龍蓉華, 孫虎, 徐崟堯

黔西南石漠化生態(tài)脆弱區(qū)水土流失敏感性評價

龍蓉華, 孫虎*, 徐崟堯

陜西師范大學(xué), 地理科學(xué)與旅游學(xué)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(biāo)并建立評價標(biāo)準(zhǔn), 基于GIS和敏感性評價模型對水土流失敏感性進(jìn)行多指標(biāo)及單指標(biāo)分析評價, 并計算各土壤類型的可蝕性值以加強(qiáng)評價結(jié)果的科學(xué)性。結(jié)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(qū)域占州面積的83.4%, 水土流失程度嚴(yán)重; 總體呈現(xiàn)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(biāo)對水土流失敏感性的相關(guān)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(jié)果旨在為黔西南州水土流失防治和進(jìn)一步減緩及防治石漠化提供一定科學(xué)依據(jù)。

黔西南; 水土流失; 敏感性; 空間分布

0 前言

水土流失是當(dāng)今全球面臨的危害最大、影響最廣的環(huán)境問題之一, 屬緩變性的自然災(zāi)害[1], 會導(dǎo)致土壤養(yǎng)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(tài)勢, 對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生明顯的脅迫作用。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分[3], 遭破壞后短期難以恢復(fù)。國外對土壤侵蝕研究主要運(yùn)用基于Wischmeier 提出的通用土壤流失方程(USLE)進(jìn)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(qū)環(huán)境的水土流失情況進(jìn)行評價[5]; Prasannakumar等人基于RUSLE方程, 運(yùn)用RS和GIS對印度Siruvan流域的水土流失進(jìn)行定量評價[6]; 國內(nèi)研究主要借鑒和引進(jìn)國外成熟的理論和技術(shù), 并根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況選取評價指標(biāo), 凡非得根據(jù)我國西南巖溶區(qū)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(biāo), 運(yùn)用GIS進(jìn)行水土流失敏感性評價[7]; 謝剛依據(jù)RUSLE模型研究水土流失敏感性并結(jié)合巖溶地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險評價進(jìn)行分析[3]。水土流失敏感性能夠反映地區(qū)水土流失過程發(fā)生的潛在可能性及其程度[8], 利用敏感性評價模型結(jié)合自然因素與人為因素對區(qū)域的水土流失敏感性進(jìn)行分級綜合評價, 能夠識別易發(fā)生水土流失的區(qū)域[9]。盡管水土流失敏感性的尚未有普適性的模型, 但根據(jù)研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)選取指標(biāo)來對其進(jìn)行評價是眾多學(xué)者采取的方法[10]。

貴州省位于我國西南巖溶區(qū), 屬云貴高原水土流失區(qū)[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(yán)重并顯示出高度的空間異質(zhì)性[12]。土壤層厚度薄, 在相同侵蝕強(qiáng)度下, 水土流失的危害較其他地區(qū)嚴(yán)重[13], 是我國第二大水土流失嚴(yán)重區(qū)[14]。在喀斯特山區(qū)水土流失的極致是石漠化的發(fā)生[15]。黔西南州作為全省水土流失嚴(yán)重區(qū)[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(dǎo)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(qū)單位[18], 研究區(qū)涉及范圍與內(nèi)容未能對黔西南州的水土流失情況進(jìn)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(jù)黔西南州生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)選取評價指標(biāo), 建立水土流失敏感綜合評價標(biāo)準(zhǔn), 揭示黔西南州不同等級水土流失敏感性空間分布規(guī)律, 旨在為黔西南州水土流失防治工作, 生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黔西南布依族苗族自治州地處我國西南巖溶區(qū), 地勢呈西高東低, 北高南低, 具有地形起伏大、地貌復(fù)雜、基巖裸露率高、暴雨頻繁等特點(diǎn)[19], 易發(fā)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(fēng)濕潤氣候區(qū), 據(jù)州內(nèi)7各站點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 近30年來年均降雨量高達(dá)2557.9 mm, 年均溫13.8—19.4 ℃。, 州境內(nèi)河流均屬珠江流域, 南盤江、北盤江、紅水河是州內(nèi)三條較大的江河, 河網(wǎng)較密集, 大小河流共有100多條[17]。黔西南州處珠江流域的強(qiáng)烈土壤流失區(qū)[20], 劇烈的水土流失情況加重生態(tài)環(huán)境的惡化。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

DEM用于提取研究區(qū)地形起伏度, 數(shù)據(jù)來源于國家地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站; 土壤可蝕性K值計算采用HWSD土壤數(shù)據(jù)庫表層的沙粒、粉粒和粘粒及有機(jī)質(zhì)含量, 日降雨數(shù)據(jù)用于降雨侵蝕力計算, 數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng); 區(qū)劃圖、植被類型及土壤類型數(shù)據(jù)均來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。以上數(shù)據(jù)投影統(tǒng)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(jìn)行。

2.2 研究方法

2.2.1 評價因子選擇

參考國務(wù)院和環(huán)?？偩?002年聯(lián)合發(fā)布的《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》和水利部2008年發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(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(biāo)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(yīng)的土壤類型中, 土壤可蝕性值越大, 土壤抗蝕能力越弱, 發(fā)生水土流失的可能性則越高[21]。參照《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)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(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 水土流失敏感性綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 評價因子計算方法

