廣西西江流域土壤侵蝕估算及特征分析

李翠漫, 盧 遠, 劉斌濤, 許貴林

(1.廣西師范學院 地理科學與規(guī)劃學院, 南寧 530001; 2.中國科學院 水利部成都山地災害與環(huán)境研究所, 成都 610041; 3.廣西師范學院 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室, 南寧 530001)

土壤侵蝕導致大量土壤資源遭到破壞，使土層變薄，肥沃表土大量流失，地表植被遭到嚴重破壞，導致自然生態(tài)環(huán)境失調，嚴重威脅了人們的生產發(fā)展[1]。1990年珠江流域土壤侵蝕現(xiàn)狀調查顯示[2]，西江流域土壤侵蝕面積53 327.89 km2,占珠江流域土壤侵蝕面積的93.44%，占西江流域土地總面積的15.10%。2013年全國第一次全國水利普查公告，廣西土壤水力侵蝕面積5.05萬km2，根據廣西水利廳頒布的廣西水土保持公報，截至2015年底，廣西累計完成水土流失治理面積3.34萬km2。水土流失已成為西江流域重要生態(tài)問題，研究西江流域土壤侵蝕空間分布，對廣西乃至整個珠江流域的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)治理環(huán)境治理提供決策參考，意義深遠。

長期以來土壤侵蝕一直是我國關注的熱點問題，20世紀30年代Wischmeier等[3]提出的通用土壤流失方程(USLE)得到廣泛推廣和應用，但原始的USLE模型是一個經驗模型，主要適用于美國落基山脈以東的農業(yè)區(qū)，在其他地區(qū)使用需要進行參數(shù)校正。因此我國不少學者在研究區(qū)域土壤侵蝕問題上，基于USLE模型基礎上進行修正并運用修正后的模型對區(qū)域土壤侵蝕定量評價，如劉寶元等[4]改進建立了中國土壤流失方程(CSLE)，楊子生[5]開發(fā)了云南金沙江流域土壤流失方程，江忠善等[6]建立了中國坡面水蝕預報模型等。

廣西水土保持監(jiān)測起步較晚，水土保持監(jiān)測網點少、基礎研究薄弱，難以直接利用定位監(jiān)測數(shù)據來對廣西西江流域的水土流失態(tài)勢進行評價和分析，為了全面了解廣西水土流失狀況，2015年廣西開展了土壤侵蝕調查與制圖工作，本文正是在此項目背景的支持下，基于USLE模型，對喀斯特分布廣泛的西江流域，引入石漠化修正因子M，建立西江流域土壤流失方程，定量研究土壤侵蝕的空間分布，并探索其水土流失的特征。

1　研究區(qū)概況

西江作為珠江流域的主流，是華南地區(qū)最長的河流，為中國第三大河流，長度僅次于長江、黃河。全長約2 214 km,集水面積約為35.3萬km2[7]，西江流域橫跨廣西，在廣西境內集水面積約為20.24萬km2，占廣西土地總面積的85.7%。自西向東主要水系有南盤江、紅水河、柳江、黔潯江、郁江、右江、左江。

廣西西江流域喀斯特分布廣泛，碳酸鹽巖及碎屑巖為流域內的主要地質類型，總體地勢西北高東南低，地貌類型以山地為主，多為小起伏、中起伏山地，山地面積約占流域總面積的64.68%；流域內地處亞熱帶氣候區(qū)，氣候溫暖多雨，雨量主要集中在春夏兩季，土壤種類繁多，以紅壤、赤紅壤及棕色石灰土為主，植被類型主要有針葉林、闊葉林、竹林、灌叢、草叢等。流域范圍內人口密度大，人類活動強烈，且喀斯特地區(qū)地表坎坷嶙峋、土層淺薄貧瘠，土地利用類型多樣，不合理的開發(fā)和利用土地，則出現(xiàn)了一系列生態(tài)問題，其中以生態(tài)破壞后所產生的石漠化問題最為突出。

2　土壤流失方程建立

2.1　土壤流失方程修正

本研究以通用土壤流失方程(USLE)為藍本，結合廣西西江流域特點，引入石漠化修正因子M，建立廣西西江流域土壤侵蝕預報模型，進行土壤侵蝕定量評估。方程計算公式為：

A=R×K×LS×C×P×M

(1)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)[t/(km2·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·km2·h/(hm2·MJ·mm)]；LS為坡長坡度因子(無量綱)；C為地表覆蓋與管理因子(無量綱)；P為水土保持措施因子(無量綱)；M為石漠化修正因子(無量綱)。

