延安市坡耕地資源時(shí)空變化及其土壤侵蝕效應(yīng)

王 禎, 吳金華, 白 帥, 史飛航, 韓株桃

(長安大學(xué) 土地工程學(xué)院, 西安 710054)

隨著我國人口數(shù)量增長與耕地面積減少，糧食安全問題日益嚴(yán)峻。要保障國家糧食安全，首先要確保耕地資源的數(shù)量和質(zhì)量。坡耕地是中國耕地資源的重要組成部分，坡耕地的數(shù)量、質(zhì)量與區(qū)域糧食安全密切相關(guān)[1]。坡耕地指分布在山坡上地面平整度差、跑水跑土跑肥嚴(yán)重、作物產(chǎn)量較低的旱作耕地，具有一定的坡度屬性是坡耕地區(qū)別于其他耕地類型的本質(zhì)特征[2]。據(jù)《關(guān)于第二次全國土地調(diào)查主要數(shù)據(jù)成果的公報(bào)》，在我國1.35億hm2的耕地資源中，坡耕地(≥6°的耕地)的面積占耕地資源總面積的27%，其中79.9%的坡耕地位于我國的西部地區(qū)[3]。坡度屬性決定了坡耕地是水土流失和面源污染最為嚴(yán)重的地類之一，坡耕地水土流失導(dǎo)致的土壤流失和養(yǎng)分流失也是造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化、生產(chǎn)力低下的根本原因[4]。因此，研究坡耕地?cái)?shù)量與分布特征的時(shí)空變化，分析坡耕地資源時(shí)空變化與及其帶來的土壤侵蝕效應(yīng)對(duì)合理利用坡耕地資源、從空間宏觀層面制定坡耕地的水土保持措施與政策具有重要的參考價(jià)值，對(duì)于區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及國家糧食安全具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在坡耕地資源的時(shí)空變化、坡耕地的土壤侵蝕效應(yīng)以及坡耕地的水土流失治理方面做了大量的研究[5-9]，但從坡耕地與土壤侵蝕時(shí)空變化的關(guān)系的層面研究較少。同時(shí)，黃土高原丘陵溝壑區(qū)作為我國水土流失的重災(zāi)區(qū)，研究其坡耕地的時(shí)空變化及其土壤侵蝕效應(yīng)對(duì)于保障糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義?；诖耍渣S土丘陵溝壑區(qū)的延安市作為研究區(qū)，利用多源數(shù)據(jù)，采用土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、核密度估計(jì)、RUSLE模型、地理加權(quán)回歸等方法，研究延安市1990—2018年坡耕地時(shí)空格局的動(dòng)態(tài)演變特征、1990—2018年土壤侵蝕模數(shù)的時(shí)空變化以及二者在時(shí)空變化上的相關(guān)性，為黃土高原丘陵溝壑區(qū)的坡耕地保護(hù)和整治及其相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

延安市位于陜西省北部，黃土高原中南部，位于北緯35°21′—37°31′，東經(jīng)107°41′—110°31′，全市總面積3.7萬km2(圖1)。地勢(shì)西北高東南低，平均海拔1 200 m左右。北部是黃土丘陵溝壑區(qū)，占全市總面積的72%；南部北洛河沿岸是黃土塬溝壑區(qū)，占總面積19%；西南、東南為土石山區(qū)，占總面積9%。氣候?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均降水總量507.7 mm，最多年降水量774.0 mm，最少年降水僅330.0 mm，降水多集中在夏季，且多暴雨，強(qiáng)度大，占全年總降水量的57%。主要的河流為北洛河、延河、汾川河。從1999年起，全市范圍內(nèi)實(shí)施了大規(guī)模退耕還林還草工程，截至2018年，共完成退耕還林面積7 183.13 km2，占國土總面積的19.4%，成為全國退耕還林面積最大的地級(jí)市。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，退耕還林持續(xù)實(shí)施20 a后，森林覆蓋率提高到46.35%；植被覆蓋度由2000年的46%提高到2017年的81.3%[10]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1) 30 m空間分辨率的LUCC數(shù)據(jù)。1990年、2000年、2010年、2018年四期LUCC數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云(http:∥www.resdc.cn)，用于坡耕地的提取與土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的制作。

圖1 延安市概況

(2) 30 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)。來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn)，用于坡耕地的提取與RUSLE模型中坡度坡長因子(LS)的計(jì)算。

