韓 旭,田 培,*黃建武,王珂珂,王瑾鈺,劉目興,潘成忠

1 華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430079

2 華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢 430079

3 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875

土壤侵蝕是引起土地退化、洪澇災(zāi)害等環(huán)境問題的重要原因之一[1],嚴(yán)重威脅生產(chǎn)生活和生態(tài)安全[2]。據(jù)《2018年湖北省水土保持公報(bào)》,湖北省土壤侵蝕面積為32520.16 km2,占其國土面積的17.51%。湖北省武漢市位于長江中游,處于桐柏山大別山國家級水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)與幕阜山省級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)之間的過渡地帶。據(jù)《2018年武漢市水土保持公報(bào)》,武漢市土壤侵蝕面積為961.42 km2,占其國土面積的11.22%,土壤侵蝕問題不容忽視。因此,開展武漢市土壤侵蝕影響因素的系統(tǒng)化定量評價(jià)研究,識別關(guān)鍵因子,對該區(qū)域土壤侵蝕防控及長江中游生態(tài)安全具有重要意義。

自然降雨條件下野外徑流小區(qū)觀測法是定量評價(jià)土壤侵蝕影響因子的重要方法[3- 4]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者通過構(gòu)建不同地區(qū)長觀測年限、多徑流小區(qū)、大數(shù)據(jù)量的土壤侵蝕觀測數(shù)據(jù)集[5- 8],為定量研究區(qū)域土壤侵蝕影響因素、水土保持措施效益等提供了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),有效克服了此前研究中小區(qū)數(shù)量與類型偏少及觀測年份有限等問題。如Cerdan等[9]通過整理歐洲19個國家81個監(jiān)測站點(diǎn)的2741組數(shù)據(jù),對比了不同土地利用類型小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),并估算了全歐洲的片蝕率與溝蝕率。Guo等[10]建立了中國水蝕區(qū)73個站點(diǎn)2838組數(shù)據(jù)的徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)庫,研究了不同地區(qū)、不同土地利用類型小區(qū)土壤侵蝕的總體特征與變異性。結(jié)合野外徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)及通用土壤流失方程(The Universal Soil Loss Equation, USLE)是定量研究土壤侵蝕因子及構(gòu)建侵蝕預(yù)報(bào)模型的重要手段[4,11- 12],部分學(xué)者在區(qū)域尺度上研究了武漢市土壤侵蝕的生態(tài)響應(yīng)、時(shí)空分異規(guī)律[13- 15],但結(jié)合徑流小區(qū)長期觀測數(shù)據(jù)與USLE模型開展侵蝕因子定量評價(jià)的研究相對較少。周耀華等[16]基于武漢市黃陂區(qū)野佛溝徑流場觀測數(shù)據(jù)開展了土壤侵蝕預(yù)測研究,但該研究僅依托單一徑流場的數(shù)據(jù)。張東升[17]結(jié)合GIS和RUSLE模型發(fā)現(xiàn)武漢市土壤侵蝕的主導(dǎo)因素是土地利用類型；也有研究指出與土地利用相對應(yīng)的植被覆蓋與管理因子(C)及水土保持措施因子(P)對USLE模型的預(yù)報(bào)精度影響較大[18],然而適用于武漢地區(qū)的C與P因子賦值方法缺乏深入研究。徑流小區(qū)觀測法是USLE模型中土壤可蝕性因子(K)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法[19],但該方法在武漢地區(qū)的應(yīng)用研究鮮見報(bào)道[20]。因此,利用野外徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù),并結(jié)合USLE模型對武漢市土壤侵蝕不同影響因素開展定量評價(jià)研究亟待深入。

本文通過建立一個長觀測年限(2009—2018年共10年)、多徑流小區(qū)(35個)和大數(shù)據(jù)量(139組觀測數(shù)據(jù))的武漢市野外徑流小區(qū)自然降雨條件下的土壤侵蝕觀測數(shù)據(jù)庫,并借鑒USLE模型定量評價(jià)武漢市土壤侵蝕影響因素,識別主導(dǎo)侵蝕因子,以期為構(gòu)建基于徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)的武漢市土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型提供思路,并為該區(qū)域水土保持措施合理布設(shè)及侵蝕防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

