黃土高原植被和氣候?qū)ν寥狼治g變化的影響研究

程 樓，侯付闖

(1.山東安博工程管理咨詢有限公司，山東 東營 257000；2.陜西中凱恒瑞工程項(xiàng)目管理有限公司，陜西 西安 710000)

土壤侵蝕的加速是對土壤健康的主要威脅，導(dǎo)致土壤退化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全，威脅生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。研究土壤侵蝕的特征，以指導(dǎo)土壤保持和可持續(xù)利用至關(guān)重要。土壤侵蝕模型在檢測和預(yù)測土壤流失方面是有效的，其中RUSLE由于形式簡單、參數(shù)有限但性能良好被廣泛應(yīng)用。盡管RUSLE最初是為野外尺度研究開發(fā)，在GIS的幫助下應(yīng)用擴(kuò)展到大規(guī)模建模。將RUSLE與GIS相結(jié)合，可以得到不同尺度土壤侵蝕的時空變化規(guī)律。

目前國內(nèi)外學(xué)者對土壤侵蝕時空變化，吳義遠(yuǎn)等[1]根據(jù)1951—2016年長江中下游的氣候與土壤數(shù)據(jù)，采用冗余分析與蒙特卡洛檢驗(yàn)方法，分析其氣候生產(chǎn)潛力和土壤因子的相關(guān)性。吳建召等[2]選擇蔣家溝流域溫帶濕潤山嶺區(qū)、亞熱帶和暖溫帶半濕潤區(qū)、亞熱帶干熱河谷區(qū)3個主要?dú)夂騾^(qū)為研究區(qū)，在各氣候區(qū)失穩(wěn)性坡面的不同區(qū)段(穩(wěn)定區(qū)、失穩(wěn)區(qū)、堆積區(qū))設(shè)置樣地，進(jìn)行植被群落調(diào)查、植物和分層土壤樣品(0～5、5～10、10～20cm)采集，測定植物地上和地下部分生物量及土壤密度等。馬麗等[3]從植物個體水平、群落水平特征，以及土壤物理、化學(xué)、生物特性等方面，綜述了氣候變暖對高寒草甸植被-土壤系統(tǒng)的影響，并指出現(xiàn)有研究存在的不確定性，對今后的工作做了展望。展小云等[4]通過采集中國東部南北樣帶(NSTEC)上112個樣點(diǎn)的102種植物葉片樣品，分析了植物葉片氮濃度對植被功能型(PFTS)以及環(huán)境因素的響應(yīng)特征。但目前研究缺少關(guān)于環(huán)境變化過程中因素影響因子對土壤侵蝕的時空演變機(jī)理與規(guī)律研究。

本研究以黃土高原為例，確定侵蝕的主導(dǎo)因子，量化環(huán)境變化下各因子對侵蝕變化的貢獻(xiàn)。使用RUSLE估算了1986—2015年中國黃土高原的土壤侵蝕。在此基礎(chǔ)上，利用相關(guān)分析和小波相干分析，分析了土壤侵蝕的時空格局和主導(dǎo)控制因素，基于彈性系數(shù)法定量分析了各因素對侵蝕變化的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果可為研究區(qū)水土流失防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

中國黃土高原面積為64萬km2，黃土厚度為50～350m，土壤類型主要有風(fēng)沙、砂質(zhì)黃土、典型黃土和黏性黃土。土地利用類型主要包括草地和耕地。地形復(fù)雜，坡度從0°～83°不等。在干旱至半濕潤氣候下，年平均降水量145～674mm(如圖1(d))，其中70%的年降水量在6—9月之間以暴雨形式出現(xiàn)。年平均氣溫-12.6～14.6℃。海拔200～5197m，由東南向西北逐漸升高。黃河流經(jīng)研究區(qū)，主要支流有祖立河、無定河、清水河、渭河、洛河、延河、汾河等。

