华中地区土壤可蚀性因子研究

岑 奕，丁文峰，张平仓

(长江科学院水土保持研究所，武汉 430010)

土壤侵蚀是指土壤或成土母质在水力或者风力的作用下，遭到破坏和剥蚀，发生搬运和沉积的全过程［1］。土壤侵蚀不仅造成土壤资源被蚕食和破坏，还会使大量肥沃表土流失，造成土壤肥力和质量下降，由此引发生态环境失调恶化;同时，还会淤塞河床，大大缩短水利工程设施的使用寿命。土壤可蚀性是土壤性质的一个重要方面，是评价土壤是否易受侵蚀营力破坏的性能，也是土壤对侵蚀营力分离和搬运作用的敏感性［2］。它是影响土壤侵蚀量的内在因素，也是定量研究土壤侵蚀的基础［3］，因此，国际上把土壤可蚀性研究作为土壤侵蚀研究中的一个重要内容［4］。许多学者认为，土壤可蚀性的强弱与土壤内在理化性质(土壤的颗粒组成、团聚体的稳定性、有机质含量、渗透率、紧实度等)关系密切。

欧美国家在土壤可蚀性指标研究方面起步较早，已成功建立有多种估算模型。其中，较为著名的有:1969年Wischmeier等［5］通过研究土壤15种理化性质和土壤可蚀性因子K之间的关系，建立相关回归方程;1990年 Williams等［6］在侵蚀-生产力评价模型(EPIC)中，把土壤可蚀性因子K值的计算公式发展为仅与土壤砂粒、粉粒、黏粒含量和土壤有机碳含量有关。而我国也有不少专家学者依据国外建立模型的方法及公式来推断评价我国土壤可蚀性，虽开展很多研究［7－9］，但模型的建立及研究往往依托坡面或小流域野外实测数据，区域性(省级)尺度且以国家规模土壤调研为数据来源的研究较少。

华中地区位于我国中部，地处华北、华东、西北、西南与华南之间，具有全国东西、南北四境过渡的要冲和水陆交通枢纽的优势，起着承东启西、沟通南北的重要作用。该区地带性土壤抗侵蚀能力弱，瞬时降水强度大，水土流失较为严重，由此造成该区通江湖泊容积锐减，湖泊调蓄洪水能力大大下降，加剧了洪水的灾害程度［10］。同时，水土流失还带走大量土壤，致使土层变薄，质地变粗，土壤结构破坏，土壤养分降低，严重制约该区可持续性发展。本研究以全国第2次土壤普查数据为基础资料，对华中地区主要土壤可蚀性因子K值进行定量研究分析，揭示各类型土壤可蚀性特征，探讨该区土壤可蚀性因子空间分布特征，为该区的水土保持研究提供必要的数据支持和科学依据。

1 研究区概况

华中地区包括河南、湖北、湖南三省，地处北纬24°38'－36°24'，东经 108°21'－116°39'之间，土地面积约56万多平方公里，气候温暖而湿润，年平均气温在14～21℃之间，气温由北向南递增;雨水丰沛，年降水量800～2 000 mm，降水分布由东南向西北递减。本区地貌类型较多，山地、丘陵、高原、平原交错分布，总的特点是西高东低，大致可分为高山、中山和平原3部分。地势较高的山地多分布在西部，包括秦巴山地等，大部分海拔为2 000～3 000 m。中部和南部的大别山地、江南丘陵和南岭山地等，除个别山峰海拔达2 000 m以上外，多数在1 000 m左右。地带性土壤主要为红壤、黄壤和山地黄棕壤，抗侵蚀能力较弱，加上降水强度大、暴雨多、土地开发利用不当，极易引起土壤侵蚀。植被类型繁多，成分复杂，阔叶树以壳斗科、樟科、山茶科、冬青科等常绿阔叶树种为主，但也混有较多北方温带植被和南方热带植被。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文的研究数据主要以20世纪90年代全国第2次土壤普查资料为基础，内容以土种划分，包括:分类归属与分布(含面积);典型(代表)剖面形态特征;主要理化性状(附理化分析数据);土壤生产性能综述。考虑到研究区土壤可蚀性因子插值所需，在研究区范围外也多选择样点，本研究共选择样点224个，有关分布图如图1所示。

图1 华中地区土种志样点分布图Fig.1 The distribution of soil samples in central China

2.2 研究方法

2.2.1 可蚀性因子K估算方法

由于考虑到研究区域的基础资料和数据，以及计算结果的可操作性，本文采用侵蚀-生产力评价模型(EPIC)中的K值作为衡量土壤抗侵蚀性的指标，EPIC模型中的K值计算公式为

式中:SAN为砂粒含量(%);SIL为粉粒含量(%);CLA为黏粒含量(%);C为有机碳含量(%);SN1=1－SAN/100。

土壤可蚀性因子K值的计算公式中，土壤颗粒分析标准往往采用美国制，而全国第2次土壤普查中，土壤颗粒分析采用的是国际制，因此必须把国际制转换为美国制。

在以往的研究中，通常采用图解法进行土壤质地的转换，即在半对数纸上先画出国际制的土壤颗粒级配曲线，再通过查图，读出该土壤粒径的百分含量。利用图解法转换土壤质地，具有直观、鲜明的优点，但由于曲线的绘制和读数皆为人为，容易产生人为误差。在本研究中，利用Matlab编程，通过对国际制的土壤粒径值进行样条插值，得到美国制的土壤机械组成［11］。

