黃土高原典型區(qū)土壤保持服務效應研究

周日平

(中煤地質集團北京大地高科地質勘查有限公司，北京 100040)

0 引言

土壤侵蝕在陸地生態(tài)系統(tǒng)普遍存在，是全球最嚴重的環(huán)境問題之一[1]。減緩或控制土壤侵蝕一直是世界性的課題[2]。黃土高原地處于半濕潤、半干旱和干旱區(qū)的過渡帶[3]，是我國乃至全球水土流失最嚴重[4]、土壤侵蝕規(guī)律最復雜的地區(qū)之一[5]。為了遏制嚴重的水土流失，中國政府采取了調整土地利用結構、恢復植被、改進耕作方式、在坡面修建梯田以及在溝道修建淤地壩等一系列水土保持措施[6-8]，其中20世紀90年代以來，植被恢復措施和大范圍的植樹造林使得植被覆蓋顯著增加。截止2010年，造林面積約9.68萬km2，使黃土高原土地覆被由水土流失較為嚴重的耕地，尤其是坡耕地等，陸續(xù)轉變?yōu)樗帘３止δ軓姷牟莸睾土值?，區(qū)域土壤侵蝕狀況得到了顯著改善[9-11]，進而使得黃河下游的徑流量和輸沙量顯著減少[12-14]。按照2010年12月國務院發(fā)布的全國主體功能區(qū)劃，黃土高原中部地區(qū)是我國“兩屏三帶”生態(tài)安全建設的重要組成部分，定量分析黃土高原生態(tài)屏障區(qū)退耕還林還草背景下的土壤侵蝕時空動態(tài)以及對流域泥沙的影響，不僅有助于揭示黃土高原侵蝕環(huán)境的演變規(guī)律，也可為黃土高原生態(tài)建設和黃土泥沙的治理提供理論依據(jù)。

運用模型的方法開展定量測度是土壤侵蝕研究的常用手段[15]。20世紀60年代，美國學者Wischmeier等[16]最早建立了通用土壤流失方程(universal soil loss equation，USLE)。隨著農(nóng)業(yè)開發(fā)的需要，1993年美國農(nóng)業(yè)部對USLE的局限性進行修正，研發(fā)了RUSLE(revised universal soil loss equation)模型[17]。Prasannakumar等[18]將RUSLE模型與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術相結合對印度的Siruvani流域進行了土壤侵蝕風險評估； Asis等[19]將RUSLE模型與線性光譜混合分析方法相結合對菲律賓拉梅薩流域進行了土壤侵蝕評估； 卜兆宏等[20]基于RUSLE模型的結構，引入遙感數(shù)據(jù)開發(fā)出了與RUSLE模型相媲美的水土流失定量遙感方法； Liu等[21]以USLE/RUSLE為基礎，通過研究坡面侵蝕量預報經(jīng)驗模型后，建立了適用于全中國土壤流失預報方程； 江忠善等[22]將溝間地與溝谷地區(qū)別對待，分別建立了與之對應的侵蝕模型。20世紀90年代相繼出現(xiàn)了很多基于土壤侵蝕過程的物理模型，其中以美國的WEPP(water erosion prediction project)[23]模型最具代表性，分布式模型則以SHE(system hydrologic european)[24]最為典型，但由于土壤侵蝕過程的物理模型和分布式模型需要眾多參數(shù)，它們的實用性均有所受限。而RUSLE模型從與土壤侵蝕密切相關因子出發(fā)(如降雨因子、植被覆蓋和地形因子等)研究土壤侵蝕與這些因子的關系。該模型因操作簡單，計算方便，加之隨著RS和GIS的迅猛發(fā)展，是目前應用最廣泛、具有較好實用性的土壤流失遙感定量模型[25-27]，并且在我國黃土高原地區(qū)應用廣泛。

