基于CSLE模型的廣西土壤侵蝕規(guī)律

魏夢瑤, 張卓棟, 劉瑛娜, 張科利

(北京師范大學 地理科學學部地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室, 北京100875)

我國是世界上喀斯特面積最大(344.3萬km2)、分布最廣、類型最多的國家，其中西南喀斯特地區(qū)是全球三大喀斯特集中分布區(qū)，該區(qū)連片裸露碳酸鹽巖面積最大、巖溶發(fā)育最強烈[1]。脆弱復雜的生態(tài)環(huán)境與不合理的人類活動導致該地區(qū)土壤侵蝕嚴重，危害人類生存與社會經(jīng)濟發(fā)展。西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕導致的石漠化問題逐漸嚴重，已經(jīng)成為繼黃土高原水土流失和北方地區(qū)沙漠化問題之后的我國第三大嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[2]，同時該地區(qū)相關研究還比較薄弱，缺少基礎規(guī)律性的研究成果。

廣西壯族自治區(qū)作為我國喀斯特地貌分布主要省區(qū)之一，土壤侵蝕分布范圍廣泛，根據(jù)廣西第一次水利普查公報數(shù)據(jù)[3]，廣西土壤侵蝕面積達5.05萬km2，占土地總面積的21.34%，同時人類不合理的土地利用導致區(qū)域水土流失加劇、石漠化日益嚴重，成為西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施的重點和難點地區(qū)[4]。目前有關廣西喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的研究相對較少且主要集中在坡面、小流域等較小尺度，李豪等[5]利用137Cs示蹤技術定量研究峰叢洼地與小流域尺度泥沙堆積、土壤流失情況；陳洪松等[6]利用大型徑流小區(qū)法研究了環(huán)江地區(qū)峰叢洼地區(qū)不同利用方式坡面的降雨產(chǎn)流與地表產(chǎn)沙特征的關系；王保田等[7]利用人工降雨探索了廣西石漠化地區(qū)坡面侵蝕過程。已有零散研究為初步認識廣西土壤侵蝕特征及其影響因素提供了有益參考。然而，由于喀斯特地貌廣泛發(fā)育，地形破碎，區(qū)域差異顯著，已有研究不能夠完整全面反映出全區(qū)尺度的土壤侵蝕狀況。水利部自2010—2012年開展了第一次全國水利普查，運用野外調(diào)查與定量評價相結(jié)合的方法，得到了全國范圍土壤侵蝕強度與分布數(shù)據(jù)。本文的研究目標是利用第一次水利普查廣西野外調(diào)查數(shù)據(jù)，通過分析廣西土地利用、地形等重要因子，探究廣西土壤侵蝕規(guī)律及空間分布特征，從而為全面、準確地認識廣西土壤侵蝕現(xiàn)狀以及水土保持規(guī)劃布局和確定生態(tài)恢復治理重點區(qū)域提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)位于我國南部(104°26′—112°04′E，20°54′—26°24′N)，地處云貴高原東南邊緣，兩廣丘陵西部，南臨北部灣。地形以山地為主，丘陵次之，平原較少。地勢自西北向東南傾斜，四周多山地與高原，中、南部多為丘陵平地，呈盆地狀。氣候類型為亞熱帶季風氣候，降水豐富，雨熱同期，年均溫21℃，年均降水量1 070 mm。植被類型為常綠闊葉林，主要土壤類型為紅壤、赤紅壤、黃壤、石灰?guī)r土等。區(qū)域內(nèi)水土流失、石漠化嚴重。土地利用以林地、耕地、草地和園地為主。

