土壤侵蝕是指土壤或成土母質在外力作用下被破壞剝蝕、搬運和沉積的過程。土壤侵蝕不僅破壞土壤資源,降低土壤肥力和質量,破壞水利、交通工程設施,而且會導致生態環境的惡化,是世界范圍內重要的環境問題之一,嚴重威脅人類的生存和發展。
土壤侵蝕模型是監測和預報土壤侵蝕的重要工具。通 用 土 壤 流 失 方 程 \\(The Universal SoilLoss Equation,簡稱USLE\\)是美國農業部 \\(US-DA\\)于20世紀中葉開發的一個主要用于估算坡地土壤流失量與其主要影響因子間定量關系的侵蝕數學模型,基于大量小區觀測資料和人工模擬降雨試驗資料建立了著名的通用土壤流失方程。
20世紀80年代以后,國外的專家學者對通用土壤流失方程不斷進行修正,使模型得到了完善。與其他模型相比,如ANGPS等,USLE結 構 簡 單,適 用廣,數據易獲取,實用性強,在世界范圍內都得到了廣泛應用。因此,USLE在定量評價土壤侵蝕強度、土地資源合理利用和水土保持規劃等方面具有重要的作用。我國學者在上個世紀80年代,利用USLE模型與本國實際相結合,取得了重要的成果。本文依據USLE和國內學者針對中國各區域實際提出的修正意見,對舒城縣土壤侵蝕影響各因子值的算式算法進行率定,建立舒城縣土壤水蝕模型,旨在探求舒城縣土壤侵蝕量及其空間分布狀況,為舒城縣經濟發展及土地利用規劃提供科學依據。
1 研究區概況
舒城縣隸屬于我國安徽省六安市,位于安徽省中部、大別山東麓、巢湖之濱、江淮之間,東靠廬江縣,南與桐城市、潛山縣為鄰,西與岳西縣、霍山縣相接,北與省會合肥相倚,瀕長江黃金水道,東臨全國五大淡水湖之一的巢湖。屬于亞熱帶溫潤性季風 氣 候 區,年 平 均 氣 溫15.6℃,降 雨 量1100mm,無霜期224d。地理坐標界于北緯31°01′~31°34′、東經116°26′~117°15′之間,全縣呈橄欖形,南北寬49km,東西長86km,轄區國土面積2092km2。地理概貌為西高東低,西南為大別山余脈,最高點萬佛山峰海拔1539m。山地面積約占全縣52%,中部是丘陵崗區;丘陵面積約占全縣20%;東部屬沖積平原,最低點舒三海拔7m?？h內主要河流有9條,其中杭埠河和豐樂河為兩大骨干河流。大小水庫62座,其中有以世界第一大人工土壩而名聞遐邇的龍河口水庫\\(萬佛湖\\)。人口分布特點呈現西部稀疏東部密集,經濟狀況為西部困難東部繁榮,自然格局呈現為五山一水二分田,二分道路及莊園,是一個山、丘、圩兼備,集山區、庫區、老區、貧困區為一體的縣份。
2 資料來源及研究方法
2.1 基礎數據
數據來源包括舒城縣1∶25萬數字高程模型\\(DEM\\)、土壤類型分布圖、土地利用圖、逐月降雨數據等。其中DEM數據由安徽省自然災害過程與防控研究省級實驗室\\(Anhui Key Laboratory ofNatural Disaster Process and Prevention\\)提供并分析得到\\(圖1\\);土壤類型分布圖取自安徽省土壤類型數據庫\\(2010年\\);降雨數據由國家氣象資料室提供\\(站號:58316\\),時間段為1981-2010年?！緢D略】
2.2 土壤流失方程及因子確定
