華中地區土壤可蝕性因子研究

岑 奕，丁文峰，張平倉

(長江科學院水土保持研究所，武漢 430010)

土壤侵蝕是指土壤或成土母質在水力或者風力的作用下，遭到破壞和剝蝕，發生搬運和沉積的全過程［1］。土壤侵蝕不僅造成土壤資源被蠶食和破壞，還會使大量肥沃表土流失，造成土壤肥力和質量下降，由此引發生態環境失調惡化;同時，還會淤塞河床，大大縮短水利工程設施的使用壽命。土壤可蝕性是土壤性質的一個重要方面，是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞的性能，也是土壤對侵蝕營力分離和搬運作用的敏感性［2］。它是影響土壤侵蝕量的內在因素，也是定量研究土壤侵蝕的基礎［3］，因此，國際上把土壤可蝕性研究作為土壤侵蝕研究中的一個重要內容［4］。許多學者認為，土壤可蝕性的強弱與土壤內在理化性質(土壤的顆粒組成、團聚體的穩定性、有機質含量、滲透率、緊實度等)關系密切。

歐美國家在土壤可蝕性指標研究方面起步較早，已成功建立有多種估算模型。其中，較為著名的有:1969年Wischmeier等［5］通過研究土壤15種理化性質和土壤可蝕性因子K之間的關系，建立相關回歸方程;1990年 Williams等［6］在侵蝕-生產力評價模型(EPIC)中，把土壤可蝕性因子K值的計算公式發展為僅與土壤砂粒、粉粒、黏粒含量和土壤有機碳含量有關。而我國也有不少專家學者依據國外建立模型的方法及公式來推斷評價我國土壤可蝕性，雖開展很多研究［7－9］，但模型的建立及研究往往依托坡面或小流域野外實測數據，區域性(省級)尺度且以國家規模土壤調研為數據來源的研究較少。

華中地區位于我國中部，地處華北、華東、西北、西南與華南之間，具有全國東西、南北四境過渡的要沖和水陸交通樞紐的優勢，起著承東啟西、溝通南北的重要作用。該區地帶性土壤抗侵蝕能力弱，瞬時降水強度大，水土流失較為嚴重，由此造成該區通江湖泊容積銳減，湖泊調蓄洪水能力大大下降，加劇了洪水的災害程度［10］。同時，水土流失還帶走大量土壤，致使土層變薄，質地變粗，土壤結構破壞，土壤養分降低，嚴重制約該區可持續性發展。本研究以全國第2次土壤普查數據為基礎資料，對華中地區主要土壤可蝕性因子K值進行定量研究分析，揭示各類型土壤可蝕性特征，探討該區土壤可蝕性因子空間分布特征，為該區的水土保持研究提供必要的數據支持和科學依據。

1 研究區概況

華中地區包括河南、湖北、湖南三省，地處北緯24°38'－36°24'，東經 108°21'－116°39'之間，土地面積約56萬多平方公里，氣候溫暖而濕潤，年平均氣溫在14～21℃之間，氣溫由北向南遞增;雨水豐沛，年降水量800～2 000 mm，降水分布由東南向西北遞減。本區地貌類型較多，山地、丘陵、高原、平原交錯分布，總的特點是西高東低，大致可分為高山、中山和平原3部分。地勢較高的山地多分布在西部，包括秦巴山地等，大部分海拔為2 000～3 000 m。中部和南部的大別山地、江南丘陵和南嶺山地等，除個別山峰海拔達2 000 m以上外，多數在1 000 m左右。地帶性土壤主要為紅壤、黃壤和山地黃棕壤，抗侵蝕能力較弱，加上降水強度大、暴雨多、土地開發利用不當，極易引起土壤侵蝕。植被類型繁多，成分復雜，闊葉樹以殼斗科、樟科、山茶科、冬青科等常綠闊葉樹種為主，但也混有較多北方溫帶植被和南方熱帶植被。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文的研究數據主要以20世紀90年代全國第2次土壤普查資料為基礎，內容以土種劃分，包括:分類歸屬與分布(含面積);典型(代表)剖面形態特征;主要理化性狀(附理化分析數據);土壤生產性能綜述?？紤]到研究區土壤可蝕性因子插值所需，在研究區范圍外也多選擇樣點，本研究共選擇樣點224個，有關分布圖如圖1所示。

圖1 華中地區土種志樣點分布圖Fig.1 The distribution of soil samples in central China

2.2 研究方法

2.2.1 可蝕性因子K估算方法

由于考慮到研究區域的基礎資料和數據，以及計算結果的可操作性，本文采用侵蝕-生產力評價模型(EPIC)中的K值作為衡量土壤抗侵蝕性的指標，EPIC模型中的K值計算公式為

式中:SAN為砂粒含量(%);SIL為粉粒含量(%);CLA為黏粒含量(%);C為有機碳含量(%);SN1=1－SAN/100。

土壤可蝕性因子K值的計算公式中，土壤顆粒分析標準往往采用美國制，而全國第2次土壤普查中，土壤顆粒分析采用的是國際制，因此必須把國際制轉換為美國制。

在以往的研究中，通常采用圖解法進行土壤質地的轉換，即在半對數紙上先畫出國際制的土壤顆粒級配曲線，再通過查圖，讀出該土壤粒徑的百分含量。利用圖解法轉換土壤質地，具有直觀、鮮明的優點，但由于曲線的繪制和讀數皆為人為，容易產生人為誤差。在本研究中，利用Matlab編程，通過對國際制的土壤粒徑值進行樣條插值，得到美國制的土壤機械組成［11］。

