呂明權(quán)，王繼軍，2?，江青龍，張懷，郝曉東

(1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌;2中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;3河北省承德市水土保持科學(xué)研究所，067000，河北承德)

土地利用/覆蓋變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化，而土壤侵蝕則是引起土地利用/覆被變化的主要環(huán)境效應(yīng)之一［1］。土地利用/覆蓋變化可以影響土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和植物根部的固結(jié)作用，進(jìn)而改變土壤的抗侵蝕能力［2-3］。土地利用方式的變化也可以通過改變植被覆蓋影響徑流和土壤侵蝕的變化［1］，即土地利用與土壤侵蝕關(guān)系密切，這也是近年來土地利用/土地覆被變化、土壤侵蝕等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題［1，4］。

在土地利用與土壤侵蝕交叉研究領(lǐng)域，最早的研究主要是在坡面尺度上通過徑流小區(qū)試驗(yàn)對比不同土地利用方式的土壤侵蝕效應(yīng)。例如:符素華等［5］選用北京山區(qū)坡面徑流試驗(yàn)小區(qū)的野外觀測結(jié)果，分析不同土地利用方式下的相對土壤侵蝕率及其區(qū)域差異;蔡強(qiáng)國等［6］探討紫色土陡坡地不同土地利用對水土流失過程的影響。擴(kuò)展到流域尺度，這方面的研究則主要借助土壤侵蝕模型。傅伯杰等［7］采用在流域出口建壩觀測和樣地實(shí)測的方法，在校正LISEM模型的基礎(chǔ)上模擬了不同土地利用方案的水土流失效應(yīng)。倪晉仁等［8］和李輝霞等［9］直接利用土地利用結(jié)構(gòu)來預(yù)測土壤侵蝕狀況。隨著GIS和RS技術(shù)的發(fā)展，定量研究不同土地利用背景下的土壤侵蝕空間分布規(guī)律更為方便，岷江上游、黃河流域和瀾滄江流域等地區(qū)的研究［10-12］有見報(bào)道。

冀北土石山區(qū)近20年來土地利用發(fā)生了較大變化，土壤侵蝕強(qiáng)度正逐漸減小;但在該區(qū)域土地利用/覆被變化與土壤侵蝕關(guān)系研究滯后，在這方面東北溝流域具有典型的代表性:所以，選擇該流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，分析近20年土地利用變化過程，運(yùn)用通用土壤侵蝕方程(RUSLE)模擬其近20年的土壤侵蝕動態(tài)變化，并進(jìn)一步對不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)剡M(jìn)一步做好水土流失的防治工作提供有益的參考。

1 研究區(qū)概況

東北溝小流域位于河北省承德市平泉縣西部(圖1)，屬燕山山脈中低區(qū)，地理坐標(biāo)為E 118°33'9″～118°37'9″、N 41°3'7″～41°6'19″，由東溝和北溝2條溝組成，流域總面積19.4 km2。流域內(nèi)最高山峰海拔1 179 m，最低處海拔593 m。屬于流入潘家口水庫的灤河水系。該流域?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫7.1℃，無霜期135 d，多年平均降雨量為540.8 mm，約80%集中在6—9月份。土壤類型有褐土、棕壤、石質(zhì)土、新積土、粗骨土和黃綿土，土層厚度30～60 cm。1991年全流域范圍內(nèi)實(shí)施了封山禁牧之后，植被逐漸得以恢復(fù)。2003—2006年累積退耕96 hm2。