(3) 1990—2018年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。選取了靖邊、吳起、綏德、延安、延長、吉縣、洛川、韓城共8個(gè)氣象站點(diǎn)的日降水量數(shù)據(jù)計(jì)算RUSLE模型中降雨侵蝕力因子(R)。

(4) 遙感影像數(shù)據(jù)。Landsat4/5數(shù)據(jù)和Landsat8數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m。將原始多月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正后，采用最大值合成法計(jì)算研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)(DNVI)，進(jìn)而計(jì)算RUSLE模型中的植被覆蓋與管理因子(C)。

(5) 土壤類型與質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)。來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn.cn/)，用于計(jì)算RUSLE模型中的土壤可蝕性因子(K)。

2.2 研究方法

2.2.1 坡耕地的提取 目前還未形成坡耕地統(tǒng)一的定義，根據(jù)前人研究成果[5,11]，結(jié)合延安市實(shí)際，明確坡耕地的定義為：坡度≥6°的非水田耕地。為確保坡耕地的提取精度，將四期LUCC數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相同的地理坐標(biāo)系，在ArcGIS中先對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，再利用空間分析工具→數(shù)學(xué)分析→乘將兩種數(shù)據(jù)的柵格值相乘，依據(jù)相乘后的數(shù)值特征提取出3個(gè)類別的坡耕地與非坡耕地。

2.2.2 坡耕地與土壤侵蝕模數(shù)的時(shí)空變化分析 采用坡耕地動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、核密度估計(jì)來研究坡耕地與土壤侵蝕模數(shù)的時(shí)空變化。

(1) 坡耕地動(dòng)態(tài)度。用以表征延安市坡耕地面積1990—2018年的動(dòng)態(tài)變化。坡耕地動(dòng)態(tài)度的表達(dá)式為：

式中:K為研究時(shí)段內(nèi)坡耕地動(dòng)態(tài)度(%/a);Ua,Ub為研究時(shí)段期初和期末坡耕地的面積(km2);T為研究時(shí)段長(a)。由于研究中T的單位為年,所以坡耕地動(dòng)態(tài)度K值就是研究時(shí)段內(nèi)某類坡耕地的年變化率(%/a)。

(2) 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣研究各類型坡耕地從1990—2018年的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出情況。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如下：

式中:S代表土地面積(km2)；n代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型的總數(shù)；i,j分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型。

(3) 核密度估計(jì)(kemel density estimation，KED)。采用核密度估計(jì)研究土壤侵蝕量從1990—2018年的變化量的空間分布。核密度估計(jì)優(yōu)點(diǎn)是它強(qiáng)調(diào)從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，避免參數(shù)估計(jì)中函數(shù)設(shè)定的主觀性，能有效捕捉到數(shù)據(jù)分布的客觀實(shí)際[12]，因而在變化量的空間分布刻畫中優(yōu)勢(shì)明顯。核密度估計(jì)的表達(dá)式為:

式中:n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；h為閾值；K()為核密度方程;(x-xi)是估計(jì)點(diǎn)x到事件xi的距離。先對(duì)研究區(qū)建立1 km×1 km的漁網(wǎng),用分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)漁網(wǎng)每個(gè)格網(wǎng)中土壤侵蝕模數(shù)平均值,再對(duì)兩年侵蝕模數(shù)的平均值柵格相減,獲得研究區(qū)1 km精度的土壤侵蝕模數(shù)平均增減量。經(jīng)過比較,確定采用h=8000的帶寬進(jìn)行核密度估計(jì)得到土壤侵蝕模數(shù)平均變化量的分布密度。

2.2.3 土壤侵蝕量的計(jì)算 采用通用土壤流失方程RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)模型分別對(duì)延安市1990年、2018年的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行估算。其計(jì)算公式如下：

A=R×K×LS×C×P

式中:A為土壤侵蝕模數(shù)[t/(hm2·a)];R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h)];K為土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·a·MJ·mm)];LS為坡長坡度因子;C為地表植被覆蓋因子;P為土壤保持措施因子。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨侵蝕力因子是土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)因子，直接影響了土壤侵蝕模數(shù)的大小。目前降雨侵蝕力(R)的計(jì)算可以分為EI30經(jīng)典計(jì)算方法和常規(guī)氣象資料簡易算法兩類。由于降雨動(dòng)能E和30 min降雨強(qiáng)度I30資料獲取難度較大，所以國內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)區(qū)域性降雨侵蝕特點(diǎn)，建立了基于常規(guī)降雨量資料的簡易模型[7]。本研究采用章文波等[13]的全國日降雨量擬合模型來估算降雨侵蝕力(R)。其公式如下：

