徐凌云

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

【研究意義】土壤侵蝕是目前世界上最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，流域內(nèi)土壤侵蝕破壞土地資源的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致河流輸沙量增加，造成河床抬升、水庫(kù)淤積、興利庫(kù)容減少，地表徑流無(wú)法被有效利用、水生生物生存環(huán)境惡劣，進(jìn)而導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)的崩潰[1-2]。黑水河流域特殊的氣候、地形、地貌和土壤條件以及人為因素的破壞使土壤侵蝕越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致流域內(nèi)水體泥沙含量逐年增加，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成了一定的威脅，因此有必要找出導(dǎo)致土壤侵蝕的主要威脅源，從源頭降低流入水體的泥沙量，防治水環(huán)境惡化?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)[3-4]是由美國(guó)斯坦福大學(xué)、世界自然基金(WWF)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC)于2007年聯(lián)合開(kāi)發(fā)出的一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評(píng)估模型。近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者運(yùn)用InVEST土壤保持模型對(duì)山區(qū)[5-6]、城市[7]、海島[8]、小流域[2]等區(qū)域水土保持生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了研究，這些研究大都是從生態(tài)服務(wù)功能出發(fā)來(lái)評(píng)估研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型的土壤侵蝕量、土壤保持量及研究區(qū)域的土壤保持效益，而較少關(guān)注威脅土壤保持功能的潛在因素?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】為進(jìn)一步分析全流域土壤侵蝕因素，本研究利用InVEST模型模擬流域泥沙負(fù)荷分布，并在此基礎(chǔ)上對(duì)黑水河流域土壤侵蝕進(jìn)行分析評(píng)估，揭示不同土地利用類型遭受土壤侵蝕的潛在因素?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】此研究為黑水河流域進(jìn)一步水土流失調(diào)查、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、水庫(kù)管理、水土流失防治措施的制定等提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)提高黑水河流域土地生產(chǎn)能力、保護(hù)河流水生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黑水河是金沙江左岸一級(jí)支流，位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)，發(fā)源于昭覺(jué)縣瑪果梁子，自北向南流經(jīng)昭覺(jué)、普格、寧南3縣，于寧南縣東南部葫蘆口注入金沙江；黑水河流域介于東經(jīng)102°20′～102°53′、北緯28°7′～26°48′之間，流域面積為3591 km2，全長(zhǎng)173.0 km，天然落差1931 m，平均比降11.05 ‰，河口處多年平均流量為80 m3/s、徑流量25.25億m3。本地區(qū)日照較長(zhǎng)、氣溫較高，出露巖層易風(fēng)化剝蝕，隨暴雨沖入河槽，成為河流泥沙的主要來(lái)源。根據(jù)寧南水文站的實(shí)測(cè)泥沙資料統(tǒng)計(jì)分析，5—10月輸沙量約占年輸沙量99.5%，枯季11月至翌年4月，河流含沙量很小，反映本地區(qū)大水大沙的特點(diǎn)。

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 DEM數(shù)據(jù): 采用流域?qū)崪y(cè)30 m×30 m的DEM數(shù)據(jù)。黑水河流域北高南低，地貌多以山嶺和河谷相間，河谷到分水嶺高差較大，在700～4000 m左右，沿河支溝發(fā)育。 土地利用: 土地利用數(shù)據(jù)采用《黑水河河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃》中收集的2013年流域1∶250 000土地利用圖。目前黑水河流域土地利用方式主要有坡耕地、耕地、梯田、林地、建設(shè)用地、裸地、水域及水利設(shè)施用地等，以林地和坡耕地占地面積最大，分別占整個(gè)流域面積的41.28% 和48.99%。坡耕地和耕地主要沿黑水河、則木河、西洛河及其兩側(cè)支溝的河谷地帶分布。根據(jù)對(duì)黑水河流域的初步調(diào)查分析，威脅流域內(nèi)水文、水質(zhì)及自然生態(tài)系統(tǒng)的主要因素還包括居民點(diǎn)、采石采砂、沿河工礦企業(yè)、養(yǎng)殖等幾種方式，將這幾種類型更新至土地利用圖中進(jìn)行校正，其中居民點(diǎn)占0.03%，工礦養(yǎng)殖占0.003%，采石采砂占0.001%，校正后的土地利用類型圖(圖2)。土壤數(shù)據(jù)：土壤數(shù)據(jù)采用收集到的1∶100萬(wàn)數(shù)字化土壤圖，包括土壤厚度、土壤顆粒組成、持水率等基本信息，土壤類型采用收集到的1∶250 000土壤類型空間分布圖(圖3)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 模型計(jì)算原理：InVEST土壤保持模型由Soil Loss(土壤流失)和Valuation(生態(tài)價(jià)值)兩大模塊構(gòu)成。Soil Loss(土壤流失)模塊以通用土壤流失方程(USLE)為基礎(chǔ)估算黑水河流域土壤潛在侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量。土壤潛在侵蝕量是指在沒(méi)有植被的裸地下的土壤侵蝕量，它只與地貌、土壤和氣候條件相關(guān)。

