2000-2019年黃土高原地區(qū)土壤保持時空變化及影響因素分析

孫應龍, 李 娜, 黃斌斌, 趙曉鳳, 延 昊, 曹 云

(1.國家氣象中心, 北京100081; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學院, 沈陽 122000; 3.中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100083)

土壤侵蝕和水土流失是當今世界各國的主要環(huán)境問題，它嚴重威脅著人類的生存和發(fā)展，它不但破壞了生態(tài)環(huán)境平衡，還能加劇干旱、洪澇等氣象災害的發(fā)生。黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，跨山西省、陜西省北部、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)及河南省等省區(qū)。黃土高原大多數(shù)區(qū)域存在著嚴重的土壤侵蝕問題，是世界上水土流失最為嚴重的區(qū)域之一[1]，同時，黃土高原又是中華民族的重要發(fā)祥地，在古代很長的時間，植被覆蓋度高、生態(tài)環(huán)境優(yōu)越[2]。但由于人類長期的濫墾濫伐、不合理利用土地等行為造成黃土高原自然森林和草原植被遭到了嚴重破壞，陜西北部、甘肅等地出現(xiàn)了嚴重的土壤流失、沙化嚴重等問題[3]。因此，黃土高原的水土流失治理受到了廣泛關注，其獨特的地理環(huán)境條件和有限的水資源使得該區(qū)的林草植被建設以草地植被為主，尤其2000年以來國家采取了一系列退耕還林、坡耕地治理等生態(tài)工程治理措施[4]，水土流失治理成效顯著，植被覆蓋度增加，生態(tài)環(huán)境得到改善[5]。草地植被在控制土壤水蝕方面發(fā)揮重要作用[6]，在水土流失嚴重的黃土高原地區(qū)，增加植被的覆蓋度具有很好的水土保持作用[7]，在黃土高原北部的風沙區(qū)，水利與風力這兩種外力的存在是造成土壤侵蝕的主要原因，在全球氣候變化的大背景下，過去30年間，黃土高原的變化特點以“暖濕化”為主，氣溫，降水等與土壤侵蝕有關的變化因素都經(jīng)歷了一系列的變化，導致黃土高原土壤侵蝕環(huán)境在過去的幾十年中發(fā)生了顯著變化[8]。

本研究以黃土高原地區(qū)為研究區(qū)域，應用美國通用水土流失方程，研究2000年以來土壤保持量時空變化特征，分析區(qū)域植被凈初級生產(chǎn)力、植被覆蓋度時空變化，以及氣象條件變化對土壤保持的影響。以期為黃土高原地區(qū)退耕還林和水土流失治理提供技術與理論支持，為客觀評價黃土高原生態(tài)效益提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤保持量計算方法

土壤保持功能可用土壤保持量大小表示，即考慮地表覆蓋因子情況下的實際土壤侵蝕量，與潛在土壤侵蝕量的差，即為土壤保持量。土壤侵蝕量采用通用土壤流失方程USLE計算，主要考慮了降雨、土壤、地形和植被覆蓋對土壤侵蝕的影響。因此。計算公式如下：

SC=R·K·LS(1-C)·P

式中：SC為土壤保持量〔t/(hm2·a)〕；R為降雨侵蝕力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；K為土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；LS為坡長坡度因子(無量綱)；C為植被覆蓋因子(無量綱)；P為土壤保持措施因子(無量綱)。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨侵蝕力因子反映的是由降雨引起土壤潛在侵蝕能力的大小，是導致土壤侵蝕的首要因子。通常降雨侵蝕力難以直接測定，大多用降雨參數(shù)，如雨強、雨量等來估算降雨侵蝕力[9-12]。

式中：Rk為第k個半月的降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕，k為一年的24個半月，即k=1，2，…，24；i為所用降雨資料的年份，即i=1，2，…，n；j為第i年第k個半月侵蝕性降雨日的天數(shù)，即j=0，1，2，…，m；Pi,j,k為第i年第k個半月第j個侵蝕性日降雨量(mm)；α為參數(shù)，暖季 (5—9月)α=0.3937，冷季(10—4月)α=0.3101。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性是評價土壤對侵蝕敏感程度的重要指標，也是進行土壤侵蝕預報的重要參數(shù)。可利用土壤顆粒組成和土壤有機碳資料來計算K[13-14]。