式中:Mi為第i個(gè)半月時(shí)段的侵蝕力[MJ·mm/(hm2·h)];K為該半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)(d)；Dj為半月時(shí)段內(nèi)第j天的大于12 mm的日雨量(mm),否則以0計(jì)算。α和β為模型待定參數(shù),公式為:

α=21.568β-7.1891

式中:Pd12為日雨量≥12mm的日平均雨量(mm)；Py12為日雨量≥12mm的年平均雨量(mm)。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性因子(K)體現(xiàn)了不同土壤類型對(duì)侵蝕的敏感程度，常使用Wischmeier等[14]提出的Nomo圖法、Williams等[15]在侵蝕生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型EPIC中使用的計(jì)算方法以及參考前人研究結(jié)果對(duì)土壤類型直接賦值。由于諾模方程是用美國的實(shí)測(cè)資料求得的[16]，而黃土高原獨(dú)特的自然地理環(huán)境導(dǎo)致其土壤條件與美國存在著巨大的差異，因此采用Williams等建立的EPIC模型來計(jì)算延安市的土壤可蝕性因子(K)，其公式如下：

式中:SAN為砂粒含量百分比(%);SIL為粉砂含量百分比(%);CLA為黏粒含量百分比(%);C為有機(jī)質(zhì)含量百分比(%), SN=1-SAN/100。

(3) 地形因子(LS)。地形是導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生的直接誘導(dǎo)因子，坡長坡度因子(LS)反映了坡度和坡長對(duì)土壤侵蝕的影響。本研究的坡度坡長因子的算法建立在McCool等[17]和Liu等[18]的研究的基礎(chǔ)之上，利用研究區(qū)30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得出，計(jì)算公式法如下：

LS=L×S

式中:λ為坡長(m);θ為坡度(°)。

(4) 植被覆蓋因子(C)。植被覆蓋因子(C)是影響土壤侵蝕最敏感的因子，與植被覆蓋度有著直接的關(guān)系。使用蔡崇法等[19]提出的方法計(jì)算延安市的植被覆蓋與管理因子(C)，計(jì)算公式為：

式中:FVC為植被覆蓋度；NDVIsoil為純裸土像元的NDVI值;NDVImax純植被像元的NDVI值。

(5) 水土保持措施因子(P)。水土保持措施因子是指采取專門措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值，其值在0～1之間，0表明不發(fā)生水土流失，1表示未采取任何水土保持措施[20]。耕地的P因子使用A Lufafa等[21]建立的P因子與坡度的線性關(guān)系公式，其他土地利用類型P因子的賦值參考陳金珂等[22]和翟睿潔等[23]的研究，結(jié)合延安市實(shí)際，得出延安市水土保持措施因子(P)賦值表(見表1)。

表1 水土保持措施因子(P)賦值

2.2.4 坡耕地的時(shí)空變化土壤侵蝕效應(yīng)分析 采用地理加權(quán)回歸模型(GWR)研究坡耕地動(dòng)態(tài)變化范圍內(nèi)土壤侵蝕變化量空間分布的影響因素。地理加權(quán)回歸模型由Fotheringham等[24]提出，認(rèn)為回歸系數(shù)具有空間非穩(wěn)性[25]，地理加權(quán)回歸模型將解釋變量的位置信息加入到了回歸參數(shù)之中，回歸系數(shù)可以隨著空間位置的變化而發(fā)生變化[26-27]。地理加權(quán)回歸模型可以用來考察一個(gè)地區(qū)回歸結(jié)果的空間變異性，了解空間非平穩(wěn)性的存在，其表達(dá)式為：

式中:(ui,vi)為第i個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo);β0(ui,vi)為模型在第i個(gè)采樣點(diǎn)的回歸常數(shù);βk(ui,vi)為第i個(gè)采樣點(diǎn)上第k個(gè)回歸參數(shù);εi為第i個(gè)區(qū)域的隨機(jī)誤差,它滿足零均值、同方差、相互獨(dú)立等基本假定。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡耕地資源的時(shí)空變化

