国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失評價

2023-01-13 01:07陳正發(fā)段青松寧東衛(wèi)
農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2022年16期
關(guān)鍵詞:耕層坡耕地模數(shù)

陳正發(fā),李 靖,段青松,王 瑩,相 彪,寧東衛(wèi)

基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失評價

陳正發(fā)1,2,3,李 靖1,2,3※,段青松1,2,王 瑩1,2,相 彪1,寧東衛(wèi)1,2

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,昆明 650201;2. 云南省農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心,昆明 650201;3. 云南省高校城鄉(xiāng)水安全與節(jié)水減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650201)

定量評估區(qū)域坡耕地土壤侵蝕分布規(guī)律,是科學(xué)制定坡耕地水土流失綜合治理規(guī)劃、開展坡耕地質(zhì)量建設(shè)的基礎(chǔ),然而目前針對省域尺度坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失規(guī)律的研究較少。該研究基于GIS空間分析技術(shù)和通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE),在模型參數(shù)率定與計(jì)算精度驗(yàn)證基礎(chǔ)上,定量評價云南省坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失特征。結(jié)果表明:1)云南省坡耕地土壤侵蝕面積為421.38萬hm2,侵蝕總量為376.57×106t/a,占全省土壤侵蝕總量的63.02%,坡耕地是區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙的主要策源地;坡耕地平均侵蝕模數(shù)為7 986.31 t/(km2.a),總體處于強(qiáng)烈侵蝕等級,劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕是坡耕地侵蝕產(chǎn)沙的主要來源;不同分區(qū)坡耕地侵蝕模數(shù)和侵蝕量差異顯著,滇西南區(qū)侵蝕強(qiáng)度最大,滇東南區(qū)侵蝕強(qiáng)度最小。2)隨著坡度增加,坡耕地侵蝕面積比例、侵蝕強(qiáng)度、侵蝕量均呈較快增加趨勢,土壤侵蝕主要來源于15°~25°、>25°、>8°~15°3個坡度級坡耕地。3)坡耕地流失土層厚度集中分布在0~12 mm/a之間,平均流失土層厚度為7.31 mm/a;耕層更新周期集中分布在20~200 a之間,均值為175.6 a,耕層更新周期-面積分布曲線呈先快速遞增,并在某一峰值之后出現(xiàn)快速遞減趨勢。4)坡耕地養(yǎng)分流失空間分布存在差異性,土壤有機(jī)碳、全氮、速效鉀、有效磷流失模數(shù)分別為223.60、23.94、1.59、0.15 t/(km2·a),坡耕地養(yǎng)分流失是區(qū)域養(yǎng)分流失量的主要來源。研究可為區(qū)域坡耕地水土流失治理和坡耕地質(zhì)量建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

模型;侵蝕;坡耕地;評價;危險性評價;養(yǎng)分流失;USLE模型;云南省

0 引 言

土壤侵蝕作為全球性環(huán)境問題,是全球變化研究的重要組成部分[1]。土壤侵蝕導(dǎo)致土壤退化、土地生產(chǎn)力下降,侵蝕泥沙及其流失養(yǎng)分對水土生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[2]。作為耕地資源的重要組成部分,坡耕地是山丘區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)性資源,與區(qū)域水土生態(tài)保護(hù)和糧食安全密切相關(guān)[3]。受自然條件和人為不合理耕作利用影響,坡耕地土壤侵蝕已成為區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙和面源污染的重要來源[4]。坡耕地土壤侵蝕過程中伴隨著土壤、養(yǎng)分和水分流失,使耕層薄化、結(jié)構(gòu)變差、養(yǎng)分含量減小,最終降低耕地質(zhì)量。定量評估區(qū)域坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失規(guī)律,是科學(xué)制定坡耕地水土流失整治規(guī)劃、開展坡耕地質(zhì)量建設(shè)的基礎(chǔ)。

目前,國內(nèi)外土壤侵蝕研究主要集中在侵蝕過程機(jī)理和預(yù)測模型構(gòu)建方面,其中預(yù)測模型包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)P秃臀锢沓梢蚰P偷取?0世紀(jì)50年代末,通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)被首次提出[5],該方程包括土壤侵蝕的六大因子,并在后續(xù)研究基礎(chǔ)上提出了修正的土壤流失方程(Revised USLE,RUSLE)。USLE/RUSLE模型作為土壤侵蝕預(yù)報的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,因其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,得到了研究的重視。國內(nèi)很多學(xué)者對基于USLE/RUSLE模型的土壤侵蝕預(yù)報也進(jìn)行了深入研究,并取得了諸多研究成果。例如,張憲奎等[6]在黑龍江省運(yùn)用USLE建立了侵蝕預(yù)測模型,周伏建等[7]基于USLE建立了福建省土壤侵蝕模型,Liu等[8]在USLE模型的基礎(chǔ)上建立了中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)。基于USLE/RUSLE模型的土壤侵蝕研究既包括坡面尺度、流域尺度[9],也包含縣級區(qū)域尺度[10]和省級區(qū)域尺度[11]。但模型在不同尺度上使用時,存在尺度效應(yīng)[12]。此外,受區(qū)域尺度土壤侵蝕因子的復(fù)雜性影響,目前區(qū)域土壤侵蝕精準(zhǔn)評價方面還存在不少難題。如何通過模型參數(shù)的科學(xué)率定實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕精準(zhǔn)預(yù)測和尺度轉(zhuǎn)換等,還需深入研究[13]。楊子生[14]最早對基于USLE模型的云南省土壤侵蝕預(yù)報模型進(jìn)行了研究,建立了區(qū)域性參數(shù)取值表。近年來,一些研究人員基于USLE模型開展了滇西北地區(qū)降雨侵蝕力變化[15]、云南省降雨侵蝕力時空分布[16]、降雨侵蝕力計(jì)算模型[17]、滇池流域土壤侵蝕時空演變[18]等研究,豐富了USLE模型在云南省土壤侵蝕評估中的研究與應(yīng)用。

坡耕地作為受人為耕作活動影響較為強(qiáng)烈的土地利用類型,普遍存在侵蝕強(qiáng)度大、土壤保水保土保肥能力差等特點(diǎn)。因此,坡耕地土壤侵蝕機(jī)理和養(yǎng)分流失規(guī)律一直是國內(nèi)研究的熱點(diǎn)課題。從研究內(nèi)容來看,坡耕地土壤侵蝕過程的研究主要集中于不同降雨特征[19]、坡度[20]、微地貌特征[21]、耕作管理[22]等條件下坡耕地侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律、影響因素及侵蝕預(yù)報模型上。近年來,坡耕地土壤侵蝕對耕層土壤質(zhì)量的影響逐漸得到了研究人員的關(guān)注[23]??傮w而言,現(xiàn)有研究主要集中在坡面或小流域尺度坡耕地土壤侵蝕機(jī)理探索及預(yù)測模型建立上,對區(qū)域尺度坡耕地土壤侵蝕及養(yǎng)分流失時空分布規(guī)律方面的研究還較少。作為典型的高原山地區(qū),云南省坡耕分布面積廣、坡度大、耕作利用粗放、土壤侵蝕強(qiáng)度大、耕地質(zhì)量偏低,嚴(yán)重制約了坡耕地生產(chǎn)和生態(tài)功能的有效發(fā)揮[24]。亟待在區(qū)域坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失規(guī)律研究基礎(chǔ)上,提出坡耕地水土流失綜合整治和耕地質(zhì)量建設(shè)規(guī)劃?;诖?,本文基于GIS空間分析技術(shù)和USLE模型,在模型參數(shù)率定與計(jì)算精度驗(yàn)證基礎(chǔ)上,定量評價云南省坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失特征,以期為區(qū)域坡耕地水土流失綜合整治和坡耕地質(zhì)量建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處中國西南邊陲、云貴高原西南部,國土面積3 809萬hm2,處于東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)交匯區(qū)域。地形分布上表現(xiàn)為北高南低,其中滇西北為云貴高原向青藏高原的過渡帶,海拔為全省最高。國土面積84%為山區(qū),丘陵和壩區(qū)僅占總面積16%。云南省降雨充沛、河流眾多,但在時空上分布嚴(yán)重不均。根據(jù)2015年遙感調(diào)查數(shù)據(jù),云南省林地面積為2 181.56萬hm2,草地面積為878.46萬hm2,水域面積為34.10萬hm2,建設(shè)用地面積為29.31萬hm2,未利用地面積為21.07萬hm2,耕地面積為679.60萬hm2。研究表明,云南省坡耕地分布面積為472.55萬hm2,占耕地的面積比例為69.79%,坡耕地占耕地的面積比例較大,坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中具有重要地位[3]。為使坡耕地土壤侵蝕研究與區(qū)域農(nóng)業(yè)活動保持一致性,本研究參照《云南省綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃》[25],將云南省劃分為7個分區(qū)。云南省高程及坡耕地空間分布詳見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 USLE模型及因子確定

