青海湖流域土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)

趙明月，趙文武，安藝明，靳婷

(地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京師范大學(xué))，北京師范大學(xué)資源學(xué)院，100875，北京)

青海湖流域是青海省牧區(qū)自然水熱條件最好的地區(qū)，是青藏高原東北部的特殊生態(tài)功能區(qū)，對(duì)區(qū)域氣候有著重要的影響;但由于區(qū)域及全球氣候變化和人類不合理利用，造成流域內(nèi)湖泊萎縮、草地退化、植被破壞、土地沙漠化和生物多樣性減少等一系列突出的生態(tài)和環(huán)境問題。近幾十年來，由于氣候暖干化、青海湖水量減少、人口增長等，導(dǎo)致青海湖流域的草場退化，土壤侵蝕加?。?］。面對(duì)日益嚴(yán)峻的土壤侵蝕狀況，對(duì)青海湖流域進(jìn)行土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)目前已經(jīng)顯得較為重要。近年來，研究者們針對(duì)土壤侵蝕及其預(yù)報(bào)和防治有很多研究［2－4］，對(duì)不同地區(qū)的土壤侵蝕敏感性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［5－10］，主要探討了土壤侵蝕敏感性的影響因素及其在區(qū)域內(nèi)的空間分布規(guī)律及其區(qū)劃研究。筆者以青海湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，選擇降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤質(zhì)地、植被類型為評(píng)價(jià)因子，對(duì)流域內(nèi)土壤侵蝕敏感性進(jìn)行研究和分析，探討流域土壤侵蝕敏感性的區(qū)域分布特征，為流域生態(tài)環(huán)境治理提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

青海湖(E 99°36'～100°47'，N 36°32'～37°15')是我國最大的內(nèi)陸湖泊，位于青藏高原東北隅，海拔3 194 m。青海湖流域地處E 97°50'～101°20'，N 36°15'～38°20'，是一個(gè)四周群山環(huán)繞的封閉式內(nèi)陸盆地，南傍青海南山，北依大通山，東靠日月山，西鄰阿木尼尼庫山，海拔3 194 ～5 174 m，總面積2 萬9 661.18 km2。地勢西北高，東南低，形成三級(jí)夷平面(4 200 ～4 600 m，3 800 ～4 000 m，3 500 ～3 600 m)［11］。

青海湖流域處于我國東部季風(fēng)區(qū)、西北部干旱區(qū)和西南部高寒區(qū)的交匯地帶，屬高原大陸性氣候;年平均氣溫－3.4 ～6.3 ℃，年降水量為200 ～445 mm，年日照時(shí)間為2 430 ～3 330 h，年蒸發(fā)量為1 300 ～2 400 mm;多風(fēng)沙天氣，年平均風(fēng)速3.2 ～4.4 m/s，大風(fēng)時(shí)間10.8 ～13.2 d，沙塵時(shí)間10.8 ～13.2 d。其主要植被類型為高寒草甸、高寒草原、高寒泥石流植被、沙生植被、鹽生植被和沼澤草甸等。土壤類型有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、灰褐土、黑鈣土、栗鈣土、沼澤土和風(fēng)沙土等［1］。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

根據(jù)《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》［12］，結(jié)合青海湖流域土壤侵蝕現(xiàn)狀及其特征，研究中選擇降雨侵蝕力、地形起伏度、土壤質(zhì)地、植被類型作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以ArcGIS 軟件作為技術(shù)平臺(tái)，進(jìn)行青海湖流域土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)。土壤侵蝕敏感性指數(shù)計(jì)算采用《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》中的計(jì)算方法。

式中:Sj為空間單元j 土壤侵蝕敏感性指數(shù);Ci為因素i 敏感性等級(jí)值(i 分別為降雨侵蝕力敏感值、地形起伏度敏感值、土壤質(zhì)地敏感值和植被類型敏感值)。其中，各級(jí)的分類賦值以及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力因子是一項(xiàng)評(píng)價(jià)降雨引起的土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo)，反映了降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力。在本研究中，降雨侵蝕力因子的評(píng)價(jià)分解為3 個(gè)步驟。