基于地貌、土壤和氣候條件的潛在土壤侵蝕量：

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(1)

存在植被覆蓋因子及實(shí)施水土保持措施條件下的實(shí)際土壤侵蝕量：

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(2)

式中，RKLSx為柵格x的土壤潛在侵蝕量；USLEx為柵格x的土壤實(shí)際侵蝕量；Rx為降雨侵蝕力；Kx為土壤可蝕性；LSx為坡度—坡長(zhǎng)因子；Cx為植被覆蓋因子；Px為管理因子。

數(shù)據(jù)處理：①降雨侵蝕力(R)。降雨是土壤侵蝕的動(dòng)力和前提條件，降雨侵蝕力是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，美國(guó)學(xué)者威斯奇邁爾和史密斯(Wischmeier.W.H and smith D.D1958)[9]等人發(fā)現(xiàn)暴雨動(dòng)能與最大30 min降雨強(qiáng)度的乘積E·I30是判斷土壤流失的最好指標(biāo)，并將其應(yīng)用于USLE中，由于采用降雨侵蝕力指標(biāo)計(jì)算侵蝕力的方法以次降雨過(guò)程資料為基礎(chǔ)，受降雨過(guò)程資料限制，許多學(xué)者提出了利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易方法[10-15]，本文參考年均降雨量估算侵蝕力的簡(jiǎn)易方法計(jì)算[16]，得到流域R值的柵格圖層(圖4)。②土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性因子K反映了土壤對(duì)侵蝕的敏感性，K值估算采用Williams等[17-18]在侵蝕/生產(chǎn)力影響模型(EPIC)中的土壤可蝕性因子K值的估算方法，利用土壤有機(jī)質(zhì)和顆粒組成進(jìn)行估算，得到土壤可蝕性(K)柵格圖層(圖5)。③坡度因子(S)與坡長(zhǎng)因子(L)。地形要素中，坡度、坡長(zhǎng)是形成有侵蝕能力徑流的最主要因素，反映了地形地貌對(duì)土壤侵蝕的影響。土壤侵蝕隨坡度的增加而增加，且增加速率加快。當(dāng)坡度小于等于5° 時(shí)，采用McCool等人1987年提出坡度因子(S) 公式[19]，當(dāng)坡度大于5°時(shí)，采用劉寶元提出的計(jì)算方法[20]，坡長(zhǎng)因子(L)采用W.H.維希邁爾和D.D.史密斯[21]提出的經(jīng)驗(yàn)公式確定。④C值和P值。InVEST模型參數(shù)是基于不同土地利用類型的參數(shù)集合，主要包括覆蓋和管理因子(C)、水土保持措施因子(P)、截留能力、植被最大根深、蒸散發(fā)系數(shù)。在通用土壤流失方程中，C因子是指一定條件下有植被覆蓋或?qū)嵤┨镩g管理的土地土壤流失總量與同等條件下實(shí)施清耕的連續(xù)休閑地土壤流失總量的比值，為無(wú)量綱數(shù)，介于0～1之間[1]，一般將城鎮(zhèn)和水域的C值賦0，裸地C值賦1。水土保持措施因子P是采用專門(mén)措施后土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值，反映植被的管理措施差異引起的土壤流失量差別，其范圍在0～1之間，無(wú)侵蝕發(fā)生的地區(qū)取0，而未采取任何保護(hù)措施的地區(qū)取1。⑤截留率(Sedret_eff)。表示每種土地利用類型攔截上游地塊沉積物的能力，用0～100整型百分比表示。本文從模型數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了符合研究區(qū)土地利用類型的截留率。⑥坡度閾值(slope threshold)。整型百分比坡度閾值，根據(jù)席有、陳明華等[22-23]的研究，土壤侵蝕的臨界坡度為25°，本文根據(jù)模型要求換算為百分比坡度為47%。