式中:SAN為土壤砂粒含量(%);CLA為土壤粉粒含量(%);SIL為土壤黏粒含量(%);C為土壤有機碳含量

(3) 坡長坡度因子(LS)。坡長坡度因子也稱地形因子，可以反映坡長、坡度等地形地貌特征對土壤侵蝕的作用，可通過數(shù)字高程模型來估算[15]。

m=β/(1+β)

β=(sinθ/0.089)/〔3.0(sinθ)0.8+0.56〕

式中:L為坡長因子;S為坡度因子;m為坡長指數(shù);θ為坡度(°);λ為坡長(m)。

(4) 植被覆蓋和管理因子(C)。植被覆蓋和管理因子C是指有植被覆蓋或田間管理狀態(tài)的土壤侵蝕量與同等條件下裸地土壤侵蝕量的比值，介于0～1之間。反映了生態(tài)系統(tǒng)對土壤侵蝕的影響，是控制土壤侵蝕的積極因素。C值越大，說明植被覆蓋越差，保土措施作用越弱；C值越小，說明植被覆蓋越好，保土措施作用越強。可通過文獻資料查閱，以及通過植被覆蓋度與C值之間良好的相關性來進行估算C[16]。

(5) 土壤保持措施因子(P)。土壤保持措施因子P是指采取了土壤保持措施下土壤侵蝕量與未采取保持措施下土壤侵蝕量的比值，反映的是水土保持措施對于土壤侵蝕的抑制作用。通常的侵蝕控制措施有等高耕作、修梯田等[9]。

1.2 植被NPP和覆蓋度計算方法

本研究中植被數(shù)據(jù)來自MODIS系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)(網(wǎng)址為https:∥modis.gsfc.nasa.gov /data/)。MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，為NASA提供的MOD13A3級植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率達到1 km，時間范圍為2000—2019年逐月。

本研究中植被凈初級生產(chǎn)力的計算基于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量TEC模型，利用太陽光合有效輻射、植被吸收光合有效輻射的比例、實際光能利用率等數(shù)據(jù)，估算植被NPP數(shù)據(jù)，主要公式如下：

NPP=GPP-Rg-Rm

式中：NPP，GPP，Rg和Rm分別表示植被凈初級生產(chǎn)力、總初級生產(chǎn)力、生長和維持呼吸消耗量GPP具體計算方法參考延昊等文獻[17-18]；Rg和Rm具體計算方法參考Zhao和Running及Goward和Dye文獻[19-20]。

目前，估算植被覆蓋度的方法主要為遙感估算，即基于植被歸一化植被指數(shù)，建立植被覆蓋度的計算模型，然后估算植被覆蓋度信息[21-23]。本文基于 NDVI值估算了黃土高原的植被覆蓋度，其表達式為：

C=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

式中:C為月植被覆蓋度(%);NDVI為月最大值合成歸一化差值植被指數(shù);NDVIs為像元純土壤時的植被指數(shù)；NDVIv為像元全植被覆蓋下的植被指數(shù)[24]。

1.3 氣象數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計

本研究中氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象中心，選取2000年以來黃土高原地區(qū)逐日氣溫、降水量等氣象數(shù)據(jù)，形成2000—2019年逐年氣象數(shù)據(jù)。黃土高原地區(qū)2000年以來降水主要呈現(xiàn)“東多西少”的分布(圖1)，區(qū)域由西部到東部年降水量逐漸增加，區(qū)域的西部平均年降水量不足400 mm，中部地區(qū)400～500 mm，東部地區(qū)可達500～600 mm，局地大于600 mm。黃土高原地區(qū)2000年以來年平均氣溫呈現(xiàn)“南高北低”的分布態(tài)勢(圖2)，區(qū)域北部年平均氣溫為10℃以下，而區(qū)域南部年平均氣溫為11～14℃，普遍高于北部地區(qū)。

