中國(guó)4種典型土地利用類(lèi)型土壤水蝕成因的差異性分析

［關(guān)鍵詞］

土壤水蝕；成因；差異性；氣候變化；土壤質(zhì)地；土地利用類(lèi)型；中國(guó)

［摘" 要］

為揭示區(qū)域尺度上不同土地利用類(lèi)型土壤水蝕產(chǎn)生的機(jī)理，分析了我國(guó)水蝕區(qū)4種典型土地利用類(lèi)型（水田、旱地、草地和林地）下氣溫、降水量、土壤質(zhì)地、坡度、歸一化植被指數(shù)和土壤水蝕量的差異，并利用多元逐步回歸計(jì)算了不同因素對(duì)4種土地利用類(lèi)型土壤水蝕量的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明：4種土地利用類(lèi)型的土壤水蝕量表現(xiàn)為林地［55.10 t/（hm2·a）］＞水田［54.35 t/（hm2·a）］＞旱地［26.69 t/（hm2·a）］＞草地［12.96 t/（hm2·a）］；土壤水蝕量均隨氣溫和坡度的增加顯著上升，水田、旱地和草地的土壤水蝕量受降水量的正向調(diào)控，草地和林地的土壤水蝕量與土壤砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。中國(guó)水蝕區(qū)土壤侵蝕的形成不僅受氣候條件的影響，還與土地利用類(lèi)型及土壤特性有關(guān)。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ S157.1" ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.11.019

［引用格式］ 雷羚潔，李英，戚立凱，等.中國(guó)4種典型土地利用類(lèi)型土壤水蝕成因的差異性分析［J］.中國(guó)水土保持，2024（11）：76-80.

土壤是維持地球生物圈的重要因素。土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致表土流失、土壤退化，是全球范圍內(nèi)不可忽視的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。水蝕是最常見(jiàn)的土壤侵蝕類(lèi)型，約占全球侵蝕區(qū)面積的55%［1］。土壤水蝕不僅會(huì)遷移泥沙，造成江河阻塞，還會(huì)帶走土壤表層養(yǎng)分，降低土壤肥力和生產(chǎn)力，繼而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并威脅糧食安全。我國(guó)土地利用類(lèi)型繁多，環(huán)境條件多樣，導(dǎo)致土壤水蝕的成因較為復(fù)雜。加強(qiáng)土壤水蝕成因的研究，對(duì)科學(xué)治理水土流失，改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

氣候變化是影響土壤水蝕的重要原因之一。降水量和降水強(qiáng)度的增大通過(guò)促進(jìn)地表徑流加劇土壤水蝕［2］，氣候變暖主要通過(guò)改變植被覆蓋和土壤濕度來(lái)影響土壤水蝕［3］。土壤質(zhì)地與土壤阻力密切相關(guān)，其變化會(huì)導(dǎo)致土壤可蝕性的差異，例如粉砂壤土具有較高的可蝕性，而黏土具有較低的可蝕性［4］。坡度的變化會(huì)引起徑流的改變，從而導(dǎo)致土壤水蝕速率的變化［5］。另外，一些研究表明土壤水蝕速率還與植被覆蓋度和土地利用類(lèi)型密切相關(guān)［6-7］。因此，在復(fù)雜的土壤水蝕成因中篩選出導(dǎo)致土壤水蝕形成的關(guān)鍵因子，可以為我國(guó)土壤保持技術(shù)的選擇提供支撐。

當(dāng)前已有學(xué)者研究我國(guó)土壤水蝕產(chǎn)生的原因，但是主要集中在單因素或雙因素對(duì)小尺度、單一土地利用類(lèi)型的影響上［8-9］。我國(guó)土壤水蝕區(qū)土地利用類(lèi)型多樣，分布范圍廣泛，小尺度研究存在著一定的局限性。因此，從區(qū)域尺度上探究不同土地利用類(lèi)型下土壤水蝕成因尤為迫切。本研究利用2010年中國(guó)水蝕區(qū)土壤侵蝕數(shù)據(jù)，通過(guò)多元逐步線性回歸分析，闡明不同土地利用類(lèi)型（水田、旱地、草地和林地）下導(dǎo)致土壤水蝕產(chǎn)生的因素，以揭示區(qū)域尺度上土壤水蝕產(chǎn)生的機(jī)理，為我國(guó)未來(lái)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、土壤保持提供科學(xué)依據(jù)。

1" 材料與方法

1.1" 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究分析數(shù)據(jù)包括2010年中國(guó)土地利用類(lèi)型、年平均氣溫、年降水量、土壤質(zhì)地、坡度、歸一化植被指數(shù)（NDVI）和土壤水蝕等數(shù)據(jù)。土地利用類(lèi)型、土壤質(zhì)地和NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）。在本研究中，土地利用類(lèi)型被重新分為4種類(lèi)型：水田、旱地、草地和林地（見(jiàn)圖1）。土壤質(zhì)地依據(jù)土壤粒徑分為黏粒、粉粒和砂粒。氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于KARGER et al.［10］的研究成果，包括1981—2010年全球平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)。坡度數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心［11］（http：//data.tpdc.ac.cn）。中國(guó)土壤水蝕數(shù)據(jù)來(lái)源于李佳蕾等［12］的研究成果。本研究中的所有柵格數(shù)據(jù)均利用ArcGIS重采樣，分辨率為10 km×10 km。

