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  • ISSN 1001-8166
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地球科学进展, 2021, 36(7): 740-752 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.072

青藏高原综合科学考察研究

青藏高原水力侵蚀定量研究进展

魏梦美,, 符素华, 刘宝元,

北京师范大学地理科学学部,北京 100875

Quantitative Research of Water Erosion on the Qinghai-Tibet Plateau

WEI Mengmei,, FU Suhua, LIU Baoyuan,

Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China

通讯作者: 刘宝元(1958-),男,陕西榆林人,教授,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究. E-mail:baoyuan@bnu.edu.cn

收稿日期: 2021-01-19   修回日期: 2021-06-02   网络出版日期: 2021-08-20

基金资助: 第二次青藏高原综合科学考察研究项目“土壤水蚀与土壤质量变化 ”.  2019QZKK0306

Corresponding authors: LIU Baoyuan (1958-), male, Yulin City, Shaanxi Province, Professor. Research areas include soil erosion and conservation. E-mail: baoyuan@bnu.edu.cn

Received: 2021-01-19   Revised: 2021-06-02   Online: 2021-08-20

作者简介 About authors

魏梦美(1997-),女,山东济宁人,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究.E-mail:1164052581@qq.com , E-mail:1164052581@qq.com

摘要

青藏高原生态环境脆弱,土壤侵蚀是严重的生态问题。定量监测和评价水力侵蚀是生态建设和水土保持规划的基础。为系统掌握青藏高原水力侵蚀定量研究现状,在查阅大量文献资料的基础上,系统整理了81篇相关文献。发现青藏高原定量评价方法包括基于坡面侵蚀模型、137Cs核素示踪法、径流小区和水文站观测3种类型,但总的来说研究明显不够。坡面侵蚀模型主要有美国修正通用土壤流失方程和中国土壤流失方程2种。基于修正通用土壤流失方程、中国土壤流失方程、137Cs核素示踪法、径流小区监测和水文站观测小流域得到的青藏高原土壤侵蚀模数分别为大于30、1~8、小于10、0~109和2~3 t/(hm2‧a)。经过分析发现,青藏高原土壤侵蚀定量研究存在4个方面的问题:模型计算中参数的选择存在问题,137Cs核素示踪法方面背景值不确定性太大,径流小区和小流域监测资料奇缺,没有全区评价结果。今后需要加强小区小流域自动化监测、137Cs背景值采样测试和综合评判以及137Cs核素示踪法土壤侵蚀测定。在这两项定量测定的基础上对全青藏高原土壤侵蚀进行定量评价,为水土保持规划和生态文明建设服务。

关键词: 青藏高原 ; 水力侵蚀 ; 修正通用土壤流失方程(RUSLE) ; 中国土壤流失方程(CSLE) ; 137Cs ; 径流小区

Abstract

Soil erosion is a serious ecological problem on the fragile ecological environment of the Qinghai-Tibet Plateau. Quantitative monitoring and evaluation of hydraulic erosion is the basis for ecological construction and soil and water conservation planning. In order to systematically grasp the current status of quantitative research on hydraulic erosion on the Qinghai-Tibet Plateau, 81 relevant papers were systematically collated on the basis of an extensive literature review. It was found that the quantitative evaluation methods on the Qinghai-Tibet Plateau include three types based on slope erosion models, 137Cs nuclide tracing method, runoff plots and hydrological station observations, but in general the research is seriously and obviously insufficient. The two main types of slope erosion models are the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and the Chinese Soil Loss Equation (CSLE). The soil loss of the Qinghai-Tibet Plateau is >30, 1~8, <10, 0~109, and 2~3 t/(hm2‧a) based on the RUSLE model, CSLE model, 137Cs nuclide tracing method, runoff plots monitoring, and hydrological station observation of small watersheds, respectively. After analyzing the quantitative study of soil erosion on the Qinghai-Tibet Plateau, we find that there are four problems: there are problems in the selection of parameters in the model calculation; the reference value of the 137Cs nuclide tracer method is too uncertain; the monitoring data of runoff plots and small watersheds is extremely lacking; no regional evaluation results. In the future, it is necessary to strengthen the automated monitoring of small watersheds in the community, the 137Cs reference value sampling test and comprehensive evaluation, and the 137Cs nuclide tracer method for soil erosion determination. Based on these two quantitative determinations, the soil erosion of the entire Qinghai-Tibet Plateau is quantitatively evaluated, serving the planning of water and soil conservation and the construction of ecological civilization.