3.1.1 坡耕地的時(shí)間變化特征 (1) 坡耕地面積的時(shí)間變化特征。根據(jù)坡耕地提取的結(jié)果，1990年延安市坡耕地的面積為10 102.86 km2，占1990年耕地總面積的87.90%；2018年延安市坡耕地的面積為8 184.66 km2，占2018年耕地總面積的87.07%。1990—2018年的28 a間，延安市坡耕地的總面積減少了1 918.20 km2，與1990年相比下降了18.99%。但坡耕地在耕地中的占比變化甚微，坡耕地依然占據(jù)耕地的主體，是延安市耕地資源的重要組成部分。這與黃土高原丘陵廣布、溝壑縱橫的地形地貌密不可分。根據(jù)《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(TD/T1055-2019)，結(jié)合延安市實(shí)際，將坡耕地分為6°～15°(緩坡耕地)，15°～25°(陡坡耕地)，≥25°(峭坡耕地)3個(gè)類別，總體情況見表2。1990年，延安市緩坡耕地、陡坡耕地、峭坡耕地的面積為3 780.80 km2，3 904.40 km2，2 417.66 km2，分別占1990年坡耕地面積的37.42%，38.65%，23.93%；到2018年，3類坡耕地的面積為3 098.28 km2，3 158.25 km2，1 928.12 km2，分別占2018年坡耕地面積的37.85%，38.60%，23.55%。28 a間延安市3類坡耕地在耕地中的占比變化不大，面積減少明顯，但是到2018年，極不適合耕種的峭坡耕地依然占很大比重，今后該類坡耕地仍是退耕的首選。

表2 1990-2018年延安市坡耕地的面積與占比

(2) 坡耕地面積的動(dòng)態(tài)度變化。根據(jù)坡耕地動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果，繪制延安市各類型坡耕地1990—2018年坡耕地動(dòng)態(tài)度變化圖，見圖2。

圖2 1990-2018年延安市坡耕地的動(dòng)態(tài)度變化

28 a間，延安市總體坡耕地動(dòng)態(tài)度為-0.68%/a，即1990—2018年平均每年減少0.68%的坡耕地。通過分析1990—2000年、2001—2010年、2011—2018年3個(gè)時(shí)間段的坡耕地動(dòng)態(tài)度可知，延安市坡耕地總面積經(jīng)歷了“上升→下降→下降”的變化，其中，1990—2000年和2010—2018年為小幅變化，坡耕地總動(dòng)態(tài)度不超過±0.3%/a。1990—2000年，各類型坡耕地的動(dòng)態(tài)度均>0，即各類型坡耕地在這十年間為正增長；2011—2018年，雖然坡耕地總動(dòng)態(tài)度小于0，但陡坡耕地和峭坡耕地的動(dòng)態(tài)度大于0，即2011—2018年，坡耕地面積總體下降，但陡坡耕地和峭坡耕地的面積有所上升，其中峭坡耕地的上升幅度較大，坡耕地動(dòng)態(tài)度達(dá)-0.34%/a。2001—2010年十年間，坡耕地面積減少了2 121.13 km2，年變化率為-2.04%/a，坡耕地面積大量減少；緩坡耕地、陡坡耕地、峭坡耕地的動(dòng)態(tài)度分別為-1.66%/a，-2.17%/a，-2.45%/a，峭坡耕地面積減少最多，年均變化最為劇烈。

(3) 坡耕地土地利用類型的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移。根據(jù)1990年與2018年的土地利用變化，生成1990—2018年延安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。分析土地轉(zhuǎn)移矩陣可知，1990—2018年，坡耕地總體轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的土地利用類型均以草地、林地為主。在轉(zhuǎn)出的坡耕地中，緩坡耕地、陡坡耕地、峭坡耕地的轉(zhuǎn)出面積分別為1 118.5 km2，1 321.30 km2，879.8 km2。建設(shè)用地是坡耕地轉(zhuǎn)出的第三大土地利用類型，轉(zhuǎn)出面積緩坡耕地>陡坡耕地>峭坡耕地，表明建設(shè)占用也是28 a間坡耕地減少的重要原因。共有1 199.65 km2，189.54 km2的草地和林地轉(zhuǎn)為了坡耕地，其中大部分轉(zhuǎn)為了陡坡耕地。

經(jīng)分析，1990—1999年耕地保護(hù)措施尚不健全，水土流失較為嚴(yán)重，土壤肥力隨之喪失，原有坡耕地被大量撂荒，農(nóng)民又開墾新的耕地，導(dǎo)致坡耕地增加。1999年以來，延安市大力實(shí)施退耕還林還草工程，3類坡耕地面積顯著減少，其中峭坡耕地是退耕還林還草工程的主要退耕對(duì)象，因此減少得也最劇烈。草地與林地轉(zhuǎn)入坡耕地的主要時(shí)間段是1990—2000年，這一階段輪荒耕作導(dǎo)致大量林地和草地轉(zhuǎn)為坡耕地；1999年退耕還林還草工程開始實(shí)施，但由于時(shí)間較短，成效不顯著；導(dǎo)致1990—2000年整體上林地和草地大量轉(zhuǎn)為坡耕地。

