區(qū)域水土流失面積與平均土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系探究

李晶晶，張建國，賈利紅，張亞琳，焦 念

(1.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安710021；2.晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局，陜西 榆林 719000；3.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測臨潼分中心，陜西 西安 710600；4.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局，甘肅 慶陽 745000)

水沙關(guān)系調(diào)節(jié)是保障黃河長久安瀾的“牛鼻子”，是治黃工作的基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，水土保持是近年來黃河泥沙量銳減的主要原因之一。水土保持措施的保土效益普遍通過“水保法”換算得到，即通過掌握的各項(xiàng)水土保持措施面積及各項(xiàng)措施產(chǎn)生的減水減沙效益定額換算出水土保持措施的保土效益[1-2]。獲取的保土效益結(jié)果的準(zhǔn)確性受制于水土保持措施的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和不同區(qū)域不同水土保持措施的蓄水保土效益定額的準(zhǔn)確性，給計(jì)算水土保持措施對減少入黃泥沙的貢獻(xiàn)帶來了一定的不確定性。

依據(jù)《全國水土保持規(guī)劃(2015—2030年)》和《全國水土流失動態(tài)監(jiān)測規(guī)劃(2018—2022年)》，自2018年開始，水利部組織開展了全國(未含香港、澳門特別行政區(qū)和臺灣省)水土流失動態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了全國水土流失動態(tài)監(jiān)測工作“全覆蓋”[3]。黃河流域(片)國家級防治區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測工作是全國水土流失動態(tài)監(jiān)測工作的重要組成部分，自2018年開始已連續(xù)開展3年的動態(tài)監(jiān)測工作，掌握了大量的監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，特別是掌握了以縣級行政區(qū)為單元的土壤侵蝕模數(shù)和對應(yīng)的水土流失面積。

本研究利用2020年度黃河流域(片)國家級防治區(qū)部分縣級行政區(qū)的縣域面積、各侵蝕強(qiáng)度等級面積建立臨界土壤侵蝕模數(shù)，擬合了臨界土壤侵蝕模數(shù)與平均土壤侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系，通過建立的回歸關(guān)系，推算出不同區(qū)域的平均土壤侵蝕模數(shù)，進(jìn)而計(jì)算該區(qū)域的土壤流失量，為水土保持措施保土效益的計(jì)算提供技術(shù)支撐，以期為進(jìn)一步探索水土保持措施對黃河水沙的調(diào)控機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 區(qū)域介紹

(1)回歸分析區(qū)域。本研究選取伏牛山中條山國家級水土流失治理區(qū)6個縣級行政區(qū)、黃河多沙粗沙國家級水土流失治理區(qū)15個縣級行政區(qū)、甘青寧黃土丘陵國家級水土流失治理區(qū)5個縣級行政區(qū)的2020年度監(jiān)測成果，涉及甘肅、寧夏、山西等3省區(qū)共26個縣級行政區(qū)。以上區(qū)域土壤侵蝕分級標(biāo)準(zhǔn)均按照西北黃土高原區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行?？h級行政區(qū)名錄見表1。

表1 縣級行政區(qū)名錄

(2)黃土高原多沙區(qū)。黃土高原多沙區(qū)為侵蝕模數(shù)≥5 000 t/(km2·a)的地區(qū)，主要分布在黃河河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間和涇河、洛河中上游，以及青海、內(nèi)蒙古、河南沿黃部分地區(qū)，總面積為21.2萬km2。該區(qū)域多年平均輸入黃河的泥沙量為14億t，占黃河總輸沙量的87.5%[4]，是黃河泥沙的主要來源。根據(jù)水利部1992年11月上報(bào)國家計(jì)委的《黃河中游重點(diǎn)水土流失區(qū)治理工程可行性研究報(bào)告》《黃河多沙、粗沙嚴(yán)重流失區(qū)水土保持規(guī)劃》，以及第一次全國水土流失遙感普查數(shù)據(jù)(20世紀(jì)80年代水利部基于MSS遙感影像，利用遙感技術(shù)，結(jié)合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展了第一次全國水土流失遙感普查)，結(jié)合行政區(qū)劃圖實(shí)際量算界定，在與地方水保部門多次溝通交流后確定。

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1)回歸分析區(qū)域。數(shù)據(jù)來源于黃河流域(片)全國水土流失動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目，依據(jù)《2020年度水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)指南》的要求，基于2020年2 m分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行專題信息提取和野外調(diào)查，在水力侵蝕區(qū)利用中國土壤流失方程(CSLE模型)，在風(fēng)力侵蝕區(qū)利用風(fēng)力侵蝕模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)風(fēng)力侵蝕模型]計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)[5]判定土壤侵蝕強(qiáng)度等級，獲取水土流失狀況。

