砒砂巖黃土區(qū)植被蓋度對土壤侵蝕的影響

白雪蓮,鄭海穎,王理想,季樹新,陳正新,常學(xué)禮,*

1 魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 煙臺 264025 2 華北水利水電大學(xué)信息工程學(xué)院, 鄭州 450046 3 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院, 呼和浩特 010051

土壤侵蝕是全球范圍內(nèi)最嚴重的土壤退化問題之一,其發(fā)生發(fā)展變化過程直接影響到水土資源開發(fā)利用,是威脅人類生存、社會經(jīng)濟發(fā)展的全球性問題[1- 2]。近幾十年來有關(guān)土壤侵蝕的研究涵蓋了地形、降水、土壤、植被、放牧強度和土地利用變化(Land Use/Cover Change,LUCC)等諸多因子在不同時空尺度上與其相互影響機制[3- 11]。在微觀尺度上Vaezi等[4]分析了半干旱地區(qū)降水對水土流失影響,指出了雨滴動量沖擊引起地土壤物理性質(zhì)改變是造成水土流失的主要原因；在宏觀尺度Du等[10]對寧夏-內(nèi)蒙地區(qū)的研究結(jié)果表明,LUCC是影響區(qū)域水土流失最重要因子之一。無論在哪一尺度,共同的結(jié)論指向了植被因子具備減弱水土流失的力學(xué)基礎(chǔ)和多尺度效應(yīng)功能[12]。從控制水土流失角度來看,大量研究表明人工植被恢復(fù)過程是控制和減少土壤侵蝕的有效途徑之一[6,8,11,13],尤其是草地植被恢復(fù)在控制土壤侵蝕的生態(tài)建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用[14- 15]。從植被狀況對水土流失影響研究的主要共識來看,主要有以下幾個特點：(1)植被蓋度增加是減少水土流失的主要因素[8- 9,16]；(2)植被類型對減流減沙具有綜合效果,相比較而言,其在影響變化幅度上弱于蓋度[6- 7,14]；(3)植被可以通過覆蓋坡面有效降低雨滴能量來減少沖刷作用[17- 18]；(4)植被覆蓋通過冠層延緩降水增加土壤水分入滲量,同時根系物理固結(jié)作用也增強了土壤抗侵蝕力[4,12,19- 20]。

這些研究結(jié)果對水土流失過程與植被的關(guān)系做了比較清晰的解譯,但是對植被組成、結(jié)構(gòu)及蓋度等數(shù)量化指標與土壤侵蝕量(模數(shù))關(guān)系研究相對較弱。在這些指標中植被蓋度是可用各種遙感手段快速獲取的因子,其具備的多源、多時像、多分辨率特點可滿足不同空間范圍研究需要。因此,在特定研究區(qū)內(nèi)植被蓋度與土壤侵蝕量的數(shù)量化關(guān)系呈現(xiàn)什么狀態(tài)是備受水土保持研究人員關(guān)注的重要問題,因為二者數(shù)量化關(guān)系確定可對研究區(qū)土壤侵蝕量預(yù)判提供相對便捷途徑。

十大孔兌水土流失區(qū)位于鄂爾多斯北部以中度和重度侵蝕為主[21- 23],是我國水土流失最為嚴重的砒砂巖黃土區(qū)之一。因此,本文基于通用土壤流失評價模型USLE應(yīng)用ANUSPLIN軟件對降雨侵蝕力因子插值[24-25]和遙感手段計算區(qū)域土壤侵蝕模數(shù),采用整體擬合和分段擬合的方法對十大孔兌南部植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系進行分析,嘗試識別植被蓋度變化梯度上土壤侵蝕模數(shù)的閾值,為深入了解植被蓋度與土壤侵蝕量的關(guān)系提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

十大孔兌砒砂巖區(qū)位于鄂爾多斯北部,地理位置為108°6′—111°E,39°50′—40°10′N,境內(nèi)有黃河內(nèi)蒙古段的十個一級支流(圖1),是黃河內(nèi)蒙古段的主要產(chǎn)沙支流。由西向東依次為毛卜拉孔兌、布日嘎色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母哈日溝、東柳溝和呼斯太河。地勢表現(xiàn)為西南高東北低；氣候?qū)俚湫痛箨懶詺夂?平均氣溫6℃左右；多年平均降雨量從西北到東南變化于200—400 mm之間,年蒸發(fā)量為2200 mm[26]。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),為十大孔兌周圍站點(達拉特旗、杭錦旗、東勝區(qū)、包頭、呼和浩特、臨河、鄂托克旗、右玉和河曲)2000—2017年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。

