基于RUSLE模型的太行山區(qū)土壤侵蝕時(shí)空分異特征及影響因子研究*

王 豐,劉金銅,付同剛,高 會(huì),齊 菲

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

土壤侵蝕作為一個(gè)重大的全球環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重地威脅著區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。土壤侵蝕是一個(gè)綜合性的研究領(lǐng)域,其研究需要?dú)夂?、地質(zhì)、地貌、土壤、水文、生態(tài)等相關(guān)學(xué)科的基本知識(shí)。中國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一,水土流失面廣量大。根據(jù)第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查,我國(guó)水蝕和風(fēng)蝕面積為356.9萬(wàn)km,占國(guó)土面積的37.6%。因此,土壤侵蝕的研究對(duì)生態(tài)恢復(fù)及可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

根據(jù)模型估算和預(yù)測(cè)土壤侵蝕是較為普遍的一種研究手段,依據(jù)模型構(gòu)建方法主要分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型和物理成因模型。Wischmeier和Smith最早于1965年建立USLE (Universal Soil Loss Equation)土壤侵蝕模型。1993年,美國(guó)農(nóng)業(yè)部正式發(fā)布修正的通用土壤侵蝕方程RUSLE,且已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的土壤侵蝕估測(cè)研究中得到了普遍的應(yīng)用。基于USLE模型,20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)學(xué)者也建立了一些經(jīng)驗(yàn)侵蝕模型,比較有代表性的是江忠善等淺溝裸露地坡面土壤預(yù)報(bào)模型和劉寶元的中國(guó)土壤流失方程CSLE。土壤侵蝕物理成因模型中比較著名的是美國(guó)的WEPP、歐洲的EUROSEM、荷蘭的LISEM,以及我國(guó)學(xué)者蔡強(qiáng)國(guó)等的次降雨侵蝕產(chǎn)沙模型、段建南等的坡耕地土壤侵蝕過(guò)程數(shù)學(xué)模型SLEMSEP等。但由于此類(lèi)模型參數(shù)復(fù)雜和各地區(qū)情況千差萬(wàn)別,其推廣和應(yīng)用受到了一定限制,但USLE和RUSLE依然是應(yīng)用最為廣泛的模型。

USLE和RUSLE模型自從引入我國(guó)后,在土壤侵蝕較嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)進(jìn)行了較為廣泛的應(yīng)用,但對(duì)易發(fā)生土壤侵蝕的太行山區(qū)的研究則相對(duì)較少。太行山區(qū)是京津冀豫重要的生態(tài)屏障區(qū),但由于自然環(huán)境惡化以及人類(lèi)不合理的土地利用,導(dǎo)致該地區(qū)土壤侵蝕狀況嚴(yán)峻。目前,關(guān)于太行山區(qū)土壤侵蝕的研究多集中在小流域和某一區(qū)域尺度,覆蓋整個(gè)太行山區(qū)尺度的研究相對(duì)較少; 此外諸多研究通常只是關(guān)注某一年度的土壤侵蝕量,未能很好地反映土壤侵蝕的時(shí)間變化情況。因此,本文將RUSLE模型與ArcGIS軟件相結(jié)合,計(jì)算了太行山區(qū)2000-2015年4期的土壤侵蝕模數(shù)(單位面積年均土壤侵蝕量),分析了土壤侵蝕的時(shí)空分異特征,并對(duì)土壤侵蝕的影響因子進(jìn)行了探究,旨在為研究區(qū)的水土保持和生態(tài)環(huán)境治理工作提供一定的科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)太行山區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area of Taihang Mountain area

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的數(shù)據(jù)類(lèi)型及來(lái)源如表1所示,各數(shù)據(jù)均通過(guò)ArcGIS柵格重采樣工具統(tǒng)一成100 m空間分辨率,投影坐標(biāo)統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_49N。土壤數(shù)據(jù)采取FAO-90分類(lèi)系統(tǒng); 土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)各地類(lèi)遙感影像進(jìn)行目視解譯和更新,分類(lèi)綜合精度達(dá)87.75%。

