共和盆地塔拉灘土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

郭麗霞，沙占江，3，陶炳德，郭麗紅，張 娟

（1．青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，西寧810008；2．青藏高原環(huán)境與資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008；3．中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所，西寧810008；4．江西省基礎(chǔ)地理信息中心，南昌330000；5．青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海 格爾木816000）

土壤侵蝕是當(dāng)今人類(lèi)面臨的一種最普遍、持續(xù)性最強(qiáng)的生態(tài)地質(zhì)災(zāi)害，已經(jīng)成為中國(guó)乃至全球的重大環(huán)境問(wèn)題之一［1］。目前，土壤侵蝕的研究大多集中在土壤侵蝕量的確定上，土壤侵蝕量雖反映了區(qū)域土壤的流失量，但無(wú)法反映侵蝕區(qū)土壤侵蝕的危險(xiǎn)程度。部分地區(qū)的土壤侵蝕量雖然不大，但土壤侵蝕造成的后果遠(yuǎn)大于那些土壤侵蝕量嚴(yán)重的地區(qū)。研究土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度有利于分析研究區(qū)的土壤侵蝕演化機(jī)制，并對(duì)該區(qū)域的土壤侵蝕趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，便于采取防治措施［2］。土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度的計(jì)算方法主要有兩種：一是用土壤抗侵蝕年限表征，即受侵蝕土壤扣除臨界土層的有效土層厚度與年平均侵蝕深度的比值，計(jì)算該土壤表層所能承受的侵蝕年限；另一種可通過(guò)主要侵蝕因子權(quán)重評(píng)分法進(jìn)行潛在危險(xiǎn)度的分級(jí)。比較而言，前者較為簡(jiǎn)單、直觀，可信度高；后者則比較復(fù)雜，需考慮的因素較多，可操作性差，且主觀任意性較大［3］。因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多采用第一種方法計(jì)算抗侵蝕年限來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度。如郭志民和陳志偉［4］研究了福建省的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性，孫希華和閆業(yè)超［5］對(duì)濟(jì)南市的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)進(jìn)行了研究。位于青海省東北部的共和盆地土地沙化嚴(yán)重，盆地內(nèi)的塔拉灘是一典型的風(fēng)蝕區(qū)域，本文選取共和盆地塔拉灘為研究對(duì)象，對(duì)其土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

1 研究區(qū)概況

共和盆地地處青藏高原東北部，中間被黃河自西南向東北切割成一個(gè)外泄盆地，盆地內(nèi)的塔拉灘，位于35°45′—36°20′N(xiāo)，100°00′—101°00′E，海拔 2 600～3 300m，面積約2 750km2，年均氣溫0．86℃，年降水量280mm，蒸發(fā)量1 620mm，屬高原溫帶半干旱草原氣候。整個(gè)塔拉灘內(nèi)除了周邊山地和下切河谷外，地形平坦，略呈波狀起伏。區(qū)內(nèi)土地沙漠化普遍發(fā)生，長(zhǎng)期以來(lái)形成了流動(dòng)、半流動(dòng)、半固定、固定沙丘和大小草地并存的草原型沙漠（或沙地）。地表植被覆蓋度低，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被以短花針茅（Stipabrevifloragriseb）、異針茅（Stipaalienakeng）等草本植物為主，蓋度一般介于10%～90%之間。研究區(qū)內(nèi)干旱少雨且多風(fēng)，地表徑流少，是典型的風(fēng)蝕區(qū)域［6］。

2 土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度的計(jì)算方法

土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度是指生態(tài)系統(tǒng)失衡后出現(xiàn)的土壤侵蝕危險(xiǎn)程度［7］。土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度首先可用于評(píng)估、預(yù)測(cè)在無(wú)明顯侵蝕區(qū)出現(xiàn)侵蝕和現(xiàn)狀侵蝕區(qū)加劇侵蝕的可能性大??；其次，也可以表示侵蝕區(qū)以當(dāng)前侵蝕速率發(fā)展，該土壤層所能承受的侵蝕年限（即抗蝕年限），以評(píng)估和預(yù)測(cè)侵蝕破壞土壤和土地資源的嚴(yán)重性［8］。因此土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度的評(píng)估與預(yù)測(cè)，不僅對(duì)保護(hù)土地資源及環(huán)境系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)土地經(jīng)營(yíng)、農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)及經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要的指導(dǎo)意義［9－10］。

2．1 土壤侵蝕量的估算

研究區(qū)位于青海省共和盆地塔拉灘，區(qū)域晴朗少云的氣象條件適合于進(jìn)行遙感探測(cè)，以體現(xiàn)遙感在區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查研究中的優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)土壤侵蝕量的估算不夠準(zhǔn)確。而基于同位素——137Cs的示蹤技術(shù)在區(qū)域土壤侵蝕定量研究中取得了眾多成果，且能較為客觀準(zhǔn)確地計(jì)算土壤侵蝕量，其表達(dá)式為：

