王敬貴，亢慶，鄺高明，郭彥彪，李定強(qiáng)

1. 珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2. 珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，廣東 廣州 510611；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；4. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州 510650；5. 中國(guó)科學(xué)院廣州分院、廣東省科學(xué)院，廣東 廣州 510070

影響土壤侵蝕的因子除降雨、徑流、地形、地表植被、人為活動(dòng)等侵蝕外營(yíng)力外，還取決于土壤本身的抗蝕抗沖能力，即侵蝕內(nèi)營(yíng)力，國(guó)際上通常用土壤可蝕性 K值這一指標(biāo)來(lái)衡量（梁音和史學(xué)正，1999）。K值大小表示土壤被侵蝕的難易程度，反映土壤對(duì)侵蝕外營(yíng)力剝蝕分離和搬運(yùn)作用的敏感性（宋陽(yáng)等，2006），是影響土壤流失的內(nèi)在因素，也是定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)大、中尺度區(qū)域的土壤可蝕性因子空間特征研究較多，如梁音和史學(xué)正（1999）利用土壤普查資料研究了長(zhǎng)江以南東部丘陵山區(qū)土壤可蝕性 K值的分布規(guī)律，翟偉峰和許林書(shū)（2011）研究了東部典型黑土區(qū)的土壤可蝕性 K值空間分布特征，岑奕等（2011）研究了華中地區(qū)土壤可蝕性K值空間分布特征，宋春風(fēng)等（2012）研究了長(zhǎng)江上游地區(qū)土壤可蝕性K值空間分異特征，張兵等（2010）研究了紫色丘陵區(qū)的土壤可蝕性K值空間特征，吳昌廣等（2010）基于重慶市和湖北省第二次土壤普查資料計(jì)算了三峽庫(kù)區(qū)11類(lèi)土壤的可蝕性K值并分析了其分布特征，朱立安等（2007）研究探討了廣東省土壤可蝕性K值的分布特征，方綱清等（1997）初步探索研究了福建省主要土壤的可蝕性特征，門(mén)明新等（2004）基于土壤粒徑分布模型研究了河北省的土壤可蝕性特征，鄧良基等（2003）對(duì)四川省自然土壤和旱作耕地土壤的可蝕性特征進(jìn)行了研究，楊子生（1999）通過(guò)連續(xù)3年徑流小區(qū)試驗(yàn)觀測(cè)研究計(jì)算了滇東北山區(qū)坡耕地紅壤、黃壤和紫色土這3類(lèi)代表性土壤的K值，趙輝等（2006）通過(guò)2年的徑流小區(qū)試驗(yàn)計(jì)算分析了衡陽(yáng)紫色頁(yè)巖地區(qū)的土壤可蝕性因子K值及其特征，王艷忠等（2008）研究分析了粵西兩種不同侵蝕強(qiáng)度的典型崩崗侵蝕剖面的可蝕性K因子分布特征，王小丹等（2004）對(duì)西藏高原的土壤可蝕性空間分布規(guī)律進(jìn)行了初步研究，程李等（2013）通過(guò)小區(qū)徑流法和分析測(cè)試開(kāi)展了貴州山區(qū)坡耕地的土壤可蝕性研究。此外，對(duì)全國(guó)尺度的土壤可蝕性K值研究也有一些報(bào)道，梁音等（2013）基于全國(guó)1:50萬(wàn)土壤類(lèi)型圖和上萬(wàn)個(gè)土壤樣品的理化數(shù)據(jù)，研究了全國(guó)水蝕區(qū)的土壤可蝕性K值的宏觀分布規(guī)律，張科利等（2007）運(yùn)用野外觀測(cè)資料，研究了我國(guó)不同水土流失區(qū)的土壤可蝕性值。而小流域尺度的土壤可蝕性特征研究相對(duì)較少，但隨著土壤侵蝕定量研究的逐步深入和細(xì)化，也已經(jīng)有少數(shù)涉及該方面的研究成果（張金池等，2008；楊萍等，2006；周璟等，2011；劉泉等，2012；楊帆等，2013）。采用EPIC模型中的土壤可蝕性K值算法，研究小流域尺度下土壤可蝕性 K值的空間分異特征及其與土地利用、植被類(lèi)型、土壤理化性質(zhì)等的相關(guān)關(guān)系，可以為小流域土壤侵蝕定量研究及綜合治理決策提供科學(xué)依據(jù)。