圖1 2000-2019年黃土高原地區(qū)年降水量分布

圖2 2000-2019年黃土高原地區(qū)年平均氣溫分布

2 結果與分析

2.1 黃土高原土壤保持時空分布

2000—2019年黃土高原地區(qū)土壤保持量結果見圖3—4。黃土高原地區(qū)2000年以來土壤保持量呈增加趨勢，從空間分布圖中可以看出，黃土高原有95.0%的區(qū)域土壤保持量呈增加趨勢，陜西北部、山西大部、甘肅東部等地土壤保持量每1 hm2增加1.0 t以上(圖3)。但截至2020年，黃土高原還有5.0%的區(qū)域土壤保持量呈下降趨勢，其中內(nèi)蒙古呼和浩特南部局部地區(qū)水土流失的狀況還在持續(xù)，是未來水土流失要加強治理的重點。

圖3 2000-2019年黃土高原區(qū)域土壤保持量空間變化

另外，由圖4可知，2000—2019年黃土高原土壤保持量平均值為109.5 t/hm2，其中2003年和2013年由于區(qū)域氣候條件良好，土壤保持量處于近20 a來高值，達143.8 t/hm2，163.6 t/hm2；2015年黃土高原降水明顯偏少，較2014年偏少16%，植被長勢偏差，引起高原土壤保持量出現(xiàn)下降。2000年以來黃土高原土壤保持量波動較大，但總體呈增加趨勢，平均每年增加2.0 t/hm2。

圖4 2000-2019年黃土高原土壤保持量變化

2.2 黃土高原植被時空變化

自從2000年黃土高原地區(qū)實施退耕還林、退耕還草工程、天然林保護工程等生態(tài)保護工程以來[1]，黃土高原植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)以及植被覆蓋度均有較明顯的增加。本研究計算了2000—2019年黃土高原地區(qū)植被NPP的變化規(guī)律，結果見圖5，空間分布差異顯著，地區(qū)西部植被NPP變化趨勢率較小，平均每年增加不高于2.5 gC/m2；地區(qū)中部和東部植被NPP增加較明顯，平均每年增加2.5～10 gC/m2，部分地區(qū)(如陜西省北部、山西省西部、寧夏南部等地)增加10 gC/m2以上，植被NPP改善非常明顯。

圖5 2000-2019年黃土高原地區(qū)植被NPP變化趨勢率

2000—2019年黃土高原地區(qū)逐年植被NPP變化見圖6，可見黃土高原地區(qū)2000年以來植被NPP呈增加趨勢，年平均值為330.5 gC/m2，且平均每年增加7.2 gC/m2。2018年地區(qū)植被NPP為近20年最大，為427.2 gC/m2，2001年植被NPP為近20年最小，為232.0 gC/m2。

圖6 2000-2019年黃土高原地區(qū)年植被NPP變化

同樣，本研究也統(tǒng)計了2000年以來黃土高原地區(qū)植被覆蓋度的變化。由圖7看出，2000年以來黃土高原地區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)了顯著增加趨勢，有97.7%的區(qū)域植被覆蓋度呈增加趨勢，其中增加0.25～0.75個百分點的區(qū)域面積占62.0%，尤其中部和東部大部地區(qū)植被覆蓋度增加趨勢顯著，平均每年增加0.5～0.75個百分點；僅寧夏北部、陜西中部等地部分地區(qū)覆蓋度呈下降的變化趨勢。由圖8可知，2000—2019年黃土高原地區(qū)植被覆蓋度年平均值為29.2%，且以平均每年0.52%的趨勢增加；2018年和2019年區(qū)域植被覆蓋度為近20年來的最大值，達34.09%，2000年覆蓋度最低，為22.7%，由2000年的22.7%增加到2019年的34.08%。可見整個黃土高原地區(qū)植被覆蓋度，自區(qū)域實施了生態(tài)工程整治以來改善明顯，植被覆蓋度和NPP的顯著提高，為攔截黃土高原水土流失提供了有利保障。

