基于優(yōu)化水蝕模型的生態(tài)脆弱區(qū)土壤保持功能評估

蔣奇宏，余景樂，蔣洪琛，姜 茜，許桓瑞

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

根據(jù)全球年度水土流失統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一。在1950年代初，我國土壤水蝕面積達(dá)150萬km2，到1990年代末，全國水土流失總面積高達(dá)356萬km2，占國土總面積的37.1%。水土流失主要分為兩種形式：水蝕和風(fēng)蝕。其中，土壤水蝕是指由于水土流失造成的大量養(yǎng)分遷移、水土資源流失、泥沙淤積和水體污染等不良后果。由此可以看出，水土流失危害嚴(yán)重，成因復(fù)雜。

1 研究區(qū)域概況

黃土高原位于中國西北部，是世界上最大的黃土堆積區(qū)，以該區(qū)域為研究區(qū)域。黃土高原的水土流失形式極為復(fù)雜，存在多種類型的侵蝕，主要包括兩點：一是黃土高原水土流失面積廣、強度高，年均水蝕面積達(dá)到14.65×104 km2，占全國同等面積的38.8%，其中嚴(yán)重水蝕面積為3.67×104 km2，占全國同等面積的89%；二是黃土高原水土流失速度快，且黃土高原表面土層每流失1 cm，在自然條件下恢復(fù)，至少要100～400年。黃河中游全區(qū)年均沖刷量約為3.7萬t/ km2，僅黃河攜帶的底泥中的氮、磷、鉀總量每年就超過4200 t。因此，水土流失不僅降低了土壤肥力，侵蝕耕地，還削弱了水土保持對水資源的影響，極易引發(fā)其他自然災(zāi)害。

2 研究方案及模型構(gòu)建

CSLE總公式

R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；A為坡面多年平均年土壤流失量，t/hm2·a-1；K為土壤可蝕性因子，t·h·MJ-1·mm-1；L[1]為坡長，m；S為坡度，B、E、T為水土保持措施因子，無量綱[2]。

（1）R（降雨侵蝕力）因子

Ri為第i個半月降雨侵蝕，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；k為該半月內(nèi)降雨的天數(shù)，Pj是半月內(nèi)第j天的日降雨量（≥12 mm），否則以0計算，mm；α和γ是模型的兩個待定參數(shù)。Pd12表示日降雨量≥12 mm的日平均雨量，mm；Py12表示日降雨量≥12 mm的年平均雨量，mm。

年平均降雨量：指某地多年降雨量總和除以年數(shù)得到的均值，或某地多個觀測點測得的年降雨量均值[3]。

日平均雨量：表示24 h內(nèi)降雨總量。

降雨超過60 min：

降雨不超過60 min：

普通降雨的雨型：

短陣型降雨的雨型：

式中：e表示降雨的最大60 min雨強的動能，J/mm·m-2；R為降雨侵蝕力，J·cm/m2·h；I表示降雨強度，mm/min；Γ()為伽馬分布；A1是雨滴最終速度，為尺度參數(shù)，m·s-2；B1為形狀參數(shù)。A2是雨滴動能，J·mm-1·m-2；B2無特殊實際意義。a是代表參數(shù)，r、p為常數(shù)；n是與雨型、降雨強度有關(guān)的參數(shù)。r常數(shù)取值為1.30；p常數(shù)的取值是0.232；b常數(shù)取值為0.60；c常數(shù)取值為3.79[4]。

（2）K因子

式中：SN=1-SAN/100；SAN為砂粒（0.05～2 mm）含量，%；SIL為粉砂（0.002～0.05 mm），含量%；CLA為黏粒質(zhì)量（＜0.002 mm），含量%；C為有機碳含量，%；K值，t·h·MJ-1·mm-1[5]。

（3）因子

式中：L是坡長因子，m；H代表海拔標(biāo)準(zhǔn)差，是對地面高程離散化程度的直接描述，m。其中，海拔高程差可以通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)直接獲取[6-8]。

（4）坡度因子

式中：θ是坡度[9]。

（5）B因子

計算總公式：

茶園和灌木林地：

果園，其他園地：

草地：

FVC：黃土高原植被覆蓋度動態(tài)變化的空間分布的區(qū)域分布；GD：是喬木林的林下蓋度，取值范圍為0～1，包括除喬木冠層以外的所有植被（灌木、草本和枯落物）構(gòu)成的林下蓋度；WR 為前面計算的第i半月降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例，取值范圍為0～1；SLR 為第i個半月原地、林地、草地的土壤流失比例，無量綱，取值范圍為0～1，同時也制作了B因子概括的表格，詳見表1[10]。

表1 生物措施B因子

（6）E因子

St、Sd、M分別為梯田面積、淤地壩控制面積和研究區(qū)土地總面積，單位均為km2。Z、D分別為梯田和淤地壩的減沙系數(shù)，Z=0.763，D=1，同時也制作了E因子粗略估計值的表格，詳見表2[11]。

表2 工程E因子

（7）耕作措施T因子：

在西北黃土高原區(qū)所采用的主要有3種保護性耕作措施，分別是免耕、免耕秸稈覆蓋和等高耕作，詳見表3。

表3 保護性耕作T因子

不同坡度下的耕作措施值，詳見表4。

表4 不同坡度下的T因子

3 數(shù)據(jù)來源

本項目主要需要獲取的數(shù)據(jù)為黃土高原2008～2020年的降雨量數(shù)據(jù)、黃土高原土壤砂粒含量、粉砂含量、黏粒含量、有機碳含量數(shù)據(jù)、海拔標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、黃土高原土地利用類型數(shù)據(jù)梯田淤地壩面積數(shù)據(jù)、黃土高原植被覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)清單詳見表5。

4 結(jié)果分析

以2015年數(shù)據(jù)為例，經(jīng)模型計算得出黃土高原水蝕分布和黃土高原水土保持功能評估相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。由黃土高原水蝕分布數(shù)據(jù)可以看出，黃土高原水蝕的空間分異性，與坡度，土壤，降水侵蝕等因子呈強烈的正相關(guān)，水蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域集中分布在東偏南區(qū)域坡度較大降水較為豐沛的區(qū)域，西北部的小部分區(qū)域水蝕也較為嚴(yán)重，其余大部分區(qū)域由于缺乏坡度，土壤，降水侵蝕三者的強烈影響，水蝕程度不是特別嚴(yán)重。黃土高原水土保持功能評估數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的水土保持功能重要性基本上與當(dāng)?shù)厮g強度呈正相關(guān)，即水蝕強度越大，該地水土功能評估越重要。

同時，以《國家生態(tài)保護紅線技術(shù)導(dǎo)則》為根據(jù)對黃土高原水土保持功能進(jìn)行劃區(qū)分，得到以下結(jié)論：

黃土高原水土保持功能以一般重要為主，其中水土保持功能一般重要所占地面積為62.26 km2，所占比例為95.7%；水土保持功能重要所占地面積為2.11 km2，所占比例為3.2%；水土保持功能極重要所占面積為0.66 km2，所占比例為1.2%。

表5 數(shù)據(jù)清單

5 結(jié)論

本次研究以黃土高原為研究對象，以CSLE模型為基礎(chǔ)，優(yōu)化改進(jìn)了模型參數(shù)，通過集成建模方法，以黃土高原區(qū)域水蝕情況為例，收集了大量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了模型計算和參數(shù)反演，同時，根據(jù)國家生態(tài)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制，以科學(xué)的方法和大量數(shù)據(jù)，在一定程度上為黃土高原的水土保持研究和治理方面提供了數(shù)據(jù)支撐和方法參考。