圖1 不同流域出口輸沙觀測與流域累積土壤侵蝕模擬比較

1.2 數(shù)據(jù)收集

本研究采用RUSLE估算土壤侵蝕，需要6個參數(shù)。包括氣候因子(即降雨侵蝕力R)、土壤相關(guān)的因子(即土壤可蝕性K)、兩個與地形相關(guān)的因子(即坡長L、坡陡度S)、兩個與植被或土地利用相關(guān)的因子(植被覆蓋和管理C、侵蝕控制實(shí)踐P)。模型參數(shù)的詳細(xì)介紹和方程可參考補(bǔ)充資料。參數(shù)來源于降水、土壤、DEM、NDVI和土地利用。R根據(jù)中國氣象局86個氣象站的降水資料計(jì)算。利用糧農(nóng)組織和國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所構(gòu)建的和諧世界土壤數(shù)據(jù)庫的土壤數(shù)據(jù)計(jì)算鉀，選擇5年間隔的土地利用數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證RUSLE的準(zhǔn)確性，利用中國河流泥沙公報和黃河水利委員會的年輸沙數(shù)據(jù)，對庫野河、無定河、燕河、荊河、羅河和渭河等大型河流的年輸沙量進(jìn)行分析。

1.3 估算土壤侵蝕

侵蝕估計(jì)的RUSLE形式如下：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中，A—平均土壤流失量，t·hm-2·A-1。

降雨侵蝕力反映了降雨對土壤的剝離和攜帶能力，與降雨量、降雨動能、降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間和降雨類型有關(guān)?；谌战邓?dāng)?shù)據(jù)的估算方法精度高、誤差小、數(shù)據(jù)易于獲取、信息全面。本研究采用改進(jìn)的日降雨侵蝕力模型[5]。

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

β=0.8363+(18.144/Pd12)+(24.455/Py12)

(4)

式中，Ri—第i個半月的降雨侵蝕力，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K—天數(shù)，d；Pd—日降雨量，mm；α、β—待定參數(shù)；Pd12—大于12mm的日平均降雨量；Py12—大于12mm的日平均降雨量。利用86個氣象站的降雨資料，利用kriging插值方法對降雨侵蝕力進(jìn)行插值，插值結(jié)果與DEM和土地利用的分辨率一致，分辨率為30m。

土壤可蝕性被定義為單位外因力或侵蝕力(如降雨、地表流量和滲流)造成的土壤流失量。根據(jù)EPIC方程的土壤質(zhì)地計(jì)算。

(5)

式中，Si—淤泥，%；Ci—黏土組分，%；Ca—土壤有機(jī)碳含量，%；Sn=1-Sa/100。0.1317是從美國常用單位到國際單位制單位的換算系數(shù)。

地形影響土壤和植被的形成和發(fā)展，制約地表物質(zhì)和能量的再分配，決定地表徑流的運(yùn)動和方向。RUSLE主要研究坡長L和坡陡S的影響，計(jì)算地形因子如下。

(6)

(7)

式中，λ—斜率長度，m；22.1—標(biāo)準(zhǔn)地塊的坡長；M—無量綱常數(shù)，它取決于斜率θ。

1.4 模型驗(yàn)證

RUSLE模型在美國開發(fā)和首次驗(yàn)證，已經(jīng)被世界范圍的數(shù)據(jù)集評估和改進(jìn)。在黃土高原，被評價為土壤侵蝕估算的穩(wěn)健性，可應(yīng)用于沒有測量的地區(qū)。本文采用30m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)計(jì)算上述模型參數(shù)。為與土地利用數(shù)據(jù)相一致，將研究期劃分為1986—1990、1991—1995、1996—2000、2001—2005、2006—2010、2011—2015年6個子期。利用RUSLE模型對這6個時段的土壤侵蝕進(jìn)行估算，利用各流域出口水文站實(shí)測輸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。對RUSLE模型的適用性進(jìn)行了評價(如圖1所示)，總體相關(guān)系數(shù)為0.71。

1.5 土壤侵蝕時空格局分析

估計(jì)的侵蝕率被繪制為每個柵格，以直觀地顯示空間格局。根據(jù)土壤侵蝕SL190—2007分級，將估算的侵蝕率分為6個等級。土壤侵蝕速率分別為≤500、500～2500、2500～5000、5000～8000、8000～15000、≥15000t·km-2·a-1。土壤侵蝕速率及相關(guān)環(huán)境因子的時間變化趨勢用線性回歸的斜率表示。計(jì)算每個網(wǎng)格的坡度，以顯示時間趨勢的空間格局。