圖7 2000-2019年黃土高原地區(qū)植被覆蓋度變化趨勢率

圖8 2000-2019年黃土高原地區(qū)年植被覆蓋度變化

2.3 黃土高原地區(qū)氣象條件變化

黃土高原地區(qū)土壤保持量變化，不僅受植被生長的影響，還受區(qū)域氣候條件變化的影響。2000年以來，生態(tài)恢復和建設工程不斷加強，加之良好的氣象條件，黃土高原植被恢復顯著，大部地區(qū)土壤保持功能呈增加趨勢。

黃土高原地區(qū)2000年以來氣候呈現(xiàn)明顯的“暖濕化”趨勢，氣溫和降水量均顯著增加。由圖9，10可以看出，整個黃土高原地區(qū)2000年以來年降水量呈增加趨勢，平均每年增加3.1 mm，尤其中部地區(qū)年降水量增加趨勢顯著，平均每年增加3～8 mm，局地增加8 mm以上，僅區(qū)域西北部和東南部部分地區(qū)增速小于3 mm。

圖9 2000-2019年黃土高原地區(qū)年降水量變化趨勢

圖10 2000-2019年黃土高原地區(qū)年降水量變化

黃土高原地區(qū)2000年以來年平均氣溫也呈現(xiàn)波動增加趨勢(圖11)，平均每年增加0.03℃，其中，寧夏大部、山西部分地區(qū)氣溫增加較明顯，平均增速每年0.03～0.05℃。該結果與前人研究的1960—2013年黃土高原平均氣溫升溫顯著，升溫率為0.27℃/10 a，空間上平均氣溫和升溫率由東南向西北增加的結果一致[25]。

圖11 2000-2019年黃土高原地區(qū)年平均氣溫變化趨勢

圖12 2000-2019年黃土高原地區(qū)年平均氣溫變化

2.4 影響因素分析

黃土高原地區(qū)土壤保持量的影響因素主要歸結為植被和降水侵蝕力[14,26]，本研究統(tǒng)計了2000—2019年黃土高原地區(qū)土壤保持量和降雨量、植被NPP之間的關系。2000年以來黃土高原地區(qū)土壤保持量和年降水量的變化趨勢相近(圖13)，在2012—2014年兩者變化趨勢存在差別，其他年份兩者的變化趨勢均保持一致。為了深入分析土壤保持量和年降水量的關系，進行相關統(tǒng)計分析如圖14所示，兩者相關系數(shù)r達到0.789，具有顯著正相關性(p<0.05)，表明在降水量增加情況下，黃土高原植被能顯著減少水土流失，土壤保持功能明顯增強。另外，本研究統(tǒng)計了2000—2019年黃土高原地區(qū)土壤保持量和植被NPP的變化(圖15)，可見植被NPP和土壤保持量的變化趨勢大體相近。土壤保持量和植被NPP的相關性見圖16，兩者之間相關系數(shù)r為0.65，達到顯著正相關性(p<0.05)，表明植被長勢改善，有利于提高區(qū)域的土壤保持功能。

圖13 2000-2019年黃土高原地區(qū)年降水量和土壤保持量變化

圖14 2000-2019年黃土高原地區(qū)年降水量和土壤保持量相關關系

圖15 2000-2019年黃土高原地區(qū)年平均NPP和土壤保持量變化

3 討 論

本研究主要針對2000年以來黃土高原地區(qū)土壤保持量的變化規(guī)律以及區(qū)域植被生態(tài)的變化展開，并分析了氣象條件對上述變化的影響。針對黃土高原近些年來土壤保持量的變化，多數(shù)研究表明，不同生態(tài)系統(tǒng)2000年以后平均單位面積土壤保持量均有不同程度的增加，如農(nóng)田、草地和林地分別增加了14.6%，2.9%，7.4%，在空間分布上表現(xiàn)為沿東南向西北減少的變化趨勢[14]，該結論與本研究結果保持一致。黃土高原土壤保持量表現(xiàn)為從東南向西北減少的變化趨勢，中部和東部土壤保持量增加較明顯[14]，但西部土壤保持量幾乎保持不變，該結果與文獻中所統(tǒng)計的空間分布較一致[27-28]。土壤保持量增加較明顯的區(qū)域集中在中部黃土丘陵溝壑區(qū)，而西北部沙地和沙漠區(qū)增加不顯著[14]。