本文以云南省高原湖泊撫仙湖庫(kù)區(qū)內(nèi)的尖山河小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在小流域大密度土壤采樣和測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，采用EPIC模型中的K值計(jì)算方法以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)和Kriging空間插值方法，研究了尖山河小流域土壤可蝕性K值的空間變異特征，分析了土地利用/植被覆蓋對(duì)K值空間變異的影響作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為滇中撫仙湖庫(kù)區(qū)的尖山河小流域，位于 北 緯 24°32′00″～24°37′38" ， 東 經(jīng)102°47′21″～102°52′02"之間，地處云南省玉溪市澄江縣西南部，東臨撫仙湖。該小流域是珠江上游南北盤(pán)江石灰?guī)r地區(qū)水土保持綜合治理試點(diǎn)工程的一個(gè)典型小流域，屬高原中低山地貌，山高坡陡，海拔1722.0～2347.4 m。中侏羅系地層廣為分布，由紫色砂頁(yè)巖、粉砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r、砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等構(gòu)成。巖石風(fēng)化嚴(yán)重，坡積層厚，以紫色土和紅壤為主。土地總面積35.42 km2，土地利用以林地和耕地為主。主要樹(shù)種有云南松(Pinus yunnanensis)、華山松(Pinus armandii franch)、桉樹(shù)(Eucalyptus)、水冬瓜(Alnus cremastogyne Burk)及板栗(Castanea mollissima)、桃樹(shù)(Amygdalus persica)、大葉楊梅(Myrica rubra (Lour.)Zucc)等果樹(shù)。多年平均降雨量1050 mm，年均溫度14.0 ℃，日照時(shí)數(shù)2172.3 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫3400 ℃，無(wú)霜期265 d。

1.2 研究方法

本文采用公式法計(jì)算K值，即在小流域大密度土壤采樣和測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，采用EPIC公式計(jì)算K值，其主要步驟包括：

（1）土壤樣品采集

2011年3月22～25日完成了研究區(qū)采樣工作，采樣密度為750 m×750 m，樣點(diǎn)盡量均勻分布并充分考慮樣點(diǎn)代表性，采樣深度為地表0～20 cm，共采集土壤樣點(diǎn)66個(gè)，全部樣點(diǎn)用GPS定位（圖1），用數(shù)碼相機(jī)拍攝采樣點(diǎn)植被、地形及土地利用情況，并詳細(xì)記錄調(diào)查表。

采樣時(shí)首先除去地表未分解和半分解的枯落物，用方鏟挖出約30 cm深的垂直剖面，在剖面上0～20 cm范圍內(nèi)均勻取土約2kg，已取土樣裝入已編號(hào)的保鮮袋內(nèi)。

（2）土壤樣品處理

野外所采土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室清點(diǎn)后，于通風(fēng)處鋪開(kāi)自然風(fēng)干，并分揀出植物根系等雜物；先過(guò)2 mm孔徑土壤篩，>2 mm礫石稱(chēng)重后棄去；過(guò)2 mm孔徑土壤篩的土壤樣品取出100 g過(guò)100目篩，用于土壤有機(jī)碳測(cè)定；剩余土壤樣品用塑料密封袋保存。

（3）土壤樣品測(cè)試分析

土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測(cè)定，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定（魯如坤，2000）。

（4）土壤可蝕性K值計(jì)算

采 用 EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)模型中發(fā)展的土壤可蝕性因子K值估算方法（Williams和Sharply，1990），計(jì)算公式為：

式中：K為土壤可蝕性，美制單位；Sa為砂粒（2～0.05 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Si為粉砂（0.05～0.002 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Cl為粘粒（<0.002 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；C為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Sn=1-Sa/100，式中各參數(shù)均采取實(shí)測(cè)方法確定。

（5）土壤可蝕性K值空間插值與統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用ARCGIS軟件地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的克里格(Kriging)插值方法進(jìn)行空間插值分析，獲得整個(gè)研究區(qū)的K值空間分布圖。同時(shí)，利用2011年2月19日成像的QuickBird高分辨率遙感影像提取了研究區(qū)的土地利用/植被類(lèi)型信息，并定量分析了土地利用/植被覆蓋類(lèi)型對(duì)K值空間分布的影響作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤可蝕性K值的基本特征

