晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕動態(tài)及防治效果

武志濤, 馬志婷, 郭未旭, 李晉昌, 張 紅,2

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 山西 太原030006; 2.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 山西 太原 030006)

晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕動態(tài)及防治效果

武志濤1, 馬志婷1, 郭未旭1, 李晉昌1, 張 紅1,2

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 山西 太原030006; 2.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 山西 太原 030006)

[目的] 對晉北沙漠化區(qū)土壤風(fēng)蝕狀況及空間差異進行研究，以期為區(qū)域土地退化和京津風(fēng)沙源治理工程的效益評估提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 基于耕地和林草地不同地表類型的土壤風(fēng)蝕模型，逐像元地計算2001—2014年晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕狀況及空間差異。 [結(jié)果] (1) 2001—2014年晉北沙漠化區(qū)的平均土壤風(fēng)蝕模數(shù)達到4.67 t/(hm2·a)，處于輕度風(fēng)蝕狀態(tài)。區(qū)域分布上，北部區(qū)域風(fēng)蝕狀況明顯高于南部。 (2) 研究區(qū)2001，2005，2010和2014年的平均土壤風(fēng)蝕模數(shù)分別為6.83，3.89，4.36和2.55t/(hm2·a)；土壤風(fēng)蝕總量分別為2.09×107t，1.19×107t，1.31×107t和7.65×106t。 (3) 晉北沙漠化地區(qū)植被覆蓋度提高和風(fēng)力減弱是區(qū)域土壤風(fēng)蝕強度削弱的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力作用的減弱貢獻率約為77.7%，而植被覆蓋度的提高的貢獻率為22.3%。 [結(jié)論] 晉北土壤風(fēng)蝕狀況空間差異較大，風(fēng)速減弱是導(dǎo)致區(qū)域土壤風(fēng)蝕削弱的主要原因。晉北沙漠化地區(qū)植被覆蓋度尚未恢復(fù)到良好的狀態(tài)，生態(tài)工程建設(shè)還需進一步實施，生態(tài)工程實施的成果需加強保護。

土壤風(fēng)蝕模型; 生態(tài)工程; 風(fēng)力; 植被蓋度; 晉北

土壤風(fēng)蝕是造成土地退化的主要原因之一，我國是世界上受沙漠化影響最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，土壤風(fēng)蝕及土地沙漠化影響面積已占國土面積的1/2以上[1-3]。土壤風(fēng)蝕破壞土壤結(jié)構(gòu)，使得區(qū)域土壤變得更加貧瘠，土地生產(chǎn)力水平急劇下降，嚴(yán)重威脅著人們的正常生產(chǎn)生活，影響著地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展[4]。土壤風(fēng)蝕是以風(fēng)蝕動力過程及影響因子為研究基礎(chǔ)，來定量估算風(fēng)蝕強度，并被用于指導(dǎo)風(fēng)蝕防治實踐[5]。從Woodruff和Siddoway建立土壤風(fēng)蝕研究歷史上第一個風(fēng)蝕方程(WEQ)開始[6]，許多學(xué)者從不同的角度和方法建立了各種行之有效的風(fēng)蝕模型，如RWEQ，TEAM，WEAM，WEPS等模型[7-9]。我國，部分學(xué)者以利用集沙儀器、室內(nèi)外風(fēng)洞和同位素示蹤等方法來研究土壤風(fēng)蝕預(yù)報技術(shù)[10-12]。南嶺等[13]在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用空間尺度，將土壤風(fēng)蝕模型分為田間尺度、區(qū)域尺度和大陸尺度3個層次。目前，多數(shù)風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ǔＪ窃谔镩g尺度范圍下建立的，模型的參數(shù)經(jīng)過了大量實踐的考驗。由于區(qū)域空間上的異質(zhì)性，在區(qū)域尺度上的應(yīng)用這些模型時效果并不理想[14-15]。隨著“3S”技術(shù)與計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，利用風(fēng)洞試驗和計算機模擬成為區(qū)域尺度土壤風(fēng)蝕研究的重要手段[16-17]。高尚玉等人[18-20]利用風(fēng)洞試驗研發(fā)了適用于我國北方自然條件的土壤風(fēng)蝕模型，并結(jié)合“3S”技術(shù)在第一次水利普查和京津風(fēng)沙源治理工程中對該模型進行了應(yīng)用和實踐，是目前適合于我國北方干旱和半干旱地區(qū)自然條件的主要土壤風(fēng)蝕預(yù)報模型之一。