MODIS NDVI數(shù)據(jù)源于美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS),空間分辨率為250 m,產(chǎn)品類型為MOD13Q1 (https://e4ftl01.cr.usgs.gov/MOLT/MOD13Q1.005),時間為2000—2017年生長季(5—8月)的16 d合成數(shù)據(jù),原始數(shù)據(jù)為HDF格式,通過MRT(ModisReprojection Tool)進行轉(zhuǎn)換,將NDVI數(shù)據(jù)由HDF格式轉(zhuǎn)換為TIFF格式,投影方式由等面積正弦曲線投影(Sinusoidal Projection)轉(zhuǎn)換為通用橫軸墨卡托投影(Universal Transverse Mercator Projection,UTM),基準面為WGS- 84；最后用resample工具形成30 m分辨率數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m。

裸地NDVI采用野外實測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)獲取時間為2017年8月7—18日,研究區(qū)采樣位置為24個地點(圖1),其中每個采樣地點設(shè)置30個樣圓,選用美國ASD公司的FieldSpecHandHeld手持便攜式光譜儀,波長范圍為 325—1075 nm。測定時,探頭垂直向下,視場角為 25°,與實測目標地物的距離為0.67 m,對應(yīng)地面樣本為隨機選取的直徑 30 cm 的樣圓。光譜測定時間為10:00—14:00之間,對同一個樣圓裸地反射光譜測定 5 次,并用數(shù)據(jù)處理軟件ViewSpec Pro導(dǎo)出所測光譜值,對應(yīng)MODIS NDVI數(shù)據(jù)的紅光(620—670 nm)和近紅外波段(841—876 nm),計算平均值。為保證光譜測定的準確性,每隔10—15min利用標準白板進行校光。測定期間,光照條件較穩(wěn)定、風(fēng)力弱,對光譜反射值的干擾極小。

土地利用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(2000、2005、2010、2015年)源于中科院地理與資源科學(xué)研究所,為了更準確的反映研究區(qū)現(xiàn)狀對研究區(qū)內(nèi)林地用鄂爾多斯市林業(yè)局提供的同期森林資源分布圖進行了修訂。同時,為避免植被類型、水保工程治理區(qū)等造成的干擾,在ArcGIS里面僅選取剔除了林地、農(nóng)田、水保工程治理區(qū)的草原區(qū)進行研究。

1.2.2評價模型

采用通用土壤流失USLE評價模型,方程式如下[24]：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式(1)中,A為土壤流失量(t hm-2a-1)。R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),篩選日降水量大于12 mm的降水?dāng)?shù)據(jù)依據(jù)文獻計算[27]。然后對得到的降雨侵蝕力因子通過ANUSPLIN軟件插值形成grid格式的數(shù)據(jù),通過ArcGIS定義坐標體系并轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)

K為土壤可蝕性因子(無量綱),依據(jù)圪坨店國家水土保持監(jiān)測站提供的實測數(shù)據(jù)和水利部最新標水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(辦水保[2018]189號)計算完成。L為坡長因子,S為坡度因子,根據(jù)GDEMDEM數(shù)據(jù)提取(分辨率30 m)；C為植被覆蓋與管理因子(無量綱), 采用文獻所應(yīng)用方法[21],

C=1-fc+0.001

(2)

(3)

在(2)和(3)式中,fc為植被蓋度,NDVIveg為植被完全覆蓋時的NDVI值,NDVIsoil為裸地NDVI實測值。

P為水土保持措施因子(無量綱),同樣根據(jù)水利部(辦水保[2018]189號)規(guī)定對各種水土保持工程措施進行賦值,其中梯田、水平溝和魚鱗坑分別為0.414、0.335和0.249生成P因子圖層。P值范圍在0—1,0代表基本不發(fā)生侵蝕,水保措施很有成效,而1代表未采取任何控制措施的土地。

1.2.3趨勢分析

在USLE模型中植被蓋度與其他因子是以獨立變量形式參與計算土壤侵蝕量,所以植被蓋度和土壤侵蝕量之間可能存在的是非線性關(guān)系(等級理論中的包容型等級結(jié)構(gòu))[28-32],即：植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系隨分析梯度變化產(chǎn)生多種線性規(guī)律變化趨勢。因此,本文用整體擬合和分段擬合兩種趨勢分析方法對二者之間關(guān)系進行分析,整體擬合分析過程中閾值識別可通過對函數(shù)求導(dǎo)獲得,分段擬合分析中通過兩個方程交點求得閾值。