本文以黃土高原生態(tài)屏障區(qū)為研究對象，采用RUSLE模型，定量評估黃土高原典型區(qū)土壤侵蝕時空變化特征以及不同植被覆蓋區(qū)和退耕還林還草區(qū)域土壤侵蝕狀況，并且利用點面結合的方法，探討區(qū)域生態(tài)建設的生態(tài)效益，以期對黃土高原山水林田湖草綜合治理提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

我國黃土高原生態(tài)屏障區(qū)地理位置為E105°1′～112°21′，N34°01′～38°13′，面積約11.67萬km2，占黃土高原總面積的19.5%。行政區(qū)域共涉及山西省、陜西省、甘肅省和寧夏回族自治區(qū)等4個省區(qū)的60個區(qū)縣，如圖1所示。

圖1 黃土高原生態(tài)屏障區(qū)研究范圍

該地區(qū)地處黃河中游丘陵溝壑地帶，境內有黃河穿流而過，支流交錯，溝壑縱橫，地形破碎，平均海拔為1 400 m，年均降雨量為400～776 mm，年內降雨分布不均，60%～70%的降雨量集中在6—9月份，且以暴雨為主； 土地類型以黃綿土為主，土質疏松，易于侵蝕，是我國水土流失的嚴重地區(qū)之一，也是退耕還林還草的主要地區(qū)。該區(qū)地帶性植被類型是森林草原帶，分布有黃龍山和子午嶺等森林，是我國土壤保持重要功能區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

采用的氣象數(shù)據(jù)是來自中國國家氣象信息中心(https: //data.cma.cn/)的2000—2010年全中國776個氣象站點年、月平均降雨量，該數(shù)據(jù)用于計算降雨侵蝕力因子； 土壤類型數(shù)據(jù)為來自國家土壤信息服務平臺(http: //www.soil.csdb.cn)的中國1∶ 100萬土壤數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)用于計算土壤可蝕性因子； 地形數(shù)據(jù)是來自中國科學院數(shù)據(jù)云(http: //www.csdb.cn/n)的中國30 m SRTM-DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)用于提取坡長和坡度因子； 采用的遙感影像數(shù)據(jù)為2000—2010年間MODIS月最大合成數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為250 m，本文對該數(shù)據(jù)進行了幾何精糾正、輻射校正和大氣校正等預處理，主要用于提取植被覆蓋因子； 土地覆被數(shù)據(jù)為2000年、2005年和2010年3期30 m空間分辨率柵格數(shù)據(jù)，來自中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全格局數(shù)據(jù)庫(http: //www.ecosystem.csdb.cn/ecogj/index.jsp)。采用的數(shù)據(jù)投影為Albers投影，地球橢球體采用Krasovsky 1940。為了進一步提高評估精度，本研究采用最高精度原則，將所有柵格數(shù)據(jù)重采樣到30 m空間分辨率。

2 研究方法

RUSLE是目前應用廣泛、具有較好實用性的土壤流失定量評價模型[28]，并且在我國黃土高原地區(qū)應用廣泛。土壤侵蝕量是考慮任何植被覆蓋和水土保持措施條件下的土壤侵蝕量，其計算公式為

A1=R·K·LS·C·P，

(1)

A2=1-R·K·LS·C·P，

(2)

式中：A1和A2分別為土壤侵蝕量和保持量，t · hm2· a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·hm·mm)；L和S分別為坡長和坡度因子，無量綱；C為植被覆蓋因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱。

2.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力因子采用Wischmeier等[16]提出的利用各月降雨量推求的經(jīng)驗公式計算。經(jīng)驗證明該模型在黃土高原地區(qū)具有較好的適宜性，其計算公式為

(3)