晉北沙漠化地區(qū)是中國重要的防沙治沙工程試點之一。土壤風(fēng)蝕是造成該地區(qū)沙漠化與土壤質(zhì)量退化的主要原因。2000年以來，我國在該區(qū)實施了京津風(fēng)沙源區(qū)治理工程。高尚玉等[18-20]在對京津風(fēng)沙源地區(qū)的土壤風(fēng)蝕狀況評價中對晉北地區(qū)的土壤風(fēng)蝕狀況進行了研究。該研究中由于數(shù)據(jù)獲取的局限性，晉北地區(qū)的風(fēng)速站點只有代縣一個站點，利用一個風(fēng)速站點和周邊的風(fēng)速站點通過插值來反映整個晉北地區(qū)的風(fēng)速狀況，對研究整個京津風(fēng)沙源區(qū)的風(fēng)速狀況研究精度尚可。然而，對全面的反映晉北沙漠化區(qū)土壤風(fēng)蝕的空間差異還存在一定的不足。因此，開展晉北沙漠化區(qū)土壤風(fēng)蝕的動態(tài)監(jiān)測及防治效果的研究，揭示該區(qū)土壤風(fēng)蝕過程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，可為防治該區(qū)風(fēng)蝕危害和京津風(fēng)沙源治理工程的生態(tài)效益評估提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及處理方法

1.1 晉北地區(qū)概況

晉北沙漠化區(qū)的行政區(qū)范圍包括大同市的南郊區(qū)、新榮區(qū)、渾源縣、大同縣、陽高縣和天鎮(zhèn)縣，朔州市的平魯區(qū)、朔城區(qū)、右玉縣、應(yīng)縣和懷仁等，忻州市的偏關(guān)縣、河曲縣、五寨縣、繁峙縣和代縣等，共計20個區(qū)縣，國土面積約為3.18×104km2。該區(qū)平均海拔在1 200～1 800 m之間，黃土普遍分布，地勢種類繁雜多樣。該區(qū)是山西省資源、礦產(chǎn)等自然資源的集中分布區(qū)，人類的活動對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的干擾較為劇烈。研究區(qū)常年受溫帶大陸性季風(fēng)氣候控制，冬季漫長而寒冷干燥，春季短暫而干旱多風(fēng)，夏季涼爽，秋季溫和。年平均氣溫為7 ℃左右，歷史極端最低氣溫為-40.4 ℃，歷史極端最高氣溫為38.8 ℃[21]；年平均降水量介于350～460 mm，且多集中于7—9月；年均蒸發(fā)量約為2 000 mm；年均日照時數(shù)約達3 000 h，無霜期100～150 d[23]。該區(qū)地處暖溫帶落葉闊葉林向溫帶草原的過渡地帶。區(qū)內(nèi)干旱多風(fēng)、土壤貧瘠等惡劣的自然條件導(dǎo)致該區(qū)植物種類較為貧乏。喬木樹種主要有油松、落葉松、白樺、楊樹、柳樹、刺槐等；灌木樹種主要有沙棘、檸條、黃刺玫、虎榛子、繡線菊、黃薔薇、胡枝子等；草本植物主要有百里香、長芒草、羊胡子草、鐵桿蒿、冷蒿、針茅、蘆葦?shù)??？傮w來說，適生喬木樹種較少，適生灌木樹種和草種較多[21-23]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 地表性質(zhì) 晉北沙漠化地區(qū)面積廣闊，地表性質(zhì)復(fù)雜。對土壤風(fēng)蝕而言，既廣泛分布易于遭受風(fēng)蝕的各種土地利用類型(如耕地、林地、草地等)，也分布著不受風(fēng)蝕影響的土地利用類型(如各種水體，裸巖等)。本文所采用的土地利用類型圖為2000和2010年兩期土地利用數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集是課題組基于TM影像，通過建立判讀標(biāo)志，進行人機交互式判讀建立起來的。根據(jù)野外試驗抽樣檢驗，landsat-TM數(shù)據(jù)人工解譯的1∶100 000土地利用圖的平均定性精度為90%以上。由此獲得晉北沙漠化地區(qū)風(fēng)蝕地表類型圖，并在ArcGIS軟件中輸出像元大小為250 m×250 m的柵格圖。該圖中將全部地表類型劃分為不可蝕土地、林草地和耕地3類地表。在風(fēng)蝕計算時，不可蝕土地風(fēng)蝕模數(shù)直接取0，其他兩類土地分別采用各自的風(fēng)蝕模型進行計算。