采用USLE對省級區(qū)域坡耕地土壤侵蝕進(jìn)行評估,USLE方程基本形式如下:

式中為土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2·a);為降雨侵蝕力因子,(MJ·mm)/(hm2·h·a);為土壤可蝕性因子,(t·hm·h)/ (MJ·mm·hm);LS為地形因子,其中為坡長因子,為坡度因子,為植被覆蓋與管理因子,為水土保持措施因子,均為無量綱因子。

圖1 云南省不同分區(qū)高程及坡耕地分布

1)土壤可蝕性因子()

土壤可蝕性因子反映土壤承受侵蝕動力剝蝕和搬運(yùn)的敏感性,是評價土壤對侵蝕敏感程度的重要定量化參數(shù)。本研究引用楊子生等[14,26]針對土壤可蝕性的研究成果,并將土壤可蝕性值轉(zhuǎn)化為國際制單位,土壤可蝕性因子取值表詳見文獻(xiàn)[27]。

2)降雨侵蝕力因子()

降雨侵蝕力因子一般采用簡易公式計(jì)算,但不同的簡易公式計(jì)算得到的降雨侵蝕力數(shù)值差異較大,需對計(jì)算模型的適宜性進(jìn)行評價。根據(jù)陳正發(fā)等[28]對云南省降雨侵蝕力計(jì)算模型的適宜性研究成果,采用式(2)計(jì)算降雨侵蝕力。

3)地形因子(LS)

坡度因子()和坡長因子()統(tǒng)稱為地形因子,反映地形地貌特征對土壤侵蝕的影響。本研究緩坡地(<14°)坡度因子采用早期USLE中給出的公式計(jì)算。

式中為坡度,(°)。

陡坡地(≥14°)地形因子采用劉寶元等[29]基于中國天水、安塞和綏德3個水土保持試驗(yàn)站天然徑流小區(qū)觀測資料提出的計(jì)算模型式(4)計(jì)算。

坡長因子()采用USLE模型提出的公式計(jì)算。

(5)

式中為坡長值,m;為可變的坡長指數(shù)。當(dāng)<0.57°時,=0.2;0.57°≤<1.72°,=0.3;1.72°≤<2.86°,=0.4;≥2.86°,=0.5。

4)植被覆蓋與管理因子()

植被覆蓋與管理因子反映地表有植被覆蓋情況下對侵蝕的減小作用,因子取值在0~1,一般通過模型計(jì)算法、試驗(yàn)法、賦值法確定因子。本研究采用賦值法獲取因子空間分布圖。根據(jù)楊子生[14]在云南省開展的研究成果,水田因子取值為0.088,旱地取值為0.120,林地取值為0.003,草地取值為0.005,其他土地利用類型取值為1.000。

5)水土保持措施因子()

水土保持措施因子反映實(shí)施水土保持措施后對侵蝕的減小作用,因子取值在0~1,區(qū)域尺度一般依據(jù)土地利用類型進(jìn)行賦值。根據(jù)趙明松等[11,14]的研究成果,將林地、草地的因子賦值為0.1,旱地賦值為0.35,水田賦值為0.18,其他土地利用類型均賦值為0。

為模擬當(dāng)前狀態(tài)下的土壤侵蝕空間分布特征,采用1951—2018年降雨觀測資料計(jì)算逐年降雨侵蝕力值,取其平均值作為現(xiàn)狀降雨侵蝕力值。按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)[30]進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度等級劃分。USLE模型計(jì)算分析基于ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行,分析流程如下:①采用土地利用圖和DEM圖提取坡耕地分布圖;②基于GIS和USLE模型計(jì)算得到云南省土壤侵蝕空間分布圖;③將坡耕地分布圖和云南省土壤侵蝕分布圖疊加,提取獲得坡耕地土壤侵蝕分布圖;④基于坡耕地土壤侵蝕分布圖,采用GIS空間分析功能,提取土壤侵蝕面積、侵蝕模數(shù)等參數(shù),進(jìn)而計(jì)算侵蝕量、平均侵蝕模數(shù)、所占比例等參數(shù)。為確保計(jì)算精度,計(jì)算柵格均統(tǒng)一為30 m×30 m,并將地理空間數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為相同的投影坐標(biāo)系。

1.2.2 流失厚度計(jì)算模型

根據(jù)質(zhì)量守恒原理,可導(dǎo)出土壤流失厚度Δ(mm/a)計(jì)算模型為

(6)

式中為自然狀態(tài)下的土壤容重,g/cm3;為土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2·a);10為單位換算系數(shù)。

本研究參照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)的估算方法,結(jié)合對云南省不同土壤類型坡面土壤容重的實(shí)測數(shù)據(jù)變化,土壤容重取值為1.35 g/cm3。

1.2.3 耕層更新周期計(jì)算模型

坡耕地在坡面徑流的沖刷、剝蝕和搬運(yùn)作用下,表層土壤不斷被侵蝕、搬運(yùn),產(chǎn)生坡耕地土壤侵蝕現(xiàn)象。耕層指耕地有效土層的某一深度范圍內(nèi)受耕作活動影響強(qiáng)烈的表層土壤范圍,一般為0~25 cm深度范圍內(nèi)的土壤層。隨著坡耕地土壤侵蝕作用的持續(xù)進(jìn)行,表層土壤不斷流失,在耕作過程中,為了確保耕作活動的正常進(jìn)行和作物的生長,在耕層土壤厚度基本不變的情況下使耕層不斷下移。如此往復(fù)下去,最終使原有的耕層土壤流失殆盡。為反映坡耕地耕層厚度變化規(guī)律,參照水文學(xué)中的水文更新周期的概念,采用耕層更新周期T(a)來描述坡耕地在侵蝕作用下原有耕層土壤完全更新所需要的時間。在耕層厚度不變條件下,T越大,耕層抗侵蝕能力越強(qiáng),維持坡耕地質(zhì)量水平的能力也越高;反之,則坡耕地抗侵蝕能力越低,維持坡耕地質(zhì)量水平的能力也越低。坡耕地耕層更新周期(T,a)采用式(7)計(jì)算。