2.1.1降雨侵蝕力用EI30作為降雨侵蝕能力指標需要連續(xù)記錄的降雨過程資料，在許多地區(qū)都難以獲取這些資料，因此本文利用觀測值和經驗建立降雨侵蝕力的簡易算法，即通過氣象站收集到的廣西逐日降雨資料(1980—2015年)，采用章文波等[8-9]基于日降雨資料的降雨侵蝕力計算模型，計算得出廣西西江流域平均降雨侵蝕力為：9 585.40 MJ·mm/(hm2·h·a)。

2.1.2土壤可蝕性土壤可蝕性估算模型較多，其中EPIC模型[10]在我國是應用較多的土壤可蝕性計算模型。張科利等[11]研究指出EPIC模型計算的K值與中國各地區(qū)實測的K值相差較大，并提出K值修正公式為K=-0.01383+0.51575KEPIC。因此本文土壤可蝕性采用EPIC模型并結合張科利提出修正K值的公式進行估算。

2.1.3地形因子地形是決定土壤侵蝕的重要內在因素，在土壤流失方程中地形因素采用地形因子表示，地形因子(LS)即坡長因子(L)和坡度因子(S)。西南土石山區(qū)的地形特征極為破碎，土壤侵蝕環(huán)境比較復雜、土壤侵蝕空間異質性大。因此本文地形因子計算采用劉斌濤等[12]提出的西南土石山區(qū)坡度因子的修正算法，計算法的基本形式如下：

(2)

(3)

2.1.4地表覆蓋與管理因子與水土保持措施因子廣西地區(qū)地形復雜，地域差異性顯著，以往基于USLE模型及其改進模型開展區(qū)域土壤侵蝕定量評價研究中，往往采用統(tǒng)一的C因子賦值方案，因而忽視了C因子在空間上的差異性。因此本文根據土壤侵蝕環(huán)境在時空上的差異性和相似性，將研究區(qū)劃分為5個土壤侵蝕預報區(qū)，通過空間抽樣調查技術“由點及面”計算C，P因子值，圖1為C，P因子計算流程圖。

圖1　C，P因子計算流程

地表覆蓋與管理因子(C)與土地利用類型和植被覆蓋度密切相關。參考楊子生[5]對農作物經營C因子研究成果，根據廣西2 319個野外調查單元的成果資料，結合土地利用數(shù)據，按照不同土壤侵蝕預報分區(qū)先對耕標的種植制度、種植方式進行準化賦值，利用landsat 8影像提取的NDVI值按照土壤侵蝕預報區(qū)計算植被覆蓋度，參考蔡崇法等[13]研究的植被覆蓋與管理因子定量關系，計算林地、園地、草地的C因子值，對于沒有土壤侵蝕的區(qū)域如水域、建設用地等統(tǒng)一賦值為0，地表完全裸露最容易受到侵蝕區(qū)域如裸地等，統(tǒng)一賦值為1，利用空間技術，制作全區(qū)C因子值分布圖(圖2)。

圖2　廣西西江流域C因子值分布

水土保持措施因子(P)反映了各類人工水土保持措施抵抗土壤侵蝕的能力。本文是在參考西南地區(qū)水土保持措施P值研究成果[5,14]，結合第一次全國水利普查水力侵蝕強度評價結果、第一次全國水利普野外調查單元成果、2014年底廣西土地利用變更調查成果，綜合考慮廣西水土保持工程措施和耕作措施實際情況，作統(tǒng)一校正后確定研究區(qū)P因子的賦值，利用空間技術，制作全區(qū)P因子值分布圖(圖3)。

2.1.5修正因子西江流域巖溶地貌分布廣泛，碳酸鹽巖類成土物質少，且成土速度十分緩慢，土層淺薄且土體不連續(xù)性，抗外界干擾能力差，植被遭到破壞后自我修復能力較差，致使石漠化問題較為嚴重。綜合目前土壤侵蝕研究成果[15-18]，喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕，裸巖率與土壤相對流失量的關系呈現(xiàn)一個近似符合指數(shù)衰減關系(圖4)。因此，根據研究區(qū)的特點本文引入了喀斯特石漠化修正因子M。

