華南降雨侵蝕力R 值分布及土壤侵蝕變化特征探析

羅益仙

（佛山市德良水保環境工程有限公司，廣東 佛山 528000）

土壤是一種有限資源，對糧食生產、碳固存、水凈化和養分循環、污染物過濾、生物多樣性增加和氣候調節等至關重要[1]。由于人口增長、經濟發展和氣候變化，全球土壤正在不斷退化。土壤侵蝕是土壤退化的一種主要形式，全球有超過10億公頃的土地受到某種形式侵蝕(如水、風和溝壑)影響[2]。其中降雨是引起土壤侵蝕的主要動因之一，它通過徑流沖刷和雨滴擊濺對土壤顆粒進行分離和轉移[3]。人類活動和相關的土地利用變化(森林砍伐和耕地增加)是2001 年至2012 年間水土流失增加2.5%的主要原因[4]。

《世界土壤資源狀況報告》[5]指出，土壤侵蝕是對土壤功能的最大威脅[6]，其威脅糧食安全、水質和氣候變化緩解。據預測，由于水土流失，全球GDP 每年損失約80 億美元，糧食減產3 370 萬噸，抽水量增加480 億立方米[7]。 政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在其最近的政策報告中強調了全球平均氣溫上升對荒漠化、土地退化(土壤侵蝕、植被流失)和糧食安全的影響[8]。

土地利用方式變化和全球氣候變暖加劇了水土流失[4,9]。隨著城市的發展和擴張，森林、灌木林和草地面積逐漸減少，裸地和荒地面積增加，使得水土流失加劇。另外，隨著氣候變化加劇，全球平均氣溫不斷攀升，極端天氣（干旱和洪澇）變得越來越頻繁。據預測，2080-2100 年間，全球平均氣溫將上升0.3-4.8℃[10]。氣溫上升將會導致病蟲害爆發、植被退化、生物多樣性降低，生態系統服務功能退化[11]。

中國作為世界人口第一大國，用占世界9%的耕地養活了占世界22%的人口。然而，隨著城市化的發展，我國耕地面積逐漸減少，水土流失日益嚴重[12]。盡管現有文獻報道了中國降雨侵蝕力R 值的計算和分布，但基于未來預測氣象數據模擬的水土流失分布及特征仍不清楚，本研究基于歷史氣象數據、未來模擬氣象數據和土地利用方式數據分析了由于降雨引起的水土流失量，并對比了不同模型預測數據的水土流失分布特征。

1 材料與方法

本研究采用數據來源于European Soil Data Centre （ESDAC）, esdac.jrc.ec.europa.eu, European Commission, Joint Research Centre 已公開發表的數據（見表1）。其中2001～2012 年水土流失數據來源于 Borrelli, Robinson[4]。其具體數據及處理方法如下：2001 年和2012 年構成了在全球尺度上評估21 世紀人類活動引起的水土流失的參考期。對于21 世紀人類活動引起的土壤侵蝕，本研究特指土地利用、土地覆蓋變化引起的影響。模型方案考慮了全球耕地、森林和半自然草地植被的永久損益，同時反映了放牧和建立新牧場對水土流失的影響。本模型未考慮土地利用、土地覆蓋變化（即森林、牧場火災和木材采伐）及過度放牧的短期影響，也未考慮氣候變化和人為因素對氣候的影響。通過使用一種改進的大規模的地理信息系統（GIS）版本的修正通用土壤流失方程（RUSLE），計算兩種不同的土地覆蓋類型的長期土壤侵蝕率。Detachment-limited RUSLE 模型的土壤侵蝕 （指一個細溝間和細溝侵蝕過程造成的單位面積和單位時間的土壤流失量Mg ha-1yr-1） 由六個影響因子相乘得到。與模型的預測能力一致，本研究數據未考慮由于溝壑和耕作侵蝕等過程造成的土壤流失。

2015～2070 年土壤侵蝕數據來源于 Borrelli,Robinson[9]。根據IPCC 采用的新SSP-RCP，全球土壤侵蝕模型平臺(GloSEM)建立了一個更全面的模型框架，可以動態整合氣候和土地利用變化情景，預測未來全球土壤侵蝕情況。在此，GloSEM結合了土地利用協同(LUH2)預測未來(2070 年)土地利用發展的多種備選方案。其中250 m 像素的分辨率反映了實地尺度上的土地覆蓋，捕捉了促進或減輕侵蝕過程的土地利用導致的馬賽克。本研究選取了3 個代表性的未來模擬氣象數據濃度路徑(IMAGE SSP1-RCP2.6、MESSAGE-GLOBIOM SSP2- RCP4.5 和REMIND-MAGPIE SSP5-RCP8.5)，其數字（2.6，4.5 和8.5）與2100 年的溫室氣體的輻射強度（W·m-2）增加有關。使用ArcGIS Map 10.8.1 處理獲取的柵格數據。

