退耕還林前后北洛河上游流域土壤侵蝕時(shí)空變化分析

陳 浩 ，張曉萍，權(quán) 偉，郭晉偉，袁 閱張思瑞

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；4.乾縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，陜西 乾縣 713300）

土壤侵蝕是全球面臨的突出生態(tài)環(huán)境問題之一［1］,防治水土流失是黃河流域生態(tài)治理的根本措施［2］。1999 年開始實(shí)施退耕還林(草)工程以來,在氣候變化不顯著的背景下,黃河中游地區(qū)土壤侵蝕與入黃泥沙狀況發(fā)生了顯著變化［3-4］。土壤侵蝕是各種因子綜合作用的結(jié)果,研究土壤侵蝕時(shí)空變化及其與影響因子的關(guān)系對(duì)防治土壤侵蝕具有重要意義［5］。北洛河流域是黃河中游粗泥沙主要來源區(qū)之一,也是全國實(shí)施水土流失治理和退耕還林(草)工程的重點(diǎn)地區(qū),筆者采用通用土壤流失方程RUSLE,結(jié)合GIS 和RS 技術(shù),定量估算北洛河上游流域?qū)嵤┩烁€林(草)工程前后不同時(shí)段土壤侵蝕模數(shù)和土壤侵蝕量,分析土壤侵蝕變化與土地利用、植被覆蓋、地形等的關(guān)系,以期為該區(qū)域水土保持生態(tài)建設(shè)及相關(guān)決策提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北洛河流經(jīng)陜西、甘肅兩省的5 個(gè)地(市)18 個(gè)縣(區(qū)),于陜西省大荔縣注入渭河,屬黃河二級(jí)支流。北洛河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量459.1 mm,5—9 月降水量占全年的74.5%,降水空間分布不均,東南部降水較多、西北部降水較少。吳旗水文站控制的北洛河上游流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū),是黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)之一,流域面積3 408 km2,土壤以黃綿土為主,土層深厚、土質(zhì)疏松、抗蝕性較差,溝谷密度為3.0～4.5 km/km2［6］,梁峁起伏、溝壑縱橫,水力侵蝕極為強(qiáng)烈,年均土壤侵蝕模數(shù)7 006 t/(km2·a),河源區(qū)一帶土壤侵蝕模數(shù)可達(dá)10 000 t/(km2·a)。自1999 年開始實(shí)施退耕還林(草)工程以來,流域內(nèi)的林草覆蓋面積顯著增加,形成了以落葉闊葉及灌木草叢為主的次生植被類型［7］,因溝道比降較大而淤地壩工程較少且規(guī)模較小,有效攔沙庫容非常有限,目前大都基本淤滿［8］,因此人工植被建設(shè)是北洛河上游流域水土保持生態(tài)建設(shè)的主要措施。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的主要數(shù)據(jù)及其來源:①研究區(qū)域及周邊分布的吳起、鹽池、定邊、靖邊、志丹、安塞、華池、環(huán)縣等8 個(gè)雨量站1981—2010 年逐日降水量數(shù)據(jù),來源于國家氣象信息中心；②吳旗水文站1981—2010 年逐日徑流泥沙數(shù)據(jù),來源于黃河水文年鑒及中國科學(xué)院水土保持研究所館藏?cái)?shù)據(jù)；③1 ∶50 萬土壤屬性數(shù)據(jù),下載于黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://loess.data.ac.cn/),不同土壤類型(黃綿土、黑壚土、紅土、新積土)的理化性質(zhì)數(shù)據(jù)從《陜西土壤》［9］中查得；④地形數(shù)據(jù)(分辨率為30 m 的ASTER GDEM),下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)；⑤1990 年、2000 年、2010 年Landsat TM5 遙感影像數(shù)據(jù)(分辨率為30 m),來源于地理空間數(shù)據(jù)云；⑥1990 年和2000年土地利用(土地利用類型分為耕地、草地、林地、水域、建設(shè)用地)數(shù)據(jù)下載于黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心,2010 年土地利用數(shù)據(jù)通過解譯Landsat TM5 遙感影像并經(jīng)實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證后得到［10］。

1.3 通用土壤流失方程

在眾多土壤侵蝕模型中,通用土壤流失方程(RUSLE)因結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算簡便、精度較高而得到廣泛應(yīng)用［11-13］,其形式為

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·a)；K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子、S為坡度因子,通常綜合考慮坡長、坡度對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的影響,把LS稱為地形因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