土壤流失方程。將眾多影響土壤侵蝕速率的互相聯系的物理和管理因素歸納為六個主要的因子,這些因子在不同地區的值可以數量化表示。通用土壤流失方程為:A =R·K·L·S·C·P \\(1\\)式中:A為單位面積上的土壤侵蝕量;R為降雨侵蝕力因子,即降雨侵蝕力指數的數值再加上表示因融雪或外加水量而產生的徑流因子;K為土壤可蝕性因子,即在標準單位上測得的特定土壤在單位降雨侵蝕力作用下的土壤流失速率;L為坡長因子,即在其它條件相同的情況下,某一長度的坡面上的土壤流失量與標準長坡面上的流失量的比值;S為坡度因子,即在其它條件相同的情況下,某一坡度的坡面上的土壤流失量與標準坡度的坡面上流失量的比值;C為植被覆蓋管理因子,即在一定的覆蓋和管理措施下,一定面積土地上的土壤流失量與采取連續清耕、休閑處理的相同面積土地上的流失量的比值;P為水土保持措施因子。
2.2.1 降雨侵蝕力因子
R降雨量的大小及降水形式與土壤的侵蝕程度有著密切的聯系,降雨侵蝕力因子R是評價降雨對土壤侵蝕作用的大小程度,反映降雨對土壤潛在的侵蝕能力。
R難以直接測量,多數情況下采用降雨量參數來估計。吳素業采用1984-1992年安徽省岳西縣水土保持科學試驗站的降雨觀測數據,建立了降雨量與土壤侵蝕力因子R之間的相互關系,得到大別山區降雨侵蝕力的簡化公式:【2】
式中:R為年降雨侵蝕力;Pi為當月降雨總量。
因舒城縣與岳西縣毗鄰,研究區域大部屬大別山區,故此次研究R因子計算方法采用吳素業的研 究 結 果,多 年 平 均 降 水 量 按 世 界 氣 象 組 織\\(WMO\\)規 定 為30年 降 水 平 均 值,選 取 舒 城 縣1981-2010年共30a的降雨數據,代入公式\\(2\\)分別計 算 得 到 每 年 降 雨 侵 蝕 力 值 \\(表1\\),R值 在138.80~730.63之間,平均值為337.39J·m-2?！颈?】
2.2.2 土壤可蝕性因子K
土壤可蝕性是一種復雜的土壤特性,土壤可蝕性因子是在標準單位上測得的特定土壤在單位降雨侵蝕力作用下的土壤流失速率,是較長時間段內土壤在雨滴擊濺、徑流沖刷,或者兩者共同作用下,被分散、搬運難易程度的平均反映。
K值的大小直接反映了土壤及土壤坡面對各種水蝕作用過程的敏感程度,影響K因子大小的原因是多方面的,其中土壤顆粒的組成與有機質的含量是最重要的影響因素,土壤質地越細或越粗,K值越低,相反質地適中的土壤K值較高。安徽省土壤類型數據庫提供了省內各種不同試驗條件下土壤類型數據,在獲取舒城縣土壤可蝕性因子K值過程中,參照梁音、史學正對我國中東部丘陵地區土壤可蝕性的研究成果。由安徽省土壤類型數據庫提供了不同質地土壤的K值,本研究通過對土壤類型圖進行數字化,得到舒城縣土壤可蝕性因子K值分布圖\\(圖2\\)?！緢D略】
2.2.3 坡度坡長因子LS
地形對土壤侵蝕的影響用坡長L和坡度S表示。隨著坡長增加,坡度越陡,徑流能量也越大,對坡面的沖刷就越嚴重,侵蝕量也越大。在USLE和RUSLE中,美 國 規 定 的 標 準 小 區 為 坡 度 為9%,坡長22.1m,小區寬2m,且連續保持順坡作清耕裸露休閑狀態。坡長因子L指在其他條件相同的情況下,任意坡長下的單位面積土壤流失量與標準小區坡長單位面積土壤流失量的比值。用于獲得坡長因子的小區資料表明,坡長為λ\\(m\\)坡地上的平均侵蝕量,并按如下公式變化:L =\\(λ/22.1\\)m\\(3\\)式中,22.1是USLE中22.1m的標準小區的坡長,λ是由DEM提取出來的水平投影坡長/m,m是坡度指數。坡度因子S指在其他條件相同的情況下,任意坡度下的單位面積土壤流失量與標準小區坡度單位面積土壤流失量的比值。土壤侵蝕隨坡度的增加而增加,且增加速率加快。但土壤流失量并不是隨著坡度的增大而無限增大。舒城縣地形復雜,山地、丘陵面積占研究區域的一半以上,因此本研究基于已經數字化的舒城縣DEM,采用分段的方法考慮坡度對土壤侵蝕的影響。緩坡上選用McCool等研究的坡度公式,陡坡上采用劉寶元等的研究結果,具體如下\\(公式4\\):【4】
