陜北洛河流域降水和植被變化對(duì)土壤侵蝕的影響

王 濤

(1.西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710054； 2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

土壤侵蝕是世界范圍內(nèi)重要的生態(tài)環(huán)境問題，關(guān)系到人類的生存及發(fā)展，受到廣泛關(guān)注[1-3]。黃土高原是我國乃至世界范圍內(nèi)土壤侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，被研究程度較深[4-6]。在前人不斷認(rèn)識(shí)、積累的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，治理黃土高原土壤侵蝕最為有效的2種方法分別為(1)工程措施，如淤積壩修筑[7-9]；(2)生物措施，保土保水植被的重建，如退耕還林還草工程實(shí)施引起的坡耕地植被變化[10-11]。這些措施的實(shí)施，取得了較好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效果[12-14]，為世界同類型區(qū)域土壤侵蝕治理提供了借鑒。

氣候變化已經(jīng)成為當(dāng)今的熱點(diǎn)問題，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC)多次報(bào)告反復(fù)強(qiáng)調(diào)和指出，過去全球氣溫逐步升高，降水變率增大，未來不管在任何情景下，氣溫增高和降水變率增大的趨勢(shì)不會(huì)改變，人類的有限措施，僅能夠起到減緩作用，并不能阻止氣候變暖[15-16]。這對(duì)黃土高原土壤侵蝕研究提出了新的問題，即淤積壩建設(shè)、植被生態(tài)重建等均要面臨未來降水變率增大的問題，并且是面對(duì)降水強(qiáng)度增大的威脅[17-18]，已有的水土治理措施是否能夠抵御未來降水強(qiáng)度增大的影響，是一個(gè)值得深入研究的問題。

在黃土高原土壤侵蝕研究中，學(xué)者們更多地關(guān)注的是人類活動(dòng)的影響，主要是人為干預(yù)下的區(qū)域植被生態(tài)重建過程，如試驗(yàn)田沿坡面生態(tài)重建的植被類型選擇[19-20]、退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)區(qū)域土壤侵蝕的影響[21-22]以及生態(tài)林與經(jīng)濟(jì)林建設(shè)對(duì)土壤侵蝕的影響[23-24]。降水作為一個(gè)不可控因素，在土壤侵蝕過程中，尤其是在全球氣候變暖導(dǎo)致的未來降水變率增大的情況下，更應(yīng)受到廣泛重視[25]。由于關(guān)于陜北洛河流域土壤侵蝕的研究相對(duì)較少，本研究基于修正通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，簡稱RUSLE)模型，分析流域降水和植被變化(反映退耕還林還草工程實(shí)施效果)對(duì)土壤侵蝕的影響，定量區(qū)分土壤侵蝕的自然與人為因素作用，以期為合理調(diào)整人類活動(dòng)、科學(xué)制定未來土壤侵蝕應(yīng)對(duì)策略提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)

以位于陜北黃土高原的洛河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，地理范圍在107°33′～109°51′E、35°19′～37°19′N之間(圖1)，包括陜西省榆林市的定邊縣和靖邊縣部分區(qū)域，陜西省延安市的吳起縣、志丹縣、甘泉縣、富縣、黃陵縣、洛川縣以及黃龍縣部分區(qū)域，總面積約為17 969 km2。流域內(nèi)海拔為688～1 900 m，西北部地勢(shì)較高，中部洛河河谷區(qū)域地勢(shì)較低。屬黃土丘陵溝壑地貌，南部區(qū)域的植被覆蓋高于北部區(qū)域，且南部區(qū)域以林地為主，而北部區(qū)域以草地為主。流域所在區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為14.1 ℃，年均降水量為 533 mm，降水主要集中在夏秋季節(jié)，夏秋季的集中降水、地表植被覆蓋狀況以及地勢(shì)、土壤類型等決定了洛河流域是土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本研究使用數(shù)據(jù)包括(1)洛河流域30 m分辨率數(shù)字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)，下載自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http：//www.gscloud.cn)。(2)1990—2014年5個(gè)氣象站點(diǎn)(定邊、吳起、延安、洛川、環(huán)縣，空間分布見圖1)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。(3)洛河流域比例尺為1 ∶50萬的土壤類型圖。(4)洛河流域250 m分辨率歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，簡稱NDVI)數(shù)據(jù)，下載自https：//ladsweb.nascom.nasa.gov。以上數(shù)據(jù)全部重采樣為30 m分辨率后，再進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算。

采用修正通用土壤流失方程計(jì)算陜北洛河流域土壤侵蝕模數(shù)，其中土壤侵蝕模數(shù)(A)由降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、坡度坡長因子(LS)、植被覆蓋因子(C)和水土保持措施因子(P)連乘得到，各因子的計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[26]，計(jì)算結(jié)果見圖2。

2 結(jié)果與分析

2.1 陜北洛河流域土壤侵蝕變化趨勢(shì)

