华南降雨侵蚀力R 值分布及土壤侵蚀变化特征探析

罗益仙

（佛山市德良水保环境工程有限公司，广东 佛山 528000）

土壤是一种有限资源，对粮食生产、碳固存、水净化和养分循环、污染物过滤、生物多样性增加和气候调节等至关重要[1]。由于人口增长、经济发展和气候变化，全球土壤正在不断退化。土壤侵蚀是土壤退化的一种主要形式，全球有超过10亿公顷的土地受到某种形式侵蚀(如水、风和沟壑)影响[2]。其中降雨是引起土壤侵蚀的主要动因之一，它通过径流冲刷和雨滴击溅对土壤颗粒进行分离和转移[3]。人类活动和相关的土地利用变化(森林砍伐和耕地增加)是2001 年至2012 年间水土流失增加2.5%的主要原因[4]。

《世界土壤资源状况报告》[5]指出，土壤侵蚀是对土壤功能的最大威胁[6]，其威胁粮食安全、水质和气候变化缓解。据预测，由于水土流失，全球GDP 每年损失约80 亿美元，粮食减产3 370 万吨，抽水量增加480 亿立方米[7]。 政府间气候变化专门委员会(IPCC)在其最近的政策报告中强调了全球平均气温上升对荒漠化、土地退化(土壤侵蚀、植被流失)和粮食安全的影响[8]。

土地利用方式变化和全球气候变暖加剧了水土流失[4,9]。随着城市的发展和扩张，森林、灌木林和草地面积逐渐减少，裸地和荒地面积增加，使得水土流失加剧。另外，随着气候变化加剧，全球平均气温不断攀升，极端天气（干旱和洪涝）变得越来越频繁。据预测，2080-2100 年间，全球平均气温将上升0.3-4.8℃[10]。气温上升将会导致病虫害爆发、植被退化、生物多样性降低，生态系统服务功能退化[11]。

中国作为世界人口第一大国，用占世界9%的耕地养活了占世界22%的人口。然而，随着城市化的发展，我国耕地面积逐渐减少，水土流失日益严重[12]。尽管现有文献报道了中国降雨侵蚀力R 值的计算和分布，但基于未来预测气象数据模拟的水土流失分布及特征仍不清楚，本研究基于历史气象数据、未来模拟气象数据和土地利用方式数据分析了由于降雨引起的水土流失量，并对比了不同模型预测数据的水土流失分布特征。

1 材料与方法

本研究采用数据来源于European Soil Data Centre （ESDAC）, esdac.jrc.ec.europa.eu, European Commission, Joint Research Centre 已公开发表的数据（见表1）。其中2001～2012 年水土流失数据来源于 Borrelli, Robinson[4]。其具体数据及处理方法如下：2001 年和2012 年构成了在全球尺度上评估21 世纪人类活动引起的水土流失的参考期。对于21 世纪人类活动引起的土壤侵蚀，本研究特指土地利用、土地覆盖变化引起的影响。模型方案考虑了全球耕地、森林和半自然草地植被的永久损益，同时反映了放牧和建立新牧场对水土流失的影响。本模型未考虑土地利用、土地覆盖变化（即森林、牧场火灾和木材采伐）及过度放牧的短期影响，也未考虑气候变化和人为因素对气候的影响。通过使用一种改进的大规模的地理信息系统（GIS）版本的修正通用土壤流失方程（RUSLE），计算两种不同的土地覆盖类型的长期土壤侵蚀率。Detachment-limited RUSLE 模型的土壤侵蚀 （指一个细沟间和细沟侵蚀过程造成的单位面积和单位时间的土壤流失量Mg ha-1yr-1） 由六个影响因子相乘得到。与模型的预测能力一致，本研究数据未考虑由于沟壑和耕作侵蚀等过程造成的土壤流失。

2015～2070 年土壤侵蚀数据来源于 Borrelli,Robinson[9]。根据IPCC 采用的新SSP-RCP，全球土壤侵蚀模型平台(GloSEM)建立了一个更全面的模型框架，可以动态整合气候和土地利用变化情景，预测未来全球土壤侵蚀情况。在此，GloSEM结合了土地利用协同(LUH2)预测未来(2070 年)土地利用发展的多种备选方案。其中250 m 像素的分辨率反映了实地尺度上的土地覆盖，捕捉了促进或减轻侵蚀过程的土地利用导致的马赛克。本研究选取了3 个代表性的未来模拟气象数据浓度路径(IMAGE SSP1-RCP2.6、MESSAGE-GLOBIOM SSP2- RCP4.5 和REMIND-MAGPIE SSP5-RCP8.5)，其数字（2.6，4.5 和8.5）与2100 年的温室气体的辐射强度（W·m-2）增加有关。使用ArcGIS Map 10.8.1 处理获取的栅格数据。

