榆林地區(qū)水土流失敏感性時空特征

李團(tuán)勝，史小惠，康歡歡，石玉瓊，閆　穎

(1.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安　710054;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 山西 太谷　030801)

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·環(huán)境科學(xué)·

榆林地區(qū)水土流失敏感性時空特征

李團(tuán)勝1，史小惠1，康歡歡1，石玉瓊2，閆穎1

(1.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安710054;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 山西 太谷030801)

用10km×10km的網(wǎng)格,把榆林地區(qū)劃分為527個單元樣地,采用加權(quán)和法,計算每個單元的水土流失敏感性指數(shù),并在Arcgis中進(jìn)行Kriging空間插值,分析水土流失敏感性時空特征。結(jié)果表明：全區(qū)無不敏感級別。2000年中度敏感區(qū)面積占全榆林面積的31.33%。高度敏感區(qū)面積占51.808%。極度敏感區(qū)占16.862%。2005年中度敏感區(qū)面積占35.876%。高度敏感區(qū)面積占48.153%。極度敏感區(qū)占15.971%。2010年輕度敏感區(qū)占0.229%。中度敏感區(qū)面積占28.047%。高度敏感區(qū)面積占44.176%。極度敏感區(qū)面積占27.548%。總體來說,東部水土流失敏感性較高，西部敏感性較低。從2000年到2010年,中度敏感性和高度敏感性面積減少了,而極度敏感性面積增加了。

水土流失;敏感性;土地覆蓋;地形起伏;土壤質(zhì)地;榆林

生態(tài)敏感性是在現(xiàn)有自然環(huán)境背景下, 人類活動干擾和自然環(huán)境變化導(dǎo)致發(fā)生區(qū)域生態(tài)或環(huán)境問題的難易程度及其可能性大小[1],早在1980年,Suffling就提出了從生態(tài)敏感到生態(tài)擾動的指標(biāo)[2],之后,Horne研究了澳大利亞雨林對選擇性伐木的生態(tài)敏感性[3],Rodriguez研究了大陸架生態(tài)敏感性[4],近年來,Renetzeder研究了奧地利農(nóng)業(yè)景觀生境對氣候變化的敏感性[5],Thomas以熱帶地區(qū)為例研究了景觀對快速的環(huán)境變化的敏感性[6]。國內(nèi)的研究也逐步增多,取得了一系列成果。目前對生態(tài)敏感性的研究主要集中在對單一環(huán)境要素的研究,如酸沉降、鹽漬化、沙漠化、土壤侵蝕等,并呈現(xiàn)出從單一生態(tài)敏感性因子研究向綜合敏感性研究發(fā)展的趨勢[7]。多數(shù)單要素研究是研究水土流失或土壤侵蝕敏感性的,而且研究集中在黃土高原[8-10]、東北地區(qū)[11-13]以及西南石質(zhì)山區(qū)[14-18],另外還有針對整個國家[19]、 西藏[20]、鄂爾多斯[21]、桐柏山——大別山區(qū)[22]、海南[23]的研究。水土流失是受多種因素影響的,有的因素和人類活動密切相關(guān),如土地利用結(jié)構(gòu)、水土保持措施等,還有一些因素,如氣候、地形等屬于自然因素,雖然也受人為活動影響,但主要受制于自然因素。從目前的研究來看,大多數(shù)研究是按照國家環(huán)境保護(hù)部的《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》中的生態(tài)系統(tǒng)敏感性評價方法進(jìn)行的,也有按照水土流失通用方程進(jìn)行評價的,研究方法很不統(tǒng)一。榆林地區(qū)位于黃土高原和毛烏素沙漠的交接地帶,生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴(yán)重,大體以長城為界,西北部是屬于毛烏素沙漠的風(fēng)沙灘地區(qū),東南部是屬于黃土高原的黃土丘陵溝壑區(qū),本文基于GIS,利用加權(quán)和法,分析了榆林地區(qū)水土流失敏感性的時空特征。

