王亞慧，王文瑞，王偉偉

（蘭州大學 資源環(huán)境學院／干旱區(qū)氣候變化與水循環(huán)研究中心，蘭州730000）

隨著人類活動的增強，土壤侵蝕已成為當今資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展所面臨的重要問題之一，一定程度上威脅著人類的生存和發(fā)展［1－2］。土壤侵蝕不僅受到諸如氣候、地形、地質(zhì)、土壤、植被等自然因素的影響，同時人類活動也會相應地增強或減弱土壤侵蝕的強度［3］，而且土壤侵蝕與土地覆被變化緊密相關(guān)，土地利用／土地覆被變化必然導致土壤侵蝕的變化［4］。相對自然要素而言，人類的資源開發(fā)或生態(tài)建設活動對區(qū)域土地覆被的改變在較短時期內(nèi)就可產(chǎn)生明顯的影響，而土壤侵蝕在短時間內(nèi)可能對人類福祉的影響不甚明顯，但在幾年甚至幾十年的時間尺度上就應該有非常顯著的影響［5］，所以了解某區(qū)域在較長時間尺度上的土壤侵蝕狀況對于如何改善人類獲得的福利具有重要的意義，目前涉及較長時間尺度的土壤侵蝕變化研究較為豐富［6－7］。我國的干旱荒漠區(qū)生態(tài)脆弱，沙漠化過程不斷加重［8］，學者們對荒漠區(qū)的土壤風蝕給予了深入研究［9－10］。由于干旱荒漠區(qū)降雨歷時短、強度大的特點，也存在相當量的土壤水力侵蝕，該方面的研究相對而言較少。本研究將對沙坡頭國家級自然保護區(qū)（以下簡稱“沙坡頭保護區(qū)”）使用中國水土流失預報模型來估算水力作用下土壤侵蝕量及其在1990年、2002年和2011年三個時間段之間的變化和空間差異，試圖理解近20a間研究區(qū)內(nèi)水土流失的狀況、變化趨勢，以及水土流失隨著土地覆被變化而變化的情況，研究結(jié)果期望能對類似研究區(qū)的水土保持措施、土地利用、土地覆被變化以及生態(tài)建設提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沙坡頭保護區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)西部的中衛(wèi)市沙 坡 頭 區(qū)，東 經(jīng) 104°49′26″—105°09′25″，北緯37°25′58″—37°37′26″，面積140.43km2，主要保護對象為自然沙生植被及人工治沙植被，并保障包蘭鐵路的暢通。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年平均降水量186.6mm，主要集中于6—9月份，根據(jù)40余年氣象記錄顯示的歷史最高年降水量為495.8mm（1978年），2003年［11］和2012年有一日最大降水量超過50 mm的記錄，雖然相對濕潤區(qū)來說該降水量顯得較低，但對于地處干旱荒漠區(qū)的沙坡頭保護區(qū)來說仍然具有十分重要的意義。依據(jù)《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準：自然保護區(qū)土地覆被類型劃分》并結(jié)合沙坡頭保護區(qū)的具體情況，我們將研究區(qū)的土地覆被類型劃分為：水域、沙地、灌叢、用材林、防護林、草地以及栽培作物。沙坡頭保護區(qū)以稀疏的灌木半灌木為主的天然植被和以防護林及用材林為主的人工植被覆蓋（圖1）情況下，主要發(fā)育有風沙土和灰鈣土等，薄瘠的土壤除了在風蝕作用下被侵蝕外，短時期集中的降水也對土壤產(chǎn)生強烈侵蝕作用。沙坡頭保護區(qū)所在地區(qū)年平均風速為2.8m／s，最大風速可達16.7m／s，年平均氣溫9.6℃，7月最高溫為38.1℃，1月最低溫為－25.1℃［11］。在1990—2011年近20a間，沙坡頭保護區(qū)的土地覆被類型發(fā)生了較大的變化，主要集中于保護區(qū)東北角的用材林面積的擴大以及沙地面積的減少，勢必對該區(qū)土壤水土流失產(chǎn)生一定影響。

圖1 沙坡頭保護區(qū)1990年，2002年，2011年土地覆被情況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

