楚冰洋 李月皓

(長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054)

自然因素和不合理的人類活動(dòng)引起的土壤侵蝕導(dǎo)致了環(huán)境惡化，是土地退化和生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素[1,2]，而我國(guó)是全球土壤侵蝕最為嚴(yán)重的國(guó)家之一[3]。土壤保持服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤侵蝕所起到的削減和抑制效用的總稱，在應(yīng)對(duì)中國(guó)乃至全球的重大環(huán)境問(wèn)題——土壤侵蝕方面發(fā)揮重要作用[4,5]。W H Wischmeier等提出通用土壤流失方程(Universal soil loss equation, USLE)，明晰土壤保持的研究現(xiàn)狀，從而達(dá)到采取適當(dāng)措施、提高土壤保持能力的目的[6,7]。1993年美國(guó)農(nóng)業(yè)部對(duì)USLE的局限性進(jìn)行了修正，研發(fā)了修正的通用土壤流失方程(Revised universal soil loss equation,RUSLE),是目前應(yīng)用最廣泛、具有較好實(shí)用性的土壤侵蝕模型，也是當(dāng)前評(píng)估土壤保持量最常用的方法[8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤保持進(jìn)行了深入研究。如，Asis等將RUSLE模型與線性光譜混合分析方法相結(jié)合對(duì)菲律賓拉梅薩流域進(jìn)行了土壤侵蝕評(píng)估[9]；羅紅等基于修正的通用土壤流失方程，分析黔西北地區(qū)1974年、1992年、2008年土地利用/覆被變化前后的土壤侵蝕狀況[10];蔣欣陽(yáng)等基于RUSLE模型，研究了內(nèi)蒙古錫林郭勒盟不同尺度、不同景觀類型的土壤保持功能及其空間分布[11]。

陜西省地處中國(guó)大陸腹地，地形和氣候類型豐富[12]。陜北地區(qū)地處干旱、半干旱地區(qū)，區(qū)內(nèi)土壤侵蝕和土地沙化嚴(yán)重，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。關(guān)中地區(qū)是陜西省工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)，近年來(lái)人口的急劇增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)土地資源的開(kāi)發(fā)力度不斷加大，土壤侵蝕加劇。陜南地區(qū)以森林山區(qū)為主，但是在中低山區(qū)水土流失日益嚴(yán)重。因此，本文以陜西省為研究區(qū)，計(jì)算2000—2015年土壤保持量，使用GIS空間分析方法刻畫(huà)土壤保持量空間差異，采用Sen趨勢(shì)度方法分析土壤保持量的時(shí)空變化趨勢(shì)，以期揭示陜西省土壤保持在空間上的異質(zhì)性和時(shí)間上的變化特征，為區(qū)域可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理提供決策支持。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于中國(guó)西部地區(qū)東部，處于N31°43′～39°34′，E105°19′～111°14′，總面積19.86×104km2。在中國(guó)區(qū)域發(fā)展宏觀布局中具有呈東啟西、聯(lián)南帶北的戰(zhàn)略地位和區(qū)位優(yōu)勢(shì)。本研究區(qū)域按照自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征可以分為陜北地區(qū)、關(guān)中地區(qū)、陜南地區(qū)3大土壤侵蝕和水土保持服務(wù)功能存在差異的地理單元。

1.1.1 陜北地區(qū)

主要包括榆林市和延安市。區(qū)域海拔900～1600m，地勢(shì)較高，地處干旱、半干旱地區(qū)，降水稀少且季節(jié)變化大，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。區(qū)內(nèi)土壤侵蝕和沙化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，嚴(yán)重影響區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.1.2 關(guān)中地區(qū)

包括西安市、銅川市、寶雞市、咸陽(yáng)市和渭南市。區(qū)域內(nèi)海拔325～900m，地勢(shì)西高東低，中部平坦寬闊，是陜西省工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)。

1.1.3 陜南地區(qū)