1　研究區(qū)域概況

榆林地區(qū)位于陜西省最北部,東經(jīng)107°15′到111°15′, 北緯36°57′到39°35′之間, 總面積43 578 km2。地貌上可分為兩大單元,即位于毛烏素沙漠南緣的風(fēng)沙灘地區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū),二者大體以長城為界,毛烏素沙漠南緣的風(fēng)沙灘地區(qū)屬鄂爾多斯高原的一部分,黃土丘陵溝壑區(qū)屬黃土高原的一部分。榆林氣候?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫10℃,年平均降水量400 mm左右,年內(nèi)降水量多集中于6-9月份。榆林地區(qū)是陜西省唯一包括外流河和內(nèi)陸河流域的地市級區(qū)域。外流河全部屬于黃河水系,內(nèi)陸河分布在神木、定邊縣北部的沙漠閉流區(qū)。榆林主要土類有風(fēng)沙土、黃綿土、新積土、灰鈣土、栗鈣土、黑壚土、鹽土等。地帶性植被為干草原和森林草原。主要植被有森林、干草原、灌叢、草甸、沙生植被、鹽生植被等。榆林礦產(chǎn)資源極其豐富,有煤、天然氣、石油、鹽等,目前為陜北能源化工基地的核心區(qū)域,榆林轄1區(qū)11縣。

2　研究方法

在2000年、2005年和2010年遙感影像解譯得到的3期土地覆蓋圖的基礎(chǔ)上,把研究區(qū)域用10km×10km的網(wǎng)格進(jìn)行劃分,共分為527塊單元樣地,計算每塊樣地的水土流失敏感性指數(shù),然后在ArcGIS中用Kriging插值法進(jìn)行空間插值,得到榆林地區(qū)水土流失敏感性指數(shù)圖,在進(jìn)行水土流失敏感性評價時,考慮土壤質(zhì)地、地形起伏以及土地覆蓋3個因子,由于缺乏降水量資料,同時土地覆蓋本身間接地反映了降水量的大小,因而沒有考慮降水因素。首先把土壤質(zhì)地、地形起伏以及土地覆蓋3個因子進(jìn)行敏感性分級,各分為不敏感(1)、輕度敏感(2)、中度敏感(3)、高度敏感(4)和極度敏感(5)共5級(表1),然后計算每一樣地內(nèi)每一因子的敏感性指數(shù),其計算公式如下：

(1)

式中,sij為第j塊樣地水土流失某一因子i的敏感性指數(shù),sij值大表明敏感性高;cijk為j塊樣地內(nèi)第k級所占面積的比例,wik為因子i第k級的權(quán)重,不敏感的權(quán)重為0.05,輕度敏感的權(quán)重為0.1,中度敏感的權(quán)重為0.2,高度敏感的權(quán)重為0.25,極敏感的權(quán)重為0.4。按照上述公式分別計算出土壤質(zhì)地、植被、地形起伏度等3個單因子敏感性指數(shù)。其中地形起伏敏感性指數(shù)的計算是根據(jù)榆林地區(qū)DEM數(shù)據(jù),以5 km×5 km移動窗口為標(biāo)準(zhǔn),獲取得到地形起伏度,并參考文獻(xiàn)[12]中的劃分指標(biāo)劃分為5個等級,按照等級權(quán)重指數(shù)計算得出527塊樣地的地形起伏度敏感性指數(shù)。

表1　榆林地區(qū)土壤質(zhì)地、地形起伏和土地覆蓋敏感性分級標(biāo)準(zhǔn)

再計算每一樣地內(nèi)水土流失敏感性指數(shù),其公式如下:

(2)

式中:xj為第j塊樣地水土流失敏感性指數(shù),xj值大表明敏感性高;sij為j塊樣地i因子敏感性指數(shù),wi為i因子的權(quán)重,其中地形起伏度因子的權(quán)重為0.4,土壤質(zhì)地因子的權(quán)重為0.2,土地覆蓋因子的權(quán)重為0.4。

在作水土流失敏感性指數(shù)插值圖時先采用自然斷點(diǎn)法,把敏感性指數(shù)分為10級作圖,以顯示敏感性指數(shù)的空間分布,然后根據(jù)計算結(jié)果,結(jié)合該研究區(qū)實(shí)際,把敏感性分為5級，以反映敏感性相對大小。敏感性指數(shù)小于0.1為不敏感,[0.1～0.2)為輕度敏感,[0.2～0.24)為中度敏感,[0.24～0.28)為高度敏感,敏感性指數(shù)等于大于0.28為極度敏感。