2.1.1 流域年均降雨量的空間插值 根據(jù)青海流域及其毗鄰區(qū)域雨量站點(diǎn)多年平均降雨量數(shù)據(jù)①數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。，在ArcGIS 中用Kriging 空間插值得到流域多年平均降雨量分布。

2.1.2 年降雨量和年降雨侵蝕力關(guān)系的模型擬合

基于《青海省水文年鑒》［13］中青海湖流域雨量站點(diǎn)的2006—2008 年的逐次降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)《第一次全國水利普查水土流失普查細(xì)則》［14］中的相關(guān)公式(式(2)～(5))，計(jì)算各雨量站點(diǎn)的年降雨侵蝕力，擬合年降雨量和年降雨侵蝕力的關(guān)系模型。

半月降雨侵蝕力

式中:R半月j為第j 半月降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h);Pd為第d 日≥12 mm 的日降雨量;d=1，2，…，m，是日降雨量≥12 mm 的時(shí)間，d;α，β 為回歸系數(shù);Pd10為≥12 mm 日降雨量平均值，mm;Py10為≥12 mm 的日降雨量的年總量，mm。

年降雨侵蝕力

式中R 為年降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)。

2.1.3 青海湖流域降雨侵蝕力估算與分級(jí)賦值在ArcGIS 中根據(jù)年降雨量和年降雨侵蝕力二者之間的關(guān)系函數(shù)對(duì)降雨量空間分布圖進(jìn)行柵格計(jì)算，得到流域的年降雨侵蝕力空間分布圖。結(jié)合《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》［12］中年降雨侵蝕力對(duì)土壤侵蝕敏感程度的分級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)(表1)，即降雨侵蝕力敏感值，得到流域內(nèi)降雨侵蝕力分值圖。

2.2 地形起伏度因子

地形因子對(duì)土壤侵蝕的影響可通過坡度與坡長的乘積進(jìn)行量化。對(duì)于大尺度的分析來說，坡度坡長因子難以準(zhǔn)確計(jì)算，因此采用地形起伏度這一指標(biāo)來評(píng)價(jià)地形因子對(duì)土壤侵蝕的敏感性。該研究基于DEM 數(shù)據(jù)(分辨率25 m，數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái))，在ArcGIS 的空間分析模塊支持下，以500 m×500 m 為基本單元提取地形起伏度，根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新分類，從而生成地形起伏度對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響分布圖。根據(jù)地形起伏對(duì)土壤侵蝕敏感程度進(jìn)行分級(jí)賦值(表1)，即地形起伏敏感值，進(jìn)而得到流域內(nèi)地形起伏分值圖。

2.3 土壤質(zhì)地因子

《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》［12］規(guī)定，土壤質(zhì)地對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響分為5 級(jí)(表1)。本研究以青海省1∶100 萬土壤圖為基礎(chǔ)底圖，對(duì)青海流域內(nèi)的土壤類型進(jìn)行數(shù)字化，得到青海湖流域土壤類型圖。結(jié)合《青海土壤》［15］《青海土種志》［16］，按土壤質(zhì)地進(jìn)行分類，得到青海湖流域土壤質(zhì)地分布圖，根據(jù)土壤質(zhì)地對(duì)土壤侵蝕敏感程度進(jìn)行分級(jí)賦值(表1)，即土壤質(zhì)地敏感值，進(jìn)而得到流域內(nèi)土壤質(zhì)地分值圖。

2.4 植被類型因子

植被是影響土壤侵蝕最敏感的因素之一，主要是因?yàn)橹脖粚?duì)降雨能量的削減作用、保水作用和抗侵蝕作用。本研究中根據(jù)《中國植被圖(1 ∶100萬)》［17］得到青海湖流域植被類型圖，再根據(jù)《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》［12］中規(guī)定的植被類型對(duì)土壤侵蝕敏感程度進(jìn)行分級(jí)賦值(表1)，即植被類型敏感值，進(jìn)而得到流域內(nèi)植被類型分值圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨侵蝕力分析