Keywords: The Qinghai Tibet Plateau ; Water erosion ; RUSLE ; CSLE ; 137Cs ; Runoff plot

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本文引用格式

魏梦美, 符素华, 刘宝元. 青藏高原水力侵蚀定量研究进展. 地球科学进展[J], 2021, 36(7): 740-752 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.072

WEI Mengmei. Quantitative Research of Water Erosion on the Qinghai-Tibet Plateau. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(7): 740-752 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.072

1 引 言

青藏高原面积约为253×104 km2[12,土壤侵蚀面积达177×104 km2[3,且土壤侵蚀类型复杂多样、侵蚀过程多变。青藏高原侵蚀营力交错或交替频繁出现,水力、风力、冻融和重力侵蚀都普遍存在。东部和南部水力侵蚀较为严重,北部和西部风力侵蚀较为严重,冻融作用普遍存在,加剧水力和风力侵蚀4。水力侵蚀最突出的是鳞片状侵蚀和切沟侵蚀,鳞片状侵蚀是草地的主要侵蚀类型,切沟侵蚀在雅鲁藏布江两岸和南羌塘地区广泛分布,说明水力侵蚀已经非常严重。青藏高原由于处于海拔高、温度低的极端环境5下,严重的土壤侵蚀导致了土地退化和沙化,且退化的土地较我国其他地方来讲更难恢复。因此研究土壤侵蚀,有效防治水土流失在青藏高原尤为重要。本文查阅了以“青藏高原土壤侵蚀”或者“青藏高原土地退化”为主题的中英文文献,检索数据库包括Web of Science核心合集、中国科学引文数据库SM、KCI-Korean Journal Database、MEDLINE、Russian Science Citation Index和SciELO Citation Index。第一篇文献为1992年出版,到2019年的28年中共发表了486篇文献(图1)。2010—2019年发表349篇,占全部文献的71.8%,其中水力侵蚀包括144篇,即近10年青藏高原土壤侵蚀尤其是水力侵蚀已成为研究热点。青藏高原已有的水力侵蚀研究主要包括侵蚀机理、定量监测、危害和防治等方面。侵蚀机理研究主要包括侵蚀因子对流速和产沙的影响等;侵蚀定量监测现状研究包括侵蚀监测、侵蚀影响因子、土壤侵蚀模数的计算和土壤侵蚀分布规律等;侵蚀危害研究包括地形或地貌的改变、生态系统功能、经济价值和有机碳的变化等;侵蚀防治研究包括青藏高原可持续发展的建议和草地恢复措施等。

图1

图1   19922019年青藏高原土壤侵蚀/土地退化相关文献数量

Fig. 1   The number of references related to soil erosion/land degradation in the Qinghai-Tibet Plateau from 1992 to 2019


为系统掌握青藏高原水力侵蚀定量监测研究现状,本文整理了已有研究成果,分别从修正坡面土壤流失方程[修正通用土壤流失方程(The Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)6和中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)7]应用、137Cs核素示踪法、径流小区和水文站观测3个方面进行总结,并提出问题与建议。

2 基于坡面模型的土壤侵蚀评价

修正通用土壤流失方程(The Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)6是目前应用最广泛的水蚀预报模型之一。该模型是1997年美国农业部在通用土壤流失模型(The Universal Soil Loss Equation,USLE)89的基础上修订得到的,表达式为:A=RKLSCP,其中,A是年平均土壤流失量[t/(hm2‧a)];R是降雨侵蚀力因子[MJ‧mm/(hm2‧h‧a)];K是土壤可蚀性因子[t‧hm2‧h/(hm2‧MJ‧mm)];LS是坡长和坡度因子;C是覆盖和管理因子;P是水土保持措施因子;L、SCP因子无量纲。中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)7是在USLE和RUSLE的基础上提出的适用于中国国情的土壤流失方程。表达式为:A=R‧KLSBET。其中A、R、K、LS因子含义及单位与上述一致,将水土保持措施因子分为植被覆盖与生物措施因子B、工程措施因子E与耕作措施因子TL、S、B、ET因子无量纲。关于模型在青藏高原应用的研究包括模型各因子的取值以及利用模型进行侵蚀评价两方面。

2.1 土壤侵蚀因子计算

2.1.1 降雨侵蚀力

目前在青藏高原开展降雨侵蚀力R计算的方法包括经典EI30法(降雨总动能E与最大30分钟雨强I30的乘积)和基于年、月、日降雨量的3类简易算法。其中简易算法包括王万中等10公式(1)和(2)]、刘宝元等11公式(3)]提出基于年降雨量的算法和Lal12公式(4)]、周伏建等13公式(5)]、Wischmeier14公式(6)]、马志尊15公式(7)]提出的基于月降雨量的算法以及章文波等16~18公式(8)]、刘斌涛等1920公式(9)]、康琳琦21公式(10)]提出基于日降雨量的算法,表达式如下:

