典型黑土小流域侵蚀强度时空变化特征——以海伦市光荣小流域为例.pdf
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1、第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 1 资助项目:国家重点研发计划项目“黑土地侵蚀退化功能重建机制与阻控技术”(2 0 2 1 Y F D 1 5 0 0 8 0 1)第一作者:汪浩(1 9 9 9),男,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀对土壤质量影响的研究。E-m a i l:w a n g h a o 0 5 3 7 n d 1 6 3.c o m 通信作者:张
2、少良(1 9 8 0),男,教授,博士生导师,主要从事黑土农田物质转化和迁移过程与调控研究。E-m a i l:s h a o l i a n g.z h a n g n e a u.e d u.c n典型黑土小流域侵蚀强度时空变化特征 以海伦市光荣小流域为例汪 浩1,张少良1,徐微涛1,张成博1,庄亚茹1,隋跃宇2,李 猛2,李传宝1,张兴义2(1.东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨1 5 0 0 3 0;2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,哈尔滨1 5 0 0 8 1)摘要:为了系统反映黑土区典型水蚀小流域土壤侵蚀特征,基于连续的L a n d s a tTM/O L I影像计算N D
3、 V I,并基于优化后的土壤和土地利用参数,结合实地调查,利用中国土壤流失方程(C S L E)、基于单位流量加权侵蚀沉积模型(U S P E D)分别模拟了海伦市光荣小流域2 0 0 02 0 2 1年间平均土壤侵蚀模数和侵蚀沉积分布格局,并通过融雪侵蚀模型(S H I)模拟了2 0 1 7年春季融雪侵蚀空间分布,综合分析了小流域的侵蚀格局成因。结果表明:2 0 0 02 0 2 1年间C S L E模拟发现,小流域平均土壤侵蚀模数为5.5 7t/(h m2a),平均土壤流失量为0.5 5mm/a,坡上侵蚀量较少02t/(h m2a),为微度侵蚀,坡中处于极强烈侵蚀和剧烈侵蚀等级,侵蚀贡献主
4、要来自坡度2 6 区域,占总侵蚀量的7 9.5 6%;U S P E D模拟发现,小流域7 8.1 1%面积发生侵蚀或沉积,其中侵蚀面积占流域面积2 4.8 9%,平均侵蚀模数为9.4 0t/(h m2a),且多集中在坡中和坡底侵蚀沟位置;沉积面积占流域面积的5 3.2 2%,平均沉积模数为-4.3 9t/(h m2a)。受降雨的变化影响,2 0 0 02 0 2 1年间小流域平均侵蚀模数整体呈上升趋势,侵蚀性降雨集中发生在7,8月。S H I模型结果显示,小流域2 0 1 7年春季平均融雪侵蚀模数为1.6 5t/(h m2a),占该年总侵蚀量的3 2.0 7%,高于基于降雪量数据计算的融雪侵
5、蚀模数。研究结果可为东北典型黑土小流域水土流失模拟和科学防控提供依据。关键词:侵蚀沉积;黑土;时空分布;小流域中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 1 9 8-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 2 4S p a t i o t e m p o r a lV a r i a t i o no fS o i lE r o s i o nI n t e n s i t y i nM o l l i s o l so fAS m a l l
6、W a t e r s h e d-AC a s eS t u d yo fG u a n g r o n gS m a l lW a t e r s h e dWANG H a o1,Z HANGS h a o l i a n g1,XU W e i t a o1,Z HANGC h e n g b o1,Z HUANGY a r u1,S U IY u e y u2,L IM e n g2,L IC h u a n b a o1,Z HANGX i n g y i2(1.C o l l e g eo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,
7、N o r t h e a s tA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,H a r b i n1 5 0 0 3 0;2.N o r t h e a s t I n s t i t u t eo fG e o g r a p h ya n dA g r o e c o l o g y,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,H a r b i n1 5 0 0 8 1)A b s t r a c t:I no r d e rt os y s t e m a t i c a l l yr e f l
8、 e c tt h es o i le r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a lw a t e re r o s i o ns m a l lw a t e r s h e d i nM o l l i s o l sr e g i o n,i nt h i ss t u d y,N D V Iw a sc a l c u l a t e db a s e do nc o n t i n u o u sL a n d s a tTM/O L Ii m a g e s.B a s e do nt h eo p t i m i