(7)

式中I為坡耕地耕層厚度,cm;Δ為坡耕地流失厚度,mm。

1.2.4 養(yǎng)分流失估算模型

第種養(yǎng)分物質(zhì)流失量N采用式(8)估算。

式中ER為第種養(yǎng)分的侵蝕泥沙富集系數(shù);W為第種養(yǎng)分在坡耕地耕層土壤中的含量。計(jì)算過程中土壤有機(jī)碳(Soil Organic Carbon,SOC)的單位為 g/kg,全氮(Total Nitrogen,TN)的單位為g/kg,有效磷(Available Phosphorus,AP)的單位為mg/kg,速效鉀(Available Potassium,AK)的單位為mg/kg。

根據(jù)已有研究[27],土壤有機(jī)碳的侵蝕泥沙富集系數(shù)分布在1.30~2.33,均值為1.64;全氮的侵蝕泥沙富集系數(shù)分布在1.05~2.99,均值為1.95;有效磷的侵蝕泥沙富集系數(shù)分布在0.84~1.95,均值為1.34;速效鉀的侵蝕泥沙富集系數(shù)分布在1.14~2.17,均值為1.67。因此,本研究土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀的侵蝕泥沙富集系數(shù)均分別取1.64、1.95、1.34、1.67。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究坡耕地空間分布數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果。DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn),數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m。降雨數(shù)據(jù)來源于均勻分布于云南省的36個國家基本氣象站1951—2018年的觀測資料。土地利用來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30 m,該土地利用數(shù)據(jù)基于2015年Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,通過人工目視解譯生成。土壤分布圖來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,F(xiàn)AO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(International Institute for Applied Systems Analysis,IIASA)所構(gòu)建的世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database,HWSD),該數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km。耕層厚度、土壤有機(jī)碳、土壤養(yǎng)分等空間分布采用2005—2015年云南省土壤測土配方施肥項(xiàng)目中獲取的分縣數(shù)據(jù)集[31],建立全省30 m×30 m的土壤屬性空間分布柵格圖。該數(shù)據(jù)集土壤采樣及分析按照農(nóng)業(yè)部《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范》[32]要求進(jìn)行,數(shù)據(jù)集樣點(diǎn)及統(tǒng)計(jì)特征見表1。

表1 土壤養(yǎng)分采樣點(diǎn)及統(tǒng)計(jì)特征

1.4 模型計(jì)算精度驗(yàn)證

本研究采用云南省尖山河小流域標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)上的徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型計(jì)算精度。尖山河小流域位于云南省滇中區(qū)撫仙湖流域,多年平均降雨量1 050 mm,雨季6—10月的降雨量占全年總降雨量的75%,年平均徑流深300 mm,年均蒸發(fā)量為900 mm,土壤類型為紅紫泥土和紅壤。尖山河小流域土壤、降雨、地形地貌、土地利用等特征在云南省具有較好的代表性,因此本研究采用王克勤等[33]在尖山河小流域5 m×20 m徑流小區(qū)觀測的試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的精度。驗(yàn)證過程中,采用USLE模型計(jì)算不同土地利用類型徑流小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測侵蝕模數(shù)進(jìn)行對比,采用計(jì)算值與實(shí)測值的相對偏差、模型確定系數(shù)來評價模型計(jì)算結(jié)果的精度。經(jīng)計(jì)算,模型在灌草地、坡耕地、次生林小區(qū)上的侵蝕預(yù)測精度最高,相對誤差僅為0.93%,-7.28%,8.48%,梯坪地、人工林小區(qū)的預(yù)測結(jié)果相對誤差較大,相對誤差分別為16.60%,16.67%。整體上看,模型在5種土地利用類型上的預(yù)測相對誤差為7.08%,模型確定系數(shù)為0.992,較接近于1,表明預(yù)測結(jié)果整體上比實(shí)測值偏大,但總體誤差小于10%,說明模型精度相對較高,可基本滿足省域尺度坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失評估的精度要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡耕地土壤侵蝕空間分布

模型計(jì)算結(jié)果顯示,云南省坡耕地土壤侵蝕面積為421.38萬hm2,占坡耕地面積的89.37%,土壤侵蝕總量為376.57×106t/a,平均侵蝕模數(shù)為7 986.31 t/(km2·a),總體上處于強(qiáng)烈侵蝕等級。圖2為云南省坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖,從圖中可看出,云南省大部分坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度處于中度以上等級,其中又以強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕所占面積比例最高。表2為云南省坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度分級特征。從表中可看出,極強(qiáng)烈侵蝕所占面積最大,面積占比為25.12%,侵蝕模數(shù)達(dá)10 915.40 t/(km2·a),侵蝕量占坡耕地總侵蝕量的34.34%;劇烈侵蝕的侵蝕模數(shù)最大,侵蝕模數(shù)達(dá)21 894.07 t/(km2·a),侵蝕量占坡耕地總侵蝕量的42.18%,劇烈侵蝕是云南省坡耕地土壤侵蝕量的主要來源;強(qiáng)烈侵蝕、中度侵蝕的面積占比分別為16.47%、14.15%,侵蝕模數(shù)分別為6 507.17、3 768.65 t/(km2·a),侵蝕量合計(jì)占坡耕地總侵蝕量的20.10%。上述結(jié)果表明,極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕的坡耕地面積比例高、侵蝕量占比大,是云南省坡耕地土壤侵蝕的主導(dǎo)性侵蝕強(qiáng)度等級,也是坡耕地侵蝕泥沙的主要來源。

圖2 云南坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度等級空間分布

表2 云南坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度分級特征

表3為坡耕地土壤侵蝕與全省土壤侵蝕的對比。在水土侵蝕領(lǐng)域,侵蝕模數(shù)在 0~500 t/(km2·a)之間時,該區(qū)域?yàn)闊o明顯侵蝕區(qū)域,一般不計(jì)入侵蝕面積,但侵蝕量的計(jì)算需要計(jì)入[18],因而本文侵蝕面積計(jì)算不計(jì)入微度侵蝕面積。剔除微度侵蝕面積后,云南省土壤侵蝕面積為1 835.92萬hm2,侵蝕面積比例為48.07%,平均侵蝕模數(shù)為1 564.59 t/(km2·a),坡耕地平均侵蝕模數(shù)、侵蝕面積比例均顯著大于全省均值。坡耕地土壤侵蝕面積為421.38萬hm2,僅占全省侵蝕面積的22.95%,但侵蝕總量卻高達(dá)376.57×106t/a,占全省侵蝕總量的63.02%。該結(jié)果表明,盡管侵蝕面積比例較小,但坡耕地土壤侵蝕卻是云南侵蝕泥沙的主要來源。此外,從表中還可看出,坡耕地發(fā)生劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕的面積占全省劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕的面積比例分別為86.15%、87.79%、87.51%,這三個侵蝕強(qiáng)度對應(yīng)的侵蝕量占全省侵蝕量的比例分別為85.95%、87.70%、87.71%,表明云南省劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕主要發(fā)生在坡耕地上,坡耕地利用過程中導(dǎo)致的劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕是云南省侵蝕泥沙的主要來源。