圖1 東北溝流域所在位置Fig.1 Location of Dongbeigou Watershed

2 數(shù)據(jù)來源

采用的數(shù)據(jù)主要包括分辨率為5 m的DEM，全色波段分辨率0.61 m的影像(成像時(shí)間是2009年)，1990和2009年流域2個(gè)時(shí)期土地利用圖，其中1990年的土地利用圖來自當(dāng)時(shí)承德市水土保持研究所對東北溝流域進(jìn)行水土保持治理時(shí)土地現(xiàn)狀調(diào)查，2009年土地利用數(shù)據(jù)基于高清遙感影像進(jìn)行小班劃分后進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查獲得。土壤的物理性狀數(shù)據(jù)由流域采集的土壤樣品實(shí)驗(yàn)分析所得。1980—2009年的月降雨數(shù)據(jù)來自平泉縣氣象站。承德市徑流小區(qū)監(jiān)測資料和1990年流域植被覆蓋度數(shù)據(jù)來源于承德市水土保持研究所，2009年植被蓋度數(shù)據(jù)是小班劃分基礎(chǔ)上的野外實(shí)地調(diào)查所得。

3 研究方法

3.1 土地利用變化分析

土地利用分類參考劉紀(jì)遠(yuǎn)［13］提出的分類系統(tǒng)，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，將其土地利用類型劃分為6個(gè)一級類型:耕地、林地、草地、溝道水域、居民用地和未利用土地。其中草地分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地，林地分為有林地、疏林地、灌木林地和經(jīng)濟(jì)林地。未利用地指風(fēng)化巖祼露的難利用土地。

在ArcGIS 9.2平臺下，對調(diào)查得到的東北溝流域1990和2009年2個(gè)時(shí)期的土地利用圖數(shù)字化，利用軟件里spatial analyst tools-zonal-tabulate area工具獲得研究區(qū)1990—2009年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，運(yùn)用Excel軟件對土地利用變化的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析土地利用的時(shí)空變化特征。

3.2 土壤侵蝕的模擬

采用在我國水蝕預(yù)報(bào)模型中應(yīng)用最廣泛的修正通用土壤侵蝕模型，該模型是1965年Wischmeier等基于大量小區(qū)觀測資料和人工模擬降雨試驗(yàn)資料建立的通用土壤流失方程(USLE)的基礎(chǔ)上對一些參數(shù)進(jìn)行修正得來，其形式［1，14］為

式中:A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力模數(shù)，MJ·mm/(hm2·h·a);K 為土壤可蝕性系數(shù)，t·h/(MJ·mm);LS 為地形因子，量綱為 1，其中 L為坡長因子，S為坡度因子;C為地表覆蓋與管理因子，量綱為1;P為水土保持措施因子，量綱為1。

3.2.1 降雨侵蝕力因子 降雨侵蝕力因子R指在降雨和其產(chǎn)生的徑流2種作用力下引起土壤侵蝕的潛在能力［14］。降雨侵蝕力的計(jì)算方法是將降雨總動能E和最大30 min降雨強(qiáng)度I30的乘積EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)［15］，但流域詳細(xì)降雨資料的缺乏，本文采用基于逐月降雨數(shù)據(jù)的降雨侵蝕力模型，公式為

式中:pi為多年逐月平均降雨量，mm，p為逐年平均降雨量，mm。利用1980—2009年的降雨資料計(jì)算了流域范圍內(nèi)的降雨侵蝕力，1980—1989年降雨侵蝕力為 176.49 MJ·mm/(hm2·h·a)，1990—1999 年降雨侵蝕力為 165.02 MJ·mm/(hm2·h·a)，2000—2009 年降雨侵蝕力為 133.05 MJ·mm/(hm2·h·a)，近30年來降雨侵蝕力逐漸變小。

3.2.2 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性因子K指單位降雨侵蝕力在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上造成的土壤流失量［14］，標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)指坡長22.1 m，均一坡度9%，順坡犁耕的連續(xù)休閑地的小區(qū)。土壤可蝕性K通過小區(qū)測定得到，但這種方法繁瑣，本文利用EPIC模型［16-17］，其具體形式為

式中:Sd為砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Si為粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Cl為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;C為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