1.2.2 植被蓋度因子 本文中的植被蓋度利用基于NDVI的像元二分法模型[24]計算得到。其中NDVI數(shù)據(jù)為2001，2005，2010，2014年的MODIS (moderate-resolution imaging spectroadiometer，中分辨率成像光譜儀)16 d 250 m NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)(MOD13Q1)。由于土壤風(fēng)蝕主要發(fā)生在植被非生長季，MODIS影像很難真實反映地表植被狀況，因此本研究采用與高尚玉等人的研究方法類似的方法，植被蓋度的數(shù)據(jù)采用各年5月的NDVI數(shù)據(jù)來計算當(dāng)年風(fēng)蝕期內(nèi)的植被蓋度。

1.2.3 風(fēng)力因子 為估算晉北沙漠化區(qū)2001,2005,2010和2014年的土壤風(fēng)蝕量，需要統(tǒng)計這4 a風(fēng)蝕活動期間臨界風(fēng)速以上各等級風(fēng)速的累積時間?？紤]到研究區(qū)面積大，對全部縣的氣象站點風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計難度較大，因此選取陽高縣、大同縣、右玉縣、懷仁縣、渾源縣、偏關(guān)縣、朔城縣、繁峙縣、代縣和五寨縣10個縣的氣象站。這10個均勻分布在晉北沙漠化地區(qū)。10個氣象站點每小時的風(fēng)速數(shù)據(jù)來自山西省氣象臺。根據(jù)這10個氣象站點沙塵天氣的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該區(qū)7—9月沙塵天氣極少，3—5月是沙塵天氣的集中月份[22]。土壤風(fēng)蝕是沙塵天氣發(fā)生的直接原因，因此沙塵天氣直接指示了土壤風(fēng)蝕過程的存在。另外，7—9月是該區(qū)降水最集中、植被生長狀況最好的時期，土壤風(fēng)蝕非常微弱，對全年的風(fēng)蝕量貢獻可以忽略不計。因此，將晉北沙漠化地區(qū)風(fēng)蝕活動期確定為一年中除7—9月以外的其他月份。將上述10個站點的4 a中1—6月和10—12月大于5.0 m/s的各級風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計。由于如果直接利用上述氣象站點的風(fēng)速累計數(shù)據(jù)計算該點所在縣的土壤風(fēng)蝕量，相鄰兩縣的風(fēng)蝕量計算結(jié)果可能相差很大，尤其是在縣交界處會出現(xiàn)同種地表類型土壤風(fēng)蝕量陡增或者陡降的現(xiàn)象，這與實際情況并不相符。為解決這一問題，對上述10個站點的各等級風(fēng)速累積時數(shù)進行反距離加權(quán)插值，輸出像元為250 m×250 m的柵格圖。

1.3 土壤風(fēng)蝕量估算方法

1.3.1 不同地表類型的土壤風(fēng)蝕模數(shù)估算方法 本研究土壤風(fēng)蝕模型采用高尚玉等研究成果[18]。該研究中根據(jù)風(fēng)洞試驗和不同地表類型，分別對耕地、林草地和沙地建立了相應(yīng)的風(fēng)蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。其中大田條件下耕地土壤風(fēng)蝕模數(shù)計算公式為：