表1 模型參數(shù)取值

研究區(qū)域不同土地利用類型C值、P值和截留率見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)水量模塊及土壤保持模塊校驗(yàn)

應(yīng)用INVEST模型分別對(duì)流域產(chǎn)水和耗水進(jìn)行模擬，將產(chǎn)水量和耗水量的差作為流域?qū)嶋H出水量。采用黑水河流域出口處的寧南水文站多年平均流量對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)寧南水文站代表年多年年均流量為69.1 m3/s，年徑流量為21.79億m3，經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)水量模塊的反復(fù)調(diào)試，模擬出的寧南水文站多年平均徑流量為20.76億m3，誤差為4.7%，與實(shí)際情況吻合較好(表2)。

將校驗(yàn)后的產(chǎn)水量(mm)柵格圖導(dǎo)入土壤保持模塊，提取黑水河流域出口處寧南水文站的輸沙量和含沙量數(shù)據(jù)，將寧南水文站的多年平均(2008—2013年)輸沙量和含沙量與2016年實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算出的寧南水文站年均輸沙量和年均含沙量的相對(duì)誤差分別為3.7%和2.1%(表3)。

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度

根據(jù)土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)黑水河流域土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分析，其中輕度侵蝕(500～2500 t/km2/a)流域面積占47.7%，中度侵蝕[2500～5000 t/(km2·a)]流域面積占22.3%，強(qiáng)烈侵蝕[5000～8000 t/(km2·a)]的流域面積占15.5%，極強(qiáng)烈侵蝕[8000～15 000 t/(km2·a)]的流域面積占9.7%，子流域175、66、245為劇烈侵蝕[>15 000 t/(km2·a)]，其面積占黑水河流域面積的4.7%。黑水河流域大部分子流域?yàn)檩p度至中度侵蝕，流域土壤侵蝕分級(jí)見(jiàn)圖6。各子流域平均輸沙量見(jiàn)圖7，計(jì)算結(jié)果顯示，輸沙量、截留量的空間分布規(guī)律與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的空間分布規(guī)律較為相似。山嶺地區(qū)林地植被繁茂，根系發(fā)達(dá)，對(duì)泥沙的截留能力強(qiáng)，因此輸沙量低；河谷地區(qū)主要土地利用類型為耕地、梯田、建設(shè)用地和裸地，對(duì)泥沙的截留能力相對(duì)較低，因此為輸沙量較高的區(qū)域。各子流域泥沙輸出變化同樣呈現(xiàn)出流域兩側(cè)低、中間高的規(guī)律。

表2 寧南站多年平均實(shí)測(cè)徑流量與計(jì)算徑流量對(duì)比

2.3 黑水河流域水體泥沙含量分析

通過(guò)對(duì)各子流域輸沙量和實(shí)際產(chǎn)水量分布圖疊加完成單位換算，得出各子流域出水口含沙量空間分布。從圖8可以看出，各子流域含沙量濃度變化較大，含沙量濃度在0.32～29.94 mg/L。對(duì)黑水河流域含沙量濃度水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：含沙量<5 kg/m3子流域面積占流域總面積的52.7%，含沙量在5～10 kg/m3間的子流域面積占流域總面積的27.5%，含沙量>10 kg/m3的子流域面積占流域總面積的19.7%?？傮w來(lái)說(shuō)，大部分子流域含沙量<5 kg/m3，含沙量>10 kg/m3的區(qū)域主要集中在黑水河、西洛河干流兩側(cè)。

2.4 黑水河流域泥沙主要威脅源分析

2.4.1 流域不同土地利用類型的平均輸沙量 為了比較不同土地利用類型平均輸沙量，將流域輸沙量的空間分布圖(圖7)與土地利用圖進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)，得出不同土地利用類型的平均輸沙量及貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，采石挖沙區(qū)域平均輸沙量最高，為59.94 t/hm2，為土壤流失的高危險(xiǎn)區(qū)域，養(yǎng)殖、裸地、坡耕地和建設(shè)用地泥沙平均輸出量也較高，應(yīng)積極采取有效的水土保持措施防范土壤侵蝕，林地、耕地、梯田泥沙侵蝕量相對(duì)較低。

