苦驢河上游小流域土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失特征

鄧 威， 汪晶晶， 白 云， 李玉成， 葉 寅， 張學(xué)勝

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所， 安徽 合肥 230001)

土壤侵蝕是全球性的環(huán)境問題之一，不僅導(dǎo)致土壤退化、土地生產(chǎn)力降低，而且隨徑流泥沙運(yùn)移的污染物質(zhì)對下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生較大影響[1]。土壤侵蝕模型是研究土壤侵蝕的重要方法，它能夠定量評估土壤侵蝕的空間分布特征。國內(nèi)外學(xué)者建立了眾多模型來研究土壤侵蝕，其中以修正通用土壤流失方程(RUSLE)應(yīng)用最為廣泛，且國內(nèi)學(xué)者[2-5]結(jié)合中國實際，對RUSLE參數(shù)因子進(jìn)行修正，具有很好的應(yīng)用效果。目前對巢湖流域的土壤侵蝕和養(yǎng)分流失研究[6-9]中，尺度主要集中在縣域或環(huán)湖河流層次，關(guān)注重點(diǎn)在土壤侵蝕的面積、總量和空間分布上。

苦驢河上游是巢湖主要支流——派河的重要水源地，同時也是發(fā)生土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的主要地區(qū)。面向“水十條”派河國控斷面考核達(dá)標(biāo)、引江濟(jì)淮對派河水質(zhì)提出高要求及國家級巢湖生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)等多方需求，派河上游苦驢河等小流域土壤侵蝕及污染問題成為學(xué)者和政府關(guān)注的重點(diǎn)。

本研究基于高精度遙感影像、數(shù)字高程模型(DEM)、2018年研究區(qū)實地土壤調(diào)查獲得的土壤數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，利用RUSLE模型定量描述苦驢河上游土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失的空間分布特征，分析了土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度、高程和土地利用等因子的關(guān)系，以期為派河流域水土流失防治和生態(tài)治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

苦驢河上游小流域(31°43′—31°49′ N，116°54′—116°60′ E)位于安徽省合肥市肥西縣，是派河上游的子流域，總面積48.09 km2，海拔為32～164 m，平均海拔61 m(見封2附圖1)，地勢南高北低，以丘陵崗地為主；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫15～16 ℃，降雨量年際變化不大，年均降雨量約1 100 mm，且降雨多集中在7—10月份；土壤類型以黃棕壤和水稻土為主；土地利用為林地、旱地、水田、水體和居民用地。受地形地貌、自然氣候、生產(chǎn)活動(毀林開荒)等因素的影響，研究區(qū)內(nèi)部分地區(qū)侵蝕較為嚴(yán)重，土壤侵蝕與養(yǎng)分流失已成為主要環(huán)境問題之一。

1.2 數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理

本研究使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：①10 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)(見封2附圖1)；②苦驢河上游小流域內(nèi)小型氣象站2016年至2018年的月降雨數(shù)據(jù)；③安徽省國防科技情報研究所提供的2018年高分二號影像，進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正和圖像融合等預(yù)處理后波段運(yùn)算提取NDVI數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)；④根據(jù)不同土地利用的分布狀況，結(jié)合均勻布點(diǎn)的原則，共采集49個表層土壤樣品，參照《土壤農(nóng)化分析》對基本理化性質(zhì)進(jìn)行測試分析，利用激光粒度儀測定基本機(jī)械組成；⑤流域劃分?jǐn)?shù)據(jù)，從派河水污染治理“十三五”規(guī)劃中獲得。

1.3 土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失量計算

1.3.1 土壤侵蝕量計算 本研究采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)對研究區(qū)的土壤侵蝕量進(jìn)行定量評估，表達(dá)式為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A為年土壤侵蝕模數(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)〕； LS為坡度坡長因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨是引起土壤侵蝕和水土流失的重要因子之一，降雨侵蝕力因子能夠反映降雨對土壤侵蝕的影響。國內(nèi)學(xué)者對中國不同地區(qū)提出多種降雨侵蝕力的簡易算法[10-12]。本研究利用研究區(qū)內(nèi)一座小型氣象站2016年至2018年的平均月降雨量數(shù)據(jù)，采用吳素業(yè)[13]以安徽省岳西縣降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的月降雨模型來計算降雨侵蝕力。由于研究區(qū)面積較小，降雨的空間分布較均勻，故采用唯一降雨侵蝕力因子R值為4 029.38 (MJ·mm)/(hm2·h·a)。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性因子反映土壤對侵蝕的敏感性，是評價土壤遭受侵蝕難易程度的重要指標(biāo)。本研究采用Williams等[14]在EPIC模型中K因子的計算方法，并根據(jù)張科利等[15]的研究進(jìn)行修正，數(shù)據(jù)來自研究區(qū)內(nèi)49個土壤樣品的檢測結(jié)果。K為美制單位，乘以0.1317轉(zhuǎn)化為國際單位(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))。經(jīng)計算得到土壤可蝕性因子K值柵格圖(圖1a)。

