北部灣欽江流域土壤侵蝕及其硒元素流失評估

田義超,黃遠(yuǎn)林,張 強(qiáng),陶 進(jìn),張亞麗,謝小魁,王日明

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北部灣欽江流域土壤侵蝕及其硒元素流失評估

田義超1,2,3,黃遠(yuǎn)林1*,張 強(qiáng)1,陶 進(jìn)1,張亞麗1,謝小魁1,王日明1

(1.北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,廣西 欽州 535011；2.北部灣大學(xué)海洋地理信息資源開發(fā)利用重點實驗室,廣西 欽州 535011；3.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室,貴州 貴陽 550002)

以欽江流域2015年的氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型、土壤類型以及土壤質(zhì)地等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于修正的通用土壤流失方程(RUSLE)和GIS空間分析技術(shù),定量分析了廣西北部灣欽江流域土壤侵蝕及其硒元素流失的空間分布特征.研究結(jié)果表明:(1)北部灣欽江流域2015年土壤侵蝕總量為381.64×104t/a,平均土壤侵蝕模數(shù)為14.79t/(hm2·a),小于2010年欽江流域的土壤侵蝕模數(shù),但遠(yuǎn)大于水利部規(guī)定的在南方紅壤丘陵區(qū)土壤允許流失量;(2)流域土壤侵蝕強(qiáng)度以微度侵蝕為主,侵蝕強(qiáng)度從流域上游到下游依次降低,0~240m之間的高程帶以及>15°的坡度帶是未來土壤侵蝕防治的重點區(qū)域;(3)山地地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最高,達(dá)23.49t/(hm2·a),高于流域平均土壤侵蝕模數(shù)約1.59倍,丘陵地區(qū)次之,而沖積平原最小;(4)流域土壤的硒含量介于0.38~0.72mg/kg之間,平均值0.49mg/kg,高于中國土壤硒元素背景值的1.69倍;(5)不同土地利用類型土壤硒含量隨著土壤剖面深度的增加均呈現(xiàn)出減低趨勢,硒的含量在不同土地利用類型中的排序為林地>園地>草地>水田>旱地,而在不同土壤類型中硒含量大小順序則為:新積土>石灰?guī)r土>潛育水稻土>淹育水稻土>赤紅壤>潴育水稻土>磚紅壤>濱海沙土>紫色土>咸酸水稻土.(6)流域土壤硒元素的流失總量為8987.05kg/a,平均流失模數(shù)為0.0344kg/(hm2·a),其中流域中游的硒元素流失量最大.該項研究成果可為欽江市政府開發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品、發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)以及提升欽江流域土地利用的價值提供科學(xué)依據(jù).

土壤侵蝕；RUSLE模型；土壤硒元素流失；RS與GIS技術(shù)；北部灣欽江流域

土壤侵蝕破壞土地資源,造成土地荒漠化,引起生態(tài)環(huán)境惡化,造成土壤中氮、磷、鉀和硒等元素的流失,導(dǎo)致土壤肥力降低、農(nóng)作物減產(chǎn),嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展,成為各國普遍關(guān)注的熱點問題之一[1-4].流域土壤侵蝕可導(dǎo)致河流輸沙量增加[5],造成水庫及河道淤塞[6]、河流水量減少和水質(zhì)的惡化[7],對水生態(tài)系統(tǒng)功能、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、土壤硒元素的含量以及區(qū)域水土保持產(chǎn)生重要的影響[8].中國土壤侵蝕極為嚴(yán)重,遭受土壤侵蝕的面積約為3.6×106km2,占國土面積的37%,土壤侵蝕中硒元素流失的總量也呈現(xiàn)出顯著增加趨勢[9].因此,掌握土壤侵蝕量的空間分布格局及其硒元素的流失量對指導(dǎo)水土保持措施優(yōu)化配置、水土資源保護(hù)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)利用具有重要意義.

定量評估區(qū)域或流域土壤侵蝕、分析土壤侵蝕空間分布特征及其驅(qū)動因素是防治區(qū)域水土流失的基礎(chǔ).近30a來,國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的區(qū)域特征研發(fā)了大量的水土流失評價模型,主要分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?其中最早建立的是通用土壤流失方程USLE模型[10].自1993年以后,USLE模型逐漸被美國農(nóng)業(yè)部頒布的修正土壤流失模型RUSLE所代替,該模型廣泛應(yīng)用于剖面和細(xì)溝土壤侵蝕過程.由于RUSLE模型是基于地理區(qū)域或者流域尺度上的地理空間信息,因此該模型可以更好的反映水土流失的空間異質(zhì)性問題,是應(yīng)用特別廣泛的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚11-12].20世紀(jì)80年代后期,中國學(xué)者以USLE模型為基礎(chǔ),綜合考慮淺溝侵蝕過程,水土保持生物、工程措施對坡面侵蝕的影響,建立了若干個地區(qū)性的土壤侵蝕預(yù)報模型[13-14].在物理模型方面,其中以美國的WEPP模型[15],歐洲的EUROSEM[16]、荷蘭的LISEM[17]以及地中海的SEMMED模型最為典型,但是由于物理模型涉及參數(shù)眾多,尤其是在資料缺失的典型流域地區(qū)該模型的實用性及可拓展性受到了一定的限制.因此,以USLE和RUSLE為代表的經(jīng)驗統(tǒng)計模型仍是應(yīng)用最為廣泛的模型之一[19].

硒是人體和動物必需的一種微量元素,能提高人體抗癌抗衰老能力[20],缺硒可引起人體和動物發(fā)生白肌病、克山病、大骨節(jié)病、心血管病和關(guān)節(jié)炎等多種疾病[21].據(jù)統(tǒng)計,全球有40多個國家和地區(qū)缺硒,我國有72%的地區(qū)處于缺硒和低硒狀態(tài),在我國土壤硒的分布中形成了以中間低,東南和西北高的馬鞍形趨勢.在土壤—植物—動物生態(tài)系統(tǒng)中,土壤是最基本的因素,土壤中硒的含量可通過食物鏈最終影響人體健康[22].目前國內(nèi)外關(guān)于土壤、植物生態(tài)系統(tǒng)中硒的環(huán)境效應(yīng)、全量硒、有效硒含量及其影響因素等已見諸多研究[22-23],眾多研究成果表明硒在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化及其富集規(guī)律受到成土母質(zhì)、土壤酸堿度,有機(jī)碳及鐵和鋁等因素的綜合影響[24-25],但上述研究成果多以土壤硒元素的影響因素及其在土壤中的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)為主,對于土壤侵蝕所引起的養(yǎng)分流失、水分流失以及泥沙流失所損失的硒的物質(zhì)量方面鮮有報道.

