南方紅壤侵蝕流域不同情景措施的減沙效應(yīng)模擬

關(guān)鍵詞：SWAT模型；產(chǎn)沙模擬；水土保持措施；土地利用；紅壤侵蝕流域

SWAT（soil and water assessment tool）模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心（US Department ofAgriculture-Agricultural Research Service，USDAARS）Jeff Arnold 博士在1994 年為評(píng)價(jià)土地管理措施對(duì)水、沙及農(nóng)業(yè)污染物等的長(zhǎng)期影響而開發(fā)的流域尺度水文模型[1]，被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕、土地利用與覆被變化、非點(diǎn)源污染、各種水體環(huán)境等，用于模型的模擬預(yù)測(cè)、情景分析。目前，國內(nèi)外已有許多學(xué)者通過構(gòu)建流域生態(tài)水文模型[2]進(jìn)行不同植物修復(fù)的水文過程模擬[3]，為退化的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)。郝芳華等[4]選取黃河下游支流，設(shè)置3種植被恢復(fù)情景，探討其對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。田晶等[5]將未來氣候變化和土地利用/覆被變化（land use/cover change，LUCC）結(jié)合起來設(shè)置情景，綜合評(píng)估其對(duì)徑流的共同影響。雖然已有研究多集中于單一方面關(guān)注未來氣候變化對(duì)徑流的影響或未來LUCC對(duì)徑流泥沙的影響，或綜合兩方面的共同影響，但是對(duì)水土保持措施因子或植被覆蓋因子的改變導(dǎo)致產(chǎn)沙量變化并通過調(diào)整模型相關(guān)參數(shù)來模擬則鮮見報(bào)道。

以植被治理為主的水土保持措施是土壤侵蝕區(qū)治理水土流失的重要手段之一。植被可以增加地面覆蓋、涵養(yǎng)水源、降低雨滴動(dòng)能，阻控水土流失。目前，借助徑流小區(qū)探討不同措施的減水減沙效果仍備受關(guān)注。張青青等[6]以南方典型紅壤區(qū)福建省長(zhǎng)汀縣水土保持科教園5種水土保持措施為研究對(duì)象，采集坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，揭示南方紅壤區(qū)水土保持措施的減水減沙效益。符素華等[7]以北京延慶上辛莊徑流試驗(yàn)站的坡面徑流試驗(yàn)小區(qū)為研究對(duì)象，采集2001—2006年58次降雨的徑流泥沙資料，量化其不同方式的減水減沙效果。然而，目前相關(guān)研究多集中于徑流小區(qū)尺度上研究水土保持措施對(duì)水土流失的治理，結(jié)合SWAT模型模擬從流域尺度上研究不同水土保持措施的實(shí)施對(duì)流域減沙效應(yīng)的研究鮮見報(bào)道。

南方花崗巖紅壤丘陵區(qū)屬典型的水力侵蝕區(qū)，部分地區(qū)已成為水土流失最廣泛、最嚴(yán)重的地區(qū)之一。其中，福建省長(zhǎng)汀縣由于境內(nèi)多陡坡山地丘陵，土壤貧瘠，抗蝕性極差，保水保肥能力低，歷史上加上政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等原因，水土流失十分嚴(yán)重[8]。小流域是水土流失發(fā)生和發(fā)展的基本單元，以小流域?yàn)榛締卧M(jìn)行流域綜合管理正被世界上越來越多的國家所認(rèn)識(shí)和采用。本研究以南方典型花崗巖紅壤侵蝕流域——福建長(zhǎng)汀朱溪流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在SWAT模型模擬該流域產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況的基礎(chǔ)上，通過不同水土保持措施和不同土地利用方式調(diào)整的情景設(shè)置，量化分析不同情景措施對(duì)流域的減沙效應(yīng)，旨在為紅壤侵蝕流域泥沙阻控的生態(tài)恢復(fù)措施提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國福建省龍巖市長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)東部的朱溪流域（25°38′15″—25°42′55″ N，116°23′30″—116°30′30″E ），全流域土地面積約4 495.65 hm2。地貌類型以低山、丘陵為主，海拔270～680 m。該區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，流域年均氣溫18.4 ℃，年均降水量1 730.4 mm。區(qū)域內(nèi)土壤主要為粗晶花崗巖在長(zhǎng)期濕熱氣候條件下發(fā)育的紅壤（聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織系統(tǒng)中的腐殖土）。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，歷史上該區(qū)域由于地表植被遭嚴(yán)重破壞，原始植被幾乎被次生林所替代。

