黃河羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶土壤侵蝕的時(shí)空異質(zhì)性與相關(guān)因素探析

［關(guān)鍵詞］

相關(guān)性分析；時(shí)空異質(zhì)性；土壤侵蝕；河岸帶；鄰近庫區(qū)；羊曲水電站；黃河

［摘" 要］

以龍羊峽水電站庫區(qū)至上游支流巴溝河段黃河兩岸5 km河岸帶為研究對(duì)象，依據(jù)庫區(qū)位置（羊曲壩下、羊曲庫首、羊曲庫中、羊曲庫尾、班多水電站庫區(qū)和支流巴溝河）和河岸位置（左岸、右岸）組合劃分為12個(gè)分段，構(gòu)建了2000—2022年土壤侵蝕模數(shù)及其相關(guān)因素的年尺度時(shí)間序列，通過Mann-Kendall趨勢(shì)分析，獲取了不同置信度的變化像元，進(jìn)而通過皮爾遜（Pearson）相關(guān)性分析探討了各河岸帶土壤侵蝕模數(shù)的潛在影響變量。結(jié)果表明：12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI均呈正相關(guān)，其中RHR、LMR、RMR達(dá)到極顯著水平，RBD相關(guān)性不顯著，其余8個(gè)達(dá)到顯著水平；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年潛在蒸發(fā)量均呈負(fù)相關(guān)，其中RBG達(dá)到顯著水平；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年降水量均呈正相關(guān)，其中RBD達(dá)到極顯著水平，LHR、RHR、LMR、RMR、LTR和RTR達(dá)到顯著水平；RBD和RBG的土壤侵蝕模數(shù)與年均氣溫均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余10個(gè)河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；RBD、RHR、RMR、RTR和LBR的土壤侵蝕模數(shù)與年地表凈輻射通量均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余7個(gè)則呈不顯著正相關(guān)；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年均表層土壤含水量均呈正相關(guān)，其中RMR和RBG達(dá)到顯著水平，其余10個(gè)則不顯著；12個(gè)河岸帶的造林潛力地塊及其氣候生產(chǎn)潛力的分析結(jié)果表明支流巴溝河河岸帶的單位面積年均氣候生產(chǎn)潛力最高，班多水電站庫區(qū)次之，其后為壩下（羊曲大壩至龍羊峽大壩），最低的為羊曲庫區(qū)。

［中圖分類號(hào)］ S157.1；TP79" ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.11.005

［引用格式］ 張峰華，張新平，張國盛，等.黃河羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶土壤侵蝕的時(shí)空異質(zhì)性與相關(guān)因素探析［J］.中國水土保持，2024（11）：22-27.

水電站庫區(qū)河岸帶是中小尺度的自然人工、水陸交錯(cuò)界面，是生態(tài)交錯(cuò)帶的一種重要類型，是因液相和固相物質(zhì)相互交換而出現(xiàn)的一個(gè)既不同于水體又不同于陸地的特殊過渡帶。岸坡是介于水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的一種獨(dú)立生態(tài)系統(tǒng)，它對(duì)水陸生態(tài)系統(tǒng)間的物流、能流、生物流發(fā)揮著廊道、過濾器和天然屏障等功能。岸坡主要由坡頂、坡面和坡腳3個(gè)部分組成，其中坡頂屬于陸地生態(tài)系統(tǒng)，坡腳常年淹沒在水下，屬于河流生態(tài)系統(tǒng)的一部分，坡面是水陸生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，即水陸交錯(cuò)帶，它兼具水陸生態(tài)系統(tǒng)的雙重特征和功能［1］。坡面可劃分為死水位區(qū)、水位變化區(qū)和無水區(qū)3個(gè)區(qū)域。死水位區(qū)（常水位淹沒區(qū)）是坡腳到枯水位之間的區(qū)域，常年浸泡在水下，是水生生物最活躍的區(qū)域；水位變化區(qū)（消落帶）是枯水位與設(shè)計(jì)高水位之間的區(qū)域，受豐水期與枯水期的交替作用，是水位變化最大的區(qū)域和受風(fēng)浪淘蝕與干濕交替脅迫最嚴(yán)重的區(qū)域，也是兩棲類動(dòng)物、昆蟲和鳥類活動(dòng)最頻繁的區(qū)域;無水區(qū)是洪水位到坡頂之間的區(qū)域，是陸生生物的主要活動(dòng)區(qū)。加強(qiáng)坡面景觀生態(tài)系統(tǒng)的研究，對(duì)于治理水土污染、控制水土流失、加固堤岸、增加動(dòng)植物種類、提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、調(diào)節(jié)微氣候和美化環(huán)境等方面都有重要意義。