式中,S為坡度因子,θ為由DEM提取的坡度值/°。研究區坡度坡長因子LS分布圖\\(圖3\\)?！緢D略】
2.2.4 植被覆蓋管理因子C和水土保持措施因子P
植被覆蓋管理因子C是在相同的土壤質地、相同的坡度和相同的降水條件下,某種特定作物和植被情況下土壤流失總量與實施清耕后連續休閑地土壤流失總量的比值。有關植被覆蓋管理因子對土壤侵蝕的影響,國內的研究成果基本上限于估算主要植被類型C的平均值,很少考慮到不同的耕作條件,耕種方式等管理措施對于C值的影響。參考蔡崇法等通過坡面產沙量與植被覆蓋度相關關系的研究成果,結合安徽省土地利用及農作物經營的實際調查情況,得出研究區域的植被覆蓋管理因子\\(表2\\)?！颈?】
水土保持措施因子P是指實行特定保護措施后的土壤流失總量與未實施保護措施前,相應區域順坡耕作時的土壤流失量的比值,為無量綱數,其數值一般介于0.15~1.00之間\\(表2\\)。
2.3 土壤侵蝕量計算
使用ArcGIS軟件對通用土壤流失方程\\(A =R·K·L·S·C·P\\)中降雨侵蝕力因子R,植被覆蓋管理因子C及水土保持措施因子P,土壤可蝕性因子K的柵格圖層及坡度坡長因子LS的柵格圖層,進行疊加分析,得到研究區域2010年土壤流失狀況柵格圖\\(圖4\\)。
3 結果與分析
根據2010年舒城縣土地利用狀況,研究區土壤侵蝕不同等級的面積及面積比、侵蝕量及侵蝕量比例,如表3。從表3統計數據可得,舒城縣多年平均土壤侵蝕量為60.585×104t·a-1,土 壤 侵 蝕 模 數 為303.89t·km-2;微度侵蝕區域面積最大,占區域侵蝕面積的65.95%,其 次 是 輕 度 侵 蝕,面 積 為670.17km2,占總面積的32.03%,近98%的區域為輕度以下侵蝕,2.02%的區域屬于中度或中度以上侵蝕,劇烈侵蝕的區域僅為0.02%?？傮w上看,舒城縣土壤侵蝕狀況為輕度侵蝕,空間分布呈明顯的塊狀分布。東北平原地區如杭埠鎮、千人橋鎮、柏林鄉等區域,土地利用類型以農耕地為主,土壤侵蝕量小于2t·hm-2·a-1,屬于微度侵蝕;西南部丘陵地帶,如曉天鎮、河棚鎮等,土壤侵蝕強度在2~50t·hm-2·a-1,屬于輕度和中度侵蝕區域;土壤強烈侵蝕區域50~80t·hm-2·a-1和極強烈侵蝕區域80~150t·hm-2·a-1分布在中部丘陵地帶和低山區,如湯池鎮、張母橋等鄉鎮,呈帶狀分布;劇烈侵蝕區域集中分布在龍河口水庫西南部臨近區域。
4 討論與結論
綜合以上分析結果表明,舒城縣2010年土壤侵蝕屬于輕度侵蝕,侵蝕結果呈現塊狀分布的特征,但中部地區的龍河口水庫由于人口密度大,加之近幾年對于水庫的修建,導致農耕面積減少,大量開墾陡坡作為農用田,侵蝕狀況較為嚴重;中南部地區地勢陡峭,年降雨量較大,水蝕性強,所以土壤侵蝕狀況劇烈。建議通過清除水庫淤塞,大面積退耕還林,減少在陡坡區域農耕面積進行水土保持工作,進一步減小土壤侵蝕嚴重程度。
參考文獻
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