圖3　廣西西江流域P因子值分布

石漠化信息提取的關鍵是多信息的綜合。本文利用地質地貌圖，提取研究區(qū)喀斯特與非喀斯特區(qū)域，以巖石因子、地形因子、土地利用因子、植被因子、土壤因子等因子作為石漠化評價指標，參考胡順光[19]、岳躍民[20]等對石漠化信息的提取，同時借鑒國家重點基礎研究計劃(973計劃)項目“典型山地水土要素時空耦合特征、效應及其調控”研究成果，評估獲得了廣西地區(qū)的喀斯特石漠化數(shù)據。結合2011年底全國第二次石漠化監(jiān)測的結果，與研究區(qū)提取的喀斯特石漠化數(shù)據進行輔助比對，由此計算得到了M因子(圖5)。

圖4　M因子與裸巖率關系

圖5　M因子分布

2.2　土壤侵蝕強度分級標準

本文將模型計算出的土壤侵蝕模數(shù)按照《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術標準》(SL461—2009)和《南方紅壤丘陵區(qū)水土流失綜合治理技術標準》(SL657—2014)規(guī)定的容許土壤流失量，即巖溶地區(qū)容許土壤流失量為50 t/(km2·a)，南方紅壤丘陵區(qū)和非巖溶地區(qū)的西南土石山區(qū)容許土壤流失量為500 t/(km2·a)進行分級(表1)。

表1　廣西西江流域土壤侵蝕強度分級標準　t/(km2·a)

2.3　土壤侵蝕精度驗證

2.3.1基于水文輸沙驗證水文驗證是基于“輸沙量=土壤侵蝕量×泥沙輸移比”的公式，獲取了研究區(qū)8個水文站點的徑流量和輸沙量資料(2000—2015年)，在參考大量文獻[21-25]的基礎上，得出廣西的泥沙輸移比可近似取0.41，合理估計了廣西西江流域內8個水文站點的泥沙輸移比，統(tǒng)計出了多年平均輸沙量與本文土壤侵蝕模型估算結果進行對比。由表2可知，相對誤差最大為融水站16.38%，最小為寧明站3.08%，大于15%只有2個站點，其他6個站點均小于15%。由此可知推測輸沙量與實測輸沙量呈現(xiàn)高度一致，本文土壤侵蝕流失模型修正科學合理。

表2　基于水文資料驗證結果對比分析

2.3.2與鄰省研究成果對比陳強等[26]在2005年研究滇東南西疇縣退耕還林的水土保持效應中，觀測到坡耕地的土壤侵蝕模數(shù)為183 t/(km2·a)，本文利用模型計算出廣西與西疇縣鄰近的德保縣、靖西縣喀斯特旱地土壤侵蝕模數(shù)分別為：197.70，250.79 t/(km2·a)，模型計算結果與徑流小區(qū)觀測結果較為接近。

鄭悅華等[27]在使用近3年遙感影像對廣東青蓮小流域水土流失分析中，得出大于5°的平均土壤侵蝕模數(shù)724.86～1 146.72 t/(km2·a)，與本文研究區(qū)內坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)912.04 t/(km2·a)較為接近。

3　土壤侵蝕流失特征分析

3.1　土壤侵蝕空間分布特征

本次土壤侵蝕估算研究中，在不考慮重力侵蝕、工程侵蝕等前提下，廣西西江流域土壤侵蝕主要集中分布在柳江水系西南西北部、左江流域中部及紅水河東南部(圖6)。平均土壤侵蝕模數(shù)為135.22 t/(km2·a)，土壤侵蝕總量為2 737.72萬t/a；從侵蝕面積上看(圖7)，輕度及以上的土壤侵蝕面積為22 802.75 km2，占流域土地總面積的11.26%；其中輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、劇烈侵蝕、極劇烈侵蝕面積分別為15 375.45，5 291.16，1 293.14，620.50，222.50 km2，所占比例分別為7.59%，2.61%，0.64%，0.31%，0.11%。