1.2 野外調(diào)查方法與內(nèi)容

野外調(diào)查單元是為了野外實地調(diào)查土地利用和水土保持措施而劃定的空間范圍，根據(jù)地形分為平原區(qū)的網(wǎng)格與丘陵、山地的小流域[8]。選取高斯—克呂格投影分帶并劃分為四層網(wǎng)格，每一層網(wǎng)格在上一層網(wǎng)格基礎上進一步劃分，以4%的密度在第4層基本侵蝕調(diào)查單元中心抽取1個1 km×1 km網(wǎng)格作為基本位置。野外調(diào)查內(nèi)容主要為土壤侵蝕各影響因子，主要包括坡度、坡長、土地利用、植被覆蓋狀況，以及生物、耕作、工程措施實施現(xiàn)狀。經(jīng)野外調(diào)查獲得有關廣西數(shù)據(jù)共有100個市縣區(qū)，2 319個侵蝕調(diào)查單元，21 473個侵蝕調(diào)查地塊，調(diào)查總面積686.35 km2。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

在前期野外調(diào)查與準備工作完成后，利用中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)[9]計算各侵蝕調(diào)查單元土壤水蝕模數(shù)。

表1 主要土地利用類型坡度統(tǒng)計

方程基本形式為：M=R·K·L·S·B·E·T。其中：M為土壤水蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm)/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；L和S分別為坡長和坡度因子，無量綱；B為植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱[9]。在分析統(tǒng)計土壤侵蝕模數(shù)過程中，根據(jù)以往小區(qū)實測數(shù)據(jù)[10]對耕作措施因子及生物措施因子進行了修正。利用SPSS 20.0軟件進行描述統(tǒng)計分析和分類匯總，利用Pearson相關分析探索坡度、坡長與土壤侵蝕的相關關系。利用ArcGIS 10.2軟件從已有研究中[11]提取石漠化地貌類型分區(qū)數(shù)據(jù)，對坡長、坡度及侵蝕強度數(shù)據(jù)進行克里金空間插值，并疊加地貌分區(qū)圖進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡度與土壤侵蝕

由表1可知，廣西侵蝕調(diào)查單元的平均坡度為18.49°，4種主要土地利用中林地坡度最大，為24.34°，草地次之，隨后是園地，耕地平均坡度最小，為11.06°。整體來看，廣西坡度范圍0°～70°，主要集中在0°～40°(面積占比為96.2%)。相較于東北地區(qū)(0.8°)和北方土石區(qū)(12.1°)等，廣西喀斯特地區(qū)坡面整體坡度較大，但小于黃土丘陵區(qū)平均坡度(22.3°)[12]?？臻g上，廣西坡度主要為由西北向東南遞減(圖1)。其中西北部鄰近貴州、云南地區(qū)坡度最大，以陡坡為主，中部及北部坡度較小，地形較平緩。

坡度是地貌形態(tài)重要因子之一，同時也是影響土壤侵蝕的重要因素[13]。研究表明，坡度對土壤侵蝕的影響具有臨界坡度，即隨著坡度增加土壤侵蝕量隨之增加，但到達某一坡度即臨界坡度后，不再增加或開始減少[14]。統(tǒng)計各土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)隨坡度變化情況(表2)可以看出，各土地利用類型隨坡度增加，土壤侵蝕模數(shù)都呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢，這與已有研究規(guī)律一致[15-16]。由于不同土地利用下的侵蝕環(huán)境與主要侵蝕方式不同，侵蝕模數(shù)的最大值出現(xiàn)的坡度范圍有所不同，林地的最大值出現(xiàn)在30°～35°，耕地和園地出現(xiàn)在35°～40°，草地和區(qū)域總體統(tǒng)計得到的最大值都出現(xiàn)在25°～30°。大于此最大值出現(xiàn)的坡度后，土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度的增大而逐漸減小或趨于平緩，這表明廣西土壤侵蝕存在臨界坡度，范圍在25°～40°。