1.2 試驗(yàn)材料

選取福建省龍巖市長(zhǎng)汀縣水土保持科教園內(nèi)坡度15°、水平投影長(zhǎng)20 m、寬5 m，垂直投影面積100 m2，坡向西南（270°）的6種不同水土保持措施的徑流小區(qū)，定期觀測(cè)各徑流小區(qū)坡面所產(chǎn)的徑流和泥沙。其中，以裸地（未實(shí)施水土保持措施的南方紅壤裸露坡地）為對(duì)照徑流小區(qū)，其他5個(gè)徑流小區(qū)的不同水土保持措施分別為全坡面種草（全坡面種植百喜草覆蓋坡地）、果園改造（整小平臺(tái)，順坡種植楊梅果樹）、喬草混交（條溝整地，馬尾松、香根草、寬葉雀稗混交）、喬灌草混交（條溝整地，楓香、木荷、胡枝子、寬葉雀稗喬灌草混交）和純喬木林（高密度人工純馬尾松喬木林）[9]。

1.3 研究方法

1.3.1 朱溪流域SWAT模擬 基于SWAT模型的徑流泥沙模擬數(shù)據(jù)由流域的數(shù)字高程模型（digital elevation model ，DEM）、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型圖和日氣象數(shù)據(jù)組成。DEM為以覆蓋朱溪流域的6幅比例尺為1：10 000的地形圖為底圖，在ArcGIS9.3軟件的支持下，矢量化等高線，利用3D analyst 創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)（triangulated irregularnetwork， TIN），得到朱溪流域10 m×10 m 的高精度 DEM。2007年土地利用類型圖是采用法國國家航天研究中心的SPOT5遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)影像的預(yù)處理和土地利用的遙感識(shí)別，最終進(jìn)行土地利用信息的提取獲得。2017 年土地利用圖是基于1∶10 000 DEM、2017年分辨率為0.5 m 的GeoEye衛(wèi)星遙感影像與2007年經(jīng)目視解譯比較獲取的。本研究中，朱溪流域SWAT構(gòu)建采用的是2017年遙感影像解譯的朱溪流域土地利用現(xiàn)狀圖。土壤類型圖是長(zhǎng)汀縣第二次土壤普查1∶50 000土壤類型圖，并以流域土壤采樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正得到。2008—2017年降水、氣溫、露點(diǎn)溫度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)主要從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載。

構(gòu)建和運(yùn)行SWAT模型。首先，在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置參數(shù)，選擇出口，生成24個(gè)分水流域；其次，根據(jù)土壤類型圖和土地利用數(shù)據(jù)，將土壤、土地利用和坡度的最小面積閾值設(shè)為5%，劃分水文響應(yīng)單元（hydrologic response unit，HRU）。然后，讀取天氣數(shù)據(jù)并完成所有SWAT輸入文件表的創(chuàng)建；最后，運(yùn)行模型。采用SCS（soilconservation service）曲線數(shù)法估算地表徑流。以2012－2017年作為模型的模擬時(shí)段，進(jìn)行SWAT模型的運(yùn)行模擬。

為了驗(yàn)證徑流泥沙模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究選定2012年作為預(yù)熱期，以2013－2014年為率定期、2015－2017年為驗(yàn)證期，以研究區(qū)所在的水文站逐月徑流、逐月泥沙作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過人工調(diào)整參數(shù)進(jìn)行模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證，利用相對(duì)誤差（relative error，Re）、決定系數(shù)（R2）和納什系數(shù)（nash-sutcliffe efficiency，Ens）3 個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)模型的適用性。一般來說，當(dāng)Relt;25%、R2gt;0.5 和Ensgt;0.50[10]模擬結(jié)果可以接受。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)Ensgt;0.75時(shí)，認(rèn)為模型模擬效果好；當(dāng)0.36≤Ens≤0.75時(shí)，模擬效果令人滿意；當(dāng)Enslt;0.36時(shí)，模型模擬效果較差[11]。由于該小流域面積僅5.29 km2，受野外實(shí)測(cè)資料準(zhǔn)確性的影響，泥沙的不確定性因素更大，相比于徑流，泥沙的校準(zhǔn)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬。

