贵州省土壤可蚀性K值空间分布特征及主要影响因子

高家勇, 李 瑞, 杨坪坪, 盘礼东, 黄 凯

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院, 贵阳 550001; 2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001)

水土流失是西南喀斯特地区最为严峻的生态问题之一，2018年西南石漠化地区水土流失面积为25.18万km2，占土地总面积的23.82%[1]，严重的水土流失导致生态恶化、石漠化加剧，制约着西南地区社会经济的可持续发展。水土流失与地质、地形、降水、温度、植被和土壤等自然因素有关[2]，土壤可蚀性(Erodibility)是土壤的内在因素，是反映土壤对侵蚀敏感性的指标，也是对土壤侵蚀预报和水保措施效益评价的重要参数，通常用K值来表示。土壤可蚀性K这一指标自20世纪60年代提出以来[3]，广泛运用到多个模型中，如USLE/RUSLE，CSLE，WEPP和SWAT模型等。刘宝元等探究了土壤可蚀性的不同计算方法，倡导开发我国的土壤侵蚀经验模型[4]，张科利等研究表明土壤可蚀性受土壤物理性质、降雨强度等影响会发生变化[5]，同时根据径流小区实测资料，采用不同的方法计算土壤可蚀性值，并做出了修正，估算了中国土壤可蚀性值[6]。随着研究的深入，诸多学者研究了土壤可蚀性与环境因子的关系，如坡地土壤可蚀性的变化[7-8]；不同土地利用方式下土壤可蚀性的变化[9-12]；砾石与土壤可蚀性的关系[13-14]；海拔、土壤质地和成土母质等因子与土壤可蚀性的关系[15-16]。随着地理信息技术的发展，对土壤可蚀性的研究已逐步转换到空间尺度上，目前的空间估算方法主要包括属性连接法[17-19]、空间自相关法和地理信息综合法等[20]，其中空间自相关法应用最为广泛[21]。通过采集土壤样点，根据样点数据，计算土壤可蚀性值，在ArcGIS中用克里金插值法生成土壤可蚀性K值的空间插值图[16,22-24]，实现了对区域内土壤可蚀性的空间分析。

贵州省是我国土壤侵蚀最严重的省份之一，依据《贵州省水土保持公告》(2006—2010年)，贵州省水土流失面积为55 269.40 km2，占国土总面积的31.37%[25]，长期的水土流失造成区域表层土大量流失，石漠化现象日趋严重[26]，制约着当地生态与经济的发展。为平衡区域人地矛盾和实现可持续发展，开展生态治理刻不容缓[27]。而土壤侵蚀的首要对象是表层土，当表层土流失后，侵蚀对象会转变为深层土。深层土的可蚀性值高于表层土[11,28]，抗侵蚀能力更弱，更易被侵蚀，因此保护表层土成为了防治水土流失的关键。目前对贵州省土壤可蚀性的研究较少，而基于贵州全省空间尺度的探讨暂未见到报道，故开展省域尺度土壤可蚀性相关研究具有较为重要的现实意义，可填补相关研究的不足。本文的研究目的主要包括：(1) 构建贵州省土壤可蚀性K值空间数据库；(2) 探讨贵州省土壤可蚀性K的空间分布特征及主要影响因素。以期为USLE/RUSLE，CSLE等相关土壤流失模型在贵州省及类似地区的应用提供参考，为贵州省水土保持普查等生产实践提供参考和支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省位于中国西南部，面积17.616 7万km2，地理坐标范围为103°36′—109°35′E，24°37′—29°13′N。地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔1 100 m左右，海拔最高点为西部的乌蒙山脉韭菜坪，2 900.6 m，最低点地处东部黎平县地坪乡，147.8 m(图1)。贵州省地貌类型可概括为高原、山地、丘陵和盆地4种，其中山地和丘陵占92.5%，喀斯特分布范围广泛，喀斯特面积11.25万km2，占全省面积的63.8%。研究区气候温暖湿润，属亚热带湿润季风气候，最冷月为1月，平均气温在3～6℃，最热月为7月，平均气温在22～25℃。降雨充沛，但年内分配不均，多集中于5—10月，年均降雨量1 100～1 400 mm。贵州处长江和珠江水系的上游交错地带，全省水系顺地势由西部、中部向北、东、南三面分流，境内重要流域包括长江水系乌江、赤水河流域，珠江水系南、北盘江流域等。土壤类型复杂多样，主要包括黄壤、石灰(岩)土、水稻土、紫色土、粗骨土、红壤等。贵州全境植被类型分为南亚热带具热带成分的常绿阔叶林亚带、贵州高原湿润性常绿阔叶林地带和云贵高原半湿润常绿润叶林地带3个植被分布单元。