表2 不同坡度條件下各土地利用的土壤侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

圖1 廣西各侵蝕調(diào)查單元坡度空間分布

2.2 坡長與土壤侵蝕

坡長通過影響坡面徑流、泥沙運移來影響侵蝕產(chǎn)沙，是影響坡面侵蝕的重要因子[17]。通過表3可知，廣西平均坡長為35.60 m。不同土地利用類型坡長狀況不同，其中：林地>園地>草地>耕地，林地坡長最長，耕地坡長最短。廣西侵蝕地塊的坡長主要集中在10～60 m，占總體的90.1%，尤其集中在20～50 m，該部分坡長占總體的70.7%，30～40 m為坡長分布最集中的長度。相較于已有研究中東北(479 m)、黃土丘陵區(qū)(83 m)、北方土石區(qū)(121 m)等[12]，廣西喀斯特地區(qū)坡面整體坡長較短。圖2為廣西各侵蝕調(diào)查單元坡長空間分布圖，從中可知，廣西坡長在空間上分布規(guī)律與坡度基本一致，主要呈現(xiàn)由西北向東南遞減的規(guī)律。其中西北部鄰近貴州、云南的地區(qū)坡長最大，坡長最小的地區(qū)位于廣西中部及南部沿海地區(qū)。

表3 主要土地利用類型坡長統(tǒng)計

表4 不同坡長條件下各土地利用的土壤侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

隨著坡長增加，各土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(表4)。各土地利用規(guī)律有所差異，但總體上當坡長小于70 m時，隨著坡長增加土壤侵蝕模數(shù)逐漸增大，而在70 m以上的坡面，土壤侵蝕模數(shù)隨坡長增加呈現(xiàn)降低趨勢。同時，相同坡度或坡長條件下，耕地土壤侵蝕模數(shù)明顯大于其他土地利用類型，侵蝕強度較大。尤其是坡度大于15°的陡坡耕地，土壤侵蝕狀況嚴重，15°以上陡坡耕地土壤侵蝕模數(shù)是廣西總體土壤侵蝕模數(shù)平均值的3.73倍。通過Pearson相關分析可知，廣西地區(qū)坡長與土壤侵蝕的相關系數(shù)稍大于坡度。

圖2 廣西各侵蝕調(diào)查單元坡長空間分布

2.3 土地利用與土壤侵蝕

土壤侵蝕影響因素復雜，主要分為自然因素與人為因素，自然因素包括降雨、土壤、地形、植被條件等，人為因素更為復雜和不確定，人類活動影響土壤侵蝕最直接的方式為土地利用。土地利用方式會影響植被條件、土壤理化性質(zhì)等，進而對土壤侵蝕產(chǎn)生重要影響[18]。

通過統(tǒng)計分析廣西土地利用現(xiàn)狀可知(表5)，土地利用類型以林地為主(66.15%)，其次為耕地(18.29%)、草地(6.32%)、園地(5.34%)，共占總面積的96%。總體來看廣西喀斯特地區(qū)地形相對破碎，平均侵蝕地塊面積僅為3.2 hm2，其中有66%的侵蝕地塊面積<2 hm2。見表5，廣西喀斯特地區(qū)4種主要土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)為耕地>園地>林地>草地。耕地土壤侵蝕模數(shù)均值為總體的2.28倍，并分別為園、林、草地的4.81，7.18，11.65倍。這表明耕地的土壤侵蝕最嚴重，對廣西喀斯特地區(qū)整體土壤侵蝕總量貢獻較大。這主要是由于耕地受人為擾動最大，農(nóng)耕活動導致土壤疏松易受侵蝕，再加之喀斯特地區(qū)土層較薄，使其土壤侵蝕的后果更為嚴重。除耕地外，園地受人類活動影響也較大，而林草地植被覆蓋狀況較好，良好的植被覆蓋可以防止雨滴擊濺、減緩地表徑流，發(fā)達的植物根系也有利于固定土壤與改善土壤狀況，因此林草地土壤不易產(chǎn)生土壤侵蝕。