式中：p為年降雨量，mm；pi為月降雨量，mm；i為月份。

2.2 土壤可蝕性因子

RUSLE模型中土壤可蝕性因子是經(jīng)過試驗獲得的定量數(shù)值，通常從標準小區(qū)單位降雨侵蝕力所造成的土壤流失量獲得，因此計算的最好方法是通過天然小區(qū)直接測定，而在研究區(qū)大規(guī)模布設天然小區(qū)很難做到，故采用Williams等[29]在EPIC模型中土壤可蝕性因子的計算方法。該方法由蔡崇法等[30]在小流域進行應用研究，利用該公式計算的結果與實測值基本無差異，且方法更簡便，其計算公式為

(4)

SNI=1-SAN/100，

(5)

式中：SAN，SIL和CLA分別為砂粒、粉粒和黏粒含量，%；Q為土壤有機碳含量，%。

2.3 坡長和坡度因子

在區(qū)域尺度上基于GIS提取坡長和坡度因子是應用RUSLE模型的難點問題之一[31]。本研究采用Van Remortel開發(fā)的模型RUSLE_PC.AML提取坡長，該模型坡度的提取采用柵格累積法[21]，即

(6)

(7)

式中：λ為坡長；m為坡長指數(shù)；θ為坡度值。

2.4 植被覆蓋因子

植被覆蓋因子的計算目前主要有3種方法： 人工賦值法、小區(qū)實驗法和基于植被覆蓋度的遙感數(shù)據(jù)定量估算法[32]。通過建立植被指數(shù)與植被覆蓋因子的關系式可以更精確地估算植被覆蓋度[33]。本文采用蔡崇法等[30]的植被覆蓋因子計算公式，即

(8)

(9)

式中：f為植被覆蓋度；NDVI為歸一化差值植被指數(shù)；NDVImax和NDVImin分別為NDVI的最大值和最小值。

2.5 水土保持措施因子

由于黃土高原主要的管理因子是淤地壩和梯田，遙感數(shù)據(jù)的尺度分析很難反映出來[33]，故在計算中不予考慮，取值為1。

3 結果與分析

3.1 土地覆蓋變化分析

3.1.1 土地利用變化分析

2000—2010年間黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土地類型發(fā)生了顯著變化。其中草地和林地面積增加幅度較大，面積占比分別由2000年23.56%和40.69%增加到2010年的26.46%和41.16%，其面積分別增加了3 342.19 km2和896.98 km2； 耕地呈現(xiàn)下降態(tài)勢，面積由2000年的39 934.27 km2降低到2010年的35 575.34 km2，10 a間減少了4 358.93 km2，所占比例由2000年的34.21%降低到2010年的30.48%，降低了3.73%。黃土高原屏障區(qū)是重點退耕還林還草區(qū)域，按照退耕還林還草方式，可分為退耕還草、退耕還林以及草地轉林地3種類型，經(jīng)統(tǒng)計分析，在2000—2010年間，研究區(qū)退耕還林還草總面積為4 238.07 km2，占研究區(qū)總面積的3.63%，其中退耕還草面積為3 287.01 km2，退耕還林面積為211.22 km2和草地轉林地面積為739.31 km2，分別占研究區(qū)總面積的2.82%，0.18%和0.63%。

3.1.2 植被覆蓋度變化分析

2000—2010年間，黃土高原生態(tài)屏障區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢，由2000年的55.05%增加至2010年的69.26%，增速為1.29%/a，如圖2所示。按照等值劃分，將植被覆蓋度劃分為5個等級，即[0，20)，[20，40)，[40，60)，[60，80)和[80，100]，分別為低、中低、中、中高和高覆蓋度。結果表明，2000—2010年間，植被在中低覆蓋度區(qū)間的覆蓋面積明顯減少，低覆蓋度和中低覆蓋度面積所占比例分別由2000年的1%和28.79%降低到2010年的0.1%和1.8%，主要集中在退耕還林還草區(qū)域； 中等覆蓋度比例基本保持平衡； 而中高覆蓋度和高覆蓋度比例均在增加，其面積比例分別由2000年的17.74%和19.67%增加到36.60%和28.52%。研究區(qū)植被覆蓋整體在好轉。

