1995—2015年寧南隴東丘陵溝壑蓄水保土區(qū)土壤侵蝕時(shí)空變化分析
——以寧夏彭陽(yáng)縣為例

王立明，石 云，劉 平

(1.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)總站，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021)

寧南隴東丘陵溝壑蓄水保土區(qū)位于黃土高原西北部[1]，該區(qū)山多川少、溝壑縱橫、黃土層深厚、植被稀疏、干旱少雨，獨(dú)特的地形、氣候和土壤條件加之人為活動(dòng)影響，導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，成為我國(guó)土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。為掌握該區(qū)的土壤侵蝕時(shí)空變化情況，本研究采用美國(guó)修正通用土壤流失方程(RUSLE)，選擇彭陽(yáng)縣為研究區(qū)，定量研究了彭陽(yáng)縣1995—2015年土壤侵蝕時(shí)空變化特征，分析了20年間不同地形、高程、植被覆蓋度、土地利用類型條件下的土壤侵蝕模數(shù)分布特征，希望能為彭陽(yáng)縣的水土流失治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

彭陽(yáng)縣位于寧夏東南部邊緣、六盤(pán)山東麓，海拔1 292～2 486 m，地處黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)[3]；屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量450～550 mm，年平均氣溫7.4 ～8.5 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 311.2 h，年無(wú)霜期140 ～170 d[4]；地形復(fù)雜，土地貧瘠，土壤類型以黃綿土、黑壚土為主，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。彭陽(yáng)縣屬國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，有水土流失面積2 129 km2，占縣域總面積的85%。嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致土壤瘠薄、肥力下降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件惡化、耕地面積減少、林草植被破壞、干旱程度加劇、自然災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重影響了縣域農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，成為制約全縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。作為一個(gè)以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主的國(guó)家扶貧開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)縣，近年來(lái)彭陽(yáng)縣堅(jiān)持生態(tài)立縣，以小流域?yàn)閱卧?，因地制宜?shí)施小流域綜合治理，取得了顯著的效益。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用彭陽(yáng)縣1∶50 000地形圖生成彭陽(yáng)縣DEM，分辨率為25 m；土壤類型數(shù)據(jù)來(lái)源于寧夏第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)，土壤理化數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)地采樣及試驗(yàn)求得；彭陽(yáng)縣1995、2005、2015年Landsat遙感影像來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云；1995—2015年日降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

2.2 研究方法

RUSLE模型表達(dá)式為

A=R·LS·K·C·P

式中：A為土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；P為水土保持措施因子；K為土壤可蝕性因子；C為覆蓋與管理因子。

其中：R因子采用WISCHMEIER的計(jì)算方法，通過(guò)Kriging插值方法求得；LS因子采用汪幫穩(wěn)等[5]修正后的算法；K因子采用WILLIAMS建立的EPIC模型算法；P因子主要參照WISCHMEIER和覃杰香等[6]的相關(guān)研究；C因子采用蔡崇法等[7]的算法。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕狀況

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)，將土壤侵蝕程度劃分為微度侵蝕[0，500]、輕度侵蝕(500，2 500]、中度侵蝕(2 500，5 000]、強(qiáng)烈侵蝕(5 000，8 000]、極強(qiáng)烈侵蝕(8 000，15 000]和劇烈侵蝕(>15 000)六級(jí)[13]，得到了彭陽(yáng)縣1995、2005、2015年土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

1995、2005、2015年彭陽(yáng)縣中度及其以上侵蝕面積分別為1 248.30、755.83、624.50 km2。由表1可以看出，隨著治理的推進(jìn)，彭陽(yáng)縣水土流失狀況有明顯好轉(zhuǎn)，2015年的土壤侵蝕模數(shù)比1995年的減少了3 202.10 t/(km2·a)，土壤侵蝕量減少了800 萬(wàn)t，特別是中度及其以上侵蝕面積減少明顯。

表1 1995、2005、2015年彭陽(yáng)縣土壤侵蝕模數(shù)、侵蝕量及各侵蝕強(qiáng)度侵蝕面積

3.2 土壤侵蝕時(shí)空變化特征

3.2.1 不同坡度范圍的土壤侵蝕分布特征

將1995、2005、2015年土壤侵蝕面積和坡度等級(jí)(0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°)做疊置分析，得到1995—2015年不同坡度等級(jí)下的土壤侵蝕面積變化量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表2。1995—2015年，0°～15°坡度區(qū)間內(nèi)，中度及其以上侵蝕面積分別減少了18.54、34.74、194.16 km2，這表明在0°～15°坡度區(qū)間內(nèi)存在著中度及其以上侵蝕向輕度和微度侵蝕轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)；在15°～25°坡度區(qū)間內(nèi)，強(qiáng)烈及其以上侵蝕面積減少了347.11 km2，減少趨勢(shì)明顯；在≥25°坡度區(qū)間，主要特點(diǎn)為極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積明顯減少，分別減少了94.30、82.46 km2，表現(xiàn)出高侵蝕強(qiáng)度大面積地向低侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)變。

表2 1995—2015年不同坡度范圍土壤侵蝕面積變化量統(tǒng)計(jì)

圖1為1995、2005、2015年不同坡度范圍的土壤侵蝕模數(shù)分布圖。由圖1知，隨著治理的推進(jìn)，不同坡度范圍的土壤侵蝕模數(shù)均呈減少趨勢(shì)，同時(shí)各年份的土壤侵蝕模數(shù)分布曲線均在25°～35°時(shí)出現(xiàn)最大值。相比1995年，2015年各坡度范圍的侵蝕模數(shù)均明顯減少，在0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°坡度范圍分別減少了669.01、1 488.07、2 413.74、4 082.95、4 830.16、4 019.11 t/(km2·a)。其中，在25°～35°坡度范圍內(nèi)土壤侵蝕得到了有效抑制，表明在該坡度范圍內(nèi)實(shí)施的坡耕地退耕還林能有效減少地表徑流和土壤侵蝕量。