(1)降雨侵蝕力因子R值的確定。采用逐日降雨資料估算年降雨侵蝕力的簡易算法［14］,得到研究區(qū)8個(gè)雨量站1981—2010 年降雨侵蝕力,然后通過克里金法進(jìn)行空間插值,得到研究區(qū)逐年降雨侵蝕力。根據(jù)研究區(qū)1981—2010 年降雨侵蝕力與吳旗水文站年輸沙量雙累積曲線斜率變化情況,可知該曲線在2000 年出現(xiàn)較明顯拐點(diǎn)［15］?？紤]到降雨侵蝕力年際波動(dòng)較大的情況,將研究期1981—2010 年分為1981—1990年、1991—2000 年和2001—2010 年3 個(gè)時(shí)段(編號(hào)分別為I、Ⅱ、Ⅲ,把1990 年、2000 年、2010 年作為3 個(gè)時(shí)段的代表年)。3 個(gè)時(shí)段研究區(qū)年均降雨侵蝕力分別為1 093.72、1 390.20、1 260.74 MJ·mm/(hm2·h·a),表明1981—2010 年研究區(qū)降雨侵蝕力呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。

(2)土壤可蝕性因子K值的確定。根據(jù)第一次全國水利普查所得水土保持專項(xiàng)調(diào)查成果(土壤有機(jī)碳、土壤顆粒組成數(shù)據(jù)等)［16］,采用Williams 等［17］提出的公式進(jìn)行計(jì)算,并基于黃土高原徑流小區(qū)資料進(jìn)行修正后得到研究區(qū)土壤可蝕性因子K值為0.039 8～0.055 2 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm),平均值為0.051 7 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。

(3)地形因子LS值的確定。根據(jù)研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù),采用張宏鳴等［18］基于GIS 提取區(qū)域坡長坡度因子的算法進(jìn)行計(jì)算,并經(jīng)過必要的尺度變換修正［19］,得到研究區(qū)LS值范圍為0.01～71.61,平均值為12.72。

(4)植被覆蓋因子C值的確定。根據(jù)研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)和基于歸一化植被指數(shù)NDVI分布圖,在前人研究的基礎(chǔ)上,得到研究區(qū)不同土地利用類型及其植被覆蓋度的C值,其中:耕地C值為0.44(根據(jù)研究區(qū)常見旱地農(nóng)作物谷子、玉米、大豆、馬鈴薯C值分別為0.53、0.28、0.51、0.47［20］,其種植面積比例為1 ∶2 ∶1 ∶6,經(jīng)加權(quán)平均計(jì)算得到)；林地、草地的C值按照江忠善等［21］建立的黃土丘陵區(qū)人工林、草地植被覆蓋度與C值的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算(非固定值)；建設(shè)用地和水域C值為0。利用ArcGIS 軟件得到研究區(qū)C值的分布。1990 年、2000 年、2010 年研究區(qū)平均C值分別為0.548、0.402、0.222,呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì),原因是研究區(qū)植被覆蓋度持續(xù)提高從而使C值持續(xù)減小。

(5)水土保持措施因子P值的確定。通過Landsat TM5 遙感影像難以提取水土保持措施,故利用研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù),通過賦值的方法對(duì)水土保持措施因子進(jìn)行賦值。參考前人研究成果［10］,對(duì)耕地、林地、草地P值分別賦值為0.31、0.05、0.16,對(duì)建設(shè)用地及水域P值均賦值為1,然后利用ArcGIS 軟件獲得研究區(qū)P值的分布。1990 年、2000 年、2010 年研究區(qū)P值分別為0.220 7、0.220 5、0.157 0,相比較而言,2010 年較2000 年明顯減小,原因是2000 年以后研究區(qū)耕地被大面積轉(zhuǎn)化為林地、草地。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕時(shí)空變化情況