經(jīng)過(guò)測(cè)定和計(jì)算，得到尖山河小流域 66個(gè)樣點(diǎn)的土壤可蝕性K值（表1）。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)（表2），尖山河小流域土壤可蝕性 K值的變化范圍為0.1628～0.3836，K值均值為0.2824，中值為0.2885，均值與中值相近似，表明在尖山河小流域內(nèi)K值分布均勻，未受到特異值的影響。變異系數(shù)為 17.98%，介于 10%～100%之間，表明 K值具有中等程度的空間變異性，原因在于各個(gè)樣點(diǎn)的土壤質(zhì)地、地形、植被及土地利用等因素存在一定差異。

研究區(qū)的土壤質(zhì)地類(lèi)型以壤土、砂壤和粘壤為主，另外還有少量粉壤，從表2中可以看出，小流域內(nèi)主要土壤質(zhì)地類(lèi)型 K值的均值從大到小依次為：粉壤>壤土>粘壤>砂壤。

2.2 土壤可蝕性K值的空間插值及其分布特征

上述基于樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)只能反映研究區(qū)土壤可蝕性K值的概貌，不能反映其局部變化和空間連續(xù)分布特征。為此，需進(jìn)一步采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行K值的空間插值。通過(guò)研究區(qū)土壤樣本K值的正態(tài)分布性進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣本數(shù)據(jù)總體分布服從正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)分析的前提條件。

表1 尖山河小流域各樣點(diǎn)土壤可蝕性K值表Table 1 K-factor Values of All Soil Samples in the Small Watershed of Jianshan River

表2 尖山河小流域不同土壤質(zhì)地類(lèi)型K值統(tǒng)計(jì)特征值Table 2 The Statistical Characteristics of K-factor Values by Different Soil Texture Types in the Study Area

通過(guò)對(duì)土壤樣本 K值的半方差函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，理論模型為指數(shù)模型時(shí)，塊金效應(yīng)為21.55%，小于 25%，變程也遠(yuǎn)大于步長(zhǎng)，表明在小流域尺度下土壤可蝕性K值具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性（孫波等，2002），且其插值誤差較小。因此，選用指數(shù)模型進(jìn)行土壤可蝕性K值的Kriging空間插值，能獲得比較符合實(shí)際情況的尖山河小流域K值空間分布圖。

利用 ArcGIS9.3軟件的地統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行Kriging空間插值，并根據(jù)梁音和史學(xué)正（1999）提出的我國(guó)東部丘陵區(qū)土壤可蝕性 K值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)土壤可蝕性K值進(jìn)行分級(jí)，獲得研究區(qū)土壤可蝕性K值分級(jí)空間分布圖（圖2）。

從圖2中可以看出，尖山河小流域的土壤可蝕性級(jí)別從較低可侵蝕性（0.15～0.20）到高可侵蝕性（>0.35）均有一定面積的分布，以中可侵蝕性（0.25～0.30）土壤分布面積最大，達(dá) 1797.88 hm2，占小流域總面積的 50.76%；其次為中高可侵蝕性（0.30～0.35）土壤和中低可侵蝕性（0.20～0.25）土壤，面積分別為 1185.51 hm2和542.32 hm2，分別占小流域總面積的 33.47%和15.31%，三者合占小流域總面積的99.54%。而高可侵蝕性土壤和較低可侵蝕性土壤分布面積極少，分別為10.70 hm2和5.59 hm2，各占總面積的0.30%和0.16%，無(wú)低可侵蝕性土壤。

圖1 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)空間分布圖Fig.1 The Soil Samples Distribution Map in Study Area

圖2 研究區(qū)土壤可蝕性K值分級(jí)圖Fig.2 The K-factor Value Grading Map in Study Area

在空間分布上，尖山河小流域北端高山區(qū)土壤具有中低可侵蝕性，中部和南部的低海拔地區(qū)土壤具有中高可侵蝕性，中、南部其余大部分地區(qū)的土壤具有中可侵蝕性，其中間或分布島狀的中低可侵蝕性土壤和較低可侵蝕性土壤（圖2）。研究區(qū)土壤可蝕性與海拔存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，高海拔地區(qū)K值一般較小，而中低海拔地區(qū)K值一般較大，其原因一方面在于土壤有機(jī)碳含量與海拔呈極顯著的線性正相關(guān)（武小鋼等，2014），高海拔地區(qū)土壤有機(jī)碳含量高，相應(yīng)地土壤可蝕性就較?。涣硪环矫嬖谟诤０瓮ㄟ^(guò)對(duì)土地利用的影響而間接影響土壤可蝕性，高海拔地區(qū)一般多為林草地，中低海拔地區(qū)多為果園和耕地，土地利用和植被覆蓋類(lèi)型對(duì)K值具有較明顯的影響（周璟等，2011；張金池等，2008；楊帆等，2013）。