表3 坡耕地土壤侵蝕與全省土壤侵蝕比較

表4為不同分區(qū)全區(qū)域范圍和坡耕地土壤侵蝕分布特征,從表中可看出,不同分區(qū)坡耕地侵蝕量從大到小的順序依次為滇西南區(qū)、滇中區(qū)、南部邊緣區(qū)、滇西區(qū)、滇東北區(qū)、滇東南區(qū)、滇西北區(qū),而坡耕地土壤侵蝕模數(shù)從大到小的順序依次為:滇西南區(qū)、南部邊緣區(qū)、滇西北區(qū)、滇西區(qū)、滇東北區(qū)、滇中區(qū)、滇東南區(qū)。無論是全區(qū)域范圍還是坡耕地,滇西南區(qū)的侵蝕量、平均侵蝕模數(shù)均為最大,表明滇西南區(qū)土壤侵蝕相對較為嚴(yán)重,平均侵蝕模數(shù)達(dá)10 756.40 t/(km2·a),處于極強(qiáng)烈侵蝕等級,侵蝕量占比為69.45%,坡耕地土壤侵蝕是滇西南區(qū)侵蝕泥沙的主要策源地。滇中區(qū)侵蝕量僅次于滇西南區(qū),平均侵蝕模數(shù)為5 780.84 t/(km2·a),處于強(qiáng)烈侵蝕等級,土壤侵蝕量占比60.26%,坡耕地土壤侵蝕也是滇中區(qū)侵蝕泥沙的主要策源地。滇西北區(qū)坡耕地土壤侵蝕量最小,但侵蝕模數(shù)較大,坡耕地侵蝕模數(shù)為9 280.04 t/(km2·a),處于極強(qiáng)烈侵蝕等級。上述結(jié)果表明,云南省7個分區(qū)坡耕地土壤侵蝕模數(shù)、侵蝕量差異較大,各分區(qū)侵蝕強(qiáng)度以強(qiáng)烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕為主;除滇西北區(qū)外,其他6個分區(qū)坡耕地土壤侵蝕均為分區(qū)內(nèi)侵蝕產(chǎn)沙的主要來源。

2.2 坡度對坡耕地土壤侵蝕的影響

坡度是影響坡耕地土壤侵蝕的重要因素,在坡度因子的作用下,不同坡度分級坡耕地土壤侵蝕過程和侵蝕退化強(qiáng)度存在差異,導(dǎo)致坡耕地土壤侵蝕模數(shù)存在較大差異。表5為不同坡度分級坡耕地平均侵蝕模數(shù)變化。從表中可看出,>25°坡耕地的平均土壤侵蝕模數(shù)最大,侵蝕模數(shù)達(dá)17 080.09 t/(km2·a),處于劇烈侵蝕等級;3°~5°坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)最小,僅為1 435.52 t/(km2·a),處于輕度侵蝕等級。上述結(jié)果表明,隨著坡度分級的增加,云南省坡耕地平均侵蝕模數(shù)也呈顯著增加趨勢,對應(yīng)的侵蝕強(qiáng)度等級從輕度侵蝕向劇烈侵蝕演變,坡耕地侵蝕性退化強(qiáng)度也隨之增大。

在坡度因子作用下,不同坡度分級坡耕地侵蝕面積比例也存在差異。表6為不同坡度坡耕地侵蝕面積變化??傮w來看,隨著坡度分級增大,云南省坡耕地侵蝕面積比例隨之增加;>15°~25°坡耕地侵蝕面積比例最大,所占面積比例為35.03%;3°~5°坡耕地侵蝕面積占比最小,面積占比僅為7.63%;從表中可看出,區(qū)域坡耕地土壤侵蝕面積主要集中在>15°~25°、>8°~15°兩個坡度等級上,其他坡度分級的侵蝕面積相對較小。此外,不同坡度坡耕地主導(dǎo)的侵蝕強(qiáng)度存在差異,3°~5°、>5°~8°坡耕地侵蝕面積最大的等級均為輕度侵蝕,>8°~15°坡耕地以中度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕為主,>15°~25°坡耕地土壤侵蝕以極強(qiáng)烈侵蝕為主,>25°坡耕地土壤侵蝕則以劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕為主。這一結(jié)果表明,隨著侵蝕強(qiáng)度等級的增加,占主導(dǎo)的坡耕地坡度分級也隨之增加。

表4 不同分區(qū)坡耕地土壤侵蝕特征

表5 不同坡度分級坡耕地土壤侵蝕模數(shù)

表6 不同坡度分級坡耕地土壤侵蝕面積及各級侵蝕面積占比

表7為不同坡度坡耕地侵蝕量變化,總體來看,隨著坡度分級的增大,坡耕地侵蝕量占比隨之增加;>15°~25°坡耕地侵蝕量占比最大,侵蝕量占比為45.70%;3°~5°坡耕地侵蝕量占比最小,侵蝕量占比僅為1.59%;坡耕地土壤侵蝕量主要來源于>15°~25°、>25°、>8°~15°坡耕地上,這3個坡度分級也成為云南省坡耕地土壤侵蝕治理的重點(diǎn)。從不同坡度分級侵蝕量分布來看,3°~5°坡耕地侵蝕量最大的侵蝕強(qiáng)度等級為輕度侵蝕,侵蝕量為2.97×106t/a。>5°~8°坡耕地侵蝕量最大的侵蝕強(qiáng)度等級為中度侵蝕,侵蝕量為5.64×106t/a。>8°~15°坡耕地侵蝕量最大的侵蝕強(qiáng)度等級為極強(qiáng)烈侵蝕,侵蝕量為31.52×106t/a。>15°~25°、>25°坡耕地侵蝕量最大的侵蝕強(qiáng)度等級均為劇烈侵蝕;其中,>15°~25°坡耕地侵蝕量達(dá)到78.82×106t/a;>25°坡耕地侵蝕量也較大,侵蝕量達(dá)到63.72×106t/a。

表7 不同坡度分級坡耕地土壤侵蝕量及各級侵蝕量占比

2.3 流失厚度變化特征

有效土層厚度、耕層厚度是坡耕地質(zhì)量的重要影響因子之一,一定范圍的有效土層厚度和耕層厚度是維持良好坡耕地質(zhì)量的基礎(chǔ)條件。從坡耕地流失厚度計(jì)算結(jié)果來看,土壤侵蝕導(dǎo)致的流失厚度集中分布在0~36 mm/a之間,平均流失厚度為7.31 mm/a,為全省范圍平均流失厚度的6.14倍,這表明坡耕地侵蝕性流失厚度總體較大。圖3為坡耕地不同流失厚度對應(yīng)的面積及比例變化。從圖中可看出,隨著坡耕地侵蝕性流失厚度增加,對應(yīng)的面積占比表現(xiàn)為先遞增、后減小的變化趨勢;大部分坡耕地流失厚度分布在0~12 mm/a之間,分布面積為386.68萬hm2,占坡耕地總面積的82.18%。在10個流失厚度分級范圍中,流失厚度處于2~6 mm/a范圍的面積分布最廣,面積比例為31.79%;流失厚度在0~2、6~9 mm/a范圍的坡耕地分布面積也較大,所占面積比例分別為19.11%、19.16%;其余流失厚度范圍面積占比均小于12.12%。流失土層厚度≥9 mm/a的坡耕地面積比例達(dá)29.94%,這部分坡耕地的坡度較大(一般坡度大于15°)、土壤侵蝕和養(yǎng)分流失嚴(yán)重,發(fā)生極強(qiáng)烈及以上等級的侵蝕,侵蝕作用下土壤養(yǎng)分貧瘠,土壤保水保土能力較差,影響了坡耕地生產(chǎn)力水平的有效發(fā)揮,是坡耕地水土流失綜合整治的優(yōu)先區(qū)域。