(3) 坡度坡長因子(LS)。坡度坡長因子反映坡度和坡長對土壤侵蝕的影響，是降雨侵蝕動力的加速因子[16]。坡長因子采用Wischmeier等[17]提出的計算方法。坡度因子采用分段計算，緩坡(<14°)采用McCool等[18]提出的方法，陡坡(>14°)采用Liu等[19]提出的方法。經(jīng)計算得到坡度坡長因子P值柵格圖(圖1b)。

(4) 植被覆蓋與管理因子(C)。植被覆蓋與管理因子反映植被覆蓋與管理措施對土壤侵蝕的影響，是侵蝕動力的抑制因子。本文根據(jù)李苗苗等[20]提出的像元二分模型計算植被覆蓋度，并采用蔡崇法等[21]提出的方法計算植被覆蓋與管理因子。經(jīng)計算得到植被覆蓋與管理因子C值柵格圖(圖1c)。

(5) 水土保持措施因子(P)。水土保持措施因子反映了水土保持措施對土壤的保護(hù)作用，本文以土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合前人研究[9,22-23]，根據(jù)各土地利用對水土保持措施因子進(jìn)行賦值。未利用土地(裸地為主)無任何水土保持措施，賦值為1；居民用地和水域賦值為0，即土壤侵蝕視為0；林地賦值為1；旱地賦值為0.35；水田賦值為0.15。賦值得到水土保持措施因子P值柵格圖(圖1d)。

圖1 RUSLE模型因子

1.3.2 養(yǎng)分流失量計算 將苦驢河上游小流域土壤樣品的全氮(TN)、全磷(TP)、有機(jī)碳(SOC)數(shù)據(jù)，在ArcGIS中生成養(yǎng)分空間分布圖，并轉(zhuǎn)為柵格圖。在ArcGIS中將土壤侵蝕柵格圖與土壤養(yǎng)分柵格圖相乘得到土壤養(yǎng)分流失量空間分布圖，再乘以柵格面積得到土壤養(yǎng)分流失總量。

2 結(jié)果與分析

2.1 精度驗證

根據(jù)《安徽省水土保持公報(2016—2017年)》，江淮丘陵區(qū)中東部水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)(涉及肥西縣、肥東縣和蜀山區(qū)等共3市11區(qū)縣)土壤侵蝕狀況以微度侵蝕為主，輕度及中度侵蝕次之。輕度侵蝕面積占總面積的5.31%，中度侵蝕面積占總面積的2.34%，強(qiáng)度及以上侵蝕面積占總面積的1.86%；苦驢河上游小流域輕度侵蝕占總面積的13.29%，中度侵蝕面積占總面積的1.61%，強(qiáng)度及以上侵蝕面積占總面積的1.15%。總體來看，苦驢河上游小流域與江淮丘陵區(qū)中東部水土流失預(yù)防區(qū)的土壤侵蝕狀況一致，但研究區(qū)輕度及以下侵蝕面積占總面積的比例高于預(yù)防區(qū)平均水平，而強(qiáng)度及以上侵蝕面積占總面積的比例低于預(yù)防區(qū)平均水平。

本研究通過將RUSLE模型預(yù)測結(jié)果與水土保持試驗站實測數(shù)據(jù)比較，來檢驗?zāi)Ｐ偷念A(yù)測精度。由于研究區(qū)內(nèi)無水土保持監(jiān)測點(diǎn)，故利用臨近的金寨縣椿樹崗的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由安徽水利廳提供。數(shù)據(jù)表明2018年標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的侵蝕模數(shù)為343.54 t/(km2·a)，模型預(yù)測結(jié)果為394.45 t/(km2·a)。模型預(yù)測結(jié)果較監(jiān)測數(shù)據(jù)稍高，但總體精度可靠，可進(jìn)行下一步處理分析。