根據(jù)青海省雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)，在ArcGIS 中用Kriging 插值得到流域的降雨量空間分布圖(圖1)，可以看出，青海湖流域降雨量呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸降低的趨勢。

圖1 青海湖流域降雨量空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of rainfall in Qinghai Lake Basin

根據(jù)《青海省水文年鑒》［13］逐次降雨過程數(shù)據(jù)和式(1)～(5)，可以得到青海湖流域各雨量站點(diǎn)的逐年降雨侵蝕力，詳見表2。根據(jù)青海湖流域各雨量站點(diǎn)的年降雨侵蝕力與降雨量，擬合二者之間的關(guān)系模型為

式中x 為年降雨量，mm。

表2 青海湖流域各雨量站點(diǎn)的降雨侵蝕力Tab.2 Rainfall erosivity at rainfall observation stations in Qinghai Lake Basin MJ·mm/(hm2·h·a)

根據(jù)式(6)和流域降雨量空間分布圖，通過GIS柵格計(jì)算，得到流域降雨侵蝕力空間分布圖(圖2)，在此基礎(chǔ)上，采用表1 中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行分級(jí)賦值。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤侵蝕對(duì)降雨的敏感性以中度和高度敏感為主，中度敏感占到94.01%(表3)。在空間分布上，研究區(qū)大部分對(duì)降雨侵蝕力的敏感性為中度敏感，東部局部地區(qū)高度敏感;這主要是因?yàn)闁|部的降雨量較高，對(duì)土壤的侵蝕作用亦比較明顯。

圖2 青海湖流域降雨侵蝕力分值圖Fig.2 Scores figure of rainfall erosivity distribution in Qinghai Lake Basin

表3 降雨侵蝕力因子對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Evaluation results of effect of rainfall erosivity on sensitivity of soil erosion

3.2 地形起伏度分析

通過對(duì)地形起伏度因子的分析，得到青海湖流域土壤侵蝕對(duì)地形起伏度的敏感程度。由表4 和圖3 可以看出，研究區(qū)地形對(duì)土壤侵蝕的敏感性較大，以中度敏感和高度敏感為主，所占比例分別為22.16%和32.01%。在空間分布上，極敏感區(qū)域主要分布在西北部山地，而環(huán)湖地區(qū)敏感性為不敏感和輕度敏感。這主要是由于流域內(nèi)西北部多山地，地形起伏大，而環(huán)湖地區(qū)地勢相對(duì)平坦。

表4 地形起伏度對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation results of effect of terrain roughness on sensitivity of soil erosion

圖3 青海湖流域地形起伏度分值圖Fig.3 Scores figure of terrain roughness in Qinghai Lake Basin

3.3 土壤質(zhì)地分析

通過對(duì)土壤質(zhì)地的分析，得到青海湖流域土壤侵蝕對(duì)土壤質(zhì)地的敏感程度(表5 和圖4)。研究區(qū)內(nèi)的土壤以壤土和砂壤土為主，所以對(duì)土壤可蝕性的敏感度較高。土壤質(zhì)地對(duì)土壤侵蝕敏感性以中度敏感為主，主要分布在環(huán)湖地區(qū)以及流域中部，所占比例為40.46%。西北部山區(qū)以及青海湖南部處于高度敏感區(qū)，該區(qū)域內(nèi)主要的土壤類型為砂壤土、粉黏土和壤黏土。環(huán)湖局部地區(qū)為輕度敏感或不敏感，其主要土壤類型為粗砂土、細(xì)砂土和黏土。

表5 土壤質(zhì)地對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Evaluation results of effect of soil texture types on sensitivity of soil erosion

3.4 植被類型分析

通過對(duì)植被類型的分析，得到青海湖流域土壤侵蝕對(duì)植被類型的敏感程度。由表6 和圖5 可以看出:研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕對(duì)植被類型的敏感性以不敏感為主，占到流域面積的71.66%;西北部山區(qū)和環(huán)湖地區(qū)間或分布有輕度敏感區(qū)，所占比例為9.02%;環(huán)湖地區(qū)大部處于中度敏感區(qū)，局部高度敏感，高度敏感性區(qū)域只占到3.68%。這主要是因?yàn)榍嗪：饔蛑脖桓采w率較高，草本、草甸分布較廣，從而對(duì)土壤侵蝕敏感性較低。