表 1 數據來源

2 結果與討論

2.1 降雨侵蝕力R 值分布

降雨侵蝕力R 值是表征由降雨和徑流引起侵蝕的潛在能力大小的指標。1980～2010 年歷史降雨數據表明，我國降雨侵蝕力R 值分布區間為0-16 039 MJ mm ha-1yr-1（見圖1）。從整體看，降雨侵蝕力R 值隨緯度增加而自東向西遞減。其中海南、廣東、廣西、四川盆地、重慶和臺灣等地降雨侵蝕力R 值較大（3 775-16 039 MJ mm ha-1yr-1），內蒙古、甘肅和新疆降雨侵蝕力R 值較?。?-1 447 MJ mm ha-1yr-1）。降雨侵蝕力R 值的大小與分布不僅受降雨頻次和強度的影響，同時還與季節、土壤類型、坡度及植被覆蓋類型等密切相關。張建國等[13]研究表明，重慶市降雨侵蝕力R 值的分布在不同區域差異明顯,且月R 值的年內動態變化顯著；年R 值在年際變化上具有兩端低中間高，在空間分布上有東高西低的特點。Ochoa-Cueva,Fries[14]研究及模型預測表明，在天然森林植被覆蓋條件下，土壤侵蝕速率是可忽略的 (15～40 mg ha-1y-1) 。然而，當整個流域在2040 年經歷了大量的森林砍伐后，土壤侵蝕達到2 021 Mg ha-1y-1。降雨侵蝕力R 值隨緯度增加遞減，主要受降雨頻次和降雨強度影響。例如，降雨侵蝕力R 值較大值主要分布在華南地區：海南、廣東、廣西、四川盆地、重慶和臺灣等地表現為降雨量較大，年平均降雨量約1 700 mm。隨著緯度增加，降雨量逐漸減少，降雨侵蝕力R 值也隨之降低。華南地區降雨侵蝕力R 值較我國其他地區大主要與降雨頻次和強度有關。

圖1 華南地區降雨侵蝕力R 值分布

2.2 2001～2012 年土壤侵蝕及其分布特征

2001～2012 年我國土壤侵蝕較為嚴重的區域為四川盆地，其土壤侵蝕范圍為：4-277 Mg ha-1yr-1。期間，除華南地區，我國大部分地區土壤侵蝕保持不變或有所改善（見圖2），其中四川盆地和重慶市土壤侵蝕改善較大（最大減少183 Mg ha-1yr-1），但福建、廣東和廣西土壤侵蝕增加2-28 Mg ha-1yr-1。該現象的產生可能主要源于土地利用方式的改變。土地利用可以通過改變植被覆蓋、土壤性質、徑流速率等影響土壤侵蝕[15]。

圖2 2001～2012 華南地區土壤侵蝕

2.3 2015～2070 土壤侵蝕及其分布特征

2015 年我國土壤侵蝕主要發生在新疆、四川盆地、重慶和廣西等地，其中較為嚴重的區域為新疆地區，土壤侵蝕量達60-150 Mg ha-1yr-1。四川盆地、重慶和廣西的土壤侵蝕量為21-60 Mg ha-1yr-1（見圖3）。

模擬未來氣候情景數據結果顯示：不同模擬情景下，我國土壤侵蝕呈加劇趨勢（見圖3）。SSP1-RCP2.6 和SSP1-RCP4.5 模擬情景下，其土壤侵蝕模式與2015 年相似，主要表現為：土壤侵蝕較為嚴重區域為新疆、四川盆地、重慶和廣西，土壤侵蝕范圍為21-150 Mg ha-1yr-1。在SSP1-RCP2.6 情景下，2015-2070 年土壤侵蝕凈增量為-67-63 Mg ha-1yr-1。其中負凈增量主要發生在廣東、新疆、青海、西藏和廣西；正凈增量發生在新疆部分地區，四川、重慶和湖北交界區，貴州、云南和廣西交界區及福建部分區域。在SSP1-RCP4.5情景下，我國中部、東部和南部地區土壤侵蝕加?。ㄔ黾?-133 Mg ha-1yr-1），西部地區土壤侵蝕有所緩解（減少6-95 Mg ha-1yr-1）。華南地區土壤侵蝕對未來不同模擬情景氣候的相應結果如圖4 所示，SSPRCP8.5 和SSP-RCP82.6 模擬情景下，華南地區土壤侵蝕呈負增長，即土壤侵蝕得到改善，土壤侵蝕將減少1-20 Mg ha-1yr-1。然而在SSP-RCP4.5 模擬情景條件下，華南地區土壤侵蝕將進一步加劇，土壤侵蝕量將增加-6 至133 Mg ha-1yr-1。該現象的發生主要因為降雨受未來氣候變化過程中溫室氣體的影響，即SSP-RCP8.5 情景下部分干旱地區將變得更加干旱，降雨頻次高的地區降雨將進一步增加。

