岑 奕，丁文峰，張平倉(cāng)

(長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010)

土壤侵蝕是指土壤或成土母質(zhì)在水力或者風(fēng)力的作用下，遭到破壞和剝蝕，發(fā)生搬運(yùn)和沉積的全過程［1］。土壤侵蝕不僅造成土壤資源被蠶食和破壞，還會(huì)使大量肥沃表土流失，造成土壤肥力和質(zhì)量下降，由此引發(fā)生態(tài)環(huán)境失調(diào)惡化;同時(shí)，還會(huì)淤塞河床，大大縮短水利工程設(shè)施的使用壽命。土壤可蝕性是土壤性質(zhì)的一個(gè)重要方面，是評(píng)價(jià)土壤是否易受侵蝕營(yíng)力破壞的性能，也是土壤對(duì)侵蝕營(yíng)力分離和搬運(yùn)作用的敏感性［2］。它是影響土壤侵蝕量的內(nèi)在因素，也是定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)［3］，因此，國(guó)際上把土壤可蝕性研究作為土壤侵蝕研究中的一個(gè)重要內(nèi)容［4］。許多學(xué)者認(rèn)為，土壤可蝕性的強(qiáng)弱與土壤內(nèi)在理化性質(zhì)(土壤的顆粒組成、團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、有機(jī)質(zhì)含量、滲透率、緊實(shí)度等)關(guān)系密切。

歐美國(guó)家在土壤可蝕性指標(biāo)研究方面起步較早，已成功建立有多種估算模型。其中，較為著名的有:1969年Wischmeier等［5］通過研究土壤15種理化性質(zhì)和土壤可蝕性因子K之間的關(guān)系，建立相關(guān)回歸方程;1990年 Williams等［6］在侵蝕-生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型(EPIC)中，把土壤可蝕性因子K值的計(jì)算公式發(fā)展為僅與土壤砂粒、粉粒、黏粒含量和土壤有機(jī)碳含量有關(guān)。而我國(guó)也有不少專家學(xué)者依據(jù)國(guó)外建立模型的方法及公式來推斷評(píng)價(jià)我國(guó)土壤可蝕性，雖開展很多研究［7－9］，但模型的建立及研究往往依托坡面或小流域野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，區(qū)域性(省級(jí))尺度且以國(guó)家規(guī)模土壤調(diào)研為數(shù)據(jù)來源的研究較少。

華中地區(qū)位于我國(guó)中部，地處華北、華東、西北、西南與華南之間，具有全國(guó)東西、南北四境過渡的要沖和水陸交通樞紐的優(yōu)勢(shì)，起著承東啟西、溝通南北的重要作用。該區(qū)地帶性土壤抗侵蝕能力弱，瞬時(shí)降水強(qiáng)度大，水土流失較為嚴(yán)重，由此造成該區(qū)通江湖泊容積銳減，湖泊調(diào)蓄洪水能力大大下降，加劇了洪水的災(zāi)害程度［10］。同時(shí)，水土流失還帶走大量土壤，致使土層變薄，質(zhì)地變粗，土壤結(jié)構(gòu)破壞，土壤養(yǎng)分降低，嚴(yán)重制約該區(qū)可持續(xù)性發(fā)展。本研究以全國(guó)第2次土壤普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，對(duì)華中地區(qū)主要土壤可蝕性因子K值進(jìn)行定量研究分析，揭示各類型土壤可蝕性特征，探討該區(qū)土壤可蝕性因子空間分布特征，為該區(qū)的水土保持研究提供必要的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

華中地區(qū)包括河南、湖北、湖南三省，地處北緯24°38'－36°24'，東經(jīng) 108°21'－116°39'之間，土地面積約56萬多平方公里，氣候溫暖而濕潤(rùn)，年平均氣溫在14～21℃之間，氣溫由北向南遞增;雨水豐沛，年降水量800～2 000 mm，降水分布由東南向西北遞減。本區(qū)地貌類型較多，山地、丘陵、高原、平原交錯(cuò)分布，總的特點(diǎn)是西高東低，大致可分為高山、中山和平原3部分。地勢(shì)較高的山地多分布在西部，包括秦巴山地等，大部分海拔為2 000～3 000 m。中部和南部的大別山地、江南丘陵和南嶺山地等，除個(gè)別山峰海拔達(dá)2 000 m以上外，多數(shù)在1 000 m左右。地帶性土壤主要為紅壤、黃壤和山地黃棕壤，抗侵蝕能力較弱，加上降水強(qiáng)度大、暴雨多、土地開發(fā)利用不當(dāng)，極易引起土壤侵蝕。植被類型繁多，成分復(fù)雜，闊葉樹以殼斗科、樟科、山茶科、冬青科等常綠闊葉樹種為主，但也混有較多北方溫帶植被和南方熱帶植被。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的研究數(shù)據(jù)主要以20世紀(jì)90年代全國(guó)第2次土壤普查資料為基礎(chǔ)，內(nèi)容以土種劃分，包括:分類歸屬與分布(含面積);典型(代表)剖面形態(tài)特征;主要理化性狀(附理化分析數(shù)據(jù));土壤生產(chǎn)性能綜述?？紤]到研究區(qū)土壤可蝕性因子插值所需，在研究區(qū)范圍外也多選擇樣點(diǎn)，本研究共選擇樣點(diǎn)224個(gè)，有關(guān)分布圖如圖1所示。

