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西藏高原东部矮西沟流域土壤可蚀性研究

2011-02-11辜世贤王小丹刘淑珍

水土保持研究 2011年1期
关键词:棕壤草甸高山

辜世贤,王小丹,刘淑珍

(1.湛江师范学院,广东 湛江 524048;2.中国科学院 成都山地灾害与环境研究所 山地环境演变与调控重点实验室,成都 610041)

土壤可蚀性反映土壤在雨滴击溅、径流冲刷或者两者共同作用下,被分散、搬运的难易程度。土壤可蚀性因子是指在长时间段内,土壤及土壤剖面对降雨侵蚀力抗蚀程度的平均反映。实际上土壤可蚀性因子是一个综合参数。可蚀性因子值的大小是在通用流失方程中所规定的标准条件下,土壤对各种侵蚀和水动力过程的平均敏感程度的具体反映。确定土壤可蚀性因子的最好办法是在天然小区上直接测定。用田间小区研究土壤K值时,必须有足够大且观测历时较长的数据库资料。目前有长期观测资料的研究不多。其实,在自然状态下,土壤类型十分丰富,而具体的土地利用方式也会改变土壤的可蚀性特征。因此,难以实现对每一种土壤都实施观测,人力物力还是时间上都存在很大的现实问题。所以,大量的研究都是通过获得一组可靠的实测土壤可蚀性资料后,通过建立预测模型进行估算可蚀性。

研究区矮西沟流域位于江达县岗托镇,介于东经98°27′-98°36′,北纬31°28′-31°39′。流域呈长条形,面积164.23km2。流域内相对高差为1600 多米,属典型的高山峡谷地貌,山体与峡谷并存,下游山高坡陡,河谷深。由于特殊的自然环境,流域内土壤垂直分布明显,依次为:高山草甸土、高山灌丛草甸土、棕壤、暗棕壤。同时土壤侵蚀也具有明显的空间分布特征。海拔4600 ~5000 m的高山草甸土,出现过度放牧的地方,一旦植被破坏,大量侵蚀沟发生。而海拔3300 ~4300 m为棕壤、暗棕壤,尽管肥力高,但在阳坡土壤较干燥,植被破坏的地方或开垦为坡耕地的区域,土壤侵蚀强度巨大,特别是在5-9月的雨季,降雨占全年77.9%~95.8%雨量,冲刷大量泥沙进入河道,成就了金沙江的漫漫黄沙。因此,对研究区的土壤可蚀性的研究,无论对草地和耕地的保护,还是对金沙江泥沙量的缓减,都具有重大的现实意义。

1 研究方法

1.1 野外调查

对研究区小流域的土地利用类型、土壤类型、植被类型、地形特征、水土流失类型和分布特征等进行野外调查。根据研究区土壤和植被类型的分布状况以及坡度、坡向、坡位等,分别在研究区内的不同垂直带上选择采样点:①海拔3000 ~3500 m区域内,为干热河谷灌木林地带,28个采样点;②海拔3500 ~4000 m区域内,为灌丛草地带,32个采样点;③海拔4000 m以上区域,选择6个样地,31个采样点;共91个采样点(见表1)。对样品进行的测试包括土壤有机质含量、机械组成、N、P、K含量等。

表1 采样点土壤类型及土地利用类型

调查发现,流域内主要水土流失类型包括冻融侵蚀和水力侵蚀。冻融侵蚀主要发生于海拔4500 m以上的高山草甸区域。水力侵蚀主要发生在海拔3500 ~4500 m区间内的草地和人为开垦的坡耕地。坡耕地是造成小流域内人为加速水土流失的主要因素。坡耕地的起垦类型不同,其对水土流失的影响程度不同。调查发现,起垦于高原草甸和草地的坡耕地发生水土流失的可能性以及水土流失的强度都要大于起垦于灌木林地和林地的坡耕地。这主要是由于高山草甸和草地自身的脆弱性,以及发育于该两类土地利用类型土壤的低抗蚀性。矮西沟流域水土流失类型以面蚀为主,主要产生于坡耕地、退化草地、灌木林等区域。矮西沟流域的水土流失成因主要有自然因素和人为活动的影响两方面。自然因素方面,降雨集中,岩性松散、易破碎等特点是水土流失的直接动因,此外,高寒山区的冻融作用和积雪融化等因素也加速了水土流失的发展。人为活动对水土流失的影响主要包括以:过度放牧,造成草场退化;开荒种地;过度砍伐,造成植被覆盖度逐年下降。流域内的水土保持措施较少,仅有少量草地围栏措施,农田植物篱措施和农民自发性修建的少量梯地,水利灌溉设施基本上没有。