R=1.67(p×I60/100)0.953
R=0.207(p×I60/100)1.205
R=-2195.6+8.45p
R=0.302i=112pi2/p1.93
R=i=1120.179Pi1.3527
R=1.735i=112101.5lgpi2p-0.8188
R=1.2157i=1012101.5lgpi2p-0.8188
R=i=124MiMi=αi=0kDjb
R=i=112RiRi=1Nz=1Nac=1mpizcb
Rd=60(2.2944pd+0.066pd2)

式中:R为多年平均降雨侵蚀力[MJ‧mm/(hm2‧h‧a)];p为年平均降雨量(mm);I60为年最大60 min降雨量(mm);公式(1)仅在p>10 mm的情况下使用;pi为月均降雨量(mm);Mi是某半个月i的降雨侵蚀力[MJ‧mm/(hm2‧h‧a)];a、b为模型参数;k为这半个月时段内的具体天数;Dj表示这半个月内第j天的降雨量(mm),Dj必须大于等于12 mm,否则为0;Ri为第i个月的降雨侵蚀力[MJ‧mm/(hm2‧h‧a)];pizc为第z年第i个月第c次侵蚀性降雨量(mm);N为计算数据序列长度;Rd为日降雨侵蚀力[MJ‧mm/(hm2‧h)];pa为日降雨量(mm),pa>12 mm。

降雨侵蚀力因子R值有国际单位和美制单位,换算公式为:17.02‧美制单位[100 foot‧tonf‧inch/(acre‧hour‧year)]=1国际单位[MJ‧mm/(hm2‧h‧a)]。统计青藏高原R因子值计算方法和公式、研究区范围、使用的数据来源及得到的R值结果,得出青藏高原R因子计算方法研究全面,均使用附近降雨气象站数据,R值为16~2 100 MJ‧mm/(hm2‧h‧a)(表1),自东南向西北逐渐减少102023,变差系数Cv一般高于0.4019

表1   青藏高原R因子研究成果

Table 1  Research results of R factor in Qinghai-Tibet Plateau

计算方法研究区范围计算公式R值(年平均及范围)数据来源参考 文献
基于年降雨量简易算法青藏高原东北部石羊河上游公式(1)和(2)16石羊河上游峡门台水文气象站1985—2002年 年降水资料22
基于月降雨量简易算法西藏公式(5)7~223西藏气象站点观测资料23
格尔木至拉萨公式(6)1 294气象台1981年、2000年的降雨量实际观测数据24
青藏公路走廊公式(6)16~2 037http://www.data.ac.cn/zrzy/G03.asp25
青藏高原公式(6)三江源:386~9202001—2012年青藏高原106个气象台站的 每日实测数据26
西藏高原东部公式(7)299西藏自治区水文站提供昌都地区1985—2000年 降雨量27
基于日降雨量简易算法全国公式(8)青藏高原寒带:368~427全国约700个测站1971—1998年的逐日降雨资料16
青藏高原东南部雨林地区公式(8)1 600降雨卫星数据28
雅鲁藏布江公式(8)7581961—2015年日喀则、江孜、拉萨、泽当、当雄、 嘉黎、林芝和波密8个气象站数据29
西南山区公式(9)青藏高原亚寒带:635西南山区4省(市)及周边省份1960—2009年 129个气象站逐日降雨量资料19
西南山区公式(9)青藏高原温带:661西南山区4省(市)及周边省份1960—2009年 129个气象站逐日降雨量资料19
青海的诺木洪公式(9)54~1441960—2009年诺木洪气象站20
EI30沱沱河径流小区观测EI30计算336沱沱河气象站30

注:R值单位为MJ‧mm/(hm2‧h‧a)。

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2.1.2 土壤可蚀性

目前青藏高原土壤可蚀性因子K的获取方法包括诺模图法、土壤侵蚀和生产力影响估算模型(Environmental Policy-Integrated Climate,EPIC)3132以及赋值法。在整理文献时发现大多计算结果均采用美制单位[t‧acre‧h/(100 acre‧foot‧tonf‧in)],统一乘以换算系数0.1317得到相应的国际单位[t‧hm2‧h/(hm2‧MJ‧mm)]对应的土壤可蚀性因子值。从表2可以看出部分学者得到的青藏高原K值较大,范围为0.130~0.830,属于中—极高可蚀性,其余学者的K值在0.025~0.117,属于低可蚀性,计算结果差异较大,因此土壤可蚀性K值的数值量化评价还需要进行深入研究。

