不同岩性背景下土壤侵蚀与石漠化关联性分析

罗旭玲,白晓永,*,谭 秋,陈 欢,冉 晨,习慧鹏

1 贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵阳 550025 2 中国科学院地球化学研究所, 贵阳 550081

西南典型喀斯特地区是一种脆弱的生态环境,土壤侵蚀和石漠化已成为制约西南喀斯特山区社会经济可持续发展的问题[1-7]。喀斯特山地土壤流失具有地上地下重叠、地表产流产沙少等特点[8],研究喀斯特地区石漠化与土壤侵蚀变得极其重要。

为了更好的防治石漠化与土壤侵蚀的危害,当前对特定喀斯特地貌背景下的研究有很多。例如：何永彬等[9]对西南喀斯特山地土壤侵蚀研究探讨；邓艳等[10]西南岩溶石漠化综合治理水-土-植被关键技术进展与建议；戴全厚等[11]对西南喀斯特石漠化与水土流失研究进展的分析；李瑞玲等[12]对贵州岩溶地区岩性与土地石漠化的相关分析,等研究表明石漠化治理与土壤侵蚀息息相关。张信宝等[13]对贵州石漠化空间分布与喀斯特、岩性、降水和人口密度的关系研究；白晓永等[14]对贵州碳酸盐岩岩性基地对土地石漠化时空演变的控制；李阳兵等[1]对中国典型石漠化地区土地利用与石漠化的关系的研究,以上研究均取得较好的成果。喀斯特地区土壤侵蚀和石漠化受坡度影响[15],由石漠化[16]与土壤侵蚀[17]的概念可知,影响因子不同对两者的作用存在差异。

因此,本文在借鉴前人的研究基础上,以沿河县为例,利用ArcGIS软件对土壤侵蚀、石漠化、岩性三者进行叠加分析,对石漠化与土壤侵蚀空间分布、不同岩性下的石漠化与土壤侵蚀分布状况、土壤侵蚀与石漠化相关性进行分析,以期获得较好的分析结果,为研究区石漠化与土壤侵蚀防治工作提供指导依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沿河土家族自治县位于贵州省黔东北(图1),隶属铜仁市,108°03′49″—108°37′5″E,28°12′45″—29°05′23″N。县内属于中亚热带季风温润气候区,年均温13—18℃,年降水量1050—1220 mm,年日照1100—1400 h。岩性以碳酸盐岩类(石灰岩、白云质灰岩、白云岩等)为主,碳酸盐岩类与碎屑岩类交错分布,岩性组合较为复杂[18]。在全县面积中,山地占69.9%,丘陵占27%,槽坝占3.1%,属于典型的岩溶山区[19-20]。沿河县水土流失得到有效控制[21]。位于乌江流域下游的沿河县比流域上游石漠化等级较高,但近几年来石漠化面积有减少,石漠化处于好转趋势[21]。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 数据源

DEM用于土壤侵蚀LS因子计算,Landsat OLI 2015年遥感影像用于土地利用解译,NDVI用于C因子计算,均来自地理空间数据云。用于R因子计算的降雨数据,来自中国气象数据共享网,用于K因子计算的沙粒、粉粒、粘粒、有机质成分,来自HWSD数据库。土壤侵蚀所有因子具有统一的投影(WGS_1984_UTM_Zone_48N)和分辨率(30 m)。沿河县岩性图和石漠化分布图源于喀斯特科学数据中心。数据详细来源及网站见表1。

表1 主要数据来源

1.2.2 土壤侵蚀计算

研究计算公式为Wischemier和Smith于1958年提出[22],经美国农业部修正的通用土壤流失方程(USLE)。表达式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中,A为年土壤侵蚀量,R为降雨侵蚀力因子,K为土壤侵蚀力因子,LS为地形因子,C植被与作物管理因子,P土壤保持措施因子。

(1) 降雨侵蚀力因子

研究采用周伏建、黄炎和[23-24]等人根据南方实测数据提出的R值计算式：

(2)

式中,Pi为月降水量,由气象数据共享网下载的贵州省19个气象站点的月值数据,利用EXCEL表格统计获得,借助ArcGIS地图代数几何计算工具,按照公式(2)计算得每个站点的年降雨侵蚀力R,进行Kriging插值得到R值的空间分布图,对R重采样(30 m)和裁剪。