1.2 模型法

RUSLE中土壤可蚀性因子(K)值大小是通过建立于土壤性质指标间的相关关系式来确定。Wischmeier和Smith提出的代数关系式估算K值大小:

式中:M——优势粒径组成的乘积(修订的粉粒含量或0.002~0.1mm粒径)(粉粒含量+沙粒含量);OM——有机质含量;s——土壤结构等级;p——土壤渗透性;K——单位侵蚀力的土壤侵蚀量[(t·hm2·h)/(MJ· mm·hm2)]。将上式右边计算值除以7.59,就变为国际单位制的可蚀性因子K值。另外具有代表性的土壤可蚀性预测模型还包括EPIC模型中的计算方法,以及Shirazi等建立的计算公式。EPIC模型中,采用土壤有机碳和粒径组成来估算土壤可蚀性。

其中,SAN,SIL,CLA分别为砂粒、粉粒、黏粒含 量,按照美国制标准。C则是土壤有机碳含量(%),SN1=1-SAN/100。OM=1.72C,其中,OM 是有机质含量。由于以上两个公式需要粒径组成、有机质、土壤入渗的多种资料,在没有足够资料的情况下,Shirazi等建议使用同让的几何平均粒径(Dg)来计算土壤可蚀性。

式中:Di——上下两筛的中径;ΔPi——介于上下两筛孔间的重量百分比。

国内的研究者对K值也进行了大量的研究。用实测法[4]和模型法[5-6]等方法确定了我国大部分土壤类型的K值(见表2)。

表2 土壤可蚀性K值资料

金沙江上游地区缺乏野外监测资料,难以用实测法获取土壤可蚀性因子,而水土流失又在加剧,因此通过模型法研究土壤可蚀性迫在眉睫。本文采用模型预测法研究金沙江上游小流域的土壤可蚀性,分别应用公式(1),(2),(3)计算研究区小流域不同土壤类型的K值,对应计算结果为Krusle,Kepic,Kshirazi。并对三种计算方式的K值进行基于不同土地利用类型和不同土壤类型的讨论,比较前人研究K值和相应土壤类型预测的K 值,分析不同模型估算K值的代表性,以确定模型预测值的可靠性。最后确定西藏东南横断山区小流域土壤可蚀性K值的最佳计算方法和取值范围。

2 结果与分析

2.1 矮西沟小流域土壤K值模型法估算结果分析

比较分析不同模型K值估算结果表明(见表3),Krusle、Kshirazi、Kepic的最大值和最小值分别为0.0086 和1.5029 ×10-7(计算结果中,有两个灌木林地的结果为接近于1的负数,分别为-5.8256 ×10-6和-4.4216 ×10-5主要原因是土壤中的有机质含量较低,而大多数林地和灌木林地的K值估算结果都是小数点7位后的正数),0.0387 和0.0209 ,0.1438 和0.0566 。其中 Krusle与张科利等[4]实测的我国土壤可蚀性K值变化范围最接近,介于0.001~0.04之间。而Kshirazi和Kepic值则高出10倍以上。因此,从绝对数值上看Krusle更接近于实测值。