2.2.2 插值方法

利用全国第2次土壤普查的样点属性值，分析华中地区土壤可蚀性因子空间分布特征，采用地统计学空间插值方法。空间分析和地统计学中，发展了多种插值方法，其中用于土壤抗侵蚀性的空间插值方法主要包括空间确定性插值中的反距离权重法和径向基函数法以及地统计插值中的普通克里格法等。比较3种插值方法，反距离权重插值结果误差较大，易出现“牛眼”现象;样条插值方法更适宜于缓慢变换样点插值，在本研究中，易拟合过度出现负值;而普通克里格插值法，无论是拟合误差，还是插值空间分布结果均表现较高［12，13］。因此，本研究采用普通克里格插值方法，该方法利用原始数据和半方差函数的结构性，对未采样点的区域化变量进行最优无偏估值。其插值精度由表1所示。

表1 普通克里格插值法的插值精度Table 1 Interpolation accuracy of Ordinary Kriging

3 结果与分析

按经典统计方法分析，利用土壤普查得到的土壤各类理化性质，通过EPIC方程计算得到样点土壤可蚀性因子K值，其变化范围 0.09～0.39，最大值为最小值的4.3倍，可见估算值变幅较大。K值的中值为 0.264 4，均值为 0.269 7，两者非常接近，表明研究区内该指标的分布较为均匀，未受特异值的影响。样点K值的变异系数为17.82%，具有中等程度的空间变异性。

借助ArcGIS软件，通过普通克里格插值，得到空间分布图如图2所示。该区土壤可蚀性因子K值主要分布在0.21～0.33之间:高值区主要分布在河南省的东部、西部区域，低值区则主要分布在湖南省的南部、湖北及河南交界的中部及东部地区。

图2 华中地区土壤可蚀性因子空间分布图Fig.2 Spatial distribution of soil erodibility factor(K)in central China

就整体而言，该区土壤可蚀性因子K值分布，在地域上呈现出由北向南先降低、后增高、再降低的趋势。该区土壤可蚀性因子K值的这种空间分布特征，与土壤结构性因素(土壤类型、地形等)引起的空间变异性程度较大，随机性因素(人工措施等)使得土壤可蚀性的空间相关性增强有关。

根据华中地区土壤图(图3)，全区共分布土类25种，其中主要土类为红壤(面积约占全区总面积的 22.04%)，水稻土(面积约占15.29%)，潮土(面积约占 14.98%)，黄棕壤(面积约占12.17%)，黄壤(面积约占 8.16%)。

土壤可蚀性因子与土壤类型相关，利用ArcGIS软件将图2与图3叠加，统计不同土类对应的土壤可蚀性因子均值(图4)。研究表明:K值最大的为褐土，约为0.34;红黏土的 K值次之，约为0.31;粗骨土的可蚀性最低，约为0.19。土壤K值是土壤抵抗水蚀能力大小的一个综合性指标，土壤K值越大，土壤抵抗水蚀能力越弱，越易受侵蚀;反之，土壤抵抗水蚀能力越强，越难被侵蚀。

图3 华中地区土壤图Fig.3 The soil types in central China

图4 主要土类土壤可蚀性因子K均值Fig.4 Mean values of the soil erodibility factor(K)of different soil types in central China

其中，由于红壤、水稻土、潮土、黄棕壤、黄壤5种土类所占面积较大(约占全区总面积的72.63%)，其土壤可蚀性因子 K 值分别为:0.250，0.253，0.287，0.225，0.244。显然潮土的土壤可蚀性因子K值最大，黄棕壤最小。这5种土类可基本反映华中地区的土壤抗侵蚀情况。

同时，为验证本研究土壤可蚀性因子K值的估算结果，对照梁音等［14］依据第2次土壤普查资料建立长江以南东部丘陵区土壤理化性质数据资料，估算得到的红壤的可蚀性因子K值为0.231，黄棕壤的K值为 0.219，与本研究估算得到红壤 K值0.250和黄棕壤K值0.225相当。考虑到使用区域的样本数据的差异，可认为本研究解析的土壤可蚀性因子较为可信。

4 结论

(1)华中地区土壤可蚀性因子K值主要分布在0.21～0.33之间:高值区主要分布在河南省的东部、西部区域，低值区则主要分布在湖南省的南部、湖北及河南交界的中部及东部地区。就整体而言，该区土壤可蚀性因子K值分布，在地域上呈现出由北向南先降低、后增高、再降低的趋势。

