510611，廣州；3.江西省煤田地質(zhì)局測繪大隊(duì)，330001，南昌； 4.云南大學(xué)自然科學(xué)研究院，650091，昆明)

石漠化是巖溶區(qū)水土流失、生態(tài)惡化的極端表現(xiàn)形式。我國西南地區(qū)降雨豐沛，是喀斯特地貌廣為分布的地區(qū)。近年來，由于人類不合理的社會(huì)活動(dòng)，造成植被破壞、土壤侵蝕、巖石逐漸裸露、土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失等嚴(yán)重的石漠化問題[1-2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對水土流失和石漠化進(jìn)行研究，包括石漠化地區(qū)的水土流失監(jiān)測[3]、石漠化分布特征[4]、石漠化成因機(jī)制[5-7]以及石漠化地區(qū)水土保持措施[8]等，然而關(guān)于石漠化地區(qū)土壤侵蝕綜合評價(jià)方面的研究較為欠缺。為此，本文在典型巖溶地區(qū)，抽樣選取典型小流域進(jìn)行野外考察，收集土壤侵蝕因子的相關(guān)信息，對比分析不同土壤侵蝕評價(jià)方法的差異，為巖溶區(qū)水土流失治理和評價(jià)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西南巖溶地區(qū)是珠江的源頭、長江的重要補(bǔ)給區(qū)，水土保持的地理位置至關(guān)重要。本研究區(qū)為位于珠江南北盤江重點(diǎn)治理區(qū)范圍內(nèi)的貴州省關(guān)嶺縣和云南省羅平縣，以及位于紅河上中游治理區(qū)范圍內(nèi)的云南省峨山縣(圖1)。3縣所在巖溶區(qū)屬熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，水熱同期。明顯的干濕交替、高頻率的暴雨等氣候特征，及巖溶環(huán)境的特殊性不僅使土壤侵蝕具有易發(fā)性，也導(dǎo)致巖溶干旱和內(nèi)澇頻繁發(fā)生[9]。以富鈣、偏堿性的石灰土為主，土壤質(zhì)地偏黏重，土壤有效水分含量偏低[6]。植被生產(chǎn)力低，林地恢復(fù)速率緩慢[9]。

圖1 貴州省關(guān)嶺縣、云南省羅平縣和峨山縣位置圖Fig.1 Location map of Guanling county in Guizhou province, Luoping county and E′shan county in Yunnan province

2 材料與方法

2.1 資料收集

野外調(diào)查單元是指在野外進(jìn)行土壤侵蝕影響因子調(diào)查的空間范圍，平原區(qū)為1 km×1 km網(wǎng)格，丘陵區(qū)和山區(qū)為0.2～3 km2的小流域[10]。首先按全國1∶1萬地形圖分帶規(guī)定將3個(gè)縣劃分若干個(gè)5 km×5 km網(wǎng)格，并確定每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)經(jīng)緯度；然后根據(jù)該經(jīng)緯度計(jì)算其所在1∶1萬地形圖圖幅號。如果是平原區(qū)，直接采用1∶1萬地形圖中心的1 km×1 km網(wǎng)格；如果是山丘區(qū)，選擇與中心網(wǎng)格相連的0.2～3 km2的小流域。根據(jù)野外調(diào)查單元的布設(shè)方法，在3縣共布設(shè)58個(gè)調(diào)查單元，獲得的數(shù)據(jù)包括： 1)降雨侵蝕力因子，從全國的R[11-12]因子圖上裁剪； 2)土壤可蝕性因子，從全國的K[13-14]因子圖上裁剪； 3)基于1∶1萬地形圖提取的坡度和坡度因子； 4)單元地塊分布圖表，結(jié)合高分遙感影像資料以及野外調(diào)查獲得； 5)單元基巖裸露率，根據(jù)植被覆蓋度互補(bǔ)的方法得到，在巖溶區(qū)范圍內(nèi)，林地、草地和裸巖的基巖裸露率為1減去蓋度，其他均為0；在非巖溶區(qū)范圍內(nèi)，基巖裸露率記為0。