耕層更新周期表征坡耕地在人為加速侵蝕作用下耕層更新所需的年限,可反映坡耕地抗侵蝕能力。耕層更新周期越大,表明坡耕地耕層更新所需要的年限越長,其抗侵蝕能力也越大;反之,則抗侵蝕能力越小。耕層更新周期計(jì)算結(jié)果表明,云南省不同區(qū)域坡耕地耕層更新周期差異較大,耕層更新周期集中分布在20~200 a之間,均值為175.6 a。坡耕地耕層更新周期-面積分布曲線可直觀反映區(qū)域坡耕地耕層更新周期對應(yīng)面積的分布特征。圖4為坡耕地耕層更新周期-面積分布曲線,從圖中可看出,耕層更新周期-面積分布曲線呈現(xiàn)出先快速遞增,并在達(dá)到某一峰值之后呈現(xiàn)快速遞減趨勢,之后隨著潛在耕層更新周期的增加,分布面積僅呈較小幅度變化。此外,從圖中還可看出,在T∈(0,17 a]區(qū)間內(nèi),隨著T的增大,分布面積增大很快;在T=17 a處產(chǎn)生分布面積的峰值為1 133.60 km2,表明這部分坡耕地耕層更新周期為17 a。T>17 a范圍內(nèi),隨著T的增加,分布面積呈快速遞減趨勢;其中,在T∈(17 a,76 a]區(qū)間內(nèi),分布面積遞減較為迅速;在T>76a范圍內(nèi),分布面積遞減速率減小。在坡耕地水土流失綜合整治工程實(shí)施過程中,耕層更新周期小于50 a的坡耕地可作為優(yōu)先整治區(qū)。

圖3 不同流失厚度范圍分布面積及所占比例

2.4 坡耕地養(yǎng)分流失特征

坡耕地耕層養(yǎng)分在水土流失過程中伴隨著侵蝕泥沙和地表徑流遷移,一方面作為農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源,另一方面則減小耕層養(yǎng)分含量。計(jì)算結(jié)果表明,受坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分含量差異性的影響,坡耕地養(yǎng)分流失空間分布存在顯著差異。表8為云南省坡耕地養(yǎng)分流失量統(tǒng)計(jì)特征,從表中可看出,在4種養(yǎng)分中,坡耕地土壤有機(jī)碳(SOC)年流失總量、平均流失模數(shù)均最大,年流失總量為1 54.18萬t/a,平均流失模數(shù)為223.60 t/(km2·a),流失量占比達(dá)57.82%。全氮(TN)年流失總量和平均流失模數(shù)僅次于SOC,年流失總量為112.87萬t/a,平均流失模數(shù)為23.94 t/(km2.a),流失量占比為53.53%。速效鉀(AK)流失量和流失模數(shù)次于全氮(TN),年流失總量為7.46萬t,平均流失模數(shù)為1.59 t/(km2·a),年流失總量和平均流失模數(shù)均大于有效磷(AP),流失量占比為58.68%。有效磷(AP)年流失總量和平流失模數(shù)最小,年流失總量僅為0.70萬t/a,平均流失模數(shù)為0.15 t/(km2·a),流失量占比為56.52%。上述分析表明,降雨侵蝕驅(qū)動下的云南省坡耕地養(yǎng)分流失負(fù)荷總體較大,坡耕地養(yǎng)分流失模數(shù)是全省平均流失模數(shù)的4.34~5.50倍,坡耕地養(yǎng)分流失量占比均超過了50%,坡耕地養(yǎng)分流失是區(qū)域養(yǎng)分流失量的主要來源,也成為坡耕地質(zhì)量退化的重要原因之一;在坡耕地水土流失綜合整治中,除傳統(tǒng)的侵蝕阻控措施外,還應(yīng)充分考慮養(yǎng)分流失的削減作用。

圖4 坡耕地耕層更新周期-面積分布曲線

表8 云南省坡耕地養(yǎng)分流失特征統(tǒng)計(jì)

3 討 論

3.1 不同尺度坡耕地土壤侵蝕格局

土壤侵蝕作為自然和人為因素共同作用下的復(fù)雜生態(tài)過程,具有時空尺度特征[34]。從空間尺度上來看,土壤侵蝕分布具有空間異質(zhì)性[35]。坡耕地作為山丘區(qū)特殊的景觀單元和土地利用類型,無論在坡面尺度、流域尺度,還是區(qū)域尺度上,均與該尺度土壤侵蝕過程密切相關(guān)。在坡面尺度,坡耕地作為人類耕作活動影響最為強(qiáng)烈的土地利用類型之一,其坡度較大,土壤理化性質(zhì)、地表覆蓋易受人為耕作過程影響,導(dǎo)致坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度大、保水保肥能力差。其他侵蝕因子一致的條件下,坡耕地土壤侵蝕模數(shù)往往大于其他土地利用類型,坡耕地也成為水土生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)對象[23]。在流域尺度,基于“源/匯”的土壤侵蝕空間景觀格局研究表明,坡耕地作為典型的侵蝕“源”景觀單元,具有較強(qiáng)的土壤侵蝕危險性[36]。坡耕地作為侵蝕泥沙的主要來源,流域內(nèi)坡耕地景觀格局演變與流域侵蝕產(chǎn)沙過程密切相關(guān)[37]。中國東北黑土區(qū)典型小流域順坡壟作坡耕地面積比例與土壤侵蝕模數(shù)顯著正相關(guān),坡耕地空間格局對小流域水土流失產(chǎn)生顯著影響[35]。在云南省滇中區(qū),坡耕地是小流域集水區(qū)水土流失量增加的直接影響因素[38]。相對于坡面尺度和流域尺度,區(qū)域尺度因其組成地理單元的復(fù)雜性、自然和人為因子對侵蝕過程影響的非線性等特征,導(dǎo)致對區(qū)域土壤侵蝕的模擬更為困難。因此,目前針對區(qū)域尺度(特別是省域尺度)坡耕地土壤侵蝕格局及演變研究成果報道還相對較少。在區(qū)域尺度,由于坡面、流域是組成區(qū)域地理空間的基本單元,在坡耕地土壤侵蝕的“坡面→小流域→大流域→區(qū)域”空間尺度傳導(dǎo)作用下,坡耕地土壤侵蝕對區(qū)域土壤侵蝕格局同樣有著重要影響。云南省作為全球同緯度地帶生物多樣性保存最完好的地區(qū),生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較好,但近年來受人為加速侵蝕的影響,部分區(qū)域土壤侵蝕有進(jìn)一步加劇的風(fēng)險[27]。從本研究來看,盡管坡耕地侵蝕面積僅占全省侵蝕面積的22.95%,但侵蝕量卻占全省的63.02%,說明坡耕地土壤侵蝕是區(qū)域侵蝕泥沙的主要來源,坡耕地成為云南省水土流失治理的優(yōu)先區(qū)域。由于侵蝕因子的復(fù)雜性和侵蝕地理單元及耦合作用的非線性,區(qū)域尺度坡耕地土壤侵蝕時空格局演變規(guī)律方面還有待進(jìn)一步深入研究。

