新農(nóng)小流域植被恢復(fù)的土壤侵蝕效應(yīng)評(píng)估

劉益民

(沈陽(yáng)市水利科學(xué)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

土壤侵蝕是全球范圍內(nèi)的一個(gè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，其治理工作也是復(fù)雜，困難的。土壤侵蝕會(huì)對(duì)土地造成嚴(yán)重的損害，導(dǎo)致土壤退化和土地肥力下降的現(xiàn)象。土壤侵蝕還會(huì)造成河道阻塞，河庫(kù)淤塞等問(wèn)題，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)以及人類生活環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。在進(jìn)行土壤侵蝕治理中，最有效的措施就是進(jìn)行植被恢復(fù)[1]。植被恢復(fù)減少土壤侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生主要有三個(gè)原因：一是樹(shù)冠可以減少雨滴的動(dòng)力勢(shì)能，減少雨滴對(duì)地面的直接沖擊。二是植被的根系，可以起到固化土壤的作用，減弱土壤侵蝕現(xiàn)象[2]。三是落葉覆蓋在土地表面，可以有效的減少地面徑流對(duì)土壤的沖擊力。新農(nóng)小流域經(jīng)過(guò)工程建設(shè)和植被恢復(fù)，有效的減弱了土壤侵蝕現(xiàn)象，對(duì)植被恢復(fù)的土壤侵蝕效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估可以為水土保持和植被建設(shè)積累豐富的經(jīng)驗(yàn)[3]。

1960年，國(guó)外學(xué)者在對(duì)美國(guó)的土壤進(jìn)行研究之后，建立了土壤流失方程，隨后在進(jìn)行土壤侵蝕研究中，土壤流失方程發(fā)揮了巨大的作用[4-6]。隨著人們生態(tài)保護(hù)意識(shí)的提高，我國(guó)對(duì)土壤侵蝕的研究也逐漸邁向正規(guī)化，我國(guó)的學(xué)者專家根據(jù)我國(guó)的土壤特性，對(duì)土壤流失方程的部分參數(shù)進(jìn)行了本土化處理，形成了RUSLE修正土壤流失方程，該方程在我國(guó)的土壤侵蝕研究中發(fā)揮了巨大的作用。本文就是根據(jù)RUSLE模型和GIS技術(shù)來(lái)測(cè)定在植被恢復(fù)前后新農(nóng)小流域土壤侵蝕效應(yīng)，探究植被恢復(fù)對(duì)土壤侵蝕的影響。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 新農(nóng)小流域概況

新農(nóng)小流域位于新民市東北部，隸屬于新農(nóng)鄉(xiāng)境內(nèi)。小流域總面積17.63 km2，有水土流失面積0.833 km2，占總面積的4.72%，其地貌屬于該低山丘陵區(qū)，有風(fēng)沙土和砂礫巖石，該流域平地土層較厚，土層一般在60～160 cm之間，丘陵山坡上土層較薄，有部分石質(zhì)。屬于半干旱季風(fēng)大陸性氣候，四季分明，雨熱同季，多風(fēng)少雨。該地區(qū)的特點(diǎn)是春季風(fēng)大干旱、夏季炎熱多雨、秋季涼冷早霜、冬季嚴(yán)寒干燥[7]。該流域降水比較集中，日照比較充足，溫差較大。平均溫度為7.5℃,最熱是7月份。平均溫度為22℃～23℃，最高溫度為35.3℃，最冷是1月份，平均氣溫為-8.9℃～11.8℃,最低氣溫為-30.4℃,該地區(qū)平均降雨量為570 mm,降雨主要集中在7—9月份，全年無(wú)霜期為154 d，多年平均徑流75 mm，最大凍土深度1.2 m。該流域有溝壑面積160 hm2，占總面積的0.67%，溝壑密度為1.5 km/km2，此流域大多數(shù)為小支溝和毛溝，多為V型溝。該流域地形平坦，小于5度的20 082 hm2，占總面積的100%。小流域林地多為人造林，樹(shù)種主要為楊樹(shù)，有少部分刺槐、柳樹(shù)和少許果樹(shù)，該流域林草覆蓋率占土地面積11.5%。侵蝕類型主要為輕度水力侵蝕，有侵蝕面積0.833 km2，土壤侵蝕模數(shù)1 000～1 800 T/km2·a。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)的采集