依据贵州省自然特征将全省划分为6个水土流失类型区(表1)，即黔西高原山地区、黔西南山原丘陵区、黔北中山峡谷区、黔中山原丘陵区、黔南低山河谷区和黔东低山丘陵区[29]。

图1 贵州省DEM

表1 贵州省水土流失分区

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源及分析方法 本研究使用的数据主要包括土壤数据、行政区数据和DEM(30 m)数据等，其中土壤数据来自中国土壤数据库(http:∥vdb3.soil.csdb.cn)中的二调土壤剖面数据，以及《贵州土种志》，土壤样点数据主要包括样点的粒径含量、有机质含量、成土母质、海拔和土地利用方式等。对数据进行整合、筛选，录入Excel，剔除不完整的数据，共15个土类，31个亚类，151个采样点(图2)，行政区数据和DEM(30 m)数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心(www.resdc.cn)。采用SPSS 24.0软件对数据进行分析处理，并运用Origin 2018软件绘图。

1.2.2 土壤粒径转换 我国第二次土壤调查采用的是国际制土壤粒径分级，>2 mm为石砾、2～0.02 mm为砂粒、0.02～0.002 mm为粉粒、<0.002 mm为黏粒，而本研究选用的EPIC模型中的土壤粒径为美国制，即>2 mm为石砾、0.10～2 mm为砂粒、0.05～0.10 mm为极细砂、0.002～0.05 mm为粉粒、<0.002 mm为黏粒。本文采用三次样条插值法[30]，运用MATLAB软件进行土壤粒径转换。

图2 样点分布

1.2.3K值计算 目前国内外常用的K值计算方法有诺模方程和修正诺模方程、EPIC模型、几何平均粒径模型计算公式等。EPIC模型由于其需要的数据信息相对较少、计算简单和较好的估算效果等优点，目前使用较为广泛，因此本文采用EPIC模型计算K值。

K=0.2+0.3exp〔-0.0256SAN·(1-SIL/100)〕·

式中:SAN为砂粒含量(0.05～2.00 mm);SIL为粉粒含量(0.002～0.05 mm);CLA为黏粒含量(<0.002 mm);SN1=1-SAN/100;C为有机碳含量(%);所得结果乘以0.131 7转换为国际制,单位为t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)。

1.2.4 克里金插值 克里金插值法又被称为空间自协方差最佳插值法，基于变异函数理论和结构分析，在一定区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，在土壤制图中得到广泛运用[21]。计算公式为：

式中:P(x0)为x0处土壤可蚀性K值的估计值;P(xi)为第i个点实算的K值;wi为第i个点对插值点的权重;n为实算K值点的个数。克里金插值法包括普通克里金方法、泛克里金方法和协同克里金方法等[17],本文结合采集样点的土壤数据特征,采用EPIC模型计算出土壤可蚀性K值,在ArcGIS中选用普通克里金方法,建立K值的协方差函数,根据方差变异分析结果,选用球面模型作为变异函数模型,完成K值的空间插值,形成K值空间数据库。

2 结果与分析

2.1 贵州省土壤可蚀性K值与空间分布特征

(1) 贵州省土壤类型及K值总体状况。贵州省土壤类型包括黄壤、石灰土、水稻土、紫色土、粗骨土、红壤、黄棕壤、山地草甸土、潮土、棕壤、石质土、沼泽土、泥炭土、新积土和红黏土等15类。黄壤主要分布在黔北和黔中地区；石灰土在贵州省分布十分广泛，有石灰岩的地方都有石灰土分布；水稻土集中在黔中山原丘陵区、黔北中山峡谷区、黔东低山丘陵区和黔南低山河谷区；紫色土主要分布在黔北地区。贵州省各类型表层土壤平均K值为0.023 0～0.047 7，面积加权平均值为0.034 8，其中红黏土的K值最大，为0.047 7，其次是潮土，为0.046 0；黄壤、红壤、石灰土、紫色土、水稻土是贵州省主要的土壤类型，加权K值依次为0.037 4，0.041 0，0.035 0，0.035 1，0.038 0，见表2。

