尖山河小流域土壤可蝕性K值空間變異研究

王敬貴，亢慶，鄺高明，郭彥彪，李定強

1. 珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2. 珠江水利委員會珠江流域水土保持監(jiān)測中心站，廣東 廣州 510611；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；4. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州 510650；5. 中國科學(xué)院廣州分院、廣東省科學(xué)院，廣東 廣州 510070

影響土壤侵蝕的因子除降雨、徑流、地形、地表植被、人為活動等侵蝕外營力外，還取決于土壤本身的抗蝕抗沖能力，即侵蝕內(nèi)營力，國際上通常用土壤可蝕性 K值這一指標來衡量（梁音和史學(xué)正，1999）。K值大小表示土壤被侵蝕的難易程度，反映土壤對侵蝕外營力剝蝕分離和搬運作用的敏感性（宋陽等，2006），是影響土壤流失的內(nèi)在因素，也是定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)對大、中尺度區(qū)域的土壤可蝕性因子空間特征研究較多，如梁音和史學(xué)正（1999）利用土壤普查資料研究了長江以南東部丘陵山區(qū)土壤可蝕性 K值的分布規(guī)律，翟偉峰和許林書（2011）研究了東部典型黑土區(qū)的土壤可蝕性 K值空間分布特征，岑奕等（2011）研究了華中地區(qū)土壤可蝕性K值空間分布特征，宋春風(fēng)等（2012）研究了長江上游地區(qū)土壤可蝕性K值空間分異特征，張兵等（2010）研究了紫色丘陵區(qū)的土壤可蝕性K值空間特征，吳昌廣等（2010）基于重慶市和湖北省第二次土壤普查資料計算了三峽庫區(qū)11類土壤的可蝕性K值并分析了其分布特征，朱立安等（2007）研究探討了廣東省土壤可蝕性K值的分布特征，方綱清等（1997）初步探索研究了福建省主要土壤的可蝕性特征，門明新等（2004）基于土壤粒徑分布模型研究了河北省的土壤可蝕性特征，鄧良基等（2003）對四川省自然土壤和旱作耕地土壤的可蝕性特征進行了研究，楊子生（1999）通過連續(xù)3年徑流小區(qū)試驗觀測研究計算了滇東北山區(qū)坡耕地紅壤、黃壤和紫色土這3類代表性土壤的K值，趙輝等（2006）通過2年的徑流小區(qū)試驗計算分析了衡陽紫色頁巖地區(qū)的土壤可蝕性因子K值及其特征，王艷忠等（2008）研究分析了粵西兩種不同侵蝕強度的典型崩崗侵蝕剖面的可蝕性K因子分布特征，王小丹等（2004）對西藏高原的土壤可蝕性空間分布規(guī)律進行了初步研究，程李等（2013）通過小區(qū)徑流法和分析測試開展了貴州山區(qū)坡耕地的土壤可蝕性研究。此外，對全國尺度的土壤可蝕性K值研究也有一些報道，梁音等（2013）基于全國1:50萬土壤類型圖和上萬個土壤樣品的理化數(shù)據(jù)，研究了全國水蝕區(qū)的土壤可蝕性K值的宏觀分布規(guī)律，張科利等（2007）運用野外觀測資料，研究了我國不同水土流失區(qū)的土壤可蝕性值。而小流域尺度的土壤可蝕性特征研究相對較少，但隨著土壤侵蝕定量研究的逐步深入和細化，也已經(jīng)有少數(shù)涉及該方面的研究成果（張金池等，2008；楊萍等，2006；周璟等，2011；劉泉等，2012；楊帆等，2013）。采用EPIC模型中的土壤可蝕性K值算法，研究小流域尺度下土壤可蝕性 K值的空間分異特征及其與土地利用、植被類型、土壤理化性質(zhì)等的相關(guān)關(guān)系，可以為小流域土壤侵蝕定量研究及綜合治理決策提供科學(xué)依據(jù)。