對土壤保持量影響較大的因素為植被和降水。在植被方面，2000年以來黃土高原植被NPP和覆蓋度均呈增加趨勢，利于區(qū)域生態(tài)恢復。已有研究表明，黃土高原草地NPP自2000年起均有不同程度的增加，平均增幅為每年增加3～4 gC/m2，且有70%～80%面積的草地顯著增加，增速較高的區(qū)域主要分布在黃土高原中部[29]，該結果與本研究的結論相一致。還有研究提出了黃土高原草地NPP在2000—2015年期間總體呈增加趨勢，但增加速率不同，從2000—2004年的15.23 gC/(m2·a)下降到2005—2015年的3.58 gC/(m2·a)[30]。同時，2000—2019年黃土高原植被NDVI增速為0.006 a-1，超過90%的區(qū)域植被覆蓋呈增加趨勢，且NDVI空間分布呈西北低東南高的狀態(tài)[31]。李宇恒等[32]研究結果也顯示出，黃土高原部分地區(qū)近15 a間植被覆蓋度呈增加的趨勢，由2002年的42.7%增加至2017年的47.7%，水土流失治理卓有成效，研究區(qū)植被有所恢復。在空間分布上，黃土高原植被覆蓋度由東南向西北逐漸遞減，且植被覆蓋度增長面積占總面積的35.1%，無顯著變化的區(qū)域占55.6%[33]。另外，關于降水對土壤保持量影響的研究表明，降雨量對區(qū)域土壤保持功能以及時空變化有著至關重要的作用，土壤降雨侵蝕力的結果與土壤保持量的時空分布呈現(xiàn)相同的趨勢[34]。晏清洪等試驗了不同降雨強度對水土流失的影響，降雨量和強度對土壤保持和流失量均產(chǎn)生較大影響[35]。

2000年以來黃土高原地區(qū)氣溫和降水均呈增加趨勢，水分和熱量充沛，氣象條件總體有利于植被恢復生長、覆蓋度提高，為區(qū)域植被生長提供了較好的氣候條件，成為生態(tài)恢復改善的主要驅動力。同時，生態(tài)保護工程的實施也促使林地、草地等植被覆蓋增加，為區(qū)域生態(tài)恢復提供了有利基礎條件。植被的有效改善很大程度上抑制了區(qū)域水土流失的發(fā)生，在降水增多的情況下，黃土高原區(qū)域土壤保持量呈增加趨勢，土壤保持生態(tài)服務功能增強。

4 結 論

(1) 2000—2019年黃土高原土壤保持量平均值為109.5 t/hm2，2000年以來黃土高原土壤保持量波動較大，但總體呈增加趨勢，平均每年增加2.0 t/hm2。

(2) 黃土高原地區(qū)2000年以來植被NPP呈增加趨勢，年平均值為330.5 gC/m2，且平均每年增加7.2 gC/m2，植被NPP變化趨勢區(qū)域空間分布差別較大，整個地區(qū)由西向東呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

(3) 黃土高原地區(qū)2000年以來植被覆蓋度也呈現(xiàn)了顯著增加趨勢，年平均值為29.2%，且以平均每年0.52%的趨勢增加。植被覆蓋度變化趨勢空間分布差異不大，大多數(shù)地區(qū)呈增加趨勢，僅地區(qū)西部(內(nèi)蒙古中南部、寧夏北部等地)植被覆蓋度增加較少。

(4) 黃土高原地區(qū)2000年以來氣候呈現(xiàn)明顯的“暖濕化”趨勢，氣溫和降水量均顯著增加，氣溫平均每年增加0.03℃，降水量平均每年增加3.1 mm。

(5) 黃土高原土壤保持功能與降水量、植被NPP具有顯著相關性，降水增加促進了區(qū)域植被生態(tài)改善，顯著減少了水土流失，土壤保持功能增強。