1" 研究區(qū)概況

選取龍羊峽水電站庫區(qū)至上游支流巴溝河段黃河兩岸5 km河岸帶為研究區(qū)，并根據(jù)大壩位置、地形地貌和淹沒區(qū)等特征將河岸帶劃分12個(gè)分段。表1為12個(gè)河岸帶的簡稱代號(hào)、面積及占比。表2為龍羊峽、羊曲和班多3座水電站的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

羊曲水電站位于青海省海南藏族自治州興?？h與貴南縣交界處，是黃河干流龍羊峽水電站上游茨哈、班多和羊曲3個(gè)規(guī)劃梯級(jí)電站的最下一級(jí)，距上游班多水電站河道距離約75 km，距下游龍羊峽水電站河道距離約100 km，距離西寧市城區(qū)約242 km，距貴南縣城區(qū)約50 km，對(duì)外交通便利。羊曲水電站工程的主要任務(wù)為發(fā)電，有助于促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。壩址以上控制流域面積12.3萬km2，多年平均流量629 m3/s，多年平均徑流量198.36億m3。水庫正常蓄水位為2 715 m，死水位與生態(tài)限制水位均為2 710 m，正常蓄水位時(shí)水庫庫容為14.724億m3。電站總裝機(jī)容量為1 200 MW，多年平均年發(fā)電量為47.316億kW·h［2］。

班多水電站位于青海省海南藏族自治州興?？h與同德縣交界處的茨哈峽谷出口處，上游方向距鄰近電站茨哈峽水電站約6.5 km，下游方向距鄰近電站羊曲水電站約75 km，距下游龍羊峽水電站約176 km，電站海拔2 800 m，壩址控制流域面積約11萬km2，是黃河龍羊峽以上、海拔3 000 m以下水電規(guī)劃的第二個(gè)梯級(jí)電站。班多水電站為河床式電站，壩頂高程為2 764.0 m，最大壩高79.7 m，水庫正常蓄水位2 760 m，總庫容0.153 5億m3。電站主要任務(wù)是發(fā)電，電站安裝有3臺(tái)容量為120 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量360 MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量14.12億kW·h［3］。

結(jié)合水電站運(yùn)行參數(shù)（見表2），經(jīng)過地形分析估算得到龍羊峽水電站庫區(qū)消落帶面積約為11 094 m2，班多水電站庫區(qū)消落帶面積約為625 m2。羊曲水電站及上下游鄰近庫區(qū)河岸帶劃分結(jié)果見圖1。

2" 數(shù)據(jù)與方法

2.1" 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)來源如下：①科學(xué)數(shù)據(jù)銀行平臺(tái)（https：//www.scidb.cn/）公開的2024年8月19日發(fā)布的《1990—2022年中國內(nèi)地30 m年水土流失數(shù)據(jù)集》，

張峰華等：黃河羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶土壤侵蝕的時(shí)空異質(zhì)性與相關(guān)因素探析

本研究換算成土壤侵蝕模數(shù)。因缺少2002年數(shù)據(jù)，故本研究采用《2000—2020年三北防護(hù)林水土保持能力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集》中的2002年土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊。②國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.nesdc.org.cn）公開的《2000—2022年中國30 m年最大NDVI數(shù)據(jù)集》。③時(shí)空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)（https：//poles.tpdc.ac.cn）公開的《中國1 km分辨率逐月降水量數(shù)據(jù)集（1901—2021）》，該數(shù)據(jù)已經(jīng)更新到2023年。④時(shí)空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)共享的《中國1 km逐月潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集（1990—2021）》。⑤黃河數(shù)據(jù)中心（http：//huanghe.ncdc.ac.cn）共享的《中國月地面太陽輻射數(shù)據(jù)集（2000—2017年）》。⑥月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來自Zenodo平臺(tái)上《High-spatial-resolution monthly temperatures dataset over China during 1901—2017》（https：//zenodo.org/records/3185722）。⑦時(shí)空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)開放的《中國土壤濕度/土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集（2000—2020）》（本研究選取0～10 cm土層數(shù)