表 1 数据来源

2 结果与讨论

2.1 降雨侵蚀力R 值分布

降雨侵蚀力R 值是表征由降雨和径流引起侵蚀的潜在能力大小的指标。1980～2010 年历史降雨数据表明，我国降雨侵蚀力R 值分布区间为0-16 039 MJ mm ha-1yr-1（见图1）。从整体看，降雨侵蚀力R 值随纬度增加而自东向西递减。其中海南、广东、广西、四川盆地、重庆和台湾等地降雨侵蚀力R 值较大（3 775-16 039 MJ mm ha-1yr-1），内蒙古、甘肃和新疆降雨侵蚀力R 值较小（0-1 447 MJ mm ha-1yr-1）。降雨侵蚀力R 值的大小与分布不仅受降雨频次和强度的影响，同时还与季节、土壤类型、坡度及植被覆盖类型等密切相关。张建国等[13]研究表明，重庆市降雨侵蚀力R 值的分布在不同区域差异明显,且月R 值的年内动态变化显著；年R 值在年际变化上具有两端低中间高，在空间分布上有东高西低的特点。Ochoa-Cueva,Fries[14]研究及模型预测表明，在天然森林植被覆盖条件下，土壤侵蚀速率是可忽略的 (15～40 mg ha-1y-1) 。然而，当整个流域在2040 年经历了大量的森林砍伐后，土壤侵蚀达到2 021 Mg ha-1y-1。降雨侵蚀力R 值随纬度增加递减，主要受降雨频次和降雨强度影响。例如，降雨侵蚀力R 值较大值主要分布在华南地区：海南、广东、广西、四川盆地、重庆和台湾等地表现为降雨量较大，年平均降雨量约1 700 mm。随着纬度增加，降雨量逐渐减少，降雨侵蚀力R 值也随之降低。华南地区降雨侵蚀力R 值较我国其他地区大主要与降雨频次和强度有关。

图1 华南地区降雨侵蚀力R 值分布

2.2 2001～2012 年土壤侵蚀及其分布特征

2001～2012 年我国土壤侵蚀较为严重的区域为四川盆地，其土壤侵蚀范围为：4-277 Mg ha-1yr-1。期间，除华南地区，我国大部分地区土壤侵蚀保持不变或有所改善（见图2），其中四川盆地和重庆市土壤侵蚀改善较大（最大减少183 Mg ha-1yr-1），但福建、广东和广西土壤侵蚀增加2-28 Mg ha-1yr-1。该现象的产生可能主要源于土地利用方式的改变。土地利用可以通过改变植被覆盖、土壤性质、径流速率等影响土壤侵蚀[15]。

图2 2001～2012 华南地区土壤侵蚀

2.3 2015～2070 土壤侵蚀及其分布特征

2015 年我国土壤侵蚀主要发生在新疆、四川盆地、重庆和广西等地，其中较为严重的区域为新疆地区，土壤侵蚀量达60-150 Mg ha-1yr-1。四川盆地、重庆和广西的土壤侵蚀量为21-60 Mg ha-1yr-1（见图3）。

模拟未来气候情景数据结果显示：不同模拟情景下，我国土壤侵蚀呈加剧趋势（见图3）。SSP1-RCP2.6 和SSP1-RCP4.5 模拟情景下，其土壤侵蚀模式与2015 年相似，主要表现为：土壤侵蚀较为严重区域为新疆、四川盆地、重庆和广西，土壤侵蚀范围为21-150 Mg ha-1yr-1。在SSP1-RCP2.6 情景下，2015-2070 年土壤侵蚀净增量为-67-63 Mg ha-1yr-1。其中负净增量主要发生在广东、新疆、青海、西藏和广西；正净增量发生在新疆部分地区，四川、重庆和湖北交界区，贵州、云南和广西交界区及福建部分区域。在SSP1-RCP4.5情景下，我国中部、东部和南部地区土壤侵蚀加剧（增加4-133 Mg ha-1yr-1），西部地区土壤侵蚀有所缓解（减少6-95 Mg ha-1yr-1）。华南地区土壤侵蚀对未来不同模拟情景气候的相应结果如图4 所示，SSPRCP8.5 和SSP-RCP82.6 模拟情景下，华南地区土壤侵蚀呈负增长，即土壤侵蚀得到改善，土壤侵蚀将减少1-20 Mg ha-1yr-1。然而在SSP-RCP4.5 模拟情景条件下，华南地区土壤侵蚀将进一步加剧，土壤侵蚀量将增加-6 至133 Mg ha-1yr-1。该现象的发生主要因为降雨受未来气候变化过程中温室气体的影响，即SSP-RCP8.5 情景下部分干旱地区将变得更加干旱，降雨频次高的地区降雨将进一步增加。