包括漢中市、安康市、商洛市。區(qū)內(nèi)以山區(qū)為主，水熱條件相對(duì)較好，植被種類豐富。中低山區(qū)由于土地利用不合理，水土流失日益嚴(yán)重。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究使用的數(shù)據(jù)包括以下部分：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn)；DEM數(shù)據(jù)，采用ASTER Global Digital Elevation Model(ASTER GDEM，http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/)數(shù)據(jù)，空間分辨為90m；NDVI數(shù)據(jù)，采用SPOT-VEGETATION逐旬?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1km，經(jīng)過(guò)批量格式轉(zhuǎn)換、月最大值合成、批量裁剪和投影得到研究區(qū)月NDVI柵格數(shù)據(jù)集；降雨數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心(http://data.cma.cn)，基于氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用Anusplin工具進(jìn)行插值，得到研究區(qū)月降雨?yáng)鸥駭?shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)，采用基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(http://westdc.westgis.ac.cn)。

2 研究方法

2.1 土壤保持量計(jì)算

生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)常用土壤保持量進(jìn)行評(píng)估。本文采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)估算陜西省土壤保持量[13]。計(jì)算公式如下：

SC=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)

(1)

式中，SC為土壤保持量，t·hm-2·yr-1，由潛在侵蝕(Ap，t·hm-2·yr-1)與實(shí)際土壤侵蝕(Ar，t·hm-2·yr-1)之差決定。

式中各參數(shù)計(jì)算方法如下：

R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，由Wischmeier經(jīng)驗(yàn)公式求得[13]；Pi和P分別代表月降水量和年降水量，mm。

(2)

K為土壤可蝕性因子，t·ha·h·ha-1·MJ-1·mm-1，由Sharpley等發(fā)展的EPIC模型計(jì)算[14]：

(3)

式中，Sa、Si、Cl和C分別代表砂粒、粉粒、粘粒與有機(jī)質(zhì)在土壤中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

L和S分別為為坡長(zhǎng)和坡度因子，計(jì)算公式如下[20]：

L=(λ/22.1)m

(4)

(5)

式中，λ和θ為坡長(zhǎng)和坡度；m為坡長(zhǎng)坡度指數(shù)。

C為植被覆蓋因子，f為植被覆蓋度，采用蔡崇法提出的公式計(jì)算[15]：

(6)

(7)

P是水土保持因子，由坡度斜率指數(shù)α計(jì)算：

P=0.2+0.03α

(8)

2.2 趨勢(shì)分析方法

基于柵格尺度，應(yīng)用Sen+Mann-Kendall趨勢(shì)分析方法對(duì)陜西省2000—2015年土壤保持量的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，該方法可以對(duì)定量數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的顯著性檢驗(yàn)，常被用于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析[16]。Sen趨勢(shì)度計(jì)算公式如下:

(9)

式中，xj、xi為時(shí)間序列數(shù)據(jù)。β>0表示呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；β<0表示呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法如下:

(10)

(11)

(12)

式中，S為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；Z為標(biāo)準(zhǔn)化后S；xj、xi與公式9中含義相同；n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，當(dāng)n≥8時(shí)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S近似為正態(tài)分布，且標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。S的均值和方差如下：

E(S)=0

(13)

(14)

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨侵蝕力和植被覆蓋分析

由圖2可以看出，陜西省年降雨侵蝕力呈現(xiàn)由北向南逐漸增加的趨勢(shì)，即陜南>關(guān)中>陜北。具體來(lái)說(shuō)，陜北地區(qū)的榆林市西北部和東部降雨侵蝕力較低，最小值為200MJ·mm·hm-2·h-1。陜南的降雨侵蝕力最大，最大值出現(xiàn)在大巴山，為497.9MJ·mm·hm-2·h-1。從年降雨侵蝕力變化折線圖看，陜西省全省及各個(gè)子區(qū)內(nèi)年降雨侵蝕力均呈現(xiàn)波動(dòng)起伏的變化趨勢(shì)，這與降雨的年際波動(dòng)有關(guān)。