表2   青藏高原K因子研究成果

Table 2  Research on of K factor of Qinghai-Tibet Plateau

地区数据来源计算方法K平均值/[t‧hm2‧h/(hm2‧MJ‧mm)]参考文献
西藏西藏自治区土壤普查资料EPIC模型0.033~0.06633
青海湖流域青海省第二次土壤普查EPIC模型0.03634
格尔木—拉萨土壤地质图读表0.03624
青海湖1∶400万《青海土壤图》EPIC模型0.03735
全国中国1∶100万土壤数据EPIC模型西藏:0.035436
青藏高原地区青藏高原1 000多个典型土壤剖面资料EPIC模型0.03037
三江源1∶100万世界土壤数据集EPIC模型0.03426
青藏公路走廊1∶100万中国土壤图EPIC模型0.130~0.83025
青藏高原北部1980年前后全国开展的第二次土壤普查成果数据和 土壤剖面样点数据4 457个随机森林0.030~0.03828
雅鲁藏布江中下游 干热河谷2017年9月人工采样EPIC模型0.02438

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2.1.3 坡度坡长因子

青藏高原针对坡度坡长因子开展的研究不多。青藏高原LS因子计算公式包括Wischmeier等9[公式(11)~(12)]、McCool等39公式(13)]、刘宝元等40公式(14)]和牟金泽等41公式(15)]提出的公式,其表达式分别如下:

L=l/22.1m
S=65.41sin2θ+4.56sinθ+0.065
S=10.8sinθ+0.03,θ<5°16.8sinθ-0.50,5°<θ<10°
S=21.9sinθ-0.96,θ>10°
LS=1.02(l/20)0.2(θ/5.07)1.3

式中:LS是坡长和坡度因子,l为坡长(m),θ为坡度(°),m为随坡度相关而变化的指数。

青藏高原LS因子值大小为4~13,用于计算LS因子的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据分辨率从15 m到1 000 m不等,大多数学者353642~44使用90 m分辨率的DEM数据(表3)。但由于青藏高原地势起伏极大,地形起伏度大于600 m45,地形复杂多变,计算青藏高原LS时常用的90 m分辨率DEM数据很难适用于该区域地形因子的估算,容易造成计算结果的偏差。

表3   青藏高原LS因子研究成果

Table 3  Research on LS factor of Qinghai-Tibet Plateau

研究区数据源空间分辨率/m计算公式LS的平均值参考文献
三江源1 000公式(11)~(13)4.1426
青藏公路走廊带15和30公式(11)~(13)小于5的累积面积为46%25
西藏90公式(11)、(13)和(14)11.8336
青海湖90公式(15)最大为12.2635

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2.1.4 覆盖和管理因子

青藏高原覆盖和管理因子C一般依土地利用直接进行分类赋值。如贾俊姝46在研究青海省西宁市大通县土壤侵蚀时将水浇地C值赋值为0.1,旱地为0.31,有林地和灌木林地都为0.006,即没有土壤侵蚀的地区赋值为0,最易受侵蚀的区域赋值为1。另外也有学者通过公式计算C因子,如2009年姬翠翠47采用了公式(16)计算藏北C因子值,郑舒婷48等学者在利用公式(17)49计算三江源C因子值,计算时使用的数据源分辨率通常为1 000 m或8 000 m。

Ci=e(-αNDVIβ-NDVI)Cyear=i=112RiRyearCi
fc=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVIminfc=0,C=10<fc<78,c=0.6508-0.3436lgfcfc>78,C=0

式中:Ci为第i个月的植被因子C值,CyearRyear分别为年平均植被因子C值和降雨侵蚀力值,NDVI为归一化植被指数,fc代表植被覆盖度,NDVImax和NDVImin分别为NDVI最大值和最小值,αβ为决NDVI_C曲线形状的参数。

2.1.5 水土保持措施因子

青藏高原水土保持措施P因子一般是直接赋值为124~2628,但也有学者分别对不同的土地利用类型赋值。生物措施因子B计算公式为全年每半月降雨侵蚀力占全年降雨侵蚀力的比例与土壤流失比例乘积的加和,目前在青藏高原均是按照土地利用直接赋值。工程措施和耕作措施ET因子按《全国土壤侵蚀普查技术细则》直接赋值。

2.2 土壤侵蚀评价

在已有的文献中,学者们使用了CSLE模型与RUSLE模型评价了青藏高原的土壤侵蚀(表4),可以得出以下结论:

表4   青藏高原基于坡面模型的土壤侵蚀评价

Table 4  Evaluation of soil erosion based on slope models in Qinghai-Tibet Plateau

土壤侵蚀模型研究区研究时间各因子计算方法与来源年均土壤侵蚀模数/[t/(hm2‧a)]参考 文献
RKLSCP
BET
CSLE昌都县2011年公式(8)EPIC模型公式(11)、(13)和(14)水域、居民地、裸岩0,坡地0.31,林地0.005~0.050,草地0.010~0.050水平梯地0.25顺坡耕作17.8950
西藏扎叶巴小流域2012—2016年公式(8)EPIC模型公式(11)、(13)和(14)坡耕地0.47,水域0,林地0.004~1, 草地0.090~0.040按坡度赋值1.0651
RUSLE大通县1995年公式(3)和(4)高山石质土0.0528,草甸土0.0338,山地棕褐土0.0694,黑钙土0.0225公式(11)、(13)和(14)水浇地0.1,旱地0.31,有林地、灌木林地0.006,水域0,居民建设用地0.22,高、中、低覆盖度草地0.008、0.01、0.2水浇地0.15,旱地0.6,有林地、灌木林地1,水域0,居民建设用地1,高、中、低覆盖度草地0.4、1、168.5552
大通县2005年公式(3)和(4)公式(11)、(13)和(14)51.8352
青藏高原境内澜沧江上游2010年公式(6)EPIC模型公式(11)、(13)和(14)公式(17)森林1,草地1,水田0.15,旱地0.4,居民点和 建设用地0,湿地0,裸岩、沙漠0,裸地1114.9853
青藏工程走廊带2015年公式(6)EPIC模型公式(11)和(12)公式(17)林地0.7,水域和建设用地0,草地和沙地1, 裸露岩石0,耕地0.1~0.887.4725
三江源2001—2012年公式(6)EPIC模型公式(11)和(12 )公式(17)189.4626
三江源2001—2012年公式(6)EPIC模型公式(11)和(12)公式(17)185.4554
三江源1986—2000年公式(6)EPIC模型公式(11)和(12)公式(17)10.1848
三江源2001—2005年公式(6)EPIC模型公式(11)和(12)公式(17)10.2248
三江源1997—2004年公式(6)EPIC模型公式(11)、(13)和(14)公式(17)林地和草地1,水土和沼泽0,居民地和 建设用地0,旱地0.4,沙地和盐碱地18.2655
三江源2005—2012年公式(6)EPIC模型公式(11)、(13)和(14)公式(17)8.8255
青藏高原1980—2009年公式(10)EPIC模型公式(11)和(12)有林地0.04,高、中、低覆盖度草地0.05、0.05、0.15,城镇、农村用地0.2,沼泽地、裸岩石砾地1130.0121
青藏高原2002—2016年公式(8)EPIC模型公式(13)稻田0.1,干农田0.22,茂盛、灌木、稀疏、其他林地0.001、0.01、0.01、0.2、高、中低覆盖率草原0.12,0.18,0.32,沙地、戈壁沙漠、盐碱地、裸露土壤、沼泽0.05稻田0.01,干农田0.4,其他林地0.7,茂盛、灌木、稀疏、高、中低覆盖率草原沙地、戈壁沙漠、盐碱地、裸露的土壤、其他未利用土地均为12.7656

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(1)青藏高原水力侵蚀普遍存在。如赵健等57利用RUSLE得到雅鲁藏布江上游冻融侵蚀和水力侵蚀分别占研究区总侵蚀面积的93.22%和6.70%,张鹏等58利用CSLE得出西藏“一江两河”地区冻融侵蚀和水力侵蚀分别占研究区总侵蚀面积的47.19%和45.57%。

(2)基于RUSLE模型计算的青藏高原土壤侵蚀模数为0.18~114.98 t/(hm2‧a),绝大部分学者的侵蚀模数均大于30.00 t/(hm2‧a),基于CSLE模型的研究较少,土壤侵蚀模数为1.06~7.89 t/(hm2‧a)。

(3)模型的使用上存在差异。即便均使用RUSLE模型在同一地区(如三江源)相近年份进行研究,不同学者得出的侵蚀模数差异也很大。模数差异大的主要原因如下:数据来源及分辨率差异较大:表内数据除R因子均采用青藏高原研究区内的气象站数据;K因子包括1∶100万世界土壤数据、中国第二次土壤普查土壤数据集和实地采样3种来源;LS因子大多学者未标明数据来源与分辨率;C因子除直接赋值外其余学者均利用NDVI进行求取,但进行求取的NDVI数据来源多样。采用的公式及其参数不一致:如表4不同学者各个因子计算的公式均不相同,另外RKLS因子的计算过程均存在诸如a、b的模型参数,参数取值不明朗。计算结果、计算单位不清晰:大部分学者均直接给出土壤侵蚀模数值,未给出各因子的计算过程,另外部分给出各因子的计算结果却未标明单位,因此可能存在单位换算的问题。