1.3.2 模型參數(shù)調(diào)整計(jì)算方法 土壤侵蝕方程中的植被覆蓋與管理因子（C）和水土保持措施因子（P）是影響SWAT模型模擬產(chǎn)沙量最敏感的2個(gè)主要參數(shù)。通過徑流小區(qū)長(zhǎng)期觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析獲取不同水土保持下的C 與P 值即SWAT模型中對(duì)應(yīng)的USLE_C 和USLE_P 參數(shù)值，應(yīng)用已構(gòu)建的SWAT模型模擬不同水土保持措施下朱溪流域產(chǎn)沙量，可揭示南方紅壤侵蝕區(qū)不同處理方式下的減沙效果。其中，植被覆蓋與管理因子（C）指在相同條件下的一定時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)有作物的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)與連續(xù)撂荒的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上的土壤流失量之比[12]。目前，國內(nèi)外對(duì)植被覆蓋與管理因子的研究主要集中在對(duì)作物不同生長(zhǎng)期的值變化上，采用蔡崇法等[13]、王瀟等[14]研究得到的實(shí)測(cè)地表植被覆蓋度（c）與C 值的相關(guān)關(guān)系公式來計(jì)算。

水土保持措施因子（P）是指在相同條件下的一定時(shí)間內(nèi)，有水土保持措施的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)與無水土保持措施的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失量之比[1516]。P 值介于0～1，為無量綱因子，反映實(shí)施水土保持措施后對(duì)于坡地土壤流失量的控制作用。本研究中水土保持措施因子值是在長(zhǎng)汀縣水土保持科教園內(nèi)采用徑流場(chǎng)觀測(cè)法，觀測(cè)每場(chǎng)降雨下各措施小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況得到的不同徑流小區(qū)坡面的土壤流失量（t·hm-2·a-1），計(jì)算得到不同的P 值。

式中，Ap 為徑流小區(qū)布設(shè)某一水土保持措施的年均土壤流失量（t·hm-2·a-1）；A 為無任何水土保持措施（對(duì)照小區(qū)）的年均土壤流失量（t·hm-2·a-1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 朱溪流域SWAT 產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬結(jié)果

由圖1可知，月均流量在率定期和驗(yàn)證期的相對(duì)誤差（Re）均為0.02，小于0.25，決定系數(shù)（R2）分別為0.73和0.56，均大于0.5，納什系數(shù)（Ens）分別為0.71和0.60，均大于0.5，表明該模型的模擬效果較好。由圖2可知，月均泥沙在率定期和驗(yàn)證期的Re 分別為0.18 和0.08，均小于0.25；R2 分別為0.66 和0.51，均大于0.5；Ens 分別為0.70 和0.36，表明該模型的模擬效果滿足要求?？傮w上看，率定期的率定結(jié)果優(yōu)于驗(yàn)證期的結(jié)果，月均流量模擬結(jié)果優(yōu)于月均泥沙量模擬結(jié)果，且均能達(dá)到SWAT模型要求的精度，表明SWAT模型適用于朱溪流域的年、月徑流模擬。

應(yīng)用SWAT 模型對(duì)朱溪流域2013—2017 年月均流量和月均泥沙量進(jìn)行模擬（圖3），經(jīng)核算，2013—2017年朱溪流域年均徑流量和年均泥沙量分別為4.793×107 m3和1.037×107 kg。從過程曲線來看，月均流量曲線和月均泥沙量曲線變化趨勢(shì)較一致，多集中在3—8月，2013—2015年月均流量和月均泥沙量均在5月達(dá)最大峰值，2016年在4月達(dá)最大峰值，2017年在6月達(dá)最大峰值。