9、 z e ds o i l a n dl a n du s ep a r a m e t e r s,c o m b i n e dw i t hf i e l ds u r v e y s,t h ea v e r a g es o i le r o s i o nm o d u l u s a n de r o s i o nd e p o s i t i o nd i s t r i b u t i o np a t t e r n i n t h eG u a n g r o n gS m a l lW a t e r s h e do fH e l e nC i t yf r o m
10、2 0 0 0t o2 0 2 1w e r es i m u l a t e du s i n gt h eC h i n aS o i lL o s sE q u a t i o n(C S L E)a n dt h eU n i tF l o w W e i g h t e dE r o s i o nD e p o s i t i o n(U S P E D)m o d e l,r e s p e c t i v e l y.M e a n w h i l e,t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs n o wm e l te r o
11、 s i o ni ns p r i n g2 0 1 7w a s s i m u l a t e db y t h e s n o wm e l t e r o s i o nm o d e l(S H I),a n d t h e c a u s e s o f e r o s i o np a t t e r n s i n t h es m a l lw a t e r s h e dw e r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o w e dt h a tf r o m2 0 0
12、0t o2 0 2 1,t h eC S L Es i m u l a t i o nf o u n dt h a t t h ea v e r a g es o i l e r o s i o nm o d u l u sw a s5.5 7t/(h m2a),a n dt h ea v e r a g es o i l l o s sw a s0.5 5mm/a.T h ee r o s i o no ns l o p ew a s r e l a t i v e l ys m a l l,b e l o n g i n gt os l i g h te r o s i o n02t/(h
13、 m2a).T h em i d d l eo f t h es l o p ew a s i nt h ev e r ys t r o n ge r o s i o na n ds t r o n ge r o s i o nc l a s s,a n d t h ee r o s i o nc o n t r i b u t i o nw a sm a i n l yf r o mt h es l o p e2 6 a r e a,a c c o u n t i n gf o r7 9.5 6%o f t h et o t a le r o s i o na m o u n t.U S P
14、 E Ds i m u l a t i o nf o u n dt h a t 7 8.1 1%o f t h e s m a l lw a t e r s h e da r e aw a s e r o d e do rd e p o s i t e d,o fw h i c ht h ee r o s i o na r e aa c c o u n t e df o r2 4.8 9%o f t h ew a t e r s h e da r e a,a n d t h e a v e r a g e e r o s i o nm o d u l u sw a s 9.4 0t/(h m2
15、a),a n dm o s t o f t h e mc o n c e n t r a t e d i nt h ee r o s i o ng u l l i e sa t t h em i d d l ea n db o t t o mo f t h es l o p e.T h ed e p o s i t i o na r e aa c c o u n t e df o r5 3.2 2%o ft h ew a t e r s h e da r e a,a n dt h ea v e r a g ed e p o s i t i o nm o d u l u sw a s-4.3 9
16、t/(h m2a).A f f e c t e db yc h a n g e s i nr a i n f a l l,t h ea v e r a g ee r o s i o nm o d u l u so fs m a l lw a t e r s h e ds h o w e da no v e r a l lu p w a r dt r e n df r o m2 0 0 0t o2 0 2 1,w i t he r o s i v er a i n f a l l c o n c e n t r a t e di nJ u l ya n dA u g u s t.T h er e
17、 s u l t so f t h eS H Im o d e ls h o w e dt h a t t h e a v e r a g e e r o s i o nm o d u l u so f t h e s m a l lw a t e r s h e dw a s 1.6 5t/(h m2a)i nt h es p r i n go f 2 0 1 7,a c c o u n t i n gf o r3 2.0 7%o f t h e t o t a l e r o s i o n i n t h a t y e a r,w h i c hw a sh i g h e r t h