本文匯編了2009—2018年共十年的《武漢市水土保持公報(bào)》,構(gòu)建了武漢市野外徑流小區(qū)土壤侵蝕觀測數(shù)據(jù)庫。觀測數(shù)據(jù)來自武漢市黃陂區(qū)、蔡甸區(qū)、新洲區(qū)的4個水土保持監(jiān)測站點(diǎn)(圖1):蔡店站(土石山區(qū)花崗巖紅壤)、磨盤山站(黃棕壤)、西湖站(黃棕壤、棕紅壤)和燕子山站(黃壤),共35個徑流小區(qū)。這些站點(diǎn)所在區(qū)域均屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū),降雨集中在6—8月。納入本文分析的共139組觀測數(shù)據(jù),如表1所示；這些數(shù)據(jù)在坡度、侵蝕性降水量、面積和年份上的分布如圖2所示。

圖1 武漢市水土保持監(jiān)測站地理位置

表1 徑流小區(qū)布設(shè)情況及土壤侵蝕觀測樣本量

圖2 徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)分布

1.2 參數(shù)計(jì)算方法

(1)土壤侵蝕模數(shù)(SL)

土壤侵蝕模數(shù)(Soil Loss, SL)是單位面積土地在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的土壤侵蝕量。按照一定標(biāo)準(zhǔn)對徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),為消除不同小區(qū)之間面積差異造成的影響,以小區(qū)面積為權(quán)重計(jì)算出的土壤侵蝕模數(shù)平均值作為該類型小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)。

(2)坡度因子(S)

USLE方程表達(dá)式[21]為:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中,A為土壤侵蝕模數(shù),單位為t hm-2a-1；R為降雨侵蝕力因子,單位為MJ mm hm-2h-1a-1；K為土壤可蝕性因子,單位為t hm2h-1hm-2MJ mm；L為坡長因子,無量綱；S為坡度因子,無量綱；C為植被覆蓋與管理因子,無量綱；P為水土保持措施因子,無量綱。

鑒于本研究涉及的所有徑流小區(qū)的坡度均在5°—25°之間,故使用劉寶元等[22]提出的坡度因子公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

(2)

(3)侵蝕性降水量因子(EP)

侵蝕性降水量(Erosive Precipitation, EP)指每年所有引發(fā)土壤侵蝕的降水事件的降水總量。本文用侵蝕性降水量因子EP代替USLE方程中的降雨侵蝕力因子R。

(4)改進(jìn)的土壤可蝕性因子(K′)

USLE模型中的土壤可蝕性因子K指單位降雨侵蝕力在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)所能引起的土壤侵蝕量[23],徑流小區(qū)測定法直接從土壤可蝕性的定義出發(fā),是土壤可蝕性因子的標(biāo)準(zhǔn)測定方法[19]。若目標(biāo)小區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū),則K直接由土壤侵蝕模數(shù)除以降水侵蝕力因子得到；但若觀測小區(qū)不是標(biāo)準(zhǔn)小區(qū),則需要將觀測資料訂正到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)條件下[24]。楊欣等[20]基于非標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測資料對全國不同類型區(qū)土壤可蝕性因子進(jìn)行了計(jì)算,將非標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡度、坡長統(tǒng)一訂正到了22.13 m坡長和5°坡度的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下,計(jì)算公式如下:

(3)

式中,各符號含義同公式(1)。本文借鑒此方法并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,以侵蝕性降水量EP代替降雨侵蝕力因子R,以坡度S代替地形因子LS,以土壤侵蝕模數(shù)的縮寫SL代替A,以“改進(jìn)的土壤可蝕性因子(K′)”代替USLE模型中的K,計(jì)算公式如下:

(4)

若計(jì)算某一類型小區(qū)的平均K′,則可表示在該地表覆蓋類型下土壤對侵蝕的敏感性,使用小區(qū)面積作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均得到,計(jì)算公式如下:

(5)

式中,K′為改進(jìn)的土壤可蝕性因子,單位為t km-2a-1mm-1；SLi為土壤侵蝕模數(shù),單位為t km-2a-1；EPi為侵蝕性降水量,單位為mm；Si為坡度因子,無量綱；ai為小區(qū)面積,作為權(quán)重,單位為m2。

