盧 雪，張云奇?，龍 翼，裴曾莉，吳喆虹，徐明陽，張德丞

(1.四川農(nóng)業(yè)大學林學院，水土保持與荒漠化防治四川省高校重點實驗室，611130，成都； 2.中國科學院 水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室，610041，成都)

三峽庫區(qū)是長江中上游重要生態(tài)屏障，碳酸鹽巖分布廣泛。由于巖溶裂隙發(fā)育，成土速率緩慢，土層淺薄且空間異質性大，在樵采墾殖等人類活動作用下，坡地土壤易于流失，石漠化問題日趨凸顯，影響到庫區(qū)生態(tài)安全。但三峽庫區(qū)喀斯特土壤侵蝕研究起步晚，監(jiān)測資料較少，建立適用的土壤侵蝕預報模型，可有效預測土壤流失，有益于認識石漠化過程[1]。比利時魯汶大學構建的WaTEM/SEDEM模型能分析多個因子對土壤侵蝕產(chǎn)沙的影響，模擬水庫、塘壩及河段等水體對泥沙的攔截作用，已成功在世界應用，在我國貴州喀斯特區(qū)、黃土高原和東北黑土區(qū)等地也取得較好研究成果。筆者初次嘗試用于三峽庫區(qū)喀斯特小流域的侵蝕產(chǎn)沙模擬。

常家洼洼地為該區(qū)典型喀斯特峰叢洼地，洼地面積約0.38 hm2，流域面積約11.99 hm2，空間尺度、地貌特征、巖性基礎、土壤類型、人類活動和土地利用覆被變化等方面在三峽庫區(qū)均具有典型性和代表性(圖1)。筆者以三峽庫區(qū)常家洼流域為研究對象，用137Cs做洼地沉積物定年得到洼地沉積速率和流域產(chǎn)沙模數(shù)，以校正WaTEM/SEDEM模型參數(shù)，參考其他已報道喀斯特流域侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)驗證模型，進而開展三峽庫區(qū)喀斯特洼地小流域侵蝕產(chǎn)沙模擬計算，為庫區(qū)石漠化防治提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

WaTEM/SEDEM模型數(shù)據(jù)來源為：土地利用數(shù)據(jù)由2018年TM影像(空間分辨率為30 m)人工目視解譯和野外實地勘察得到；91衛(wèi)圖助手下載的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，空間分辨率為30 m；進行實地測量，結合DEM以獲取坡度、坡長值；重慶市巫山縣降雨數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。用以模型校正的流域產(chǎn)沙模數(shù)，是在以137Cs進行洼地沉積物定年基礎上得到[2]。

圖1 常家洼洼地流域及三峽庫區(qū)巖性分布Fig.1 Changjiawa depression catchment and lithology distribution in the Three Gorges Reservoir region

1.2 WaTEM/SEDEM模型

WaTEM/SEDEM模型基本結構為：年均土壤侵蝕、年均輸沙能力和泥沙流動算法模塊。本研究主要利用土壤侵蝕與輸沙能力模塊[3]。模型輸入數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM)、土壤可蝕性因子、作物覆蓋與管理因子、降雨侵蝕力、土地利用圖等。

由于長江流域降水近年來并無明顯變化，因此采用逐年月平均雨量估算降雨侵蝕力R[4]。已有學者利用Williams等[5]提出的基于詳細土壤顆粒組成數(shù)據(jù)在西南喀斯特地區(qū)計算K值，故本文也采用此法。C、P因子主要通過查閱相關文獻，再結合研究區(qū)實際情況得到(表1)。

表1 研究區(qū)土地管理因子C值和水土保持措施因子P值Tab.1 Land management factor C and soil and water conservation measure factor P in the study area

cNS: Nash-Sutcliffe coefficient. KTC-high: High vegetation cover. KTC-low: Low vegetation cover. 圖2 常家洼流域模型參數(shù)KTC-high與KTC-low校正結果Fig.2 Calibration results of KTC-high and KTC-low in Changjiawa basin

1.3 WaTEM/SEDEM模型的校正

該模型僅輸沙能力系數(shù)KTC需要校正，KTC值有一定范圍，若地面植被覆蓋較好，KTC值也較低，反之較高。本研究利用137Cs數(shù)據(jù)校正模型，確定KTC低值與高值的取值范圍，得到KTC-low和KTC-high每一參數(shù)組合，將所有可能組合輸入模型，采用Nash等提出的模型有效系數(shù)(cNS)[6]，確定最佳KTC組合值，公式如下：

(1)

式中：n為觀測數(shù)目；Oi為觀測值；Omean為觀測平均值；Pi為預測值。

2 結果與分析

運行WaTEM/SEDEM模型前需為參數(shù)KTC賦值，結合不同地類土壤侵蝕強度分布情況，給不同的土地利用類型賦值，其中：坡耕地賦高值，即KTC-high為12～22；林地賦低值，KTC-low為2～12。將此范圍內不同的KTC-high與KTC-low值兩兩組合，得到多個流域產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。結合137Cs定年所得侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，利用式(1)得NS值。由圖2可知最佳KTC-high與KTC-low數(shù)值是18和7，此時模型有效系數(shù)cNS為0.79。

根據(jù)最佳KTC-high與KTC-low組合值，運行WaTEM/SEDEM模型，得到1963年來常家洼洼地流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)?？偨Y已發(fā)表文獻中喀斯特地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙強度研究成果驗證137Cs校正后的模型結果(表2)。由圖3可知：模擬所得產(chǎn)沙模數(shù)和實測數(shù)值相關系數(shù)分別為0.93，相關性較高。