圖2 2000—2010年植被覆蓋度變化

3.2 生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕特征

3.2.1 土壤侵蝕時間變化特征

2000—2010年間黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕模數(shù)減少趨勢明顯，2000年土壤侵蝕模數(shù)為6 579.55 t·km-2·a-1，2010年土壤侵蝕模數(shù)降低到1 986.66 t·km-2·a-1，降低了69.8%。但2003年，土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)較大幅度的增長，這與降雨密切相關。降雨是影響土壤侵蝕動態(tài)變化的主要因素之一[15]。20世紀90年代開始，黃土高原廣泛開展了退耕還林還草工程，研究區(qū)植被覆蓋度得到明顯改善，盡管黃土高原降雨量呈現(xiàn)明顯增長態(tài)勢，年平均降雨量由2000年的455.41 mm增加到2010年的573.1 mm，降雨侵蝕力在增強，但由于良好的植被覆蓋，土壤侵蝕出現(xiàn)明顯降低，可見植被起到了良好的防治水土流失的作用。但在極端年份，土壤侵蝕仍然非常嚴重。如2003年研究區(qū)降雨量為704.14 mm，高出研究時段的平均降雨量182 mm，土壤侵蝕模數(shù)高達5 633.82 t·km-2·a-1。根據(jù)相關分析表明[27]，植被覆蓋度的提高，可有效地阻止84%的水土流失，而降雨對土壤侵蝕的影響僅占21.8%。經(jīng)統(tǒng)計，2000—2010年間黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕強度變化情況如表1所示。

表1 2000—2010年黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕強度面積百分比變化

從表1可以看出，2010年黃土高原生態(tài)屏障區(qū)微度土壤侵蝕占研究區(qū)總面積的72.54%，其次是中度、輕度、強度和極強侵蝕，分別占8.77%，6.62%，5.08%和4.64%； 而劇烈侵蝕僅占2.35%。2010年與2000年相比較，土壤侵蝕狀況得到了明顯改善，其中微度和輕度面積比例分別提高了43.44%和5.75%，但中度、強度、極強和劇烈侵蝕類型的面積分別降低了13.08%，35.29%，57.20%和83.67%，并且以劇烈侵蝕強度減小幅度最大。

3.2.2 土壤侵蝕類型變化特征

2000—2005年和2005—2010年間黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕強度轉移矩陣分別如表2—3所示。

表2 2000—2005年黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕強度轉移矩陣

表3 2005—2010年黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕強度轉移矩陣

由表2可知，2000—2005年間，土壤侵蝕劇烈、極強、強度、中度和輕度向微度轉化明顯，其面積比例分別為32.33%，40.45%，47.01%，54.21%和60.84%，其次是各類型向中度轉移幅度較大，其中劇烈、極強和強度分別轉移了19.10%，19.12%和17.52%。但不可忽視的是，各較低侵蝕類型均有不同程度向更強一級侵蝕轉移的現(xiàn)象，說明黃土高原生態(tài)屏障區(qū)水土流失治理任重道遠。由表3可知，2005—2010年間，土壤侵蝕在中度和輕度土壤侵蝕等級上的轉化比較明顯。輕度和中度分別有47.31%和29.14%轉化為微度侵蝕，強度侵蝕中有27.54%轉化為中度侵蝕、極強侵蝕中有22.81%轉化為強度侵蝕，劇烈侵蝕中31.90%轉為極強侵蝕。研究區(qū)內土壤侵蝕是由劇烈侵蝕向微度侵蝕轉變，侵蝕等級在逐漸降低。