2.4.2 各高含沙量子流域的單位面積輸沙量 為了分析造成子流域高含沙量的主要威脅源，對(duì)含沙量大于10 kg/m3的高含沙量子流域的泥沙侵蝕威脅因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要威脅因子及其貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4。由表4可以看出，裸地、采石采砂點(diǎn)、坡耕地、建設(shè)用地等的泥沙輸出是造成子流域高含沙量的主要威脅源，如子流域14的含沙量為16.04 kg/m3，單位面積輸沙量最大為裸地；子流域63的含沙量為13.94 kg/m3，單位面積輸沙量最大為采石采砂；子流域123的含沙量為13.44 kg/m3，單位面積輸沙量最大為建設(shè)用地。

表3 不同土地利用類型平均輸沙量及貢獻(xiàn)率

表4 各高含沙量子流域的單位面積輸沙量的主要威脅因子及其貢獻(xiàn)率

2.4.3 各高含沙量子流域的輸沙量 高含沙量子流域輸沙量的主要威脅因子及其貢獻(xiàn)率見(jiàn)表5。由表5可以看出，由于坡耕地、林地在流域中的面積占比較大，因此對(duì)于大部分子流域，坡耕地、林地的輸沙量的貢獻(xiàn)率較高，其次是采石采砂、裸地等。

表5 各高含沙量子流域輸沙量的主要威脅因子及其貢獻(xiàn)率

3 討論與小結(jié)

為防治和預(yù)防土壤侵蝕，需積極采取相應(yīng)水土保持措施，降低子流域的含沙量水平，如對(duì)裸地恢復(fù)植被、造林，設(shè)置沉砂池等水保設(shè)施、嚴(yán)格控制并規(guī)范采砂行為等。同時(shí)由于坡耕地的氮磷輸出總量的貢獻(xiàn)率較大，也需要對(duì)各高含沙量子流域的坡耕地采取相應(yīng)的措施，例如將坡耕地退耕還林或改造成梯田，其中坡度>25°以上的陡坡耕地應(yīng)退耕還林，10°～25°的斜坡耕地應(yīng)改成階梯式水平梯田。此外黑水河干流及其支流沿岸應(yīng)加高加固河堤，以防洪患，同時(shí)建議通過(guò)拆除中上游的部分閘壩來(lái)改善河道連通質(zhì)量。

(1)黑水河流域土壤侵蝕程度計(jì)算結(jié)果顯示，輕度侵蝕[<2500 t/(km2·a)]流域面積占47.7%，中度侵蝕[2500 ～ 5000 t/(km2·a)]流域面積占22.3%，強(qiáng)烈侵蝕[5000 ～ 8000 t/(km2·a)]的流域面積占15.5%，極強(qiáng)烈侵蝕[8000 ～ 15 000 t/(km2·a)]的流域面積占9.7%，黑水河流域大部分子流域?yàn)檩p度至中度侵蝕，各子流域泥沙輸出變化呈現(xiàn)出流域兩側(cè)低、中間高的規(guī)律。

(2)黑水河流域泥沙含沙量及侵蝕程度與流域土地利用方式和開(kāi)發(fā)強(qiáng)度密切相關(guān)，其中采石挖沙、水域設(shè)施用地、養(yǎng)殖用地、裸地和建設(shè)用地的泥沙平均輸出量分別為59.94、54.87、73.88、32.5 t/hm2，是土壤流失的高危險(xiǎn)區(qū)域，這些土地利用類型的泥沙輸出是造成子流域高含沙量的主要威脅源，而林地、耕地、梯田泥沙侵蝕量相對(duì)較低。

(3)對(duì)于黑水河高含沙量子流域而言，單位面積輸沙量的主要威脅因子依次為裸地、采石采砂點(diǎn)、坡耕地、建設(shè)用地；而泥沙輸出總量的主要威脅因子依次為坡耕地、林地，分析原因，是坡耕地和林地在流域中的面積占比較大，因此泥沙輸出總量較高，綜合來(lái)看，對(duì)于高含沙量子流域，坡耕地要尤為關(guān)注。