(2)黃土高原多沙區(qū)。該區(qū)年度監(jiān)測成果涉及1990、1999、2019年。其中：2019年土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于全國水土流失動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目，主要是基于2 m分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行專題信息提取和野外調(diào)查，在水力侵蝕區(qū)利用中國土壤流失方程(CSLE模型)[七因子，《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)]，在風(fēng)力侵蝕區(qū)利用風(fēng)力侵蝕模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)風(fēng)力侵蝕模型]計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)。1999年土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于黃河流域水土保持遙感普查，以分辨率30 m的TM衛(wèi)星影像為主要信息源，以1∶10萬地形圖和1∶25萬數(shù)字化地圖為基本工作底圖，結(jié)合野外調(diào)查、典型樣方調(diào)查，采用三因子[《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—96)]方法計(jì)算水土流失狀況。1990年土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于第一次全國水土流失遙感普查數(shù)據(jù)，在土壤侵蝕矢量圖上，通過空間分析確定土壤侵蝕數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水土流失面積、縣域面積與平均土壤侵蝕模數(shù)

基于各縣級行政區(qū)縣域面積、各侵蝕強(qiáng)度等級面積，定義臨界土壤侵蝕模數(shù)(A)，計(jì)算公式為

(1)

式中：A為臨界土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Si為各侵蝕強(qiáng)度等級的面積，km2，i=1，2，3，4，5，分別對應(yīng)輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕；Qi為各侵蝕強(qiáng)度等級對應(yīng)的侵蝕模數(shù)值，t/(km2·a)，分別對應(yīng)1 616.36、3 702.16、6 310.03、9 915.59、20 626.23 t/(km2·a)，取值依據(jù)為西北黃土高原區(qū)中41個縣級行政區(qū)各侵蝕強(qiáng)度等級對應(yīng)的平均侵蝕模數(shù)的均值；C為縣域面積，km2，采用2018年3月民政部公布數(shù)據(jù)。

根據(jù)各縣級行政區(qū)2020年度水土流失動態(tài)監(jiān)測成果及2018年縣域面積數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得了各縣級行政區(qū)的臨界土壤侵蝕模數(shù)，建立各縣級行政區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)和臨界土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系，如圖1所示?？梢钥闯觯骄寥狼治g模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)(A)之間存在很好的線性關(guān)系，擬合公式為y=1.097 1A+138.42(R2=0.960 9)。

圖1 各縣級行政區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系

總體來看，回歸分析區(qū)域各縣級行政區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)之間線性關(guān)系較好，主要是在定義臨界土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算方法時考慮了以下兩個方面：一是考慮了各侵蝕強(qiáng)度等級對土壤侵蝕模數(shù)的貢獻(xiàn)率不一，取41個縣級行政區(qū)各侵蝕強(qiáng)度等級對應(yīng)的平均侵蝕模數(shù)的均值；另一個是考慮了不同縣級行政區(qū)的縣域面積，因?yàn)槠骄寥狼治g模數(shù)是根據(jù)每個柵格土壤侵蝕模數(shù)值累加后除以縣域圖幅面積得來的。綜上，本研究建立的平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)的線性關(guān)系是合理可信的。值得注意的是，微度侵蝕對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)存在有土壤侵蝕模數(shù)和無土壤侵蝕模數(shù)兩種情況，而公式(1)中沒有考慮微度侵蝕對土壤侵蝕模數(shù)的貢獻(xiàn)。

2.2 黃土高原多沙區(qū)土壤流失量

黃土高原多沙區(qū)不同時期水土流失面積如表2所示?？梢钥闯鏊亮魇娣e和極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積均呈現(xiàn)逐年下降趨勢，水土流失面積由1990年的19.31萬km2，降至2019年的9.23萬km2，減幅52.20%，年均減少水土流失面積0.35萬km2，其中劇烈侵蝕面積減少4.15萬km2，減幅達(dá)96.74%。

表2 黃土高原多沙區(qū)不同時期水土流失面積統(tǒng)計(jì)

根據(jù)黃土高原多沙區(qū)區(qū)域總面積及各侵蝕強(qiáng)度等級面積計(jì)算臨界土壤侵蝕模數(shù)，結(jié)合平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)的擬合關(guān)系，推算出黃土高原多沙區(qū)1990、1999、2019年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a)，土壤流失量分別為18.87億、13.93億、4.15億t。經(jīng)測算，1990—2019年黃土高原多沙區(qū)累積保土量為213.44億t。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)各縣級行政區(qū)縣域面積、水土流失面積及各侵蝕強(qiáng)度等級面積計(jì)算得到的臨界土壤侵蝕模數(shù)與平均土壤侵蝕模數(shù)之間存在較好的線性關(guān)系，即y=1.097 1A+138.42。

(2)黃土高原多沙區(qū)1990、1999、2019年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a)。1990—2019年黃土高原多沙區(qū)累積保土量為213.44億t。