表3 1990-2018年延安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.1.2 坡耕地的空間變化特征 根據(jù)坡耕地提取的結(jié)果，按3類坡耕地的分布分別繪制延安市1990年與2018年的坡耕地空間分布圖(圖3)。

1990年與2018年緩坡耕地主要集中在南部北洛河沿岸，陡坡耕地與峭坡耕地集中在北部丘陵溝壑區(qū)。北部丘陵溝壑區(qū)是黃土高原水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，加之耕地輪荒耕種問題較為突出，導(dǎo)致這里也是1999年實(shí)施的退耕還林還草工程的重點(diǎn)退耕區(qū)域。經(jīng)過10 a的改造，到2018年，北部丘陵溝壑區(qū)的坡耕地明顯減少，減少區(qū)域分布在延河沿岸、清澗河—永坪川沿岸與西北部北洛河沿岸。與北部相比，由于東南部、西南部為土石山區(qū)，植被覆蓋度較高，用地類型以林地和草地為主，坡耕地分布稀疏。1990—2018年，西部葫蘆河沿岸坡耕地少量增加，主要的增加類型是陡坡耕地與峭坡耕地，為1990—2000年拋荒耕作的結(jié)果。

圖3 1990-2018年延安市坡耕地空間分布

3.2 坡耕地時(shí)空變化的土壤侵蝕效應(yīng)

3.2.1 延安市土壤侵蝕強(qiáng)度的時(shí)空變化 運(yùn)用RUSLE模型分別計(jì)算延安市1990年和2018年的土壤侵蝕模數(shù)，并根據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)，將延安市的土壤侵蝕模數(shù)劃分為<1 000 t/(km2·a)(微度侵蝕)，1 000～2 500 t/(km2·a)(輕度侵蝕)，2 500～5 000 t/(km2·a)(中度侵蝕)，5 000～8 000 t/(km2·a)(強(qiáng)烈侵蝕)，8 000～15 000 t/(km2·a)(極強(qiáng)烈侵蝕)、>15 000 t/(km2·a)(劇烈侵蝕)共6個(gè)等級(jí)。計(jì)算結(jié)果表明，1990年延安市微度侵蝕的面積為18 076.55 km2，占延安市土地總面積的48.78%，而其余52.22%的土地都在遭受不同程度的水力侵蝕，21.11%遭受著強(qiáng)烈及以上等級(jí)的水力侵蝕，土壤侵蝕形勢(shì)十分嚴(yán)峻；到2018年，微度侵蝕的土地面積上升到了26 509.58 km2，占延安市土地總面積的71.54%，強(qiáng)烈及以上等級(jí)侵蝕的土地面積由7 824.39 km2下降到了2 042.48 km2，占比由21.11%下降到了5.51%，土壤侵蝕狀況明顯好轉(zhuǎn)。基于RUSLE模型的計(jì)算結(jié)果，繪制1990—2018年延安市土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖(圖4)。

圖4 1990-2018年延安市土壤侵蝕強(qiáng)度分布

由圖4可以看出，1990年土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)出北高南低的格局，強(qiáng)烈及以上侵蝕等級(jí)主要集中在北部黃土丘陵溝壑區(qū)以及南部北洛河沿岸，其中劇烈侵蝕主要集中在西北部北洛河沿岸，輕度、微度侵蝕區(qū)主要集中在西南、東南部的土石山區(qū)。2018年，總體土壤侵蝕強(qiáng)度顯著下降，土壤侵蝕模數(shù)顯著減少區(qū)分布在北部丘陵溝壑區(qū)、北洛河沿岸、西部延河、汾川河沿岸，強(qiáng)烈及以上強(qiáng)度侵蝕區(qū)仍集中在西北部北洛河沿岸。28 a間整體土壤侵蝕強(qiáng)度大量降低是植被、降水、水土流失治理多因素綜合作用的結(jié)果。

為分析1990—2018年土壤侵蝕模數(shù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，以土壤侵蝕模數(shù)的平均變化量為基礎(chǔ)，生成1990—2018年平均土壤侵蝕模數(shù)變化量核密度分析圖(圖5)。