由圖4可知，2013—2017年研究區(qū)年平均降水量為1 746.5 mm，從降水量的變化來看，2013—2017年年際、年內(nèi)變化大，年內(nèi)分配多集中在3—8 月，降雨量集中，降雨強(qiáng)度大。這與朱溪流域2013—2017年月均流量和月均泥沙量的模擬趨勢(shì)相一致。從降水量與徑流量的相關(guān)性來看，2013—2017年朱溪流域的降水量與徑流量呈顯著正相關(guān)（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)為0.942。從降水量與泥沙量的相關(guān)性來看，2013—2017年朱溪流域的降水量與泥沙量也呈顯著正相關(guān)（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)為0.952。

2.2 不同措施下朱溪流域產(chǎn)沙量模擬結(jié)果分析

2.2.1 不同水土保持措施下朱溪流域產(chǎn)沙量模擬結(jié)果 通過實(shí)測(cè)法獲取不同水土保持措施小區(qū)植物2013—2017年間的植被覆蓋度，計(jì)算得到不同措施下的植被覆蓋與管理因子（C）值（表1），不同水土保持措施下實(shí)測(cè)地表植被覆蓋度呈現(xiàn)出全坡面種草gt;喬灌草混交gt;果園改造gt;純喬木林gt;喬草混交gt;裸地。植被覆蓋與管理因子（C）值則呈現(xiàn)出全坡面種草lt;喬灌草混交lt;果園改造、純喬木林lt;喬草混交lt;裸地。

從表2可知，土壤流失量表現(xiàn)為喬灌草混交lt;全坡面種草lt;喬草混交lt;果園改造lt;純喬木林lt;裸地，水土保持措施因子（P）表現(xiàn)為喬灌草混交lt;全坡面種草lt;喬草混交lt;果園改造、純喬木林lt;裸地。

將不同水土保持措施下的C 值和P 值應(yīng)用到已構(gòu)建好的朱溪流域SWAT模型中，得到不同水土保持措施下朱溪流域的單位面積年均產(chǎn)沙量，從圖5中可看出，喬灌草混交的“復(fù)合型”措施和快速的全坡面種草措施下單位面積年均產(chǎn)沙量效果相當(dāng)，整體減沙效果優(yōu)越，而純喬木林措施的單位面積年均產(chǎn)沙量最多，減沙效果最弱。

2.2.2 不同期土地利用方式下朱溪流域產(chǎn)沙量模擬結(jié)果 應(yīng)用已構(gòu)建的朱溪流域SWAT模型模擬比較2007和2017年土地利用類型的差異所帶來的朱溪流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量變化，揭示土地利用方式的變化對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙帶來的影響。從表3可看出，從2007到2017年，8種土地利用類型的面積占比中耕地、園地、林地和草地呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，耕地減少了3.66個(gè)百分點(diǎn)；而硬質(zhì)景觀要素中的居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水域和未利用地均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中居民點(diǎn)及工礦用地面積占比增加量最大，達(dá)6.12個(gè)百分點(diǎn)。經(jīng)過SWAT模型模擬得到2007和2017年朱溪流域單位面積年均產(chǎn)沙量（圖6），隨著土地利用類型的變化以及地表植被覆蓋的變化，模型模擬所得到的朱溪流域單位面積年均減沙率為3.49%，單位面積年均減沙量為3.54 t·hm-2·a-1。

3 討 論

3.1 基于SWAT 模擬的朱溪流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

徑流是反映流域水文過程的綜合指標(biāo)，受氣候變化和地表變化的影響。其中，降水是驅(qū)動(dòng)水文模型的重要變量之一，是影響流域水量平衡模擬的關(guān)鍵因素，其對(duì)徑流和泥沙產(chǎn)生有重要影響。本研究中，由于2013—2017年朱溪流域的降水量與徑流量呈顯著正相關(guān)，因此，基于SWAT模擬的朱溪流域產(chǎn)流總量的多寡主要取決于該地的降水量。