(1)降雨侵蝕力降雨是導(dǎo)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(qiáng)度的綜合關(guān)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(jìn)適用于中國南方的值經(jīng)驗(yàn)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(qū)不同年份、季節(jié)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(guān)[23], 故運(yùn)用公式(2)求取近30年均降雨侵蝕力。運(yùn)用Kriging插值并依據(jù)表1對插值結(jié)果進(jìn)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(qū)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(guān)[25]。但在大尺度的研究區(qū)中, 坡度坡長并不能作為有效的地形因子, 只具備數(shù)學(xué)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(qū)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(shù)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(shù)字高程模型Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)分別焦點(diǎn)統(tǒng)計出高程最大值和最小值, 做差值運(yùn)算后獲取黔西南州地形起伏度, 并將數(shù)據(jù)重采樣為30×30。依據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)(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(fā)生的主體, 土壤自身的可蝕性是水土流失發(fā)生的內(nèi)在因素。研究以土壤類型圖為基礎(chǔ), 將土壤侵蝕力K值賦至相應(yīng)的土壤類型上, 裁剪后重采樣為30×30的柵格數(shù)據(jù)。依據(jù)表1對土壤數(shù)據(jù)進(jìn)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(qū)會發(fā)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(jié)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(shí)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(shù)據(jù)重采樣為30×30后, 根據(jù)表1的分級標(biāo)準(zhǔn)繪制植被類型敏感性等級分布圖。

第二種觀點(diǎn)認(rèn)為我國正處于跨越中等收入陷阱的中間區(qū)域。有學(xué)者提出在2010年中國進(jìn)入中等收入國家后，出現(xiàn)了幾個非常值得關(guān)注的現(xiàn)象：一是我國經(jīng)濟(jì)增速呈現(xiàn)出放緩的態(tài)勢；二是我國同其他眾多發(fā)展中國家相比，制造業(yè)的成本優(yōu)勢不復(fù)存在，且由于勞動力價格的上升，比較優(yōu)勢在下降；三是與發(fā)達(dá)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(xiàn)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(xiàn)狀的存在，表明了中國正處于跨越中等收入陷阱的中間區(qū)域。以國家發(fā)改委宏觀經(jīng)濟(jì)研究院原院長馬曉河為代表的學(xué)者持有這種觀點(diǎn)。

2.2.3 綜合評價模型

單一評價因子無法準(zhǔn)確表現(xiàn)出黔西南州水土流失敏感性的分布情況, 因此結(jié)合上述4個因子, 運(yùn)用敏感性綜合評價模型[31]進(jìn)行運(yùn)算:

式中,SS為空間單元土壤侵蝕敏感性指數(shù),V為因素敏感性等級值。

3 結(jié)果與分析

3.1 綜合敏感性空間分布特征

運(yùn)用自然斷點(diǎn)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(jù)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(nèi)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(qū)基本位于輕度石漠化到重度石漠化區(qū)域[32], 基巖裸露率高, 土壤可蝕量極少?？傮w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(zhì)性強(qiáng)。

不敏感區(qū)主要分布在地形起伏度輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)——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(qū)——貞豐縣北部及晴隆縣北部; 植被類型情況較好區(qū)域——安龍縣、貞豐縣; 石漠化嚴(yán)重區(qū)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(qū)——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(qū)——望謨縣、興義市、興仁市北部以及晴隆縣北部。

中度敏感性區(qū)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(qū)——晴隆縣北部; 有輕度/中度石漠化區(qū)[32]——望謨縣西北部; 降雨侵蝕力極敏感區(qū)。

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

3.2 各評價指標(biāo)敏感性空間分布特征

黔西南州降雨充沛, 據(jù)7個觀測站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù), 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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)出降雨量大的區(qū)域, 降雨侵蝕力也普遍偏高的特征, 這與許月卿等人[23]的結(jié)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(qū)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(nèi)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(wěn)定, 容易導(dǎo)致水土流失。黔西南喀斯特區(qū)峰林等地貌廣泛分布, 有萬峰林、雙乳峰及石林等獨(dú)特旅游景點(diǎn)。州內(nèi)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(dá)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(xiàn)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(dá)97.40%?？臻g上, 高度敏感性主要分布于研究區(qū)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(dá)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(qū)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(biāo)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(diǎn): 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(guān)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(guān)性最強(qiáng)(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(jìn)而使得土壤層更薄, 長此以往形成惡性循環(huán)加劇研究區(qū)土地退化; 土壤類型對水土流失敏感性相關(guān)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(fā)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(guān)[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(qiáng), 故對水土流失敏感性的相關(guān)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(jié)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(qū)域占州面積的83.4%。水土流失敏感性大致呈現(xiàn)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(yán)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(qū)水土流失綜合敏感性的相關(guān)性最高, 相關(guān)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(guān)。

黔西南州受地質(zhì)背景影響, 石漠化程度嚴(yán)重[32], 部分區(qū)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(yùn)用原有的水土流失敏感性評價方法已無法準(zhǔn)確的反映水土流失程度, 應(yīng)加入石漠化面積、石漠化程度及土壤層厚度進(jìn)行分析, 進(jìn)一步豐富和完善評價體系, 增強(qiáng)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(guān)性系數(shù)

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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(tài)脆弱區(qū)水土流失敏感性評價[J]. 生態(tài)科學(xué), 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?yàn)樗帘３峙c環(huán)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