分析3种模型K值估算的分布特征发现(见图1),3种模型估算的土壤可蚀性K值具有一定的规律性。对于Krusle,不同土地利用和土壤类型的K值估算结果具有很好的分段性,不同的土壤类型和土地利用类型估算的K值存在最大的差异,变异系数达到74.90%,为三种方法中最大(表3)。可见,通用流失方程中的K值计算方法对于区分不同土地利用类型和不同土壤类型的K值具有更好的效果。

对于相同的土地利用类型和相同的土壤类型,K值估算结果基本一致,如高山草地、耕地、灌丛草地、褐土、灰褐土的最大值与最小值基本一致(见表4-5)。说明通用流失方程中的K值模型法估算结果能够体现出土壤特性与土壤可蚀性之间相对稳定的关系。对于Kshirazi和Kepic,K值的估算结果在不同土地利用类型和土壤类型之间差异性不大,两种方法计算出来的K值难以体现出在同样土地利用类型和土壤类型上K 值具有的统一性。3种模型计算结果出现的差异主要是因为模型中选用的参数不同,在Krusle模型中,除了使用土壤颗粒组成因子外,还使用了有机质含量、渗透性、结构性等,更全面的将土壤的特性与可蚀性关联。而Kepic中只选用了土壤颗粒组成和有机碳含量,Kepic则只选用了颗粒组成。

表3 3种不同方法估算K值统计参数

综上所述,3种土壤可蚀性K值的预测模型的估算结果中,Krusle值无论从区分不同土地利用类型和土壤类型的K值的不一致性上,还是从确定相同土地利用类型和土壤类型的K值的统一性上,或是在估算值与前人研究取值范围的相似性上,都远远要好于其他两种预测模型。因此通用流失方程中的K值估算模型最适用于藏东横断山去金沙江支流小流域的土壤可蚀性K值的估算。

图1 不同土地利用类型K值最值

表4 不同土地利用类型K值最值

表5 不同土壤类型K值最值

表6 不同土壤类型平均K值

2.2 矮西沟流域土壤K值分析

就研究区的土壤类型而言,K值估算结果为1.5029 ×10-7~0.0086 。小流域内主要土壤类型为灰褐土、褐土、高山草甸土、山地灌丛草原土以及棕壤。K值平均值最大的为灰褐土,主要发育于耕地之上,平均值大小为0.0086 ;其次为褐土,为0.076,主要发育于高山草地;高山草甸土和山地灌丛草原土K值为0.0043 ,分别发育于高山草甸上和山地灌丛草原;棕壤和暗棕壤的K值估算平均值最小,仅仅为6.24×10-7和7.20×10-7,分别发育于灌木林地和林地。采用通用流失方程中的K值估算模型估算的K值在不同土壤类型和土地利用类型的大小值与野外调查一致,依次为灰褐土>高山草甸土>棕壤>暗棕壤,耕地>草甸>灌木林地>林地。整个流域土壤可蚀性K值的总体平均值为0.005,在全国范围内K 值属于较小。

3 结论

对于西藏东部高原小流域,环境恶劣,研究基础薄弱,科研难度大;生态脆弱,经济发展需求迫切,发展与保护的矛盾突出。因此,对该区域土壤的研究需要新思路。由于实测数据不足,初期采用模型法估算土壤可蚀性是最佳选择。本研究证明,应用通用流失方程的K值估算模型能够较准确的估算该区域的主要土壤类型的K值,其估算值无论是在区分不同土壤类型K值的异同上,还是同一土壤类型估算值的准确性上都能满足该区域水土流失研究的要求。研究区埃西沟小流域不同土壤类型K值大小次为灰褐土>高山草甸土>棕壤>暗棕壤;K值大小在土地利用类型上的分布特征为:耕地>草甸>灌木林地>林地。整个流域土壤可蚀性K值的总体平均值为0.005。灰褐土,发育于耕地之上,K值平均值最大为0.0086 ;褐土,发育于高山草地,K 值为0.076。耕地和低覆盖度草地分别是研究区小流域土壤侵蚀强度最大的土地利用类型。研究也发现,在该区域土地利用方式和土壤的垂直分布对土壤的可蚀性影响很大,有待深入研究。

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