采用上式求K值，不同土壤類型的K值分別為:褐土 0.237 t·h/(MJ·mm)，棕壤 0.172 t·h/(MJ·mm)，石質(zhì)土 0.172 t·h/(MJ·mm)，新積土 0.154 t·h/(MJ·mm)，粗骨土 0.302 t·h/(MJ·mm)，黃綿土 0.332 t·h/(MJ·mm)。

3.2.3 地形因子 地形因子包括坡長因子L和坡度因子S，指在其他條件相同的情況下，某一給定坡長和坡度的坡面上，土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值［18］。LS因子在高程模型DEM上，利用劉寶元等［19］提出LS因子公式提取得到。具體的提取算法見張宏鳴等［20］基于此公式開發(fā)的算法。

式中:θ為坡度，(°);λ為坡長，m;m為坡長指數(shù)。當(dāng) θ＜1°時(shí)，m=0.2;當(dāng) 1°≤θ＜30時(shí)，m=0.3;當(dāng)3°≤θ＜5°時(shí)，m=0.4;當(dāng) θ≥5°時(shí)，m=0.5。LS 最小值為1，最大值為44.5，平均值為7.39。

3.2.4 覆蓋與管理因子 覆蓋與管理因子C是指一定條件下有植被覆蓋或?qū)嵤┨镩g管理的土地土壤流失總量與同等條件下實(shí)施清耕的連續(xù)休閑地土壤流失總量的比值，介于0～1之間［21］。C因子受到諸多因素的影響，如植被、作物種植順序、生產(chǎn)力水平、生長季長短、栽培措施、作物殘余物管理、降雨分布等，這使得對C因子值的直接計(jì)算很困難［21］，我國在應(yīng)用C值時(shí)主要考慮植被覆蓋度，從植被覆蓋度與土壤侵蝕量間的定量關(guān)系入手。本文應(yīng)用在覆蓋與管理因子計(jì)算比較廣泛的方法［17］，其表達(dá)式為

式中c為植被覆蓋度，通過流域的小班野外調(diào)查獲得。耕地的C值借鑒張巖等［21］的結(jié)果。

3.2.5 水土保持措施因子 水土保持措施因子P反映水土保持措施對坡面土壤流失量的控制作用。東北溝流域在20世紀(jì)90年代初期經(jīng)過了治理，采取了一些水土保持措施;但經(jīng)過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些措施現(xiàn)在都沒有發(fā)揮作用，魚鱗坑和水平溝都已經(jīng)於滿或不復(fù)存在，故對林地、草地、未利用地和其他用地的P值取為1，耕地一律用坡度值換算出P值［18］。

表1 坡耕地坡度值與P值換算關(guān)系Tab.1 Conversion between cultivated land and P value

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用變化

在ArcGIS工作環(huán)境中，用1990年和2009年土地利用圖疊加分析得到東北溝流域1990—2009年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，可以看出，土地利用發(fā)生了較大的變化。其中變化最明顯的是林地和草地，林地由占流域面積的38.56%上升到55.83%，草地從29.23%減少到18.92%，耕地也減少了3.49%，未利用土地與耕地減少程度相當(dāng)，居住用地和溝道水域用地變化不大。從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出，林地中有林地增加了184.23 hm2，2009年的疏林地比1990年減少了162.14 hm2，有林地的增加主要是從疏林地變化而來的;因?yàn)?991年開始東北溝流域封山禁牧，疏林地通過自我生態(tài)修復(fù)植被覆蓋度增加郁閉度提高變成有林地，灌木林增加了256.84 hm2，變化最為明顯，其中222.9 hm2灌木林由草地變化而來，有35 hm2的坡耕地通過退耕還林變?yōu)楣嗄玖?，還有一部分的坡耕地退耕變?yōu)榻?jīng)濟(jì)林，經(jīng)濟(jì)林增加不明顯。草地減少的部分主要變?yōu)榱值兀莸貎?nèi)部不同覆蓋度之間的草地也有變化，1990年草地的面積566.87 hm2，其中以低覆蓋度草地為主有341.65 hm2，有209.68 hm2低覆蓋度的草地因?yàn)槿藶楦蓴_減少得以自我恢復(fù)變?yōu)橹懈采w度的草地。耕地減少的主要類型是坡耕地。1990—2009年難利用土地從占流域面積的17.11%減少到13.64%，難利用土地主要轉(zhuǎn)化為中覆蓋度草地。