欽江流域呈狹長狀分布于欽州市的中心地帶,地勢東北高西南低,除流域的出口西南部外,其他三面高,中間低.近年來流域生態(tài)環(huán)境受人為因素影響強(qiáng)烈,水土流失狀況發(fā)生了顯著的變化.流域土地利用/覆被發(fā)生了顯著的變化,而土地利用方式綜合反映人類活動和自然環(huán)境作用對土壤、徑流和植被等的影響,目前關(guān)于欽江流域土壤中硒的研究數(shù)據(jù)缺乏,流域中土壤的硒含量如何,在空間上呈現(xiàn)出怎樣的規(guī)律,土壤侵蝕所伴隨的硒流失量如何,這些科學(xué)問題目前尚不明晰.鑒于此,本文以2015年的欽江流域氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、土壤類型以及土壤質(zhì)地等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助RS與GIS技術(shù),定量估算了流域土壤侵蝕及其硒元素流失的空間分布規(guī)律,同時詳細(xì)探討了流域土壤侵蝕空間分布與海拔、坡度等地形因子的定量化關(guān)系,該項研究成果可為欽江流域土壤侵蝕以及硒元素流失現(xiàn)狀評估,同時可為水土流失防治工作和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

1 研究區(qū)概況

欽江流域為北部灣水系河流,位于東經(jīng) 108°34′~109°29′,北緯 21°53′~22°36′,地處廣西壯族自治區(qū)南部沿海城市—?dú)J州市.發(fā)源于廣西靈山縣平山鎮(zhèn)白牛嶺,由東北向西南橫穿靈山境內(nèi),至欽州市尖山鎮(zhèn)入茅尾海,全長179km,流域面積2 457km2(圖1).欽江流經(jīng)欽南區(qū)、欽北區(qū)、靈山縣等19個鄉(xiāng)鎮(zhèn),是欽州第一長河,主要支流有大潮江、龍門江、九曲江、玉麓江、大塘江、白花江、那隆江、青平江、舊州江、龍山江等.流域多年平均流量為64.37億m3,年徑流深為900mm.氣候類型屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候,處在著名的亞洲東南部季風(fēng)區(qū)內(nèi),太陽幅射強(qiáng),多年平均氣溫21.7℃,平均降水量為1 658mm.因受季風(fēng)氣候和地形影響,多年年內(nèi)降雨量分配極不均勻,流域雨量充沛,易發(fā)生澇災(zāi)和潮災(zāi),導(dǎo)致區(qū)域水土流失嚴(yán)重.

圖1 北部灣欽江流域在廣西區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)流程

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用以下數(shù)據(jù):(1)廣西壯族自治區(qū)2015年的日值降水量數(shù)據(jù).來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),數(shù)據(jù)空間范圍覆蓋全區(qū)氣象站觀測資料;(2)數(shù)字高程模型SRTM DEM(http://strm.csi. cgiar.org),該數(shù)據(jù)主要用于土壤侵蝕模型中LS因子的計算,空間分辨率為30m.(3)遙感數(shù)據(jù)主要使用了研究區(qū)的Landsat8OLI多光譜數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局(USGS),空間分辨率為30m,由于欽江流域的范圍較大,本研究選擇了2015年的兩景遙感影像進(jìn)行了拼接處理,分別為P125,R44和P124, R44,獲得遙感影像之后,主要采用ArcGIS10.2、ENVI5.1等地理信息系統(tǒng)和遙感圖像處理軟件對研究區(qū)的遙感影像進(jìn)行處理.在進(jìn)行土地利用/覆被類型分類方面,采用《土地利用現(xiàn)狀分類調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中的分類標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)欽州市的實際情況對欽江流域的土地利用類型進(jìn)行劃分,依次劃分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地7類.在遙感數(shù)據(jù)的處理過程中主要依靠ENVI5.1和ArcGIS10.2軟件對原始遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正、大氣校正、拼接、波段組合和裁剪等預(yù)處理操作.根據(jù)解譯標(biāo)志以及野外實地勘測,在ENVI5.1軟件中對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類,對獲得的監(jiān)督分類圖像進(jìn)行異常值處理,經(jīng)過反復(fù)驗證與調(diào)整直至土地利用解譯分類的總體精度達(dá)到80%以上,Kappa指數(shù)>0.8為止.(4)欽江流域矢量邊界數(shù)據(jù)是通過ArcGIS10.2中的Hydrology模塊進(jìn)行流域邊界自動提取,依據(jù)《廣西欽州市水資源綜合規(guī)劃報告》,欽江流域的上游段主要包括靈山縣城的靈東水庫所包圍的集水單元,中游段和下游段的集水區(qū)則以平吉水文站為劃分單元,下游段則主要是地勢比較平坦的河口平原地區(qū).(5)欽江流域土壤類型數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,空間分辨率為1km,該數(shù)據(jù)包括土壤的厚度、土壤容重、土壤體積含水量,土壤顆粒組成和土壤質(zhì)地等屬性數(shù)據(jù).(6)欽江流域土壤硒含量數(shù)據(jù)來源于野外采樣,工作的比例尺為1:50000,土壤采樣密度為8~10個/km2,按照《多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1:250 000)》(DZ/T 0258-2014)的要求采集0~20cm深度的表層土柱樣品,采樣時以室內(nèi)GPS定位點為中心,在50~100m范圍內(nèi)向四周輻射4~6個分樣點,等份組合成一個混合樣品,當(dāng)采樣的地塊為長條形時,采用“S”形采樣法,當(dāng)采樣地塊近似正方形時,采用“X”形或棋盤形采樣法.采樣點一般布設(shè)于耕地、園地、林地、草地及山地丘陵等土層較厚的地區(qū),采樣時不僅要避開新近搬運(yùn)的堆積土、垃圾堆和局部污染明顯的地區(qū),而且要避開溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、糞堆及微地形高低不平無代表性地段.老城區(qū)在歷史較長的公園、林地以及其他空曠地帶采樣,新城區(qū)則在尚未開發(fā)利用的農(nóng)用地中采樣.本研究中欽江流域的硒采樣點數(shù)據(jù)共89個,得到樣點數(shù)據(jù)后,取0.5g樣品試劑,采取王水分解、KBH 4還原,氫化法進(jìn)行消解,然后用原子熒光光譜儀上機(jī)測定.數(shù)據(jù)詳細(xì)參數(shù)如表1所示:

表1 研究中所使用的數(shù)據(jù)集

2.2 技術(shù)流程

本研究在對北部灣欽江流域土壤硒元素流失的估算方法中主要分為3個流程,首先利用修正的土壤流失方程RUSLE模型和GIS技術(shù)對研究區(qū)的土壤侵蝕特征進(jìn)行了定量評估,可以得到研究區(qū)2015年土壤侵蝕模數(shù)空間分布圖;其次,將欽江流域典型土壤剖面的土壤硒采樣點數(shù)據(jù),在ArcGIS10.2空間分析模塊下的克里金插值方法的支持下生成土壤硒含量的空間分布圖;最后在ArcGIS10.2中的柵格計算器的支持下,基于土壤硒含量空間分布數(shù)據(jù)與土壤侵蝕模數(shù)兩類數(shù)據(jù),利用硒遷移系數(shù)、土壤體積,土壤容重以及沉積物運(yùn)移率等參量計算研究區(qū)土壤硒元素流失空間分布狀況.考慮到研究區(qū)范圍,研究尺度以及計算量等因素,本研究中將所有的柵格數(shù)據(jù)重采樣為30m空間分辨率.