研究中采用的數(shù)據(jù)主要包括：來自中國氣象科學數(shù)據(jù)服務網(wǎng)提供的降雨量數(shù)據(jù)，美國USGS提供的1990年，2002年，2011年TM影像，寧夏中衛(wèi)沙坡頭保護區(qū)管理局提供的保護區(qū)1∶50 000土壤分類圖，從“地理空間數(shù)據(jù)云（http：∥www.gscloud.cn／）”下載的沙坡頭保護區(qū)30m分辨率GDEM數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上分別得到降雨侵蝕力因子、土壤可蝕力因子、坡度坡長侵蝕力因子、生物措施因子，人為賦予工程與耕作措施因子，利用中國水土流失預報模型求得1990年、2002年以及2011年的水力侵蝕模數(shù)。在時間變化上，利用ArcGIS將不同時期的土地覆被類型面積進行疊加并得到轉(zhuǎn)移矩陣，同時依據(jù)土壤侵蝕強度標準分析不同侵蝕強度級別的土壤面積變化，以及不同侵蝕強度級別土壤面積的轉(zhuǎn)移矩陣；在空間差異上，對不同植被覆蓋度、不同坡度下的水力侵蝕模數(shù)進行分區(qū)統(tǒng)計。

2.1 中國水土流失預報模型

USLE［12］和 RUSLE［13］是目前應用最為廣泛的評價土壤水力侵蝕的模型，劉寶元在RUSLE的基礎(chǔ)上結(jié)合我國水土保持措施的特點，提出了適合于中國的土壤水力侵蝕模型［14］：

式中：A——單位面積的土壤侵蝕量［t／（km2·a）］；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕力因子；L——坡長因子；S——坡度因子；B——生物措施因子；E——工程措施因子；T——耕作措施因子。

2.2 中國水土流失預報模型參數(shù)的計算

2.2.1 降雨侵蝕力因子（R）的獲取 降雨侵蝕力因子是中國水土流失預報模型中的重要因子，其值的大小表征了降雨對土壤的潛在侵蝕能力［15］，由于該研究區(qū)降雨情況與西吉縣相似，主要集中于5—10月，所以本文借鑒孫保平在寧南西吉縣大量實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的方程［16］計算降雨侵蝕力因子R值，計算公式為：其中：P5－10月——該地5—10月降雨量之和，5—10月月降雨量和由研究區(qū)周圍5個站點的降雨量插值得到（mm）。

2.2.2 土壤可蝕力因子（K）的獲取 不同的土壤由于土壤質(zhì)地的差異，抗蝕性也不同，通常用土壤可蝕力因子K表示，K值越大說明該土壤抗蝕性越差，反之越強。Williams等在EPIC模型中通過土壤有機碳和粒徑組成的資料計算得到K值［17］：

式中：SAN——砂粒含量 （%）；SIL——粉粒含量（%）；CLA——黏粒含量 （%）；C——有機碳含量（%）；SN1＝1－SAN／100。本文在現(xiàn)有土壤類型資料的基礎(chǔ)上計算得到不同類型土壤的土壤可蝕力因子，利用ArcGIS將其與矢量化的土壤分類圖疊加得到研究區(qū)土壤可蝕力因子柵格圖。

2.2.3 坡度坡長因子（LS）的獲取 坡長是影響坡面土壤水力侵蝕的重要因子，有大量的研究涉及坡度與土壤水力侵蝕的關(guān)系［18－19］，坡度又在一定程度上影響著坡長，LS值在一定程度上反映著地形特征對土壤水力侵蝕的影響［20］。本研究在GDEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過表面分析提取得到坡度，由于研究區(qū)GDEM數(shù)據(jù)分辨率為30m×30m，所以具體到每個柵格，坡長λ可表示為［21］：

得到坡度、坡長后，借鑒Wischmeier計算LS因子值的方法［12］獲取LS因子：

式中：λ——坡長；β——坡度；m——變化值：當β≥2.86°時，m＝0.5；1.72≤β＜2.86°時，m＝0.4；當0.57≤β＜1.72°時，m＝0.3；當β＜0.57時，m＝0.2。

2.2.4 生物措施因子（B）的獲取 地表植被可以有效地減少土壤水力侵蝕，是水力侵蝕的抑制因子之一。植被減少土壤水力侵蝕一方面來自植被對于降雨能量的消減，另一方面來自枯枝落葉的抗侵蝕能力［22］。生物措施因子與USLE以及RUSLE模型中的植被覆蓋因子C有相同的含義。馬超飛通過研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋因子C與植被覆蓋度具有如下的關(guān)系［23］：