圖1 不同坡度范圍的土壤侵蝕模數(shù)分布

3.2.2 不同高程范圍的土壤侵蝕分布特征

將1995、2005、2015年土壤侵蝕面積和高程范圍(1 292～1 500、1 500～1 700、1 700～1 900、1 900～2 100、2 100～2 300、2 300～2 486 m)做疊置分析，得到1995—2015年不同高程范圍的土壤侵蝕模數(shù)分布情況(圖2)。隨著治理的推進(jìn)，1995—2015年各高程范圍的土壤侵蝕模數(shù)均明顯減少。1995—2015年，在1 292～1 500、1 500～1 700、1 700～1 900、1 900～2 100、2 100～2 300、2 300～2 486 m的高程區(qū)間土壤侵蝕模數(shù)分別減少了3 309.18、3 476.01、3 047.90、2 513.53、741.64、1 919.86 t/(km2·a)。其中，在1 500～1 700 m高程區(qū)間土壤侵蝕模數(shù)減少最多，而在2 100～2 300 m高程區(qū)間則減少得最少。

圖2 不同高程等級(jí)下的土壤侵蝕模數(shù)分布

3.2.3 不同植被覆蓋度等級(jí)下的土壤侵蝕分布特征

按照水蝕區(qū)植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(高覆蓋區(qū)75%～100%、中高覆蓋區(qū)60%～75%、中覆蓋區(qū)45%～60%、中低覆蓋區(qū)30%～45%、低覆蓋區(qū)<30%)分成5個(gè)等級(jí)，對(duì)1995、2005、2015年土壤侵蝕與植被覆蓋度等級(jí)進(jìn)行疊置分析，得到1995—2015年不同植被覆蓋度等級(jí)下的土壤侵蝕模數(shù)分布圖(圖3)。與1995年相比，2015年不同植被覆蓋度等級(jí)下的土壤侵蝕模數(shù)均呈減少趨勢(shì)，在低覆蓋區(qū)、中低覆蓋區(qū)、中覆蓋區(qū)、中高覆蓋區(qū)和高覆蓋區(qū)分別減少了3 811.74、4 121.27、2 993.29、1 974.36、134.63 t/(km2·a)。在中低覆蓋區(qū)土壤侵蝕模數(shù)減少最顯著，而在高覆蓋區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)輕微減緩趨勢(shì)。

圖3 不同植被覆蓋等級(jí)下的土壤侵蝕模數(shù)分布

3.2.4 不同土地利用類型下的土壤侵蝕分布特征

基于GIS的空間分析功能，研究1995—2015年不同土地利用類型面積及其土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量，結(jié)果見(jiàn)表4。1995—2015年各土地利用類型下的土壤侵蝕狀況均得到明顯改善，土壤侵蝕量和侵蝕模數(shù)均呈減少趨勢(shì)：耕地土壤侵蝕模數(shù)由1995年的2 878.83 t/(km2·a)減少到2015年的678.67 t/(km2·a)，侵蝕量減少了80.08%；林地土壤侵蝕模數(shù)由3 625.46 t/(km2·a)減少到1 734.92 t/(km2·a)，侵蝕量減少了26.76%；草地土壤侵蝕模數(shù)由5 356.69 t/(km2·a)減少到1 930.29 t/(km2·a)，侵蝕量減少了34.55%；未利用地土壤侵蝕模數(shù)由6 483.08 t/(km2·a)減少到1 571.77 t/(km2·a)，侵蝕量減少了99.79%；水域和建設(shè)用地土壤侵蝕輕微，可以忽略不計(jì)。結(jié)合1995—2015年各土地利用類型面積變化(表4)，可以看出，彭陽(yáng)縣的土地利用類型變化主要表現(xiàn)為耕地、未利用地面積持續(xù)減少，林草地面積大幅增加，這也說(shuō)明退耕還林措施的實(shí)施帶來(lái)了顯著的水土保持效果。

4 結(jié) 論

采用修正通用土壤流失方程，得到了彭陽(yáng)縣1995—2015年土壤侵蝕的時(shí)空變化特征。主要結(jié)論如下：

表4 1995—2015年不同土地利用類型下的土壤侵蝕變化

(1)1995—2015年彭陽(yáng)縣土壤侵蝕明顯減輕，土壤侵蝕模數(shù)減少了3 202.10 t/(km2·a)，土壤侵蝕量減少了800萬(wàn)t。

(2)各坡度范圍的土壤侵蝕強(qiáng)度變化特征均表現(xiàn)為高侵蝕強(qiáng)度向低侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)變，即從中度及其以上侵蝕向輕度和微度侵蝕轉(zhuǎn)變。1995—2015年隨著治理的推進(jìn)，不同坡度范圍的土壤侵蝕模數(shù)均呈減少趨勢(shì)，同時(shí)各年份的土壤侵蝕模數(shù)分布曲線均在25°～35°時(shí)出現(xiàn)最大值。

(3)1995—2015年各高程范圍的土壤侵蝕模數(shù)均明顯減少，其中在1 500～1 700 m高程區(qū)間土壤侵蝕模數(shù)減少量最大，而在2 100 ～2 300 m高程區(qū)間土壤侵蝕模數(shù)減少量最少。

(4)在土地利用結(jié)構(gòu)中，耕地占比明顯下降，林草地占比大幅度上升，結(jié)合土壤侵蝕相關(guān)研究成果，說(shuō)明在彭陽(yáng)縣實(shí)施的坡耕地退耕還林措施取得了顯著的水土保持效益。