黃土丘陵區坡耕地對土壤侵蝕的影響延河流域退耕前后土壤侵蝕強度的變化

對區域內土壤侵蝕的時間動態分析和控制因素的識別，是合理分配土壤侵蝕措施，有效控制水土流失的基礎。現有區域土壤侵蝕評價方法一般采用水利部標準(SL190-96),但是不能定量評價,對影響因子考慮也不全面。國內外研究者利用通用土壤流失方程/修正通用土壤流失方程進行大區域土壤侵蝕模擬取得了比較好的效果,但這些研究對現狀資料的應用和動態分析方面尚感不足。自退耕還林(草)工程實施以來,坡耕地被大量退耕,典型地區土壤侵蝕狀況已經發生了較大變化。由于延河流域位于黃土高原中部,跨3個生物氣候帶(森林、森林草原和典型草原),是退耕還林(草)工程的重點,對分析認識整個黃土高原退耕還林(草)工程對土壤侵蝕的影響具有十分典型的意義;因此,筆者基于遙感圖像解譯、GIS空間分析和修正通用土壤流失方程RUSLE(reviseduniversalsoillossequation)模型,研究延河流域1986、1997與2000年的土壤侵蝕因子的變化以及土壤侵蝕的分布狀況,分析退耕還林(草)對土壤侵蝕的影響。在此基礎上,模擬分析延河流域>25°的坡耕地全部退耕后在不同植被覆蓋度條件下的土壤侵蝕。1研究區域的概率和數據基礎1.1土壤類型及植被類型延河流域位于黃土高原中部,面積7687km2,其中90%的面積屬于黃土高原丘陵溝壑區,地形復雜,海拔495~1795m,坡度0~60°。該地區屬于半干旱大陸性氣候,年均氣溫9℃,年均降雨量520mm。全區土壤類型有黃綿土、沖積土、黏土、黑壚土等,分布最廣的是黃綿土。該區的植被類型從南向北分為南部的針葉混交林帶,中部延安到安塞之間的草原過渡帶。植物從南向北主要有遼東櫟(Quercusliaotungensis)、刺槐(Robiniapsendoacacia)、油松(P.tabulaeformisCarr.),中部延安到安塞之間為檸條(Caraganaintermedia)、白羊草(Bothriochloaischaemun(L.)Keng),安塞以北為百里香(Thymusmongolicus)、長芒草(Stipabungeana)。由于自然條件和人為活動的原因,該地區土壤侵蝕十分嚴重。1.2坡耕地的分布延河流域1986年共有坡耕地2856.2km2,到了1997年共有坡耕地3030.5km2,再到2000年共有坡耕地2097.1km2。由于人口的增長和生活需要,延河流域從1986至1997年新開了174.3km2的坡耕地,從1997年后,由于實行退耕還林政策,到2000年全流域有933.4km2的坡耕地退耕,退耕占全流域總坡耕地面積的30.8%,具體的退耕還林前后的土地利用變化見表1。1.3土壤分辨率:積極用以計算延河流域的土壤侵蝕的數據主要有延河流域各月降雨量(柵格格式,30m分辨率,1986、1997、2000年),土地利用柵格圖(柵格格式,15m分辨率,1986、1997、2000年),黃土高原土壤類型圖(1∶50萬,矢量格式,1986年編制)以及延河流域分辨率為25m的DEM。2土壤侵蝕因子利用RUSLE模型計算每年單位面積的土壤侵蝕量的方程式如下:A=RKLSCP(1)式中:A為每年單位面積的土壤侵蝕量,t·km-2·a-1;R為降雨侵蝕力,MJ·mm·km-2·h-1·a-1;K為土壤可蝕性因子,t·h·MJ-1·mm-1;L為坡長因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋管理因子;P為水土保持措施因子。對RUSLE中的每個因子的計算以及最后得到土壤侵蝕分布圖都是在ArcGIS下實現的。具體計算過程如圖1所示。2.1延河流域該月的侵蝕性降雨由于不是所有的降雨都能產生土壤侵蝕,所以現用延河流域的延長、延安、安塞、靖邊4站各年(1986、1997、2000)的日降雨資料計算每個月侵蝕性降雨占該月總降雨量的百分比。