表5 不同土地利用類型侵蝕地塊統(tǒng)計特征

表6 不同土地利用類型侵蝕強度面積占比 %

分析不同土地利用類型侵蝕強度占比可知(表6)，廣西喀斯特地區(qū)土壤侵蝕強度以微度至輕度為主(88.22%)，4種主要的土地利用類型相比較，耕地中強烈以上土壤侵蝕面積占比最多(28.02%)。如圖3所示，廣西耕地侵蝕最為嚴重地區(qū)主要集中在西北部及西南邊界地區(qū)，其中西北部基本與坡度較大地區(qū)分布范圍一致，說明陡坡耕作對土壤侵蝕影響明顯。綜上可以發(fā)現(xiàn)，4種主要土地利用類型中耕地不僅土壤侵蝕模數(shù)最大，同時侵蝕嚴重的地區(qū)面積占比最大，侵蝕強度和范圍都最為突出。

2.4 土壤侵蝕空間分布與區(qū)域差異

廣西土壤侵蝕強度空間差異明顯，土壤侵蝕強度較大(中度及以上)區(qū)域主要分布在西北部與南部地區(qū)。從喀斯特地貌分區(qū)上來看，侵蝕強度較大區(qū)域主要集中在峰叢洼地地區(qū)，部分位于峰林平原和非喀區(qū)(圖4)，這與地形、降雨以及土地利用、人類活動等因素有關。

圖3 廣西耕地侵蝕強度空間分布

圖4 廣西土壤侵蝕強度空間分布

結(jié)合圖1—3的坡長、坡度及耕地侵蝕強度空間分布圖可知，廣西坡長、坡度由西北向東南遞減，西北部主要為長陡坡，同時位于峰叢洼地地區(qū)，地形崎嶇破碎、起伏變化大，土層較薄，坡耕地開墾嚴重，加之降水年際分布不均，夏季多暴雨，土壤侵蝕嚴重。中部地區(qū)侵蝕以微度至中度為主，中部地形以盆地和平原為主，地形較平坦，雖然人口密度較西北部大，但坡度較小，土壤侵蝕強度相對較小。降雨是坡面侵蝕重要的動力來源，各因素中降雨強度對土壤侵蝕的影響尤為重要[19]。廣西南部沿海地區(qū)，雖然坡長、坡度較小，但靠近海洋，雨量充沛且降水集中，沖刷能力強，且為碳酸鹽巖地區(qū)，極易發(fā)生水土流失。根據(jù)蔡卓杰等人研究可知，南部尤其東南地區(qū)人口密度大，耕地占比較多，人類活動尤其是農(nóng)業(yè)活動頻繁[20]。地形和降水條件加上人為不合理耕作導致該地土壤侵蝕嚴重。在進行區(qū)域水土流失防治和規(guī)劃布局時，應在侵蝕嚴重地區(qū)重點布設水土保持措施，同時也要兼顧其他侵蝕地區(qū)，做到重點防護，綜合治理。

3 結(jié) 論

(1) 廣西平均坡長較短，為35.60 m，平均坡度較大，為18.49°。區(qū)域內(nèi)坡長與坡度空間分布特征基本一致，大致呈由西北向東南遞減，西北部臨近貴州、云南省地區(qū)，主要為峰叢洼地，地形陡峭崎嶇，坡度、坡長較大。

(2) 隨坡度增加，廣西各土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，不同土地利用類型坡度臨界值有所不同，集中在25°～40°范圍內(nèi)。坡長小于70 m時，土壤侵蝕模數(shù)隨坡長增加不斷增大。

(3) 廣西占比最大的土地利用類型為林地(66.15%)，4種主要土地利用類型分別為林地、耕地、草地、園地，共占總面積的96%。該地區(qū)侵蝕地塊相對破碎，66%的侵蝕地塊面積<2 hm2。各土地利用類型中耕地侵蝕模數(shù)最大，對廣西整體土壤侵蝕貢獻較大，尤其是大于15°的坡耕地。

(4) 廣西侵蝕強度較大區(qū)域主要分布在西北部臨近貴州、云南地區(qū)以及南部臨海區(qū)域，中部地區(qū)也有部分地區(qū)侵蝕強度較大，這與地形地貌及人類活動，尤其是陡坡耕地開墾有關。應針對這些地區(qū)重點進行水土流失防治，避免陡坡開墾。