2.3 不同土地利用/植被覆蓋類(lèi)型對(duì)K值的影響作用分析

按照土地利用/植被覆蓋類(lèi)型對(duì)66個(gè)土壤樣點(diǎn)的K值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。利用2011年2月19日成像的QuickBird遙感影像提取了研究區(qū)的土地利用/植被覆蓋信息，將土地利用/植被覆蓋圖與土壤可蝕性K值分級(jí)圖進(jìn)行空間疊加分析，對(duì)疊加后的圖層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取各級(jí)土壤可蝕性K值中值計(jì)算各土地利用/植被覆蓋類(lèi)型的面積加權(quán)平均K值，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 尖山河小流域不同土地利用/植被覆蓋類(lèi)型K值統(tǒng)計(jì)特征值Table 3 The Statistical Characteristics of K-factor Values by Different Land Use/Vegetation Cover Types in Study Area

表4 尖山河小流域不同土地利用/植被覆蓋類(lèi)型的可蝕性級(jí)別面積統(tǒng)計(jì)表Table 4 The Area of All Erodibility Levels by Different Land Use/Vegetation Cover Types in Study Area

從表3中可知，尖山河小流域各種土地利用/植被覆蓋的 K值從小到大依次為林地<荒草地<灌草地<旱平地<旱坡地<園地；從表4可知，K值從小到大依次為林地<灌草地<荒草地<旱平地<園地<旱坡地<水田。由此可見(jiàn)，土地利用/植被覆蓋類(lèi)型對(duì)土壤可蝕性K值具有明顯的影響作用，需要頻繁松土、除草、耕作和擾動(dòng)的土地利用/植被覆蓋類(lèi)型（如園地、旱坡地、旱平地和水田等），其土壤可蝕性K值較大，容易發(fā)生侵蝕；而無(wú)需耕作、擾動(dòng)小的土地利用/植被覆蓋類(lèi)型（如林地、荒草地和灌草地等），其K值較小。此結(jié)果表明在土壤類(lèi)型和理化性質(zhì)相同或相近的情況下，土壤可蝕性因子K值的大小主要取決于土地利用方式和植被覆蓋類(lèi)型，或者松土、除草、耕作等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的頻次和擾動(dòng)程度。

3 結(jié)論

（1）根據(jù) 66個(gè)土壤樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，尖山河小流域土壤可蝕性 K值的變化范圍為0.1628～0.3836，K值變幅較大；K值均值為0.2824，均值與中值相近似，表明在尖山河小流域內(nèi)K值分布較均勻，未受特異值的影響；變異系數(shù)為17.98%，表明K值具有中等程度的空間變異性。

（2）正態(tài)分布性檢驗(yàn)和半方差函數(shù)分析結(jié)果支持通過(guò)對(duì)土壤樣本數(shù)據(jù)的空間插值獲得尖山河小流域的K值空間分布圖。結(jié)果表明：在空間分布上，尖山河小流域以中可侵蝕性土壤為主，分布面積超過(guò) 1/2，中高可侵蝕性土壤和中低可侵蝕性土壤面積所占比例也較大，各占1/3和1/6左右；小流域北端高山區(qū)土壤具有中低可侵蝕性，中部和南部的低海拔地區(qū)土壤具有中高可侵蝕性，中、南部其余大部分地區(qū)的土壤具有中可侵蝕性。

（3）土地利用/植被覆蓋類(lèi)型對(duì)土壤可蝕性 K值具有明顯的影響作用，林地、荒草地和灌草地等無(wú)需耕作、擾動(dòng)小的土地利用/植被覆蓋類(lèi)型，其K值較小，園地、旱坡地、旱平地和水田等需要頻繁松土、除草、耕作和擾動(dòng)的土地利用/植被覆蓋類(lèi)型，其K值較大，這表明在土壤類(lèi)型和理化性質(zhì)相同或相近的情況下，土壤可蝕性因子K值的大小主要取決于土地利用方式和植被覆蓋類(lèi)型，或者松土、除草、耕作等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的頻次和擾動(dòng)程度。

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