該方法可將非標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡度和坡長修正為統(tǒng)一條件,但未對土地利用方式和水土保持措施進(jìn)行修正。理論上,土壤可蝕性因子K應(yīng)由土壤本身性質(zhì)決定[25],但不同地表覆蓋條件對土壤性質(zhì)也有重要影響[12],如作物根系會影響土壤結(jié)構(gòu),耕作方式會影響土壤緊實(shí)程度等。故本文的K′因子不僅僅代表土壤本身性質(zhì)對土壤可蝕性的影響,還考慮了不同徑流小區(qū)土地利用方式和水土保持措施的差異性對K′取值的影響。

(5)植被覆蓋與管理因子(C)與水土保持措施因子(P)

在USLE中,用C與P因子共同衡量地表覆蓋對土壤侵蝕的影響,其含義分別為有植被覆蓋和實(shí)施水土保持措施地類的侵蝕量與相同條件下裸地之比[18]。本文將C與P因子合并計(jì)算,涉及實(shí)施水土保持措施的徑流小區(qū)時(shí)采用P因子,反之則采用C因子?？紤]到各小區(qū)的坡度存在差異,故參考前文對K′因子的修正方法,將各小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)修正到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)坡度條件下:

(6)

計(jì)算不同土壤類型裸地小區(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)SL,結(jié)果表明,土石山區(qū)花崗巖紅壤裸地小區(qū)的平均SL為56.28 t km-2a-1mm-1,黃棕壤為280.46 t km-2a-1mm-1,紅壤為921.95 t km-2a-1mm-1,黃壤為694.62 t km-2a-1mm-1。再將每個小區(qū)的SL′除以對應(yīng)土壤類型裸地小區(qū)的平均SL,得到該小區(qū)的C(P)[4]。若計(jì)算某一類型小區(qū)的平均C(P),則使用小區(qū)面積作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均得到。公式如下:

(7)

式中,C、P因子均無量綱；SLi′是修正為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)坡度后的土壤侵蝕模數(shù),t km-2a-1；SLBare Land為對應(yīng)土壤類型裸地小區(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù),t km-2a-1；ai為小區(qū)面積,m2,作為權(quán)重。

(6)土壤侵蝕削減率(SLRR)

土壤侵蝕削減率(Soil Loss Reduction Rate, SLRR)指地表覆蓋對裸地土壤侵蝕量的削減比例,能夠反映指定作物、植被或水土保持措施的水土保持效益[26]。通過計(jì)算指定類型小區(qū)與同類土壤裸地小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),得到對應(yīng)土壤侵蝕削減率,公式如下:

(8)

式中,SLRR為土壤侵蝕削減率,無量綱；SLLand Use為某土地利用類型小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),t km-2a-1；SLBare Land為裸地小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),t km-2a-1。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

本文在數(shù)據(jù)分析過程中主要采用了求均值、可視化對比等方法分析不同因素對土壤侵蝕的影響,采用person相關(guān)分析、線性擬合、冪函數(shù)擬合等方法建立SL與S、EP之間的定量關(guān)系,具體在SPSS 25、origin 2018和Excel 2016中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋與管理因子C

根據(jù)水利部發(fā)布的土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)[27],裸地小區(qū)屬于中度侵蝕等級,經(jīng)濟(jì)林、草地和耕地小區(qū)屬于輕度侵蝕等級(圖3)。與SL不同,4種土地利用類型小區(qū)的EP并無太大差異,而K′的相對大小則同SL基本一致(表2),表明不同土地利用類型小區(qū)土壤對侵蝕的敏感性不同。另外,耕地、草地、經(jīng)濟(jì)林和裸地小區(qū)的C因子分別為0.23、0.33、0.51和1.00。

表2 不同土地利用類型小區(qū)土壤侵蝕觀測數(shù)據(jù)及因子取值

圖3 不同類型徑流小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)

