青藏高原土壤可蚀性K值的空间分布特征

2014-01-26刘斌涛陶和平宋春风

水土保持通报 2014年4期

刘斌涛，陶和平，史展，2，宋春风，2，郭兵，2

土壤侵蚀是全球性的生态环境问题之一，土壤侵蚀不仅引起土壤质量不断下降，土地退化，耕地资源流失等问题，还会引起水体环境恶化，河道淤积甚至泥石流、洪涝灾害等一些列问题［1－3］。导致土壤侵蚀的因素有降雨、土壤、地形地貌、植被等，其中土壤自身的抗侵蚀能力是重要因子之一，国际上通常用土壤可蚀性K值来衡量［4］。土壤可蚀性K值大小表示土壤是否易受侵蚀破坏的性能，是控制土壤承受降雨和径流分离及输移等过程的综合效应［5］。因此，土壤可蚀性一直作为水土保持学科和土壤学科的重要研究内容之一［6－8］。

国外从20世纪30年代便开始研究土壤可蚀性问题，并于60年代由Wischmeier等提出了具有实用价值的土壤可蚀性评价指标［9］。Wischmeier［10］于1971又提出了5个主要影响土壤可蚀性因子的土壤理化性质参数，建立了利用常规土壤普查资料计算土壤可蚀性因子K值的关系模型。我国学者张宪奎等［11］、张爱国等［12］、刘宝元等［13］、张科利等［2］也对土壤可蚀性因子进行了相关探讨。尽管关于土壤可蚀性估算的研究很多，但常用的方法有 Wischmeier等［10］提出的方法、EPIC 模型方法［14］和 Shirazi等［15］提出的方法。在大尺度土壤可蚀性估算与分析方面，梁音等［4］利用第二次土壤普查数据计算我国东部丘陵区的土壤可蚀性并制作了该区域的K值的空间分布图；王小丹等［5］计算了西藏自治区主要土壤类型的土壤可蚀性K值，并分析了土壤可蚀性的空间分布特征；刘吉峰等［16］计算并分析了青海湖流域土壤可蚀性K值的分布特征；岑奕等［17］等利用第二次土壤普查数据，计算了华中地区主要土壤的土壤可蚀性K值；吴昌广等［3］分析了三峡库区土壤可蚀性K值的计算方法，指出国外计算K值的经验公式不能照搬，可以采用几何平均粒径进行修正。这些研究都采用了我国第二次土壤普查的数据成果，对我国土壤可蚀性研究与应用具有重要的指导意义。

青藏高原地形高亢，平均海拔在4 000m以上，是我国生态环境最脆弱的地区之一［18］。同时，青藏高原水资源丰富，是我国众多大江大河的源头。近年来，由于气候变化和人类活动影响，青藏高原已经成为我国重要的水土流失地区之一［19］。青藏高原土壤侵蚀不仅会对该区域脆弱的生态环境造成破坏，还会对我国大江大河的水沙环境造成严重影响，威胁我国的水安全和水电工程安全。因此，研究青藏高原土壤侵蚀的重要因素——土壤可蚀性对于青藏高原水土保持和生态环境保育具有重要意义。前人以对青藏高原个别区域进行研究，尚无关于青藏高原土壤可蚀性整体性的研究成果，无法揭示青藏高原整体性的土壤可蚀性分布规律，而且青藏高原地形高差悬殊，土壤垂直分异明显，有必要对青藏高原土壤可蚀性的垂直分异特征进行分析研究。本研究通过模型计算和GIS空间分析，对青藏高原土壤可蚀性K值的空间分布特征进行定量分析，旨在深入理解青藏高原土壤侵蚀的成因和分布规律，为青藏高原生态环境保护和生态安全屏障建设提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究查阅了中国土壤数据库（http：∥www.soil.csdb.cn／），《四川土种志》［20］，《青海土种志》［21］，《西藏自治区土种志》［22］等第二次土壤普查资料，共收集了1 255个典型土壤剖面资料。所用的土壤图来自地球系统科学数据共享服务网（http：∥www.geodata.cn／）提供的青藏高原区域1∶100万土壤类型图，该数据为矢量格式，可以在ArcGIS软件支持下进行分析处理。研究所需的辅助数据为SRTM数字高程模型（DEM）数据，从中国科学院国际科学数据服务平台（http：∥datamirror.csdb.cn／admin／datademMain.jsp）获得。