2.2 不同土壤侵蝕強(qiáng)度的分布特征

根據(jù)水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL-2007)，將研究區(qū)的土壤侵蝕劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕，得到研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布特征(見封2附圖2)。研究區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)不連續(xù)塊狀和條帶狀分布的特征，主要侵蝕級別為微度侵蝕和輕度侵蝕，分別占總面積的83.95%和13.29%。中度及以上土壤侵蝕呈條帶狀分布在南部丘陵和河道兩岸。

研究區(qū)土壤侵蝕的統(tǒng)計分析結(jié)果(見表1)表明，全流域平均土壤侵蝕模數(shù)為394.45 t/(km2·a)，為微度侵蝕，年侵蝕量為1.90×104t。微度和輕度侵蝕地區(qū)侵蝕量分別占總侵蝕量的15.79%和34.61%，強(qiáng)度及以上侵蝕面積比例為0.54%，侵蝕量貢獻(xiàn)率達(dá)到35.55%，主要由于研究區(qū)地形變化劇烈，疏林地較多，植被覆蓋率較低。部分地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度超過1.50×104t/(km2·a)，應(yīng)是今后水土保持工作的重點(diǎn)區(qū)域。

表1 苦驢河上游小流域土壤侵蝕特征

2.3 不同坡度等級內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度分析

研究區(qū)坡度范圍為0°～25°，根據(jù)水利部頒布的水力侵蝕坡度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(2007)，將研究區(qū)劃分為0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°這4個坡度等級。通過疊加分析，得到不同坡度等級內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度分布結(jié)果(見表2)。

表2 不同坡度等級內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征

由表2可知，研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度呈明顯的正相關(guān)，且隨著坡度增加，強(qiáng)度及以上侵蝕的面積比例逐漸增加。0°～5°地區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)最低，且主要以微度侵蝕為主；15°～25°地區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為4 788.74 t/(km2·a)，稍低于強(qiáng)度侵蝕水平，該地區(qū)內(nèi)強(qiáng)度及以上侵蝕面積比例為31.71%。總體而言，8°～25°地區(qū)的土壤侵蝕最嚴(yán)重，以3.66%的侵蝕面積貢獻(xiàn)21.78%的侵蝕總量，表明坡度在8°～25°的區(qū)域是今后水土流失防治的重點(diǎn)。

2.4 不同高程及土地利用的土壤侵蝕強(qiáng)度分析

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)土地利用在不同高程的分布，分為0～50,50～80,80～110,110～170 m這4個高程范圍。通過疊加統(tǒng)計，得到不同高程及土地利用的土壤侵蝕強(qiáng)度分布結(jié)果(見表3)。由表3可知，研究區(qū)高程主要集中在50～80 m，面積占總面積的71.66%，對全流域土壤侵蝕總量的貢獻(xiàn)率為49.16%。高程在80 m以上范圍內(nèi)土壤侵蝕最為嚴(yán)重，侵蝕面積占全流域面積的7.92%，土壤侵蝕量占侵蝕總量的28.13%。

表3 不同高程及土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度特征

土壤侵蝕主要發(fā)生在旱地、林地和未利用地3種土地利用中，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為285.78，655.04，1 022.55 t/(km2·a)，其中林地土壤侵蝕模數(shù)較旱地高出約400 t/(km2·a)，一方面因為林地主要分布在丘陵地區(qū)，坡度坡長因子影響較大，且無任何水土保持措施，易發(fā)生土壤侵蝕，另一方面因為研究區(qū)林地植被覆蓋率較低，為51.76%，多為經(jīng)濟(jì)林和次生林，土壤侵蝕抑制作用較低。