3　結(jié)果與分析

2000年,榆林地區(qū)水土流失敏感性指數(shù)在0.186 3～0.323之間(圖1a),東南部及東北部地區(qū)敏感性指數(shù)較高,西部及中部地區(qū)敏感性指數(shù)較低。子洲縣、清澗縣、綏德縣、米脂縣和吳堡縣,其敏感性指數(shù)在0.220 7～0.312 8之間;神木縣的高家堡鎮(zhèn)、欄桿堡鎮(zhèn)、大柳塔鎮(zhèn)等,其敏感性指數(shù)在0.238 3～0.319 6之間;府谷縣的大昌汗、老高川等,其敏感性指數(shù)在0.262～0.295之間。其余地區(qū)敏感性指數(shù)較低。

2005年,榆林地區(qū)水土流失敏感性指數(shù)在0.171 5～0.319 4之間(圖1b),東南部、中部榆陽區(qū)及東北部敏感性指數(shù)較高;西部及中東部地區(qū)指數(shù)較低。子洲縣、清澗縣、綏德縣、米脂縣和吳堡縣其敏感性指數(shù)在0.215～0.319 4之間;神木縣的高家堡鎮(zhèn)、欄桿堡鎮(zhèn)、錦界鎮(zhèn)、爾林兔鎮(zhèn)、孫家岔鄉(xiāng)、大柳塔鎮(zhèn)等,其敏感性指數(shù)在0.239 5～0.309 7之間;府谷縣的大昌汗、麻鎮(zhèn)、黃甫、墻頭等,其敏感性指數(shù)在0.255 2～0.305 8之間;榆陽區(qū)的榆陽鄉(xiāng)、青云鄉(xiāng)、劉千河鄉(xiāng)、牛家梁鎮(zhèn)等,其敏感性指數(shù)在0.237 2～0.298 8之間,這些地區(qū)水土流失敏感性指數(shù)較高,其余地區(qū)敏感性指數(shù)較低。

2010年,榆林地區(qū)水土流失敏感性指數(shù)在0.147 2～0.335 2之間(圖1c),東南部及東北部地區(qū)敏感性指數(shù)較高,西部及中部地區(qū)敏感性指數(shù)較低。子洲縣、清澗縣、綏德縣、米脂縣和吳堡縣敏感性指數(shù)在0.228 3～0.335 2之間;神木縣的欄桿堡鎮(zhèn)、王家墩、武家莊、大柳塔鎮(zhèn)、孫家岔鄉(xiāng)等,其敏感性指數(shù)在0.266 9～0.305 4之間;府谷縣的大昌汗、老高川、廟溝門等,其敏感性指數(shù)在0.267 1～0.303 7之間;榆陽區(qū)的榆陽鄉(xiāng)、青云鄉(xiāng)等,其敏感性指數(shù)在0.250 7～0.302 7之間。

從敏感性分級圖(圖2)可看出,榆林地區(qū)主要是中度敏感、高度敏感和極度敏感3個級別,無不敏感級別。2000年,中度敏感區(qū)的面積占全區(qū)域面積的31.33%,主要分布在西部的定邊和靖邊,以及東部的佳縣大部分地區(qū)。高度敏感區(qū)的面積占51.808%,主要分布在東北部的神木和府谷、中部的榆陽和橫山、東南部的米脂、吳堡。極度敏感區(qū)面積占16.862%,主要分布在東南部的清澗、綏德、子洲,東北部神木的大柳塔、欄桿堡,府谷的大昌汗、麻鎮(zhèn)、墻頭等地。2005年中度敏感區(qū)的面積占全區(qū)域面積的35.876%, 主要分布在西部的定邊和靖邊及東部的佳縣,中部的橫山。高度敏感區(qū)的面積占48.153%,分布同2000年,只是中部的橫山縣2000年主要是高度敏感區(qū),而2005年有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為中度敏感區(qū)。極度敏感區(qū)占15.971%,主要分布在東南部的清澗、綏德、子洲,東北部神木的大柳塔、爾林兔、府谷的大昌汗、麻鎮(zhèn)、墻頭等地。2010年,輕度敏感區(qū)占全區(qū)域面積的0.229%,主要分布在定邊縣的西北部。中度敏感區(qū)的面積占全區(qū)域面積的28.047%,主要分布在定邊和靖邊。高度敏感區(qū)面積占44.176%,主要分布在佳縣、橫山、榆陽以及神木。極度敏感區(qū)面積占27.548%,主要分布在東南部的清澗、綏德、子洲、米脂、吳堡,東北部神木的大柳塔、孫家岔、永興、欄桿堡、瓦羅等地,府谷的大部分地區(qū)。