圖1 華中地區(qū)土種志樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The distribution of soil samples in central China

2.2 研究方法

2.2.1 可蝕性因子K估算方法

由于考慮到研究區(qū)域的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，以及計(jì)算結(jié)果的可操作性，本文采用侵蝕-生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型(EPIC)中的K值作為衡量土壤抗侵蝕性的指標(biāo)，EPIC模型中的K值計(jì)算公式為

式中:SAN為砂粒含量(%);SIL為粉粒含量(%);CLA為黏粒含量(%);C為有機(jī)碳含量(%);SN1=1－SAN/100。

土壤可蝕性因子K值的計(jì)算公式中，土壤顆粒分析標(biāo)準(zhǔn)往往采用美國(guó)制，而全國(guó)第2次土壤普查中，土壤顆粒分析采用的是國(guó)際制，因此必須把國(guó)際制轉(zhuǎn)換為美國(guó)制。

在以往的研究中，通常采用圖解法進(jìn)行土壤質(zhì)地的轉(zhuǎn)換，即在半對(duì)數(shù)紙上先畫出國(guó)際制的土壤顆粒級(jí)配曲線，再通過查圖，讀出該土壤粒徑的百分含量。利用圖解法轉(zhuǎn)換土壤質(zhì)地，具有直觀、鮮明的優(yōu)點(diǎn)，但由于曲線的繪制和讀數(shù)皆為人為，容易產(chǎn)生人為誤差。在本研究中，利用Matlab編程，通過對(duì)國(guó)際制的土壤粒徑值進(jìn)行樣條插值，得到美國(guó)制的土壤機(jī)械組成［11］。

2.2.2 插值方法

利用全國(guó)第2次土壤普查的樣點(diǎn)屬性值，分析華中地區(qū)土壤可蝕性因子空間分布特征，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值方法?？臻g分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)中，發(fā)展了多種插值方法，其中用于土壤抗侵蝕性的空間插值方法主要包括空間確定性插值中的反距離權(quán)重法和徑向基函數(shù)法以及地統(tǒng)計(jì)插值中的普通克里格法等。比較3種插值方法，反距離權(quán)重插值結(jié)果誤差較大，易出現(xiàn)“牛眼”現(xiàn)象;樣條插值方法更適宜于緩慢變換樣點(diǎn)插值，在本研究中，易擬合過度出現(xiàn)負(fù)值;而普通克里格插值法，無論是擬合誤差，還是插值空間分布結(jié)果均表現(xiàn)較高［12，13］。因此，本研究采用普通克里格插值方法，該方法利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行最優(yōu)無偏估值。其插值精度由表1所示。

表1 普通克里格插值法的插值精度Table 1 Interpolation accuracy of Ordinary Kriging

3 結(jié)果與分析

按經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法分析，利用土壤普查得到的土壤各類理化性質(zhì)，通過EPIC方程計(jì)算得到樣點(diǎn)土壤可蝕性因子K值，其變化范圍 0.09～0.39，最大值為最小值的4.3倍，可見估算值變幅較大。K值的中值為 0.264 4，均值為 0.269 7，兩者非常接近，表明研究區(qū)內(nèi)該指標(biāo)的分布較為均勻，未受特異值的影響。樣點(diǎn)K值的變異系數(shù)為17.82%，具有中等程度的空間變異性。

借助ArcGIS軟件，通過普通克里格插值，得到空間分布圖如圖2所示。該區(qū)土壤可蝕性因子K值主要分布在0.21～0.33之間:高值區(qū)主要分布在河南省的東部、西部區(qū)域，低值區(qū)則主要分布在湖南省的南部、湖北及河南交界的中部及東部地區(qū)。