表1 本研究所用數(shù)據(jù)及來(lái)源Table 1 Dataset and resources used in the study

2.2 研究方法

采用的土壤侵蝕模型是修正的通用土壤流失方程RUSLE模型:

式中:為預(yù)測(cè)的單位面積的年土壤侵蝕量(t·hm·a);為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)·(hm·h·a)];為土壤可蝕性因子[(t·hm·h)·(MJ·hm·mm)]; LS為坡長(zhǎng)坡度因子(無(wú)量綱);為植被覆蓋與管理因子(無(wú)量綱);為水土保持措施因子(無(wú)量綱)。

2.2.1 降雨侵蝕力因子()

降雨侵蝕力是降雨侵蝕的潛在能力,它是土壤流失方程中首要的基礎(chǔ)因子。降雨是引起土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力,降雨侵蝕力表征了降雨引起土壤發(fā)生侵蝕的潛在能力。目前在中國(guó)多以年降雨量和月降雨量對(duì)因子進(jìn)行估算,本文采用馬志尊的方法計(jì)算太行山區(qū):

式中:為年平均降雨量(mm),p為第月降雨量(mm)。根據(jù)研究區(qū)88個(gè)氣象站的降雨數(shù)據(jù),由以上公式計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)的年降雨侵蝕力,在ArcGIS軟件中進(jìn)行Kriging插值和重采樣操作,得到降雨侵蝕力因子的空間分布圖(圖2)。

圖2 2000—2015年太行山區(qū)降雨侵蝕力(R)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of rainfall erosion factor (R)in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

2.2.2 土壤可蝕性因子()

土壤可蝕性因子主要表達(dá)土壤的性質(zhì),反映土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)的難易程度。土壤值是土壤抵抗水蝕能力的一個(gè)綜合性指標(biāo),土壤值越大,土壤抵抗水蝕能力越弱,越易受侵蝕;反之亦然。本文基于EPIC模型中土壤質(zhì)地和土壤有機(jī)碳含量計(jì)算因子,并根據(jù)張科利等的研究對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正,最終得到因子的空間分布圖(圖3):

圖3 太行山區(qū)土壤可蝕性因子(K)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil erodibility factor (K)in Taihang Mountain area

式中:SAN表示砂粒(粒徑0.05～2 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%); SIL表示粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%); CLA表示黏粒(粒徑＜0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%);表示有機(jī)碳含量(%)。

2.2.3 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)

坡長(zhǎng)是指坡面上從產(chǎn)生地表徑流的起點(diǎn)至徑流匯集到溝谷的距離,坡長(zhǎng)越大,徑流的速度就越大,匯聚的流量也越大,其侵蝕力就越強(qiáng); 坡度表示地表某點(diǎn)的傾斜程度,坡度通過(guò)影響水流的速度進(jìn)而影響滲透率、徑流量以及對(duì)土壤的沖刷量,是影響區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕的最重要因素。在流域?qū)用嫔?坡長(zhǎng)、坡度可通過(guò)數(shù)字高程DEM提取,坡長(zhǎng)因子()的計(jì)算采用Wischmeier提出的坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式:

式中:為水平投影坡長(zhǎng)(m);為坡長(zhǎng)指數(shù),取值方法為:當(dāng)坡度()≤1o,=0.2; 當(dāng)1o＜≤3o時(shí),=0.3; 當(dāng)3o＜≤5o時(shí),=0.4; 當(dāng)＞5o時(shí),=0.5;利用DEM提取。

RUSLE模型中坡度因子()的計(jì)算采用Mccool等建立的公式:

Liu等對(duì)陡坡情況下因子的計(jì)算做了研究,提出了如下計(jì)算公式:

太行山區(qū)地形因子LS的空間分布如圖4所示。

圖4 太行山區(qū)坡長(zhǎng)坡度因子(LS)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of topographical factor (LS)in Taihang Mountain area

2.2.4 植被覆蓋與管理因子()

