青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布特征

劉斌濤，陶和平，史 展，2，宋春風(fēng)，2，郭 兵，2

土壤侵蝕是全球性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，土壤侵蝕不僅引起土壤質(zhì)量不斷下降，土地退化，耕地資源流失等問(wèn)題，還會(huì)引起水體環(huán)境惡化，河道淤積甚至泥石流、洪澇災(zāi)害等一些列問(wèn)題［1－3］。導(dǎo)致土壤侵蝕的因素有降雨、土壤、地形地貌、植被等，其中土壤自身的抗侵蝕能力是重要因子之一，國(guó)際上通常用土壤可蝕性K值來(lái)衡量［4］。土壤可蝕性K值大小表示土壤是否易受侵蝕破壞的性能，是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過(guò)程的綜合效應(yīng)［5］。因此，土壤可蝕性一直作為水土保持學(xué)科和土壤學(xué)科的重要研究?jī)?nèi)容之一［6－8］。

國(guó)外從20世紀(jì)30年代便開(kāi)始研究土壤可蝕性問(wèn)題，并于60年代由Wischmeier等提出了具有實(shí)用價(jià)值的土壤可蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)［9］。Wischmeier［10］于1971又提出了5個(gè)主要影響土壤可蝕性因子的土壤理化性質(zhì)參數(shù)，建立了利用常規(guī)土壤普查資料計(jì)算土壤可蝕性因子K值的關(guān)系模型。我國(guó)學(xué)者張憲奎等［11］、張愛(ài)國(guó)等［12］、劉寶元等［13］、張科利等［2］也對(duì)土壤可蝕性因子進(jìn)行了相關(guān)探討。盡管關(guān)于土壤可蝕性估算的研究很多，但常用的方法有 Wischmeier等［10］提出的方法、EPIC 模型方法［14］和 Shirazi等［15］提出的方法。在大尺度土壤可蝕性估算與分析方面，梁音等［4］利用第二次土壤普查數(shù)據(jù)計(jì)算我國(guó)東部丘陵區(qū)的土壤可蝕性并制作了該區(qū)域的K值的空間分布圖；王小丹等［5］計(jì)算了西藏自治區(qū)主要土壤類型的土壤可蝕性K值，并分析了土壤可蝕性的空間分布特征；劉吉峰等［16］計(jì)算并分析了青海湖流域土壤可蝕性K值的分布特征；岑奕等［17］等利用第二次土壤普查數(shù)據(jù)，計(jì)算了華中地區(qū)主要土壤的土壤可蝕性K值；吳昌廣等［3］分析了三峽庫(kù)區(qū)土壤可蝕性K值的計(jì)算方法，指出國(guó)外計(jì)算K值的經(jīng)驗(yàn)公式不能照搬，可以采用幾何平均粒徑進(jìn)行修正。這些研究都采用了我國(guó)第二次土壤普查的數(shù)據(jù)成果，對(duì)我國(guó)土壤可蝕性研究與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