在耕地和經(jīng)濟(jì)林兩種土地利用類型下,分別劃分了4種作物類型和9種植被類型,大多數(shù)作物/植被類型小區(qū)屬微度侵蝕等級(<500 t km-2a-1),在紅壤區(qū)的容許流失量以內(nèi)(圖3)。輕度侵蝕等級包含田七、花生、紅薯和桂花,中度侵蝕等級內(nèi)僅有梨樹和桔樹。在經(jīng)濟(jì)林中,梨樹和桔樹會造成極大的土壤侵蝕,而板栗僅有的18.71 t km-2a-1的SL。表3顯示,對土石山區(qū)花崗巖紅壤而言,板栗的侵蝕削減率最高(93%)、茶樹最低(68%)。對黃棕壤而言,人工次生林的侵蝕削減率最高(96%),草地最低(28%)。對棕紅壤而言,草地的侵蝕削減率最高(96%),田七最低(69%)。

表3 不同作物/植被類型小區(qū)的土壤侵蝕削減率/%

2.2 水土保持措施因子P

4個實(shí)施水土保持措施的小區(qū)(共33組樣本)均位于黃陂區(qū)蔡店站,土壤類型為土石山區(qū)花崗巖紅壤,小區(qū)坡度均為15°。圖4顯示二者EP相差不大,但實(shí)施水土保持措施小區(qū)的SL和K′值卻顯著低于未實(shí)施小區(qū)。

圖4 有、無水土保持措施的徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)對比

如表4所示,茶樹植物籬的SL最高,其次是石坎梯田和紫穗槐植物籬,草帶植物籬最低,且均屬微度侵蝕等級。不同水土保持措施之間的EP無明顯差異,而K′值的大小關(guān)系與SL一致,可見草帶植物籬的水土保持效益最好。

表4 不同水土保持措施小區(qū)土壤侵蝕觀測數(shù)據(jù)及因子取值

2.3 坡度因子S

將小區(qū)坡度分為3個等級:A(0°≤坡度≤10°,n=10)、B(10°<坡度<20°,n=78)、C(20°≤坡度≤25°,n=18)。A、B、C等級小區(qū)的平均SL分別為892.07(±1198.18) t km-2a-1、911.15(±1306.73) t km-2a-1、2087.60(±1999.82) t km-2a-1,依次屬于輕度、輕度和中度侵蝕等級。A、B等級小區(qū)的SL相差不大,但C等級小區(qū)的SL遠(yuǎn)高于A和B,可見當(dāng)坡度超過20°時(shí)土壤侵蝕會嚴(yán)重加劇。

圖5顯示,9個不同坡度-土地利用類型組合中,侵蝕程度最高的為裸地-C,最低的為草地-A。不同坡度等級經(jīng)濟(jì)林的侵蝕程度相差不大,而草地土壤侵蝕程度卻有較大差距。SL和坡度因子S的person相關(guān)性分析表明,對4種土地利用類型而言,二者之間均呈顯著相關(guān)關(guān)系。其中裸地和草地的person相關(guān)系數(shù)分別為0.629與0.777,表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)；經(jīng)濟(jì)林為0.117,表現(xiàn)為極弱的正相關(guān)；而耕地為-0.460,表現(xiàn)為中等程度的負(fù)相關(guān)。坡度因子S是武漢市土壤侵蝕的關(guān)鍵因子之一,坡度對裸地和草地土壤侵蝕的影響比較強(qiáng)烈,而對經(jīng)濟(jì)林影響極弱。

圖5 不同坡度-土地利用類型組合小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)

圖6為4種土地利用類型小區(qū)坡度的正弦值(S′)和SL的線性與冪函數(shù)擬合結(jié)果,其中冪函數(shù)擬合效果更佳,裸地和草地的擬合結(jié)果較好。

圖6 天然植被覆蓋下土壤侵蝕模數(shù)與坡度的擬合結(jié)果

2.4 侵蝕性降水量因子EP

person相關(guān)性分析表明,對4種土地利用類型而言,EP和SL之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。草地和經(jīng)濟(jì)林的SL和EP呈現(xiàn)中等程度正相關(guān)；裸地和耕地的SL和EP均表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)。在4種土地利用類型中,耕地的SL對EP的響應(yīng)最為強(qiáng)烈,隨后依次是裸地、經(jīng)濟(jì)林和草地。圖7分別為4種土地利用類型下的SL與EP的線性與冪函數(shù)擬合結(jié)果,兩種函數(shù)擬合曲線在圖像上表現(xiàn)出較強(qiáng)一致性,除草地小區(qū)線性和冪函數(shù)擬合均未通過顯著性檢驗(yàn)外,裸地、耕地、經(jīng)濟(jì)林的最優(yōu)擬合方式分別為線性、冪函數(shù)、冪函數(shù)擬合。