圖1　榆林地區(qū)2000年(a)、2005年(b)和2010年(c)水土流失敏感性指數(shù)的空間分布Fig.1　Spatial distribution of soil and water loss sensitivity index of Yulin in 2000(a), 2005(b) and 2010(c)

可見,從2000年到2005年,中度敏感區(qū)面積略有上升,而高度敏感區(qū)面積和極度敏感區(qū)面積略有下降。從2005年到2010年,中度敏感區(qū)面積和高度敏感區(qū)面積有所下降,而極度敏感區(qū)增加較多。從2000年到2010年總體情況來看,中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)面積有所減少,而極度敏感區(qū)面積有所增加,尤其是府谷和神木的極度敏感區(qū)面積增加較多,東南部的極度敏感區(qū)面積也有所增加。且極度敏感區(qū)主要在黃土丘陵溝壑區(qū),總體來看,黃土丘陵溝壑區(qū)的敏感性增強(qiáng)了,變化最明顯的就是佳縣、橫山縣和府谷縣,佳縣大部分區(qū)域在2000年和2005年時是中度敏感范圍,而到2010年,全縣范圍處于高度敏感區(qū)范圍。橫山縣2000年中度敏感區(qū)范圍比較小,2005年中度敏感區(qū)范圍擴(kuò)大,高度敏感區(qū)范圍縮小,而到2010年,全縣絕大部分處于高度敏感區(qū)范圍,中度敏感區(qū)范圍縮小。府谷縣在2000及2005年大部分地區(qū)處于高度敏感區(qū),而到了2005年,大部分地區(qū)處于極度敏感區(qū)。

圖2　榆林地區(qū)2000年(a)、2005年(b)和2010年(c)水土流失敏感性分布Fig.2　Spatial distribution of soil and water loss sensitivity of Yulin in 2000(a), 2005(b) and 2010(c)

榆林地區(qū)氣候干旱,降水稀少,生態(tài)環(huán)境脆弱,除了自然原因外,就是人為因素,作為人為因素,對榆林地區(qū)影響最大的主要是兩個方面,一是退耕還林還草政策的實(shí)施,另一個是陜北能源化工基地的建設(shè)。原國家計委于2003年3月正式批準(zhǔn)陜北能源化工基地在榆林啟動建設(shè)以來,榆林就大規(guī)模招商引資,目前已形成榆林經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、神府經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),榆神煤化工業(yè)園區(qū)、榆橫煤化工業(yè)園區(qū)、府谷煤電化工業(yè)園區(qū)、綏米佳鹽化工業(yè)園區(qū)、靖邊煤油氣綜合利用產(chǎn)業(yè)園及吳堡煤焦化工業(yè)園區(qū)的“兩區(qū)六園”格局。2010年以前的10年內(nèi),累計建成各類重點(diǎn)項(xiàng)目70個,完成投資1 260億元,投資在100億元以上的在建、前期大型產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目達(dá)12個,僅2009年一年就組織實(shí)施了90個重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目,50個重大前期項(xiàng)目,有6個項(xiàng)目建成投產(chǎn)。根據(jù)榆林工業(yè)發(fā)展空間布局示意圖,榆林工業(yè)園區(qū)多達(dá)26個,其中2個位于定邊和靖邊縣境內(nèi),其余24個都集中在其他縣區(qū)?？梢娮?003年以來,榆林的能源化工基地建設(shè)如火如荼。退耕還林還草,有利于生態(tài)環(huán)境的改善,而大規(guī)模建設(shè)與礦產(chǎn)資源的開發(fā),特別是近10年來,隨著神木錦界、店塔、大柳塔、府谷新民、廟溝門、榆陽魚河、鎮(zhèn)川、牛家梁和曹家灘等26個大型工業(yè)園區(qū)、開發(fā)區(qū)建設(shè)突飛猛進(jìn),290個能源重化工企業(yè)的重大項(xiàng)目及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)紛紛上馬,幾乎遍布整個區(qū)域,由于盲目資源開發(fā)及園區(qū)建設(shè),使本來就非常脆弱的生態(tài)環(huán)境雪上加霜,據(jù)研究,該地區(qū)僅煤田開發(fā)一項(xiàng)就造成1.73×104hm2的植被被毀,新增沙漠化土地近2.0×104hm2。另據(jù)典型調(diào)查,榆陽區(qū)小壕兔鄉(xiāng)因礦區(qū)大量抽取地下水,居民原有2～3m深的飲用水井如今挖至10m多深才能見到水,一些梁峁區(qū)的防護(hù)林因地下水位下降出現(xiàn)枯死的現(xiàn)象嚴(yán)重。盡管陜北能源化工基地建設(shè)是本著把資源開發(fā)好,把生態(tài)保護(hù)好的原則,但礦產(chǎn)資源開發(fā)尤其是地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)不可避免的會破壞地下水體系,也因而必然殃及到地表水系統(tǒng),同時大量的開發(fā)建設(shè)者蜂擁而至,無疑增加了該區(qū)域的負(fù)擔(dān),使原本承載力比較小的自然環(huán)境更是不堪重負(fù),勢必增加水土流失的風(fēng)險,增強(qiáng)水土流失的敏感性。因此,如何協(xié)調(diào)脆弱的生態(tài)與開發(fā)建設(shè)之間的矛盾,如何走可持續(xù)發(fā)展的道路,是各級部門應(yīng)該深思的問題。