青藏高原地形高亢，平均海拔在4 000m以上，是我國(guó)生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一［18］。同時(shí)，青藏高原水資源豐富，是我國(guó)眾多大江大河的源頭。近年來(lái)，由于氣候變化和人類活動(dòng)影響，青藏高原已經(jīng)成為我國(guó)重要的水土流失地區(qū)之一［19］。青藏高原土壤侵蝕不僅會(huì)對(duì)該區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境造成破壞，還會(huì)對(duì)我國(guó)大江大河的水沙環(huán)境造成嚴(yán)重影響，威脅我國(guó)的水安全和水電工程安全。因此，研究青藏高原土壤侵蝕的重要因素——土壤可蝕性對(duì)于青藏高原水土保持和生態(tài)環(huán)境保育具有重要意義。前人以對(duì)青藏高原個(gè)別區(qū)域進(jìn)行研究，尚無(wú)關(guān)于青藏高原土壤可蝕性整體性的研究成果，無(wú)法揭示青藏高原整體性的土壤可蝕性分布規(guī)律，而且青藏高原地形高差懸殊，土壤垂直分異明顯，有必要對(duì)青藏高原土壤可蝕性的垂直分異特征進(jìn)行分析研究。本研究通過(guò)模型計(jì)算和GIS空間分析，對(duì)青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布特征進(jìn)行定量分析，旨在深入理解青藏高原土壤侵蝕的成因和分布規(guī)律，為青藏高原生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全屏障建設(shè)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本研究查閱了中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（http：∥www.soil.csdb.cn／），《四川土種志》［20］，《青海土種志》［21］，《西藏自治區(qū)土種志》［22］等第二次土壤普查資料，共收集了1 255個(gè)典型土壤剖面資料。所用的土壤圖來(lái)自地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：∥www.geodata.cn／）提供的青藏高原區(qū)域1∶100萬(wàn)土壤類型圖，該數(shù)據(jù)為矢量格式，可以在ArcGIS軟件支持下進(jìn)行分析處理。研究所需的輔助數(shù)據(jù)為SRTM數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，從中國(guó)科學(xué)院國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服 務(wù) 平 臺(tái) （http：∥datamirror.csdb.cn／admin／datademMain.jsp）獲得。

1.2 土壤可蝕性K值估算方法

土壤可蝕性K值一般是針對(duì)水力侵蝕而言的。雖然，其量值會(huì)受到其它侵蝕營(yíng)力（風(fēng)力、凍融）的影響，但就區(qū)域尺度而言，其空間分布規(guī)律相對(duì)穩(wěn)定。因此，在其它營(yíng)力對(duì)K值的影響作用難以確定的前提下，采用通用的土壤可蝕性計(jì)算模型是可行。

土壤可蝕性估算模型較多，其中EPIC模型在我國(guó)應(yīng)用較多。在第一次全國(guó)水利普查水土保持專項(xiàng)普查全國(guó)土壤可蝕性因子計(jì)算分析中也選用了該模型［23］。因此，選用 EPIC模型［14］中給出的土壤可蝕性K值估算模型，其計(jì)算公式為：

式中：Sa——砂粒（2～0.05mm）含量（%）；Si——粉砂（0.05～0.002mm）含量（%）；Cl——黏粒（＜0.002mm）含量（%）；C——有機(jī)碳含量（%）。

1.3 土壤可蝕性K值估算步驟

土壤可蝕性K值估算的主要步驟包括：（1）從土種志、中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)等處獲取土壤剖面數(shù)據(jù)，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，建立青藏高原土壤剖面數(shù)據(jù)庫(kù)；（2）將不同土壤粒徑制資料使用3次樣條插值方法［24］統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為美國(guó)制，將土壤有機(jī)質(zhì)含量轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳含量；（3）使用公式（1）—（2）計(jì)算每一個(gè)土種的土壤可蝕性K值；（4）根據(jù)土種和土壤亞類的隸屬關(guān)系以及面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)面積加權(quán)權(quán)重，計(jì)算各土壤亞類的土壤K值的加權(quán)平均值；（5）將土壤亞類的K值鏈接到青藏高原1∶100萬(wàn)土壤類型圖上，制作青藏高原土壤可蝕性K值分布圖，并將K值分布圖轉(zhuǎn)換成100m×100m分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤可蝕性K值估算結(jié)果