植被覆蓋與管理因子是評(píng)價(jià)植被因素抵抗土壤侵蝕能力的重要指標(biāo),指在相同的土壤、坡度和降雨條件下,有特定植被覆蓋或田間管理的土地上的土壤流失量與實(shí)施清耕、無(wú)覆蓋裸露休閑地上的土壤流失量之比,其值在0～1之間。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是計(jì)算因子最為普遍的數(shù)據(jù),本文采用Vander Knijff等提出的利用NDVI確定因子的方法(圖5):

圖5 2000—2015年太行山區(qū)植被覆蓋與管理因子(C)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation management and coverage factor (C)in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

式中:和為無(wú)量綱因子,決定因子與NDVI關(guān)系曲線圖,經(jīng)Vander Knijff M發(fā)現(xiàn)=2、=1是一個(gè)合理的取值,有著良好相關(guān)性。

2.2.5 水土保持措施因子()

水土保持措施因子是采取專門(mén)措施后的土壤流失量與采用順坡種植時(shí)土壤流失量的比值。因子的控制措施主要有等高耕作、等高帶狀種植和修筑梯田,常見(jiàn)的水土保持措施有梯田、造林、種草等,其值為0～1,0代表基本不發(fā)生土壤侵蝕,1代表未采取水土保持措施或措施完全失效。

大量研究表明,土地利用信息能夠間接反映水土保持措施因子,在大尺度的流域土壤侵蝕研究中,可以根據(jù)土地利用類(lèi)型賦值的方法確定,由此得到太行山區(qū)水土保持措施因子分布圖(圖6),林地、草地、未利用地一般均賦值為1,水體、建筑用地及裸巖賦值為0,對(duì)于耕地,通常坡度越大,水土保持措施的作用越突出,因此耕地依據(jù)表2坡度范圍賦值。

圖6 2000—2015年太行山區(qū)水土保持措施因子(P)的空間分布Fig.6 Distribution of soil and water conservation factor (P)in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

表2 不同坡度范圍的耕地的水土保持措施因子 (P)值[30]Table 2 Values of soil and water conservation factors (P)of cultivated land in different slope conditions

3 結(jié)果與分析

3.1 太行山區(qū)土壤侵蝕的時(shí)間變化

3.1.1 土壤侵蝕模數(shù)的時(shí)間變化

將計(jì)算所得的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長(zhǎng)坡度因子、植被覆蓋與管理因子和水土保持措施因子?xùn)鸥駡D層統(tǒng)一為100 m×100 m分辨率后,利用ArcGIS中的柵格計(jì)算器進(jìn)行疊加相乘,2000年、2005年、2010年和2015年太行山區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)分別為4434.14 t·km·a、2984.65 t·km·a、1761.93 t·km·a和1833.81 t·km·a,呈明顯減小的趨勢(shì),16年間土壤侵蝕模數(shù)減少58.64% (圖7),土壤侵蝕模數(shù)在2010-2015年間整體趨于穩(wěn)定。

圖7 2000—2015年太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化Fig.7 Changes of soil erosion modulus in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

3.1.2 土壤侵蝕強(qiáng)度的時(shí)間變化

根據(jù)水利部頒布的土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007,根據(jù)侵蝕模數(shù)的大小,土壤侵蝕強(qiáng)度分為微度(＜500 t·km·a)、輕度(500～2500 t·km·a)、中度(2500～5000 t·km·a)、強(qiáng)烈(5000～8000 t·km·a)、極強(qiáng)烈(8000～15 000 t·km·a)以及劇烈(＞15 000 t·km·a)6個(gè)級(jí)別。首先,利用ArcGIS重分類(lèi)工具將侵蝕模數(shù)分為6種強(qiáng)度,進(jìn)而利用相交工具得到侵蝕強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的面積變化隨時(shí)間表現(xiàn)各異,微度侵蝕的面積呈持續(xù)增加趨勢(shì),輕度、中度及強(qiáng)烈侵蝕面積呈先增加后降低的趨勢(shì),而極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積主要表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。

表3 2000—2015年太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of soil erosion intensity in Taihang Mountain area from 2000 to 2015km 2

在侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移1級(jí)的面積統(tǒng)計(jì)中,2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年3個(gè)變化時(shí)間段輕度侵蝕向微度侵蝕轉(zhuǎn)移的面積比例分別為14.47%、35.76%和30.48%,其中2000-2005年的轉(zhuǎn)移面積比例最小; 3個(gè)變化時(shí)間段中度侵蝕向輕度侵蝕轉(zhuǎn)移的面積比例分別為33.45%、68.61%和42.29%,其中2005-2010年的轉(zhuǎn)移面積比例最大。2010-2015年輕度侵蝕面積向中度侵蝕轉(zhuǎn)移的比例達(dá)13.05%,但其值仍遠(yuǎn)小于輕度侵蝕轉(zhuǎn)微度的面積。在侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移兩級(jí)別及以上的面積統(tǒng)計(jì)中,2000-2005年沒(méi)有極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕向微度侵蝕轉(zhuǎn)移的面積,而2005年之后的兩個(gè)時(shí)間段均有向微度侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移的面積,且轉(zhuǎn)移的面積呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

因此,2000-2015年微度侵蝕的面積一直在增加,極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積主要表現(xiàn)為降低趨勢(shì),太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度整體向較低的等級(jí)轉(zhuǎn)移,2005-2010年是侵蝕強(qiáng)度降低變化率最高的時(shí)間段,太行山區(qū)土壤侵蝕防治成效在此時(shí)期最為顯著。

3.2 太行山區(qū)土壤侵蝕的空間變化

3.2.1 土壤侵蝕強(qiáng)度的水平空間變化

本文運(yùn)用ArcGIS空間疊加分析功能,揭示了太行山區(qū)2000-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分異特征(圖8)。

圖8 2000—2015年太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)變化(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為面積占比)Fig.8 Changes of soil erosion intensity levels in Taihang Mountain area from 2000 to 2015 (data in parenthesis is area proportion)

2000-2005年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在山西和河北兩省交界的較高海拔地區(qū),東經(jīng)114o附近,例如晉中東部、石家莊西部等; 土壤侵蝕強(qiáng)度增加的區(qū)域總體分布在太行山東北部區(qū)域,以北京西南部、張家口東南部以及保定北部為主。2005-2010年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域在整個(gè)太行山區(qū)分布較為均勻; 而侵蝕強(qiáng)度增加的區(qū)域很少,此時(shí)間段研究區(qū)土壤侵蝕的狀況改善明顯。2010-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在陽(yáng)泉、石家莊以南地區(qū); 土壤侵蝕強(qiáng)度增加的區(qū)域整體上集中在北緯38o線以北,例如張家口、保定、石家莊等水土流失敏感性較高的西部山區(qū)。

綜上所述,太行山區(qū)土壤侵蝕具有明顯的空間異質(zhì)性。3個(gè)變化時(shí)期至少有74.77%的地區(qū)侵蝕強(qiáng)度并沒(méi)有表現(xiàn)出等級(jí)上的轉(zhuǎn)移,侵蝕強(qiáng)度降低一級(jí)的面積始終比增加一級(jí)的大。

3.2.2 土壤侵蝕模數(shù)的垂向空間變化

根據(jù)高會(huì)等對(duì)太行山區(qū)海拔的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)GIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到土壤侵蝕的垂直空間分布圖(圖9)。具體來(lái)看,在海拔小于200 m的山前平原區(qū),土壤侵蝕模數(shù)很小,平均低至244 t·km·a; 在200～1600 m的海拔區(qū)間,主要是低山丘陵區(qū)和中山區(qū),土壤侵蝕與海拔未呈現(xiàn)出相關(guān)性,平均侵蝕模數(shù)始終在2000 t·km·a左右,屬于輕度侵蝕; 在海拔大于1600 m的亞高山區(qū),土壤侵蝕模數(shù)隨著海拔升高表現(xiàn)為迅速增大,在2600～2800 m附近達(dá)極大值,即13 057 t·km·a,屬于極強(qiáng)烈侵蝕等級(jí)。

圖9 太行山區(qū)不同海拔的土壤侵蝕變化Fig.9 Changes of soil erosion in different altitudes in Taihang Mountain area