據(jù)），該數(shù)據(jù)已經(jīng)更新到2022年。⑧氣候生產(chǎn)潛力是一種描述理想氣象條件下植被最大生產(chǎn)力的指標(biāo)，能綜合反映氣候變化對(duì)植被生長的影響［4］，本研究采用XU［5］基于Miami模型計(jì)算的植被氣候生產(chǎn)潛力相關(guān)數(shù)據(jù)，即《中國潛在造林地及其氣候生產(chǎn)潛力空間分布估算》（https：//doi.org/10.3974/geodb.2023.03.02.V1）。以上所有數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.8中空間范圍統(tǒng)一到研究區(qū)內(nèi)，數(shù)值上運(yùn)用Python相關(guān)功能包批量處理為年平均值。

2.2" Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析

本研究采用Theil-Sen估計(jì)器（Sen’s slope）估計(jì)和Mann-Kendall（MK）非參數(shù)檢驗(yàn)分析2000—2022年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)及相關(guān)影響因子［年最大NDVI、年地表凈輻射通量、年降水量、年均氣溫、年均表層土壤含水量（0～10 cm土層）、年潛在蒸發(fā)量］的年際變化趨勢(shì)。MK檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可以用來判斷趨勢(shì)的顯著性，無需樣本服從一定的分布，不受異常值的影響。當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z的絕對(duì)值分別大于1.65、1.96和2.58時(shí)，表示趨勢(shì)分別通過了置信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)，即微顯著（p＜0.1）、顯著（p＜0.05）和極顯著（p＜0.01）。

2.3" 相關(guān)性分析

本研究選擇以年為單位，12個(gè)河岸帶7個(gè)指標(biāo)的像元尺度平均值作為相關(guān)性分析數(shù)據(jù)對(duì)，在R 4.2.2中采用GGally、ggplot2、ggpubr、readxl和ggpairs等程序包完成相關(guān)性分析和可視化制圖。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 2000—2022年河岸帶土壤侵蝕模數(shù)及相關(guān)因素變化

圖2～圖8分別為2000—2022年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)、年最大NDVI、年降水量、年均氣溫、年潛在蒸發(fā)量、年均表層土壤含水量、年地表凈輻射通量變化特征。由圖2～圖8知，土壤侵蝕模數(shù)呈較為明顯的空間分段變化趨勢(shì)，龍羊峽庫尾至巴溝河段為不顯著減少趨勢(shì)，龍羊峽庫中與庫首兩岸為不顯著增加趨勢(shì)；年最大NDVI總體呈極顯著增加趨勢(shì)，水電站壩址、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)等建設(shè)地點(diǎn)呈顯著減少趨勢(shì)；年降水量呈不顯著或微顯著增加趨勢(shì)，巴溝河有部分區(qū)域呈顯著增加趨勢(shì)；年均氣溫呈不顯著增加趨勢(shì)，興海縣唐乃亥鄉(xiāng)和同德縣巴溝鄉(xiāng)部分區(qū)域呈顯著或極顯著增加趨勢(shì)；年潛在蒸發(fā)量呈不顯著減少趨勢(shì)，部分地點(diǎn)呈不顯著增加趨勢(shì)；年表層土壤含水量變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，龍羊峽庫首左岸與庫中和羊曲庫區(qū)左右岸呈極顯著增加趨勢(shì)，龍羊峽庫中左岸與庫首右岸、班多至巴溝河左

右岸呈不顯著增加趨勢(shì)，羊曲電站右岸和班多電站部分區(qū)域呈不顯著減少趨勢(shì)；年地表凈輻射通量總體呈不顯著減少趨勢(shì)，右岸有部分河岸帶表現(xiàn)出不顯著增加趨勢(shì)，龍羊峽庫首和庫中呈現(xiàn)極顯著減少趨勢(shì)。

3.2" 河岸帶土壤侵蝕模數(shù)影響因素的相關(guān)性分析

3.2.1" 不同河岸帶土壤侵蝕模數(shù)均值

由圖9可知，2000—2007年12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，均維持在25～100 t/（hm2·a），2008年以后河岸帶LMR、RHR、RMR和RTR的土壤侵蝕模數(shù)均明顯增大，平均值在300 t/（hm2·a）以上，2018年后呈回落趨勢(shì)。

3.2.2" 不同河岸帶土壤侵蝕模數(shù)與影響因素的相關(guān)性

12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與6個(gè)影響因素之間的相關(guān)性分析結(jié)果見表3。由表3可知，12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI均呈正相關(guān)，其中RHR、LMR、RMR達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），RBD相關(guān)性不顯著，其余8個(gè)河岸帶達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年潛在蒸發(fā)量均呈負(fù)相關(guān)，其中RBG達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年降水量均呈正相關(guān)，其中RBD達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），LHR、RHR、LMR、RMR、LTR和RTR達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；RBD和RBG的土壤侵蝕模數(shù)與年均氣溫呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余10個(gè)河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；RBD、RHR、RMR、RTR和LBR的土壤侵蝕模數(shù)與年地表凈輻射通量呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余7個(gè)河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年均表層土壤含水量均呈正相關(guān)，其中RMR和RBG達(dá)到顯著水平（p＜0.05），其余10個(gè)河岸帶則不顯著。