(4)青藏高原地区大部分水力侵蚀研究均是小流域尺度或县级尺度,针对某一流域或者江河源区等局部地区。如表4中大多学者均是围绕三江源、昌都县、大通县等开展研究,较少在青藏高原区域尺度开展土壤侵蚀评价。

因此目前在青藏高原坡面侵蚀模型研究是不充分的。

3 基于137Cs核素示踪的土壤侵蚀评价

137Cs核素示踪法是除小区以外定量监测土壤侵蚀速率使用最多的方法,特别在边远山区、水土流失防治困难地区及建立观测站时间短的地区59。因此在青藏高原土壤侵蚀中,比起侵蚀模型更多的学者选择了使用137Cs核素示踪法来测量土壤侵蚀模数。学者60~63通常使用的公式如下所示:

E=1000D×(-1b)×ln1-bA0-Aa×D/(T-1963)
E=1000D×(1λ)×ln AA0/(T-1963)
E=h010T-1963ln1-A-kA0/kA0

式中:E为相应样点的侵蚀模数[t/(hm2‧a)],D为土壤容重(g/cm3),b137Cs质量活度垂直衰减系数(mm-1),A0137Cs背景值(Bq/m2),A为样本的面积活度(Bq/m2),a为土壤表层的137Cs质量活度(Bq/kg),T为采样年份,λ137Cs赋存系数,h0为描述形状的系数(kg/m2),k为系数。

统计学者在青藏高原利用137Cs核素示踪法计算土壤侵蚀模数时样点位置、背景值、计算公式、坡度、坡向和植被盖度信息(表5),得出以下结论:

表5   基于137Cs的青藏高原土壤水蚀测量结果

Table 5  Soil erosion measurements based on 137Cs over the Qinghai-Tibet Plateau

研究区经纬度

背景值/

(Bq/m2

土壤侵蚀模数 计算公式年均土壤侵蚀模数/[t/(hm2‧a)]土地利用/ 植被类型坡度/°盖度/%参考文献
西藏日喀则29°28′13.8″N, 88°82′29.2″E831-13.15林草地152864
青海省达日县垮热洼尔玛流域33°N,99°E3 795公式(18)7.16高寒灌丛草甸-50~9560
青海省达日县33°N,99°E2 468公式(20)16.50高寒草甸和 高山草原59065
青海省玛沁县军功镇34°39′42.2″N,100°37′22.9″E1 623~1 689非农耕地的扩散迁移模型:Mass Balance Model II的改进形式8.00(净侵蚀 速率)高山草甸--66
青海省达日县纳通河流域33°N,99°E3 795公式(18)15.98高寒灌丛草甸-10~8567
青海省玉树市玛龙村

32°58′25.3″N,

96°19′01.1″E

2 130公式(19)4.64高寒草甸6.283.8861
青海省称多县珍秦乡33°24′26.8″N, 97°20′25.4″E1 969公式(19)8.75高寒草甸6.87061
青海省祁连县野牛沟乡34°27′51.98″N,97°58′09.4″E2 538公式(19)4.15高寒草甸11.48861
青海省玉树市玛龙村32°58′25.3″N, 96°19′01.1″E-公式(19)4.64高寒草甸6>8562
青海省玉树市玛龙村32°57′40.1″N, 96°11′21.5″E-公式(19)8.30高寒草甸108062
国道G214和果洛藏族自治州东北部的大武河流域-2 229公式(19)65.00---26
青藏公路走廊带29~31°N,90~91°E1 576公式(19)0.67耕地< 5-25
青藏公路走廊带29~31°N,90~91°E1 576公式(19)0.34高寒草甸< 5-25
三江源-2 000--高寒灌丛草甸--68
共和盆地-1 982--草原和草原化荒漠--69
兴海盆地-1 672和1 210--高寒草甸和 山地草原--69

青藏高原东北部214国道

左侧2 km处

-1 188-0.54高山草甸<4>8070
青海省格尔木市沱沱河34°12′05.2″N, 92°26′49.9″E317~588公式(20)10.00高寒草原--63
青海省玛多县34°58′14.6″N, 98°06′76.9″E-公式(20)-1.70高山草甸--63
青海省玛沁县东倾沟乡34°29′14.3″N, 99°57′23.5″E968~1 245公式(20)-14.20高山草甸--63
青海省玛沁县军牧场34°20′46.8″N,100°27′58.3″E1 379~2 049公式(20)0.30高山草甸--63
青海省玛沁县军功镇34°39′42.2″N,100°37′22.9″E1 623~1 689公式(20)99.00高山草甸--63