因此,在中低山區(qū)海拔高的地方侵蝕模數(shù)并不一定大,一定海拔高度后土壤侵蝕狀況有其特殊性,中低山區(qū)集中了侵蝕總量(2.5×10t)的86.54%,原因是中低山區(qū)的面積約占研究區(qū)的91.12%。土壤侵蝕防治工作應(yīng)著眼于中低山區(qū),對(duì)于亞高山區(qū)應(yīng)減少人為因素的干擾,采取更多的封山育林措施。

3.3 太行山區(qū)土壤侵蝕的影響因子

3.3.1 土壤侵蝕與坡度的關(guān)系

選取2015年土壤侵蝕與坡度的柵格圖層進(jìn)行疊加分析,得到太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與坡度的關(guān)系(圖10 a),土壤侵蝕模數(shù)總體上隨坡度增加而增大,侵蝕模數(shù)與坡度呈二次多項(xiàng)式擬合關(guān)系=259.18+221.16-2.76,擬合系數(shù)=0.96,侵蝕模數(shù)與坡度的關(guān)系極顯著(＜0.01)。當(dāng)坡度在40o左右時(shí)侵蝕模數(shù)達(dá)極大值,約4693 t·km·a; 而當(dāng)坡度大于40o時(shí),侵蝕模數(shù)并未繼續(xù)增大,而是呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)。因此,土壤侵蝕存在臨界坡度使得其不會(huì)隨坡度的增加一直增加,這也與眾多的學(xué)者研究相似,基于試驗(yàn)方法計(jì)算的臨界坡度多在30o以下,而基于理論分析得出的結(jié)論大多認(rèn)為臨界值在30o以上,臨界坡度的大小因試驗(yàn)方法和客觀條件的差異而不盡相同。

根據(jù)水利部關(guān)于土壤侵蝕坡度等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn),將太行山區(qū)土壤侵蝕柵格圖按照坡度劃分為6個(gè)等級(jí),太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度的關(guān)系如圖10b所示,在不同坡度帶不同土壤侵蝕強(qiáng)度的面積占比變化明顯,微度侵蝕的面積占比隨坡度的增加而逐漸減小,而中度及以上侵蝕強(qiáng)度的面積占比則逐漸增大。因此,隨著坡度的增加,較高等級(jí)強(qiáng)度的侵蝕發(fā)生的概率逐漸增大。太行山區(qū)通過(guò)工程措施進(jìn)行微地形改造,通過(guò)調(diào)整坡耕地的坡度,有助于控制土壤侵蝕的發(fā)生。

圖10 太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)隨坡度變化(a)和不同坡度土壤侵蝕強(qiáng)度面積百分比(b)Fig.10 Changes of soil erosion modulus (a)and percentages of different soil erosion intensity levels (b)under different slope conditions in Taihang Mountain area

3.3.2 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與土地利用的關(guān)系如圖11所示,耕地、林地和草地是主要的土地利用類(lèi)型,面積占比分別為35.87%、29.22%和25.58%,三者平均土壤侵蝕模數(shù)分別為501.72 t·km·a、2475.46 t·km·a和3605.73 t·km·a。

圖11 太行山區(qū)不同土地利用類(lèi)型的侵蝕模數(shù)Fig.11 Soil erosion modulus of different land use types in Taihang Mountain area

3種主要的土地利用類(lèi)型中,耕地的侵蝕模數(shù)最小,幾乎達(dá)到微度侵蝕等級(jí)。可能的原因有以下3點(diǎn):1)太行山區(qū)耕地的坡度主要分布在15o以下,統(tǒng)計(jì)分析(表4)表明耕地的平均坡度為4.90o,較低坡度使得土壤侵蝕模數(shù)相對(duì)較小。2)21世紀(jì)以來(lái),退耕還林生態(tài)工程主要集中在大于15o的耕地上,2000-2015年這些地區(qū)平均NDVI植被指數(shù)從0.56變?yōu)?.68,相應(yīng)的平均侵蝕模數(shù)從5536.12 t·km·a降低為2474.29 t·km·a。3)林草地通常未采取相應(yīng)的水土保持措施,耕地的水土保持措施因坡度而存在差異。因此,太行山區(qū)耕地的土壤侵蝕模數(shù)較低。