按前述RUSLE 分別計(jì)算出研究區(qū)時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤侵蝕模數(shù)［單位換算為t/(km2·a)］,依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007),利用ArcGIS 軟件獲得研究區(qū)3 個(gè)時(shí)段各級(jí)土壤侵蝕空間分布情況(見圖1),3 個(gè)時(shí)段各級(jí)土壤侵蝕面積及占比統(tǒng)計(jì)見表1。3 個(gè)時(shí)段平均土壤侵蝕模數(shù)分別為8 612.62、8 078.91、3 060.71 t/(km2·a),呈持續(xù)減小趨勢(shì)。由表1 可知,3 個(gè)時(shí)段中度土壤侵蝕面積及占比差別相對(duì)較小,而強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積持續(xù)減小、占比持續(xù)降低(時(shí)段I 面積為2 052.90 km2、占比為60.24%,時(shí)段Ⅱ面積為1 925.59 km2、占比降為56.50%,時(shí)段Ⅲ面積減小到645.25 km2、占比降至18.93%),輕度及微度土壤侵蝕面積持續(xù)增大、占比持續(xù)提高。時(shí)段Ⅲ強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積大幅減小、輕度及微度土壤侵蝕面積顯著增大,這與1999 年開始實(shí)施的退耕還林(草)工程密不可分,退耕還林(草)工程的實(shí)施使研究區(qū)植被覆蓋度大幅提升,尤其研究區(qū)東南部的吳起縣植被恢復(fù)最為明顯,因而土壤侵蝕模數(shù)在空間上呈現(xiàn)西北高、東南低的空間分異特征。

表1 研究區(qū)3 個(gè)時(shí)段各級(jí)土壤侵蝕面積及占比統(tǒng)計(jì)

圖1 研究區(qū)各時(shí)段土壤侵蝕強(qiáng)度分布情況

2.2 不同土地利用類型的土壤侵蝕變化情況

將各時(shí)段土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖與土地利用圖進(jìn)行疊加,可得到各時(shí)段不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況。鑒于3 個(gè)時(shí)段水域、建設(shè)用地面積占比均較小(分別為0.08%～0.51%、0.06%～0.52%),且本研究在對(duì)水域、建設(shè)用地進(jìn)行土壤侵蝕判讀時(shí)認(rèn)定為不發(fā)生土壤侵蝕,因此只統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)3 個(gè)時(shí)段耕地、林地、草地的面積占比及土壤侵蝕模數(shù),見表2 。

表2 研究區(qū)各時(shí)段主要土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)

由表2 可知,時(shí)段I 和時(shí)段Ⅱ土地利用類型以耕地和草地為主,二者約占流域面積的97%；時(shí)段Ⅲ土地利用格局發(fā)生根本性變化,呈現(xiàn)以草地和林地為主的格局,林地、草地面積占比分別提高至20.95%和63.43%,而耕地面積占比由42.62%～42.69%銳減至14.59%,這種變化是實(shí)施退耕還林(草)工程的結(jié)果。

研究區(qū)3 種主要土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)大小為耕地＞草地＞林地,從土壤侵蝕模數(shù)變化情況來看,從時(shí)段Ⅰ到時(shí)段Ⅱ耕地土壤侵蝕模數(shù)小幅提高、草地土壤侵蝕模數(shù)小幅降低、林地土壤侵蝕模數(shù)明顯降低,從時(shí)段Ⅱ到時(shí)段Ⅲ耕地、草地、林地土壤侵蝕模數(shù)均明顯降低。

2.3 不同植被覆蓋度的土壤侵蝕變化情況

把植被覆蓋度分為低覆蓋度(小于10%)、較低覆蓋度(10%～30%)、中覆蓋度(30%～50%)、較高覆蓋度(50%～70%)、高覆蓋度(大于70%)5 個(gè)級(jí)別［22］,各時(shí)段土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖與各級(jí)植被覆蓋度分布圖疊加,可得3 個(gè)時(shí)段各級(jí)覆蓋度的土壤侵蝕模數(shù)。由表3 可知,時(shí)段I 植被覆蓋度以低覆蓋度和較低覆蓋度為主(二者面積占比達(dá)89.83%),時(shí)段Ⅱ植被覆蓋度以較低覆蓋度和中覆蓋度為主(二者面積占比為86.86%),時(shí)段Ⅲ低覆蓋度和較低覆蓋度面積占比明顯降低、較高覆蓋度和高覆蓋度面積占比明顯提升,植被覆蓋度的變化與實(shí)施退耕還林(草)工程后生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)向好相吻合。隨著植被覆蓋度的提高,土壤侵蝕模數(shù)明顯降低,原因是植被覆蓋度越高抵抗侵蝕的作用越強(qiáng)。從土壤侵蝕模數(shù)變化情況來看,從時(shí)段I 至?xí)r段Ⅱ,在降雨侵蝕力增大的背景下同一植被覆蓋度的土壤侵蝕模數(shù)有所提高；從時(shí)段Ⅱ至?xí)r段Ⅲ,相同植被覆蓋度的土壤侵蝕模數(shù)明顯降低,這一方面與氣候變化引起降雨侵蝕力有所減弱有關(guān),另一方面主要與植被覆蓋度上升有關(guān)。