3 研究方法

3.1 RUSLE模型

基于GIS軟件平臺,采用修正的通用土壤流失方程對北部灣欽江流域土壤侵蝕狀況進(jìn)行估算,其表達(dá)式為:

式中:是單位面積上的平均土壤流失量,土壤流失量的單位取決于和的單位,多數(shù)文獻(xiàn)采用美制單位t/(hm2·a);是降雨侵蝕力因子,它是降雨侵蝕力同時考慮融雪徑流侵蝕作用,單位為MJ·mm/ (hm2·h·a);是土壤可蝕性因子,指在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上測得的某種給定土壤單位降雨侵蝕力的土壤流失速率,國際單位制為t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);和分別為坡長和坡度因子;為植被覆蓋因子;為水土保持措施因子,包括工程措施和耕作措施因子.

3.2 RUSLE模型各因子的確定

3.2.1 降雨侵蝕力因子 坡度坡長因子作為直接影響土壤侵蝕的兩個重要地形因子.本文根據(jù)劉寶元等[14]的研究結(jié)果對欽江流域的坡度坡長因子進(jìn)行提取:

式中:為坡度因子;為坡度值,°;為坡長因子;為坡長(m).首先利用30m的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS里提取坡度和坡長,然后代入公式算出坡長因子和坡度因子.本文以地理空間數(shù)據(jù)云下載的DEM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,應(yīng)用ArCGIS10.2軟件提取了欽江流域的坡度坡長空間分布圖(圖2a),由圖2a可知?dú)J江流域的坡度和坡長最大值為56.87,最小值為0.05,高海拔地區(qū)的坡度和坡長因子值較大,低海拔地區(qū)坡度和坡長因子較小.

圖2 欽江流域坡度坡長因子(a)與降雨侵蝕力因子(b)空間分布

3.2.2 降雨侵蝕力因子 降雨侵蝕力因子是區(qū)域降水量能引起土壤侵蝕的重要性因子,同樣也是通用土壤流失方程中的重要因子,降雨侵蝕力計算結(jié)果的好壞直接影響著區(qū)域的土壤侵蝕能力.本文選用Wischmeier等提出的降雨侵蝕力經(jīng)驗公式計算降雨侵蝕力[26],其計算公式如下:

式中:為降雨侵蝕力因子,MJ·mm(hm2·h·a),和P分別為研究區(qū)的年和月均降水量,mm.由圖2b可知,流域上游及中游降雨侵蝕力因子較小,而流域下游降雨侵蝕力因子較大,最大值可達(dá)到1357.62MJ·mm/ (hm2·h·a).

3.2.3 土壤可蝕性因子 在估算區(qū)域土壤侵蝕量的過程中,土壤的質(zhì)地因素也是影響區(qū)域土壤侵蝕的一個關(guān)鍵的因子,土壤的質(zhì)地因子可用土壤可蝕性因子來定量表達(dá),這個因子是土壤對降水所產(chǎn)生的流量過程指標(biāo),土壤可蝕性因子值的計算主要是依據(jù)欽江流域的土種志,同時主要參考世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD).中國境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1:100萬土壤數(shù)據(jù).對于土壤可蝕性因子的計算主要借助于土壤侵蝕與生產(chǎn)力影響評估模型EPIC中所定義的方法[27],利用土壤的顆粒質(zhì)地以及土壤的有機(jī)質(zhì)計算土壤可蝕性因子值.具體計算公式如下:

式中:K為土壤可蝕性因子,(t·acre·h)/(100·acre×ft·tanf·in),由于土壤可蝕性因子中的國際制單位為((t·km2·h)/(km2·MJ·mm)),因此需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換,這里的轉(zhuǎn)換系數(shù)定義為美制單位乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.1317;SAN、SIL、CLA和C分別為土壤質(zhì)地中的砂粒(0.050~2.000mm)、粉粒(0.002~ 0.050mm)、粘粒(<0.002mm)和土壤有機(jī)質(zhì)含量(%);SN1 =1- SN/100.依據(jù)公式將計算得到的不同K值數(shù)據(jù)分別賦值到不同的土壤類型圖中,具體在進(jìn)行賦值時為了快速的進(jìn)行操作,該研究使用了GIS命令中的JOIN命令實現(xiàn)K值的賦值,繼而得到欽江流域土壤類型(圖3a)和土壤可蝕性K因子(圖3b)空間分布.

圖4 欽江流域遙感影像(a)與植被覆蓋C因子(b)空間分布

3.2.4 植被覆蓋因子值 在RUSLE通用土壤流失方程中,植被覆蓋因子值是表征在其他外界條件如降雨侵蝕力因子、地形因子以及區(qū)域的水土保持因子等都相同的前提下,有植被覆蓋的區(qū)域與裸土的土壤流失量之間的比例[28].在因子的計算過程中需要以研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),之后借助于GIS軟件的柵格計算器算出區(qū)域的NDVI值,利用下面公式計算不同年份的因子.

式中:為研究區(qū)的植被覆蓋度因子;c為區(qū)域的植被覆蓋度,%;NDVI為歸一化植被指數(shù);NDVIveg為區(qū)域純植被覆蓋像元的NDVI值;NDVIsoil為區(qū)域純裸土覆蓋像元的NDVI值,由于區(qū)域不同季節(jié)水分以及降雨等條件的差異性影響,NDVIsoil、NDVIveg值隨時間與空間而變化.本研究基于研究區(qū)的遙感影像圖計算出研究區(qū)不同年份的NDVI值之后,利用ENVI5.1軟件統(tǒng)計研究區(qū)NDVI及其累積概率分布,以5%和95%的累積百分比為置信度區(qū)間,讀取對應(yīng)的像元值,從而分別確定為研究區(qū)有效的NDVIsoil和NDVIveg值;NIR為近紅外波段,ρ為紅光波段.通過以上公式,本研究采用欽江流域2015年兩景合成的Landsat8OLI遙感影像(圖4a),在ENVI5.1以及ArcGIS10.2的支持下進(jìn)行輻射矯正、幾何精校正等方法計算出研究區(qū)植被覆蓋因子值空間分布圖4b.

3.2.5 水土保持措施因子水土保持措施因子是表示采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值,一般無任何水土保持措施的土地類型值為1.國內(nèi)確定值的適用方法少有報道,實際計算中一般通過對比的方法求出某些水土保持措施下的值,但不同地區(qū)的誤差較大.土壤保持措施因子被認(rèn)為是RUSLE方程中最難確定的因子,本文在對欽江流域水土保持現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)流域的野外調(diào)查和相關(guān)研究報道[29],分別給每一種地物類型賦予相應(yīng)的值.流域不同土地利用類型(圖5a)的水土保持措施因子見圖5b和表2:

圖5 欽江流域土地利用(a)與水土保持P因子(b)空間分布

表2 研究區(qū)不同土地利用類型P因子

3.3 土壤硒流失量評價方法

本研究參照《土壤侵蝕分類分級中的水力侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)》[SL190-2007]將欽江流域土壤侵蝕進(jìn)行分級:<5t/(hm2·a)為微度侵蝕;5~25t/(hm2·a)為輕度侵蝕;25~50t/(hm2·a)為中度侵蝕;50~80t/(hm2·a)為強(qiáng)度侵蝕;80~150t/(hm2·a)為極強(qiáng)度侵蝕;>150t/ (hm2·a)為劇烈侵蝕.