圖7 天然植被覆蓋下土壤侵蝕模數(shù)與侵蝕性降水量的擬合結(jié)果

person相關(guān)性分析表明,對所有類型水土保持措施小區(qū)而言,其SL和EP在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均有顯著正相關(guān)關(guān)系。草帶植物籬、茶樹植物籬、紫穗槐植物籬和石坎梯田的person相關(guān)系數(shù)分別為0.814、0.765、0.782和0.765。相對于無水土保持措施小區(qū),有措施小區(qū)的person相關(guān)系數(shù)普遍更高,其SL對EP的響應(yīng)更為強(qiáng)烈。選擇土壤類型為土石山區(qū)花崗巖紅壤、EP在1000 mm以下的樣本,對于實(shí)施水土保持措施小區(qū)(S=200 m2,n=10)和無水土保持措施小區(qū)(S=440 m2,n=14)的SL,當(dāng)EP<500 mm時(shí),前者的SL僅占后者的24.09%,而這一比例在500 mm

圖8為4種水土保持措施下SL與EP的擬合關(guān)系,冪函數(shù)擬合效果更好。在EP較小時(shí),茶樹植物籬的SL最小,其他三種措施的SL差異不大；但當(dāng)EP較大時(shí),4種措施的SL差異明顯,這說明不同水土保持措施效果的差異主要體現(xiàn)在其對高侵蝕性降水量所致的土壤侵蝕控制上。對SL與S和EP的二元擬合結(jié)果表明,線性擬合對于裸地、耕地和草地小區(qū)效果更優(yōu),而冪函數(shù)擬合對經(jīng)濟(jì)林更優(yōu)(表5)。

表5 各土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)與侵蝕性降水量和坡度之間的二元擬合方程

圖8 水土保持措施下土壤侵蝕模數(shù)與侵蝕性降水量的擬合結(jié)果

2.5 土壤侵蝕主導(dǎo)因子識別

C(P)、S、EP因子分別與SL的person相關(guān)性分析表明,C(P)同SL的相關(guān)系數(shù)為0.631,表現(xiàn)為顯著的強(qiáng)正相關(guān)；S、EP與SL的相關(guān)系數(shù)分別為0.476和0.441,均表現(xiàn)為顯著的中等正相關(guān)。因此,植被覆蓋與管理因子C和水土保持措施因子P是武漢市土壤侵蝕的主導(dǎo)因子,其次為坡度因子S與侵蝕性降水量因子EP。