核密度估計(jì)結(jié)果表明，1990—2018年延安市土壤侵蝕模數(shù)減少區(qū)主要集中在北部丘陵溝壑區(qū)以及南部北洛河沿岸，其中變化最劇烈的區(qū)域是西北部北洛河沿岸。1990年西北部土壤侵蝕雖然最嚴(yán)重，但經(jīng)過28 a的水土流失治理，土壤侵蝕狀況已經(jīng)得到極大的改善。土壤侵蝕模數(shù)增加區(qū)主要分布在西部葫蘆河與北洛河之間的土石山區(qū)、西南土石山區(qū)以及延河與西川的交界地帶，坡耕地增加以及城鎮(zhèn)擴(kuò)張導(dǎo)致的植被覆蓋度下降是這些區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)增加的主要原因。

3.2.2 坡耕地時(shí)空變化的土壤侵蝕效應(yīng) 分別統(tǒng)計(jì)1990—2018年3類坡耕地轉(zhuǎn)出區(qū)、未變化區(qū)、轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)的變化量，生成1990—2018年延安市坡耕地動(dòng)態(tài)變化的土壤侵蝕模數(shù)變化表(表4)。

圖5 1990-2018年平均土壤侵蝕模數(shù)變化量核密度

表4 1990-2018年延安市坡耕地動(dòng)態(tài)變化的土壤侵蝕模數(shù)變化 t/(km2·a)

由表4可知，1990—2018年延安市緩坡耕地、陡坡耕地、峭坡耕地的轉(zhuǎn)出、未轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)變化量均為負(fù)值，表示坡耕地動(dòng)態(tài)變化區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)總體上減少。從平均侵蝕模數(shù)減少量的大小看，坡耕地轉(zhuǎn)出和未轉(zhuǎn)移區(qū)的土壤侵蝕效應(yīng)符合峭坡耕地>陡坡耕地>緩坡耕地的基本規(guī)律。但在轉(zhuǎn)入坡耕地區(qū)，平均侵蝕模數(shù)減少量緩坡耕地>陡坡耕地>峭坡耕地，即在轉(zhuǎn)入坡耕地的區(qū)域，坡耕地的坡度越大，平均土壤侵蝕模數(shù)減少量越少。

1990—2018年，延安市耕地范圍內(nèi)植被覆蓋度上升明顯高于其他土地利用類型，這是造成土壤侵蝕模數(shù)總體減少的直接原因。1990—2018年，在各坡度等級(jí)上，延安市的植被覆蓋度增加百分比隨坡度增加而增大，導(dǎo)致坡耕地轉(zhuǎn)出區(qū)與坡耕地未轉(zhuǎn)移區(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)減少量隨坡度增大而增大。

以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計(jì)單元，分別統(tǒng)計(jì)9類地區(qū)的平均土壤侵蝕變化量，得到圖6。

圖6 1990-2018年延安市各類型區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)變化

圖6顯示，延安市不同區(qū)域的土壤侵蝕變化的劇烈程度符合峭坡耕地>陡坡耕地區(qū)>緩坡耕地區(qū)的基本規(guī)律，即隨著耕地坡度的增大，土壤侵蝕變化量的絕對(duì)值也增大?？臻g異質(zhì)性的角度來看，9類區(qū)域的土壤侵蝕量強(qiáng)烈減少區(qū)均呈現(xiàn)出左開口的“C”字形，空間異質(zhì)性顯著，9類區(qū)域土壤侵蝕量的空間分布格局與坡耕地變化和土壤侵蝕變化的空間分布格局具有相似性。

3.2.3 坡耕地土壤侵蝕效應(yīng)的影響因素 以各類區(qū)域范圍內(nèi)的植被覆蓋度變化(負(fù)向指標(biāo))、降雨侵蝕力變化(正向指標(biāo))、水土保持措施因子變化(正向指標(biāo))作為解釋變量，分別對(duì)坡耕地轉(zhuǎn)出區(qū)、坡耕地未轉(zhuǎn)移區(qū)、轉(zhuǎn)入坡耕地區(qū)的土壤侵蝕量變化做地理加權(quán)回歸分析，以探究各指標(biāo)對(duì)各區(qū)域土壤侵蝕量空間分布的影響，分析結(jié)果見圖7。