1.2" 數(shù)據(jù)分析

分析4種土地利用類(lèi)型下年平均氣溫、年降水量、土壤質(zhì)地、坡度、NDVI和土壤水蝕量的差異，并通過(guò)多元逐步線性回歸分析，探究土壤水蝕量與非生物和生物變量之間的關(guān)系，闡明不同土地利用類(lèi)型下土壤水蝕產(chǎn)生的機(jī)理。先前的研究表明，土壤水蝕速率主要受土壤砂粒含量的影響［13］，為了排除多重共線性，在評(píng)估土壤質(zhì)地對(duì)土壤水蝕的影響時(shí)，本研究只探討土壤砂粒含量對(duì)土壤水蝕的貢獻(xiàn)。所有的統(tǒng)計(jì)分析均利用SAS V8.1軟件進(jìn)行。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 不同土地利用類(lèi)型下非生物與生物因素的差異

對(duì)4種土地利用類(lèi)型下年平均氣溫和年降水量的分析表明，不同土地利用類(lèi)型下年平均氣溫和年降水量存在差異（見(jiàn)圖2）。水田的年平均氣溫（15.03 ℃）和年降水量（1 365.04 mm）最大，林地（10.46 ℃，1 281.08 mm）和旱地（10.29 ℃，757.16 mm）次之，草地的年平均氣溫（2.05 ℃）和年降水量（600.37 mm）最小。

由圖3可知，4種土地利用類(lèi)型的土壤質(zhì)地均以砂粒為主，水田、旱地、草地和林地的平均土壤砂粒含量分別為38.16%、47.11%、55.74%和43.44%。由圖4可知，林地的平均坡度最大（4.53°），其次是草地（3.93°）和水田（2.33°），旱地的平均坡度最小（2.24°）。不同土地利用類(lèi)型間NDVI值差異較大（見(jiàn)圖5）：草地的平均NDVI值最小，為0.45；旱地和林地的平均NDVI值分別為0.69和0.75；水田的平均NDVI值最大，為0.77。

2.2" 不同土地利用類(lèi)型下土壤水蝕的差異

我國(guó)水蝕區(qū)主要分布在黃土高原、云貴高原、東南丘陵區(qū)等地（見(jiàn)圖6）。水田土壤水蝕較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在我國(guó)長(zhǎng)江流域，例如四川省東南部、湖南省和江西省的部分地區(qū)土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）；旱地土壤水蝕區(qū)域主要分布在東北、華北和西南地區(qū)，四川盆地和黃土高原的部分旱地土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）；草地土壤水蝕區(qū)分布范圍最廣泛，

其中云貴高原的部分草地土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）；林地土壤水蝕量＞50 t/（hm2·a）的區(qū)域主要集中在云貴高原、東南丘陵區(qū)和長(zhǎng)江中下游平原。不同土地利用類(lèi)型土壤水蝕量存在差異，平均土壤水蝕量林地最大［55.10 t/（hm2·a）］，其次是水田［54.35 t/（hm2·a）］和旱地［26.69 t/（hm2·a）］，草地最?。?2.96 t/（hm2·a）］，4種土地利用類(lèi)型的平均土壤水蝕量按大小排序?yàn)榱值兀舅铮竞档兀静莸亍?/p>

2.3" 不同土地利用類(lèi)型下土壤水蝕的驅(qū)動(dòng)因子

多元逐步線性回歸分析結(jié)果（見(jiàn)表1）表明，我國(guó)水田、旱地、草地和林地的土壤水蝕量均受到多種因素的共同調(diào)控，其中：水田土壤水蝕量的變化與年平均氣溫、年降水量、NDVI值和坡度顯著相關(guān)（R2=0.073 7），水田土壤水蝕量隨著年平均氣溫、年降水量、NDVI值和坡度的增加顯著增大（p＜0.05）；旱地土壤水蝕量的變化受到年平均氣溫、年降水量、NDVI值和坡度的共同影響（R2=0.137 9），隨年平均氣溫、年降水量和坡度的增加顯著升高（p＜0.05），但是隨著NDVI值的增大顯著減?。╬lt;0.05）；草地土壤水蝕量的變化受到年平均氣溫、年降水量、土壤質(zhì)地和坡度的共同調(diào)控（R2=0.133 0），與土壤中砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），但是與年平均氣溫、年降水量和坡度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）；林地土壤水蝕量的變化與年平均氣溫、土壤質(zhì)地和坡度顯著相關(guān)（R2=0.076 1），隨著土壤中砂粒含量的增加顯著下降（p＜0.05），但是隨著年平均氣溫和坡度的升高顯著增大（p＜0.05）。