1.6 量化每個因素對侵蝕變化的貢獻(xiàn)

根據(jù)土壤侵蝕的時間變化，將整個時期分為t1和t2兩個子時期。t1的土壤侵蝕受人為干擾較小，與環(huán)境因子的關(guān)系可作為自然條件下土壤侵蝕估算的基線。對于t2，土壤侵蝕受到人類活動的干擾，其侵蝕程度會偏離由t1得到的關(guān)系估計(jì)。土壤侵蝕總變化ΔAtot為兩個子時期平均值之差：

(8)

ΔAtot主要是由于氣候變化(ΔAR)和人類活動(ΔAC，ΔAP)所影響，可改寫如下：

ΔAtot=ΔAR+ΔAC+ΔAP

(9)

根據(jù)彈性系數(shù)法的原理，ΔAR、ΔAC、ΔAP可以表示為：

(10)

(11)

(12)

式中，εR、εC、εP—年均R值、C值、P值對年均土壤侵蝕的彈性系數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 RUSLE參數(shù)的時空變化

各因素在不同時期的空間分布總體上相似。以1986—1990年和2011—2015年為例，分析了各參數(shù)的空間格局變化?？傮w而言，大多數(shù)因素沿東南方向發(fā)生變化R、K、LS和NDVI分別在200～3000[MJ·mm/(hm2·h-1a-1)]、0.01～0.05[t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]、0～72和0～1范圍內(nèi)由東南向西北遞減。C、P由東南向西北呈上升趨勢，變化范圍分別為0～0.84和0.15～1。

對于RUSLE因子的時間變化趨勢，由于地形和土壤變化緩慢，只考慮R、c和p三個因子。根據(jù)Pettitt檢驗(yàn)，從整個高原平均來看，2002年和2005年R總體呈上升趨勢，而C呈下降趨勢(圖2)。而P隨時間變化不明顯(圖3c)。各因子的變化率具有空間差異。東南地區(qū)R和C的變化率總體為正，西北地區(qū)為負(fù)。R在東南部增加最多，C在中部減少最多。

圖2 R、C、P值時空變化規(guī)律

2.2 土壤侵蝕的時空變化

年平均侵蝕速率為594～1013t·km-2·a-1，各時段總體空間格局相似，幅度變化較小。大部分地區(qū)的侵蝕強(qiáng)度由極輕微到極輕微，主要分布在植被發(fā)育較好的地區(qū)[6-7]。侵蝕強(qiáng)度高的區(qū)域主要集中在東北—西南帶的丘陵溝壑區(qū)或河流分布密集的區(qū)域。

各侵蝕強(qiáng)度的面積和百分比見表1。整個高原除輕度侵蝕呈上升趨勢外，不同強(qiáng)度的土壤侵蝕均呈下降趨勢。其中極輕微至輕微侵蝕的面積占整個高原的87%～95%。極輕微侵蝕面積為366.72×103～428.79×103km2，2011—2015年較1990—1995年增加62.07×103km2，占整個高原的8.22%。2011—2015年嚴(yán)重侵蝕的面積百分比小于1%，比1990—1995年減少了0.41×103km2。

表1 1986—2015年黃土高原各侵蝕強(qiáng)度的面積和百分比

為了揭示土壤侵蝕的時間變化規(guī)律，選取1986—2000年和2001—2015年兩個時段，分析不同侵蝕強(qiáng)度之間的變化(見表2)，2000年，40.25%的極嚴(yán)重侵蝕轉(zhuǎn)化為嚴(yán)重侵蝕，42.1%的極嚴(yán)重侵蝕轉(zhuǎn)化為極嚴(yán)重侵蝕。極輕度、輕度、中度、重度、極重度、極重度的穩(wěn)定率分別為97.32%、88.53%、74.47%、57.64%、55.82%、55.99%。