表3 研究區(qū)3 個(gè)時(shí)段各級(jí)植被覆蓋度土壤侵蝕模數(shù)

2.4 不同地形的土壤侵蝕變化情況

2.4.1 不同高程的土壤侵蝕變化情況

結(jié)合流域?qū)嶋H情況對(duì)高程進(jìn)行分級(jí),將高程分級(jí)圖與各時(shí)段土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖進(jìn)行疊加,統(tǒng)計(jì)得到各時(shí)段不同高程的土壤侵蝕模數(shù)(見表4)。從各級(jí)高程面積占比來看,1 350～1 450、1 450～1 550 m 這兩級(jí)高程的面積占比達(dá)76.78%,為研究區(qū)主要高程帶。從各級(jí)高程的土壤侵蝕模數(shù)來看,1 350～1 550 m 高程帶是研究區(qū)土壤侵蝕的主要高程帶(土壤侵蝕量約占研究區(qū)土壤侵蝕總量的80%)。從各級(jí)高程土壤侵蝕模數(shù)的變化來看,實(shí)施退耕還林(草)工程后的時(shí)段Ⅲ土壤侵蝕模數(shù)較時(shí)段Ⅰ和時(shí)段Ⅱ均大幅度降低(平均降幅為62.26%)。

表4 研究區(qū)各時(shí)段不同高程的土壤侵蝕模數(shù)

2.4.2 不同坡角的土壤侵蝕變化情況

把研究區(qū)坡角分級(jí)(0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、＞35°)圖與各時(shí)段土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖進(jìn)行疊加,統(tǒng)計(jì)得到各時(shí)段不同坡角的土壤侵蝕模數(shù)(見表5)。土壤侵蝕模數(shù)隨坡角增大而提高,即坡面越陡土壤侵蝕模數(shù)越大。從各級(jí)坡角坡面面積占比和土壤侵蝕模數(shù)綜合來看,15°以上坡面是研究區(qū)土壤侵蝕的主要區(qū)域(土壤侵蝕量約占研究區(qū)土壤侵蝕總量的72%)。從各時(shí)段土壤侵蝕模數(shù)的變化情況來看,時(shí)段Ⅲ各級(jí)坡角的土壤侵蝕模數(shù)較時(shí)段Ⅰ和時(shí)段Ⅱ顯著降低(平均降幅為60.53%)。

表5 研究區(qū)各時(shí)段不同坡角的土壤侵蝕模數(shù)

2.4.3 不同坡向的土壤侵蝕變化情況

按水土流失常規(guī)調(diào)查中的四分法將坡向分為陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡,把坡向分布圖與各時(shí)段土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖進(jìn)行疊加,統(tǒng)計(jì)得到各時(shí)段不同坡向的土壤侵蝕模數(shù)(見表6)。各時(shí)段不同坡向的土壤侵蝕模數(shù)均呈現(xiàn)陽坡＞半陽坡＞半陰坡＞陰坡,原因是坡向影響水、熱分配,從而影響植被生長狀況,進(jìn)而導(dǎo)致不同坡向土壤侵蝕強(qiáng)度存在差異,陰坡相對(duì)陽坡來講,土壤水分含量大,植被生長迅速,地表覆蓋度高,因而土壤侵蝕模數(shù)相對(duì)較小。從各時(shí)段土壤侵蝕變化來看,時(shí)段Ⅲ各坡向的土壤侵蝕模數(shù)較時(shí)段Ⅰ和時(shí)段Ⅱ均顯著降低(平均降幅為60.49%)。

表6 研究區(qū)各時(shí)段不同坡向的土壤侵蝕模數(shù)