4.2 土壤侵蝕分析

根據(jù)RUSLE模型中各因子取值，得到各因子?xùn)鸥駡D層，利用ArcGIS的柵格數(shù)據(jù)疊加運(yùn)算功能，將各因子圖層相乘，得到每個(gè)柵格年土壤流失量。根據(jù)水利部SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》將流域的土壤侵蝕進(jìn)行強(qiáng)度劃分得到流域侵蝕強(qiáng)度分級圖(圖2)，統(tǒng)計(jì)得1990和2009年各侵蝕等級所占的面積(表3)。1990年流域大部分區(qū)域的侵蝕強(qiáng)度均在中度及其以上，占67.06%，2009流域大部分區(qū)域的侵蝕強(qiáng)度均在中度及其以下，占86.60%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出:1990年流域的土壤侵蝕模數(shù)是5 136.13 t/(km2·a)，2009年流域的土壤侵蝕模數(shù)是1 823.30 t/(km2·a)。

4.3 不同土地利用方式下的土壤侵蝕變化

將不同年份土地利用圖分別與土壤侵蝕分級圖和土壤侵蝕圖疊加，統(tǒng)計(jì)不同土地利用方式的土壤侵蝕等級面積比例(表4)和不同土地利用方式的土壤侵蝕背景值(表5)，可知，各土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度均減弱較大，輕度侵蝕范圍明顯擴(kuò)大，其侵蝕模數(shù)減小幅度較大。1990年大部分林地的土壤侵蝕強(qiáng)度屬于中度，林地的土壤侵蝕模數(shù)是3 875.48 t/(km2·a)，到 2009 年占流域 8.18 km2面積的輕度侵蝕區(qū)的土地利用類型主要是林地，它的整體侵蝕模數(shù)已下降到361.69 t/(km2·a)。難利用土地的土壤侵蝕強(qiáng)度變化也較明顯，主要從強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈侵蝕類型向中輕度侵蝕類型過渡，侵蝕模數(shù)由1990年的8 871.82 t/(km2·a)下降到 2009年5 342.97 t/(km2·a)。坡耕地的土壤侵蝕模數(shù)從1990年的4 505.20 t/(km2·a)降低至 2009年的3 370.90 t/(km2·a)，平耕地的土壤侵蝕變化不大。耕地的總體侵蝕模數(shù)也由3 642.53 t/(km2·a)減小到2 785.66 t/(km2·a)，其主要誘因是將坡度較陡易發(fā)生土壤侵蝕的坡耕地退耕還林。草地的侵蝕模數(shù)在這期間減少了2 153.32 t/(km2·a)。土壤侵蝕模數(shù)普遍減小的原因:一方面是因?yàn)榻涤昵治g力的減少，1980—1989年的降雨侵蝕力為179.69 MJ·mm/(hm2·h·a)，2000—2009 年的降雨侵蝕力 133.05 MJ·mm/(hm2·h·a);另一方面是因?yàn)榈?009年植被經(jīng)

過近15年的自然封育植被恢復(fù)良好土壤侵蝕的控制性因子提高，植被覆蓋度的提高和生態(tài)的恢復(fù)也使土地利用類型之間發(fā)生轉(zhuǎn)化。土地利用類型的轉(zhuǎn)化也對控制侵蝕發(fā)揮了一定的作用，易發(fā)生侵蝕的土地利用類型向土壤侵蝕模數(shù)小的土地利用方式變化，如耕地變?yōu)榱值?，草地變?yōu)榱值?，疏林地變?yōu)橛辛值亍?/p>