表2 1986—2015年黃土高原土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣 單位：%

2.3 侵蝕變化的控制因素

利用r、C、P的觀測時間序列，探討了各柵格土壤侵蝕與r、C、P因子的相關(guān)性。土壤侵蝕與R值呈正相關(guān)，R值高的地區(qū)土壤侵蝕率較高。僅在整個高原的6.1%顯著，主要分布在西北，可能是由于植被覆蓋較低導(dǎo)致侵蝕更容易受到降雨的影響。東南地區(qū)36.5%的高原地區(qū)土壤侵蝕與C呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。而存在顯著相關(guān)的區(qū)域僅占整個高原的6.2%，主要集中在西北地區(qū)(P=0.05)。東南部雖然R最高，與土壤侵蝕R的相關(guān)性較低，與C的相關(guān)性較高，土壤侵蝕與P因子呈正相關(guān)，表明植被在控制侵蝕方面起主導(dǎo)作用。

為了進(jìn)一步探討地形、植被和人類活動的影響，將這些因素疊加在土壤侵蝕上。通過坡陡與侵蝕速率疊加，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度侵蝕的面積隨著坡陡的增大而增大。侵蝕區(qū)主要集中在坡度為>-15°的地區(qū)。坡度為>25°的地區(qū)以極嚴(yán)重和極嚴(yán)重的侵蝕為主。坡度為0～8°的地區(qū)主要是極輕微和輕微的侵蝕。土壤侵蝕主要分布在NDVI為0.2～0.6的區(qū)域，嚴(yán)重侵蝕和極輕微侵蝕分別分布在NDVI為0～0.2和0.6-1.0的區(qū)域。利用土地利用綜合反映人類活動的影響，發(fā)現(xiàn)土地利用類型影響不同強(qiáng)度的土壤侵蝕面積。侵蝕主要分布在耕地和草地上，占整個高原的70%。耕地以中度至重度侵蝕為主，森林以中度至重度侵蝕為主，未利用地的侵蝕強(qiáng)度分別以輕度侵蝕和極嚴(yán)重侵蝕為主。

2.4 每個因素對侵蝕的貢獻(xiàn)變化

忽略土壤和地形在短時間內(nèi)的微小變化，使用彈性系數(shù)法來量化降水、植被覆蓋和保護(hù)措施對土壤侵蝕變化的貢獻(xiàn)。多元回歸關(guān)系擬定了年平均土壤侵蝕、降雨侵蝕力、植被覆蓋和管理，以及水土流失控制的實(shí)踐。

A(R，C，P)=154.037+0.008R+53.280C-434.897P

回歸系數(shù)反映了土壤侵蝕對各因子的總體敏感性。結(jié)果表明，土壤侵蝕主要受P的影響，再乘以各因子的變化，R、C和P對減少土壤侵蝕的貢獻(xiàn)分別為-28%、83%和36%。C貢獻(xiàn)最大，說明C在侵蝕的動態(tài)變化中起主導(dǎo)作用，其次是P因子。P與土壤侵蝕呈負(fù)相關(guān)，但與土壤侵蝕呈正相關(guān)，空間相關(guān)性分析不存在沖突。P值的負(fù)相關(guān)表明P值的變化對侵蝕變化有負(fù)的影響，空間相關(guān)性的正相關(guān)關(guān)系是靜態(tài)的，僅在該時期存在。r的負(fù)貢獻(xiàn)表明，1986—2015年降雨變化可能加劇土壤侵蝕。

3 結(jié)語

本研究通過不同的方法來識別黃土高原土壤侵蝕的控制因素，采用彈性法定量分析了不同因素對侵蝕變化的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：

(1)控制侵蝕的因素具有時空變化特征，主要為降雨量及地表?xiàng)l件的變化(如植被和保護(hù)措施)控制。

(2)盡管極端降水加劇加劇了土壤侵蝕，但人為活動(如改變植被覆蓋度和水土保持下墊面)顯著減少了土壤侵蝕。它強(qiáng)調(diào)了采取適當(dāng)措施控制侵蝕的可能性。

(3)雖然RUSLE模型在估算大規(guī)模侵蝕時存在一些不確定性，但性能總體上滿足要求。彈性系數(shù)法可以有效地劃分不同環(huán)境因子對侵蝕變化的貢獻(xiàn)。黃土高原的研究成果和方法可為水土流失防治研究提供技術(shù)支持。