云南省土壤可蝕性及其空間分布特征

李季孝，丁劍宏，陶余銓，王 偉

（云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明650228）

據(jù)2015年土壤侵蝕遙感調(diào)查，云南省土壤侵蝕總面積 10．47 萬 km2，占全省土地面積的 27．33%［1］。 嚴(yán)重的水土流失，破壞土地資源，致使泥沙淤積河床、水庫、湖泊，導(dǎo)致洪澇、旱災(zāi)、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，同時使水環(huán)境惡化，威脅人飲安全，嚴(yán)重制約社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［2］。為了有效防治水土流失，需要對導(dǎo)致土壤侵蝕的因素進(jìn)行定量評價。導(dǎo)致土壤侵蝕的因素有降雨、土壤、地形地貌、植被等，其中土壤可蝕性是重要因素之一［3］。土壤可蝕性是指土壤受侵蝕動力破壞的性能，即土壤對侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運(yùn)的敏感性［4］，國際上通常用K值來衡量土壤可蝕性，它是評價土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度的一項(xiàng)指標(biāo)［5］，也是定量計(jì)算土壤流失的重要指標(biāo)，是通用土壤流失方程（USLE）中的重要參數(shù)之一［6］。因此，國際上一直把土壤可蝕性研究作為水土保持學(xué)科研究的重要內(nèi)容之一［7］。筆者通過模型計(jì)算和GIS空間分析，對云南省土壤可蝕性K值的空間分布特征進(jìn)行定量分析，旨在為云南省土壤侵蝕研究、土壤環(huán)境潛在危險性評價、水土保持工作和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 研究方法

1．1 資料收集

基于《中國土種志》《云南省土種志》《云南省第二次土壤普查數(shù)據(jù)資料集》［8-10］等，共收集了274個土壤剖面的相關(guān)資料。2014年5—7月對274個土壤剖面中的222個典型剖面開展野外調(diào)查，涉及云南省103個縣（市、區(qū)），對野外采集的土壤樣本送南京土壤研究所檢測機(jī)械組成（土壤粒徑）和有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)。同時，收集了14個徑流場和54個徑流小區(qū)2014—2015年所有產(chǎn)流過程資料，包括紅壤（8個徑流場）、紫色土（4個徑流場）、黃壤（1個徑流場）和棕壤（1個徑流場）4種土壤類型，地理位置分布在楚雄、昭通、昆明和玉溪等4個州（市），用小區(qū)次降雨侵蝕產(chǎn)沙資料驗(yàn)證和修訂計(jì)算的K值。所用的土壤圖為云南省1∶75萬土壤圖紙質(zhì)版［11］，將其掃描成TIFF格式的電子圖，矢量化后經(jīng)幾何校正、數(shù)字化、土壤命名和空間分布對比后，得到云南省土壤類型矢量圖。研究所需的輔助數(shù)據(jù)（DEM數(shù)據(jù)）源自BIGEMAP地圖。

1．2 土壤可蝕性K值計(jì)算方法

土壤可蝕性估算模型較多，第一次全國水利普查水土保持專項(xiàng)普查中采用Wischmeier模型和Williams模型計(jì)算土壤可蝕性K值［12］。根據(jù)獲取的資料，本研究采用Wischmeier模型和Williams模型計(jì)算所有土種的土壤可蝕性K值，建立兩種計(jì)算方法間的經(jīng)驗(yàn)回歸方程［13-14］，土壤有機(jī)質(zhì)含量小于 12%時采用Wischmeier模型計(jì)算值，有機(jī)質(zhì)含量大于12%時用經(jīng)驗(yàn)回歸方程將Williams模型計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為Wischmeier模型計(jì)算值。

Wischmeier模型計(jì)算公式為

式中：M＝N1（100-N2）或者 M＝N1（N3+N4），其中 N1為粒徑 0．002～0．1 mm 的細(xì)顆粒含量（百分比），N2為粒徑＜0．002 mm 的黏粒含量，N3為粒徑 0．002～0．05 mm的粉砂含量，N4為粒徑0．05～2 mm 的砂粒含量；O為土壤有機(jī)質(zhì)含量，%；S為土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)［12］；P為土壤滲透性等級［12］。