表2 已發(fā)表文獻中喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)Tab.2 Sediment moduli of reported karst catchments in the published literature

圖3 流域產(chǎn)沙模數(shù)與產(chǎn)沙量實測值與模擬值Fig.3 Measured and modeled sediment moduli and sediment moduli in the catchment

3 討論

本研究以137Cs進行洼地沉積物定年，得到流域產(chǎn)沙模數(shù)，校正模型參數(shù)，并未直接以137Cs示蹤法測算坡面侵蝕強度。這是因為喀斯特坡地多裸巖出露，景觀破碎，是歷史時期侵蝕產(chǎn)沙已造成的結果，無法直接進行137Cs示蹤，相比之下，以137Cs進行洼地定年反推流域產(chǎn)沙模數(shù)的方法更為可行。洼地137Cs定年得到的產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，用以模型校正得到最佳KTC-high與KTC-low是18和7, 大于李國強等[15]利用137Cs示蹤法在拜泉縣得到的KTC最佳值(8和4)，Lieskovsky等[16]在斯洛伐克得到的KTC組合值為0.8和0.4，盛美玲等[17]在東北黑土區(qū)得到的KTC組合值為0.55和0.38。這一現(xiàn)象系因喀斯特地區(qū)土層淺薄，侵蝕強度低，也反映出坡地土壤侵蝕對植被覆蓋狀況更為敏感，植被一旦破壞，侵蝕隨即加速，易于誘發(fā)石漠化。Liu等[3]在黃土高原采用WaTEM/SEDEM模型，得到KTC最佳值(20和15)，大于本研究，系因黃土高原土層厚度一般超過50 m，而常家洼流域所在喀斯特地區(qū)土層厚度一般少于50 cm，可供流失的土壤存量遠少于黃土高原。本研究最佳KTC-high與KTC-low組合，得到cNS值為0.79，此時模型模擬效果最好，WaTEM/SEDEM模型在三峽庫區(qū)喀斯特地區(qū)的適用性也較好。

常家洼洼地面積為0.38 hm2，2處采樣點位置具有代表性，模型模擬產(chǎn)沙模數(shù)(SSY)與產(chǎn)沙量(SY)數(shù)據(jù)和實測數(shù)值相關性較高，說明所得137Cs數(shù)據(jù)可反映該地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙情況，利用該數(shù)據(jù)對模型參數(shù)的校正效果也較好。根據(jù)已有喀斯特地區(qū)洼地泥沙沉積速率研究, 可知除林地與石質坡地，西南喀斯特山地多數(shù)坡地土壤流失速率介于10～100 t/(km2·a)之間。通過WaTEM/SEDEM模型模擬所得常家洼流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)，高于多數(shù)喀斯特流域，原因在于：1)WaTEM/SEDEM模型結果準確性依賴137Cs數(shù)據(jù)的采集質量與校準精度，本研究利用137Cs核素示蹤法獲得的侵蝕產(chǎn)沙強度較大，導致模擬結果也偏大；2)實地踏勘發(fā)現(xiàn)，常家洼流域的巖層并不是純碳酸鹽巖，還存在少量碎屑巖夾層，碎屑巖化學溶蝕特性不突出，風化成土速率較快，成為洼地泥沙的重要來源；3)當?shù)卦?958年曾大規(guī)模樵采，植被破壞，加速侵蝕。

根據(jù)表2得到流域面積與產(chǎn)沙模數(shù)散點圖(圖4)，可知流域面積相近情況下，常家洼小流域侵蝕產(chǎn)沙強度較高，且喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)隨面積增大有逐漸變小的趨勢。這與前人的研究一致，即在坡面是泥沙主要來源的區(qū)域，流域產(chǎn)沙模數(shù)會隨面積的增大而減少?？λ固氐貐^(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)隨面積增大逐漸變小，主要原因是流域連通性和泥沙輸移比一般隨流域面積的增加而降低，這與非喀斯特地區(qū)基本一致[18-19]。

圖4 喀斯特地區(qū)流域面積與產(chǎn)沙模數(shù)的關系Fig.4 Relationship between area and sediment modulus of the catchment in karst region

雖然WaTEM/SEDEM模型對研究區(qū)模擬效果較好，且廣泛應用于我國水蝕區(qū)，但仍有一定的局限性。WaTEM/SEDEM的侵蝕建模方式可能會限制模型輸出效率，為提高準確性，要對盡可能多的侵蝕過程建模，但這對西南喀斯特地區(qū)是一個挑戰(zhàn)。在之后的研究中，需進一步完善模型校準參數(shù)，以保證預測與實測產(chǎn)沙強度之間侵蝕過程的一致性，使WaTEM/SEDEM模型成為評估土壤侵蝕情況的有效工具。

4 結論

1)1963—2017年常家洼洼地流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)，比一般西南喀斯特地區(qū)高。

2)常家洼小流域產(chǎn)沙模數(shù)和產(chǎn)沙量模擬結果與已有喀斯特地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)的相關系數(shù)較高，WaTEM/SEDEM模型模擬數(shù)據(jù)較為可靠。

3)以洼地沉積物137Cs定年得到的流域產(chǎn)沙數(shù)據(jù)校正WaTEM/SEDEM模型，進而模擬小流域侵蝕產(chǎn)沙強度，在三峽庫區(qū)喀斯特流域有很好的適用性，未來可作為評估該地區(qū)土壤侵蝕情況的有效手段。

感謝蔡強國等審稿老師提出的寶貴修改意見和建議。