2.5 土壤侵蝕量變化情況

依據(jù)上述各時(shí)段主要土地利用類型面積占比和土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算的年均土壤侵蝕量見表7。從各時(shí)段年均土壤侵蝕量變化情況來看,從時(shí)段I 到時(shí)段Ⅱ,耕地的年均土壤侵蝕量變化很小(約增大0.2%),占土壤侵蝕總量的比例由57%提高到61%；草地的年均土壤侵蝕量減小14%,其占土壤侵蝕總量的比例由42%下降到39%；林地的年均土壤侵蝕量減小40%,其占土壤侵蝕總量的比例由0.6%下降到0.4%。從時(shí)段Ⅱ到時(shí)段Ⅲ,耕地的年均土壤侵蝕量減小77%,其占土壤侵蝕總量的比例由61%下降到37%；草地的年均土壤侵蝕量減小40%,其占土壤侵蝕總量的比例由39%提高到62%；林地的年均土壤侵蝕量增大58%,其占土壤侵蝕總量的比例由0.4%提高到1.6%。時(shí)段Ⅲ耕地土壤侵蝕量及其占比大幅度下降、林草地土壤侵蝕量及其占比有所提高的原因是,實(shí)施退耕還林(草)工程后耕地面積顯著減小、林草地面積顯著增大。

表7 各時(shí)段主要土地利用類型年均土壤侵蝕量 萬t/a

2.6 討論

研究結(jié)果顯示,時(shí)段Ⅰ、時(shí)段Ⅱ、時(shí)段Ⅲ研究區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)分別為8 612.62、8 078.91、3 060.71 t/(km2·a),可以看出,實(shí)施退耕還林(草)工程前從時(shí)段Ⅰ到時(shí)段Ⅱ土壤侵蝕模數(shù)稍有降低,而實(shí)施退耕還林(草)工程后的時(shí)段Ⅲ土壤侵蝕模數(shù)大幅度下降,表明退耕還林(草)工程的實(shí)施在北洛河上游流域取得了顯著的水土保持效益,這與劉文超等［23］對(duì)陜北地區(qū)退耕還林還草工程保土效應(yīng)的研究結(jié)果相一致。退耕還林(草)工程實(shí)施以后,北洛河上游流域土壤侵蝕強(qiáng)度在空間上呈現(xiàn)西北高、東南低的特征,原因是東南部地勢(shì)較低,氣候較為濕潤,植被恢復(fù)效果明顯,而西北部多為河源區(qū),山高坡陡,水熱條件較差,植被恢復(fù)難度大甚至在局部地區(qū)植被略有退化［24］,因此植被恢復(fù)效果較好的東南部土壤侵蝕模數(shù)明顯低于西北部土壤侵蝕模數(shù)。

研究區(qū)主要土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)遵循耕地＞草地＞林地的規(guī)律,退耕還林(草)工程的實(shí)施,使土地利用格局與植被覆蓋度發(fā)生顯著變化(耕地面積占比大幅度下降、林草地面積占比顯著提高),土壤侵蝕模數(shù)隨植被覆蓋度的提高而降低,這與有關(guān)學(xué)者［10,25］的研究結(jié)果一致。值得注意的是,耕地是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的土地利用類型,其土壤侵蝕模數(shù)在退耕還林(草)工程實(shí)施前的時(shí)段Ⅰ為11 481.84 t/(km2·a)、時(shí)段Ⅱ?yàn)?1 528.87 t/(km2·a),時(shí)段Ⅱ較時(shí)段I 高的原因是降雨侵蝕力增大；在退耕還林(草)工程實(shí)施后的時(shí)段Ⅲ,土壤侵蝕模數(shù)大幅度降低到7 745.10 t/(km2·a),其原因除時(shí)段Ⅲ降雨侵蝕力略有減小外,主要是隨著退耕還林(草)工程的實(shí)施耕地的平均坡度減緩,即土壤侵蝕嚴(yán)重的陡坡耕地轉(zhuǎn)化為林草地,而保留的耕地為土壤侵蝕強(qiáng)度較低的緩坡地。

地形是影響土壤侵蝕的主要因素之一,不同時(shí)段土壤侵蝕模數(shù)與各地形因子的關(guān)系表現(xiàn)出一致性,研究區(qū)土壤侵蝕主要發(fā)生在1 350～1 550 m 高程帶、坡角＞15°的陡坡地、陽坡和半陽坡,這些地帶是研究區(qū)今后土壤侵蝕防治的重點(diǎn)區(qū)域。