通過查閱黃河水利委員會(huì)發(fā)布的《黃河泥沙公報(bào)》可知，陜北洛河流域狀頭水文站多年平均輸沙模數(shù)為2 850 t/(km2·年)，而計(jì)算獲得的近15年土壤侵蝕模數(shù)平均值為 3 213 t/(km2·年)，計(jì)算結(jié)果高出監(jiān)測結(jié)果12.74%，表明依據(jù)RUSLE模型計(jì)算得到的土壤侵蝕模數(shù)可用于進(jìn)一步分析。根據(jù)SL190—2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[27]，土壤侵蝕程度可被劃分為微度侵蝕[<1 000 t/(km2·年)]、輕度侵蝕[1 000～<2 500 t/(km2·年)]、中度侵蝕[2 500～<5 000 t/(km2·年)]、強(qiáng)烈侵蝕[5 000～<8 000 t/(km2·年)]、極強(qiáng)烈侵蝕[8 000～<15 000 t/(km2·年)]、劇烈侵蝕[≥15 000 t/(km2·年)]。統(tǒng)計(jì)自然狀態(tài)下，2000—2014年陜北洛河流域不同類型土壤侵蝕面積。

由圖3可知，2000—2014年研究區(qū)土壤侵蝕總體以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，其面積分別平均占區(qū)域總面積的64.93%、 21.36%，其余侵蝕類型的面積比例從大到小依次為中度侵蝕(9.05%)、強(qiáng)烈侵蝕(2.78%)、極強(qiáng)烈侵蝕(1.45%)、劇烈侵蝕(0.43%)。在變化趨勢(shì)上，微度侵蝕面積比例整體呈減少趨勢(shì)，平均減少速率為0.279 2%/年；輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例均整體呈增加趨勢(shì)，平均增加速率分別為0.086 6%/年、0.098 7%/年、0.045 7%/年、0.030 3%/年、0.017 9%/年。所有變化速率均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，表明未來該流域土壤侵蝕仍具有很大的不確定性。微度侵蝕面積比例減少，其他侵蝕類型面積比例增加，說明在研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)呈增加趨勢(shì)。

2.2 降水對(duì)土壤侵蝕的影響

在RUSLE模型中，僅R、C逐漸發(fā)生改變，而K、LS、P等因子基本不變，因此為了分析降水對(duì)土壤侵蝕的影響，消除C對(duì)土壤侵蝕計(jì)算結(jié)果的影響，假設(shè)2000—2014年C不變，以2000年的C進(jìn)行計(jì)算，即在C固定-R變化的情景下重新計(jì)算2000—2014年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)。

由圖4可知，2000—2014年研究區(qū)土壤侵蝕仍以微度侵蝕、輕度侵蝕為主，二者面積分別平均占區(qū)域總面積的63.36%、 21.87%，中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積分別平均占區(qū)域總面積的9.63%、3.05%、1.61%、0.48%。在變化趨勢(shì)上，微度侵蝕面積比例總體呈減少趨勢(shì)，平均減少速率為0.422 1%/年；輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例均呈增加趨勢(shì)，平均增加速率分別為0.118 2%/年、0.153 7%/年、0.075 6%/年、0.050 2%/年、0.024 5%/年。所有變化速率均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，表明在植被覆蓋因子固定的情景下，未來流域土壤侵蝕變化仍具有不確定性。該結(jié)果與研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)的土壤侵蝕自然變化過程和趨勢(shì)相同，表明植被覆蓋因子在RUSLE模型計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)過程中的作用較小，降水是研究區(qū)土壤侵蝕的主導(dǎo)因素，起到控制作用。

2.3 植被變化對(duì)土壤侵蝕的影響

在消除降雨侵蝕力因子對(duì)土壤侵蝕作用的條件下，通過RUSLE模型分析植被覆蓋因子對(duì)土壤侵蝕的影響。假設(shè)2000—2014年R不變，以2000年的R計(jì)算，即在R固定-C變化的情景下重新計(jì)算2000—2014年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)。

由圖5可知，2000—2014年研究區(qū)土壤侵蝕仍以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，二者面積分別平均占區(qū)域總面積的70.87%、 19.38%，中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積分別平均占區(qū)域總面積的6.85%、1.80%、0.88%、0.22%。在變化趨勢(shì)上，僅微度侵蝕面積比例呈增加趨勢(shì)，平均增加速率為0.136 6%/年，通過了0.001水平的顯著性檢驗(yàn)(P<0.001)；輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例均呈減少趨勢(shì)，平均減少速率分別為 0.061 6%/年、0.049 0%/年、0.017 1%/年、0.007 5%/年、 0.001 3%/年，除極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕分別通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)外，其他侵蝕類型均通過0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。該結(jié)果與自然狀態(tài)、C固定-R變化情景下土壤侵蝕狀況相比，發(fā)生較大改變，即除微度侵蝕面積比例增加外，其他侵蝕類型面積比例均減少，說明該情景下研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)呈減少趨勢(shì)。