(1)

式中：Qa——大田條件下的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕模數(shù)〔t/(hm2.a)〕；C——從田間尺度到大田尺度的修訂系數(shù)，約為0.001 8；A——風(fēng)速修訂系數(shù)，U風(fēng)洞=A·U氣象站；Uj——氣象站整點風(fēng)速統(tǒng)計中高于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速；Tj——風(fēng)蝕活動發(fā)生月份內(nèi)風(fēng)速為Uj的累積時間(min)。我國北方旱作農(nóng)田臨界侵蝕風(fēng)速一般略大于流沙地表的5.0 m/s。與高尚玉等[18]的研究類似，氣象站整點風(fēng)速統(tǒng)計中高于臨界侵蝕風(fēng)速的第1個風(fēng)速等級為5.0～6.0 m/s，取平均值5.5 m/s，因此Uj=1=5.5 m/s，Uj=2=6.5 m/s，依次類推；Z0——地表空氣動力學(xué)粗糙度(cm)，約為0.55 cm；a1，b1,c1——常數(shù)項，分別取-9.208，0.018，1.955。

大田條件下草(林)地土壤風(fēng)蝕模數(shù)的計算公式為：

C2/(A·Uj)〕}

(2)

式中：Qb——大田條件下植被蓋度為VC時草地或林地土壤風(fēng)蝕模數(shù)﹝t/(hm2·a)﹞；a2，b2，c2——常數(shù)項，分別取2.486 9，-0.001 4和-54.947 2。其余與公式(2)中系數(shù)的含義相同。各級植被蓋度對應(yīng)的臨界侵蝕風(fēng)速與高尚玉等[18]研究的參數(shù)一致。

1.3.2 土壤風(fēng)蝕模數(shù)空間分布估算方法 由于晉北地區(qū)沒有沙地類型，只有耕地和林草地兩種地表類型，因此，基于公式(1)—(2)逐像元計算兩種地表類型的土壤風(fēng)蝕模數(shù)，其中第i個像元的土壤風(fēng)蝕模數(shù)計算公式為：

(3)式中：Qi——第i個像元的土壤風(fēng)蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕;Qa_i——第i個像元為耕地時土壤風(fēng)蝕模數(shù)﹝t/(hm2·a)﹞;Qb_i——第i個像元為林地或草地的土壤風(fēng)蝕模數(shù)﹝t/(hm2·a)﹞。本研究假設(shè)在250m×250m的像元內(nèi)地表類型是唯一的。例如第i個像元的地表類型為耕地，則該像元的土壤風(fēng)蝕模數(shù)為Qa_i，該像元內(nèi)林草地的土壤風(fēng)蝕模數(shù)則為0。

1.3.3 土壤風(fēng)蝕總量的計算方法 在得到土壤風(fēng)蝕模數(shù)空間分布的基礎(chǔ)上，將所有像元土壤風(fēng)蝕模數(shù)進行累加，得到整個區(qū)域的土壤風(fēng)蝕模數(shù)總量。然后，將土壤風(fēng)蝕模數(shù)總量乘以每個像元的面積得到整個區(qū)域的年土壤風(fēng)蝕總量。計算公式為：

(4)

式中：Qtotal——區(qū)域的土壤風(fēng)蝕總量(t/a);Qi——第i個像元的土壤風(fēng)蝕模數(shù)﹝t/(hm2·a)﹞;S——每個像元的面積(hm2)，本研究取6.25(每個像元的面積為6.25 hm2)。

1.4 侵蝕風(fēng)力指數(shù)

為了定量評估晉北沙漠化地區(qū)整體風(fēng)力條件對區(qū)域土壤風(fēng)蝕的影響，將“侵蝕風(fēng)力指數(shù)”即平均侵蝕風(fēng)速與累積時間的乘積作為衡量區(qū)域風(fēng)力環(huán)境強弱的定量指標(biāo)[18]。本研究侵蝕風(fēng)力指數(shù)的具體計算公式為：

(5)

