基于优化水蚀模型的生态脆弱区土壤保持功能评估

蒋奇宏，余景乐，蒋洪琛，姜 茜，许桓瑞

（武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430000）

根据全球年度水土流失统计数据显示，我国是世界上水土流失最严重的国家之一。在1950年代初，我国土壤水蚀面积达150万km2，到1990年代末，全国水土流失总面积高达356万km2，占国土总面积的37.1%。水土流失主要分为两种形式：水蚀和风蚀。其中，土壤水蚀是指由于水土流失造成的大量养分迁移、水土资源流失、泥沙淤积和水体污染等不良后果。由此可以看出，水土流失危害严重，成因复杂。

1 研究区域概况

黄土高原位于中国西北部，是世界上最大的黄土堆积区，以该区域为研究区域。黄土高原的水土流失形式极为复杂，存在多种类型的侵蚀，主要包括两点：一是黄土高原水土流失面积广、强度高，年均水蚀面积达到14.65×104 km2，占全国同等面积的38.8%，其中严重水蚀面积为3.67×104 km2，占全国同等面积的89%；二是黄土高原水土流失速度快，且黄土高原表面土层每流失1 cm，在自然条件下恢复，至少要100～400年。黄河中游全区年均冲刷量约为3.7万t/ km2，仅黄河携带的底泥中的氮、磷、钾总量每年就超过4200 t。因此，水土流失不仅降低了土壤肥力，侵蚀耕地，还削弱了水土保持对水资源的影响，极易引发其他自然灾害。

2 研究方案及模型构建

CSLE总公式

R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；A为坡面多年平均年土壤流失量，t/hm2·a-1；K为土壤可蚀性因子，t·h·MJ-1·mm-1；L[1]为坡长，m；S为坡度，B、E、T为水土保持措施因子，无量纲[2]。

（1）R（降雨侵蚀力）因子

Ri为第i个半月降雨侵蚀，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；k为该半月内降雨的天数，Pj是半月内第j天的日降雨量（≥12 mm），否则以0计算，mm；α和γ是模型的两个待定参数。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：指某地多年降雨量总和除以年数得到的均值，或某地多个观测点测得的年降雨量均值[3]。

日平均雨量：表示24 h内降雨总量。

降雨超过60 min：

降雨不超过60 min：

普通降雨的雨型：

短阵型降雨的雨型：

式中：e表示降雨的最大60 min雨强的动能，J/mm·m-2；R为降雨侵蚀力，J·cm/m2·h；I表示降雨强度，mm/min；Γ()为伽马分布；A1是雨滴最终速度，为尺度参数，m·s-2；B1为形状参数。A2是雨滴动能，J·mm-1·m-2；B2无特殊实际意义。a是代表参数，r、p为常数；n是与雨型、降雨强度有关的参数。r常数取值为1.30；p常数的取值是0.232；b常数取值为0.60；c常数取值为3.79[4]。

（2）K因子

式中：SN=1-SAN/100；SAN为砂粒（0.05～2 mm）含量，%；SIL为粉砂（0.002～0.05 mm），含量%；CLA为黏粒质量（＜0.002 mm），含量%；C为有机碳含量，%；K值，t·h·MJ-1·mm-1[5]。

（3）因子

式中：L是坡长因子，m；H代表海拔标准差，是对地面高程离散化程度的直接描述，m。其中，海拔高程差可以通过现有的数据直接获取[6-8]。

（4）坡度因子

式中：θ是坡度[9]。

（5）B因子

计算总公式：

茶园和灌木林地：

果园，其他园地：

草地：

FVC：黄土高原植被覆盖度动态变化的空间分布的区域分布；GD：是乔木林的林下盖度，取值范围为0～1，包括除乔木冠层以外的所有植被（灌木、草本和枯落物）构成的林下盖度；WR 为前面计算的第i半月降雨侵蚀力占全年侵蚀力比例，取值范围为0～1；SLR 为第i个半月原地、林地、草地的土壤流失比例，无量纲，取值范围为0～1，同时也制作了B因子概括的表格，详见表1[10]。

表1 生物措施B因子

（6）E因子

St、Sd、M分别为梯田面积、淤地坝控制面积和研究区土地总面积，单位均为km2。Z、D分别为梯田和淤地坝的减沙系数，Z=0.763，D=1，同时也制作了E因子粗略估计值的表格，详见表2[11]。

表2 工程E因子

（7）耕作措施T因子：

在西北黄土高原区所采用的主要有3种保护性耕作措施，分别是免耕、免耕秸秆覆盖和等高耕作，详见表3。

表3 保护性耕作T因子

不同坡度下的耕作措施值，详见表4。

表4 不同坡度下的T因子

3 数据来源

本项目主要需要获取的数据为黄土高原2008～2020年的降雨量数据、黄土高原土壤砂粒含量、粉砂含量、黏粒含量、有机碳含量数据、海拔标准差数据、坡度数据、黄土高原土地利用类型数据梯田淤地坝面积数据、黄土高原植被覆盖数据，数据清单详见表5。

4 结果分析

以2015年数据为例，经模型计算得出黄土高原水蚀分布和黄土高原水土保持功能评估相关数据结果。由黄土高原水蚀分布数据可以看出，黄土高原水蚀的空间分异性，与坡度，土壤，降水侵蚀等因子呈强烈的正相关，水蚀较为严重的区域集中分布在东偏南区域坡度较大降水较为丰沛的区域，西北部的小部分区域水蚀也较为严重，其余大部分区域由于缺乏坡度，土壤，降水侵蚀三者的强烈影响，水蚀程度不是特别严重。黄土高原水土保持功能评估数据所表现的水土保持功能重要性基本上与当地水蚀强度呈正相关，即水蚀强度越大，该地水土功能评估越重要。

同时，以《国家生态保护红线技术导则》为根据对黄土高原水土保持功能进行划区分，得到以下结论：

黄土高原水土保持功能以一般重要为主，其中水土保持功能一般重要所占地面积为62.26 km2，所占比例为95.7%；水土保持功能重要所占地面积为2.11 km2，所占比例为3.2%；水土保持功能极重要所占面积为0.66 km2，所占比例为1.2%。

表5 数据清单

5 结论

本次研究以黄土高原为研究对象，以CSLE模型为基础，优化改进了模型参数，通过集成建模方法，以黄土高原区域水蚀情况为例，收集了大量的数据，进行了模型计算和参数反演，同时，根据国家生态相应的技术标准制，以科学的方法和大量数据，在一定程度上为黄土高原的水土保持研究和治理方面提供了数据支撑和方法参考。