圖1為青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布圖。青藏高原土壤可蝕性平均值為0.230 8，比青藏高原臨近區(qū)域的黃土高原［1］、川渝地區(qū)［25］和滇東北地區(qū)［26］土壤可蝕性K值略低。最高值出現(xiàn)在青海省東北部的淡灰鈣土，土壤可蝕性值為0.423 3。以土壤可蝕性 K 值為0.09，0.20，0.25和0.30為閾值，分別將青藏高原土壤可蝕性劃分為低可蝕性、較低可蝕性、中等可蝕性、較高可蝕性和高可蝕性，則它們的面積分別為1.45×105km2，4.71×105km2，6.29×105km2，1.14×106km2和2.02×105km2，分別占青藏高原總面積的5.60%，18.23%，24.35%，44.02%和7.80%?？梢钥闯?，青藏高原土壤可蝕性主要以較高可蝕性和中等可蝕性為主，即土壤可蝕性值主要集中在0.20～0.30之間，二者分布面積達(dá)1.77×106km2，占青藏高原總面積的68.37%。從圖1中可以看出，青藏高原土壤可蝕性較高可蝕性、高可蝕性區(qū)域主要分布在青藏高原中西部的羌塘高原部分、柴達(dá)木盆地的堿化鹽土、沼澤鹽土、草甸鹽土、含鹽石質(zhì)土、棕鈣土等地帶和橫斷山區(qū)的低海拔河谷中，而喀喇昆侖山和青藏高原東南部的高海拔地區(qū)土壤可蝕性較低。土壤可蝕性在空間分布上具有明顯的水平地帶性和垂直地帶性。

圖1 青藏高原土壤可蝕性K值分布

2.2 土壤可蝕性K值空間分異特征

從圖1中可以看出，青藏高原土壤可蝕性的空間分異特征十分明顯。為進(jìn)一步分析青藏高原土壤可蝕性的空間分異特征，本研究從不同土壤區(qū)劃類型和不同海拔梯度兩個(gè)角度分別討論青藏高原土壤可蝕性的空間分異特征。

2.2.1 不同土壤區(qū)的土壤可蝕性分布特征 表1是依據(jù)青藏高原土壤區(qū)劃圖［27］中土壤大區(qū)進(jìn)行的土壤可蝕性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表1可以看出，各土壤大區(qū)的土壤可蝕性平均值相差不大，平均值最高的為阿里冷漠土地帶，為0.255 5；平均值最低的為青東栗鈣土、灰褐土地帶，為0.196 2。綜合極值變幅、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)可以看出，青東栗鈣土、灰褐土地帶和柴達(dá)木冷漠土、寒漠土地帶土壤可蝕性空間變異最明顯，這主要由于土壤大區(qū)內(nèi)各土壤亞類的理化性質(zhì)差異引起的。而川西藏東褐土、黃棕壤地帶和川青藏接壤寒氈土地帶極值變幅也非常高，由于這一地區(qū)地形垂直高差很大，因此可以說(shuō)這種變異有可能是土壤可蝕性垂直分異的結(jié)果。

表1 不同土壤區(qū)的土壤可蝕性K值

為進(jìn)一步研究不同土壤區(qū)的土壤可蝕性特征，統(tǒng)計(jì)分析了各個(gè)土壤區(qū)不同可蝕性等級(jí)的面積。圖2為不同土壤區(qū)各個(gè)可蝕性等級(jí)累計(jì)百分比柱狀圖，從圖2中可以看出各個(gè)土壤區(qū)中低可蝕性和高可蝕性土壤均不占優(yōu)勢(shì)，相對(duì)來(lái)說(shuō)柴達(dá)木冷漠土、寒漠土地帶和川西藏東褐土、黃棕壤地帶高可蝕性土壤占研究區(qū)域總面積的比例稍高，分別為14.13%和10.14%。川西藏東褐土、黃棕壤地帶、川青藏接壤寒氈土地帶、治多、那曲寒凍氈土地帶和青東栗鈣土、灰褐土地帶中等可蝕性土壤占主要地位，所占比例分別達(dá)到47.05%，72.10%，50.69%和39.83%；東喜馬拉雅南翼磚紅壤、黃壤、黃棕壤地帶、青南藏北寒凍鈣土地帶、阿里冷漠土地帶、昆侖高寒雛漠土、寒漠土地帶和柴達(dá)木冷漠土、寒漠土地帶較高可蝕性土壤占主導(dǎo)地位，所占比例分別達(dá)到57.66%，71.85%，69.83%，57.16%和39.89%。圖3為青藏高原各土壤區(qū)高可蝕性土壤占青藏高原全部高可蝕性土壤的百分比。從圖3中可以看出，青藏高原高可蝕性土壤主要集中分布在川西藏東褐土、黃棕壤地帶、青南藏北寒凍鈣土地帶和柴達(dá)木冷漠土、寒漠土地帶，分別占21.19%，24.18%和24.43%。對(duì)比青藏高原土壤可蝕性分布圖和DEM可以看出，在川西藏東褐土、黃棕壤地帶和青南藏北寒凍鈣土地帶高可蝕性土壤集中分布在低海拔河谷之中，從一個(gè)側(cè)面反映出青藏高原土壤可蝕性的垂直變異特征，而在柴達(dá)木冷漠土、寒漠土地帶高可蝕性土壤集中分布在柴達(dá)木盆地的堿化鹽土，沼澤鹽土，草甸鹽土，含鹽石質(zhì)土，棕鈣土等地區(qū)。