2013—2017 年朱溪流域的降水量與泥沙量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.952。土地利用/土地覆蓋變化對(duì)水文過程的影響是過去幾十年最普遍的問題之一[1718]。人為干擾導(dǎo)致了嚴(yán)重的植被退化，并加速了土壤侵蝕[19]。但是，如果提高植被覆蓋和根系密度，降雨產(chǎn)生的徑流量和泥沙量就會(huì)減少，從而導(dǎo)致稀土元素遷移量的減少。朱溪流域經(jīng)過采取低效林改造、喬灌草混交、果園改造和封禁等生態(tài)修復(fù)措施，雖然水土流失強(qiáng)度有所降低，土壤肥力明顯改善[20]，但仍屬于福建省水土流失嚴(yán)重的地區(qū)[21]。

3.2 不同水土保持措施對(duì)朱溪流域產(chǎn)沙效果的影響

朱溪流域是我國南方典型的花崗巖紅壤侵蝕流域，水土流失歷史廣、程度重、危害大。不同侵蝕程度的水土流失地應(yīng)采取不同的植被重建措施。由于種種原因，長(zhǎng)汀河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)等不同程度存在“遠(yuǎn)看青山在，近看水土流”的“空中綠化”現(xiàn)象，因此，在強(qiáng)度侵蝕坡地上重建植被，必須注重近地表林下植被的建設(shè)[22]。本研究中，從不同水土保持措施的減沙能力可看出，喬灌草混交“復(fù)合型”措施減沙能力優(yōu)越，該措施是根據(jù)植物地帶性原理以及侵蝕坡地的立地條件，篩選出草本、灌木和喬木的先鋒植物品種，著眼于建立常綠針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)，順應(yīng)植被演替規(guī)律，向著頂級(jí)群落演替的植被重建措施，形成了復(fù)雜的冠層立體結(jié)構(gòu)，對(duì)降雨進(jìn)行了再分配，減少了林地地表的降雨量，此外，發(fā)達(dá)的根系能更好地固持土壤顆粒，提高土壤的抗蝕性，減少泥沙量。全坡面種草是通過增加地被的覆蓋達(dá)到快速抑制水土流失的有效辦法，重建植被的先鋒群落，固持土壤，最大程度上減少表層的土壤流失。相比于喬草或純喬木林，喬灌草混交“復(fù)合型”措施和快速的全坡面種草2種措施能通過提高植被覆蓋度，改良土壤肥力，能更有效地減少坡面產(chǎn)流量和泥沙量，整體減沙效果更為顯著，這與張青青等[6]的研究結(jié)果一致。

土地利用/土地覆蓋變化會(huì)對(duì)水文過程產(chǎn)生影響[17]。土地利用方式的變化是人類活動(dòng)在朱溪流域的突出表現(xiàn)，受人類活動(dòng)影響不同，不同土地利用類型的土壤侵蝕特征存在差異[23]。土地利用的空間分布是土壤侵蝕的催化劑，可改變局部地區(qū)的微環(huán)境，如氣候、土壤、植被等，進(jìn)而加劇或減緩?fù)寥狼治g[24]。從2007和2017年土地利用方式類型占比的變化來看，耕地減少、建設(shè)用地（居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地）增多這3種土地利用方式的變化都會(huì)引起地表徑流升高、側(cè)向流減少，由于建設(shè)用地的硬質(zhì)地面固化，雖然使得地表徑流有所增加，但泥沙量反而呈減少的趨勢(shì)。園地、林地和草地由于人類耕作措施的不斷改進(jìn)，植被覆蓋度和根系密度的提高，對(duì)土壤的固持效能得以提高，使得流域坡面產(chǎn)生的泥沙量也隨之減少。因此，合理的土地利用方式調(diào)整是控制流域水土流失，阻控泥沙遷移的重要措施，這也為該流域的治理提供了一定的啟示，表明可通過改變流域下墊面條件，合理調(diào)整土地利用空間結(jié)構(gòu)與布局，如減少開墾耕地、草地，合理開發(fā)利用建設(shè)用地，多植樹造林等來控制水土流失量[25]。