(2) 土壤可蚀性因子

土壤可蚀性因子K值是经过试验获得的定量数值,通常以标准小区单位降水侵蚀力所造成的土壤流失量获得,但在该区域大规模布设天然小区很难做到,因此本研究以Williams等[25]发展的仅由土壤颗粒和土壤有机碳组成数据来估算K值,其表达式为：

(3)

(3) 地形坡长坡度因子

地形地貌对土壤侵蚀有着重要的影响,区域不同,USLE模式中斜坡长度因子(L)和坡度因子(S)有变化。本文根据水流功率理论和物理过程,以及充分考虑了径流和水文过程的影响,选择以下公式[26-27]进行计算LS。

L=(λ/22.13)m

(5)

λ=flowacc×cellsize

(6)

m=n/(1+n)

(7)

n=(sinθ/0.0896)/(3.0×sin0.8θ+0.56)

(8)

(9)

式中,L为坡长因子；m为可变坡长指数；22.13为标准小区坡长；S为坡度因子；θ为坡度。

(4) 植被与作物管理因子

采用Van der Knijff M提出的利用NDVI确定C因子的方法[28-29]。两者关系为：

(10)

式中,α=2,β=1,NDVI为归一化植被指数。

(5) 土壤保持措施因子

水土保持措施因子的值在0—1之间。贵州喀斯特山区,海拔落差较大,坡度较陡,水土保持措施常与土地利用类型紧密相关。所以,把水体、建设用地和裸地赋值为0,水田0.15,旱地0.5,其他用地0.8,有林地、灌木用地、草地为1。

2 结果与分析

2.1 石漠化与土壤侵蚀空间分布

研究区石漠化和土壤侵蚀空间分布情况,通过ArcGIS空间分析得出。喀斯特面积为623.04 km2,占总面积的25.24%；非石漠化面积为1845.76 km2,占总面积的74.76%(表2)。沿河县石漠化面积达284.44 km2,占全县国土面积的11.52%。已发生石漠化现象区域,中度石漠化面积最大,为135.87 km2,占石漠化面积的47.77%；轻度石漠化与重度石漠化次之,面积分别为126.33,21.58 km2,分别占石漠化面积的44.41%,7.59%；极重度石漠化分布面积最小,为0.66 km2,仅占0.23%。分析得出,沿河县已发生石漠化等级以轻度、中度和重度为主。石漠化变化面积整体呈现随等级的增加而减少。

表2 沿河县喀斯特与非喀斯特区石漠化分布情况

非石漠化=无石漠化+非喀斯特;PKRD,潜在石漠化 Potential Rock Desertification；LKRD,轻度石漠化 Light Rock Desertification；MKRA,中度石漠化 Medium Rock Desertification；SKRD,重度石漠化 Severe Rock Desertification；ESKRD,极重度石漠化 Extremely Severe Rock Desertification；NKRD,非石漠化区 Non-Rock Desertification Area

土壤侵蚀面积1838.97 km2,占全县总面积的74.48%,微度侵蚀面积为629.83 km2,占全县总面积的25.51%(表3)。已经发生土壤侵蚀现象区域,轻度侵蚀面积分布最广,1637.69 km2,占土壤侵蚀面积的89.05%；中度侵蚀和强度侵蚀面积次之,分别为154.15,28.51 km2,占土壤侵蚀面积的8.38%,1.55%,极强度侵蚀面积为13.63 km2,占侵蚀面积0.74%,剧烈侵蚀面积最少,为4.99 km2,仅占土壤侵蚀面积的0.27%。分析数据可知,沿河县境内土壤侵蚀较严重,以轻度和中度侵蚀为主,随侵蚀等级的升高,其面积越小。

表3 沿河县水土流失情况

PSE,微度侵蚀 Potential soil erosion；LSE,轻度侵蚀 Light soil erosion；MSE,中度侵蚀 Medium soil erosion；SSE,强度侵蚀 Strength soil erosion；ESSE,极强度侵蚀 Extremely strength soil erosion；FSE,剧烈侵蚀 Fierce soil erosion