植被可以利用冠層攔截降雨增加水分滲透和表面粗糙度來(lái)減少地表徑流和侵蝕速率，也能夠攔截阻擋泥沙運(yùn)移，減少大規(guī)模的土壤流失。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，陜西省植被分布呈現(xiàn)南部高、北部低的特征。陜北地區(qū)NDVI較低，尤其是榆林市西北部的毛烏素沙地。陜北地區(qū)的延安市南部的子午嶺和黃龍山NDVI較高。關(guān)中地區(qū)處于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)，NDVI處于中等水平。陜南地區(qū)處于秦巴山區(qū)，NDVI較高。NDVI變化趨勢(shì)上看，陜西省全省及各個(gè)子區(qū)內(nèi)植被NDVI多年來(lái)均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。尤其是陜北地區(qū)，植被增速率最大，為0.1432·10a-1，這主要得益于陜北黃土高原上大規(guī)模的退耕還林還草工程的實(shí)施。

3.2 土壤保持量的時(shí)空分布

從圖4可以看出，土壤保持量的分布特征與降雨侵蝕力以及NDVI分布特征較為類似，都是由北向南逐漸增加。陜北地區(qū)植被稀疏，土壤保持量較低。關(guān)中地區(qū)位于農(nóng)業(yè)種植區(qū)、城鎮(zhèn)集中區(qū)，土壤保持量較低。陜南地區(qū)位于秦巴山區(qū)，植被覆蓋較高，土壤保持量較高。從土壤保持量各等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)看，有62.06%的區(qū)域處于低水平，較高和高的區(qū)域面積僅占22%，說(shuō)明陜西省土壤保持量整體上較低。

3.3 土壤保持服務(wù)的趨勢(shì)變化

由圖5可知，陜西省土壤保持量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，但是增加速率均較小。陜南地區(qū)增速最大，年均增長(zhǎng)47.41t·hm-2·yr-1。陜北地區(qū)增速最小，年均增長(zhǎng)8.628t·hm-2·yr-1。從變化折線圖上也可以看出，陜西省土壤保持量的地區(qū)差異也十分明顯，大致為陜南>全省>關(guān)中>陜北。

從圖6可知，僅有0.32%的區(qū)域土壤保持量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)?；静蛔兊膮^(qū)域面積也僅占5.10%。輕度增加的面積占比最大，為58.53%；其次是顯著增加的區(qū)域面積占比，達(dá)到了36.03%。其中，土壤保持量輕度增加的區(qū)域主要位于陜北地區(qū)的榆林市。土壤保持量顯著增加的區(qū)域主要位于銅川市、漢中市西部和寶雞市的西北部。

4 結(jié)論

本研究基于多源數(shù)據(jù)，使用RSULE模型對(duì)陜西省2000—2015年土壤保持量進(jìn)行了定量測(cè)算，使用空間分析和趨勢(shì)分析方法分析了陜西省土壤保持服務(wù)的空間差異和變化趨勢(shì)，得到以下結(jié)論。

作為影響土壤保持的2個(gè)主要因素，陜西省2000—2015年降雨侵蝕力和植被覆蓋均呈現(xiàn)南部高、北部低的特征。其中降雨侵蝕力多年來(lái)處于波動(dòng)起伏變化，全省及各個(gè)子區(qū)內(nèi)植被覆蓋均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

陜西省16a平均土壤保持量分布特征與降雨侵蝕力以及NDVI分布特征較為類似，由北向南逐漸增加且地區(qū)差異明顯。陜南地區(qū)土壤保持量最高，其次是關(guān)中地區(qū)，陜北地區(qū)最低。有62.06%的區(qū)域土壤保持量處于低水平，較高和高的區(qū)域面積僅占22%，說(shuō)明陜西省土壤保持量整體上較低。

趨勢(shì)分析結(jié)果表明，陜西省全省及各子區(qū)域土壤保持量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，但是增加速率均較小。陜南地區(qū)增速最大，其次是關(guān)中地區(qū)，陜北地區(qū)增速最小。