式中：Eu——侵蝕風(fēng)力指數(shù);Uj——氣象站整點風(fēng)速統(tǒng)計中高于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速(m/s)；Tj——風(fēng)蝕活動發(fā)生月份內(nèi)風(fēng)速為Uj的累積時間(h);N——風(fēng)速等級數(shù)。

2 研究區(qū)土壤風(fēng)蝕動態(tài)及防治效果

2.1 晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕現(xiàn)狀評價

由于風(fēng)力、植被和土地利用等風(fēng)蝕因子存在年際變化，土壤風(fēng)蝕強度勢必存在年際差異。根據(jù)中華人民共和國水利部制定的風(fēng)蝕強度分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)，采用晉北沙漠化地區(qū)2001,2005,2010和2014年4 a的平均土壤風(fēng)蝕模數(shù)來評價該沙漠化地區(qū)的土壤風(fēng)蝕狀況。統(tǒng)計表明，晉北沙漠化地區(qū)非風(fēng)蝕土地為1.676×105hm2，占土地總面積的5.28%，微度風(fēng)蝕總面積為1.26×106hm2，占土地總面積的39.71%；輕度風(fēng)蝕總面積為3.17×106hm2，占總面積的55.01%。

總體來說，晉北沙漠化地區(qū)4 a的平均風(fēng)蝕模數(shù)達到4.67 t/(hm2·a)，處于輕度風(fēng)蝕。

表1 土壤風(fēng)蝕強度分級

區(qū)域分布上，晉北沙漠化地區(qū)北部區(qū)域風(fēng)蝕明顯高于南部，整體上從東北向西南呈遞減的趨勢(圖1)。其中，平均風(fēng)蝕模數(shù)超過10 t/(hm2·a)的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的北部，如右玉縣、左云縣、新榮區(qū)、大同縣、陽高縣、渾源縣。除此之外，研究區(qū)西南地區(qū)五寨縣的中部區(qū)域風(fēng)蝕模數(shù)超過了10 t/(hm2·a)。而研究區(qū)中部區(qū)域平均風(fēng)蝕模數(shù)為6～10 t/(hm2·a)。風(fēng)蝕模數(shù)較弱的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的西部和東南部，具體包括保德縣、偏關(guān)縣、河曲縣、代縣和繁峙縣等。

圖1 近15 a晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕強度空間分布

2.2 晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕動態(tài)變化

晉北沙漠化地區(qū)2001,2005,2010和2014年土壤風(fēng)蝕模數(shù)和土壤風(fēng)蝕總量總體呈減小的趨勢。其中2001,2005,2010和2014年的平均土壤風(fēng)蝕模數(shù)分別為6.83，3.89，4.36，2.55 t/(hm2·a)；土壤風(fēng)蝕總量分別為2.09×107t，1.19×107t，1.31×107t和7.65×106t。2005,2010和2014年土壤風(fēng)蝕強度均低于治理工程最初實施的2001年。表2為2001，2005，2010，2014年不同等級風(fēng)蝕強度的面積比例圖。由表2可知，2001年晉北沙漠化地區(qū)主要以輕度風(fēng)蝕為主，約占整個研究區(qū)面積的76.47%。隨著生態(tài)工程的建設(shè)，到2005年，整個研究區(qū)則以微度風(fēng)蝕為主，約占整個研究區(qū)面積的52.48%。2005，2010，2014年研究區(qū)微度風(fēng)蝕的面積分別為：52.84%，53.13%和53.84%，輕度風(fēng)蝕的面積分別為43.86%，41.59%和41.24%。2005,2010和2014年整個研究區(qū)的微度風(fēng)蝕和輕度風(fēng)蝕的百分比變化較小。

表2 晉北沙漠化地區(qū)4 a各等級風(fēng)蝕強度面積比例 %

這是由于中華人民共和國水利部制定的風(fēng)蝕強度分級標(biāo)準(zhǔn)是針對全國范圍，在晉北沙漠化區(qū)相對來說分級較為粗泛。因此，本文進一步分析了晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕強度的空間分布。