2.2 不同岩性下的石漠化与土壤侵蚀分布状况

对岩性、石漠化和土壤侵蚀在ArcGIS中进行叠加分析,统计得到不同岩性所占全县、石漠化和土壤侵蚀面积比例(表4)。非碳酸盐岩分别占石漠化与土壤侵蚀面积的5.08%,14.75%,土壤侵蚀在碳酸盐岩上分布较广,但石漠化分布却是最少。灰岩与碎屑岩占石漠化面积7.50%,占土壤侵蚀面积9.38%。灰岩与白云岩混合面积最少,占沿河县面积8.18%,占土壤侵蚀面积8.69%,是土壤侵蚀分布最少的岩性,占石漠化面积11.56%,该区人类活动较强,导致石漠化面积较大,但因地表较缓,所以土壤侵蚀较小。灰岩夹碎屑岩互层面积最大,占沿河县面积30.66%,分别占石漠化与土壤侵蚀面积的36.53%和30.90%,岩性基底大,加上人类活动与自然环境的综合影响,因此,石漠化和土壤侵蚀面积分布均为最大。连续性石灰岩占石漠化面积21.46%,占土壤侵蚀面积19.55%,连续性石灰岩分别占石漠化与土壤侵蚀面积的17.86%和16.74%。由分析可知,同一岩性上石漠化与土壤侵蚀发生不具有单一的相关性,石漠化发生比例小的地方土壤侵蚀并不是最小,说明石漠化与土壤侵蚀的发生有着一定的滞后性。

2.3 石漠化与土壤侵蚀相关性分析

2.3.1 不同岩性下各石漠化等级区的土壤侵蚀

依据沿河县岩性、石漠化和土壤侵蚀叠加分析得到的数据,在EXCLE表格中统计得到表5和图2。土壤侵蚀主要发生在潜在、轻度和中度石漠化区(表5,图2),在非碳酸盐岩、灰岩夹碎屑岩、灰岩与碎屑岩互层和连续性石灰岩中,潜在石漠化区侵蚀面积最大,分别为18.40,18.53,112.08,56.01 km2。因为中度石漠化区植被较发育,土被基本连续,土壤侵蚀明显,所以,中度石漠化区侵蚀面积比轻度石漠化区要大。极重度石漠化区最少,其中非碳酸盐上极重度石漠化区侵蚀面积0.06 km2最小,土壤侵蚀与石漠化等级在中度至极重度石漠化区间呈负相关,因为石漠化等级越高,岩石裸露率越大,表层土壤越薄,会出现少有或无土可流。灰岩与白云岩混合和连续性白云岩上,在潜在石漠化区面积最大,分别为38.91 km2与94.44 km2,在极重度石漠化区最小,分别为0.17 km2与0.07 km2。土壤侵蚀面积随着石漠化等级的增加而减少,存在负相关。

表4 不同岩性下土壤侵蚀与石漠化面积比例/%

NCRC,非碳酸盐岩组合Non-carbonate rock combination；LCRC,灰岩夹碎屑岩组合 Limestone clastic rock combination；MCLD,灰岩与白云岩混合组合 Mixed combination of limestone and dolomite；LLRI,灰岩与碎屑岩互层 Limestone and lastic rock interbed；CD,连续性白云岩 Continuous dolomite；CL,连续性石灰岩 Continuous limestone

表5 不同岩性下各石漠化等级区已发生土壤侵蚀面积/km2

图2 不同岩性下各石漠化等级区域的土壤侵蚀 Fig.2 Soil erosion in different rocky desertification areas under different lithologiesNCRC,非碳酸盐岩组合Non-carbonate rock combination；LCRC,灰岩夹碎屑岩组合 Limestone clastic rock combination；MCLD,灰岩与白云岩混合组合 Mixed combination of limestone and dolomite；LLRI,灰岩与碎屑岩互层 Limestone and lastic rock interbed；CD,连续性白云岩 Continuous dolomite；CL,连续性石灰岩 Continuous limestone,PSE,微度侵蚀 Potential soil erosion；LSE,轻度侵蚀 Light soil erosion；MSE,中度侵蚀 Medium soil erosion；SSE,强度侵蚀 Strength soil erosion；ESSE,极强度侵蚀 Extremely strength soil erosion；FSE,剧烈侵蚀 Fierce soil erosion.潜在石漠化 Potential rock desertification；LKRD,轻度石漠化 Light rock desertification；MKRA,中度石漠化 Medium rock desertification；SKRD,重度石漠化 Severe rock desertification；ESKRD,极重度石漠化 Extremely severe rock desertification；NKRD,非石漠化区 Non-rock desertification area