表4 太行山區(qū)主要土地利用類(lèi)型特征Table 4 Characteristics of main land use types in Taihang Mountain area

與耕地相比,林地和草地主要分布在太行山區(qū)較大的坡度范圍內(nèi),較高土壤侵蝕發(fā)生的概率增加。草地是侵蝕模數(shù)最高的土地利用類(lèi)型,原因是一方面草地的NDVI指數(shù)遠(yuǎn)小于林地; 另一方面林地往往具有更穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu),冠層對(duì)降水具有截留作用,這削弱了雨水到達(dá)地表的雨滴動(dòng)能。

太行山區(qū)土壤侵蝕防治工作應(yīng)著眼于耕地、林地和草地管理。對(duì)陡坡或交通不便的耕地適時(shí)地推進(jìn)退耕還林還草,提高生態(tài)恢復(fù)植被的成活率; 對(duì)荒山和草地應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)力度,預(yù)防草地的生態(tài)退化。

3.3.3 土壤侵蝕與NDVI的關(guān)系

太行山區(qū)土壤侵蝕與NDVI植被指數(shù)的關(guān)系如圖12所示,4個(gè)年度的平均NDVI分別為0.58、0.61、0.67和0.66,總體上隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。侵蝕模數(shù)與NDVI的二次多項(xiàng)式擬合關(guān)系=141 296-414 662+308 084,擬合系數(shù)=0.99,侵蝕模數(shù)與NDVI的關(guān)系極顯著(=0.022)。植被是影響土壤侵蝕的重要因子,關(guān)系到作物覆蓋與管理因子的大小,由此可見(jiàn),太行山區(qū)植被恢復(fù)整體趨好,這對(duì)防治水土流失具有一定的積極作用。

圖12 太行山區(qū)侵蝕模數(shù)和NDVI的關(guān)系Fig.12 Relationship between soil erosion modulus and NDVI in Taihang Mountain area

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

RUSLE模型的各因子在計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差,本研究中因子的計(jì)算僅使用了月度的降雨數(shù)據(jù),未考慮太行山區(qū)海拔因素對(duì)降雨的影響,總體上計(jì)算精度還不夠,今后研究中考慮使用Anusplin插值方法得到日降雨數(shù)據(jù)降雨侵蝕力因子;因子還是根據(jù)傳統(tǒng)的方法對(duì)土地利用類(lèi)型進(jìn)行賦值,沒(méi)有考慮等高耕作和修梯田的影響,今后研究中可以考慮采用高分辨率遙感數(shù)據(jù)對(duì)這些典型區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。

在結(jié)果驗(yàn)證方面也存在不足,本文只是參照了已有的相關(guān)文獻(xiàn),太行山區(qū)的土壤侵蝕研究結(jié)果不盡相同,這可能是數(shù)據(jù)源和參照標(biāo)準(zhǔn)的不同引起的,但一致的結(jié)論是研究區(qū)土壤侵蝕狀況逐漸好轉(zhuǎn),自20世紀(jì)80年代開(kāi)始,太行山區(qū)相繼實(shí)施了“太行山綠化工程” “退耕還林工程”等多項(xiàng)生態(tài)工程,對(duì)研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有重要作用。王嬌等對(duì)河北太行山區(qū)土壤侵蝕敏感性的研究發(fā)現(xiàn),水土流失敏感性中度偏重,由于不同的研究方法和評(píng)價(jià)尺度,其與本研究結(jié)果存在一定差異。