2.4 降水和植被變化對(duì)土壤侵蝕的影響

降水和植被變化對(duì)土壤侵蝕的影響是自然和人為因素對(duì)土壤侵蝕影響研究的重要內(nèi)容，尤其是退耕還林還草工程的實(shí)施，是人類活動(dòng)通過改變地表狀況影響土壤侵蝕的重要途徑與措施[28-29]。根據(jù)2000—2015年《陜西統(tǒng)計(jì)年鑒》可知，陜西省退耕造林面積共計(jì)11 468.9 km2，其中陜北洛河流域所在的延安地區(qū)，總體退耕造林面積為2 745.1 km2，退耕幅度較大。

利用自然狀態(tài)下和C固定-R變化、R固定-C變化2種情景下，2000—2014年不同類型土壤侵蝕面積比例、變化速率，并進(jìn)一步計(jì)算得到降水和植被覆蓋因子作用的大小。由表1可知，降水對(duì)流域土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到79.17%、72.90%的作用，其中降水作用導(dǎo)致微度侵蝕面積比例及其變化速率分別減少79.09%、74.42%，而導(dǎo)致輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例及其變化速率分別增加79.52%和82.42%、79.14%和72.87%、78.40% 和67.75%、78.08%和65.51%、80.77%和 74.42%，說明降水是流域土壤侵蝕的主導(dǎo)和控制因子，隨著降水的增強(qiáng)，流域土壤侵蝕模數(shù)將會(huì)進(jìn)一步增加。

植被覆蓋因子對(duì)流域土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到20.83%、27.10%的作用，其中植被覆蓋因子作用導(dǎo)致微度侵蝕面積比例及其變化速率分別增加20.91%、25.58%，而導(dǎo)致輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例及其變化速率分別減少20.48%和17.58%、20.86%和 27.13%、21.60%和32.25%、21.92%和34.49%、19.23%和25.58%，說明植被覆蓋因子作為人類活動(dòng)的典型代表，通過退耕還林還草工程的實(shí)施，流域植被覆蓋情況總體得到改善，能夠起到減少流域土壤侵蝕的作用。

表1 2000—2014年降水和植被變化對(duì)土壤侵蝕的影響

3 結(jié)論與討論

基于2000—2014年陜北洛河流域日降水、NDVI、DEM、土壤類型等數(shù)據(jù)，結(jié)合RUSLE模型，估算了該流域土壤侵蝕狀況，并定量分析了降水和植被變化對(duì)該流域土壤侵蝕的影響。結(jié)果表明，(1)自然狀態(tài)下，陜北洛河流域土壤侵蝕以微度侵蝕、輕度侵蝕為主，平均占區(qū)域總面積的86.29%，其他侵蝕類型占13.71%；2000—2014年流域土壤侵蝕模數(shù)呈增加趨勢(shì)，其中微度侵蝕面積比例減少，而其他侵蝕類型面積比例增加。(2)在植被覆蓋因子固定情景下，降水變化導(dǎo)致微度侵蝕面積比例減少，而其他侵蝕類型面積比例增加，總體變化過程與自然狀態(tài)下相似。降水固定情景下，植被覆蓋因子變化導(dǎo)致微度侵蝕面積比例增加，而其他侵蝕類型面積比例減少，總體變化過程與自然狀態(tài)下完全相反。說明降水是土壤侵蝕的主導(dǎo)與控制因子，而植被覆蓋因子作用相對(duì)較小，但當(dāng)不考慮降水作用時(shí)，改變地表植被覆蓋因子可以減少土壤侵蝕模數(shù)。(3)降水對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到79.17%、72.90%的作用，植被覆蓋因子對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到20.83%、27.10%的作用。

在坡度坡長因子、土壤可蝕性因子、水土保持措施因子相對(duì)不變的情況下，降雨侵蝕力因子和植被覆蓋因子成為影響土壤侵蝕的主要因子。當(dāng)前，陜北洛河流域土壤侵蝕正經(jīng)受著降水和植被覆蓋變化的雙重影響，氣候變暖引起的降水變率的增大、降水強(qiáng)度的增加以及退耕還林還草等生態(tài)建設(shè)與保護(hù)工程實(shí)施引起的地表植被覆蓋度的改善將對(duì)流域土壤侵蝕產(chǎn)生重要影響。退耕還林還草工程作為人類活動(dòng)的典型代表，具有較強(qiáng)的可控性、可操作性，對(duì)其分析與評(píng)價(jià)較多，得出的結(jié)論總體是減少土壤侵蝕。而降水作用更多的是引起土壤侵蝕模數(shù)增加，并且具有不可控的特點(diǎn)，采取何種措施與途徑應(yīng)對(duì)未來土壤侵蝕模數(shù)增加的問題，還須要深入研究。