本文以云南省高原湖泊撫仙湖庫區(qū)內(nèi)的尖山河小流域為研究區(qū)，在小流域大密度土壤采樣和測試分析的基礎(chǔ)上，采用EPIC模型中的K值計算方法以及地統(tǒng)計學(xué)和Kriging空間插值方法，研究了尖山河小流域土壤可蝕性K值的空間變異特征，分析了土地利用/植被覆蓋對K值空間變異的影響作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為滇中撫仙湖庫區(qū)的尖山河小流域，位于 北 緯 24°32′00″～24°37′38" ， 東 經(jīng)102°47′21″～102°52′02"之間，地處云南省玉溪市澄江縣西南部，東臨撫仙湖。該小流域是珠江上游南北盤江石灰?guī)r地區(qū)水土保持綜合治理試點工程的一個典型小流域，屬高原中低山地貌，山高坡陡，海拔1722.0～2347.4 m。中侏羅系地層廣為分布，由紫色砂頁巖、粉砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r、砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等構(gòu)成。巖石風(fēng)化嚴重，坡積層厚，以紫色土和紅壤為主。土地總面積35.42 km2，土地利用以林地和耕地為主。主要樹種有云南松(Pinus yunnanensis)、華山松(Pinus armandii franch)、桉樹(Eucalyptus)、水冬瓜(Alnus cremastogyne Burk)及板栗(Castanea mollissima)、桃樹(Amygdalus persica)、大葉楊梅(Myrica rubra (Lour.)Zucc)等果樹。多年平均降雨量1050 mm，年均溫度14.0 ℃，日照時數(shù)2172.3 h，≥10 ℃活動積溫3400 ℃，無霜期265 d。

1.2 研究方法

本文采用公式法計算K值，即在小流域大密度土壤采樣和測試分析的基礎(chǔ)上，采用EPIC公式計算K值，其主要步驟包括：

（1）土壤樣品采集

2011年3月22～25日完成了研究區(qū)采樣工作，采樣密度為750 m×750 m，樣點盡量均勻分布并充分考慮樣點代表性，采樣深度為地表0～20 cm，共采集土壤樣點66個，全部樣點用GPS定位（圖1），用數(shù)碼相機拍攝采樣點植被、地形及土地利用情況，并詳細記錄調(diào)查表。

采樣時首先除去地表未分解和半分解的枯落物，用方鏟挖出約30 cm深的垂直剖面，在剖面上0～20 cm范圍內(nèi)均勻取土約2kg，已取土樣裝入已編號的保鮮袋內(nèi)。

（2）土壤樣品處理

野外所采土壤樣品在實驗室清點后，于通風(fēng)處鋪開自然風(fēng)干，并分揀出植物根系等雜物；先過2 mm孔徑土壤篩，>2 mm礫石稱重后棄去；過2 mm孔徑土壤篩的土壤樣品取出100 g過100目篩，用于土壤有機碳測定；剩余土壤樣品用塑料密封袋保存。

（3）土壤樣品測試分析

土壤機械組成采用比重計法測定，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法測定（魯如坤，2000）。

（4）土壤可蝕性K值計算

采 用 EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)模型中發(fā)展的土壤可蝕性因子K值估算方法（Williams和Sharply，1990），計算公式為：

式中：K為土壤可蝕性，美制單位；Sa為砂粒（2～0.05 mm）質(zhì)量分數(shù)，%；Si為粉砂（0.05～0.002 mm）質(zhì)量分數(shù)，%；Cl為粘粒（<0.002 mm）質(zhì)量分數(shù)，%；C為有機碳質(zhì)量分數(shù)，%；Sn=1-Sa/100，式中各參數(shù)均采取實測方法確定。

（5）土壤可蝕性K值空間插值與統(tǒng)計分析

運用ARCGIS軟件地統(tǒng)計分析模塊中的克里格(Kriging)插值方法進行空間插值分析，獲得整個研究區(qū)的K值空間分布圖。同時，利用2011年2月19日成像的QuickBird高分辨率遙感影像提取了研究區(qū)的土地利用/植被類型信息，并定量分析了土地利用/植被覆蓋類型對K值空間分布的影響作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤可蝕性K值的基本特征

經(jīng)過測定和計算，得到尖山河小流域 66個樣點的土壤可蝕性K值（表1）。

經(jīng)統(tǒng)計（表2），尖山河小流域土壤可蝕性 K值的變化范圍為0.1628～0.3836，K值均值為0.2824，中值為0.2885，均值與中值相近似，表明在尖山河小流域內(nèi)K值分布均勻，未受到特異值的影響。變異系數(shù)為 17.98%，介于 10%～100%之間，表明 K值具有中等程度的空間變異性，原因在于各個樣點的土壤質(zhì)地、地形、植被及土地利用等因素存在一定差異。