SSP1-RCP8.5 模擬情景下，我國土壤侵蝕表現趨勢與SSP1-RCP2.6 和SSP1-RCP4.5 表現趨勢相反，即隨著氣候變化，我國西部地區土壤侵蝕加?。ㄔ黾?-116 Mg ha-1yr-1），其他地區土壤侵蝕有所緩解（減少2-60 Mg ha-1yr-1）（見圖3）。在此情景下，2015～2070 年土壤侵蝕凈增量為-60-116 Mg ha-1yr-1。其中負凈增量主要在四川盆地及重慶、甘肅、陜西、山西、貴州、云南和華南地區；正凈增量主要在西藏、青海和新疆地區（見圖4）。

圖4 2015～2070 年中國土壤侵蝕變化

未來情景分析表明，到2070 年，土地利用變化的影響可能降低（SSP1-RCP2.6） 或 增 加（SSP2-RCP4.5、SSP5-RCP8.5）土壤侵蝕。 不同的趨勢是三個模擬情景下所描述的不同的人類發展和社會選擇的結果。IMAGE SSP1-RCP2.6 情景表明，到2070 年，主要農業用地可能會縮減。該情景顯示了一個路徑，目標是到2100 年將全球平均氣溫升幅限制在2° C 以內。在GloSEM 中模擬這一土地利用情景可使水土流失減少10%[9]。減少全球土壤侵蝕模擬（4.5～Pg yr-1）是全球重組的結果。根據圖像SSP1-RCP2.6，未來的土地將傾向于整體減少農業種植面積，增加森林和半自然植被區域面積。多情景比較表明，盡管未來土地利用變化可通過擴大或縮小耕地顯著影響全球土壤侵蝕過程，但全球氣候可能朝著更活躍的水循環方向發展，這將成為未來土壤侵蝕增加的主要驅動因素[9]。

土壤侵蝕的發生主要受風力、降雨侵蝕，森林砍伐、放牧、農業耕作和氣候變化等影響。其中長期的農業開荒耕作是水土流失加劇的主要原因之一[15]。因此，為緩解土壤侵蝕，亟需采取行之有效的保護措施?？梢岳每沙掷m的土地管理技術和適當的政策獎勵來減輕土壤侵蝕。開展和實施保護性農業是一項潛在的緩解土壤侵蝕的有效措施[16]。根據聯合國糧農組織定義，保護性農業是一種耕作系統，它能將對土壤的干擾降至最低(即免耕)，保持永久的土壤覆蓋，并使植物種類多樣化。保護性農業能增強生物多樣性和地表上下的自然生物過程，有助于提高水和養分的利用效率，改善并進行持續的作物生產。據推算，全球保護性農業的耕地面積約占11%～14%，約為14.2 億公頃。據估算，與沒有任何土壤保持措施的基線情景相比，在保持措施下，全球土壤侵蝕總體可減少約7.1%[4]。然而，人口增長（預計2070 年將達到94 億的峰值）、肉類密集型飲食趨勢及全球氣候趨向于更加活躍的水循環等問題都將影響保護性農業的政策制定和方案實施[9]。隨著全球不斷變暖，極端降雨和惡劣天氣將更加頻繁，部分地區土壤侵蝕將進一步加劇。因此，為緩解土壤侵蝕，需采取有效的碳中和手段，減少二氧化碳等溫室氣體排放，并采取如植樹造林等有效的碳固定方案，以減少大氣中的二氧化碳濃度。

3 結語

我國降雨侵蝕力R 值分布由南向北逐漸減小，華南地區降雨侵蝕力較其他地區大。2001～2012 年，土壤侵蝕較為嚴重的區域為四川、貴州、山東和西藏，水土流失范圍0-277 Mg ha-1yr-1。華南地區（如福建、廣東和廣西）水土流失加劇，凈增量為2-28 Mg ha-1yr-1。2015～2070 年觀測及模擬數據分析結果表明：隨著氣候及土地利用方式的變化，未來我國水土流失將主要發生在山西、陜西、四川、貴州、云南、廣西等省區及西藏與新疆交界處，其中最嚴重區域為西藏與新疆交界處 （121-150 Mg ha-1yr-1）。不同未來氣候模擬情景分析表明，未來氣候變化將顯著影響土壤侵蝕，其中SSP1-RCP8.情景下華南地區土壤侵蝕將進一步加劇。因此，為了應對未來氣候變化，緩解土壤侵蝕，我國亟須制定和實施切實有效的水土保持和碳中和方案。