圖2 華中地區(qū)土壤可蝕性因子空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of soil erodibility factor(K)in central China

就整體而言，該區(qū)土壤可蝕性因子K值分布，在地域上呈現(xiàn)出由北向南先降低、后增高、再降低的趨勢(shì)。該區(qū)土壤可蝕性因子K值的這種空間分布特征，與土壤結(jié)構(gòu)性因素(土壤類型、地形等)引起的空間變異性程度較大，隨機(jī)性因素(人工措施等)使得土壤可蝕性的空間相關(guān)性增強(qiáng)有關(guān)。

根據(jù)華中地區(qū)土壤圖(圖3)，全區(qū)共分布土類25種，其中主要土類為紅壤(面積約占全區(qū)總面積的 22.04%)，水稻土(面積約占15.29%)，潮土(面積約占 14.98%)，黃棕壤(面積約占12.17%)，黃壤(面積約占 8.16%)。

土壤可蝕性因子與土壤類型相關(guān)，利用ArcGIS軟件將圖2與圖3疊加，統(tǒng)計(jì)不同土類對(duì)應(yīng)的土壤可蝕性因子均值(圖4)。研究表明:K值最大的為褐土，約為0.34;紅黏土的 K值次之，約為0.31;粗骨土的可蝕性最低，約為0.19。土壤K值是土壤抵抗水蝕能力大小的一個(gè)綜合性指標(biāo)，土壤K值越大，土壤抵抗水蝕能力越弱，越易受侵蝕;反之，土壤抵抗水蝕能力越強(qiáng)，越難被侵蝕。

圖3 華中地區(qū)土壤圖Fig.3 The soil types in central China

圖4 主要土類土壤可蝕性因子K均值Fig.4 Mean values of the soil erodibility factor(K)of different soil types in central China

其中，由于紅壤、水稻土、潮土、黃棕壤、黃壤5種土類所占面積較大(約占全區(qū)總面積的72.63%)，其土壤可蝕性因子 K 值分別為:0.250，0.253，0.287，0.225，0.244。顯然潮土的土壤可蝕性因子K值最大，黃棕壤最小。這5種土類可基本反映華中地區(qū)的土壤抗侵蝕情況。

同時(shí)，為驗(yàn)證本研究土壤可蝕性因子K值的估算結(jié)果，對(duì)照梁音等［14］依據(jù)第2次土壤普查資料建立長(zhǎng)江以南東部丘陵區(qū)土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)資料，估算得到的紅壤的可蝕性因子K值為0.231，黃棕壤的K值為 0.219，與本研究估算得到紅壤 K值0.250和黃棕壤K值0.225相當(dāng)。考慮到使用區(qū)域的樣本數(shù)據(jù)的差異，可認(rèn)為本研究解析的土壤可蝕性因子較為可信。

4 結(jié)論

(1)華中地區(qū)土壤可蝕性因子K值主要分布在0.21～0.33之間:高值區(qū)主要分布在河南省的東部、西部區(qū)域，低值區(qū)則主要分布在湖南省的南部、湖北及河南交界的中部及東部地區(qū)。就整體而言，該區(qū)土壤可蝕性因子K值分布，在地域上呈現(xiàn)出由北向南先降低、后增高、再降低的趨勢(shì)。

(2)華中地區(qū)共分布土類25種，K值最大的為褐土，約為0.34;紅黏土的K值次之，約為 0.31;粗骨土的可蝕性最低，約為0.19。

(3)華中地區(qū)紅壤、水稻土、潮土、黃棕壤、黃壤5種土類所占面積較大(約占全區(qū)總面積的72.63%)，其土壤可蝕性因子 K 值分別為:0.250，0.253，0.287，0.225，0.244。

本研究利用全國(guó)第2次土壤普查數(shù)據(jù)，深入探討了華中地區(qū)土壤可蝕性因子空間分布情況，初步揭示了各類型土壤可蝕性特征，為華中地區(qū)的土壤可蝕性研究提供了一定的科學(xué)支持。但由于地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，難以對(duì)插值得到的華中地區(qū)土壤可蝕性因子空間分布圖進(jìn)行有效的驗(yàn)證。在將來的研究工作中，還應(yīng)結(jié)合地面徑流小區(qū)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化空間插值方法，以期得到更精確的區(qū)域土壤可蝕性數(shù)據(jù)。

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