研究區(qū)坡度是在ArcGIS空間分析模塊中完成,坡度分為<5°、5—10°和>10°作為控制條件。為了簡化分析過程,分別以侵蝕模數(shù)總體(多年平均值)、最大、最小和最接近平均水平特征等四個方面分別進行分析。

2 結(jié)果

2.1 土壤侵蝕模數(shù)總體變化趨勢

圖2 十大孔兌南部2000—2017年土壤侵蝕量(圖中黑柱狀表示典型年份)Fig.2 The quantity of erosion during 2000—2017 for southern Ten Turbutries

從土壤侵蝕模數(shù)來看(圖2),多年土壤侵蝕模數(shù)平均值為29.31 t hm-2a-1,最接近平均值的年份為2010年,平均土壤侵蝕模數(shù)為28.81 t hm-2a-1；2016年土壤侵蝕模數(shù)最大,平均為65.6 t hm-2a-1,高于平均值36.29 t hm-2a-1；2011年土壤侵蝕模數(shù)最小,為10.95 t hm-2a-1,低于平均值18.35 t hm-2a-1。從趨勢分析來看,研究期間土壤侵蝕模數(shù)在整體上呈增加趨勢,變化率為0.35 t hm-2a-1。不同年份侵蝕模數(shù)差異較大,在2003、2012和2016年分別出現(xiàn)了明顯大于平均值的土壤侵蝕模數(shù),分別為54.95 t hm-2a-1、63.6 t hm-2a-1和65.6 t hm-2a-1,最低也高于平均值25.65 t hm-2a-1。在2000、2005、2011、2015和2017年出現(xiàn)了明顯低于平均值的土壤侵蝕模數(shù),最高也低于平均值14.54 t hm-2a-1。這意味著土壤侵蝕模數(shù)在時間尺度上呈現(xiàn)多種變化趨勢。

2.2 植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系

2.2.1總體特征

從多年平均特征來看(圖3),在不同坡度等級隨著植被蓋度增加土壤侵蝕模數(shù)變化在整體上都呈典型的拋物線型(P< 0.001)。

坡度<5°時,土壤侵蝕模數(shù)在植被蓋度<14%時呈增加趨勢(圖3),土壤侵蝕模數(shù)變化于12.72—22.56 t hm-2a-1之間；當(dāng)蓋度>14%時,土壤侵蝕模數(shù)呈減少趨勢,變化于2.02—18.66 t hm-2a-1之間。對植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系函數(shù)進行求導(dǎo),土壤侵蝕模數(shù)閾值為18.18 t hm-2a-1,對應(yīng)植被蓋度為11.42%。

坡度為5—10°時,土壤侵蝕模數(shù)在植被蓋度<18%時呈增加趨勢(圖3),土壤侵蝕模數(shù)變化于26.91—35.85 t hm-2a-1之間；當(dāng)蓋度>18%時,土壤侵蝕模數(shù)呈減少趨勢,變化于6.76—33.73 t hm-2a-1之間。對植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)函數(shù)進行求導(dǎo),土壤侵蝕模數(shù)閾值為34.29 t hm-2a-1,對應(yīng)植被蓋度為16.51%。

坡度>10°時,土壤侵蝕模數(shù)在植被蓋度<18%時呈增加趨勢(圖3),土壤侵蝕模數(shù)變化于52.87—75.59 t hm-2a-1之間；當(dāng)蓋度>18%時,土壤侵蝕模數(shù)呈減少趨勢,變化于12.23—72.61 t hm-2a-1之間。對植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)函數(shù)進行求導(dǎo),土壤侵蝕模數(shù)閾值為74.56 t hm-2a-1,對應(yīng)植被蓋度為16.5%。

上述結(jié)果表明,無論坡度<5°、5—10°還是坡度>10°,植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢一致(拋物型),但是在不同坡度條件下,土壤侵蝕模數(shù)閾值對應(yīng)植被蓋度不同,坡度<5°時閾值對應(yīng)植被蓋度比坡度為5—10°和坡度>10°時閾值對應(yīng)植被蓋度小。

圖3 多年平均植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationships between annual average vegetation coverage and soil erosion modulus