2.3.2 不同岩性下各土壤侵蚀等级区的石漠化

通过ArcGIS叠置分析,导出面积进行Excel统计得到表6和图3。沿河县石漠化主要发生在微度和轻度侵蚀区。各岩性上不同土壤侵蚀等级区石漠化主要发生在微度、轻度和中度。石漠化发生主要分布在灰岩与碎屑岩互层、连续性白云岩、连续性石灰岩上,其面积发生最大值在轻度侵蚀区,分别为72.20、42.88 km2和30.96 km2,非碳酸盐岩上分布最少。各岩性中土壤侵蚀等级与石漠化在微度侵蚀与轻度侵蚀内呈正相关,在轻度与剧烈侵蚀内呈负相关。石漠化治理是预防潜在石漠化向石漠化的转移,以及对已发生石漠化的改善。石漠化的改善有利于固土持水,所以轻度侵蚀区石漠化面积最大。由表6可知,各土壤侵蚀等级区,石漠化面积最大的岩性是灰岩与碎屑岩互层,灰岩与碎屑岩互层主要是人类居住聚集的岩层,地表人类活动(耕种,开采,放牧等)强烈,再加上灰岩与碎屑岩互层本地较大,所以,这可能是石漠化较高的原因。石漠化面积最小的岩性为非碳酸盐岩。研究区非碳酸盐岩分布不是最少,但石漠化分布是最少的,说明石漠化主要发生在碳酸盐岩上。

3 结论

(1)沿河县石漠化面积为284.44 km2,占全县国土面积的11.52%。已发生石漠化现象区域,以轻度、中度、强度较显著,分别占石漠化面积的44.41%,47.77%,7.59%,石漠化现象较轻。土壤侵蚀面积为1838.97 km2,占全县总面积的74.48%,微度侵蚀面积为629.83 km2,占全县总面积的25.51%。已经发生土壤侵蚀现象区域,以轻度、中度、强度侵蚀为主,分别占沿河县土壤侵蚀面积的89.05%,8.38%,1.55%,土壤侵蚀程度较严重。

表6 不同岩性下各土壤侵蚀等级区已发生石漠化面积/km2

图3 不同岩性下各土壤侵蚀等级区域的石漠化Fig.3 Rocky desertification in different soil erosion grades under different lithologies

(2)在不同石漠化等级区,潜在、轻度和中度石漠化区土壤侵蚀发生面积最大,重度和极重度石漠化区,土壤侵蚀发生面积最小,因为早期剧烈土壤侵蚀发生,导致石漠化严重区域,地表可流物质减少。在不同的土壤侵蚀区,石漠化主要发生在微度和轻度侵蚀区,轻度侵蚀区石漠化发生面积最大。当土壤侵蚀严重区域石漠化发生更加剧烈时,地表土层薄、岩石裸露程度大、植被覆盖率低,土壤侵蚀会逐渐减少。所以,石漠化与土壤侵蚀的发生是受多种因素综合作用的结果。

(3)各岩性上,石漠化与土壤侵蚀的发生是相互影响的,两者之间没有完全单一正相关和负相关关系。非碳酸盐岩、灰岩夹碎屑岩、灰岩与碎屑岩互层和连续性石灰岩上,石漠化等级与土壤侵蚀在潜在和轻度、中度和极重度石漠化内呈负相关,在轻度和中度石漠化内呈正相关,土壤侵蚀等级与石漠化在微度和轻度侵蚀内呈正相关,在轻度和剧烈侵蚀内呈负相关。灰岩与白云岩混合和连续性白云岩上,石漠化等级与土壤侵蚀存在单一的负相关关系,土壤侵蚀等级与石漠化在土壤侵蚀等级与石漠化在微度和轻度侵蚀内呈正相关,在轻度和剧烈侵蚀内呈负相关。