3.2 區(qū)域尺度坡耕地土壤侵蝕防治途徑

具有一定的坡度屬性是坡耕地區(qū)別于其他耕地類型的本質(zhì)特征。與其他耕地類型相比,坡耕地地表徑流、入滲等水文過程存在顯著差異,致使坡耕地土壤侵蝕嚴(yán)重、抵御干旱能力差、土地生產(chǎn)力低下[23]。坡耕地耕層土壤是維持坡耕地地力水平的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤通過自身的再生恢復(fù)作用,使土壤流失速率與成土速率處于動態(tài)平衡狀態(tài),從而維持坡耕地生產(chǎn)力[39]。土壤侵蝕速率一旦超過成土速率,最終使水土生態(tài)環(huán)境處于失衡狀態(tài)。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL90—2007)提出的西南土石山區(qū)土壤允許流失量標(biāo)準(zhǔn),云南省大部分坡耕地土壤侵蝕速率遠(yuǎn)大于土壤恢復(fù)能力(也即土壤允許流失量)。而這一狀態(tài)的長期持續(xù)最終會使坡耕地耕層土壤流失殆盡,加劇坡耕地質(zhì)量退化過程。坡耕地作為云南省耕地資源的重要組成部分,其土壤侵蝕和養(yǎng)分流失不僅使區(qū)域水土生態(tài)保護(hù)面臨考驗(yàn),還對區(qū)域糧食安全、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響[3]。坡耕地水土流失治理的目標(biāo)是通過各種措施體系的科學(xué)配置,使土壤侵蝕速率小于允許流失量,維持較高坡耕地質(zhì)量水平和良好的水土生態(tài)環(huán)境。針對云南省坡耕地坡度分級特征,在區(qū)域坡耕地水土保持生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃中,>25°坡耕地應(yīng)全面實(shí)施退耕還林還草措施,15°~25°陡坡耕地應(yīng)推廣坡改梯工程、坡面水系工程、水土保持耕作措施、優(yōu)化種植制度、布設(shè)植物籬等治理措施,8°~15°坡耕地則應(yīng)實(shí)施水土保持耕作措施和優(yōu)化種植措施,坡度小于8°坡耕地應(yīng)重點(diǎn)實(shí)施水土保持耕作措施。

區(qū)域坡耕地土壤侵蝕作為人為作用下的生態(tài)退化過程,其治理過程包括多方面措施。區(qū)域坡耕地土壤侵蝕治理應(yīng)從區(qū)域坡耕地分布及利用特征出發(fā),充分考慮坡耕地土壤侵蝕過程的自然和人為因素差異性,以坡耕地土壤侵蝕控制和耕地質(zhì)量提升為目標(biāo),以坡耕地合理耕層構(gòu)建為突破口,實(shí)施“水-土-作物”綜合調(diào)控技術(shù)模式,綜合實(shí)施耕作措施、坡面徑流調(diào)控措施、林草措施、土壤培肥措施和優(yōu)化種植模式等措施體系,建立坡耕地整治的常態(tài)化政策支撐和技術(shù)支持模式,綜合實(shí)施從坡面到流域,從流域到區(qū)域的水土保持生態(tài)環(huán)境治理綜合措施體系,以實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度坡耕地水土流失綜合整治和耕地質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)。

4 結(jié) 論

1)云南省坡耕地土壤侵蝕面積僅占全省侵蝕面積的22.95%,但侵蝕量卻占全省侵蝕量的63.02%,坡耕地成為區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙的主要策源地;坡耕地平均侵蝕模數(shù)為7 986.31 t/(km2·a),總體處于強(qiáng)烈侵蝕等級,劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕是坡耕地侵蝕產(chǎn)沙的主要來源;不同分區(qū)坡耕地侵蝕模數(shù)和侵蝕總量差異顯著,滇西南區(qū)的侵蝕強(qiáng)度為七個分區(qū)中最大,滇東南區(qū)則最小。

2)隨著坡度增加,坡耕地平均侵蝕模數(shù)呈快速增加趨勢,對應(yīng)的侵蝕強(qiáng)度等級從輕度侵蝕向劇烈侵蝕演變。3°~5°、>5°~8°坡耕地以輕度侵蝕為主,> 8°~15°坡耕地以中度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕為主,>15°~25°坡耕地以極強(qiáng)烈侵蝕為主,>25°坡耕地則以劇烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕為主,土壤侵蝕量主要來源于>15°~25°、>25°、>8°~15°這3個坡度級坡耕地。

3)坡耕地流失土層厚度集中分布在0~12 mm/a之間,平均流失土層厚度為7.31 mm/a;耕層更新周期集中分布在20~200 a之間,均值為175.6 a,耕層更新周期-面積分布曲線呈現(xiàn)出先快速遞增,并達(dá)到某一峰值之后快速遞減,之后隨著耕層更新周期的增加,分布面積呈較小幅度的變化。

4)坡耕地養(yǎng)分流失空間分布存在差異性,坡耕地土壤有機(jī)碳、全氮、速效鉀、有效磷的流失模數(shù)分別為223.60、23.94、1.59、0.15 t/(km2·a),是全省平均流失模數(shù)的4.34~5.50倍,坡耕地是云南省養(yǎng)分流失量的主要來源。

[1] Borrelli P, Robinson D A, Fleischer L R, et al. An assessment of the global impact of 21st century land use change on soil erosion[J]. Nature Communications, 2017, 8(1): 1-13.

[2] 展曉瑩,張愛平,張晴雯. 農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展期面源污染治理的思考與實(shí)踐[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2020,36(20):1-7.

Zhan Xiaoying, Zhang Aiping, Zhang Qingwen. Controlling agricultural non-point source pollution: Thinking and practice in the era of agricultural green high-quality development[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[3] 陳正發(fā),史東梅,何偉,等. 1980-2015年云南坡耕地資源時空分布及演變特征分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2019,35(15):256-265.

Chen Zhengfa, Shi Dongmei, He Wei, et al. Spatio-temporal distribution and evolution characteristics of slope farmland resources in Yunnan from 1980 to 2015[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 256-265. (in Chinese with English abstract)

[4] Wang T, Zhu B, Zhou M H, et al. Nutrient loss from slope cropland to water in the riparian zone of the Three Gorges Reservoir: Process, pathway, and flux[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2020, 302: 107108.

[5] USDA Agricultural Research Service. Predicting soil erosion by water: A guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation(RUSLE)[M]. Agriculture Handbook No. 703. USA: USDA, 2000.

[6] 張憲奎,許靖華,盧秀琴,等. 黑龍江省土壤流失方程的研究[J]. 水土保持通報,1992,12(4):1-9.

Zhang Xiankui, Xu Jinghua, Lu Xiuqin, et al. A study on the soil loss equation in Heilongjiang Province[J]. Bulletin of Soil & Water Conservation, 1992, 12(4): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[7] 周伏建,黃炎和. 福建省土壤流失預(yù)防研究[J]. 水土保持學(xué)報. 1995,9(1):25-30,36.

Zhou Fujian, Huang Yanhe. Study on the soil loss prediction in Fujian Procince[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1995, 9(1): 25-30, 36. (in Chinese with English abstract)

[8] Liu B Y, Zhang K L, Xie Y. An empirical soil loss equation[C]//Proceedings 12th International Soil Conservation Organization Conference. Vol. III. Beijing: Tsinghua University Press. 2002.

[9] 陸建忠,陳曉玲,李輝,等. 基于GIS/RS和USLE鄱陽湖流域土壤侵蝕變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(2):337-344.

Lu Jianzhong, Chen Xiaolin, Li Hui, et al. Soil erosion changes based on GIS/RS and USLE in Poyang Lake basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 337-344. (in Chinese with English abstract)

[10] 顧治家,謝云,李驁,等. 利用CSLE模型的東北漫川漫崗區(qū)土壤侵蝕評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2020,36(11):49-56.