表2 贵州省土壤可蚀性统计

根据梁音等[14]采用的土壤可蚀性K值的分级指标，将贵州省的土壤可蚀性K值进行分级。由图3可知，贵州省土壤可蚀性等级包括较低可蚀性土壤、中低可蚀性土壤、中可蚀性土壤、中高可蚀性土壤和高可蚀性土壤5个等级，其中分布最广的是中可蚀性土壤，占33.39%，其次是中低可蚀性土壤，占25.60%，中高可蚀性土壤占16.35%，较低可蚀性土壤占16.21%，高可蚀性土壤占8.45%，中可蚀性土壤等级以上的土壤占58.19%。总的来说，贵州省土壤可蚀性较高，中可蚀性土壤等级以上的土壤超过一半，无低可蚀性土壤级别，表明贵州省土壤侵蚀风险较高。

(2) 贵州省土壤可蚀性K值空间分布特征。从图4不难看出，全省K值分布的空间差异性较大，土壤可蚀性从西向东逐渐增加，与贵州省西高东低的地势走向相反。在东西方向上，K值黔东>黔中>黔西，南北方向上，K值黔北南部>黔中>黔北北部>黔南。土壤可蚀性较高的区域主要集中在黔东和黔北南部，土壤可蚀性低的区域分布在黔南和黔北的西北部。

图3 贵州省土壤可蚀性分级

图4 贵州省土壤可蚀性空间分布

2.2 贵州省土壤可蚀性K的主要影响因子

(1) 成土母质与土壤可蚀性。不同成土母质形成的同类土壤，其K值有明显的差异；同种成土母质形成的不同土壤类型，其K值也有明显的差异(表3)。各类成土母质形成土壤的可蚀性K值主要分布在0.028 4～0.046 8的范围内，页岩风化形成的红壤K值最大，为0.046 8；砂页岩风化形成黄壤的K值最小，为0.028 4。页岩发育形成土壤的K值都较大(黄棕壤除外)，处于中可蚀性级别；砂岩发育形成土壤的K值较小，处于中低可蚀性级别。

(2) 海拔与土壤可蚀性的相关性分析。对剖面点的海拔、K值、砂粒、粉粒、黏粒和有机碳等数据进行相关性分析，结果见表4。海拔与K值呈负相关，即随着海拔的升高，K值有降低的趋势，但未达显著水平(p>0.05)。海拔对K值的影响，通过对土壤有机碳，以及土壤结构指标砂粒、粉粒和黏粒含量的影响而间接产生影响，可以看出，海拔与土壤有机碳呈显著正相关(p<0.01)，即随着海拔的升高，土壤有机碳呈增加趋势；海拔与砂粒、粉粒含量呈显著正相关(p<0.01)，即随着海拔的升高，土壤砂粒、粉粒含量呈增加趋势；同时，还可以看出，海拔与黏粒含量呈负相关关系，即随着海拔的升高，黏粒含量呈下降趋势，但未达显著水平(p>0.05)。故海拔对土壤可蚀性K的影响是对土壤有机碳、土壤砂粒、粉粒及黏粒含量综合影响的结果。

表3 贵州省主要成土母质发育形成土壤的K值

表4 土壤数据集的皮尔逊相关系数矩阵

2.3 土地利用方式对土壤可蚀性的影响

同种类型的土壤有多种利用方式，如水稻土的利用方式是主要是水田、旱地、草地等，紫色土的利用方式有旱地、林地、灌木林、草地等，从表5可知，不同土地利用方式下土壤可蚀性K值不同，水田的土壤可蚀性均值最大，0.038 2；其次是旱地，为0.037 1；林地的土壤可蚀性均值最小，0.033 9。耕地的土壤可蚀性值明显大于其他用地类型，人为活动越强烈，土壤的可蚀性值越高。各用地类型K值的变异系数都较小，主要处于中小变异等级，各类土地利用的可蚀性值比较集中，变化范围不大。