4　結(jié)　論

1)2000年,榆林地區(qū)水土流失敏感性指數(shù)在0.186 3～0.323之間,2005年,水土流失敏感性指數(shù)在0.171 5～0.319 4之間,2010年,水土流失敏感性指數(shù)在0.147 2～0.335 2之間。

2)從2000年到2010年,榆林地區(qū)無不敏感區(qū),主要屬于中度、高度和極度敏感區(qū),中度敏感性和高度敏感性面積減少了,極度敏感區(qū)面積增加了?？傮w說來,東北部和東部敏感性高于西部。礦產(chǎn)資源的開發(fā)以及能源化工基地的建設(shè)會進(jìn)一步增強(qiáng)水土流失的敏感性。

3)退耕還林還草政策的實(shí)施增大了林草覆蓋率,有利于水土保持,使水土流失敏感性降低,而礦產(chǎn)資源的開發(fā)和能源化工基地建設(shè)等人為活動的增強(qiáng)又增大了水土流失的敏感性。

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(編輯徐象平)

Spatial-temporal characteristics of sensitivity to soil and water loss in Yulin, China

LI Tuan-sheng1, SHI Xiao-hui1, KANG Huan-huan1, SHI Yu-qiong2,YAN Ying1

(1.College of Earth Science and Resources, Chang′an University, Xi′an 710054, China;2.College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

Yulin was divided into 527 units by 10km×10km grids. The index of sensitivity to soil and water loss for each unit was calculated by weighted sum method, and then interpolated by Kriging in Arcgis in order to analyze the spatial-temporal characteristics of sensitivity to soil and water loss in Yulin. The results showed that there is no insensitive level in Yulin. In 2000, 31.33% of the total area was moderate level, 51.808% of the total area being high level, 16.862% of the total area being extreme level. In 2005, 35 876% of the total area was moderate level, and 48.153% of the total area being high level, 15.971% of the total area being extreme level. In 2010, 0.229% of the total area was mild level, 28.047% of the total area being moderate level, 44.176% of the total area being high level, 27.548% of the total area, extreme level. All in all, sensitivity to soil and water loss is high in the east and low in the west part. The area of moderate and high sensitivity to soil and water loss decreased, and that of extreme sensitivity increased from 2000 to 2010.

soil and water loss; sensitivity; land cover; relief; soil texture; Yulin

2015-03-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31140042)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃基金資助項(xiàng)目(2009JM5004)；陜西省軟科學(xué)計劃基金資助項(xiàng)目(2007RK21); 長安大學(xué)中央高校基金資助項(xiàng)目(2013G1271102)

李團(tuán)勝，男，陜西武功人，博士，教授，從事生態(tài)環(huán)境與土地利用研究。

P941.73；Q149

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-020