然后對4個站加權平均得到該月的侵蝕性降雨百分比,再用該百分比乘以對應年的月降雨得到延河流域該月的侵蝕性降雨。本文選擇的侵蝕性降雨標準為10mm。傅伯杰等在延河流域建立了月內大于9mm的降雨量與降雨侵蝕力的回歸模型(式(2)),因為從延長、延安、安塞、靖邊4個站中統計出月內9~10mm的降雨次數比例很小(表2),所以采用式(2)計算延河流域的降雨侵蝕力。R=8.3462P(2)式中:R為降雨侵蝕力;P10為≥10mm的月降雨量。用式2計算1986、1997、2000年的降雨侵蝕力,其特征值見表3。2.2計算地基承載力k值土壤可蝕性因子根據Williams等在侵蝕/生產力影響模型(EPIC)中發展的土壤可蝕性因子值的估算方法計算得到,由延河流域的土壤類型分布圖,添加相應的K值,最后得到土壤可蝕性K值分布圖。其K值的變化范圍從0.028~0.0442t·h·MJ-1·mm-1,均值為0.043t·h·MJ-1·mm-1,這主要是因為延河流域有近80%土壤屬于黃綿土,有較高的土壤可蝕性。2.3坡度、坡長因子的提取地形因子的計算主要采用VanRemortel開發的能在ArcGIS下運行的AML語言程序,從1∶5萬分辨率為25m的延河流域的DEM,根據下式計算坡度、坡長因子。L=(λ/22.1)α(3)式中:L為坡長因子;λ為由DEM提取的坡長,m;22.1為22.1m標準小區坡長;α為坡度坡長指數。式中:S為坡度因子;θ為由DEM提取的坡度值,(°)。最后把獲得的坡長因子和坡度因子相乘得到地形因子(LS)的值。其LS最大值為40,最小值為0.05,均值為10.9。2.4水土保持措施因子值的計算由于標準和觀測方法不一,我國尚未對獲取的水土保持措施的資料進行全面統計分析,所以未取得可用于侵蝕量預報的水土保持措施因子值。計算水土保持措施因子的值可以通過經驗公式獲得,采用Lufafa等計算水土保持措施因子值的公式(式(5))對延河流域進行水土保持措施P因子值的提取。其P因子的最大值為0.2344,最小值為0.2。P=0.2+0.03S(5)式中:P為水土保持因子;S為坡度,%。2.5不同土地利用的植被c值植被覆蓋管理因子的獲取是由延河流域土地利用圖,根據張巖等和王萬忠等計算的黃土高原不同植被覆蓋條件下的C值,在ArcGIS下對延河流域不同土地利用的植被覆蓋賦予相應的C值(表4),最后得到延河流域的C因子分布圖。3結果與分析由于短期內地形和土壤可蝕性變化不明顯,所以在分析研究延河流域土壤侵蝕時空動態分布時,主要考慮降雨侵蝕力R和植被覆蓋管理C因子的變化。3.1土壤侵蝕的空間分布在ArcGIS下把獲得的各因子數據相乘,分別得到1986、1997和2000年的年土壤侵蝕模數分布圖(圖2)。從數值上分析,1986、1997和2000年的年均土壤侵蝕模數分別為13863、12809和8894t·km-2·a-1,其強度和分布狀況如圖2所示。結合延河流域的土地利用變化情況(表1)分析,從1986到1997年草地減少了973.1km2,但大部分的草地變成了林地,約占減少草地面積的71%;同時,坡耕地增加了174.3km2。由于大面積坡耕地的增加,若在1986年的降雨侵蝕力條件下,1997年的年均土壤侵蝕模數要比1986年平均增加4.2%。從1997到2000年共有933.4km2的坡耕地退耕,占總坡耕地的30.8%;其中>25°的退耕地為516.8km2,占總的>25°坡耕地面積的32.8%,占總退耕地面積的55.4%。在這種情況下,2000年的降雨侵蝕力盡管比1997年增加了63%,但由于從1997到2000年有30.8%坡耕地退耕,使得延河流域的土壤侵蝕模數平均減少30.6%?？梢?土地利用的變化對土壤侵蝕影響很大,坡耕地的退耕還林(草)對降低延河流域土壤侵蝕至關重要,所以短期內影響延河流域的土壤侵蝕的主控因子是植被覆蓋管理因子。