研究區(qū)的土壤質(zhì)地類型以壤土、砂壤和粘壤為主，另外還有少量粉壤，從表2中可以看出，小流域內(nèi)主要土壤質(zhì)地類型 K值的均值從大到小依次為：粉壤>壤土>粘壤>砂壤。

2.2 土壤可蝕性K值的空間插值及其分布特征

上述基于樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計只能反映研究區(qū)土壤可蝕性K值的概貌，不能反映其局部變化和空間連續(xù)分布特征。為此，需進一步采用地統(tǒng)計學(xué)方法進行K值的空間插值。通過研究區(qū)土壤樣本K值的正態(tài)分布性進行檢驗發(fā)現(xiàn)，樣本數(shù)據(jù)總體分布服從正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計分析的前提條件。

表1 尖山河小流域各樣點土壤可蝕性K值表Table 1 K-factor Values of All Soil Samples in the Small Watershed of Jianshan River

表2 尖山河小流域不同土壤質(zhì)地類型K值統(tǒng)計特征值Table 2 The Statistical Characteristics of K-factor Values by Different Soil Texture Types in the Study Area

通過對土壤樣本 K值的半方差函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，理論模型為指數(shù)模型時，塊金效應(yīng)為21.55%，小于 25%，變程也遠大于步長，表明在小流域尺度下土壤可蝕性K值具有強烈的空間相關(guān)性（孫波等，2002），且其插值誤差較小。因此，選用指數(shù)模型進行土壤可蝕性K值的Kriging空間插值，能獲得比較符合實際情況的尖山河小流域K值空間分布圖。

利用 ArcGIS9.3軟件的地統(tǒng)計分析模塊進行Kriging空間插值，并根據(jù)梁音和史學(xué)正（1999）提出的我國東部丘陵區(qū)土壤可蝕性 K值分級標準對研究區(qū)土壤可蝕性K值進行分級，獲得研究區(qū)土壤可蝕性K值分級空間分布圖（圖2）。

從圖2中可以看出，尖山河小流域的土壤可蝕性級別從較低可侵蝕性（0.15～0.20）到高可侵蝕性（>0.35）均有一定面積的分布，以中可侵蝕性（0.25～0.30）土壤分布面積最大，達 1797.88 hm2，占小流域總面積的 50.76%；其次為中高可侵蝕性（0.30～0.35）土壤和中低可侵蝕性（0.20～0.25）土壤，面積分別為 1185.51 hm2和542.32 hm2，分別占小流域總面積的 33.47%和15.31%，三者合占小流域總面積的99.54%。而高可侵蝕性土壤和較低可侵蝕性土壤分布面積極少，分別為10.70 hm2和5.59 hm2，各占總面積的0.30%和0.16%，無低可侵蝕性土壤。

圖1 研究區(qū)土壤采樣點空間分布圖Fig.1 The Soil Samples Distribution Map in Study Area

圖2 研究區(qū)土壤可蝕性K值分級圖Fig.2 The K-factor Value Grading Map in Study Area

在空間分布上，尖山河小流域北端高山區(qū)土壤具有中低可侵蝕性，中部和南部的低海拔地區(qū)土壤具有中高可侵蝕性，中、南部其余大部分地區(qū)的土壤具有中可侵蝕性，其中間或分布島狀的中低可侵蝕性土壤和較低可侵蝕性土壤（圖2）。研究區(qū)土壤可蝕性與海拔存在較強的相關(guān)關(guān)系，高海拔地區(qū)K值一般較小，而中低海拔地區(qū)K值一般較大，其原因一方面在于土壤有機碳含量與海拔呈極顯著的線性正相關(guān)（武小鋼等，2014），高海拔地區(qū)土壤有機碳含量高，相應(yīng)地土壤可蝕性就較??；另一方面在于海拔通過對土地利用的影響而間接影響土壤可蝕性，高海拔地區(qū)一般多為林草地，中低海拔地區(qū)多為果園和耕地，土地利用和植被覆蓋類型對K值具有較明顯的影響（周璟等，2011；張金池等，2008；楊帆等，2013）。