圖4 青海湖流域土壤質(zhì)地分值圖Fig.4 Scores figure of soil texture types in Qinghai Lake Basin

表6 植被類型對(duì)土壤侵蝕敏感性的影響評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Evaluation results of effect of vegetation types on sensitivity of soil erosion

3.5 土壤侵蝕敏感性分析

上述各單因子對(duì)土壤侵蝕敏感性的評(píng)價(jià)，只反映了某一因子的作用程度。由于各影響因子對(duì)土壤侵蝕的作用不同，運(yùn)用GIS 空間疊加分析功能和幾何平均數(shù)法計(jì)算土壤侵蝕敏感性綜合指數(shù)來綜合反映土壤侵蝕敏感性的區(qū)域差異，計(jì)算公式為(1)，計(jì)算結(jié)果見圖6，土壤侵蝕敏感性不同等級(jí)及其在各縣的分布情況見表7。

圖5 青海湖流域植被類型分值圖Fig.5 Scores figure vegetation type in Qinghai Lake Basin

圖6 青海湖流域土壤侵蝕敏感分級(jí)圖Fig.6 Classification map of sensitivity of soil erosion in Qinghai Lake Basin

表7 青海湖流域土壤侵蝕敏感程度分布情況Tab.7 Distribution of soil erosion sensitive areas in different counties

由表7 和圖6 可以看出:青海湖流域內(nèi)大部分地區(qū)為中度敏感區(qū)，其面積為8 396.17 km2，占流域總面積的62.02%;輕度敏感區(qū)域面積相對(duì)較少，其面積為5 018.25 km2，占流域總面積的16.92%。高度敏感和極敏感區(qū)域以塊狀形式分布在流域內(nèi)，其面積分別為6 176.90 km2和69.86 km2，主要分布在環(huán)湖地區(qū)的天峻縣西北部和海晏縣東部。該區(qū)植物稀疏、人口較多，過度放牧和不合理的開墾時(shí)有發(fā)生，從而導(dǎo)致土壤可蝕性高，土壤侵蝕程度加重。對(duì)于各個(gè)縣而言，青海湖流域內(nèi)4 個(gè)縣的土壤侵蝕敏感性區(qū)域分布相差較大。共和縣和海晏縣的輕度敏感區(qū)分布較廣，分別占本縣面積的40.98%和41.92%;中度敏感區(qū)域面積較大，其中剛察縣的中度敏感區(qū)面積達(dá)到62.73%;高敏感區(qū)域在各縣所占面積比分布較均勻，幅度為所占比例為18.16%～26.94%;極敏感區(qū)域全部分布在天峻縣，面積較小，為69.87 km2，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域土壤起伏度較大，易受侵蝕，地表為裸露石山，故土壤極易受侵蝕影響。

4 結(jié)論與討論

青海湖流域總體土壤侵蝕敏感程度較高，主要以中度和高度敏感性為主。其中，中度及中度以上敏感類型的面積為2 萬4 642.93 km2，占83.08%。

在空間分布上，土壤侵蝕敏感性呈塊狀不連續(xù)分布，侵蝕敏感性區(qū)域相對(duì)集中，中度敏感和高度敏感區(qū)主要集中在環(huán)湖地區(qū)和西北部山區(qū)，分布特征與地貌類型關(guān)系較大。

從研究區(qū)土壤侵蝕敏感性分布來看，研究區(qū)的土壤環(huán)境及生態(tài)環(huán)境比較脆弱，而且青海湖作為我國最大的淡水湖和良好的畜牧業(yè)基地，必須采取有效的防治措施。在該區(qū)應(yīng)當(dāng)因地制宜的進(jìn)行畜牧業(yè)生產(chǎn)，禁止過度放牧，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有植被和水域的保護(hù)，同時(shí)采取有效的措施進(jìn)行水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

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