3 討論

3.1 不同因素對土壤侵蝕影響機(jī)制

本研究發(fā)現(xiàn)裸地小區(qū)的SL,K′,SL與S的person相關(guān)系數(shù)以及SL與EP的person相關(guān)系數(shù)均較高,主要是由于雨滴的擊濺蝕作用和徑流的沖刷作用均較其他類型小區(qū)更強(qiáng)烈。而在其他三種土地利用類型小區(qū)中,耕地小區(qū)的SL略低于草地小區(qū)和經(jīng)濟(jì)林小區(qū),應(yīng)當(dāng)是耕地小區(qū)的坡度普遍較低所致,這也同該區(qū)域在坡度較陡處實(shí)施退耕還林還草的實(shí)際情況相符[28]。有研究指出,耕地土壤在降水初期的含水量較低,大量降水下滲、存蓄在土壤中致使徑流較少[8]；這可能是耕地小區(qū)SL較低的原因之一,但該解釋在本研究中的適用性有限,因?yàn)槲錆h市位于亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū),其土壤含水量通常較高；且面對短歷時(shí)暴雨,下滲對徑流的削減有限,而一年內(nèi)的土壤侵蝕量主要由少數(shù)幾場大暴雨事件所致[8]。但耕地土壤在降水初期含水量較低卻在耕地小區(qū)的SL與EP的相關(guān)性分析結(jié)果中有明顯體現(xiàn),當(dāng)EP較小時(shí),耕地土壤的蓄水作用對徑流的削減十分明顯,且削減程度隨EP增加而減弱,因此土壤侵蝕量增加較快,故表現(xiàn)出4種地類中耕地的SL對EP響應(yīng)最為強(qiáng)烈的現(xiàn)象。經(jīng)濟(jì)林小區(qū)的SL與EP的相關(guān)性較強(qiáng)而草地小區(qū)的較弱,主要是因?yàn)榕c草地相比,經(jīng)濟(jì)林包含林冠層、灌木層、枯枝落葉層等多重具有截留作用的結(jié)構(gòu),故其在降水初期的截留作用更為明顯[29]。本研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)坡度超過20°時(shí)土壤侵蝕會顯著加劇。Koulouri等[30]基于地中海的研究發(fā)現(xiàn),坡度較陡時(shí)(25°左右)土壤侵蝕顯著增加；與地中海氣候區(qū)相比,武漢降水更為充沛且多暴雨,因此臨界坡度閾值可能更低。

3.2 改進(jìn)的土壤可蝕性因子K′的指示意義

考慮USLE各因子對土壤侵蝕影響時(shí),會發(fā)現(xiàn)LS因子只取決于地形,R因子只取決于當(dāng)?shù)貧夂?且這二者同其他因子之間是互相獨(dú)立的。但土壤可蝕性因子K取決于土壤性質(zhì),而土壤性質(zhì)同其他因素之間卻不是完全獨(dú)立的,而是會受到地表覆蓋影響[12]?？紤]K和地表覆蓋因子(C/P)對土壤侵蝕影響時(shí),二者之間的交互作用不可忽略。因此,使用土壤理化性質(zhì)測定法、儀器測定法等得到的K值雖然是由土壤本身性質(zhì)直接決定,但其仍受地表覆蓋的間接影響,實(shí)質(zhì)上并沒有完全剝離K和C/P的交互效應(yīng)。

本文通過非標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的K′因子,因無法對地表覆蓋條件進(jìn)行訂正,故K′不僅僅代表土壤性質(zhì)對土壤侵蝕的影響,其代表的是由地表覆蓋因素和土壤可蝕性因素共同組成的、內(nèi)部存在復(fù)雜交互作用的整體。不同土地利用類型及不同水土保持措施小區(qū)K′的相對大小關(guān)系均與SL基本一致,且K′同SL之間具有良好線性關(guān)系(圖9)。可見,K′在指示地表覆蓋因素和土壤可蝕性因素的綜合影響方面效果顯著,一定程度上可為解決二者之間交互作用對土壤侵蝕影響的復(fù)雜性提供思路。楊欣等[20]利用徑流小區(qū)觀測資料建立了我國土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)庫,并指出積累更多觀測數(shù)據(jù)有助于獲取更準(zhǔn)確的K值,本文基于徑流小區(qū)實(shí)測資料開展的K′計(jì)算也可為此提供借鑒。

圖9 K′因子與土壤侵蝕模數(shù)的擬合結(jié)果

3.3 不同水土保持措施效益評價(jià)

實(shí)施水土保持措施小區(qū)的K′、SL分別為0.025、82.75 t km-2a-1,均顯著低于無水土保持措施小區(qū)的0.24、130.64 t km-2a-1,表明水土保持措施能顯著降低土壤對侵蝕的敏感性,進(jìn)而有效控制侵蝕[5,7- 8]。在中國采取水土保持措施總體上可以減少約70%的土壤侵蝕量[10]；其中,石坎梯田是防治山區(qū)侵蝕的一種常見工程措施,能夠有效削減坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙[8],然而由于造價(jià)高、易遭受洪水沖毀等原因,石坎梯田在南方丘陵山區(qū)的推廣受到了較大限制[8]。植物籬作為一種效果同樣顯著并在紅壤區(qū)應(yīng)用廣泛的植被措施[31],可能成為石坎梯田的合理替代措施。本研究表明植物籬表現(xiàn)出了明顯優(yōu)于石坎梯田的水土保持效益,武漢市最適宜的植物籬措施類型為草帶植物籬。且植物籬措施還有著可使用的坡度范圍廣、控制面源污染和保持土壤養(yǎng)分能力強(qiáng)、對地貌破壞小、不易損毀及成本低等優(yōu)點(diǎn)[32- 34]。需要指出的是,不同類型植物籬措施之間的水土保持效益有較大差異[34],因而探究當(dāng)?shù)刈钸m宜的植物籬類型與實(shí)施模式具有重要意義。此外,有學(xué)者提出將植物籬措施同石坎梯田措施相結(jié)合[33],這也值得深入研究。