圖2為2001，2005，2010，2014年研究區(qū)不同等級土壤風(fēng)蝕模數(shù)的空間分布圖。由圖2可知，2001,2005,2010和2014年晉北沙漠化區(qū)的土壤風(fēng)蝕模數(shù)空間差異較大。2001年研究區(qū)大部分地區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)在8 t/(hm2·a)以上，其中模數(shù)超過10t/(hm2·a)以上的區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的西南—東北的條帶狀，主要分布在天鎮(zhèn)縣、陽高縣、大同縣、懷仁縣、山陰縣、應(yīng)縣、朔城區(qū)、神池縣和五寨縣等區(qū)域。這主要是由于2001年工程實施的初期，植被覆蓋度較差，風(fēng)力大導(dǎo)致的。隨著生態(tài)工程建設(shè)的實施，2005年研究區(qū)大部分區(qū)域土壤風(fēng)蝕模數(shù)在8t/(hm2·a)以下，超過10t/(hm2·a)的區(qū)域主要集中在南郊區(qū)、大同縣和五寨縣的部分區(qū)域。到2010年，研究區(qū)的土壤風(fēng)蝕模數(shù)有上升的趨勢，超過10t/(hm2·a)以上的區(qū)域主要集中在研究區(qū)的東北部和五寨縣的部分區(qū)域。造成這種現(xiàn)象的主要原因為： (1) 盡管生態(tài)建設(shè)工程在實施，但研究區(qū)的植被覆蓋度還沒達到預(yù)期的效果； (2) 2010年的各級等級風(fēng)速累積時數(shù)比2005年各級等級風(fēng)速累積時數(shù)大。隨著工程的進一步實施，到2014年，研究區(qū)的土壤風(fēng)蝕模數(shù)主要集中在6t/(hm2·a)以下，超過10t/(hm2·a)以上的區(qū)域主要集中在研究區(qū)的大同縣和渾源縣的西北部。這主要是由于2014年的植被覆蓋較高和風(fēng)速減弱共同作用導(dǎo)致的。

圖2 晉北沙漠化地區(qū)4 a不同等級土壤風(fēng)蝕模數(shù)的空間分布

2.3 土壤風(fēng)蝕防治效果的影響因素分析

2001,2005,2010和2014年晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕狀況的波動變化，既與該地區(qū)各年份氣候因素的變化有關(guān)，也與區(qū)域生態(tài)工程建設(shè)的實施有關(guān)。因此，在分析區(qū)域土壤風(fēng)蝕防治效果影響因素時，必須區(qū)分該地區(qū)氣候因素和生態(tài)工程建設(shè)對土壤風(fēng)蝕防治效果的影響。

2.3.1 氣候因素 降水是限制晉北沙漠化地區(qū)植被生長的主要氣象因子。因此，降水的變化通過影響區(qū)域植被生長狀況和土壤水分狀況，從而提高或者降低地表的抗風(fēng)蝕能力。

由研究區(qū)10個站點的降水量與土壤風(fēng)蝕模數(shù)的散點圖分析可知，降水量與土壤風(fēng)蝕模數(shù)之間相關(guān)性很小，且很難發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)出的規(guī)律性，因此，降水量的變化并不是晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕強度變化的主要原因。

作為土壤風(fēng)蝕的根本驅(qū)動力，風(fēng)力的增強會加劇土壤風(fēng)蝕，減弱則會降低風(fēng)蝕強度。根據(jù)2001，2005，2010，2014年4a晉北沙漠化地區(qū)平均風(fēng)速≥5m/s累積時間分布圖分析可知，晉北地區(qū)的風(fēng)速累積時間的空間分布圖與土壤風(fēng)蝕強度的空間分布基本一致，風(fēng)速累積時間大的區(qū)域，土壤風(fēng)蝕的強度較大，主要分布在大同縣，陽高縣和五寨縣等區(qū)域。相反，風(fēng)速累積時間較小的區(qū)域，土壤風(fēng)蝕的強度也在減弱。主要分布在偏關(guān)縣、河曲縣、繁峙縣和代縣等區(qū)域(圖3)。利用區(qū)域內(nèi)10個氣象點4a的≥5m/s風(fēng)速的統(tǒng)計結(jié)果和累積時間，分別計算了4a每個站點的侵蝕風(fēng)力指數(shù)。由侵蝕風(fēng)力指數(shù)與土壤風(fēng)蝕模數(shù)之間的散點圖分析可知，晉北沙漠化地區(qū)的風(fēng)蝕模數(shù)與侵蝕風(fēng)力指數(shù)之間具有很好的線性相關(guān)性(R2=0.908)，進一步說明風(fēng)速變化是晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕強度波動變化的主要原因。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，整個晉北沙漠化地區(qū)2005,2010和2014年的侵蝕風(fēng)力指數(shù)分別為3 968，4 282和2 654，均小于2001年的侵蝕風(fēng)力指數(shù)5 366。因此，風(fēng)速減弱是晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕強度削弱的主要原因。