式中：C——植被覆蓋因子（即生物措施因子B）；f——植被覆蓋度。本文中植被覆蓋度f為基于TM影像采用像元二分法獲取的。

2.2.5 工程及耕作措施因子（E·T）的獲取 土壤工程與耕作措施因子是抑制土壤水力侵蝕的因子，采取不同的工程及耕作措施，水力侵蝕也會有不同的變化。本文參考以往的研究成果并結(jié)合研究區(qū)的實際情況對不同的土地覆被類型賦予E·T值。其中沙地不作為土壤進行研究，給沙地賦0；由于該區(qū)域在近20a的過程中有沙地向其他土地覆被類型的轉(zhuǎn)化，主要表現(xiàn)為保護區(qū)東北部在近20a中沙地向用材林的轉(zhuǎn)化，但是土地覆被的轉(zhuǎn)化與土壤的變化并不一定一致（新種植的用材林下還未形成土壤，而是沙地，在經(jīng)過若干年后，沙地慢慢開始向土壤轉(zhuǎn)化）。結(jié)合2008年土壤分類圖以及不同年份的土地覆被類型情況確定不同土地覆被類型下是否為土壤，若是土壤，則作為水土流失的研究對象，對其E·T值進行賦值，若不是土壤而是沙地，則給E·T值賦為0。E·T值的范圍為0～1之間，0表示根本不發(fā)生侵蝕的土地覆被區(qū)域，1表示沒有采取任何工程及耕作措施來減緩水土流失的土地覆被區(qū)域。再將E·T值與土地覆被類型圖結(jié)合得到土壤工程與耕作措施因子柵格圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水力侵蝕時間變化

3.1.1 土壤水力侵蝕的動態(tài)變化 研究區(qū)內(nèi)可侵蝕土壤包括除沙地之外的其他用地類型。由于沙地在人為改造過程中發(fā)生土地覆被轉(zhuǎn)化，因而導致可侵蝕土壤面積（存在潛在水力侵蝕風險的土壤面積）發(fā)生變化。從圖2可以看出，1990—2011年沙坡頭保護區(qū)可侵蝕土壤面積呈增加趨勢，由1990年的59.83 km2增加至2002年的61.46km2，再增至2011年的74.60km2，主要集中于2002—2011年的增長。從圖2a可以看出可侵蝕土壤的增加主要是緣于沙地轉(zhuǎn)化為用材林和栽培作物面積。主要增加的部分為：一部分為研究區(qū)北部沙地轉(zhuǎn)化為用材林，林下可被侵蝕土壤面積增加約6.57km2；另一部分是使用土壤改良劑或在沙地上覆蓋土壤進行種植的耕作方式也不同程度地增加了土壤的面積，約為10.89km2。

從侵蝕強度來看，不同侵蝕強度的土壤面積也發(fā)生了變化。圖2b中可以看出，在1990—2002年期間，主要表現(xiàn)為微度侵蝕土壤面積略有增加，輕度、中度、以及強度侵蝕面積略有減少，變化都十分不明顯。2002—2011年不同侵蝕強度土壤面積變化主要特征為：輕度、中度以及強度水力侵蝕面積減少，但微度水力侵蝕面積有所增加，增加的微度侵蝕土壤面積主要是由沙地轉(zhuǎn)化為土壤而增加可侵蝕土壤面積導致，但微度侵蝕模數(shù)很小。

圖2 1990－2011年沙坡頭保護區(qū)不同土地覆被類型及不同侵蝕強度可蝕土壤面積變化

3.1.2 土壤水力侵蝕強度的時間變化 根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190—2007）（以下簡稱《標準》）并結(jié)合沙坡頭保護區(qū)水力侵蝕的具體情況，將《標準》中微度侵蝕細分為Ⅰ級［0～50t／（km2·a）］，Ⅱ級［50～100t／（km2·a）］，Ⅲ級［100～200t／（km2·a）］三個等級，將輕度侵蝕細分為Ⅳ級［200～300 t／（km2·a）］，Ⅴ級［300～500t／（km2·a）］，Ⅵ級［500～2 500t／（km2·a）］共三個等級，與《標準》中無侵蝕、中度侵蝕和強度侵蝕共構(gòu)成9個侵蝕級別。疊加1990年、2002年和2011年水力侵蝕模數(shù)得到不同水力侵蝕強度的轉(zhuǎn)移矩陣，具體結(jié)果見表1和表2。