Williams模型計(jì)算公式為

式中：Sa為砂粒（0．05～2 mm）含量，%；Si為粉砂（0．002～0．05 mm） 含量，%；Sn＝ 1-Sa／100；Ci為黏粒（＜0．002 mm）含量，%；C 為有機(jī)碳含量，%。

1．3 土壤可蝕性K值計(jì)算過程

土壤可蝕性K值計(jì)算過程如下：

（1）將收集、測定的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，建立云南省土壤剖面數(shù)據(jù)庫；

（2）采用圖解法將第二次土壤普查所得土壤粒徑指標(biāo)轉(zhuǎn)化為美國標(biāo)準(zhǔn)；

（3）采用式（1）和式（2）計(jì)算每種土壤的可蝕性K值；

（4）對土壤圖上的圖斑屬性（不同土種）按面積加權(quán)法進(jìn)行歸并；

（5）利用監(jiān)測資料修訂計(jì)算的土壤可蝕性K值（由于本研究收集監(jiān)測資料涉及的土壤類型相對較少、分布位置主要在滇東北和滇中地區(qū)，因此具體土壤可蝕性K值修訂采取土類歸并法，即若土壤類型相同則用相同的K值訂正系數(shù)，若土壤類型不同則向土綱歸并，相同的土綱采用相同的訂正系數(shù)，若土綱也不相同則采用全省平均訂正系數(shù)）；

（6）將土壤類型可蝕性K值與云南省土壤類型圖的屬性表進(jìn)行鏈接，得到云南省土壤可蝕性K值分布圖。

2 結(jié)果分析

2．1 土壤可蝕性K值計(jì)算結(jié)果

云南省土壤可蝕性 K 值為 0．000 3～0．016 9，平均值為0．006 2，高山寒漠土可蝕性 K 值為 0．000 3（最小），紫色土可蝕性K值為0．016 9（最大）。根據(jù)云南省土壤可蝕性K值分布情況，考慮數(shù)據(jù)區(qū)域的連通性，分別以 0．004、0．005、0．006、0．008 為土壤可蝕性 K值的閾值，將全省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等5個等級［15］，面積分別占全省土地面積的 12．61%、19．55%、29．51%、19．25%、19．08%。 可以看出，云南省土壤可蝕性以中等可蝕性為主（占比29．51%），其土壤可蝕性K值為 0．005～0．006。

2．2 土壤可蝕性空間變化特征

由圖1可以看出，云南省土壤可蝕性的空間分異特征十分明顯，高可蝕性區(qū)域主要為滇中、滇東南、滇東北的紫色土分布區(qū)，低可蝕性區(qū)域主要為滇西、滇西南、滇西北的高山寒漠土和棕色針葉林分布區(qū)。為了進(jìn)一步分析云南省土壤可蝕性空間分異特征，從不同州（市）、不同流域和不同海拔高度分析云南省土壤可蝕性空間分布特征。

2．2．1 各州（市）土壤可蝕性分布特征

由表1可以看出：云南省各州（市）土壤可蝕性平均值相差較大，最大的是楚雄州0．010 1，最小的是迪慶州0．004 8；玉溪市和昆明市土壤可蝕性空間變異明顯，這主要是區(qū)域內(nèi)各類土壤的理化性質(zhì)差異性引起的；怒江州和迪慶州極差也非常大，這兩個州內(nèi)垂直高差比較大，K值極差大可能是土壤可蝕性的垂直差異導(dǎo)致的。

圖1 云南省土壤可蝕性空間變化情況

表1 各州（市）土壤可蝕性K值

為進(jìn)一步研究土壤可蝕性空間變異特征，統(tǒng)計(jì)各州（市）不同可蝕性等級的面積占比，見圖2。各州（市）土壤可蝕性等級分布差異較大：楚雄州和大理市高可蝕性面積占比最大，分別為65．04%和35．62%；迪慶州和怒江州低可蝕性面積占比最大，分別為40．81%和29．54%；昆明市、文山州、玉溪市、曲靖市、普洱市、麗江市土壤可蝕性以中等為主，中等可蝕性面積占比分別為 51．46%、48．81%、42．76%、40．98%、38．03%、31．09%；西雙版納州以較低可蝕性為主，面積占比為67．55%；保山市、昭通市以較低可蝕性和較高可蝕性為主，面積占比分別為 32．01%、31．92%和 28．57%、25．95%；臨滄市、德宏州以較低可蝕性和中等可蝕性為主，面積占比分別為 38．54%、22．40%和 34．77%、28．38%；紅河州以較高可蝕性和中等可蝕性為主，面積占比分別為36．46%和23．16%。以上數(shù)據(jù)說明，楚雄州土壤可蝕性K值最大，該州是高可蝕性面積最廣的州（市），土壤抗侵蝕營力敏感性最強(qiáng)。