一般而言,耕地的土壤侵蝕模數(shù)大于林地和草地,但本研究的結(jié)論則不同。首先,太行山區(qū)林地的平均坡度是耕地的3倍以上(表4); 其次,耕地的平均NDVI值與草地的幾乎相同; 最后,統(tǒng)計(jì)分析表明耕地的降雨侵蝕力因子是三者最小的,這可能是研究區(qū)耕地侵蝕模數(shù)較小的原因。何莎莎在太行山區(qū)小流域尺度的研究也得到相似的結(jié)論。因此,太行山區(qū)水土流失防治工作應(yīng)遵循客觀規(guī)律,宜林則林,宜耕則耕,增加陡坡地(＞15o)林草地的覆蓋比例,在宜耕的緩坡地上,避免大規(guī)模將耕地向林草地轉(zhuǎn)變,以保持現(xiàn)狀為主,以微地形改造等農(nóng)田生態(tài)工程措施保持土壤。

本研究中的土壤侵蝕模數(shù)存在年平均NDVI的閾值,其他相關(guān)研究也表明植被生長(zhǎng)狀況的好轉(zhuǎn)對(duì)土壤侵蝕的作用并不是無(wú)限增大的。土壤侵蝕受植被、土壤、降雨、土地利用、地形、人類(lèi)活動(dòng)等一系列因子的影響,根據(jù)“木桶原理”,往往一兩種因子決定了土壤侵蝕防控的上限,合理的生態(tài)工程對(duì)太行山區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善是全方位的,植被的恢復(fù)僅僅是生態(tài)工程發(fā)揮作用的一種體現(xiàn)。因此,太行山區(qū)應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持以生態(tài)工程措施改善環(huán)境質(zhì)量,優(yōu)化調(diào)整各要素結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提升對(duì)土壤侵蝕的防控能力。

4.2 結(jié)論

本文將RUSLE模型與ArcGIS軟件相結(jié)合,研究了太行山區(qū)2000-2015年4期土壤侵蝕的時(shí)空分異特征,分析了坡度、土地利用和NDVI與土壤侵蝕的關(guān)系,結(jié)論如下:

1)2000-2015年,太行山區(qū)4期平均土壤侵蝕模數(shù)分別為4434.14 t·km·a、2984.65 t·km·a、1761.93 t·km·a和1833.81 t·km·a,呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。

2)土壤侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)換變化明顯,侵蝕強(qiáng)度降低1級(jí)的面積始終大于增加1級(jí)的面積,微度侵蝕的面積持續(xù)增加,而極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積主要表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度整體呈向較低等級(jí)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),但大部分地區(qū)并沒(méi)有表現(xiàn)出等級(jí)上的變化,2005-2010年是土壤侵蝕強(qiáng)度降低變化率最高的時(shí)間段。

3)太行山區(qū)土壤侵蝕具有明顯的空間異質(zhì)性,2000-2005年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在山西和河北兩省交界的較高海拔地區(qū),2005-2010年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域在整個(gè)太行山區(qū)分布較為均勻,2010-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在陽(yáng)泉、石家莊以南地區(qū)。

4)中低山區(qū)的面積約占太行山區(qū)的91.12%,兩個(gè)區(qū)域發(fā)生的土壤侵蝕量占總量的86.54%,亞高山區(qū)的侵蝕模數(shù)相對(duì)偏大,可能的原因是亞高山區(qū)的地形較為陡峭,中低山區(qū)是太行山區(qū)人類(lèi)活動(dòng)的主要區(qū)域,也是土壤侵蝕防治工作的重點(diǎn)區(qū)。

5)土壤侵蝕與坡度具有正相關(guān)關(guān)系,40o左右是土壤侵蝕的極值坡度,隨著坡度的增加,微度侵蝕所占的面積逐漸降低,較高等級(jí)強(qiáng)度的侵蝕發(fā)生的概率逐漸增大,坡度大的區(qū)域具有更大的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。太行山區(qū)耕地平均坡度為4.90o,遠(yuǎn)小于林草地,因此其侵蝕模數(shù)相對(duì)較小; 草地是侵蝕模數(shù)最高的土地利用類(lèi)別,平均侵蝕模數(shù)達(dá)3605.73 t·km·a。土壤侵蝕隨著NDVI增加逐漸降低,年平均NDVI指數(shù)達(dá)到0.66左右時(shí)侵蝕模數(shù)降低幅度變緩。