表1 1990－2002年沙坡頭保護區(qū)水力侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從表1可以看出，1990—2002年研究區(qū)水力侵蝕強度變化特征主要是：侵蝕強度基本保持不變，強度減少很不明顯。雖然有微度及輕度范圍內(nèi)高級向低級、中度向輕度以及強度向中度的轉(zhuǎn)化，但也存在著某一級別向高級及低級的同等力轉(zhuǎn)化（Ⅱ級侵蝕向高一級及低一級侵蝕的面積相當，分別為2.02km2及2.18km2；Ⅴ 級侵蝕分別為0.57km2和0.8 km2）。疊加分析1990年及2002年水力侵蝕模數(shù)，水力侵蝕模數(shù)減少的面積只略小于水力侵蝕模數(shù)增加的土壤面積。此期間，雖然研究區(qū)植被覆蓋度得到了很大的提高，但是不明顯的土地覆被變化使得1990—2002年期間的水力侵蝕強度基本保持不變。

表2 2002－2011年沙坡頭保護區(qū)水力侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從表2中可以看出2002—2011年水力侵蝕強度總體減小，主要表現(xiàn)為微度及輕度范圍內(nèi)高一級向低一級的轉(zhuǎn)移（由Ⅱ級轉(zhuǎn)為Ⅰ級的7.21km2），輕度向微度、中度向輕度（1.10km2）以及強度向中度（0.48 km2）的轉(zhuǎn)移，局部地區(qū)侵蝕強度增加，主要是由于沙地轉(zhuǎn)化為用材林所致的可蝕土壤面積的增加。此段時間水力侵蝕明顯減少的主要原因是其他土地覆被類型向用材林和栽培作物類型的轉(zhuǎn)變使得研究區(qū)的植被覆蓋度得到了明顯的提高所致。

3.1.3 土壤水力侵蝕與土地覆被關(guān)系 綜合比較1990年、2002年和2011年各土地覆被類型的水力侵蝕模數(shù)（圖3），可以看出1990—2002年用材林及防護林水力侵蝕模數(shù)基本沒有變化，由于栽培作物和灌叢在此期間的植被覆蓋度有較大的提高，所以這兩種土地覆被類型水力侵蝕強度減弱；草地面積減少，出現(xiàn)退化，植被覆蓋度也相應降低，所以水力侵蝕模數(shù)增加。在2002—2011年，防護林、栽培作物基本保持不變，草地、灌叢及用材林由于植被覆蓋度的大幅提高水力侵蝕模數(shù)明顯降低。在1990—2011年的20a間，保護區(qū)的水力侵蝕模數(shù)明顯降低，除防護林基本維持穩(wěn)定外，其余各土地覆被類型下水力侵蝕模數(shù)均明顯降低。

圖3 不同年份、不同土地覆被類型下水力侵蝕情況

從土地覆被類型來看，灌叢類型的侵蝕模數(shù)要遠遠高于其他幾種土地覆被類型，約為數(shù)十倍，其次是草地，最后是林地（防護林和用材林）；栽培作物波動較大（1990年高于林地，2002年及2011年小于林地）。

3.2 土壤水力侵蝕區(qū)域空間／類型差異

研究區(qū)總體地勢比較平緩，在邊緣區(qū)坡度變化較明顯，而植被覆蓋狀況在空間上存在比較明顯的差異。按照植被覆蓋度和坡度對研究區(qū)的水力侵蝕進行空間差異化分析，以便為研究區(qū)不同區(qū)域或不同類型區(qū)水土保持措施提供依據(jù)。研究區(qū)總體植被覆蓋度較低，并且自然植被和人工植被兼有，按照這種實際情況將2011年沙坡頭保護區(qū)的植被覆蓋程度分為5級：裸地（植被覆蓋率＜10%）、低植被覆蓋度（10%～30%）、中低植被覆蓋度（30%～45%）、中度植被覆蓋度（45%～60%）、高植被覆蓋度（＞60%）；將坡度分為5級：0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，＞25°，并分別統(tǒng)計了不同植被覆蓋度和不同坡度下2011年沙坡頭保護區(qū)水力侵蝕的分布狀況，結(jié)果見圖4a，b。

