高寒高海拔地区水土保持与生态承载力关系研究

任弘宇，王 灏

(青海九0六工程勘察设计院，青海 西宁 810001)

近些年来，气候变化对生态系统的影响已经非常明显，主要表现在对自然植被分布影响[1]，造成植被的大量减少；水土流失加剧[2]，还有冰川及海平面变化等方面。植被变化与水土流失密切相关，因此加强水土保持与生态系统的研究意义重大。

生态系统是一个对方面因素相对稳定的关系网络，生态承载力是物体对外界所能承受最大能力。随着气候的变化，对于生态承载力的影响也很明显。不同的学者进行许多研究，国际上一些学者[3]提出了人类净初级生产力占用的概念(HANPP)，该方法对潜在的经初级生产力进行划分，来进一步进行分析研究。后来不同学者提出了状态空间法[4]和综合评价法[5]。生态系统在自然中的作用巨大，加强其修复意义重大[6]。关晓明[7]、袁克光[8]、仲朝晖[9]分别使用不同方法对生态系统承载力进行了相关研究。毛汉英[10]使用状态空间法对不同地区的承载力进行了研究。海力且木·麦麦提[11]对新疆地区水资源的生态承载力进行了研究。周玲[12]对水土保持与生态系统承载力之间的敏感性进行了分析。我国还有许多学者将水土保持进行研究，杨艳辉[13]、白金[14]、樊华[15]等人实际工程中水土保持进行相关的分析总结，为水土保持与生态系统的研究提供了参考。高寒高海拔地区的气候特殊，土壤比较脆弱，水土保持与该地区生态系统的关系比较复杂。

本文在前人的研究基础上，结合实际情况针对高寒高海拔地区的水土保持与生态系统之间的关系进行分析，为实际情况提供指导。

1 区域概况

本文研究区域为某搞海拔高寒地区，拥有独特的生态环境，覆盖范围比较广。主要有高山和高原组成，内部河流众多，该地区常年处于较低气温状态，年均温度低于12℃。降水量的空间变化较大，由北向南逐渐增加，由西向东逐渐增加；温度变化与降雨变化的分布规律比较接近。该地区的风速较大，在整个区域内分布的差异较大，西北部向东南部逐渐减弱。区域内的土壤主要以高山草原土、亚高山草甸土、高山草甸土等组成，具体的土壤分布如图1(a)所示。植被主要是以草原和草甸的天然植被为主，少数地区有人工种植的农业植被，区域内植被的分布如图1(b)所示。

图1 区域内特征量分布

2 理论介绍

本文研究水土保持与生态承载力的关系，使用通用的土壤流失方程(RUSLE)，该方程使用是通过无数次的试验验证得出的土壤侵蚀预测模型，适用于农田、流域和坡面的土壤流速预测研究。主要包含有土壤、降雨、地形、植被和管理因素等几个方面。本文的生态承载力通过预测土壤侵蚀量来反映，具体的结构计算如下：

A=R·K·LS·C·P

(1)

式中，A—预测的土壤侵蚀量；R—降雨侵蚀力因子；K—土壤可侵蚀因子；C—植被覆盖因子；P—水保措施因子，一般取值为1.0；LS—坡长与坡度因子。

根据公式(1)可知，需要对这几个方面进行分析，下面依次进行相关的理论介绍。

降雨侵蚀力因子是由降雨侵蚀力预测模型来进行计算，具体算法如下：

(2)

(3)

α=21.586β(-7.1891)

(4)

式中，Ri—第i个时段的侵蚀力值，MJ mm hm-2h-1；Α—预测模型参数；Β—预测模型参数；Dj—半月时段第j天的日降雨量，mm；P(d12)—日平均侵蚀性降雨雨量，mm；P(y12)—年平均侵蚀性降雨雨量，mm。

土壤可侵蚀性因子是土壤受水力侵蚀的程度，计算公式如下：

(5)

(6)

式中，K—土壤可侵蚀因子，t h hm2MJ-1hm-2mm-1；Sa—土壤砂粒(0.05～2mm)；Si—粉粒(0.002～0.05mm)；Cl—粘粒(<0.002mm)；OC—有机碳含量，%。

坡度坡长因子是指土壤，降水等其他条件保持不变的情况下地形标准与对应的土壤侵蚀量的比值，该指标是无量纲。数值越大，表示地形对土壤水侵蚀的作用越明显，计算公式如下：

(7)

L=(λ/22.13)α

(8)

(9)