由于本研究受到采樣數(shù)據(jù)的限制,只考慮了地表土壤侵蝕所引起的土壤硒元素流失與遷移量,而地下侵蝕所引起的硒遷移量不做考慮.地表土壤硒元素流失量的計算公式如下:

式中:Se為硒流失量,g/a;Se硒元素遷移系數(shù);s為土壤的體積含量,m3;為土壤的容重,g/cm3;Se為土壤中硒的含量,mg/kg.其中Se的計算公式為:

式中:是單位面積上的土壤流失量,t/(hm2·a);SDR為沉積物運(yùn)移系數(shù);ef為硒元素的富集系數(shù),其值采用經(jīng)驗值1.33[30];d為研究區(qū)土壤的厚度,cm;ps為土壤顆粒態(tài)硒在土壤總硒中的比例.

式中:ws為土壤中硒元素的液相比例;ps為土壤中硒元素的固相比例;w為土壤的體積含量,mL/cm3;ds為分配系數(shù),mL/g.ds為污染物在土壤溶液及土壤顆粒表面的界面反應(yīng)過程定量化的一個重要表征指標(biāo)[31-32],該值取決于土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水率、土壤的機(jī)械組成以及土壤的化學(xué)組成.綜合國內(nèi)外已有相關(guān)資料[33],采用理想狀態(tài)賦值法進(jìn)行估算,其值為100mL/kg.

沉積物運(yùn)移系數(shù)SDR[34]的計算采用Gavrilovic的計算公式:

式中:為流域的周長,km;為流域的平均高度距離,km;L為流域上游下游的長度,km.

從上述公式的描述中可以看出,硒流失量Se主要與土壤流失量、沉積物運(yùn)移系數(shù)SDR、土壤容重BD、土壤厚度d、土壤的體積含水量w以及土壤中硒的含量Se有關(guān),其中土壤容重、土壤厚度和土壤的體積含水量可從土壤類型數(shù)據(jù)中獲取,而沉積物的運(yùn)移系數(shù)則可以由數(shù)字高程DEM模型直接計算獲得,土壤中硒的含量可以通過流域硒元素土壤采樣點數(shù)據(jù)獲取,在數(shù)據(jù)處理過程中可通過GIS中的地統(tǒng)計學(xué)中的克里金插值方法進(jìn)行處理,因此準(zhǔn)確估算流域的土壤侵蝕量成為估算流域Se的關(guān)鍵,為了驗證土壤侵蝕量的精度,本研究依據(jù)欽州市水利局提供的坡面徑流觀測場水土保持監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證.

4 結(jié)果

4.1 土壤侵蝕空間分布特征

通過計算所得的土壤侵蝕模數(shù)見圖6.運(yùn)用ArcGIS10.2的空間統(tǒng)計對研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)A進(jìn)行統(tǒng)計,并根據(jù)國家水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[SL190-2007],將欽江流域土壤侵蝕量劃分為6個侵蝕等級(圖6,表3).從圖表中可知,2015年流域土壤侵蝕總量為381.64 ×104t/a,平均土壤侵蝕模數(shù)為14.79t/(hm2·a),侵蝕模數(shù)最大值為431.67t/(hm2·a),研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度總體上處于輕度侵蝕(5~25t/(hm2·a)),但遠(yuǎn)大于水利部規(guī)定的在南方紅壤丘陵區(qū)土壤允許流失量為5t(hm2·a)的標(biāo)準(zhǔn),因此欽江流域水土流失的治理任務(wù)還相當(dāng)艱巨.由圖6欽江流域土壤侵蝕強(qiáng)度等級可知,流域土壤侵蝕強(qiáng)度以微度侵蝕為主,侵蝕強(qiáng)度從流域上游到下游依次降低.流域的土壤侵蝕空間分布格局與地形地貌特征極為相似,微度侵蝕的區(qū)域主要集中在海拔較低和地形平緩的區(qū)域,強(qiáng)度侵蝕主要分布在地形起伏較大的山區(qū),這主要是由于欽江流域位于廣西沿海地區(qū),地勢相對低平,河流兩岸主要是平原臺地,而流域的四周則為高大的丘陵山地,海拔高差較大,因此加劇了“降水-徑流”過程對地面土壤的沖刷作用.

圖6 欽江流域土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕等級

從流域土壤侵蝕面積(表3)中可以看出,流域微度侵蝕面積所占比重最大,占流域總面積的51.64%,主要分布在上游的檀圩與靈城鄉(xiāng)鎮(zhèn)的過渡地帶,中游的陸屋以及下游欽州市之間的平原地區(qū).強(qiáng)度以上的侵蝕面積所占的比重較少,僅為3.24%,主要分布在上游的山地地區(qū)以及中游的舊州圩鎮(zhèn)周邊地區(qū).從侵蝕量上來看,全流域以輕度和中度侵蝕為主,兩者所占的比重相當(dāng),分別占侵蝕總量的24.04%和24.82%.

表3 研究區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計特征

由流域不同分區(qū)土壤侵蝕表4可知,土壤侵蝕模數(shù)在流域的上游、中游以及下游存在著顯著的差異,最高值與最低值之間相差2倍多.流域上游和中游的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為18.94和14.83t/ (hm2·a),侵蝕總量分別為142.59×104t/a和189.73× 104t/a,分別占流域侵蝕總量的40%和50%左右.上游地區(qū)地形變化劇烈、高差加大,加上地表切割破碎,植被覆蓋度較低等特點,局部地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)400t/(hm2·a)以上;中游地區(qū)的大部分地區(qū)為欽州市的糧倉地區(qū),主要土地利用覆蓋類型為耕地,該地區(qū)土地利用類型粘結(jié)能力差,易流失,區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)也較高,部分地區(qū)可達(dá)到200t/(hm2·a)以上;而下游地區(qū)地勢海拔較低,平均土壤侵蝕模數(shù)較小,其值僅為9t/(hm2·a).

表4 欽江流域不同流域分區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計特征

4.2 土壤侵蝕與地形的關(guān)系

4.2.1 土壤侵蝕與海拔的關(guān)系 根據(jù)欽江流域的地貌和實際海拔狀況,將研究區(qū)按照0~80m,80~ 160m,160~240m,240~320m,320~400m以及>400m劃分為6個高程分級帶,將高程分級帶與欽江流域的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行疊加分析并進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計,可得出不同高程帶的土壤侵蝕分布情況(表5和表6).從表中可以看出,欽江流域土壤侵蝕強(qiáng)度在240m以上的區(qū)域達(dá)到強(qiáng)度侵蝕的等級(50~80t/(hm2·a)),土壤侵蝕模數(shù)的平均值達(dá)到55.88t/(hm2·a)以上;高程在160m以下的區(qū)域土壤侵蝕的等級為輕度侵蝕,其平均值在22.03t/(hm2·a)以下.不同高程帶土壤侵蝕量也存在著顯著的差異,160~240m區(qū)域的土壤侵蝕量最大,占到流域侵蝕總量的24.82%,以此高程帶為中心,向上和向下土壤侵蝕逐漸減弱.不同土壤侵蝕強(qiáng)度的侵蝕量在各個高程區(qū)間所占的比例也存在著顯著的差異,具體來說在240m高程帶以下,土壤侵蝕量在各個高程帶的侵蝕強(qiáng)度均呈現(xiàn)出減小趨勢,240m以上土壤侵蝕量在各個高程帶的侵蝕量呈現(xiàn)出“增加-減少”趨勢.如在80~ 160m高程區(qū)間,土壤侵蝕量的百分比由微度侵蝕的15.08%依次降低到劇烈侵蝕的0.20%;在320~ 400m高程區(qū)間,土壤侵蝕量的百分比由微度侵蝕的1.78%增至中度侵蝕的5.02%之后降低到劇烈侵蝕的2.26%.