1.2 土壤可蚀性K值估算方法

土壤可蚀性K值一般是针对水力侵蚀而言的。虽然，其量值会受到其它侵蚀营力（风力、冻融）的影响，但就区域尺度而言，其空间分布规律相对稳定。因此，在其它营力对K值的影响作用难以确定的前提下，采用通用的土壤可蚀性计算模型是可行。

土壤可蚀性估算模型较多，其中EPIC模型在我国应用较多。在第一次全国水利普查水土保持专项普查全国土壤可蚀性因子计算分析中也选用了该模型［23］。因此，选用 EPIC模型［14］中给出的土壤可蚀性K值估算模型，其计算公式为：

式中：Sa——砂粒（2～0.05mm）含量（%）；Si——粉砂（0.05～0.002mm）含量（%）；Cl——黏粒（＜0.002mm）含量（%）；C——有机碳含量（%）。

1.3 土壤可蚀性K值估算步骤

土壤可蚀性K值估算的主要步骤包括：（1）从土种志、中国土壤数据库等处获取土壤剖面数据，录入数据库，建立青藏高原土壤剖面数据库；（2）将不同土壤粒径制资料使用3次样条插值方法［24］统一转换为美国制，将土壤有机质含量转换为有机碳含量；（3）使用公式（1）—（2）计算每一个土种的土壤可蚀性K值；（4）根据土种和土壤亚类的隶属关系以及面积统计数据，统计面积加权权重，计算各土壤亚类的土壤K值的加权平均值；（5）将土壤亚类的K值链接到青藏高原1∶100万土壤类型图上，制作青藏高原土壤可蚀性K值分布图，并将K值分布图转换成100m×100m分辨率的栅格数据。

2 结果与分析

2.1 土壤可蚀性K值估算结果

图1为青藏高原土壤可蚀性K值的空间分布图。青藏高原土壤可蚀性平均值为0.230 8，比青藏高原临近区域的黄土高原［1］、川渝地区［25］和滇东北地区［26］土壤可蚀性K值略低。最高值出现在青海省东北部的淡灰钙土，土壤可蚀性值为0.423 3。以土壤可蚀性 K 值为0.09，0.20，0.25和0.30为阈值，分别将青藏高原土壤可蚀性划分为低可蚀性、较低可蚀性、中等可蚀性、较高可蚀性和高可蚀性，则它们的面积分别为1.45×105km2，4.71×105km2，6.29×105km2，1.14×106km2和2.02×105km2，分别占青藏高原总面积的5.60%，18.23%，24.35%，44.02%和7.80%。可以看出，青藏高原土壤可蚀性主要以较高可蚀性和中等可蚀性为主，即土壤可蚀性值主要集中在0.20～0.30之间，二者分布面积达1.77×106km2，占青藏高原总面积的68.37%。从图1中可以看出，青藏高原土壤可蚀性较高可蚀性、高可蚀性区域主要分布在青藏高原中西部的羌塘高原部分、柴达木盆地的碱化盐土、沼泽盐土、草甸盐土、含盐石质土、棕钙土等地带和横断山区的低海拔河谷中，而喀喇昆仑山和青藏高原东南部的高海拔地区土壤可蚀性较低。土壤可蚀性在空间分布上具有明显的水平地带性和垂直地带性。

图1 青藏高原土壤可蚀性K值分布

2.2 土壤可蚀性K值空间分异特征

从图1中可以看出，青藏高原土壤可蚀性的空间分异特征十分明显。为进一步分析青藏高原土壤可蚀性的空间分异特征，本研究从不同土壤区划类型和不同海拔梯度两个角度分别讨论青藏高原土壤可蚀性的空间分异特征。