本文對(duì)降水量的數(shù)據(jù)采集是來(lái)自中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中新民市2007-2015年的平均降水量。由于新農(nóng)小流域的土壤變化較小，本評(píng)估跨度時(shí)間不長(zhǎng)，所以采用2011年土壤可蝕性參數(shù)作為模型的土壤參數(shù)。DEM圖像的產(chǎn)生是將地形圖經(jīng)過(guò)Arcgis10.2進(jìn)行矢量處理，之后利用插值產(chǎn)生具有合適分辨率的DEM。收集所有數(shù)據(jù)之后，通過(guò)Excel軟件和Arcgis10.2平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到各年份的土壤變化特征。

1.2.2 計(jì)算方法

RUSLE模型的建立和五個(gè)因素有關(guān)：地區(qū)的降水量，土壤的可蝕性數(shù)據(jù)，地形因素，作物因素以及水土保持措施因素。方程式表達(dá)為：

A=R×K×LS×C×P

公式中A代表年土壤平均侵蝕量，單位用[t/(hm2·a)]表示

降雨侵蝕力R:降雨侵蝕力的計(jì)算方法是：

R=αPβ

式中：P表示地區(qū)的年平均降水量，α，β是模型參數(shù)。

K:土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因數(shù)是在根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)定的土壤數(shù)據(jù)的技術(shù)上，利用公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的方法為：

在公式中SANd為土壤中的沙粒含量；SILi為土壤中粉粒的含量；CLAi為黏粒含量；C表示土壤中有機(jī)質(zhì)的含量。

LS：地形因子。陡坡的一些物理量對(duì)土壤侵蝕的影響也是比較大的，陡坡的長(zhǎng)度和坡度都是影響土壤侵蝕的因素。

C:代表植被覆蓋因子。P:代表水土保持措施因子

在日常生活中，我們知道沒(méi)有植被覆蓋的土地比有植被覆蓋的土地更容易發(fā)生土壤侵蝕現(xiàn)象，科學(xué)研究也證明植被覆蓋是影響土壤侵蝕的一個(gè)重要因素[8]。在進(jìn)行土壤侵蝕評(píng)估的過(guò)程中，一種地形的植被覆蓋因子用一個(gè)常數(shù)表示，水壩地區(qū)為0.31，農(nóng)耕地為0.31，草地為0.06，不同地形的因子常數(shù)是不同的。

水土保持措施因子是用數(shù)字表達(dá)對(duì)土壤改造之后對(duì)土壤侵蝕的影響。修建工程或者植樹(shù)造林都會(huì)改變水土保持措施因子。該因子在0～1之間變化，數(shù)據(jù)越小，表示水土保持措施越完善[9]。

2 結(jié)果分析

2.1 降雨侵蝕力的變化

在土壤容易受水流侵蝕的地區(qū)，降雨侵蝕力是影響土壤侵蝕的重要原因。降雨侵蝕力主要的和雨水有關(guān)，降雨量的大小，雨滴的大小以及降雨的類型都會(huì)對(duì)降雨侵蝕力造成影響。本文對(duì)新農(nóng)小流域的2007-2015年的年平均降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在進(jìn)行植被恢復(fù)之前的平均降水量為637 mm,植被恢復(fù)之后為664 mm,經(jīng)計(jì)算之后得到降雨侵蝕力分別為：2 229.53 MJ·mm·hm2·(h·y)-1,2 324.69 mm·hm2·(h·y)-1。

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度的變化

土壤侵蝕強(qiáng)度的概念是在單位面積內(nèi)，土壤在外力的作用下與土壤母質(zhì)的分離與位移程度。根據(jù)RUSLE模型，在經(jīng)過(guò)ARCGIS10.2平臺(tái)處理之后，根據(jù)《土壤侵蝕分類級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)流域的土地進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度分級(jí)。

通過(guò)分析，我們可以知道，在進(jìn)行植被恢復(fù)前后，土壤侵蝕強(qiáng)度是在空間上是發(fā)生了巨大的變化。在進(jìn)行植被恢復(fù)之后，發(fā)生強(qiáng)烈侵蝕的土壤面積變小了，發(fā)生強(qiáng)烈侵蝕的土壤侵蝕強(qiáng)度逐漸減小。在植被恢復(fù)之前，3類土壤侵蝕強(qiáng)度的土地面積占全部面積的26.54%，在進(jìn)行植被恢復(fù)使，當(dāng)年3類土壤侵蝕強(qiáng)度的土地面積占全部面積的44.2%，植被恢復(fù)工作完成之后，經(jīng)過(guò)環(huán)境的自我恢復(fù)，3類土壤侵蝕強(qiáng)度的土地面積占全部面積的51.2%。數(shù)據(jù)表明，植被恢復(fù)是有利于改善土壤侵蝕狀況的。