注:年均土壤侵蚀模数负值代表沉积;-代表参考文献中未描述此信息。

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(1)背景值的确定是137Cs核素示踪法的重点,是确定样地是否侵蚀的依据。青藏高原137Cs背景值为317~3 795 Bq/m2,获取方法包括实际采样计算与将前人计算的背景值校正到新的采样年份两种。背景值采样原则均是地势宽阔、平坦、植被覆盖完好和未扰动的天然草场草地。表5中背景值数值大小以北东—南西方向为界,界限西部背景值小,东部背景值较大,与降雨量呈正相关,并与海拔高度的变化趋势总体一致60。但背景值研究尚且不够,采样和测量误差较大,需要较多的采样平行对比和合理性评价。

(2)基于137Cs核素示踪法得出青藏高原水力侵蚀强度为-14.20~99.00 t/(hm2‧a),大多在10.00 t/(hm2‧a)以下,如在青海省玉树市玛龙村,邵全琴等61和肖桐等62计算的土壤侵蚀模数均为4.64 t/(hm2‧a)。

(3)青藏高原137Cs土壤水蚀测量结果的影响因素包括地形、坡度、植被盖度和人类活动等。李元寿等60指出坡顶侵蚀最强,除坡顶外其他坡位侵蚀强度从高到低为坡下部、坡中部和坡上部。邵全琴等61、肖桐等62和李俊杰66提出青藏高原高寒草甸植被覆盖度与土壤侵蚀强度呈显著的负相关关系。文安邦等64认为影响雅江中游地区林草地平均侵蚀强度的主要因子为覆盖度,坡度为次要因子。Li等63提出三江源畜牧业对青藏高原草地土壤侵蚀的加速作用大于气候变化。另外人类活动也会影响侵蚀速率,如因为人类活动频繁,兴海盆地土壤侵蚀比较严重69

(4)采用的137Cs核素示踪定量模型不同,即便在同一区域背景值近似的情况下,得出的土壤侵蚀模数差异也较大,如青海省玛沁县军功镇,相同背景值和土地利用类型下,由于使用的计算公式不同,侵蚀模数结果相差10多倍6366

(5)比较模型计算得到的土壤侵蚀模数和137Cs核素示踪法得到的土壤侵蚀模数(表4和5),可以看出模型得到的年均土壤侵蚀模数大多大于30 t/(hm2‧a),137Cs核素示踪法得到的年均土壤侵蚀模数一般小于10 t/(hm2‧a)。

4 基于坡面径流小区和水文站的测量结果

在青藏高原开展坡面径流小区观测土壤侵蚀量的研究较少(表6),更多的是利用坡面径流小区围绕公路边坡研究土壤侵蚀模数的影响因素及不同水土保持措施下减流减沙的效益。Xu等71监测到青藏高原沱沱河以南约25 km水力侵蚀模数为108.91 t/hm2,边坡侵蚀严重。Luo等73通过坡面径流小区实验得出草地的植被盖度越高,水力侵蚀模数越小,且林地的减流效果优于草地。马素洁等74在2019年对青藏高原甘肃省天祝县利用平地和坡地2种径流小区(未标明小区规模)得出平地单位面积水蚀量为12.87 t/hm2,坡地为14.32 t/hm2。罗利芳等75在2004年基于水文站测量结果绘制了青藏高原输沙模数等值线图,得出昆仑山西北部输沙模数达到20 t/(hm2‧a),金沙江、澜沧江上游和雅鲁藏布江中上游地区输沙模数为1~2 t/(hm2‧a),雅砻江上游输沙模数略小于1 t/(hm2‧a)。张凡等76统计发源于青藏高原的8条主要河流在1960—2017年的年输沙量和流域面积,得出青藏高原主要河流的输沙模数为0.72~6.39 t/(hm2‧a),主要分布在2~3 t/(hm2‧a)。