表5 不同土地利用方式K值分布

3 讨 论

3.1 贵州省土壤可蚀性K值与其他地区的比较

贵州省是典型的喀斯特地区，碳酸盐岩出露率较高，呈现地带性土壤与非地带性的石灰土交错分布的规律[31]，K值介于0.023 0～0.047 7 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，低于西北黄土区[32]和北方土石山区[33]，高于南方红壤区[33]和东北黑土区[34]。土壤可蚀性是土壤的内在属性，受自然环境条件和社会经济因素的影响。西北黄土区土壤可蚀性较高的原因可能是西北地区干旱少雨，植被破坏严重，土层十分深厚，质地为粉砂壤土，土体松散，通气透水性强，土壤中的粉砂含量通常在50%以上，碳酸钙含量平均在10%左右[35]，有机碳集中在1～4 kg/m2[36]；南方红壤区雨热充足，母质风化十分强烈，土层深厚，以红壤与砖红壤为主，砖红壤的黏粒含量高达50%，红壤的黏粒含量高达70%，土壤中腐殖质含量不高，呈弱酸性，红壤的黏粒含量更高，呈酸性到强酸性，有机质贫乏[37]，所以土壤可蚀性低；而贵州省壤土分布广泛，土层浅薄，粉粒含量高达70%，黏粒和砂粒含量较低，有机质总体水平较高，平均为4.06%，且贵州省人地矛盾更为突出，土地资源未能得到合理利用，造成土壤质地下降，所以K值高于南方红壤区和低于西北黄土区。此外土壤样点的海拔、土地利用方式、温度和成土母质等自然因素，都会对土壤质地产生影响，进而影响土壤可蚀性。

3.2 贵州省K值空间分布特征与水土流失状况

从空间分布看，全省的土壤可蚀性从西向东呈现逐渐增加的趋势，黔东和黔北部分地区的土壤可蚀性高。同时，依据《贵州省水土保持公告》(2006—2010年)[26]，全省的水土流失率从西北向东南呈现逐渐减轻的特点。具体表现为：黔西地区水土流失率37.91%，黔西南地区为37.42%，黔北地区为37.14%，黔中地区为29.52%，黔南地区为24.98%，黔东地区为17.79%(图5)。贵州省土壤可蚀性与水土流失的空间特征存在较大差异，可能是因为土壤可蚀性受土壤质地和有机质的直接影响，而水土流失与土壤可蚀性、坡度、植被覆盖率和人类活动等因素有关[2]。虽然黔西和黔西南的土壤可蚀性低，但是地势起伏变化大，植被覆盖率低，土层浅薄，石漠化严重，坡耕地多且生态环境较差，人类活动强烈，因而土壤侵蚀量大[38]；而黔东地区尽管土壤可蚀性高，但地势起伏变化相对较小，植被覆盖率高，土层较厚，石漠化面积小[29]，人类活动较弱，因而土壤侵蚀量较小。因此，土壤可蚀性只是影响水土流失的一个因素，可蚀性值高的区域，水土流失不一定严重，但土壤可蚀性高，抗侵蚀能力就弱，易发生水土流失，在采取水保措施的时候，一定要引起重视。

图5 贵州省各地区水土流失分布面积比例

3.3 贵州省土壤可蚀性K的影响因素

(1) 成土母质对土壤可蚀性的影响。成土母质决定了土壤的类型和土壤质地，相同母质形成不同土壤类型，其质地和有机质也不相同，砂页岩形成的水稻土的砂粒含量明显低于紫色土，粉粒含量高于紫色土，因而水稻土的K值高于紫色土。不同成土母质形成的相同土壤类型，其质地和有机质存在着较大差异，就紫色土而言，页岩形成的紫色土黏粒和粉粒含量高，砂岩形成的紫色土的砂粒含量较高，这与侯大斌[39]的研究结论一致，因此页岩发育形成紫色土的K值高于砂岩发育形成紫色土的K值。总的来说，成土母质对土壤可蚀性的影响是多方面的，一方面成土母质直接影响土壤质地和有机质含量，进而影响了土壤可蚀性，另一方面成土母质受气候、降雨等影响导致母质风化程度不同，形成土壤的微地形、土层厚度和土壤特性发生变化，进而影响了土壤可蚀性。