3.3" 河岸帶干旱變化趨勢(shì)與造林潛力

溫度植被降水干燥指數(shù)（TVPDI）是刻畫干旱水平一種有效的測(cè)度手段［6］。圖10為2001—2020年研究區(qū)月均溫度植被降水干燥指數(shù)變化，可見2001—2020年羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶的月均溫度植被降水干燥指數(shù)呈波動(dòng)變化，總體呈微顯著增加趨勢(shì)。表4 為不同分段河岸帶潛在造林地質(zhì)量等級(jí)與年均氣候生產(chǎn)潛力。由表4可知，單位面積年均氣候生產(chǎn)潛力對(duì)比上，支流巴溝河河岸帶（LBG、RBG）最高，班多水電站庫區(qū)（LBR、RBR）次之，其后為壩下（羊曲大壩至龍羊峽大壩）（LBD、RBD），最低的為羊曲庫區(qū)。

4" 結(jié)論

基于長序列土壤侵蝕模數(shù)及相關(guān)要素的遙感數(shù)據(jù)，開展了年尺度上的變化檢測(cè)，識(shí)別出了不同變化趨勢(shì)的土壤侵蝕相關(guān)因素的空間位置。同時(shí)，以羊曲水電站為核心，上下游相關(guān)聯(lián)，形成了一套細(xì)分黃河上流梯級(jí)水電站河岸帶的方法和技術(shù)。對(duì)12個(gè)河岸帶開展了土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI、年地表凈輻射通量、年降水量、年潛在蒸發(fā)量、平均表層土壤含水量、年均氣溫的相關(guān)性分析，結(jié)果表明：①土壤侵蝕模數(shù)具有較明顯的空間分段差異性，龍羊峽庫尾至巴溝河段呈不顯著減少趨勢(shì)，龍羊峽庫中與庫首兩岸呈不顯著增加趨勢(shì)。②12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI均呈正相關(guān)，其中RHR、LMR、RMR達(dá)到極顯著水平，RBD相關(guān)性不顯著，其余8個(gè)達(dá)到顯著水平；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年潛在蒸發(fā)量均呈負(fù)相關(guān)，其中RBG達(dá)到顯著水平；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年降水量均呈正相關(guān)，其中RBD達(dá)到極顯著水平，LHR、RHR、LMR、RMR、LTR和RTR達(dá)到顯著水平；RBD和RBG的土壤侵蝕模數(shù)與年均氣溫均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余10個(gè)河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；RBD、RHR、RMR、RTR和LBR的土壤侵蝕模數(shù)與年地表凈輻射通量均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余7個(gè)則呈不顯著正相關(guān)；12個(gè)河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年均表層土壤含水量均呈正相關(guān)，其中RMR和RBG達(dá)到顯著水平，其余10個(gè)則不顯著。③在此基礎(chǔ)上，分析了12個(gè)河岸帶的造林潛力地塊及其氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)果表明支流巴溝河河岸帶的單位面積年均氣候生產(chǎn)潛力最高，班多水電站庫區(qū)次之，其后為壩下（羊曲大壩至龍羊峽大壩），最低的為羊曲庫區(qū)。

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收稿日期： 2024-09-01

基金項(xiàng)目： 黃河羊曲水電站招標(biāo)科研項(xiàng)目子課題“青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司羊曲水電站工程陸生生態(tài)研究科研項(xiàng)目”（2004-014-HHS-SD-X）；陜西省社會(huì)科學(xué)基金年度項(xiàng)目“黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展知識(shí)圖譜構(gòu)建與科學(xué)問題挖掘”（2020N004）；黃河羊曲水電站工程對(duì)局地氣候影響及生物多樣性演變趨勢(shì)研究

第一作者： 張峰華（1988—），男，河南新鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水電開發(fā)建設(shè)與管理工作。

通信作者： 張新平（1981—），男，陜西柞水人，講師，博士，主要從事景觀生態(tài)、流域生態(tài)和城市林業(yè)的遙感監(jiān)測(cè)與規(guī)劃設(shè)計(jì)及科學(xué)計(jì)量研究工作。

E-mail： zhang_xinping@xaut.edu.cn

（責(zé)任編輯" 李楊楊）