從圖4a中可以看出，水力侵蝕模數(shù)與植被覆蓋度密切相關(guān)，隨著植被覆蓋的的增加，水力侵蝕模數(shù)逐漸減小，裸地和低植被覆蓋度的水力侵蝕模數(shù)分別為1 572.38和584.98t／（km2·a），屬于輕度侵蝕；中低度植被覆蓋度、中度植被覆蓋度和高度植被覆蓋度的水力侵蝕模數(shù)分別為125.51，111.39，103.92t／（km2·a），屬于微度侵蝕；裸地與低植被覆蓋度的侵蝕量占到總侵蝕量的91.99%，中低植被覆蓋度、中度植被覆蓋度和高度植被覆蓋度下水力侵蝕模數(shù)明顯較低。

從圖4b中可以看出，水力侵蝕模數(shù)隨著坡度增加有增加的趨勢。坡度為0°～5°時，水力侵蝕模數(shù)是168.73t／（km2·a），屬于微度侵蝕；坡度為5°～8°和8°～15°時，水力侵蝕模數(shù)分別為596.63，1 800.92t／（km2·a），屬于輕度侵蝕；坡度為15°～25°時，水力侵蝕模數(shù)為5 954.71t／（km2·a），屬于強烈侵蝕；當坡度＞25°時，水力侵蝕強度屬于極強烈侵蝕。由于研究區(qū)＞25°地區(qū)面積只占到土壤水力侵蝕區(qū)的0.08%，所以水力侵蝕的主要發(fā)生在坡度為8°～25°區(qū)域。

圖4 沙坡頭保護區(qū)不同植被覆蓋度及不同坡度下土壤水力侵蝕情況

4 結(jié)論與討論

為了了解以沙坡頭保護區(qū)為代表的干旱荒漠區(qū)土壤水力侵蝕情況，本文基于中國水土流失預報模型，運用RS，GIS技術(shù)在研究區(qū)TM影像、土壤分類圖、GDEM數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了沙坡頭保護區(qū)1990—2011年近20a來水力侵蝕強度變化。

結(jié)果表明：（1）水力侵蝕強度總體上呈現(xiàn)減弱趨勢。（2）在時間演變過程中，水力侵蝕強度變化與土地覆被類型變化具有比較明顯的相關(guān)性：1990—2002年，土地覆被變化較少，水力侵蝕也基本保持不變，只有略微的降低；2002—2011年，土地覆被變化明顯，表現(xiàn)為沙地減少，水域、用材林和栽培作物面積增加，水力侵蝕雖有局部地區(qū)的增加，但總體呈現(xiàn)明顯的降低。從植被類型來看，20a間灌叢、草地以及用材林的變化比較明顯，一方面是由于植被生長引起植被覆蓋度的增加所致，另一方面與人為因素的影響有關(guān)。（3）空間類型上，水力侵蝕與植被覆蓋度以及坡度具有密切的關(guān)系，水力侵蝕與植被覆蓋度總體上呈負相關(guān)關(guān)系，而水力侵蝕與坡度之間總體上呈正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)裸地和低植被覆蓋度地區(qū)以及坡度在8°～25°范圍內(nèi)是水力侵蝕比較嚴重的區(qū)域，是水力侵蝕防止的重點區(qū)域。

如果僅從水力侵蝕強度角度來看，沙坡頭保護區(qū)應重點發(fā)展林地及栽培作物，并減少灌叢與草地的面積以降低區(qū)域水力侵蝕，但從研究區(qū)所在的生態(tài)系統(tǒng)綜合考量，因其位于騰格里沙漠東南緣的干旱荒漠區(qū)，水資源是發(fā)展林地和栽培作物的重要制約因子，大力發(fā)展林地和栽培作物可能會導致地下水位下降和土壤鹽漬化等問題；同時栽培作物受耕種季節(jié)影響，一個年度內(nèi)的植被覆蓋度變化很大，具有不穩(wěn)定性；此外，對于沙坡頭保護區(qū)來說，其主要功能體現(xiàn)在生物多樣性保護和防風固沙，低覆蓋度的灌叢和草地大多為適應于干旱半干旱氣候的本地種甚至是特有種，因此在水土保持實踐中須充分考慮到保護區(qū)主要功能和減少水力侵蝕之間的矛盾權(quán)衡，該問題值得進一步深入研究。此外，研究區(qū)面積較小，由于資料可獲得性限制，本研究采用了30m分辨率的TM影像，以及30m的GDEM 數(shù)據(jù)和1∶50 000土壤分類圖，如果在更高分辨率影像以及DEM數(shù)據(jù)和更大比例尺的土壤分類圖的支持下可能會更精準。

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