3.4 武漢市土壤侵蝕防治建議

張永利等[35]認(rèn)為武漢市土壤侵蝕的重點(diǎn)區(qū)域在黃陂北部山區(qū)和江夏中部山區(qū),本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)坡度超過20°時(shí)土壤侵蝕會嚴(yán)重加劇,且坡度對裸地和草地土壤侵蝕的影響較為強(qiáng)烈,而對經(jīng)濟(jì)林影響較弱。因此針對黃陂與江夏地區(qū)20°以上的陡坡,加大荒坡治理、退草還林、植樹造林等措施能有效遏制土壤侵蝕。以草帶為代表的植物籬措施顯示出了良好的水土保持效果與經(jīng)濟(jì)效益,值得在武漢及周邊地區(qū)大力推廣。板栗、人工次生林、草被可分別大幅削減武漢市土石山區(qū)花崗巖紅壤、黃棕壤、棕紅壤徑流小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),因此針對不同土壤類型種植合適經(jīng)濟(jì)作物或植被可起到良好侵蝕防控效果。本文認(rèn)為武漢市土壤侵蝕主導(dǎo)因子為C與P,張東升[17]認(rèn)為土地利用類型是武漢市土壤侵蝕主導(dǎo)因素；因此,優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、嚴(yán)控開山采石及濫砍濫伐行為對武漢市侵蝕治理具有重要意義。

4 結(jié)論與展望

基于2009—2018年武漢市野外徑流小區(qū)長時(shí)期觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合改進(jìn)的USLE模型,定量研究了坡度、侵蝕性降水量、土地利用、水土保持措施對土壤侵蝕的影響,識別了主導(dǎo)侵蝕因子并提出了武漢市土壤侵蝕防治建議,主要結(jié)論如下:

(1)對于不同土地利用類型小區(qū),裸地的侵蝕模數(shù)最高(2597.57 t km-2a-1),隨后依次是經(jīng)濟(jì)林、草地和耕地小區(qū)；(2)土壤侵蝕模數(shù)與侵蝕性降雨量、坡度之間均呈顯著二元線性關(guān)系或冪函數(shù)關(guān)系；(3)板栗、人工次生林和草被分別是武漢市土石山區(qū)花崗巖紅壤、黃棕壤、棕紅壤小區(qū)土壤侵蝕削減率最高的作物/植被類型；(4)與天然植被小區(qū)相比,植物籬及石坎梯田措施均顯著降低了侵蝕模數(shù),其中植物籬措施的效果更優(yōu)、且草帶植物籬的水土保持效果最佳,表明以草帶為代表的植物籬措施可以在武漢地區(qū)大力推廣；(5)3個坡度等級(0—10°、10—20°、20—25°)小區(qū)的平均侵蝕模數(shù)分別為892.07、911.15、2087.60 t km-2a-1,表明坡度超過20°后土壤侵蝕嚴(yán)重加?。?6)武漢市土壤侵蝕的主導(dǎo)因子為水土保持措施、植被覆蓋與管理因子。

本文探討了僅依靠野外徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)開展土壤侵蝕因子定量評價(jià)的方法,并以武漢市為例開展應(yīng)用研究,研究結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況較吻合,且可為當(dāng)?shù)厮帘３执胧┖侠聿贾眉扒治g模型構(gòu)建提供依據(jù)。隨著我國各地徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)不斷積累,基于長時(shí)間序列觀測數(shù)據(jù)的土壤侵蝕定量研究值得進(jìn)一步深入。