(2) 海拔对土壤可蚀性的影响。海拔升高，土壤可蚀性有降低的趋势(图6)，与荆莎莎[40]、李子君[41]等的研究结果一致。因为海拔是通过影响土壤质地和有机碳含量，进而间接影响土壤可蚀性。而土壤可蚀性与砂粒、粉粒、黏粒、有机碳含量密不可分，与有机碳含量呈负相关，与砂粒含量呈显著负相关，与粉粒和黏粒含量呈正相关，其中与粉粒含量相关性显著，海拔通过影响前述土壤指标间接影响土壤可蚀性，使得土壤可蚀性随海拔的升高呈降低的趋势。随着海拔的升高，土壤有机碳含量有增加的趋势，这一结论与王琳[42]、彭新华[43]和JavedMallick[44]等研究的结果一致，其原因可能是海拔升高，温度降低，分解速率下降，腐殖质层中的枯枝落叶堆积更多，有机质含量增加。本研究中海拔升高，砂粒与粉粒含量有增加的趋势，而黏粒含量有降低的趋势，这与JavedMallick等[44]、舒锟等[45]的研究结果相反，他们的研究表明，海拔升高，砂粒含量降低，而黏粒和粉粒含量是增加的。原因可能是因为本研究从全省的角度，整体上分析了海拔与土壤砂粒、粉粒和黏粒的关系，而非仅针对同一种土壤分析海拔与土壤质地的关系。

图6 不同海拔梯度K值变化趋势

(3) 土地利用方式对土壤可蚀性的影响。就土地利用方式而言，同种土壤由于不同的利用方式，其土壤可蚀性K值会有所不同[9,46]。整体上，贵州省林地的土壤可蚀性最低，耕地的土壤可蚀性最高，而水田虽然可蚀性较高，但由于梯平化的影响，一般土壤侵蚀风险较低，旱地则多为坡耕地，受地形的影响更易发生水土流失。这一结果与尖山河小流域土壤可蚀性K值空间变异研究结果相同[47]，与坡面不同种植措施的径流小区观测结果相同，即坡耕地>草地>林地的产流产沙规律[48-49]，表明土壤经过多年的耕种其抗侵蚀能力下降，土壤侵蚀风险更大，是区域水土流失的主要策源地[9,46]。不同土地利用方式条件下，土壤可蚀性出现差异的原因，一方面林地与草地发达的根系可以固结土壤，改良土壤质地，植被冠层起到截流的作用，减少雨水对土壤的溅蚀作用；另一方面，枯枝落叶腐解后能够增强土壤中的有机质含量，从而增强土壤可蚀性。总体而言，人类活动对土壤可蚀性有明显的影响，人为干扰越大的地方，土壤可蚀性越高，土壤侵蚀风险越大。因此在生境复杂的喀斯特区域，需要合理规划土地利用方式，降低人为活动的影响，从而减少对土地资源的影响，降低土壤侵蚀风险。此外，对于土壤可蚀性高和水土流失严重的坡耕地，更需要重点关注，相关研究表明，秸秆覆盖是控制喀斯特地区坡耕地水土流失，减小土壤可蚀性的有效途径[50-51]，对于坡耕地的水土流失防治有重要意义。

4 结 论

(1) 贵州省各土壤类型表层土的平均K值介于0.023 0～0.047 7 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，其中红黏土的K值最大，为0.047 7 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，其次是潮土为0.046 0 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，新积土的K值最小，为0.023 0 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)。

(2) 贵州省以中低和中可蚀性土壤为主，中可蚀性土壤占33.39%，中低可蚀性土壤占25.60%，土壤可蚀性值较高，潜在土壤侵蚀风险大。

(3) 从空间分布看，全省的土壤可蚀性从西向东逐渐增加，黔东和黔北南部土壤可蚀性最大，黔中次之，黔北北部和黔南的土壤可蚀性最低；南北方向上呈现出：黔北南部>黔中>黔北北部>黔南。

(4) 各类成土母质形成土壤的可蚀性值介于0.028 4～0.046 8 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，页岩发育形成土壤的K值都较大(黄棕壤除外)，砂岩发育形成土壤的K值较小。

(5) 海拔通过影响土壤质地和有机碳含量，进而间接影响土壤可蚀性，即随着海拔升高，土壤可蚀性有降低的趋势。

(6) 不同土地利用方式下土壤可蚀性值不同，总体上呈现出水田>旱地>草地>灌木>林地的特征。