2.2.2 插值方法

利用全國第2次土壤普查的樣點屬性值，分析華中地區土壤可蝕性因子空間分布特征，采用地統計學空間插值方法?？臻g分析和地統計學中，發展了多種插值方法，其中用于土壤抗侵蝕性的空間插值方法主要包括空間確定性插值中的反距離權重法和徑向基函數法以及地統計插值中的普通克里格法等。比較3種插值方法，反距離權重插值結果誤差較大，易出現“牛眼”現象;樣條插值方法更適宜于緩慢變換樣點插值，在本研究中，易擬合過度出現負值;而普通克里格插值法，無論是擬合誤差，還是插值空間分布結果均表現較高［12，13］。因此，本研究采用普通克里格插值方法，該方法利用原始數據和半方差函數的結構性，對未采樣點的區域化變量進行最優無偏估值。其插值精度由表1所示。

表1 普通克里格插值法的插值精度Table 1 Interpolation accuracy of Ordinary Kriging

3 結果與分析

按經典統計方法分析，利用土壤普查得到的土壤各類理化性質，通過EPIC方程計算得到樣點土壤可蝕性因子K值，其變化范圍 0.09～0.39，最大值為最小值的4.3倍，可見估算值變幅較大。K值的中值為 0.264 4，均值為 0.269 7，兩者非常接近，表明研究區內該指標的分布較為均勻，未受特異值的影響。樣點K值的變異系數為17.82%，具有中等程度的空間變異性。

借助ArcGIS軟件，通過普通克里格插值，得到空間分布圖如圖2所示。該區土壤可蝕性因子K值主要分布在0.21～0.33之間:高值區主要分布在河南省的東部、西部區域，低值區則主要分布在湖南省的南部、湖北及河南交界的中部及東部地區。

圖2 華中地區土壤可蝕性因子空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of soil erodibility factor(K)in central China

就整體而言，該區土壤可蝕性因子K值分布，在地域上呈現出由北向南先降低、后增高、再降低的趨勢。該區土壤可蝕性因子K值的這種空間分布特征，與土壤結構性因素(土壤類型、地形等)引起的空間變異性程度較大，隨機性因素(人工措施等)使得土壤可蝕性的空間相關性增強有關。

根據華中地區土壤圖(圖3)，全區共分布土類25種，其中主要土類為紅壤(面積約占全區總面積的 22.04%)，水稻土(面積約占15.29%)，潮土(面積約占 14.98%)，黃棕壤(面積約占12.17%)，黃壤(面積約占 8.16%)。

土壤可蝕性因子與土壤類型相關，利用ArcGIS軟件將圖2與圖3疊加，統計不同土類對應的土壤可蝕性因子均值(圖4)。研究表明:K值最大的為褐土，約為0.34;紅黏土的 K值次之，約為0.31;粗骨土的可蝕性最低，約為0.19。土壤K值是土壤抵抗水蝕能力大小的一個綜合性指標，土壤K值越大，土壤抵抗水蝕能力越弱，越易受侵蝕;反之，土壤抵抗水蝕能力越強，越難被侵蝕。

圖3 華中地區土壤圖Fig.3 The soil types in central China

圖4 主要土類土壤可蝕性因子K均值Fig.4 Mean values of the soil erodibility factor(K)of different soil types in central China

其中，由于紅壤、水稻土、潮土、黃棕壤、黃壤5種土類所占面積較大(約占全區總面積的72.63%)，其土壤可蝕性因子 K 值分別為:0.250，0.253，0.287，0.225，0.244。顯然潮土的土壤可蝕性因子K值最大，黃棕壤最小。這5種土類可基本反映華中地區的土壤抗侵蝕情況。

同時，為驗證本研究土壤可蝕性因子K值的估算結果，對照梁音等［14］依據第2次土壤普查資料建立長江以南東部丘陵區土壤理化性質數據資料，估算得到的紅壤的可蝕性因子K值為0.231，黃棕壤的K值為 0.219，與本研究估算得到紅壤 K值0.250和黃棕壤K值0.225相當?？紤]到使用區域的樣本數據的差異，可認為本研究解析的土壤可蝕性因子較為可信。

4 結論

(1)華中地區土壤可蝕性因子K值主要分布在0.21～0.33之間:高值區主要分布在河南省的東部、西部區域，低值區則主要分布在湖南省的南部、湖北及河南交界的中部及東部地區。就整體而言，該區土壤可蝕性因子K值分布，在地域上呈現出由北向南先降低、后增高、再降低的趨勢。

(2)華中地區共分布土類25種，K值最大的為褐土，約為0.34;紅黏土的K值次之，約為 0.31;粗骨土的可蝕性最低，約為0.19。

(3)華中地區紅壤、水稻土、潮土、黃棕壤、黃壤5種土類所占面積較大(約占全區總面積的72.63%)，其土壤可蝕性因子 K 值分別為:0.250，0.253，0.287，0.225，0.244。

本研究利用全國第2次土壤普查數據，深入探討了華中地區土壤可蝕性因子空間分布情況，初步揭示了各類型土壤可蝕性特征，為華中地區的土壤可蝕性研究提供了一定的科學支持。但由于地面試驗數據的缺乏，難以對插值得到的華中地區土壤可蝕性因子空間分布圖進行有效的驗證。在將來的研究工作中，還應結合地面徑流小區得到的試驗數據，進一步優化空間插值方法，以期得到更精確的區域土壤可蝕性數據。

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