2.2.2典型年份特征

從三種典型年份植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系來看,最接近平均年(2010)平均土壤侵蝕模數(shù)隨著植被蓋度增加在整體上也呈拋物線型變化(P< 0.001)(圖4)。在坡度<5°、5—10°和坡度>10°時三個級別上,土壤侵蝕模數(shù)閾值對應(yīng)植被蓋度分別為8.73%、11.64%和15.37%。

圖4 典型年份植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationships between vegetation coverage and soil erosion modulus for typical years

最小年(2011)平均植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系較復(fù)雜(圖4),坡度<5°和>10°時,植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系呈多峰值不顯著變化(P> 0.05)。坡度<5°時,土壤侵蝕模數(shù)閾值對應(yīng)植被蓋度分別為6.27%和27.57%；坡度為5—10°時,植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系呈拋物線型變化,土壤侵蝕模數(shù)閾值對應(yīng)植被蓋度為11.24%；坡度>10°時,土壤侵蝕模數(shù)閾值對應(yīng)植被蓋度分別為6.7%和21.67%。

最大年(2016)年植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系在整體上呈典型的等級結(jié)構(gòu)(圖4),可以分為土壤侵蝕模數(shù)減少區(qū)、相對穩(wěn)定區(qū)和減少區(qū)三個變化區(qū)。坡度<5°和5—10°時,土壤侵蝕模數(shù)隨著蓋度增加呈極顯著單調(diào)遞減趨勢(P< 0.001),需采用分段擬合分析。在坡度<5°級別,蓋度<12%時,線性方程為y=-2.8797x+73.295(P< 0.01)；蓋度為14%—28%時,線性方程為y=-0.4578x+51.452(P< 0.01)；兩條線的交點對應(yīng)植被蓋度為9.02%。蓋度>28%時,線性方程為y=-1.4315x+83.062(P< 0.01),與植被蓋度為14%—28%時的趨勢線的交點對應(yīng)植被蓋度為32.46%。坡度為5—10°的區(qū)域,蓋度<8%時,線性方程為y=-3.106x+105.56(P> 0.05),蓋度為10%—24%時,線性方程為y=0.1628x+78.022(P< 0.01),交點對應(yīng)植被蓋度為8.42%；蓋度>24%時,線性方程為y=-1.3477x+114.95(P< 0.001),與植被蓋度為10%—24%時趨勢線交點對應(yīng)植被蓋度為24.45%。坡度>10°時,通過對函數(shù)求導(dǎo)得到土壤侵蝕模數(shù)閾值對應(yīng)植被蓋度為12.98%和25.74%。

上述結(jié)果表明,最大和最小年份與總體平均水平變化趨勢相差較大,而在研究周期(18年)中,較大偏離平均值出現(xiàn)了3次,較小偏離出現(xiàn)了5次(圖2),說明區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)變化受最大和最小年份影響較大。

3 討論

土壤侵蝕狀況與許多因素有關(guān),如氣候條件、植被狀況、土壤性質(zhì)和人類活動等[9,16,33-34]。從與本文有關(guān)的研究結(jié)論來看,土地利用類型轉(zhuǎn)換(如草地轉(zhuǎn)為人工林)和狀況改善(低覆蓋草地向高覆蓋草地轉(zhuǎn)換)等導(dǎo)致的植被蓋度變化都會影響地表徑流進而影響土壤侵蝕變化[4- 5,11,18,33]。

從研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)時間變化趨勢來看(圖2),最大降水年(2016)和最小降水年(2011)土壤侵蝕模數(shù)分別為最大(65.6 t hm-2a-1)和最小(10.95 t hm-2a-1),說明降水變化是影響土壤侵蝕模數(shù)的最主要因子。從土壤侵蝕模數(shù)(圖2中數(shù)值)與同期年降水量相關(guān)關(guān)系來看,呈極顯著(y = 0.2032x - 15.666,R= 0.8599,P< 0.001),其中2003年、2012年和2016年的較大降水量導(dǎo)致了較高土壤侵蝕模數(shù)(54.95 t hm-2a-1、63.6 t hm-2a-1和65.6 t hm-2a-1),拉高了研究時期的線性變化率。