18、 a n t h e s n o wm e l t e r o s i o nm o d u l u s c a l c u l a t e db a s e do nt h es n o w f a l ld a t a.T h er e s u l t so ft h es t u d yc o u l dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rs i m u l a t i o na n ds c i e n t i f i cp r e v e n t i o na n dc o n t r o l o f s o i l e r
19、o s i o n i nt y p i c a lM o l l i s o l ss m a l lw a t e r s h e d i nN o r t h e a s tC h i n a.K e y w o r d s:s o i l e r o s i o na n ds o i l d e p o s i t i o n;M o l l i s o l s;t i m e-s p a c ed i s t r i b u t i o n;s m a l lw a t e r s h e d 东北黑土区是我国重要的粮食生产区和商品粮生产基地,其粮食总产量和商品粮分别占全国总量的1
20、/4和1/3,关系到国家的粮食安全1-2。但长期的不合理开发以及自然因素的影响,使该区域水土流失问题严重,造成黑土的严重退化3。据研究3显示,黑土区水土流失面积高达2 1.6 0万k m2,导致黑土厚度以每年0.32.0mm的速度下降,部分严重区域甚至出现“破皮黄”,造成粮食减产1 4.1 0%。而对侵蚀过程进行模拟和预测一直以来都是侵蚀治理中关键的一环,只有先明确区域内的土壤侵蚀强度、面积以及分布情况,才能有的放矢和科学布设水土保持措施,起到更有效的治理效果4。东北黑土区因独特的地形条件和气候因素,土壤受侵蚀的原因和过程复杂多样3。有研究5-6发现,东北地区除降雨侵蚀严重外,降雪量占全年降水
21、总量的7%2 5%,春季的融雪径流造成严重的土壤侵蚀。同时,东北黑土区侵蚀过程往往伴随着沉积的发生,因此对侵蚀过程的模拟和预测应考虑沉积过程3。近年来,在黑土区已开展许多有关土壤侵蚀模拟和预测的研究,如基于U S L E/RU S L E、C S L E、W aT EM/S E D EM、WE P P以及SWAT(通过MU S L E模拟)等模型对土壤侵蚀进行模拟和预测7、利用1 3 7C s、2 1 0P b e x、磁化率等示踪技术的土壤侵蚀和沉积的评估8-9及基于复合指纹识别技术的泥沙来源分析1 0等,其中U S L E/RU S L E、C S L E、MU S L E等经验模型得益于
22、其结构简单、计算方便等优点,应用最为广泛,且国内外学者基于该类模型开发了融雪侵蚀模型1 1。但是由于该类模型均是基于标准径流小区修正后获得,平均侵蚀率被分配给整个流域或坡面,所以并不能够预测土壤的沉积1 2。WE P P和L I S EM侵蚀过程模型虽然可以预测坡面或流域的侵蚀沉积情况,但其计算精度受参数数量和质量影响7,并不适合在长时间和较大尺度开展模拟研究。利用1 3 7C s、2 1 0P b e x等核素的示踪技术能够较准确地计算研究区域侵蚀和沉积情况,但结果为多年累计侵蚀和沉积情况,无法对某一特定时段展开研究,同时面临着前处理复杂耗时、测定成本较高等问题,并不适合大尺度范围运用1 3
23、。而基于单位流量加权侵蚀沉积模型(U S P E D)1 4是由U S L E/R U S L E模型改进而来,该模型能够将侵蚀和沉积建模为泥沙运输能力的变化,从而预测侵蚀过程中侵蚀/沉积速率及空间分布情况,在许多地区的研究中表现出色1 5,但在东北黑土区还缺乏研究。当前针对融雪侵蚀过程的经验模型相对较少,其中俄罗斯国家水文研究所的创建的融雪侵蚀模型(S H I)最具代表性,该模型结构简单,计算方便,但其需要准确的雪层厚度,在大尺度范围较难获取长时间数据1 6。为了系统反映黑土区典型水蚀小流域土壤侵蚀特征,本研究基于多年遥感影像和降水数据及野外调查数据,分别利用C S L E模型、U S P
24、E D模型以及S H I模型模拟小流域土壤流失和沉积情况,探究不同模型之间的差异,以及在东北黑土区的适用性,以期为区域土壤侵蚀防治、模拟和预测提供参考。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于黑龙江省海伦市前进乡光荣小流域(4 7.2 1 4 7.2 3 N,1 2 6.5 0 1 2 6.5 1 E)(图1),流域总面积1.8 6k m2,地形为典型的漫川漫岗,土壤类型以典型黑土为主,土壤侵蚀严重,且在研究区内存在侵蚀沟。研究区内土地利用类型以农田和林地为主,作物以大豆玉米轮作为主,一年一熟制,主要耕作方式包括顺坡起垄和横坡起垄。林地为2 0世纪9 0年代退耕还林时种植,以杨树(P o p
25、 u l u s t o m e n t o s aC a r r.)为主。该地区属寒温带大陆性季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季温热多991第5期 汪浩等:典型黑土小流域侵蚀强度时空变化特征雨,近2 0年来年均降水量5 3 0mm,主要集中在68月,年均气温1.5,年均有效积温24 5 0,年均日照时间为26 0 028 0 0h1 7。图1 研究区土地利用及采样点分布1.2 模型及各因子计算1.2.1 C S L E模型1 8A=RKLSBET(1)式中:A为土壤水蚀模数t/(h m2a);R为降雨侵蚀力因子(M Jmm)/(h m2ha);K为土壤可蚀性因子(th m2h)/(h m2M J
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