表5 欽江流域不同海拔高程土壤侵蝕統(tǒng)計特征

不同侵蝕強(qiáng)度在各個高程帶的面積分布也存在著顯著的差異:土壤侵蝕面積在不同的高程帶上隨著高程的增加侵蝕面積比例呈現(xiàn)出減少趨勢,微度侵蝕在各個高程帶上的面積比例呈現(xiàn)出減少趨勢,而其他的侵蝕強(qiáng)度的面積比例則呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢.如在中度侵蝕等級上土壤侵蝕面積百分比由0.24%增加到1.77%,之后又降到0.11%.微度及輕度土壤侵蝕主要發(fā)生在160m以下的高程帶上,而中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度以及劇烈土壤侵蝕則主要發(fā)生在0~240m之間的高程帶上,因此0~240m之間的高程帶區(qū)域是未來土壤侵蝕在進(jìn)行防治及預(yù)測的重點區(qū)域.

表6 欽江流域不同海拔高程不同土壤侵蝕等級侵蝕面積百分比(%)

4.2.2 土壤侵蝕與坡度的關(guān)系 根據(jù)水利部關(guān)于土壤侵蝕坡度等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)[SL190-2007],該研究按照0~5°,5~8°,8~15°,15~25°,25~35°以及>35°將欽江流域的坡度劃分為6個坡度帶,將坡度分級帶與流域的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行疊加分析并進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計,可得出不同坡度帶的土壤侵蝕分布情況(表7和表8).從表中可以看出,在15°以上的坡度帶土壤侵蝕達(dá)到強(qiáng)度侵蝕的等級(50~80t/(hm2·a)),土壤侵蝕模數(shù)的平均值達(dá)到61.01t/(hm2·a)以上;坡度在15°以下的區(qū)域土壤侵蝕的等級為輕度侵蝕,其平均值在33.73t/(hm2·a)以下.不同坡度帶土壤侵蝕量差異較大,0~5°之間區(qū)域的土壤侵蝕量最大,其值為110.61×104t/a,在5°帶以上,土壤侵蝕量隨著坡度的上升呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢,具體來說以15~25°帶為分界線,向上和向下土壤侵蝕逐漸減弱.不同土壤侵蝕強(qiáng)度的侵蝕量在各個坡度帶所占的比例也存在著顯著的差異,具體來說在8°帶以下,土壤侵蝕量在各個高程帶的侵蝕強(qiáng)度均呈現(xiàn)出減小趨勢,8°帶以上土壤侵蝕量在各個坡度帶的侵蝕量呈現(xiàn)出“增加-減少”趨勢.如在5~8°坡度區(qū)間,土壤侵蝕量的百分比由微度侵蝕的14.60%依次降低到極強(qiáng)度侵蝕的0.03%;在15~25度坡度區(qū)間,土壤侵蝕量的百分比由微度侵蝕的2.07%增至強(qiáng)度侵蝕的7.43%之后降低到極強(qiáng)度侵蝕的0.79%.

表7 欽江流域不同坡度侵蝕統(tǒng)計特征

不同侵蝕強(qiáng)度在各個坡度帶的侵蝕面積分布也存在著顯著的差異:微度侵蝕在各個高程帶上的面積比例呈現(xiàn)出減少趨勢,而其他的侵蝕強(qiáng)度的面積比例則呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢.如在強(qiáng)度侵蝕等級上土壤侵蝕面積百分比由0.16%增加到2.04%,之后又降到0.26%.小于15°范圍的土壤侵蝕量占到92.09%,因此未來15°以下的區(qū)域是欽江流域土壤侵蝕的重點預(yù)防和治理區(qū)域.

表8 欽江流域不同坡度不同土壤侵蝕等級侵蝕面積百分比(%)

4.2.3 土壤侵蝕與地貌類型的關(guān)系地貌類型是一個區(qū)域的海拔和坡度等指標(biāo)的綜合反映,因此,本研究根據(jù)廣西地貌類型數(shù)據(jù)將欽江流域的地貌類型劃分為丘陵、山地、沖積臺地以及沖積平原4種地貌類型,之后借助于GIS工具將欽江流域地貌類型數(shù)據(jù)與土壤侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,可以得到不同地貌類型的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布情況(圖7a).從圖中可知,在不同地貌類型中,侵蝕面積最大的是沖積平原,占30.02%;其次為沖積臺地和山地地貌單元,分別占28.19%和21.14%;丘陵地貌類型區(qū)所占的面積比重最小,其值為20.65%.從不同地貌類型侵蝕模數(shù)可以看出,山地地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最高,其值高達(dá)23.49t/(hm2·a),高于流域平均土壤侵蝕模數(shù)約1.59倍,丘陵地區(qū)次之(約為平均值的1.30倍),沖積臺地地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)與流域平均侵蝕模數(shù)持平,而沖積平原地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最小,其值僅為7.44t/(hm2·a).

地貌類型是一個區(qū)域的海拔和坡度等指標(biāo)的綜合反映,因此,本研究根據(jù)廣西地貌類型數(shù)據(jù)將欽江流域的地貌類型劃分為丘陵、山地、沖積臺地以及沖積平原4種地貌類型,之后借助于GIS工具將欽江流域地貌類型數(shù)據(jù)與土壤侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,可以得到不同地貌類型的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布情況(圖7.a).從圖中可知,在不同地貌類型中,侵蝕面積最大的是沖積平原,占30.02%;其次為沖積臺地和山地地貌單元,分別占28.19%和21.14%;丘陵地貌類型區(qū)所占的面積比重最小,其值為20.65%.從不同地貌類型侵蝕模數(shù)可以看出,山地地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最高,其值高達(dá)23.49t/hm2·a,高于流域平均土壤侵蝕模數(shù)約1.59倍,丘陵地區(qū)次之(約為平均值的1.30倍),沖積臺地地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)與流域平均侵蝕模數(shù)持平,而沖積平原地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最小,其值僅為7.44t/hm2·a.

4.2.4 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系 將欽江流域土地利用類型數(shù)據(jù)與土壤侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,可以得到不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布情況(圖7.b).在各種土地利用類型中,侵蝕面積最大的是耕地,占41.42%;其次為林地和草地,分別占36.80%和13.94%;建設(shè)用地、水體以及園地的土地利用類型侵蝕面積較少,僅為7.80%.從不同土地利用侵蝕模數(shù)可以看出,未利用地以及旱地的侵蝕模數(shù)相對較高,其中未利用地的土壤侵蝕模數(shù)為38.65t/(hm2·a),未利用地的土壤侵蝕模數(shù)之所以比較大,主要是由于未利用地沒有實施水土保持措施,在雨水的沖刷下容易流失;而旱地的侵蝕模數(shù)26.29t/(hm2·a),這說明近年來隨著大工業(yè)的開發(fā),欽江流域?qū)档氐拈_發(fā)程度增大,土壤侵蝕比較嚴(yán)重.