(2)华中地区共分布土类25种，K值最大的为褐土，约为0.34;红黏土的K值次之，约为 0.31;粗骨土的可蚀性最低，约为0.19。

(3)华中地区红壤、水稻土、潮土、黄棕壤、黄壤5种土类所占面积较大(约占全区总面积的72.63%)，其土壤可蚀性因子 K 值分别为:0.250，0.253，0.287，0.225，0.244。

本研究利用全国第2次土壤普查数据，深入探讨了华中地区土壤可蚀性因子空间分布情况，初步揭示了各类型土壤可蚀性特征，为华中地区的土壤可蚀性研究提供了一定的科学支持。但由于地面试验数据的缺乏，难以对插值得到的华中地区土壤可蚀性因子空间分布图进行有效的验证。在将来的研究工作中，还应结合地面径流小区得到的试验数据，进一步优化空间插值方法，以期得到更精确的区域土壤可蚀性数据。

［1］MORGAN R P C.Soil Erosion and Conservation［M］.London:Longman，Essex，1995.

［2］BOUYOUCOS G J.The Clay Ratio As a Criterion of Susceptibility of Soils to Erosion［J］.Journal of American Society of Agronomy，1935，27:738－741.

［3］姜小三，潘剑君，杨林章，等.土壤可蚀性K值的计算和K值图的制作方法研究——以南京市方便水库小流域为例［J］.土壤，2004，36(2):177－180.(JIANG Xiao-san，PAN Jian-jun，YANG Lin-zhang，et al.Methods of Calculating and Mapping Soil Erodibility K:A Case Study of Fangbian Watershed of Nanjing［J］.Soil，2004，36(2):177－180.(in Chinese))

［4］宋 阳，刘连友，严 平，等.土壤可蚀性研究述评［J］.干旱区地理，2006，29(1):124－131.(SONG Yang，LIU Lian-you，YAN Ping，et al.A Review of Soil Erodibility Research［J］.Arid Land Geography，2006，29(1):124－131.(in Chinese))

［5］WISCHMEIER W H，MANNERING J V.Relation of Soil Properties to Its Erodibility［J］.Soil Science Society of American Journal，1969，33(1):131－137.

［6］WILLIAMS J R，SHARPLY A N.EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)Ⅰ.Model Documentation［J］.U.S.Department of Agriculture Technical Bulletin.1990:1768.

［7］朱立安，李定强，魏秀国，等.广东省土壤可蚀性现状及影响因素分析［J］.亚热带水土保持，2007，19(4):4－7.(ZHU Li-an，LI Ding-qiang，WEI Xiu-guo，et al.The Current Situation of Soil Erodibility(K)Value and Its Impact Factors in Guangdong Province［J］.Subtropical Soil and Water Conservation，2007，19(4):4－7.(in Chinese))

［8］方学敏，万兆惠，徐永年.土壤抗蚀性研究现状综述［J］.泥沙研究，1997，(2):87－91.(FANG Xue-min，WAN Zhao-hui，XU Yong-nian.Study of Soil Anti-erodibility［J］.Journal of Sediment Research，1997，(2):87－91.(in Chinese))

［9］吴昌广，曾 毅，周志翔，等.三峡库区土壤可蚀性K值研究［J］.中国水土保持科学，2010，8(2):8－12.(WU Chang-guang，ZENG Yi，ZHOU Zhi-xiang，et al.Soil Erodibility K Value in Three Gorges Reservoir Area［J］.Science of Soil and Water Conservation，2010，8(2):8－12.(in Chinese))

［10］王占礼.中国水土流失的基本概况及其综合治理［J］.灾害学，2000，15(3):18－25.(WANG Zhan-li.General Situation of Soil and Water Loss and Integrated Control in China［J］.Journal of Catastrophology，2000，15(3):18－25.(in Chinese))

［11］蔡永明，张科利，李双才.不同粒径制间土壤质地资料的转换问题研究［J］.土壤学报，2003，40(4):511－517.(CAI Yong-ming，ZHANG Ke-li，LI Shuang-cai.Study on the Conversion of Different Soil Texture［J］.Acta Pedologica Sinica，2003，40(4):511－517.(in Chinese))

［12］雷志栋，杨诗秀，许志荣，等.土壤特性空间变异性初步研究［J］.水利学报，1985，(9):10－21.(LEI Zhidong，YANG Shi-xiu，XU Zhi-rong，et al.Preliminary Investigation of the Spatial Variability of Soil Properties［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1985，(9):10－21.(in Chinese))

［13］钟壬琳，肖 潇，张平仓，等.江西省土壤抗侵蚀性空间变异表述方法研究［J］.长江科学院院报，2010，27(5):12－18.(ZHONG Ren-lin，XIAO Xiao，ZHANG Ping-cang，et al.Research on Spatial Variability Statement Methods of Soil Anti-erodibility in Jiangxi Province［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(5):12－18.(in Chinese))

［14］梁 音，史学正.长江以南东部丘陵山区土壤可蚀性K值研究［J］.水土保持研究，1999，6(2):47－52.(LIANG Yin，SHI Xue-zheng.Soil Erodibility K in East Hilly Fields of the Southern Yangtze River［J］.Research of Soil and Water Conservation，1999，6(2):47－52.(in Chinese))