3" 討論

本研究通過(guò)分析我國(guó)4種典型土地利用類(lèi)型土壤水蝕量發(fā)現(xiàn)，我國(guó)草地平均土壤水蝕量明顯低于農(nóng)田，可能原因是草地植物根系能顯著提高土壤凝聚力［14］。有關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為，自我國(guó)實(shí)施退耕還林還草工程以來(lái)，黃河流域土壤水蝕量呈下降趨勢(shì)，并且增加草地面積能有效減緩?fù)寥狼治g導(dǎo)致的水土流失［15］。因此，將耕地轉(zhuǎn)換為草地對(duì)減緩我國(guó)土壤水蝕、改善生態(tài)環(huán)境、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要作用。

中國(guó)土壤水蝕量主要受到氣候變化和地形的影響，該結(jié)果與前期學(xué)者的研究是一致的［16-17］。氣候變化對(duì)土壤水蝕具有正向調(diào)控作用。冬季變暖會(huì)加速融雪，夏季變暖會(huì)影響蒸發(fā)散和徑流，這均能增加土壤水蝕。此外，氣溫升高還會(huì)加劇全球水文循環(huán)，改變區(qū)域降水強(qiáng)度。當(dāng)降水強(qiáng)度超過(guò)土壤滲透能力時(shí)，多余的降水形成地表徑流，沖刷土壤。隨著降水強(qiáng)度的增大，雨滴擊打力會(huì)減小土壤粒徑，增加徑流，從而導(dǎo)致土壤水蝕的加劇。由于水田和林地的年平均氣溫和年降水量均高于旱地和草地，因此水田和林地具有較大的土壤水蝕量。

通過(guò)多元逐步線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，旱地土壤水蝕量的變化部分歸因于NDVI值的改變，土壤中砂粒含量的變化解釋了部分草地和林地土壤水蝕量的變化，這表明不同土地利用類(lèi)型下土壤水蝕量的變化可能歸因于不同的機(jī)制。旱地土壤水蝕量與NDVI值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明提高旱地植被覆蓋能有效減緩水土流失。這主要是因?yàn)樘岣咧脖桓采w度能通過(guò)攔截降水、固定土壤、減緩徑流起到減緩?fù)寥懒魇У淖饔谩Ｔ诓莸睾土值刂?，土壤水蝕量隨著土壤質(zhì)地中砂粒含量的增加而減少。研究表明，在土壤水蝕過(guò)程中流失的大部分土壤由細(xì)顆粒組成，而不是由粗顆粒組成［18］。當(dāng)土壤粒徑增大時(shí)，其質(zhì)量與表面積之比增大，土壤顆粒更加難以被分離和運(yùn)輸，從而減小了土壤水蝕速率。由于草地中土壤砂粒含量比林地大，因此草地的土壤水蝕量小于林地的土壤水蝕量。

土壤水蝕不僅受到氣候變化、土壤質(zhì)地、坡度和NDVI值的影響，還受到多種因素的調(diào)控，如植物根系分布、凋落物蓋度、農(nóng)田耕作方式等。本研究區(qū)為大尺度生態(tài)系統(tǒng)，一些觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取困難，導(dǎo)致研究結(jié)果解釋度有限。因此，在未來(lái)估算中國(guó)土壤水蝕成因時(shí)，應(yīng)全面考慮非生物和生物因素對(duì)土壤水蝕的影響。

4" 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算我國(guó)水蝕區(qū)年平均氣溫、年降水量、土壤質(zhì)地、坡度和NDVI對(duì)4種典型土地利用類(lèi)型土壤水蝕的貢獻(xiàn)，評(píng)估導(dǎo)致不同土地利用類(lèi)型土壤水蝕形成的關(guān)鍵因子，結(jié)論如下：

1）中國(guó)4種典型土地利用類(lèi)型土壤水蝕量存在差異。

平均土壤水蝕量在不同土地利用類(lèi)型下表現(xiàn)為林地［55.10 t/（hm2·a）］＞水田［54.35 t/（hm2·a）］＞旱地［26.69 t/（hm2·a）］＞草地［12.96 t/（hm2·a）］。

2）氣候變化和坡度是導(dǎo)致中國(guó)土壤水蝕變化的主要因素。在4種典型土地利用類(lèi)型中，土壤水蝕量與年平均氣溫和坡度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系；水田、旱地和草地的土壤水蝕量隨著年降水量的增大顯著增大。

3）不同土地利用類(lèi)型下土壤水蝕的變化歸因于不同的形成機(jī)制。旱地土壤水蝕量受到NDVI的負(fù)向調(diào)控；在草地和林地中土壤水蝕量與土壤中砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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收稿日期： 2023-10-19

基金項(xiàng)目： 蘇州市科技發(fā)展計(jì)劃（農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新）項(xiàng)目（SNG2022013）；蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院博士提升計(jì)劃項(xiàng)目（BS〔2022〕11）；江蘇省林業(yè)科技創(chuàng)新與推廣項(xiàng)目（LYKJ〔2022〕10）

第一作者： 雷羚潔（1991—），女，湖南常寧人，講師，博士，主要從事水土保持方面的研究。

通信作者： 李英（1990—），女，河南鄭州人，工程師，博士，主要從事生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)方面的研究。

E-mail： yli2014henu@163.com

（責(zé)任編輯" 徐素霞）