3.3 植被梯度土壤侵蝕特征

分區(qū)統(tǒng)計2000—2010年間黃土高原生態(tài)屏障區(qū)不同植被覆蓋度級別的土壤侵蝕強度變化百分比如圖3所示。

圖3 2000—2010年黃土高原生態(tài)屏障區(qū)不同植被覆蓋度土壤侵蝕強度變化百分比

從圖3中可以看出，在不同植被覆蓋度下，微度侵蝕面積在逐漸擴大，其他各侵蝕類型面積在減少。劇烈侵蝕在低、中低、中、中高和高覆蓋度的土壤侵蝕面積分別由2000年的77.93 km2，2 001.53 km2，7.06 km2和0.27 km2降低到2010年的3.19 km2，98.63 km2，335.47 km2和0.01 km2，且高覆蓋度區(qū)域內不存在劇烈土壤侵蝕。2000年，在低、中低、中、中高和高覆蓋度區(qū)域內，微度侵蝕的面積分別為21.52 km2，611.88 km2，2 402.24 km2，2 989.17 km2和3 384.42 km2； 2010年，其對應的微度侵蝕面積分別變化為3.50 km2，57.37 km2，2 009.74 km2，6 138.44 km2和5 306.62 km2。經(jīng)過10 a的生態(tài)恢復，研究區(qū)內低覆蓋度-劇烈土壤侵蝕面積在大幅度降低，而高覆蓋度-微度土壤侵蝕類型面積在大幅度提升。

3.4 退耕還林還草區(qū)域土壤侵蝕特征

退耕還林還草區(qū)域土壤侵蝕強度面積統(tǒng)計結果如表4所示。

表4 2000—2010年黃土高原退耕還林還草區(qū)域土壤侵蝕強度面積統(tǒng)計

從表4可以看出，在2000—2010年間，黃土高原生態(tài)屏障區(qū)退耕還林還草區(qū)域土壤侵蝕基本呈現(xiàn)直線下降態(tài)勢。在退耕還草區(qū)域，劇烈、極強和重度侵蝕面積均在下降，下降速率分別為12.14 km2/a，5.39 km2/a和1.75 km2/a； 而中度、輕度和微度侵蝕面積均在擴大，擴張速率分別為0.51 km2/a，1.85 km2/a和17.02 km2/a； 退耕還林區(qū)域和草地轉林地區(qū)域各侵蝕面積變化基本相似，除微度侵蝕面積增加外，其余各類型面積均在下降。

3.5 區(qū)域土壤保持與觀測站點泥沙關聯(lián)分析

根據(jù)地理學第一定律及時空鄰近度等概念[34-35]，區(qū)域土壤侵蝕與相鄰站點泥沙觀測數(shù)量應存在一定的關聯(lián)性。本研究收集了距離研究區(qū)最近的華縣和龍門站點泥沙數(shù)據(jù)，其中華縣觀測站點接收了涇河和渭河水量，土壤侵蝕主要集中在涇河和渭河流經(jīng)的六盤山黃土丘陵溝壑地帶； 而關中平原地形平坦，隨著河流比降的下降，泥沙呈現(xiàn)大幅度的沉積，土壤侵蝕微弱，可忽略不計。龍門站點主要接收了來自窟野河、禿尾河、延河以及汾河流域水量，晉陜峽谷和白于山的黃土丘陵溝壑地帶土壤侵蝕嚴重，是黃河泥沙(特別是粗泥沙)的主要來源，據(jù)統(tǒng)計，黃河干流56%的泥沙主要來源于此區(qū)間。同時本研究收集了各子流域2000—2010年間河流泥沙監(jiān)測站點數(shù)據(jù)，并將該監(jiān)測數(shù)據(jù)和對應的子流域土壤侵蝕量和保持量進行相關分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在較弱的相關性，主要是因為該區(qū)域地形平坦，土壤侵蝕微乎其微； 相反，將站點數(shù)據(jù)和研究區(qū)土壤侵蝕強度進行Persion相關分析，得出該區(qū)域站點監(jiān)測數(shù)據(jù)和研究區(qū)土壤侵蝕強度具有較高的相關性。

分區(qū)統(tǒng)計研究區(qū)涇河—渭河流域和晉陜黃河峽谷流域土壤侵蝕量，并將其分別與華縣和龍門站點的含沙量及輸沙量進行相關分析，結果如圖4—5所示。