表6   青藏高原基于小区的测量结果

Table 6  Measurement results based on plots in Qinghai-Tibet Plateau

研究区小区个数与类型长×宽/(m×m)坡度/°资料来源及观测时间土壤侵蚀模数/(t/hm2参考文献
青藏高原沱沱河以南约25 km2个裸露坡面4×2302003年9月2日至2004年9月6日108.9171
青藏公路青海省平阿路段桩号为K34+055的青沙山隧道南口种植披碱草、老芒麦、 沙棘的小区15×448径流小区附近气象站的9次观测数据77.8972
种植青稞、油菜的小区15×44875.78
种植披碱草、老芒麦的小区15×4428.80
青藏高原纳帕海流域盖度2%的裸露坡面1×182012年8月9日至9月18日,2013年6月15日至7月30日,共21次降雨事件2.3073
盖度18%的1年再生长小区1×120.60
盖度56%的3年再生长小区1×170.15
盖度85%的松树林地小区1×150.10
盖度92%的草地小区1×150.03

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其余研究均围绕影响因素及不同水土保持措施下减流减沙效益开展,如徐宪立等77在2006年通过在沱沱河附近设立了4个坡长小区(坡长为1~4 m,坡宽2 m,坡度30°)得出道路边坡上径流深和侵蚀模数都随坡长增加而下降。另外在2008年比较了综合措施、天然植被、工程措施和人工植被措施的减沙效益,得出第一年的减沙率分别为98.57%、59.35%、81.89%和76.82%,第二年分别达到99.34%、98.37%、95.81%和65.75%78。李国荣等79在2017年提出径流量与坡度成正相关,且同等覆盖度和降雨强度下坡度为30°的小区径流量较10°和20°的分别增加了3.6倍和1.7倍,泥沙量分别增加了16倍和1.4倍。Hu等80在青藏高原共玉(共和—玉树)高速公路D5段利用长3 m,宽1 m,面积为3 m2,坡度为70°,盖度分别为0、37%和74%的小区得出当覆盖率从0增加到37%和从37%增加到74%时,平均径流速度分别下降了35.3%~45.9%和2.3%~13.8%。

5 问题与建议

青藏高原水蚀研究相比冻融侵蚀和风蚀研究涉及的面广,也更为深入81,但定量评价研究相对较少。青藏高原水力侵蚀定量评价包括基于侵蚀模型、137Cs核素示踪法与径流小区和水文站观测3种。其中模型和137Cs核素示踪法使用较多,径流小区和水文站观测极其缺乏。基于RUSLE模型计算的青藏高原土壤侵蚀模数为0.18~114.98 t/(hm2‧a),绝大部分学者的侵蚀模数均大于30.00 t/(hm2‧a),基于CSLE模型的土壤侵蚀模数为1.06~7.89 t/(hm2‧a);基于137Cs核素示踪法侵蚀模数为-14.20~99.00 t/(hm2‧a),大多为10.00 t/(hm2‧a)以下;径流小区监测草地、农地和裸地为0.03~108.91 t/(hm2‧a);水文站观测的小流域输沙模数为0.72~20.00 t/(hm2‧a),主要分布在2.00~3.00 t/(hm2‧a)。

根据青藏高原水力侵蚀研究状况,问题及建议具体概括如下:

(1)近10年青藏高原开展土壤侵蚀与土地退化的研究明显增多,但是定量研究较少。定量研究最精确是坡面径流小区监测和水文站资料推算,其次是137Cs核素示踪计算。所以建议加大基于137Cs核素示踪法与坡面径流小区的径流泥沙监测的研究,以定量评价青藏高原的水力侵蚀。

(2)目前用模型进行青藏高原水力侵蚀研究有RUSLE和CSLE,但在模型应用中存在很大问题,主要是因子取值差异较大甚至单位换算都有错误,导致计算结果差异巨大。R因子公式使用多,需要进行合理性评价。K因子大多是利用EPIC等模型进行计算,由于K因子单位复杂甚至有用错现象,更重要的是没有实测数据验证,误差较大。LS因子多用90 m甚至1 km的数据进行分析,误差太大。其他水土保持措施因子缺乏实地调查。建议规范土壤侵蚀模型的使用。

(3)背景值是137Cs核素示踪法中最重要的参数,是计算土壤侵蚀或沉积速率的依据。已有文献青藏高原137Cs背景值为317~3 795 Bq/m2,采样和测量误差较大,需要较多的采样平行对比和合理性评价。此外模型的选择也对计算结果有影响。应重视青藏高原基于137Cs核素示踪法中背景值的计算和定量模型的选择。

(4)坡面径流小区和小流域实测数据少,优化青藏高原坡面径流小区和小流域的布设,同时加强观测和管理,特别应该提高自动化水平,为土壤侵蚀模型因子分析提供数据基础。

(5)目前模型研究重点在小流域、县级尺度分析,因此应重视全青藏高原区域尺度土壤侵蚀评价,为青藏高原水土保持规划以及高质量发展和生态建设服务。

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