統(tǒng)計(jì)得到3縣的總面積為6 416.49 km2，其中巖溶區(qū)面積為4 032.70 km2，占63.49%。44個(gè)單元位于巖溶區(qū)，占75.86%。旱地、有林地、灌木林地和草地分別占28.70%、28.24%、17.43%和14.04%(表1)。選擇這44個(gè)單元為本研究分析對象。

表1 巖溶區(qū)面積及其比例Tab.1 Area and percentage of karst regions

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度評價(jià)

分別采用因子綜合判別和土壤侵蝕模型2種方法，以及 SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》和SL461—2009《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》這2種標(biāo)準(zhǔn)[15-16]進(jìn)行評價(jià)。4種組合如下。1)全國模型法：用中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)計(jì)算野外調(diào)查單元土壤侵蝕模數(shù)[17]，采用SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》判斷土壤侵蝕強(qiáng)度(表2)；2)全國三因子法：基于土地利用、林草覆蓋度和坡度的級別，采用SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》中的面蝕分級指標(biāo)表判斷土壤侵蝕強(qiáng)度(表3)；3)巖溶區(qū)模型法：采用CSLE計(jì)算野外調(diào)查單元土壤侵蝕模數(shù)，采用SL461—2009《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》判斷土壤侵蝕強(qiáng)度(表2)；4)巖溶區(qū)四因子法：在土地利用、植被覆蓋度和坡度的基礎(chǔ)上，針對巖溶區(qū)的特殊情況，增加基巖裸露率，采用SL461—2009《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》判斷土壤侵蝕強(qiáng)度(表4)。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)表Tab.2 Ranking standard of soil erosion intensity t/(km2·a)

表3 SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》中的面蝕分級指標(biāo)表Tab.3 Sheet erosion gradation index in the SL190- 2007 Classification and Gradation Standard of Soil Erosion

表4 SL461—2009《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》判別指標(biāo)Tab.4 Discriminant index in the SL461- 2009 Techniques Standard for Comprehensive Control of Soil Erosion and Water Loss in Karst Regions

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失面積對比

由表5可知，全國三因子法得到的所有單元水蝕比例均值(72.40%)明顯大于全國模型法得到的比例(35.98%)。巖溶區(qū)模型法得到的水蝕比例(70.11%)與巖溶區(qū)四因子法得到的水蝕比例(69.31%)比較接近。對4種方法得到的水蝕比例均值進(jìn)行t檢驗(yàn)，置信度水平取95%，結(jié)果表明，全國模型法和全國三因子法的均值有顯著差異，但是巖溶區(qū)模型法和巖溶區(qū)四因子法無顯著差異，全國三因子法和巖溶區(qū)四因子法的均值也無顯著差異。

表5 4種方法得到的不同侵蝕強(qiáng)度下的水土流失面積情況Tab.5 Area of soil and water loss by two methods and two classification standards in different soil erosion intensity

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度對比

由表5和圖2可知：各種方法得到的土壤侵蝕強(qiáng)度分級存在一定差別；全國模型法和巖溶區(qū)四因子法均以輕度侵蝕為主，然后依次為中度，強(qiáng)烈，極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕；全國三因子法以中度侵蝕為主；巖溶區(qū)模型法以輕度和中度侵蝕為主，二者占比相差不大。

圖2 4種方法得到的土壤侵蝕強(qiáng)度對比圖Fig.2 Comparison diagram of soil erosion intensity by four methods

3.3 不同土地利用類型侵蝕強(qiáng)度對比

圖3 不同土地利用下的侵蝕強(qiáng)度占調(diào)查單元面積比例分布圖Fig.3 Graphs of the area proportion of different soil erosion intensity in different land use