從植被蓋度與土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系來看(圖3),在總體上呈極顯著拋物線型趨勢(P<0.001),這一結(jié)果與朱冰冰等的結(jié)果一致,但與張孝中等和曹梓豪等的植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)呈冪函數(shù)的結(jié)果相反[6,35-36]。歧義原因一是隨著地域不同,植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)會發(fā)生多種變化趨勢[28-32],二是在植被蓋度較小的區(qū)域,由于多年面狀侵蝕導(dǎo)致土層較薄且表面混雜大量礫石,可侵蝕土壤少、土壤貧瘠無法提供足夠養(yǎng)分維持植被生長,從而導(dǎo)致植被蓋度降低的惡性循環(huán)。本文研究區(qū)低植被蓋度區(qū)幾乎全屬于近似裸露的砒砂巖區(qū),從而出現(xiàn)了圖3植被蓋度較低且土壤侵蝕量也較少的情況。此外,本研究結(jié)果與吳光艷等在南方紅壤區(qū)和李斌等以整個黃土高原區(qū)所做的研究結(jié)果“植被蓋度越高,土壤侵蝕模數(shù)越小的變化趨勢”相悖[8, 16],產(chǎn)生這個原因同樣是砒砂巖區(qū)特殊的地質(zhì)和土壤條件所致。

從不同坡度級別土壤侵蝕特點來看,坡度越小土壤侵蝕模數(shù)的閾值對應(yīng)植被蓋度越小。原因是坡度越大,水流速度和徑流系數(shù)越大,植被阻力系數(shù)越小[37-38],2010年的閾值也證明了這一結(jié)果是與阻力系數(shù)有關(guān)(圖4)。與已有研究閾值為植被蓋度25%和20%的結(jié)果相比[6,39],本研究結(jié)果閾值較小,產(chǎn)生原因一是本文做了嚴格條件控制,排除了喬灌林、水保工程措施和農(nóng)田(梯田)等干擾；二是植被蓋度計算方法不同,本文采用野外實測裸地光譜數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)相結(jié)合來計算研究區(qū)植被蓋度,可更客觀反應(yīng)真實植被狀況；而采用模擬控制實驗所得結(jié)果為理論值[6,39],與土壤侵蝕發(fā)生過程可能會有差異。在植被蓋度為32%—36%時,土壤侵蝕模數(shù)出現(xiàn)了與變化趨勢不符的異常高值(圖3),原因可能是受植被阻力系數(shù)影響,在植被蓋度較小時,土壤直接隨水分流走,而在較大植被蓋度時,植被阻礙作用產(chǎn)生土壤堆積,當(dāng)遇到較大降雨時由于可沖刷量較多發(fā)生了較大土壤侵蝕模數(shù)(即隨降雨量增加土壤侵蝕量增加現(xiàn)象所致)。因此可以推斷,在黃土砒砂巖區(qū),土壤侵蝕模數(shù)不僅受到了USLE模型中諸因子的影響,而且也受到了土壤可侵蝕量限制。

從典型年份植被蓋度與土壤卻侵蝕模數(shù)關(guān)系來看(圖4),在最接近平均年植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢和總體年份變化趨勢最為相似,在最大年土壤侵蝕模數(shù)隨著植被蓋度增加逐漸減少的趨勢最顯著,而最小年植被蓋度和土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系和總體關(guān)系相差甚遠,說明了區(qū)域多年土壤侵蝕量變化主要是受最大土壤侵蝕模數(shù)事件影響,而最小和中等年份對其影響較小。因此可以推斷在黃土砒砂巖區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)主要是受較大土壤侵蝕模數(shù)年份的影響,判斷區(qū)域土壤侵蝕狀況與植被蓋度關(guān)系時應(yīng)高度關(guān)注較大土壤侵蝕年份。

4 結(jié)論

2000—2017年十大孔兌砒砂巖區(qū)土壤侵蝕模數(shù)在時間尺度上呈現(xiàn)復(fù)雜的變化趨勢,多年土壤侵蝕模數(shù)平均值為29.31 t hm-2a-1；最大和最小值分別為65.6 t hm-2a-1和10.95 t hm-2a-1。從總體來看,土壤侵蝕模數(shù)隨著植被蓋度增加呈極顯著拋物線型變化趨勢(P< 0.001)；在坡度級別分別為<5°、5—10°和>10°時,土壤侵蝕模數(shù)的閾值(18.18 t hm-2a-1、34.29 t hm-2a-1和74.56 t hm-2a-1)對應(yīng)的植被蓋度分別為11.42%、16.51%和16.5%。結(jié)果解釋了在砒砂巖區(qū)土壤侵蝕模數(shù)不僅受到了USLE模型中諸因子的影響,而且也受到了土壤可侵蝕量限制。此外,判斷區(qū)域土壤侵蝕與植被蓋度關(guān)系時應(yīng)高度關(guān)注較大侵蝕量較大年份。