圖7 地理加權(quán)回歸分析

由圖7可知，最大調(diào)整R2表示地理加權(quán)回歸分析的擬合優(yōu)度。綜合來看，3個(gè)變量的最大調(diào)整R2大小排序?yàn)橹脖桓采w變化>降雨侵蝕力變化>水土保持措施因子變化，植被覆蓋變化的擬合效果最好。回歸系數(shù)表示解釋變量與因變量的相關(guān)性，回歸系數(shù)的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越大。由于植被覆蓋變化是負(fù)向指標(biāo)，因此其預(yù)期的回歸系數(shù)應(yīng)為負(fù)值，其他兩個(gè)指標(biāo)的回歸系數(shù)為正值。經(jīng)分析，植被覆蓋變化的回歸系數(shù)均為負(fù)值，且3類地區(qū)最大調(diào)整R2均大于0.9，表明植被覆蓋變化對(duì)3類地區(qū)全域侵蝕量變化都能較好地解釋，即植被覆蓋增加，土壤侵蝕量減少。降雨侵蝕力變化作為解釋變量時(shí)，出現(xiàn)負(fù)值區(qū)，表明這些區(qū)域降雨侵蝕力變化與土壤侵蝕量變化無關(guān)或負(fù)相關(guān)。另外，降雨侵蝕力變化作為解釋變量解釋轉(zhuǎn)入坡耕地區(qū)域的土壤侵蝕量變化時(shí)，最大調(diào)整R2僅為0.72，表明擬合效果不好，相關(guān)性不強(qiáng)。由于水土保持措施因子變化在未轉(zhuǎn)移區(qū)未發(fā)生變化，因此無法進(jìn)行地理加權(quán)回歸分析；水土保持措施因子變化在轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)的最大調(diào)整R2僅為0.61，擬合較差。在坡耕地轉(zhuǎn)出區(qū)，水土保持措施因子變化的回歸系數(shù)高值區(qū)全域表現(xiàn)為西北到東南走向的條帶狀分布，表明水土保持措施因子變化在這些區(qū)域與土壤侵蝕量變化的相關(guān)性較強(qiáng)，其余區(qū)域?yàn)槿跸嚓P(guān)、不相關(guān)或負(fù)相關(guān)。從坡耕地動(dòng)態(tài)變化的角度，坡耕地轉(zhuǎn)出區(qū)的土壤侵蝕量變化是植被覆蓋、降雨侵蝕力變化、水土保持措施因子變化多因素造成的；坡耕地未轉(zhuǎn)移區(qū)的土壤侵蝕量變化的主要影響因素是植被覆蓋變化和降雨侵蝕力變化；轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)的土壤侵蝕量變化只受植被覆蓋變化單一指標(biāo)的影響，且地理加權(quán)回歸的回歸系數(shù)的空間分布也與轉(zhuǎn)入坡耕地區(qū)土壤侵蝕量變化的空間格局呈現(xiàn)高度相似性。

3.2.4 坡耕地保護(hù)與整治建議 綜合分析各類坡耕地時(shí)空變化的土壤侵蝕效應(yīng)，從變化的劇烈程度上看，其排序?yàn)榍推赂?陡坡耕地>緩坡耕地，表明峭坡耕地的土壤侵蝕敏感性最高，陡坡耕地次之，緩坡耕地最低。從變化的類型來看，坡耕地轉(zhuǎn)出區(qū)和未轉(zhuǎn)移區(qū)的土壤侵蝕量總體減少，雖然全域的轉(zhuǎn)入坡耕地區(qū)的土壤侵蝕平均變化量也是負(fù)值，但精確到以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計(jì)單元時(shí)，轉(zhuǎn)入峭坡耕地區(qū)和轉(zhuǎn)入陡坡耕地區(qū)土壤侵蝕量增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占全市鄉(xiāng)鎮(zhèn)的一半以上，這些區(qū)域的土壤侵蝕狀況與1990年相比表現(xiàn)為惡化。從影響因素的角度，轉(zhuǎn)出區(qū)和未變化區(qū)的土壤侵蝕量變化均為兩個(gè)及以上因素共同作用，在多因素共同作用于土壤侵蝕量變化時(shí)，其中一個(gè)因素的改變對(duì)于土壤侵蝕量變化的影響程度較小，即穩(wěn)定性較高；而轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)的土壤侵蝕量變化受植被覆蓋變化影響較強(qiáng)，其他因子較弱，當(dāng)植被覆蓋因子發(fā)生變化時(shí)可能會(huì)引起土壤侵蝕量的巨大變化，即穩(wěn)定性較低。