圖3 研究區(qū)4 a平均風(fēng)速5 m/s累積時間分布

2.3.2 植被覆蓋因素 風(fēng)力變化并不是土壤風(fēng)蝕強度變化的唯一原因。本文進一步分析了2001,2005,2010和2014年的植被覆蓋度的空間分布。研究發(fā)現(xiàn)，不同年份植被覆蓋的空間分布與相應(yīng)年土壤風(fēng)蝕模數(shù)的空間分布基本一致。植被覆蓋度較高的區(qū)域，土壤風(fēng)蝕模數(shù)則較低。

相反，植被覆蓋度較低的區(qū)域，土壤風(fēng)蝕模數(shù)則較高。2005,2010和2014年這3 a的植被覆蓋度均比2001年的植被覆蓋度高。植被覆蓋度的提高對土壤風(fēng)蝕有削弱的作用。因此，晉北沙漠化地區(qū)植被覆蓋度提高和風(fēng)力減弱是區(qū)域土壤風(fēng)蝕削弱的主要原因。

2.3.3 風(fēng)速變化和植被覆蓋變化對土壤風(fēng)蝕防治效果的貢獻 為了定量評價風(fēng)力作用和植被覆蓋對緩解晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕的作用，本文利用2001年的風(fēng)速數(shù)據(jù)，計算了在2014年植被覆蓋度條件下的土壤風(fēng)蝕量。結(jié)果表明，晉北沙漠化地區(qū)在2001年風(fēng)速，2014年的植被覆蓋度條件下，土壤風(fēng)蝕總量約為1.80×107t，比2001年實際土壤風(fēng)蝕量減少了2.95×106t，比2014年實際的土壤風(fēng)蝕量增加了1.03×107t。換言之，如果植被蓋度在2014年的水平，那么風(fēng)力環(huán)境的改變促使區(qū)域內(nèi)土壤風(fēng)蝕量比2014年的實際土壤風(fēng)蝕量減少了1.03×107t。植被覆蓋度的提高促使區(qū)域土壤風(fēng)蝕量比2014年減少了2.95×106t。

因此，風(fēng)力作用的減弱的貢獻率約為77.7%，而植被覆蓋度的提高的貢獻率為22.3%。這也說明晉北沙漠化地區(qū)植被覆蓋度尚未恢復(fù)到良好的狀態(tài)，生態(tài)工程建設(shè)還需進一步實施。

3 結(jié) 論

(1) 近15 a晉北沙漠化地區(qū)的平均風(fēng)蝕模數(shù)達到4.67 t/(hm2·a)，處于輕度風(fēng)蝕。區(qū)域分布上，晉北沙漠化地區(qū)北部區(qū)域風(fēng)蝕明顯高于南部。其中，平均風(fēng)蝕模數(shù)超過10 t/(hm2·a)的區(qū)域主要分布右玉縣、左云縣、新榮區(qū)、大同縣、陽高縣、渾源縣和五寨縣。晉北沙漠區(qū)的中部區(qū)域平均風(fēng)蝕模數(shù)為8～10 t/(hm2·a)。風(fēng)蝕模數(shù)較弱的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的西部和東南部，具體包括偏關(guān)縣、河曲縣、代縣和繁峙縣等。