4.3 土壤硒元素分布規(guī)律及其流失評估

4.3.1 不同土地利用類型土壤硒沿剖面分布規(guī)律 土地利用方式對土壤硒含量的影響是多方面綜合作用的結(jié)果.本研究對欽江流域不同土地利用類型下表層剖面(0~20cm)的土壤硒含量進(jìn)行統(tǒng)計分析,結(jié)果表明研究區(qū)土壤剖面中硒元素均呈現(xiàn)出土壤上層比下層高的聚集型分布趨勢,即土壤硒含量隨著土壤剖面深度的增加呈現(xiàn)出減低趨勢,但是不同土地利用類型土壤硒含量存著顯著的差異.具體來說,在耕地類中,水田的土壤硒含量顯著高于旱地,尤其是在15~20cm土層變化極為顯著,表明在欽江流域中水田(即長期水稻種植)比旱地更有利于硒元素在土壤中的積累,尤其是在15~20cm土層單元中.就不同土地利用類型而言,流域林地的硒含量最高,其次為園地,而耕地類的土壤硒含量最低,其大小排序為林地>園地>草地>水田>旱地.林地生態(tài)系統(tǒng)土壤硒含量之所以比較高,這可能與林地生態(tài)系統(tǒng)中硒轉(zhuǎn)化到有機(jī)物中,并最終在土壤表層逐年累加,從而導(dǎo)致林地類土壤硒含量較高,而在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,長期耕作會導(dǎo)致土壤中的硒被植物大量消耗,而常規(guī)施肥不能補(bǔ)足損失的硒,從而致使農(nóng)田土壤中硒含量較低.

圖8 不同土地利用方式下流域表層土壤硒含量隨剖面的變化特征

4.3.2 不同土壤類型硒含量分布特征 表層土壤中的硒含量與區(qū)域的氣候狀況、風(fēng)化淋失程度、土壤的質(zhì)地屬性以及地力耗竭等有著很大的關(guān)系.根據(jù)全國第二次土壤調(diào)查普查數(shù)據(jù)可知,欽江流域的土壤類型主要有咸酸水稻土、紫色土、濱海沙土、磚紅壤、潴育水稻土、赤紅壤、新積土、淹育水稻土、潛育水稻土以及石灰?guī)r土.依據(jù)土壤類型分別對流域的硒含量進(jìn)行統(tǒng)計,從圖9可以看出,不同類型土壤硒含量大小順序為:新積土>石灰?guī)r土>潛育水稻土>淹育水稻土>赤紅壤>潴育水稻土>磚紅壤>濱海沙土>紫色土>咸酸水稻土.新積土和石灰土的土壤硒含量較高,其值分別為0.88和0.86mg/kg;潛育水稻土、淹育水稻土和赤紅壤次之,平均值分別為0.82、0.74和0.68mg/kg;而紫色土和咸酸水稻土的土壤硒含量相對較低,其中新積土和石灰土的土壤硒含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于研究區(qū)的平均值,而濱海沙土、紫色土以及咸酸水稻土的土壤硒含量低于研究區(qū)平均值,其他土壤類型的硒含量則略高于研究區(qū)平均值.新積土是流水新近堆積物上形成的一種初育土,主要形成于洪積物質(zhì)上,由于成土?xí)r間短,生物作用弱,母質(zhì)作用特性顯著,所以硒含量較高;石灰土由于質(zhì)地粘重,對土壤硒含量的吸附作用較強(qiáng),因此其硒含量較高,而紫色土和咸酸水稻土容易發(fā)生水土流失,導(dǎo)致土壤硒含量較低[35].

圖9 不同土壤類型硒含量統(tǒng)計特征

4.3.3 土壤硒元素空間分布規(guī)律及其流失特征 基于變異函數(shù)擬合模型,結(jié)合ArcGIS10.2中的地統(tǒng)計模塊中的克里金插值方法,選取二階趨勢參數(shù)并結(jié)合變異函數(shù)擬合模型對欽江流域的硒元素采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,將插值后的結(jié)果使用流域邊界進(jìn)行裁剪,可得出欽江流域硒元素空間分布圖(圖10).將硒元素空間分布圖與土壤侵蝕模數(shù)相乘可得到硒元素流失量空間分布狀況圖(圖10a).從圖10a中可以看出,欽江流域的硒含量介于0.38~ 0.72mg/ kg之間,平均值0.49mg/kg,高于中國土壤硒元素背景值(0.29mg/kg)[36],低于廣西境內(nèi)南寧地區(qū)表層土壤的平均值[25].高值區(qū)域主要集中在流域的上游地區(qū)檀圩地區(qū)、中游與下游的交錯地帶,低值區(qū)域則主要集中在流域上游發(fā)源地、中游的舊州圩以及下游的欽州市.譚見安[22]通過研究我國硒缺乏地方病,劃分出硒的生態(tài)景觀類型為:硒不足(<0.125× 10-6)、潛在硒不足((0.125~0.175)×10-6)、足硒((0.175~ 0.40)×10-6)、富硒((0.4~3.0)×10-6)、硒中毒(33.0× 10-6).依據(jù)這種劃分標(biāo)準(zhǔn),對圖8a中的插值結(jié)果進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計分析,從分析結(jié)果可知?dú)J江流域表層土壤總體上處于富硒狀態(tài),約占到研究區(qū)的96.18%,而足硒土壤僅占到研究區(qū)的3.82%.

由圖10b和表9可以看出,土壤硒元素流失量與土壤侵蝕強(qiáng)度空間格局相似,硒元素流失量較少的區(qū)域主要集中在海拔較低和地形平緩的區(qū)域,而硒元素流失量較高的區(qū)域則主要集中在地形起伏較大的山區(qū),流域硒元素的流失總量為8987.05kg/a,單位面積硒元素的流失量介于0~1.02kg/(hm2·a),平均流失量為0.0344kg/(hm2·a).在不同流域分區(qū)中,土壤硒元素的流失量空間差異比較明顯,其中流域的上游硒元素的流失模數(shù)最大,其值為0.0443kg/(hm2·a),是流域下游硒元素流失模數(shù)的2倍左右,而流域中游的硒元素流失模數(shù)最小,但是由于中游硒元素的流域面積最大,因此硒元素的流失量最大,流失量為4254.03kg/a.

圖10 欽江流域硒元素克里金插值(a)與硒元素流失量(b)空間分布

表9 欽江流域不同子流域硒元素流失統(tǒng)計特征

5 討論

5.1 土壤侵蝕模型精度及其計算結(jié)果比較

根據(jù)欽州市水利局提供的欽州市坡面徑流觀測場水土保持監(jiān)測點的徑流小區(qū)實測資料,2015年徑流小區(qū)實測的侵蝕模數(shù)為15.83t/(hm2·a),而借助于RUSLE模型所計算的結(jié)果為14.79t/(hm2·a),兩者之比為93.51%.由圖11可知模型計算土壤侵蝕面積(133218.27hm2)與水土保持監(jiān)測公報的結(jié)果(131885.25hm2)兩者的比值為101.01%,土壤輕度侵蝕的模型計算結(jié)果(77710.59hm2)與監(jiān)測結(jié)果(78580.63hm2)的比值為98.89%,中度到強(qiáng)度土壤侵蝕等級的計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的值也介于95.65~ 102.14%之間,表明土壤侵蝕模型的計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本一致,說明在欽江流域用RUSLE模型計算的土壤侵蝕模數(shù)與侵蝕面積的估算結(jié)果比較可信.