根據(jù)研究成果，對(duì)延安市坡耕地利用與整治提出建議。轉(zhuǎn)入峭坡耕地區(qū)是水土流失的高敏感低穩(wěn)定區(qū)域，應(yīng)該堅(jiān)決抵制新的峭坡耕地生成，鞏固退耕還林還草工程的成果。同時(shí)應(yīng)該對(duì)現(xiàn)存的峭坡耕地進(jìn)行繼續(xù)退耕可行性分析，對(duì)于水土流失嚴(yán)重、糧食產(chǎn)量低的峭坡耕地進(jìn)行退耕，若這類峭坡耕地位于永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)，可在評(píng)估后進(jìn)行調(diào)整或補(bǔ)劃。轉(zhuǎn)入陡坡耕地區(qū)屬于土壤侵蝕的中敏感低穩(wěn)定區(qū)，對(duì)于這類坡耕地的轉(zhuǎn)入應(yīng)該加以限制，對(duì)于糧食產(chǎn)量低、水土流失特別嚴(yán)重、耕地質(zhì)量等級(jí)低的部分進(jìn)行退耕，其他部分的耕地輔以適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，改善土壤侵蝕狀況。轉(zhuǎn)入緩坡耕地區(qū)屬于土壤侵蝕的低敏感低穩(wěn)定區(qū)，對(duì)于緩坡耕地的整治應(yīng)著眼于減少水土流失、提高耕地質(zhì)量，部分未位于永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、水土流失不嚴(yán)重的緩坡耕地可作為峭坡耕地和陡坡耕地退耕的補(bǔ)劃區(qū)，從而達(dá)到減少水土流失、保障糧食安全的目的。

4 結(jié) 論

(1) 1990—2018年，延安市坡耕地總面積經(jīng)歷了“上升→下降→下降”的變化，從1990年的10 102.86 km2下降到2018年的8 184.66 km2，總體坡耕地動(dòng)態(tài)度為-0.68%/a。1990—2018年緩坡耕地、陡坡耕地、峭坡耕地面積均減少，減少的劇烈程度為峭坡耕地>陡坡耕地>緩坡耕地。

(2) 1990—2018年延安市坡耕地最主要的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的土地利用類型均為草地和林地，其中轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出面積最大的坡耕地類型為陡坡耕地。

(3) 1990年緩坡耕地主要集中在南部北洛河沿岸，陡坡耕地與峭坡耕地集中在北部丘陵溝壑區(qū)，西南、東南土石山區(qū)鮮有坡耕地分布。28 a間，北部丘陵溝壑區(qū)的坡耕地明顯減少，減少區(qū)域分布在延河沿岸、清澗河—永坪川沿岸與西北部北洛河沿岸；西部葫蘆河沿岸坡耕地少量增加，主要的增加類型是陡坡耕地與峭坡耕地。

(4) 1990—2018年延安市的土壤水力侵蝕狀況顯著改善，微度侵蝕的土地面積占比從1990年52.24%上升到了2018年的83.87%，強(qiáng)烈侵蝕及以上的土地面積占比從1990年的21.56%下降到了2018年的3.59%。土壤侵蝕模數(shù)主要減少區(qū)分布在延安北部黃土丘陵溝壑區(qū)以及南部北洛河沿岸，主要增加區(qū)分布在西部葫蘆河與北洛河之間的土石山區(qū)、西南土石山區(qū)、延河與西川的交界地帶。

(5) 1990—2018年延安市不同類型坡耕地的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出、未轉(zhuǎn)移區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)總體下降，土壤侵蝕變化的劇烈程度為峭坡耕地>陡坡耕地區(qū)>緩坡耕地區(qū)。不同類型坡耕地的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出、未轉(zhuǎn)移區(qū)域的土壤侵蝕量強(qiáng)烈減少區(qū)在空間上均呈現(xiàn)出左開口的“C”字形，空間異質(zhì)性明顯，其空間分布格局受植被覆蓋度變化、降雨侵蝕力變化和水土保持措施因子變化影響，影響力大小為植被覆蓋變化>降雨侵蝕力變化>水土保持措施因子變化。

(6) 研究采用的土地利用30 m數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，將土地利用分為常用的耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類。經(jīng)與2018年延安市土地地利用圖、《延安統(tǒng)計(jì)年鑒2018》中耕地?cái)?shù)據(jù)比對(duì)，中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心耕地明顯較多，包含了部分“三調(diào)”分類中的園地。該數(shù)據(jù)可基本滿足科學(xué)研究需求，但在實(shí)際運(yùn)用中需要使用分類更精細(xì)、精度更高的數(shù)據(jù)。