土壤侵蝕模數(shù)的變化主要受氣候條件、土壤、地形、植被覆蓋度等因子的影響。土壤和地形為相對(duì)靜態(tài)因子,決定了土壤侵蝕模數(shù)的空間分異特征；氣候、植被覆蓋度為相對(duì)動(dòng)態(tài)因子,影響土壤侵蝕模數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化［26］。統(tǒng)計(jì)分析表明,1981—2010 年北洛河上游流域降雨侵蝕力年際變化較大,3 a 滑動(dòng)平均處理結(jié)果顯示,降雨侵蝕力呈增大趨勢(shì),線性傾向率為7.3 MJ·mm/(hm2·h·a)［15］,而土壤侵蝕模數(shù)呈下降趨勢(shì),尤其是時(shí)段Ⅲ土壤侵蝕模數(shù)急劇下降,這主要?dú)w因于退耕還林(草)工程的實(shí)施使植被覆蓋度顯著提高、土壤侵蝕得到有效控制。

計(jì)算的時(shí)段Ⅰ、時(shí)段Ⅱ、時(shí)段Ⅲ年均土壤侵蝕量分別為2 946.4 萬、2 763.0 萬、1 047.6 萬t/a,吳旗水文站實(shí)測(cè)的時(shí)段Ⅰ、時(shí)段Ⅱ、時(shí)段Ⅲ年均輸沙量分別為2 690.4萬、4 559.0 萬、1 033.8 萬t/a,二者相關(guān)性較好(相關(guān)系數(shù)為0.64),但存在一定差別,二者在時(shí)段I 和時(shí)段Ⅲ比較接近,而時(shí)段Ⅱ計(jì)算的土壤侵蝕量遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)輸沙量,其原因:一是采用RUSLE 計(jì)算的土壤侵蝕量是坡面侵蝕量,沒有考慮溝蝕、重力侵蝕以及泥沙輸移過程中的沉積等；二是時(shí)段Ⅱ期間的1994 年8 月31 日北洛河流域出現(xiàn)了超過50 a 一遇的特大暴雨,產(chǎn)生了高含沙洪水,該年輸沙量是多年平均輸沙量的7.3倍［27］,具有明顯的峰值特征,因此時(shí)段Ⅱ?qū)崪y(cè)年均輸沙量遠(yuǎn)大于計(jì)算的年均土壤侵蝕量。

總體而言,采用RUSLE 模型估算的研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較為合理。然而,受所采用數(shù)據(jù)來源及精度的制約,估算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在較大差異(如時(shí)段Ⅱ尤其是1994 年)。受Landsat TM5 遙感影像分辨率的制約,本研究在無法獲取研究區(qū)水土保持措施空間分布信息的情況下,采用土地利用數(shù)據(jù)間接反映水土保持措施對(duì)土壤侵蝕的抑制作用,其與實(shí)際情況可能存在差異。相關(guān)研究中,大中流域尺度地形因子大都是基于開放免費(fèi)的低精度DEM 數(shù)據(jù)提取的［28］,這類數(shù)據(jù)對(duì)地形的表達(dá)有限甚至存在地形描述誤差,據(jù)此提取地形因子存在坡度衰減、坡長增長的問題［29］,并影響土壤侵蝕模數(shù)估算精度。因此,今后應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究,以提高土壤侵蝕模型的精度。

3 結(jié)論

(1)北洛河上游流域土壤侵蝕模數(shù)在空間上呈現(xiàn)西北高、東南低的分異特征,1981—2010 年在降雨侵蝕力呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)的情況下,流域平均土壤侵蝕模數(shù)呈持續(xù)下降趨勢(shì),尤其退耕還林(草)工程實(shí)施以后土壤侵蝕模數(shù)顯著下降,時(shí)段I、時(shí)段Ⅱ、時(shí)段Ⅲ土壤侵蝕模數(shù)分別為8 612.62、8 078.91、3 060.71 t/(km2·a)。

(2)實(shí)施退耕還林(草)工程以后,研究區(qū)耕地面積銳減,林草地面積顯著增加、植被覆蓋度大幅提升,主要土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)遵循耕地＞草地＞林地的規(guī)律,即土壤侵蝕模數(shù)隨著植被覆蓋度的提高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(3)3 個(gè)時(shí)段土壤侵蝕隨地形的分布特征具有一致性,1 350～1 550 m 是研究區(qū)土壤侵蝕分布的主要高程帶,其侵蝕量約占研究區(qū)土壤侵蝕總量的80%,研究區(qū)72%的土壤侵蝕量分布在坡角＞15°的坡面,各時(shí)段不同坡向的平均土壤侵蝕模數(shù)均遵循陽坡＞半陽坡＞半陰坡＞陰坡的規(guī)律。