SSP1-RCP8.5 模拟情景下，我国土壤侵蚀表现趋势与SSP1-RCP2.6 和SSP1-RCP4.5 表现趋势相反，即随着气候变化，我国西部地区土壤侵蚀加剧（增加3-116 Mg ha-1yr-1），其他地区土壤侵蚀有所缓解（减少2-60 Mg ha-1yr-1）（见图3）。在此情景下，2015～2070 年土壤侵蚀净增量为-60-116 Mg ha-1yr-1。其中负净增量主要在四川盆地及重庆、甘肃、陕西、山西、贵州、云南和华南地区；正净增量主要在西藏、青海和新疆地区（见图4）。

图4 2015～2070 年中国土壤侵蚀变化

未来情景分析表明，到2070 年，土地利用变化的影响可能降低（SSP1-RCP2.6） 或 增 加（SSP2-RCP4.5、SSP5-RCP8.5）土壤侵蚀。 不同的趋势是三个模拟情景下所描述的不同的人类发展和社会选择的结果。IMAGE SSP1-RCP2.6 情景表明，到2070 年，主要农业用地可能会缩减。该情景显示了一个路径，目标是到2100 年将全球平均气温升幅限制在2° C 以内。在GloSEM 中模拟这一土地利用情景可使水土流失减少10%[9]。减少全球土壤侵蚀模拟（4.5～Pg yr-1）是全球重组的结果。根据图像SSP1-RCP2.6，未来的土地将倾向于整体减少农业种植面积，增加森林和半自然植被区域面积。多情景比较表明，尽管未来土地利用变化可通过扩大或缩小耕地显著影响全球土壤侵蚀过程，但全球气候可能朝着更活跃的水循环方向发展，这将成为未来土壤侵蚀增加的主要驱动因素[9]。

土壤侵蚀的发生主要受风力、降雨侵蚀，森林砍伐、放牧、农业耕作和气候变化等影响。其中长期的农业开荒耕作是水土流失加剧的主要原因之一[15]。因此，为缓解土壤侵蚀，亟需采取行之有效的保护措施。可以利用可持续的土地管理技术和适当的政策奖励来减轻土壤侵蚀。开展和实施保护性农业是一项潜在的缓解土壤侵蚀的有效措施[16]。根据联合国粮农组织定义，保护性农业是一种耕作系统，它能将对土壤的干扰降至最低(即免耕)，保持永久的土壤覆盖，并使植物种类多样化。保护性农业能增强生物多样性和地表上下的自然生物过程，有助于提高水和养分的利用效率，改善并进行持续的作物生产。据推算，全球保护性农业的耕地面积约占11%～14%，约为14.2 亿公顷。据估算，与没有任何土壤保持措施的基线情景相比，在保持措施下，全球土壤侵蚀总体可减少约7.1%[4]。然而，人口增长（预计2070 年将达到94 亿的峰值）、肉类密集型饮食趋势及全球气候趋向于更加活跃的水循环等问题都将影响保护性农业的政策制定和方案实施[9]。随着全球不断变暖，极端降雨和恶劣天气将更加频繁，部分地区土壤侵蚀将进一步加剧。因此，为缓解土壤侵蚀，需采取有效的碳中和手段，减少二氧化碳等温室气体排放，并采取如植树造林等有效的碳固定方案，以减少大气中的二氧化碳浓度。

3 结语

我国降雨侵蚀力R 值分布由南向北逐渐减小，华南地区降雨侵蚀力较其他地区大。2001～2012 年，土壤侵蚀较为严重的区域为四川、贵州、山东和西藏，水土流失范围0-277 Mg ha-1yr-1。华南地区（如福建、广东和广西）水土流失加剧，净增量为2-28 Mg ha-1yr-1。2015～2070 年观测及模拟数据分析结果表明：随着气候及土地利用方式的变化，未来我国水土流失将主要发生在山西、陕西、四川、贵州、云南、广西等省区及西藏与新疆交界处，其中最严重区域为西藏与新疆交界处 （121-150 Mg ha-1yr-1）。不同未来气候模拟情景分析表明，未来气候变化将显著影响土壤侵蚀，其中SSP1-RCP8.情景下华南地区土壤侵蚀将进一步加剧。因此，为了应对未来气候变化，缓解土壤侵蚀，我国亟须制定和实施切实有效的水土保持和碳中和方案。