2.3 不同土地利用/植被覆蓋類型對K值的影響作用分析

按照土地利用/植被覆蓋類型對66個土壤樣點的K值進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。利用2011年2月19日成像的QuickBird遙感影像提取了研究區(qū)的土地利用/植被覆蓋信息，將土地利用/植被覆蓋圖與土壤可蝕性K值分級圖進行空間疊加分析，對疊加后的圖層進行統(tǒng)計，取各級土壤可蝕性K值中值計算各土地利用/植被覆蓋類型的面積加權(quán)平均K值，結(jié)果見表4。

表3 尖山河小流域不同土地利用/植被覆蓋類型K值統(tǒng)計特征值Table 3 The Statistical Characteristics of K-factor Values by Different Land Use/Vegetation Cover Types in Study Area

表4 尖山河小流域不同土地利用/植被覆蓋類型的可蝕性級別面積統(tǒng)計表Table 4 The Area of All Erodibility Levels by Different Land Use/Vegetation Cover Types in Study Area

從表3中可知，尖山河小流域各種土地利用/植被覆蓋的 K值從小到大依次為林地<荒草地<灌草地<旱平地<旱坡地<園地；從表4可知，K值從小到大依次為林地<灌草地<荒草地<旱平地<園地<旱坡地<水田。由此可見，土地利用/植被覆蓋類型對土壤可蝕性K值具有明顯的影響作用，需要頻繁松土、除草、耕作和擾動的土地利用/植被覆蓋類型（如園地、旱坡地、旱平地和水田等），其土壤可蝕性K值較大，容易發(fā)生侵蝕；而無需耕作、擾動小的土地利用/植被覆蓋類型（如林地、荒草地和灌草地等），其K值較小。此結(jié)果表明在土壤類型和理化性質(zhì)相同或相近的情況下，土壤可蝕性因子K值的大小主要取決于土地利用方式和植被覆蓋類型，或者松土、除草、耕作等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的頻次和擾動程度。

3 結(jié)論

（1）根據(jù) 66個土壤樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，尖山河小流域土壤可蝕性 K值的變化范圍為0.1628～0.3836，K值變幅較大；K值均值為0.2824，均值與中值相近似，表明在尖山河小流域內(nèi)K值分布較均勻，未受特異值的影響；變異系數(shù)為17.98%，表明K值具有中等程度的空間變異性。

（2）正態(tài)分布性檢驗和半方差函數(shù)分析結(jié)果支持通過對土壤樣本數(shù)據(jù)的空間插值獲得尖山河小流域的K值空間分布圖。結(jié)果表明：在空間分布上，尖山河小流域以中可侵蝕性土壤為主，分布面積超過 1/2，中高可侵蝕性土壤和中低可侵蝕性土壤面積所占比例也較大，各占1/3和1/6左右；小流域北端高山區(qū)土壤具有中低可侵蝕性，中部和南部的低海拔地區(qū)土壤具有中高可侵蝕性，中、南部其余大部分地區(qū)的土壤具有中可侵蝕性。

（3）土地利用/植被覆蓋類型對土壤可蝕性 K值具有明顯的影響作用，林地、荒草地和灌草地等無需耕作、擾動小的土地利用/植被覆蓋類型，其K值較小，園地、旱坡地、旱平地和水田等需要頻繁松土、除草、耕作和擾動的土地利用/植被覆蓋類型，其K值較大，這表明在土壤類型和理化性質(zhì)相同或相近的情況下，土壤可蝕性因子K值的大小主要取決于土地利用方式和植被覆蓋類型，或者松土、除草、耕作等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的頻次和擾動程度。

SHARPLY A N, WILLIAMS J R. 1990. EPIC-Erosion/Productivity Impact Calculator I. Model Documentation[M]. United States Department of Agriculture Technical Bulletin No. 1768, Washington D C.

岑奕,丁文峰,張平倉. 2011. 華中地區(qū)土壤可蝕性因子研究[J]. 長江科學(xué)院院報, 28(10) : 65-68, 74.

程李, 王小波, 陳正剛, 等. 2013. 貴州山區(qū)坡耕地土壤可蝕性研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 41(19) : 8247-8249, 8309.