(a) 涇河—渭河流域(b) 晉陜黃河峽谷流域

(a) 涇河—渭河流域 (b) 晉陜黃河峽谷流域

分析結果表明： 研究區(qū)涇河—渭河流域和晉陜黃河峽谷流域土壤侵蝕變化趨勢基本一致。相比較，晉陜黃河峽谷流域土壤侵蝕量明顯大于涇河—渭河流域。2000年華縣和龍門站點含沙量分別為41.9 kg/m3和13.9 kg/m3，由于降雨量增加，2003年華縣和龍門站點含沙量分別增加至89.6 kg/m3和21.4 kg/m3。2000—2010年華縣和龍門站點含沙量隨土壤侵蝕減弱而降低，10 a間分別下降了41.5%和73%。華縣和龍門2個站點輸沙量變化和含沙量變化規(guī)律基本相同。2000—2010年間華縣和龍門站點輸沙量分別降低了70.1%和64.47%。利用SPSS軟件統(tǒng)計流域土壤侵蝕量與觀測站點含沙量和輸沙量之間的Person相關系數(shù)，結果表明，子流域土壤侵蝕強度與相關站點含沙量和輸沙量均呈正相關，涇河—渭河流域和晉陜黃河峽谷流域土壤侵蝕量與站點含沙量的相關系數(shù)分別為0.34和0.60。涇河—渭河流域和晉陜黃河峽谷流域土壤侵蝕量與站點輸沙量的相關系數(shù)分別為0.51和0.58。

4 結論與討論

本研究通過應用修正的通用土壤流失方程，以黃土高原典型生態(tài)屏障區(qū)域為研究區(qū)，定量評估了2000—2010年間實施退耕還林還草生態(tài)工程后研究區(qū)的土壤侵蝕空間分異特征，得到以下結論：

1)盡管黃土高原降雨量呈現(xiàn)明顯的增長態(tài)勢，降雨侵蝕力在增強，但由于良好的植被覆蓋，2000—2010年間黃土高原生態(tài)屏障區(qū)土壤侵蝕模數(shù)由2000年的6 579.55 t·km-2·a-1降低到2010年的1 986.66 t·km-2·a-1，降低了69.8%，并且低覆蓋度-劇烈土壤侵蝕面積在大幅度降低，而高覆蓋度-微度土壤侵蝕類型面積在大幅度提升。可見植被的恢復起到了良好的防治水土流失的作用。

2)土壤侵蝕狀況發(fā)生了明顯的改善，其中微度侵蝕面積提高了43.44%，而中度、強度、極強和劇烈侵蝕類型的面積比例在降低，其中劇烈侵蝕強度減小幅度最大，降低了83.67%。研究區(qū)內土壤侵蝕是由劇烈侵蝕向微度侵蝕轉變，侵蝕等級在逐漸降低。

3)研究區(qū)以退耕還草為主，退耕還草面積為3 287.01 km2，占研究區(qū)總面積的2.82%。相比較，退耕還草區(qū)域土壤侵蝕變化較大，劇烈、極強和重度侵蝕以12.14 km2/a，5.39 km2/a和1.75 km2/a速率下降； 而中、輕度和微度侵蝕面積均在擴大。按照匯水面統(tǒng)計，晉陜黃河峽谷流域土壤侵蝕強度大于涇河—渭河流域，并且晉陜黃河峽谷流域與相關站點含沙量和輸沙量Person相關系數(shù)均大于涇河—渭河流域。

由于本研究所用模型中地形因子是作為不變因子的，但實際上地形因子一直處在微小的變化中，而這種變化利用宏觀遙感數(shù)據(jù)很難探測出來，故研究結果存在一定的偏差。在今后的研究中，需要進一步考慮模型的反演精度和在地形變化環(huán)境下的土壤侵蝕狀況。