圖2 青藏高原不同土壤區(qū)各可蝕性等級(jí)土壤的比例

2.2.2 不同海拔梯度的土壤可蝕性分布特征 為進(jìn)一步定量分析不同海拔梯度的土壤可蝕性特性，按照間隔1 000m劃分了海拔梯度，并統(tǒng)計(jì)每一個(gè)海拔等級(jí)的土壤可蝕性的平均值、最大值、最小值、極值變幅、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等指標(biāo)。表2為青藏高原不同海拔梯度的土壤可蝕性特征。從表2中可以看出，1 000～2 000m梯度范圍土壤可蝕性平均值最高，其次為＜1 000m梯度，這個(gè)兩個(gè)梯度土壤可蝕性平均值均超過(guò)了0.25，即平均已經(jīng)達(dá)到了較高可蝕性等級(jí)。青藏高原地勢(shì)高亢，只有在河谷中地勢(shì)才會(huì)低于2 000m，因此可以說(shuō)明青藏高原低海拔河谷地區(qū)土壤可蝕性較高。3 000～4 000m，4 000～5 000m，5 000～6 000m這3個(gè)梯度等級(jí)土壤可蝕性介于0.20～0.25之間，即屬于中等可蝕性等級(jí)。從圖1中可以看出3 000～6 000m海拔高度范圍內(nèi)的土壤可蝕性明顯分為兩部分，青藏高原高原東南部此海拔范圍內(nèi)基本屬于中等可蝕性等級(jí)，而青藏高原中西部廣大的羌塘高原部分此海拔范圍內(nèi)基本屬于較高可蝕性等級(jí)。海拔高于6 000m的地區(qū)土壤可蝕性等級(jí)明顯降低，主要原因是該海拔范圍內(nèi)主要分布有寒凍土、寒漠土等土壤類型以及永久性冰雪、裸巖石礫地等類型，成土作用弱，礫石含量高，水力侵蝕已不是主要的土壤侵蝕類型。