圖11 土壤侵蝕估算結(jié)果與欽州市水土保持公報對比

5.2 本研究結(jié)果的重要發(fā)現(xiàn)及意義

雖然本研究所計算的2015年的土壤侵蝕結(jié)果比2010年減少了0.43倍,但是土壤侵蝕的強(qiáng)度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于南方紅壤丘陵區(qū)的土壤允許流失量標(biāo)準(zhǔn),由于北部灣欽江流域處于廣西南部丘陵山地地區(qū),該地區(qū)的土壤類型中蘊(yùn)藏豐富的紅壤,其主要的土壤類型包括磚紅壤,赤紅壤,紫紅壤,該類土壤的可侵蝕能力高,加之該地區(qū)的降雨量大而集中、低山和丘陵交錯、地形破碎、坡度大、母巖抗蝕力弱、區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度空間差異性大,因此本研究通過對欽江流域的土壤侵蝕進(jìn)行定量化研究,可以量化流域土壤侵蝕的空間分布特征,為更好的指導(dǎo)流域水土流失綜合治理工作提供科技支撐,同時為《南方紅壤區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》提供典型案例和素材.此外,本研究還發(fā)現(xiàn)流域土壤侵蝕強(qiáng)度從流域上游到下游依次降低,0~240m之間的高程帶以及>15°的坡度帶是未來土壤侵蝕防治及預(yù)測的重點區(qū)域,這項定量研究成果可為欽州市政府在欽江流域開展有針對性的水土保持工作奠定了堅實的基礎(chǔ).

廣西是目前我國地球化學(xué)調(diào)查圈定的連片大面積富硒土壤區(qū)域,其中巴馬縣的土壤中含有豐富的硒資源,富硒土壤種植出的富硒農(nóng)產(chǎn)品,具有抗衰老、抑癌、解重金屬毒等功效,這也是巴馬縣成為廣西長壽之鄉(xiāng)的一個奧秘.但是其他區(qū)域的土壤硒含量如何,處于什么樣的水平,目前的研究成果較少,從本文的研究結(jié)果可知,欽江流域表層土壤的硒含量總體上處于富硒狀態(tài),約占到研究區(qū)的96.18%,而足硒土壤僅占到研究區(qū)的3.82%,這項研究成果可為欽江流域成為廣西富硒圈定區(qū)提供數(shù)據(jù)支撐,另外位于流域中游地區(qū)的九百垌平原以及板董平原由于水土光熱條件較好,成為廣西重要的糧食和甘蔗產(chǎn)區(qū),該項研究成果可為欽江市政府開發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品、發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)以及提升欽江流域土地利用的價值提供科學(xué)依據(jù).

5.3 本結(jié)果與同行結(jié)果的比較及其原因分析

本研究結(jié)果表明,欽江流域2015年的土壤侵蝕模數(shù)為14.79t/(hm2·a),該值與高峰等[37]2010年的研究結(jié)果相比,兩個時期流域的土壤侵蝕空間分布格局幾乎一致,但是本研究估算結(jié)果明顯小于2010年欽江流域的年均土壤侵蝕模數(shù)(26.09t/(hm2·a)). 2010~2015年,流域中度和強(qiáng)度土壤侵蝕面積減少14.11%和0.12%;微度和輕度土壤侵蝕面積則呈現(xiàn)出增加趨勢,這可能與該時期欽江流域的植被恢復(fù)有關(guān),土地利用變化改變了地形條件、土壤物理化學(xué)性質(zhì)、能夠引起影響土壤侵蝕的影響因素的變化,最終導(dǎo)致土壤侵蝕方式和強(qiáng)度的變化.南流江流域與欽江流域同屬北部灣地區(qū)入海典型流域,但是從南流江流域的多年平均土壤侵蝕模數(shù)可知,南流江土壤侵蝕模數(shù)[38](18.67t/(hm2·a))顯著大于欽江流域,兩個區(qū)域的降雨侵蝕力相當(dāng),這可能與土壤的質(zhì)地組成以及區(qū)域的地形和地貌有著很大的關(guān)系.就土壤類型來說,紅壤是廣西沿海的地帶性土壤,主要分布在玉林、北海,合浦以及欽州等市縣,其土層一般可分為腐殖質(zhì)層、淀積層以及母質(zhì)層三個層次,南流江流域的土壤類型中紅壤占到37.08%,而欽江流域紅壤占到21.86%.另外,南流江流域地質(zhì)地貌條件比較復(fù)雜,其北部為大容山,西部為羅陽山、六萬大山,東部為云開大山,流域內(nèi)部自北向南依次為玉林盆地、博白平原以及合浦平原,該流域地勢和地形差異較大,因此導(dǎo)致使用同樣的方法(RUSLE模型)計算的坡度和坡長因子較大,導(dǎo)致其流域的土壤侵蝕高于欽江流域.

從欽江流域的硒含量結(jié)果中可知,流域硒含量介于0.38~0.72mg/kg之間,平均值0.49mg/kg,高于中國土壤硒元素背景值(0.29mg/kg)[36]和廣西北部灣沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)(0.44mg/kg)[39],低于廣西境內(nèi)南寧地區(qū)表層土壤的平均值[25].對于自然成因的富硒土壤,其硒含量一般來源于成土母質(zhì)(母巖),即主要受地質(zhì)背景控制,成土母質(zhì)的硒含量與表層土壤的硒含量具有非常好的吻合性[40].就不同巖性來說,從變質(zhì)巖、巖漿巖到沉積巖,硒的豐度逐漸下降[41],南寧市的成土母質(zhì)以灰?guī)r夾硅質(zhì)巖、變質(zhì)砂巖夾板巖為主,而后兩者均屬于變質(zhì)巖范疇,欽州市的成土母質(zhì)則主要為碎屑巖類及酸性侵入巖,因此南寧土壤的硒元素平均含量較欽州偏高.而廣西北部灣沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)的東興市土壤則屬于缺硒土壤,其主要原因是東興市的土壤類型為濱海鹽土,而欽江流域富硒地區(qū)土壤類型為磚紅壤以及紅壤.濱海鹽土偏堿性,土壤淋濾作用強(qiáng),硒主要以硒酸鹽形式存在,容易發(fā)生遷移淋溶和被植物吸收,而磚紅壤和紅壤硒含量高[39].

5.4 研究中的不足與未來展望

不確定性是生態(tài)學(xué)模型和地球科學(xué)模型目前在應(yīng)用時面臨的普遍問題,這種不確定性的缺陷主要是由于數(shù)據(jù)的可用性、計算方法的合理性以及模型的實用性等方面導(dǎo)致的[42].本文在RUSLE模型因子的計算過程中,由前面的數(shù)據(jù)源可知,評估模型中因子的數(shù)據(jù)精度不一,因此在ArcGIS10.2中的柵格器計算過程中難免產(chǎn)生誤差,其中,降雨侵蝕力的研究只采用了國家級雨量站點數(shù)據(jù),如果在以后的計算工作當(dāng)中可以考慮到更多的縣級站點,由此可以進(jìn)一步提高降雨侵蝕力的計算精度;本研究在對坡度與坡長因子進(jìn)行估算的過程中采用的是劉寶元的方法進(jìn)行改進(jìn),該方法是基于黃土高原坡面實測數(shù)據(jù)所得,在北部灣欽江流域能否適用,在未來的研究中還值得進(jìn)一步的探討.此外,本研究在對土壤侵蝕精度進(jìn)行評估的過程中采用的水文站點是欽州市的水文站點,該氣象站點位于流域的下游地區(qū),在未來的研究中還可以考慮將研究區(qū)中游地區(qū)的河流徑流以及輸沙的年數(shù)據(jù),這樣可以從流域不同尺度上檢驗?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果.