2.2.1 不同土壤区的土壤可蚀性分布特征表1是依据青藏高原土壤区划图［27］中土壤大区进行的土壤可蚀性统计结果。从表1可以看出，各土壤大区的土壤可蚀性平均值相差不大，平均值最高的为阿里冷漠土地带，为0.255 5；平均值最低的为青东栗钙土、灰褐土地带，为0.196 2。综合极值变幅、标准差和变异系数3项指标可以看出，青东栗钙土、灰褐土地带和柴达木冷漠土、寒漠土地带土壤可蚀性空间变异最明显，这主要由于土壤大区内各土壤亚类的理化性质差异引起的。而川西藏东褐土、黄棕壤地带和川青藏接壤寒毡土地带极值变幅也非常高，由于这一地区地形垂直高差很大，因此可以说这种变异有可能是土壤可蚀性垂直分异的结果。

表1 不同土壤区的土壤可蚀性K值

为进一步研究不同土壤区的土壤可蚀性特征，统计分析了各个土壤区不同可蚀性等级的面积。图2为不同土壤区各个可蚀性等级累计百分比柱状图，从图2中可以看出各个土壤区中低可蚀性和高可蚀性土壤均不占优势，相对来说柴达木冷漠土、寒漠土地带和川西藏东褐土、黄棕壤地带高可蚀性土壤占研究区域总面积的比例稍高，分别为14.13%和10.14%。川西藏东褐土、黄棕壤地带、川青藏接壤寒毡土地带、治多、那曲寒冻毡土地带和青东栗钙土、灰褐土地带中等可蚀性土壤占主要地位，所占比例分别达到47.05%，72.10%，50.69%和39.83%；东喜马拉雅南翼砖红壤、黄壤、黄棕壤地带、青南藏北寒冻钙土地带、阿里冷漠土地带、昆仑高寒雏漠土、寒漠土地带和柴达木冷漠土、寒漠土地带较高可蚀性土壤占主导地位，所占比例分别达到57.66%，71.85%，69.83%，57.16%和39.89%。图3为青藏高原各土壤区高可蚀性土壤占青藏高原全部高可蚀性土壤的百分比。从图3中可以看出，青藏高原高可蚀性土壤主要集中分布在川西藏东褐土、黄棕壤地带、青南藏北寒冻钙土地带和柴达木冷漠土、寒漠土地带，分别占21.19%，24.18%和24.43%。对比青藏高原土壤可蚀性分布图和DEM可以看出，在川西藏东褐土、黄棕壤地带和青南藏北寒冻钙土地带高可蚀性土壤集中分布在低海拔河谷之中，从一个侧面反映出青藏高原土壤可蚀性的垂直变异特征，而在柴达木冷漠土、寒漠土地带高可蚀性土壤集中分布在柴达木盆地的碱化盐土，沼泽盐土，草甸盐土，含盐石质土，棕钙土等地区。

图2 青藏高原不同土壤区各可蚀性等级土壤的比例

2.2.2 不同海拔梯度的土壤可蚀性分布特征为进一步定量分析不同海拔梯度的土壤可蚀性特性，按照间隔1 000m划分了海拔梯度，并统计每一个海拔等级的土壤可蚀性的平均值、最大值、最小值、极值变幅、标准差和变异系数等指标。表2为青藏高原不同海拔梯度的土壤可蚀性特征。从表2中可以看出，1 000～2 000m梯度范围土壤可蚀性平均值最高，其次为＜1 000m梯度，这个两个梯度土壤可蚀性平均值均超过了0.25，即平均已经达到了较高可蚀性等级。青藏高原地势高亢，只有在河谷中地势才会低于2 000m，因此可以说明青藏高原低海拔河谷地区土壤可蚀性较高。3 000～4 000m，4 000～5 000m，5 000～6 000m这3个梯度等级土壤可蚀性介于0.20～0.25之间，即属于中等可蚀性等级。从图1中可以看出3 000～6 000m海拔高度范围内的土壤可蚀性明显分为两部分，青藏高原高原东南部此海拔范围内基本属于中等可蚀性等级，而青藏高原中西部广大的羌塘高原部分此海拔范围内基本属于较高可蚀性等级。海拔高于6 000m的地区土壤可蚀性等级明显降低，主要原因是该海拔范围内主要分布有寒冻土、寒漠土等土壤类型以及永久性冰雪、裸岩石砾地等类型，成土作用弱，砾石含量高，水力侵蚀已不是主要的土壤侵蚀类型。