CPR＝（CPI－k·CRI）×100／（k·CRI）（1）式中：CPR——樣點(diǎn)與背景值相比的137Cs面積濃度的變 化 率 （%）；CRI——137Cs 背 景 值 面 積 活 度（Bq／m2）；CPI——樣點(diǎn)的137Cs面積活度（Bq／m2）；k——由風(fēng)雪及植被引起的137Cs背景值損失系數(shù)，一般k取0．95。

式中：E——樣 點(diǎn) 土 壤 侵 蝕 強(qiáng) 度 ［t／（km2·a）］；Bd——樣點(diǎn)土壤容重（g／cm3）；T——137Cs沉降高峰期（即1963年）與取樣時(shí)間之間的年代差值，本研究中T為48a，DI（m）的取值為137Cs含量為零以上的土層厚度［11］。

為分析研究區(qū)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度，依據(jù)土壤侵蝕科研成果和相關(guān)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行野外定位，開(kāi)展土壤剖面調(diào)查，共采集了18個(gè)樣點(diǎn)，采集的土壤樣品經(jīng)過(guò)自然陰干，剔除大顆粒及草根．用研缽研磨后過(guò)篩（孔徑2．0mm）。取粒徑＜2mm 部分進(jìn)行137Cs含量測(cè)試（137Cs主要以吸附形式附著在細(xì)顆粒的黏土礦物表面，粗顆粒的137Cs吸附能力極低甚至可以忽略不計(jì)，故測(cè)試時(shí)一般僅取較細(xì)的成分）。按照標(biāo)準(zhǔn)樣及密封盒的大小，用游標(biāo)卡尺固定樣品高度，稱取約80g左右的土進(jìn)行測(cè)試。容重樣需在80℃的烘干箱中，烘5～6h至恒重后，進(jìn)行土壤容重計(jì)算。研究區(qū)各樣點(diǎn)的土壤容重及土壤侵蝕速率見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)各樣點(diǎn)的土壤容重及土壤侵蝕速率

2．2 有效土層厚度的獲取

土層厚度廣義的概念是指可以生長(zhǎng)植物的土壤厚度，它與植物根系的伸展和土壤貯水量密切相關(guān)；其狹義的概念是指尚未風(fēng)化的母質(zhì)上面的殘積或坡積的碎屑松散物質(zhì)的有效土層厚度。一般是指A＋B層或A＋部分C層、A＋P層。土層厚度是評(píng)價(jià)土地資源的重要因素，也是進(jìn)行土壤侵蝕分析的重要指標(biāo)［12］。

青藏高原土壤的水平規(guī)律表現(xiàn)為由東往西隨干旱程度逐漸加劇，其主要成土因素之一的植被由溫帶半干旱草原逐漸向溫帶半荒漠及荒漠過(guò)度，土壤普遍表現(xiàn)為薄層性、粗骨性，B層發(fā)育不明顯，相對(duì)年齡亦較年輕。研究區(qū)地處青藏高原東北部，屬溫帶半干旱草原地區(qū)，灰鈣土、栗鈣土是該區(qū)域的地帶性土壤。通過(guò)野外調(diào)查及詳細(xì)查閱土壤普查報(bào)告和青海土壤等有關(guān)資料可知，栗鈣土疏松、質(zhì)地均勻、土壤厚度一般在20～45cm之間，暗黑栗鈣土則可達(dá)60cm左右；由于生物氣候等條件的影響，灰鈣土有機(jī)質(zhì)積累少，土層厚度在15～45cm之間。在小范圍內(nèi)土層厚度相對(duì)來(lái)說(shuō)是固定的，研究區(qū)內(nèi)的土層厚度在50cm左右［13］。

2．3 抗蝕年限的估算

抗蝕年限是表征土壤侵蝕強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是指大于臨界土層的有效土層厚度與年均侵蝕深度的比值，即

式中：Ye——土壤抗蝕年限（a）；H——土層厚度（cm）；D——容 重 （g／m3）；A——年 侵 蝕 模 數(shù) ［t／（km2·a）］；104——單位換算系數(shù)。臨界土層厚度是指農(nóng)、林、牧業(yè)中林、草、作物種植所需土層厚度的低限值，這里我們按種草所需最小土層厚度10cm為臨界土層厚度，即式中H值取10［14］。研究區(qū)各樣點(diǎn)的土壤抗侵蝕年限見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)各樣點(diǎn)的土壤抗侵蝕年限

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合水利部頒布的標(biāo)準(zhǔn)，將土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分為五級(jí)，即無(wú)危險(xiǎn)型、輕險(xiǎn)型、危險(xiǎn)型、極危險(xiǎn)型和毀壞型。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度空間分析