此外,本研究率先將修改的通用土壤流失方程以及樣點硒元素實測數(shù)據(jù)結(jié)合,采用遙感、地理信息系統(tǒng)等數(shù)理統(tǒng)計方法評估了北部灣典型流域硒元素空間分布規(guī)律及其元素的流失量大小,為硒元素的定量化研究提供了方法學(xué)上的經(jīng)驗,也為國際同行進(jìn)行相關(guān)研究提供了新的研究視角,為拓展土壤硒元素研究的深度和廣度,并為研究典型流域土壤硒元素流失與土壤侵蝕之間的關(guān)系提供和探索了一套技術(shù)流程和途徑,但是應(yīng)該注意到本研究所選用的土壤侵蝕方程是修正的通用土壤流失方程(RUSLE模型),該模型合并了經(jīng)驗公式和一些基于過程的程序,使得模型所需的數(shù)據(jù)更符合當(dāng)?shù)靥攸c且數(shù)據(jù)容易獲取,未來在進(jìn)行研究時可考慮將物理模型如SWAT模型引入到土壤硒元素的流失評估中,這可使得硒元素的計算更加科學(xué)和可靠.

6 結(jié)論

6.1 2015年欽江流域土壤侵蝕總量為381.64× 104t/a,平均土壤侵蝕模數(shù)為14.79t/(hm2·a),小于2010年欽江流域的土壤侵蝕模數(shù)26.09t/(hm2·a),但遠(yuǎn)大于水利部規(guī)定的在南方紅壤丘陵區(qū)土壤允許流失量為5t/(hm2·a)的標(biāo)準(zhǔn).

6.2 流域土壤侵蝕強(qiáng)度以微度侵蝕為主,侵蝕強(qiáng)度從流域上游到下游依次降低.流域的土壤侵蝕空間分布格局與地形地貌特征極為相似,微度侵蝕的區(qū)域主要集中在中游和下游海拔較低和地形平緩的區(qū)域,強(qiáng)度侵蝕主要分布在上游地形起伏較大的山區(qū).0~240m之間的高程帶以及>15°區(qū)域的坡度帶是未來土壤侵蝕在進(jìn)行防治的重點區(qū)域.

6.3 山地地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最高,其值高達(dá)23.49t/(hm2·a),高于流域平均土壤侵蝕模數(shù)約1.59倍,丘陵地區(qū)次之,沖積臺地地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)與流域平均侵蝕模數(shù)持平,而沖積平原地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最小,其值僅為7.44t/(hm2·a).

6.4 土壤硒含量在不同土地利用類型中隨著土壤剖面深度的增加均呈現(xiàn)出減低趨勢,流域不同土地利用類型硒的含量大小排序為林地>園地>草地>水田>旱地.不同類型土壤硒含量大小順序為:新積土>石灰?guī)r土>潛育水稻土>淹育水稻土>赤紅壤>潴育水稻土>磚紅壤>濱海沙土>紫色土>咸酸水稻土.

6.5 流域的硒含量介于0.38~0.72mg/kg之間,平均值為0.49mg/kg;硒元素的流失總量為8987.05kg/a,平均流失模數(shù)為0.0344kg/(hm2·a),其中流域中游的硒元素流失量最大,流失量為4254.03kg/a.

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Soil erosion and Selenium loss in Qinjiang River Basin in Beibu Gulf coastal zone.

TIAN Yi-chao1,2,3, HUANG Yuan-lin1*, ZHANG Qiang1, TAO Jin1, ZHANG Ya-li1, XIE Xiao-kui1, WANG Ri-ming1

(1.College of Resources and Environment, Beibu Gulf University, Qinzhou 535011, China；2.Key Laboratory of Marine Geographic Information Resources Development and Utilization in the Beibu Gulf, Beibu Gulf University, Qinzhou 535011, China；3.National Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Geochemistry Institute of Chinese Academy of Science, Guiyang 550002, China)., 2019,39(1)：257~273

Based on the meteorological data, remote sensing data, digital elevation model, soil types and soil texture data of Qinjiang River basin in 2015, the spatial distribution of soil erosion and associated Se loss in 2015 in Qinjiang River Basin in Beibu Gulf coastal zone, was quantitatively analyzed by using the modified universal soil loss equation (RUSLE) and GIS spatial analysis technology technique. The results indicated that the total amount of soil erosion in Beibu Gulf Qinjiang River Basin in 2015 was 381.64×104t/a, and the average modulus of soil erosion was 14.79t/(hm2·a). The soil erosion modulus of the Qinjiang River Basin was less than that of the 2010, but far greater than that of the Ministry of water resources in the red soil hilly area of the South China. The soil erosion intensity was mainly slight erosion, which decreased successively from upstream to downstreamin the basin. The elevation zone between 0~240m and the slope zone belts of greater than 15degrees were the key areas for soil erosion prevention in the future. The highest modulus of soil erosion in mountainous area was 23.49t/(hm2·a), which was about 1.59times higher than the average modulus of soil erosion in watershed, followed by hilly area and the smallest in alluvial plain. The content of selenium in the soil was between 0.38~0.72mg/kg, with the average value of 0.49mg/kg, which was 1.69times higher than the background value of selenium in Chinese. Selenium content in different land use types decreased with the increase of soil profile depth. The order of Se content in different land use types was forest land > garden land > grassland > paddy field > dry land, and the order of Se content in different soil types was: new accumulated soil > limestone soil > gleying paddy soil > flooded paddy soil > dry land. Lateritic red soil > paddy soil soil > lateritic soil > coastal sandy soil > purple soil > salty acid paddy soil. The total loss of selenium Qinjiang River Basin was 8987.05kg/a.The average loss modulus was 0.0344kg/(hm2·a), and the loss of selenium in the middle reaches of the river basin was the largest. The results can provide scientific basis for the development of selenium-rich agricultural products, the development of selenium-rich agriculture and the promotion of land use value in Qinjiang River Basin.

soil erosion；RUSLE；Se loss；the technology of RS and GIS；Qinjiang River Basin in Beibu Gulf coastal zone

X144

A

1000-6923(2019)01-0257-17

田義超(1986-),男,陜西西安人,工程師,博士,主要從事資源環(huán)境遙感及海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的相關(guān)研究.發(fā)表論文20余篇.

2018-06-14

國家自然科學(xué)基金資助項目(41361022);廣西科技重大專項與廣西重點研發(fā)計劃(2018AA13005);廣西自然科學(xué)基金資助項目(2014GXNSFBA118221);廣西教育廳基金資助項目(ZD2014138,LX2014452);廣西北部灣海洋生物多樣性養(yǎng)護(hù)重點實驗室(2015ZB07);廣西本科高校特色專業(yè)及實驗實訓(xùn)教學(xué)基地建設(shè)項目(桂教高教〔2018〕52號)

* 責(zé)任作者, 副教授, huangyuanlin@yeah.net