图3 青藏高原不同土壤区高可蚀性土壤占全部高可蚀性土壤的比例

表2 不同海拔梯度的土壤可蚀性K值统计特征

图4为不同海拔梯度的不同可蚀性等级的统计特征。从图4中可以看出在2 000～3 000m高度高可蚀性土壤占有较大比例，达到24.37%，而其余各海拔梯度中高可蚀性土壤所占比例均较小。＜1 000m和1 000～2 000m范围内较高可蚀性土壤占有非常大的比例，分别高达55.13%和78.75%，说明这个梯度范围内的土壤可蚀性较高，这与王小丹等［5］在西藏自治区的研究结论相符。海拔高于6 000m的区域较低可蚀性土壤和低可蚀性区域占据主导地位，说明这个海拔高度上土壤可蚀性比较低，这与前面的分析也是一致的。然而意外的是的不同海拔梯度高可蚀性土壤占全部高可蚀性土壤的比例最高值却出现在4 000～5 000m高度范围内（图5），其原因主要是由分布在该海拔范围的暗寒钙土（K＝0.322 7）、寒原盐土（K＝0.304 0）、石质土（K＝0.323 1）和粗骨土（K＝0.323 1）等有关，这4种土壤的总面积达1.02×105km2。

图4 青藏高原不同海拔梯度的各可蚀性等级土壤比例

为了进一步研究青藏高原土壤可蚀性的垂直分异特征，分别在金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江和西藏中部的冈底斯山脉分别建立了4个典型的剖面，分别命名为 A－A’剖面、B－B’剖面、D－D’剖面和 C－C’剖面，分别对这4个典型剖面的土壤可蚀性和海拔梯度进行了统计分析。从图6可以看出，无论是在青藏高原东南部的横断山区（A－A’剖面、B－B’剖面），还是在藏南谷底（D－D’剖面）以及在青藏高原中部的羌塘高原南部区域（C－C’剖面）土壤可蚀性均呈现出随海拔升高而降低的趋势，这种趋势在横断山区尤为突出。结合表2和图4—5，可以认为青藏高原土壤可蚀性整体上表现出随着海拔高度而降低的趋势，在4 000～5 000m范围内存在一个略升高的趋势，海拔高度＞6 000m以后土壤可蚀性迅速降低。出现这种现象的主要原因是横断山区土壤的垂直分异特征决定了土壤可蚀性的垂直分异特征。横断山区是我国山地土壤垂直带谱变化最复杂的地区［28］，受水热条件的区域差异影响，土壤的理化性质也表现出明显的变化特征，并进而影响了土壤可蚀性的垂直分布。土壤可蚀性的这种垂直分带特征也为建立土壤可蚀性垂直带谱奠定了基础。

图5 青藏高原不同海拔高可蚀性土壤占全部高可蚀性土壤的比例

图6 青藏高原典型土壤剖面的海拔高度与K值分布特征

3 结论

（1）青藏高原土壤可蚀性平均值为0.230 8，属中等可蚀性等级。低可蚀性、较低可蚀性、中等可蚀性、较高可蚀性和高可蚀性土壤面积分别为1.45×105km2，4.71×105km2，6.30×105km2，1.14×106km2和2.02×105km2，分别占青藏高原总面积的5.60%，18.23%，24.35%，44.02%和7.80%。青藏高原土壤可蚀性以中等可蚀性和较高可蚀性为主，二者分布面积达1.77×106km2，占青藏高原总面积的68.37%。

（2）青藏高原高可蚀性土壤主要集中分布在川西藏东褐土、黄棕壤地带、青南藏北寒冻钙土地带和柴达木冷漠土、寒漠土地带，分别占21.19%，24.18%和24.43%。青东栗钙土、灰褐土地带土壤可蚀性最低，平均为0.1962。

（3）青藏高原土壤可蚀性具有明显的垂直分带特征，1 000～2 000m高度土壤可蚀性最高。横断山区土壤可蚀性的垂直分异最明显，土壤可蚀性随海拔升高而降低。土壤的垂直分带特征决定了土壤可蚀性的垂直分带特征。

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