鄧良基, 侯大斌, 王昌全. 2003. 四川自然土壤和旱耕地土壤可蝕性特征研究[J]. 中國水土保持, (7) : 23-25.

方綱清, 阮伏水, 吳雄海. 1997. 福建省主要土壤可蝕性特征初探[J]. 福建水土保持, (2) : 19-23.

梁音, 劉憲春, 曹龍熹, 等. 2013. 中國水蝕區(qū)土壤可蝕性K值計算與宏觀分布[J]. 中國水土保持, (10) : 35-40.

梁音, 史學(xué)正. 1999. 長江以南東部丘陵山區(qū)土壤可蝕性 K值研究[J].水土保持研究, 6(2) : 47-52.

劉泉, 李占斌, 李鵬, 等. 2012. 四川盆地紫色土小流域土壤的可蝕性[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報, 31(2) : 106-109.

魯如坤主編. 2000. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社: 107-108, 282-288.

門明新, 趙同科, 彭正萍, 等. 2004. 基于土壤粒徑分布模型的河北省土壤可蝕性研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 37(11) : 1647-1653.

宋春風(fēng), 陶和平, 劉斌濤, 等. 2012. 長江上游地區(qū)土壤可蝕性空間分異特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 21 (9) : 1123-1130.

宋陽, 劉連友, 嚴平, 等. 2006. 土壤可蝕性研究述評[J]. 干旱區(qū)地理,29(1) : 124-131.

孫波, 趙其國, 閭國年. 2002. 低丘紅壤肥力的時空變異[J]. 土壤學(xué)報,39(2) : 190-198.

王小丹, 鐘祥浩, 王建平. 2004. 西藏高原土壤可蝕性及其空間分布規(guī)律初步研究[J]. 干旱區(qū)地理, 27(3) : 343-346.

王艷忠, 胡耀國, 李定強, 等. 2008. 粵西典型崩崗侵蝕剖面可蝕性因子初步分析[J]. 生態(tài)環(huán)境, 17(1) : 403-410.

吳昌廣, 曾毅, 周志翔, 等. 2010. 三峽庫區(qū)土壤可蝕性K值研究[J]. 中國水土保持科學(xué), 8(3) : 8-12.

武小鋼, 郭晉平, 田旭平, 等. 2014. 蘆芽山土壤有機碳和全氮沿海拔梯度變化規(guī)律[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 23(1) : 50-57.

楊帆, 張洪江, 程金花, 等. 2013. 北京市延慶縣不同土地利用方式下的土壤可蝕性研究[J]. 水土保持通報, 33(6) : 19-23.

楊萍, 胡續(xù)禮, 姜小三, 等. 2006. 小流域尺度土壤可蝕性(K 值)的變異及不同采樣密度對其估值精度的影響[J]. 水土保持通報, 26(6) :35-39.

楊子生. 1999. 滇東北山區(qū)坡耕地土壤可蝕性因子[J]. 山地學(xué)報, 17(增刊) : 10-15.

翟偉峰, 許林書. 2011. 東北典型黑土區(qū)土壤可蝕性 K值研究[J]. 土壤通報, 42(5) : 1209-1213.

張兵, 蔣光毅, 陳正發(fā), 等. 2010. 紫色丘陵區(qū)土壤可蝕性因子研究[J].土壤學(xué)報, 47(2) : 354-358.

張金池, 李海東, 林杰, 等. 2008. 基于小流域尺度的土壤可蝕性K值空間變異[J]. 生態(tài)學(xué)報, 28(5) : 2199-2206.

張科利, 彭文英, 楊紅麗. 2007. 中國土壤土壤可蝕性值及其估算[J]. 土壤學(xué)報, 44(1) : 7-13.

趙輝, 郝志敏, 齊實, 等. 2006. 南方丘陵紫色頁巖地區(qū)土壤可蝕性因子K值的確定—以湖南衡陽為例[J]. 水土保持研究, 13(6) : 41-43.

周璟, 張旭東, 何丹, 等. 2011. 小流域土壤可蝕性的空間變異及其在不同土地類型下的比較[J]. 土壤通報, 42(3) : 715-720.

朱立安, 李定強, 魏秀國, 等. 2007. 廣東省土壤可蝕性現(xiàn)狀及影響因素分析[J]. 亞熱帶水土保持, 19(4) : 4-7, 16.