由公式（3）在 ArcGIS Spatial Analyst模塊下利用Interpolate to Raster中的spline根據(jù)邊界插值，可得到研究區(qū)土壤抗蝕年限圖，再按照表3中的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分為五個(gè)等級(jí)，運(yùn)行像元統(tǒng)計(jì)模塊可獲得各級(jí)面積分布，各等級(jí)的面積及所占百分比（表4）。

表4 土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，塔拉灘土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度主要以輕險(xiǎn)型為主，區(qū)域面積為1 692．98km2，占塔拉灘總面積的61．64%，主要分布在研究區(qū)的西南部，自然植被屬荒漠草原、干草原類(lèi)型，以多年旱生的豆科群落為主，植被蓋度在10%～90%之間，受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，在不合理的人類(lèi)活動(dòng)干擾加強(qiáng)的情況下，加劇侵蝕的可能性較大。土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度為無(wú)險(xiǎn)型的區(qū)域面積為379．71km2，占研究區(qū)總面積的13．82%。該區(qū)域內(nèi)土層較厚，土壤侵蝕強(qiáng)度一般為微度侵蝕，因此，土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度極小。

土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度為危險(xiǎn)型的區(qū)域面積為390．93km2，占塔拉灘總面積的14．23%。受來(lái)自西北盛行風(fēng)的影響，該區(qū)域土層厚度較薄，與輕險(xiǎn)型區(qū)域相比，植被覆蓋度也較低，植被以芨芨草為主。土壤侵蝕強(qiáng)度主要為中強(qiáng)度侵蝕，在人類(lèi)活動(dòng)的影響下極易加劇土壤侵蝕。區(qū)內(nèi)有些地區(qū)則完全是一種堆積環(huán)境。

土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度為極危險(xiǎn)型的區(qū)域面積為282．91km2，占塔拉灘總面積的10．31%。土層淺薄是這一地區(qū)的的主要特征，植被蓋度＜5%，沙丘地面積比例較大，基本上已無(wú)土可蝕，土壤侵蝕強(qiáng)度反而不高。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)該研究區(qū)的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度，引用土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指數(shù)，根據(jù)該地區(qū)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度不同的等級(jí)面積加權(quán)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為：

式中：SEPDI——土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指數(shù)；M1——無(wú)險(xiǎn)型面積；M2——輕險(xiǎn)型面積；M3——危險(xiǎn)型面積；M4——極險(xiǎn)型面積；M5——?dú)男兔娣e。SEPDI值為1～9，值越大表明該區(qū)域土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度也越大。將表4數(shù)據(jù)相應(yīng)代入公式（4）中，計(jì)算得SEPDI為2．42。

4 結(jié) 論

（1）本文確立的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)方法，是以137Cs侵蝕模型為核心，利用已有的土壤調(diào)查和地形圖等資料，借助地理信息系統(tǒng)（GIS）的采集、管理、分析和輸出多種功能進(jìn)行土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度的劃分。應(yīng)用GIS對(duì)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度進(jìn)行分級(jí)在方法上較為科學(xué)，避免了人為定級(jí)的主觀性。此外，土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度分級(jí)圖的確定，能夠反映該區(qū)域土壤的抗侵蝕力在自然狀況下的空間分布格局，可以為研究區(qū)域土地的合理規(guī)劃利用提供科學(xué)依據(jù)。

（2）研究區(qū)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度以輕險(xiǎn)型為主，面積為1 692．98km2，占塔拉灘總面積的61．64%，從土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指數(shù)（SEPDI）來(lái)看，為2．42，屬于輕度危險(xiǎn)區(qū)域。確定侵蝕區(qū)與無(wú)險(xiǎn)型區(qū)域的臨界分值，也即確定輕險(xiǎn)型分值的下限，是進(jìn)行區(qū)域土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。一般認(rèn)為，輕險(xiǎn)型以上區(qū)域面積即為該區(qū)域具有潛在危險(xiǎn)性侵蝕的面積，也即今后需要重點(diǎn)防治和治理的面積。

（3）在我國(guó)水土保持研究中，通常用土壤侵蝕強(qiáng)度單一指標(biāo)描述區(qū)域土壤侵蝕狀況。然而，土壤侵蝕的研究不能僅限于分析侵蝕現(xiàn)狀，在沒(méi)有發(fā)生土壤侵蝕的區(qū)域，植被一旦遭到破壞，也會(huì)存在土壤表面被侵蝕的可能性。因此，應(yīng)該預(yù)測(cè)在無(wú)明顯侵蝕區(qū)引起侵蝕和現(xiàn)狀侵蝕區(qū)加劇侵蝕的可能性。研究區(qū)域共和盆地塔拉灘屬于典型的風(fēng)蝕環(huán)境，對(duì)這一地區(qū)的土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，能起到提前預(yù)防的作用，同時(shí)也可為侵蝕區(qū)土地的合理利用提供科學(xué)參考。

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