式中，S—坡度因子；L—坡长因子；θ—坡度；α—坡长指数。

植被覆盖因子中植被覆盖度是一个很重要的因素，植被覆盖度是保证一定区域内土壤的侵蚀量不超过的国家规定标准时的最小植被覆盖度。计算公式如下：

(10)

式中，C—植被覆盖因子；SC—植被覆盖度，%。

根据公式(1)—(10)分别从降雨侵蚀力的时空分布规律、土壤可侵蚀性因子分布规律、坡度坡长因子分布规律、水土保持需要的最小植被盖度这几个不同方面对水土保持与生态系统之间的关系进行研究。

3 结果分析

3.1 降雨侵蚀力的时空分布规律

对该区域多年内每个月的降雨侵蚀力分布情况进行统计分析，选取6个典型月份进行展示，如图2(a)—(f)所示。

图2 不同月份降雨侵蚀力因子时空分布图

根据图2可知，在最初1月份降雨侵蚀力因子主要分布在南部和西部偏南位置处。随着温度的升高，到3月份时降雨侵蚀力因子的分布范围逐渐增加在北部和东部局部出现了较大的降雨侵蚀力因子。在5月份和7月份时处于夏季雨量较大，研究区域的降雨侵蚀力因子普遍较大，较大值主要分布在东南部。

在9月份时降雨量相比7月份已有所下降，降雨侵蚀力因子已经出现明显的下降，但是在东南部依然较大。11月份时降雨侵蚀力因子明显减小，分布和1月份基本一致。可以知道降雨侵蚀力因子在冬季较小，夏季较大，随季节变化明显。

对多年平均降雨侵蚀力因子进行整体统计分析，如图3所示。

图3 多年平均降雨侵蚀力因子时空分布图

根据图3可知，以年为单位对多年的降雨侵蚀力因子进行统计后可以很明显的看出降雨侵蚀力因子的最大值主要分布在东南区域，要明显大于1000MJ·mm·hm-2·h-1；最小值主要分布北部，降雨侵蚀力因子的分为范围为60～150MJ·mm·hm-2·h-1。因此在东南部要加强降雨侵蚀力因子的检测和防护。

通过对不同月份和不同年份的降雨侵蚀力因子进行统计分析，发现主要的分布范围基本一致，在接下里影响因子的分析主要对多年平均统计的数据时空分布进行分析。

3.2 土壤可侵蚀性因子分布规律

对多年平均土壤侵蚀力因子进行整体统计分析，如图4所示。

图4 土壤可侵蚀性因子时空分布

根据图4可知，该区域内土壤侵蚀性因子的较大值主要分布在西部和南部，该区域主要为高山草原土。北部及靠近东部位置的土壤侵蚀性因子相对较小。在研究区域内部分布的相对较为散乱，这主要是因为不同位置的土体成分不同。区域整体的土壤侵蚀性因子的平均值为0.035t·h·hm2·MJ-1·hm-2·mm-1。

3.3 坡度坡长因子分布规律

对多年平均坡度坡长因子进行整体统计分析，如图5所示。

图5 坡度坡长因子时空分布

根据图5可知，在研究区域内坡度坡长因子的值相对较小，在西北部局部较大，整体上呈现出由西北向东南逐渐增加的趋势。坡度坡长因子的分布趋势基本与高区域的地形起伏分布接近。最大值出现的东南部和西北部局部需要对地形进行适当的注意，加强对坡度坡长因子的防护。

3.4 水土保持需要的最小植被盖度

对多年平均水土保持需要的最小植被盖度进行整体统计分析，如图6所示。

图6 维持水土保持功能需植被盖度时空分布

根据图6可知，研究区域内用来位置水土保持需要的最少植被覆盖度的从西北向东南方向逐渐增加，最大值出现在东南部，最小值出现在北部附近，在最靠西北部位置需要的植被覆盖度也较大。其整体分布趋势与坡度坡长因子时空分布规律比较接近。

4 结论

本文从植被、降雨、土壤和地形几个方面对某高寒高海拔地区水土保持与生态承载力之间关系进行分析，得出结论如下：

(1)降雨侵蚀力因子由北部向东南部逐渐增加，最大值出现在东南部位置附近；一年内在夏季降雨侵蚀力因子普遍较高、冬季则相对较低。

(2)土壤可侵蚀性因子分布相对较散乱，最小值出现在北部附近，最大值出现在南部及西部附近。

(3)坡度坡长因子分布规律和维持水土保持需要的最小植被盖度分布规律基本一致，最大值均出现在东南部和西北部局部，整体上游西北向东南方向逐渐增加。

(4)综合考虑在东南部出现土壤侵蚀程度较高，该区域的生态承载力相对较弱，应加强防护。