圖2 各州（市）不同土壤可蝕性等級面積占比

2．2．2 不同流域土壤可蝕性分布特征

由表2可以看出：云南省各流域土壤可蝕性K值相差不大，最大的是紅河流域0．006 9，最小的是伊洛瓦底江流域0．005 2；金沙江流域土壤可蝕性空間變異最為明顯，主要原因是金沙江流域涉及土壤可蝕性較高的楚雄州和較低的迪慶州。

表2 云南省六大流域土壤可蝕性K值

為進(jìn)一步研究云南省各流域土壤可蝕性分布特征，統(tǒng)計(jì)了各流域不同可蝕性等級的面積占比，見圖3。

圖3 各流域不同土壤可蝕性等級面積占比

金沙江流域以中等可蝕性和高可蝕性為主，面積占比分別為26．94%和21．51%；珠江流域以中等可蝕性和較高可蝕性為主，面積占比分別為39．43%和28．18%；紅河流域以中等可蝕性和高可蝕性為主，面積占比分別為35．47%和26．14%；瀾滄江流域以較低可蝕性和中等可蝕性為主，面積占比分別為32．58%和25．28%；怒江流域以較低可蝕性和較高可蝕性為主，面積占比分別為31．47%和26．28%；伊洛瓦底江流域以低可蝕性和較低可蝕性為主，面積占比分別為24．19%和35．72%。以上數(shù)據(jù)表明，紅河流域土壤最易受侵蝕營力破壞，珠江流域高可蝕性面積最廣即土壤易受侵蝕營力破壞范圍最廣。

2．2．3 不同海拔高度土壤可蝕性分布特征

按照間隔1 000 m劃分海拔高度，統(tǒng)計(jì)不同海拔的土壤可蝕性指標(biāo)，見表3。海拔為1 000～2 000 m的土壤可蝕性平均值最大（為0．006 6），海拔為2 000～3 000 m的次之（為0．006 2），土壤可蝕性均屬較高等級；海拔為0～1 000 m和3 000～4 000 m的土壤可蝕性平均值分別為0．005 9和0．005 1，土壤可蝕性等級均為中等；海拔為4 000～5 000 m的土壤可蝕性K值為0．004 1，土壤可蝕性等級為較低；海拔在5 000 m以上的地區(qū)土壤可蝕性明顯降低，土壤可蝕性K值為0．000 5。由標(biāo)準(zhǔn)差、極差和變異系數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)可以看出，海拔為4 000～5 000 m的土壤可蝕性空間變異較為明顯，其原因是該海拔高度主要分布高山寒漠土及裸巖石礫地等，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［15］。

表3 不同海拔高度土壤可蝕性K值

由圖4可以看出：3 000 m以上各級海拔高度低可蝕性面積占比較大，分別為 40．53%、51．15%、96．84%；海拔為0～1 000 m土壤可蝕性以較低和中等為主，面積占比分別為 37．29%和36．12%；海拔 1 000～2 000 m、2 000～3 000 m以中等可蝕性和高可蝕性為主，面積占比分別為29．16%、22．38%和30．96%、18．27%。 以上數(shù)據(jù)說明云南省土壤可蝕性較強(qiáng)的海拔高度為1 000～3 000 m。

圖4 不同海拔高度各土壤可蝕性等級面積占比

3 結(jié) 語

云南省土壤可蝕性K值平均為0．006 2，屬于中等可蝕性；土壤可蝕性K值最大的州（市）是楚雄州、最大的流域是紅河流域，1 000～2 000 m海拔高度的土壤可蝕性K值最大。本文從空間上研究了土壤可蝕性的分布特征，未進(jìn)行時間尺度上的研究，而云南省降雨、干濕季節(jié)分異較為明顯，受濕度、溫度的影響，土壤可蝕性季節(jié)變化明顯，有待下一步研究。