基于優(yōu)化水蝕模型的生態(tài)脆弱區(qū)土壤保持功能評估

蔣奇宏，余景樂，蔣洪琛，姜 茜，許桓瑞

（武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430000）

根據(jù)全球年度水土流失統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一。在1950年代初，我國土壤水蝕面積達150萬km2，到1990年代末，全國水土流失總面積高達356萬km2，占國土總面積的37.1%。水土流失主要分為兩種形式：水蝕和風蝕。其中，土壤水蝕是指由于水土流失造成的大量養(yǎng)分遷移、水土資源流失、泥沙淤積和水體污染等不良后果。由此可以看出，水土流失危害嚴重，成因復雜。

1 研究區(qū)域概況

黃土高原位于中國西北部，是世界上最大的黃土堆積區(qū)，以該區(qū)域為研究區(qū)域。黃土高原的水土流失形式極為復雜，存在多種類型的侵蝕，主要包括兩點：一是黃土高原水土流失面積廣、強度高，年均水蝕面積達到14.65×104 km2，占全國同等面積的38.8%，其中嚴重水蝕面積為3.67×104 km2，占全國同等面積的89%；二是黃土高原水土流失速度快，且黃土高原表面土層每流失1 cm，在自然條件下恢復，至少要100～400年。黃河中游全區(qū)年均沖刷量約為3.7萬t/ km2，僅黃河攜帶的底泥中的氮、磷、鉀總量每年就超過4200 t。因此，水土流失不僅降低了土壤肥力，侵蝕耕地，還削弱了水土保持對水資源的影響，極易引發(fā)其他自然災害。

2 研究方案及模型構建

CSLE總公式

R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；A為坡面多年平均年土壤流失量，t/hm2·a-1；K為土壤可蝕性因子，t·h·MJ-1·mm-1；L[1]為坡長，m；S為坡度，B、E、T為水土保持措施因子，無量綱[2]。

（1）R（降雨侵蝕力）因子

Ri為第i個半月降雨侵蝕，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；k為該半月內降雨的天數(shù)，Pj是半月內第j天的日降雨量（≥12 mm），否則以0計算，mm；α和γ是模型的兩個待定參數(shù)。Pd12表示日降雨量≥12 mm的日平均雨量，mm；Py12表示日降雨量≥12 mm的年平均雨量，mm。

年平均降雨量：指某地多年降雨量總和除以年數(shù)得到的均值，或某地多個觀測點測得的年降雨量均值[3]。

日平均雨量：表示24 h內降雨總量。

降雨超過60 min：

降雨不超過60 min：

普通降雨的雨型：

短陣型降雨的雨型：

式中：e表示降雨的最大60 min雨強的動能，J/mm·m-2；R為降雨侵蝕力，J·cm/m2·h；I表示降雨強度，mm/min；Γ()為伽馬分布；A1是雨滴最終速度，為尺度參數(shù)，m·s-2；B1為形狀參數(shù)。A2是雨滴動能，J·mm-1·m-2；B2無特殊實際意義。a是代表參數(shù)，r、p為常數(shù)；n是與雨型、降雨強度有關的參數(shù)。r常數(shù)取值為1.30；p常數(shù)的取值是0.232；b常數(shù)取值為0.60；c常數(shù)取值為3.79[4]。

（2）K因子

式中：SN=1-SAN/100；SAN為砂粒（0.05～2 mm）含量，%；SIL為粉砂（0.002～0.05 mm），含量%；CLA為黏粒質量（＜0.002 mm），含量%；C為有機碳含量，%；K值，t·h·MJ-1·mm-1[5]。

（3）因子

式中：L是坡長因子，m；H代表海拔標準差，是對地面高程離散化程度的直接描述，m。其中，海拔高程差可以通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)直接獲取[6-8]。

（4）坡度因子

式中：θ是坡度[9]。

（5）B因子

計算總公式：

茶園和灌木林地：

果園，其他園地：

草地：

FVC：黃土高原植被覆蓋度動態(tài)變化的空間分布的區(qū)域分布；GD：是喬木林的林下蓋度，取值范圍為0～1，包括除喬木冠層以外的所有植被（灌木、草本和枯落物）構成的林下蓋度；WR 為前面計算的第i半月降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例，取值范圍為0～1；SLR 為第i個半月原地、林地、草地的土壤流失比例，無量綱，取值范圍為0～1，同時也制作了B因子概括的表格，詳見表1[10]。

表1 生物措施B因子

（6）E因子

St、Sd、M分別為梯田面積、淤地壩控制面積和研究區(qū)土地總面積，單位均為km2。Z、D分別為梯田和淤地壩的減沙系數(shù)，Z=0.763，D=1，同時也制作了E因子粗略估計值的表格，詳見表2[11]。

表2 工程E因子

（7）耕作措施T因子：

在西北黃土高原區(qū)所采用的主要有3種保護性耕作措施，分別是免耕、免耕秸稈覆蓋和等高耕作，詳見表3。

表3 保護性耕作T因子

不同坡度下的耕作措施值，詳見表4。

表4 不同坡度下的T因子

3 數(shù)據(jù)來源

本項目主要需要獲取的數(shù)據(jù)為黃土高原2008～2020年的降雨量數(shù)據(jù)、黃土高原土壤砂粒含量、粉砂含量、黏粒含量、有機碳含量數(shù)據(jù)、海拔標準差數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、黃土高原土地利用類型數(shù)據(jù)梯田淤地壩面積數(shù)據(jù)、黃土高原植被覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)清單詳見表5。

4 結果分析

以2015年數(shù)據(jù)為例，經(jīng)模型計算得出黃土高原水蝕分布和黃土高原水土保持功能評估相關數(shù)據(jù)結果。由黃土高原水蝕分布數(shù)據(jù)可以看出，黃土高原水蝕的空間分異性，與坡度，土壤，降水侵蝕等因子呈強烈的正相關，水蝕較為嚴重的區(qū)域集中分布在東偏南區(qū)域坡度較大降水較為豐沛的區(qū)域，西北部的小部分區(qū)域水蝕也較為嚴重，其余大部分區(qū)域由于缺乏坡度，土壤，降水侵蝕三者的強烈影響，水蝕程度不是特別嚴重。黃土高原水土保持功能評估數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的水土保持功能重要性基本上與當?shù)厮g強度呈正相關，即水蝕強度越大，該地水土功能評估越重要。

同時，以《國家生態(tài)保護紅線技術導則》為根據(jù)對黃土高原水土保持功能進行劃區(qū)分，得到以下結論：

黃土高原水土保持功能以一般重要為主，其中水土保持功能一般重要所占地面積為62.26 km2，所占比例為95.7%；水土保持功能重要所占地面積為2.11 km2，所占比例為3.2%；水土保持功能極重要所占面積為0.66 km2，所占比例為1.2%。

表5 數(shù)據(jù)清單

5 結論

本次研究以黃土高原為研究對象，以CSLE模型為基礎，優(yōu)化改進了模型參數(shù)，通過集成建模方法，以黃土高原區(qū)域水蝕情況為例，收集了大量的數(shù)據(jù)，進行了模型計算和參數(shù)反演，同時，根據(jù)國家生態(tài)相應的技術標準制，以科學的方法和大量數(shù)據(jù)，在一定程度上為黃土高原的水土保持研究和治理方面提供了數(shù)據(jù)支撐和方法參考。