(2) 研究區(qū)2001,2005,2010和2014年的平均土壤風(fēng)蝕模數(shù)分別為6.83，3.89，4.36,2.55 t/(hm2·a)；土壤風(fēng)蝕總量分別為2.09×107t，1.19×107t，1.31×107t和7.65×106t。

(3) 晉北沙漠化地區(qū)植被覆蓋度提高和風(fēng)力減弱是區(qū)域土壤風(fēng)速強度削弱的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力作用的減弱的貢獻率約為77.7%，而植被覆蓋度的提高的貢獻率為22.3%，表明晉北沙漠化地區(qū)植被覆蓋度尚未恢復(fù)到良好的狀態(tài)，生態(tài)工程建設(shè)還需進一步實施。

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Dynamics and Control Effect of Soil Wind Erosion in Desertification Region of Northern Shanxi Province

WU Zhitao1, MA Zhiting1, GUO Weixu1, LI Jinchang1, ZHANG Hong1,2

(1.InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan,Shanxi030006,China; 2.CollegeofEnvironmental&ResourceSciences,ShanxiUniversity,Taiyuan，Shanxi030006,China)

[Objective] Dynamics of soil wind erosion in the desertification region of Northern Shanxi Province were analyzed to provide some supports for the prevention of land degradation and the benefit assessment of sand source control engineering for Beijing-Tianjin Cities. [Methods] Based on different types of surface soil erosion model, we studied the dynamics and spatial variability of soil wind erosion for each pixel in the desertification region of Northern Shanxi Province from 2001 to 2014 and then quantitatively evaluated the effects of different factors on regional soil wind erosion control. [Results] (1) Average annual soil wind erosion modulus in the desertification region of Northern Shanxi Province in 2001—2014 was 4.67 t/(hm2·a),whichisinastateofmilddeflation.Intermsofregionaldistribution,thestateofwinderosiondesertificationinthenorthofthatregionwasmoreseriousthanthatinthesouth. (2)Theaveragesoilerosionmodulin2001, 2005, 2010and2014were6.83, 3.89, 4.36and2.55t/(hm2·a),respectively.Andthetotalamountsofsoilerosionwere20.90millionton, 11.88millionton, 13.10milliontonand7.65millionton,respectively. (3)TheimprovementsofvegetationcoverageandwindweakeningwerethemaincausesofdeclineofregionalsoilwindintensityinthedesertificationregionofNorthernShanxiProvince.Thestudyfoundthatthecontributionrateofwindeffectweakeningwasabout77.7%forthedecreaseofwinderosion,whilethecontributionrateofincreaseofvegetationcoveragewas22.3%. [Conclusion]Thesoilwinderosionchangevariedremarkablyinspatialdomain.WindweakensisthemaincauseofregionalsoilwindintensityweakeninNorthernShanxiProvincedesertificationregion.ThevegetationcoverageinNorthernShanxiProvincedesertificationregionhasnotbeenrestoredtoagoodcondition.Thisindicatesthattheimplementofecologicalengineeringshouldbecarriedoutandtheeffectsofecologicalprojectshouldbeprotected.

soil erosion model; ecological engineering; wind erosion; vegetation coverage; Northern Shanxi Province

2016-05-16

2016-05-26

國家自然科學(xué)基金青年項目“極端氣候變化下生態(tài)工程建設(shè)對區(qū)域植被變化的影響研究”(41401643); 山西省“十二五”科技重大專項(20121101011); 山西省軟科學(xué)項目(2015041020-1); 國家自然科學(xué)基金項目(41271143)

武志濤(1985—),男(漢族),山西省文水縣人,博士,副教授,主要從事荒漠化與土地沙漠化監(jiān)測與防治“3S“集成技術(shù)方面的研究。E-mail:wuzhitao@sxu.edu.cn。

A

1000-288X(2016)06-0008-07

S157.1

文獻參數(shù)： 武志濤, 馬志婷, 郭未旭, 等.晉北沙漠化地區(qū)土壤風(fēng)蝕動態(tài)及防治效果[J].水土保持通報，2016,36(6)：008-014.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.002