Gu Zhijia, Xie Yun, Li Ao, et al. Assessment of soil erosion in rolling hilly region of Northeast China using Chinese Soil Loss Equation (CSLE) model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(11): 49-56. (in Chinese with English abstract)

[11] 趙明松,李德成,張甘霖,等. 基于RUSLE模型的安徽省土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失評估[J]. 土壤學(xué)報,2016,53(1):28-38.

Zhao Mingsong, Li Decheng, Zhang Ganlin, et al. Evaluation of soil erosion and soil nutrient loss in anhui province based on RUSLE Model[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(1): 28-38. (in Chinese with English abstract)

[12] 閆業(yè)超,張樹文,岳書平. 東北黑土區(qū)土壤侵蝕模擬中的地形因子尺度分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(1):180-184.

Yang Yechao, Zhang Shuwen, Yue Shuping. Scale analysis of topographic factor in erosion modeling in black soil area of the Northeast China[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2008, 22(1): 180-184. (in Chinese with English abstract)

[13] 袁再健,蔡強(qiáng)國,褚英敏. 四川紫色土地區(qū)流域侵蝕產(chǎn)沙空間的尺度效應(yīng)初探[J]. 資源科學(xué),2007,29(1):160-164.

Yuan Zaijian, Cai Qiangguo, Chu Yinmin. Effects of spatial scaling on the runoff-sediment-yielding of the purple soil region in Sichuan[J]. Resources Science, 2007, 29(1): 160-164. (in Chinese with English abstract)

[14] 楊子生. 云南省金沙江流域土壤流失方程研究[J]. 山地學(xué)報,2002,20(增刊):1-9.

Yang Zisheng. Study on soil loss equation in jinsha river basin of Yunnan Province[J]. Mountain Research, 2002, 20(S): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[15] 趙平偉,郭萍. 1980—2013年滇西北地區(qū)降雨侵蝕力變化特征[J]. 地理科學(xué),2015,35(10):1306-1311.

Zhao Pingwei, Guo Ping. Spatial and temporal variations of rainfall eerosivity in Northwest Yunnan Province[J]. Scientia Geographica Sinica, 2015, 35(10): 1306-1311. (in Chinese with English abstract)

[16] Gu Z J, Duan X W, Liu B, et al. The spatial distribution and temporal variation of rainfall erosivity in the Yunnan Plateau, Southwest China: 1960–2012[J]. Catena, 2016, 145: 291-300.

[17] Ma X, He Y D, Xu J C, et al. Spatial and temporal variation in rainfall erosivity in a Himalayan watershed[J]. Catena, 2014(121): 248-259.

[18] 彭雙云,楊昆,洪亮,等. 基于USLE模型的滇池流域土壤侵蝕時空演變分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2018,34(10):138-146.

Peng Shuangyun, Yang Kun, Hong Liang, et al. Spatio-temporal evolution analysis of soil erosion based on USLE model in Dianchi Basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(10): 138-146. (in Chinese with English abstract)

[19] 陳曉安,楊潔,湯崇軍,等. 雨強(qiáng)和坡度對紅壤坡耕地地表徑流及壤中流的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2017,33(9):141-146.

Chen Xiaoan, Yang Jie, Tang Chongjun, et al. Effects of rainfall intensity and slope on surface and subsurface runoff in red soil slope farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 141-146. (in Chinese with English abstract)

[20] 張慧薈,章慧,董艷,等. 基于重標(biāo)極差(R/S)和小波分析的黃土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙變化研究[J]. 土壤學(xué)報,2017,54(6):1345-1356.

Zhang Huihui, Zhang Hui, Dong Yan, et al. Characterization of runoff and sediment yield in farmlands on loess slopes based on R/S and wavelet analysis[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(6): 1345-1356. (in Chinese with English abstract)

[21] 趙龍山,梁心藍(lán),張青峰,等. 基于微尺度下DEM的黃土坡耕地地表坑洼特征研究[J]. 土壤學(xué)報,2012,49(1):179-183.

Zhao Longshan, Liang Xinlan, Zhang Qingfeng, et al. Study of characteristics of surface depressions in farmland on loess slope based on micro-DEM[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(1): 179-183. (in Chinese with English abstract)

[22] 張麗,張乃明,張仕穎,等. AMF和間作對作物產(chǎn)量和坡耕地土壤徑流氮磷流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2019,35(22):216-224.

Zhang Li, Zhang Naiming, Zhang Shiying, et al. Effects of AMF and intercropping on crop yield and soil nitrogen and phosphorus loss by runoff on slope farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 216-224. (in Chinese with English abstract)

[23] 史東梅,蔣光毅,蔣平,等. 土壤侵蝕因素對紫色丘陵區(qū)坡耕地耕層質(zhì)量影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2017,33(13):270-279.

Shi Dongmei, Jiang Guangyi, Jiang Ping, el al. Effects of soil erosion factors on cultivated-layer quality of slope farmland in purple hilly area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 270-279. (in Chinese with English abstract)

[24] 陳正發(fā),史東梅,何偉,等. 基于“要素-需求-調(diào)控”的云南坡耕地質(zhì)量評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2020,36(12):236-246.

Chen Zhengfa, Shi Dongmei, He Wei, et al. Quality evaluation of slope farmland in Yunnan Province based on “elementdemand-regulation” framework[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(12): 236-246. (in Chinese with English abstract)

[25] 云南省農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會辦公室. 云南省地綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃簡編[M]. 昆明:云南人民出版社,1999.

[26] 郭志民. 山地赤紅壤可蝕性特征研究[J]. 水土保持科技情報,2001(3):8-9.

[27] 陳正發(fā),龔愛民,寧東衛(wèi),等. 基于RUSLE模型的云南省土壤侵蝕和養(yǎng)分流失特征分析[J]. 水土保持學(xué)報,2021,35(6):7-14.

Chen Zhengfa, Gong Aimin, Ning Dongwei, et al. Characteristics of soil erosion and nutrient loss in yunnan province based on RUSLE model[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(6): 7-14. (in Chinese with English abstract)

[28] 陳正發(fā),史東梅,何偉,等.云南省降雨侵蝕力時空分布與演變趨勢研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2017,48(10):209-219.

Chen Zhengfa, Shi Dongmei, He Wei, et al. Spatial-temporal distribution and trend of rainfall erosivity in Yunnan Province[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(10): 209-219. (in Chinese with English abstract)

[29] 劉寶元,畢小剛,符素華,等. 北京土壤流失方程[M]. 北京:科學(xué)出版社,2010.

[30] 中華人民共和國水利部. 土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn):SL190-2007[S]. 北京:中國水利水電出版社,2008.

[31] 云南省土壤肥料工作站. 云南省農(nóng)戶施肥與耕地土壤性狀(2005—2014年)[M]. 昆明:云南科技出版社,2016.

[32] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.測土配方施肥技術(shù)規(guī)范(2011年修訂版):NY/T 1118—2006[S]. 北京:中華人民共和國農(nóng)業(yè)部,2011.

[33] 王克勤,宋澤芬,李太興,等. 撫仙湖一級支流尖山河小流域的面源污染物貢獻(xiàn)特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,29(6):1321-1328.

Wang Keqin, Song Zefen, Li Taixing, et al. The contribution of non-point pollution in the Jianshan River watershed, the first branch of Fuxian Lake[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2009, 29(6): 1321-1328. (in Chinese with English abstract)

[34] 劉宇,呂一河,傅伯杰. 景觀格局-土壤侵蝕研究中景觀指數(shù)的意義解釋及局限性[J]. 生態(tài)學(xué)報,2011,31(1):267-275.