2.3 土地利用類型的轉(zhuǎn)變對(duì)土壤侵蝕度的影響

治理項(xiàng)目實(shí)施后將合理利用土地資源，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，治理期末建成經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)合理，效益顯著的新農(nóng)村。小流域治理前總面積1 763 hm2。其中農(nóng)業(yè)用地1 080 hm2，林業(yè)用地126 hm2，牧業(yè)用地202 hm2、漁業(yè)用地20 hm2、草地2 hm2、其他用地305 hm2(工礦、居民、發(fā)展用地、道路等).調(diào)整后項(xiàng)目總面積為1 763 hm2，農(nóng)業(yè)農(nóng)地986 hm2、林業(yè)用地423 hm2、牧業(yè)用地103 hm2，漁業(yè)用地16 hm2、草地52 hm2，其他用地183 hm2。為了試驗(yàn)土地類型的變化對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)人員選取2007，2012,2015三年的土地類型分布狀況進(jìn)行研究。利用ARCGIS10.2平臺(tái)對(duì)土壤侵蝕輕度的柵格圖和土壤利用柵格圖進(jìn)行疊加分析，。

在進(jìn)行植被恢復(fù)之前，土地侵蝕主要以強(qiáng)烈侵蝕為主，2007年，強(qiáng)度侵蝕以上等級(jí)土地侵蝕面積占總面積的49%，在進(jìn)行初步植被恢復(fù)之后，2012年強(qiáng)度侵蝕以上等級(jí)只占26%，之后土壤侵蝕現(xiàn)象得到有效治理，強(qiáng)度以上侵蝕土壤面積趨于穩(wěn)定，并逐漸減小。

2.4 土壤侵蝕強(qiáng)度的坡度分析

土地坡度對(duì)土壤侵蝕也具有一定的影響，按照統(tǒng)一的規(guī)定，在進(jìn)行土地坡度對(duì)土壤侵蝕造成的影響時(shí)，我們把坡度分為四個(gè)等級(jí)，15度以下，15～25度，25～35度，35度以上，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)2007,2011,2015三個(gè)年份，不同坡度土壤的侵蝕情況進(jìn)行研究，得到數(shù)據(jù)，如表一所示。從表中我們可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行植被恢復(fù)之前，土壤侵蝕主要以強(qiáng)度侵蝕以上為主且多發(fā)生在坡度比較高的地區(qū)。在進(jìn)行植被恢復(fù)之后，土壤的侵蝕強(qiáng)度發(fā)生變化，以輕微土壤侵蝕為主，25度以下地區(qū)土壤侵蝕面積增大。

表1 植被恢復(fù)前后不同坡度侵蝕強(qiáng)度區(qū)面積比對(duì)比表

3 結(jié)語(yǔ)

本文就新農(nóng)小流域的植被恢復(fù)工程對(duì)土壤的侵蝕效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，2010年開(kāi)始，新農(nóng)流域開(kāi)始對(duì)土地侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行整治，2012年整治工作全部結(jié)束，整治措施包括積極的執(zhí)行植樹(shù)造林，改善土地使用類型，完成1號(hào)、Ⅱ號(hào)兩條溝道綜合治理。本文對(duì)新農(nóng)流域的基本狀況進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，之后收集降水量，土壤可蝕性參數(shù)等數(shù)據(jù)作為基本評(píng)估條件，建立RUSLE修正模型，利用ARCGIS10.2技術(shù)對(duì)新農(nóng)小流域的土壤侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行全面的評(píng)估，利用植被恢復(fù)前后的土地圖片和土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。評(píng)估結(jié)果顯示通過(guò)植樹(shù)造林，改變土壤利用類型，修建塘壩，護(hù)坡等方式是可以對(duì)土壤侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行治理的，新民流域的土壤侵蝕工作是卓有成效的。當(dāng)然在評(píng)估的過(guò)程中，由于存在一些不確定因素，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算造成一定的偏差，如在評(píng)估坡度土地對(duì)土壤侵蝕的影響時(shí)，土壤的重力也會(huì)造成一定的影響，統(tǒng)計(jì)降雨量的時(shí)候，由于新農(nóng)流域的降雨記錄不完全，部分?jǐn)?shù)據(jù)參考周邊地區(qū)的降水量。這也是這次評(píng)估中的不足之處。

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