從土壤侵蝕空間分布看,退耕前后的土壤侵蝕分布有很大的差異。1986—1997—2000年,最明顯的地區是南部的林區和北部的坡耕地區的土壤侵蝕都逐漸減輕。微度侵蝕區分布在南部的森林茂密地區和平緩河道里,這里要么是植被覆蓋條件好,要么是地勢平坦或集水區。與退耕前相比,2000年的土壤侵蝕嚴重區分布明顯下降,并且分布也較均勻,這主要是坡耕地退耕的結果。3.2土壤侵蝕模數極強度為了分析退耕還林前后不同侵蝕強度的面積變化,根據水利部土壤侵蝕分類分級標準的規定,對各年的延河流域不同侵蝕強度級別下的面積進行統計,得出表5?？梢钥闯?與1986年相比,1997年微度和劇烈級別的面積都是增加的,分別為9.4%和0.2%,其他4個級別的面積都是減少的。其中微度級別面積增加的主要原因是在這期間延河流域有大批的林地形成,起到了很好的防止水土流失的作用;同時,由于有4%的草地變為坡耕地,使得劇烈級別的面積有所增加和輕度、中度級別的面積有所減少,所以,林地一草地一耕地之間的轉換對土壤侵蝕有明顯的影響。與1997年相比,退耕后2000年的土壤侵蝕在微度至強度的各級別上侵蝕面積所占比例都有所增加,其中微度和輕度增加最多,分別為3.8%、3.7%;而在極強度和劇烈的級別上,侵蝕面積所占比例都有所減少,其中劇烈級別所占面積減少最多,達9.4%?？梢?延河流域的坡耕地退耕還林(草)對降低極強度尤其是劇烈的土壤侵蝕有明顯的作用。從1986—1997、1997—2000年2時段的差值圖像(圖3)可以看出:不管是1986—1997還是1997—2000年,變化最大的是北部地區,1986—1997期間土壤侵蝕加重;1997—2000期間土壤侵蝕減少,這主要是因為從1986到1997再到2000年,該地區的土地利用變化從草地一耕地一林草地的結果。現對退耕前后土壤侵蝕變化分布面積進行統計得表6,可以看出延河流域在1986—1997期間,土壤侵蝕基本不變區面積占37.7%,增加區面積占18.9%,而減少區面積占到43.4%。在1997—2000期間,土壤侵蝕不變區面積占46.6%,減少區面積占41%,增加區面積占12.4%?？梢?從1986到1997再到2000年,延河流域的土壤侵蝕模數和侵蝕區面積整體上都是呈下降趨勢,但局部地區由于人為開墾的結果也出現土壤侵蝕模數增加現象。這都反映出退耕還林(草)對降低土壤侵蝕模數有明顯的效果,所以下一步的退耕還林還需強化,防止開墾和復耕現象。3.3不同植被覆蓋度對土壤侵蝕模數的影響根據對土地利用圖統計,到2000年為止,延河流域還有1050km2的>25°的坡耕地沒有退耕,占全流域坡耕地的50.2%。為了預測下一步退耕還林(草)的效果,對延河流域的土壤侵蝕進行了前景模擬。主要預測在2000年延河流域退耕還林(草)基礎上,>25°的坡耕地全部退耕后,在不同植被覆蓋度條件下的土壤侵蝕模數的變化。以1986—2000年的平均年降雨侵蝕力作為前景年降雨侵蝕力,植被覆蓋管理因子值采用王萬忠等的黃土高原荒坡地不同植被覆蓋度下C值結果(表4),其他因子不變,最后用式(1)得到的前景土壤侵蝕系列圖(圖4)。從圖4和平均土壤侵蝕模數(表7)可以看出,不同植被覆蓋度下的土壤侵蝕變化較大,即表現為延河流域>25°的坡耕地全部退耕后的不同年限的土壤侵蝕變化情況,根據實際考察的結果,取延河流域的植被穩定時覆蓋度為60%,其條件下的平均土壤侵蝕模數為5907t·km-2·a-1,比2000年的土壤侵蝕模數減少50.6%。所以,繼續對延河流域實現退耕還林(草),特別是>25°的坡耕地退耕還林(草)具有重要的意義。4結論1土壤侵蝕發生前后，延河流域土壤侵蝕變化很大，退耕地對土壤侵蝕的減少有明顯影響退耕后至2000年,延河流域整體土壤侵蝕模數變小,平均減少34%;同時,土壤侵蝕分布變化明顯,退耕后,土壤侵蝕強度分布有