Liu Yu, Lu Yihe, Fu Bojie. Implication and limitation of landscape metrics in delineating relationship between landscape pattern and soil erosion[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(1): 267-275. (in Chinese with English abstract)

[35] 魏建兵,肖篤寧,李秀珍,等. 東北黑土區(qū)小流域農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)與土壤侵蝕的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報,2006,26(8):2608-2615.

Wei Jianbing, Xiao Duning, Li Xiuzhen, et al. Relationship between landscape pattern and soil erosion of an agricultural watershed in the Mollisols region of northeastern China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(8): 2608-2615. (in Chinese with English abstract)

[36] 王金亮,謝德體,倪九派,等. 基于源匯景觀單元的流域土壤侵蝕風(fēng)險格局識別[J]. 生態(tài)學(xué)報,2017,37(24):8216-8226.

Wang Jinliang, Xie Deti, Ni Jiupai, et al. Identification of soil erosion risk patterns in a watershed based on source-sink landscape units[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(24): 8216-8226. (in Chinese with English abstract)

[37] 喻鋒,李曉兵,陳云浩,等. 皇甫川流域土地利用變化與土壤侵蝕評價[J]. 生態(tài)學(xué)報,2006,26(6):1947-1956.

Yu Feng, Li Xiaobing, Chen Yunhao, et al. Land use change and soil erosion evaluation in Huangfuchuan Wat[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(6): 1947-1956. (in Chinese with English abstract)

[38] 王坤香,王克勤. 昆明松花壩水源區(qū)坡耕地對集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J]. 中國水土保持科學(xué),2017,15(6):66-72.

Wang Kunxiang, Wang Keqin. Effects of sloping land on the runoff and sediment on catchment area in Songhuaba Reservoir in Kunming[J].Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(6): 66-72. (in Chinese with English abstract)

[39] 謝云,段興武,劉寶元,等. 東北黑土區(qū)主要黑土土種的容許土壤流失量[J]. 地理學(xué)報,2011,66(7):940-952.

Xie Yun, Duan Xingwu, Liu Baoyuan, et al. Soil loss tolerance for black soil species in Northeast China[J]. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(7): 940-952. (in Chinese with English abstract)

Evaluation of soil erosion and nutrient loss of slope farmland in Yunnan Province using USLE model

Chen Zhengfa1,2,3, Li Jing1,2,3※, Duan Qingsong1,2, Wang Ying1,2, Xiang Biao1, Ning Dongwei1,2

(1.,,650201,; 2.,650201,; 3.,650201,)

Slope farmland is one of the most important parts of cultivated land resources for agricultural production in mountain and hilly areas. The type of land resource is also closely related to regional water and soil ecological protection, even food security. Among them, the soil erosion of slope farmland has been one of the most serious sources of regional erosion and non-point source pollution, due to the natural conditions and man-made unreasonable utilization. Particularly, soil erosion is generally accompanied by the loss of soil, nutrients, and water in the sloping farmland. As such, the thinner arable layer can reduce the nutrients of soil structure and the quality of cultivated land. It is a high demand for the quantitative evaluation of the distribution of soil erosion in the regional sloping farmland, particularly for the decision-making on the soil and water loss for the high-quality slope farmland. However, there are only a few studies on soil erosion and nutrient loss of slope farmland at the provincial scale at present. In this study, the Universal Soil Loss Equation (USLE) model was selected to quantitatively evaluate the characteristics of soil erosion and nutrient loss of sloping farmland in Yunnan Province of China. The GIS spatial analysis was also carried out to verify the parameters and accuracy of the model. The results showed that: 1) The soil erosion area of slope farmland accounted for only 22.95% of the total erosion area, but the amount of erosion was as high as 376.57×106t/a, accounting for 63.02% of the total erosion in Yunnan Province. The slope farmland was the main source of erosion and sediment yield in the study area. The average erosion modulus of slope farmland was 7 986.31 t/ (km2. a) at the level of strong erosion. Severe erosion, extremely strong erosion, and strong erosion were the main sources of erosion and sediment yield of slope farmland. 2) The average erosion modulus of slope farmland increased rapidly with the increase of slope gradient. Correspondingly, the erosion intensity grade evolved from mild to severe erosion. The 3°-5° and 5°-8° slope farmland were mild erosion, the 8°-15° slope farmland was moderate and strongly erosion, the 15°-25° slope farmland was very strongly erosion, and the >25° slope farmland was the severe and very strongly erosion. The amount of soil erosion was often from the 15°-25°, the >25°, and the 8°-15° slope farmland. 3) The thickness of the lost soil layer in the sloping farmland was concentrated between 0 and 12 mm/a, and the average value was 7.31 mm/a. The renewal cycle of the cultivated layer was concentrated between 20 and 200 a, with an average of 175.6 a. The area distribution curve of the cultivated layer renewal cycle showed a rapid increase at first, then decreased rapidly after reaching a certain peak, and finally changed slightly with the increase of the cultivated layer renewal cycle. 4) There were some differences in the spatial distribution of nutrient loss in the sloping farmland. The loss modulus of Soil Organic Carbon (SOC), Total Nitrogen (TN), Available Potassium (AK), and Available Phosphorus (AP) in the sloping farmland were 223.60, 23.94, 1.59, and 0.15 t/(km2·a), respectively, which was 4.34-5.50 times of the whole province. Therefore, the sloping farmland can be the main source of nutrient loss in Yunnan Province of China. The research can also provide the scientific basis to control the soil and water loss for the high quality of regional slope farmland.

models; erosion; slope farmland; evaluation; risk assessment; nutrient loss; USLE model; Yunnan Province

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.014

S715.3

A

1002-6819(2022)-16-0124-11

陳正發(fā),李靖,段青松,等. 基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2022,38(16):124-134.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.014 http://www.tcsae.org

Chen Zhengfa, Li Jing, Duan Qingsong, et al. Evaluation of soil erosion and nutrient loss of slope farmland in Yunnan Province using USLE model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 124-134. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.014 http://www.tcsae.org

2022-04-05

2022-08-10

云南省基礎(chǔ)研究專項(xiàng)面上項(xiàng)目(202201AT070272);云南省教育廳科研項(xiàng)目(2022J0303);云南農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動項(xiàng)目(KY2022-29)

陳正發(fā),博士,講師,研究方向?yàn)樗辽鷳B(tài)工程、水土資源高效利用與保護(hù)。Email:chenzhengfa2013@126.com

李靖,教授,研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)水利。Email: li_jing69@163.com

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員:陳正發(fā)(E042500009M )

猜你喜歡
耕層坡耕地模數(shù)
福建省澇區(qū)排澇模數(shù)分布規(guī)律分析研究
坡耕地治理助推西和縣萬壽菊產(chǎn)業(yè)發(fā)展
土壤侵蝕對紫色土坡耕地耕層障礙因素的影響*
基于單片機(jī)和模數(shù)化設(shè)計(jì)的低壓側(cè)電壓監(jiān)視與保護(hù)裝置
輪作制度對敦化市土壤主要理化性狀影響的研究
模數(shù)化設(shè)計(jì)方法在景觀鋪裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
耕層構(gòu)造對土壤三相比和春玉米根系形態(tài)的影響
紅壤坡耕地耕層質(zhì)量特征與障礙類型劃分
國家坡耕地水土流失綜合治理工程助力建平縣脫貧攻堅(jiān)
資陽市雁江區(qū):防治并重 建管結(jié)合 創(chuàng)建坡耕地水土流失綜合治理示范區(qū)