表2 1990—2009年東北溝流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 Land use transfer matrix of Dongbeigou Watershed from 1990 to 2009 hm2

圖2 1990和2009年東北溝流域土壤侵蝕強(qiáng)度圖Fig.2 Soil erosion classes in Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009

表3 不同侵蝕強(qiáng)度的侵蝕面積及土壤侵蝕量Tab.3 Area and amount for different soil erosion intensity

表4 1990和2009年東北溝流域不同土地利用類型的土壤侵蝕等級面積比例Tab.4 Area ratio of different ranks of soil erosion intensity of land use types of Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009 %

表5 1990和2009年東北溝流域不同土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)Tab.5 Modulus of soil erosion of different land use types in Dongbeigou Watershed in 1990 and 2009

4.4 模型的驗(yàn)證

通用土壤侵蝕方程是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程，該方程計(jì)算的結(jié)果需要驗(yàn)證。想獲得實(shí)際土壤侵蝕量最基本的方法是卡口站觀測徑流和泥沙的數(shù)據(jù)得到。理論計(jì)算的侵蝕量是基于坡面模型的每個(gè)單元侵蝕量的簡單求和，而沒有考慮每個(gè)柵格侵蝕量是否發(fā)生沉積。東北溝流域即沒有泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)也不知道泥沙輸移比，因此，本文計(jì)算的結(jié)果通過小區(qū)觀測的方法來驗(yàn)證。研究區(qū)內(nèi)徑流小區(qū)觀測場還沒得到足夠的數(shù)據(jù)，用文中估算侵蝕的方法來計(jì)算處于同一類型區(qū)的的圍場、豐寧和灤平徑流觀測小區(qū)的土壤侵蝕量，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比，以判斷所選參數(shù)的合理性。圍場、豐寧、灤平與本文的研究區(qū)都屬于冀北土石山區(qū)［13］，該區(qū)域的土壤類型、植被、地形地貌和降雨特征都具有很大的相似性;因此，利用同一類型區(qū)的徑流小區(qū)觀測值來驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。將計(jì)算值和實(shí)測值比較(表6)，可知除梯田小區(qū)以外，其他小區(qū)的計(jì)算誤差均保持在30%以內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)不涉及到梯田所以不會對整體的計(jì)算結(jié)果造成影響。

表6 冀北山區(qū)徑流小區(qū)計(jì)算侵蝕量和實(shí)測侵蝕量比較Tab.6 Comparison of erosion quantity between observed value and calculated value forplots in northern mountainous area，Hebei Province

5 結(jié)論

1)1990—2009年東北溝流域土地利用類型發(fā)生了較明顯的變化，這種大類的土地利用方式的變化如草地和林地，耕地與林地之間的轉(zhuǎn)化，主要是人為的生態(tài)環(huán)境建設(shè)所為，土地利用方式內(nèi)部的變化則是封山禁牧使植被得以恢復(fù)，促使了這種變化。

2)東北溝流域1990—2009年土壤侵蝕強(qiáng)度減小，土壤侵蝕模數(shù)從5 136.13 t/(km2·a)減小到1 823.30 t/(km2·a)。土地利用類型對土壤侵蝕影響明顯，1990—2009年各土地利用類型的平均土壤侵蝕模數(shù)下降幅度都較大，其中發(fā)生在難利用土地的土壤侵蝕減少量最大(3 528.85 t/(km2·a))，其次為林地，草地的侵蝕模數(shù)減小也較為明顯。不同土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)差距較大;因此，土地利用類型的轉(zhuǎn)化對土壤侵蝕強(qiáng)度變化有影響，易產(chǎn)生水土流失的土地利用類型減少土壤侵蝕強(qiáng)度弱的土地利用類型增加對控制流域土壤侵蝕會產(chǎn)生明顯的成效。

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