2.5 養(yǎng)分流失分析

將土壤侵蝕柵格圖與土壤SOC,TN,TP分布柵格圖相乘得到土壤養(yǎng)分流失空間分布特征(見封2附圖3—5)。根據(jù)土壤侵蝕和養(yǎng)分流失圖可以看出，土壤養(yǎng)分流失與土壤侵蝕的空間分布趨勢一致，南高北低，尤其是南部丘陵養(yǎng)分流失最嚴(yán)重。研究區(qū)土壤SOC,TN,TP平均流失量分別為3.66,0.27,0.07 t/(km2·a)。將TN,TP流失量分別折算(折算比為2.17和5.88)為每hm2每年流失5.86 kg尿素和4.12 kg過磷酸鈣，因此養(yǎng)分流失對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均產(chǎn)生較大影響。對研究區(qū)不同土地利用的土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失量進(jìn)行統(tǒng)計分析(見表4)。結(jié)果表明各土地利用的養(yǎng)分流失狀況差異顯著，其中水田的平均養(yǎng)分流失量最小，未利用地的平均養(yǎng)分流失量最大，主要原因為未利用地的土壤侵蝕最嚴(yán)重，土壤流失量越大，隨泥沙運(yùn)攜的養(yǎng)分流失越多。研究區(qū)因土壤侵蝕引起的土壤SOC流失量為175.34 t/a，TN流失量為12.87 t/a，TP流失量為3.13 t/a。

表4 不同土地利用的土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失特征

3 討 論

(1) 研究區(qū)主要土地利用為林地、旱地和水田等。未利用地的平均土壤侵蝕模數(shù)最大，為1 022.55 t/(km2·a)，其次是林地655.04 t/(km2·a)。對不同土地利用類型的RUSLE模型因子進(jìn)行統(tǒng)計(表5)，與同類型研究對比發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋與管理因子C值存在較大差異，林地較多情況賦值小于0.01[21,23]，根據(jù)蔡崇法等[21]提出的方法逆推得到植被覆蓋率約為73%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本研究的林地植被覆蓋率(51.76%)，而研究區(qū)林地的植被覆蓋與管理因子C值為0.08，兩者差別較大。其余因子則數(shù)值差別較小，對土壤侵蝕計算結(jié)果影響較小，因此本研究與同類型研究差別主要在于林地植被覆蓋率的高低對植被覆蓋與管理因子的影響。

表5 不同土地利用類型的模型因子特征

(2) 研究區(qū)內(nèi)人類活動對植被的影響比較強(qiáng)烈，一方面表現(xiàn)為對林地的破壞，村民大肆砍伐林木，部分地區(qū)天然植被已不復(fù)存在，近幾年政府進(jìn)行清潔小流域建設(shè)時開始封山育林，但時間較短，效果不顯著，現(xiàn)存植被多為次生林和人工林；另一方面是對林種的改變，該地區(qū)原生林主要為針葉林、闊葉林和灌木林等混交林，后經(jīng)過村民改造大面積種植苗木，導(dǎo)致該地區(qū)植被覆蓋率降低，易發(fā)生土壤侵蝕。

(3) 由于研究區(qū)內(nèi)地形、土壤、氣象等因素短時間內(nèi)不會發(fā)生較大變化，故植被覆蓋和水土保持措施的變化將對土壤侵蝕產(chǎn)生較大影響。因此在苦驢河上游小流域水土保持工作中，提高植被覆蓋度和增加水土保持措施是減少土壤侵蝕最有效的措施。常用的方法包括退耕還林[24]、植物籬[25]、秸稈覆蓋[26]和坡改梯[27]等，考慮到實際效果和操作成本，發(fā)現(xiàn)退耕還林、植物籬攔截和秸稈覆蓋較為可取。

4 結(jié) 論

(1) 苦驢河上游小流域平均土壤侵蝕模數(shù)為394.45 t/(km2·a)，侵蝕強(qiáng)度主要為微度和輕度侵蝕，強(qiáng)度及以上侵蝕主要發(fā)生在小流域南部丘陵和河道兩岸。

(2) 土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度呈明顯的正相關(guān)，且隨著坡度增加，強(qiáng)度及以上侵蝕面積比例逐漸增加。同一高程范圍內(nèi)，土地利用類型對土壤侵蝕影響不同。研究區(qū)內(nèi)未利用地的土壤侵蝕最嚴(yán)重，平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到1 022.55 t/(km2·a)，其次是林地，土壤侵蝕模數(shù)為655.04 t/(km2·a)。而旱地和水田平均土壤侵蝕模數(shù)較低，分別為285.78和139.80 t/(km2·a)。

(3) SOC，TN和TP平均流失量分別為3.66，0.27，0.07 t/(km2·a)。養(yǎng)分流失與土壤侵蝕的空間分布趨勢一致，南高北低，南部丘陵水土流失較為嚴(yán)重。