3.2　不同土地利用土壤侵蝕特征

(1) 耕地土壤侵蝕特征分析。廣西西江流域耕地面積為41 650.36 km2，占土地總面積的20.57%，其中坡耕地面積為7 162.84 km2，占耕地面積的17.20%，梯田地的面積為16 118.01 km2，占耕地面積的38.70%。耕地平均土壤侵蝕模數(shù)為256.88 t/(km2·a)，土壤侵蝕量為1 069.92萬t/a，侵蝕面積為8 888.14 km2，占耕地面積的21.34%；坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)為912.04 t/(km2·a)，侵蝕量為653.28萬t/a,侵蝕面積為4 109.69 km2,占坡耕地面積的57.38%；梯田地平均土壤侵蝕模數(shù)為79.69 t/(km2·a)，土壤侵蝕量為128.45萬t/a,侵蝕面積為2 303.88 km2,占梯田梯面積的14.29%。從侵蝕比例上看，坡耕地的土壤侵蝕比例最大。

圖6　廣西西江流域土壤侵蝕強度分布

圖7　各子流域土壤侵蝕面積

(2) 林地土壤侵蝕特征分析。森林在控制水土流失發(fā)揮著明顯的水土保持作用。廣西西江流域范圍內，林地面積115 529.48 km2,占土地總面積的57.06%，林地平均土壤侵蝕模數(shù)為72.32 t/(km2·a)，遠低于全流域的平均土壤侵蝕模數(shù)，土壤侵蝕量為835.56萬t/a，侵蝕面積為5 921.15 km2,占林地面積的5.13%。

(3) 園地土壤侵蝕特征分析。園地面積為8 277.22 km2,僅占所有地類總面積的4.09%，園地平均土壤侵蝕模數(shù)為195.59 t/(km2·a)，土壤侵蝕量為161.90萬t/a，土壤侵蝕面積為1 322.99 km2,占園地面積的15.98%，園地面積雖小但其土壤侵蝕比例較高。

(4) 草地土壤侵蝕特征分析。草地總面積為24 085.69 km2,占土地總面積的11.90%。草地平均土壤侵蝕模數(shù)為220.60 t/(km2·a)，土壤侵蝕量為531.32萬t/a,土壤侵蝕面積為6 226.25 km2,占草地總面積的25.85%。

圖8　不同土地利用類型土壤侵蝕面積

3.3　不同地形地貌土壤侵蝕特征

廣西西江流域喀斯特地貌分布廣泛，地形復雜多樣。本文將坡度劃分為<3°，3°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°共7個等級，地貌上劃分為平原、丘陵、臺地、小起伏山地、中起伏山地、大起伏山地，分別統(tǒng)計不同等級、類別下的土壤侵蝕分布狀況。

從表3可以看出，土壤侵蝕面積主要集中分布在8°～15°，15°～25°坡面上，從侵蝕比例上看，8°～15°坡面侵蝕面積比最大，為25.75%，其次為15°～25°坡面，侵蝕面積比為25.09%；從侵蝕量看，15°～25°坡面侵蝕量最大，為769.08萬t/a，其次為8°～15°坡面，土壤侵蝕量為721.14萬t/a。

從表4可以看出，大起伏山地平均土壤侵蝕模數(shù)最大，為203.41 t/(km2·a)，平原平均土壤侵蝕模數(shù)最小，為59.12 t/(km2·a)，小起伏山地侵蝕面積及侵蝕量最大，分別為11 251.93 km2，1 030.02萬t/a。從侵蝕比例上看，丘陵侵蝕面積比最大，為15.82%，其次為起伏山地，侵蝕面積比為13.99%。由此可知小起伏山地、丘陵是水土流失的主要地貌類型。

表3　不同坡度等級土壤侵蝕情況

表4　不同地貌類型土壤侵蝕情況

4　結 論

(1) 在引入M因子修正的USLE模型中，模型計算得出的結果與基于水文資料驗證的結果基本一致，與研究區(qū)鄰近區(qū)域相關研究成果較為接近，表明M因子值的修正科學合理。

(2) 在不考慮風力侵蝕、重力侵蝕、工程侵蝕等前提下，廣西西江流域平均土壤侵蝕模數(shù)135.51 t/(km2·a)，侵蝕面積為22 802.75 km2，占流域總面積的11.26%，土壤侵蝕以輕度、中度侵蝕為主。

(3) 不同地類對土壤侵蝕程度不同。耕地是水土流失的主要地類，其次為草地、林地及園地，其中坡耕地是耕地土壤侵蝕的主要來源，同時也是西江流域水土流失的主要來源。

(4) 地形、地貌影響土壤侵蝕的空間分布。小起伏山地是西江流域水土流失的主要地貌類型；8°～25°的坡面為土壤侵蝕的易發(fā)區(qū)，水土流失最嚴重。

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