圖3 青藏高原不同土壤區(qū)高可蝕性土壤占全部高可蝕性土壤的比例

表2 不同海拔梯度的土壤可蝕性K值統(tǒng)計(jì)特征

圖4為不同海拔梯度的不同可蝕性等級(jí)的統(tǒng)計(jì)特征。從圖4中可以看出在2 000～3 000m高度高可蝕性土壤占有較大比例，達(dá)到24.37%，而其余各海拔梯度中高可蝕性土壤所占比例均較小。＜1 000m和1 000～2 000m范圍內(nèi)較高可蝕性土壤占有非常大的比例，分別高達(dá)55.13%和78.75%，說(shuō)明這個(gè)梯度范圍內(nèi)的土壤可蝕性較高，這與王小丹等［5］在西藏自治區(qū)的研究結(jié)論相符。海拔高于6 000m的區(qū)域較低可蝕性土壤和低可蝕性區(qū)域占據(jù)主導(dǎo)地位，說(shuō)明這個(gè)海拔高度上土壤可蝕性比較低，這與前面的分析也是一致的。然而意外的是的不同海拔梯度高可蝕性土壤占全部高可蝕性土壤的比例最高值卻出現(xiàn)在4 000～5 000m高度范圍內(nèi)（圖5），其原因主要是由分布在該海拔范圍的暗寒鈣土（K＝0.322 7）、寒原鹽土（K＝0.304 0）、石質(zhì)土（K＝0.323 1）和粗骨土（K＝0.323 1）等有關(guān)，這4種土壤的總面積達(dá)1.02×105km2。

圖4 青藏高原不同海拔梯度的各可蝕性等級(jí)土壤比例

為了進(jìn)一步研究青藏高原土壤可蝕性的垂直分異特征，分別在金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江和西藏中部的岡底斯山脈分別建立了4個(gè)典型的剖面，分別命名為 A－A’剖面、B－B’剖面、D－D’剖面和 C－C’剖面，分別對(duì)這4個(gè)典型剖面的土壤可蝕性和海拔梯度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。從圖6可以看出，無(wú)論是在青藏高原東南部的橫斷山區(qū)（A－A’剖面、B－B’剖面），還是在藏南谷底（D－D’剖面）以及在青藏高原中部的羌塘高原南部區(qū)域（C－C’剖面）土壤可蝕性均呈現(xiàn)出隨海拔升高而降低的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在橫斷山區(qū)尤為突出。結(jié)合表2和圖4—5，可以認(rèn)為青藏高原土壤可蝕性整體上表現(xiàn)出隨著海拔高度而降低的趨勢(shì)，在4 000～5 000m范圍內(nèi)存在一個(gè)略升高的趨勢(shì)，海拔高度＞6 000m以后土壤可蝕性迅速降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是橫斷山區(qū)土壤的垂直分異特征決定了土壤可蝕性的垂直分異特征。橫斷山區(qū)是我國(guó)山地土壤垂直帶譜變化最復(fù)雜的地區(qū)［28］，受水熱條件的區(qū)域差異影響，土壤的理化性質(zhì)也表現(xiàn)出明顯的變化特征，并進(jìn)而影響了土壤可蝕性的垂直分布。土壤可蝕性的這種垂直分帶特征也為建立土壤可蝕性垂直帶譜奠定了基礎(chǔ)。

圖5 青藏高原不同海拔高可蝕性土壤占全部高可蝕性土壤的比例

圖6 青藏高原典型土壤剖面的海拔高度與K值分布特征

3 結(jié)論

（1）青藏高原土壤可蝕性平均值為0.230 8，屬中等可蝕性等級(jí)。低可蝕性、較低可蝕性、中等可蝕性、較高可蝕性和高可蝕性土壤面積分別為1.45×105km2，4.71×105km2，6.30×105km2，1.14×106km2和2.02×105km2，分別占青藏高原總面積的5.60%，18.23%，24.35%，44.02%和7.80%。青藏高原土壤可蝕性以中等可蝕性和較高可蝕性為主，二者分布面積達(dá)1.77×106km2，占青藏高原總面積的68.37%。

（2）青藏高原高可蝕性土壤主要集中分布在川西藏東褐土、黃棕壤地帶、青南藏北寒凍鈣土地帶和柴達(dá)木冷漠土、寒漠土地帶，分別占21.19%，24.18%和24.43%。青東栗鈣土、灰褐土地帶土壤可蝕性最低，平均為0.1962。

（3）青藏高原土壤可蝕性具有明顯的垂直分帶特征，1 000～2 000m高度土壤可蝕性最高。橫斷山區(qū)土壤可蝕性的垂直分異最明顯，土壤可蝕性隨海拔升高而降低。土壤的垂直分帶特征決定了土壤可蝕性的垂直分帶特征。

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