4種方法不同土地利用類型(旱地、有林地、灌木林地和草地)在不同的侵蝕強(qiáng)度所占面積比例如圖3所示，結(jié)果表明：4種方法中，均以旱地所占水蝕比例最大，旱地水蝕面積占調(diào)查單元總侵蝕面積的比例分別為39.77%，34.39%，30.55%和41.34%。差別在于全國模型法和巖溶區(qū)四因子法水蝕面積中，林草地水蝕比例相對較低，且以輕度和中度為主；全國三因子法和巖溶區(qū)模型法水蝕面積中，林草地水蝕比例相對較高，且中度及中度以上水蝕比例占比較高，不太合理。全國模型法所用侵蝕量標(biāo)準(zhǔn)較高，導(dǎo)致水蝕面積較其余3種方法偏低，同時(shí)以輕度侵蝕為主，且林草地侵蝕比例較低；巖溶區(qū)四因子法由于考慮了基巖裸露率的影響，導(dǎo)致林草地侵蝕比例下降，侵蝕強(qiáng)度減輕。

4 結(jié)論與討論

基于巖溶區(qū)44個(gè)野外調(diào)查單元土壤侵蝕影響因子的相關(guān)信息，分析模型法和因子法在土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)——SL190—2007和SL461—2009標(biāo)準(zhǔn)下的差異，得出的結(jié)論有：1)4種方法得到的水蝕比例均值，全國模型法較低(38.98%)，全國三因子法(72.4%)、巖溶區(qū)模型法(70.11%)和巖溶區(qū)四因子法(69.31%)的水蝕比例均值相差不大。2)輕度及以上級別侵蝕強(qiáng)度對比得出，全國模型法和巖溶區(qū)四因子法均以輕度侵蝕為主，然后依次為中度，強(qiáng)烈，極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕；全國三因子法以中度侵蝕為主，巖溶區(qū)模型法中輕度和中度侵蝕比例相差不大。3)4種方法均以旱地所占水蝕比例最大，差別在于全國模型法和巖溶區(qū)四因子法中林草地水蝕比例相對較低，且以輕度和中度為主。全國三因子法和巖溶區(qū)模型法中林草地水蝕比例相對較高，且中度及中度以上水蝕比例相對較高。

由上述結(jié)論，提出以下幾點(diǎn)思考：首先，巖溶區(qū)由于石漠化問題的存在，導(dǎo)致巖溶區(qū)容許土壤侵蝕模數(shù)偏低，在巖溶區(qū)使用巖溶區(qū)標(biāo)準(zhǔn)是有必要的。其次，對于模型法和因子法，由于模型法考慮了影響土壤侵蝕的7個(gè)自然和人為影響因素，而因子法只考慮了3個(gè)或4個(gè)自然因素(土地利用、植被覆蓋度、坡度、基巖裸露率)的影響，必然導(dǎo)致2種方法評價(jià)結(jié)果的差異，且用模型法可以得到定量的土壤侵蝕模數(shù)，所以模型法比因子法更客觀、合理，是區(qū)域土壤侵蝕評價(jià)發(fā)展的方向。最后，巖溶區(qū)石漠化問題嚴(yán)重，基巖裸露是1個(gè)典型現(xiàn)象，在土壤侵蝕評價(jià)中，加入基巖裸露率因子，能改善模型評價(jià)的能力，四因子法和三因子法的對比結(jié)果有力證明了這一點(diǎn)。但目前的模型法對基巖裸露率反映不夠，導(dǎo)致有林地、灌木林地和草地的水蝕比例偏高，未來進(jìn)一步的研究應(yīng)該在模型中加入基巖裸露率的影響，提高模型對巖溶區(qū)林草地土壤侵蝕的模擬能力。同時(shí)如何量化基巖裸露率本身也是1個(gè)值得研究的問題。本研究中采用了簡單的植被蓋度互補(bǔ)的方法確定基巖裸露率，建議未來在野外調(diào)查中加入對基巖裸露率的調(diào)查，提高基巖裸露率信息的精度。

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