劉宇

(中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100101，北京)

土地覆被是土壤侵蝕的主要影響因素。改變土地覆被的空間格局是調(diào)控流域土壤侵蝕的重要方式［1］。在點(diǎn)尺度上，地表覆被通過(guò)調(diào)節(jié)降雨侵蝕力［2］、改善土壤抗蝕性控制立地侵蝕響應(yīng)［3］、地表覆被的質(zhì)量(如覆蓋度，尤其是貼近地表的覆蓋度、根系密度等)主導(dǎo)著對(duì)降雨的侵蝕響應(yīng)［4］。在坡面到流域尺度上，地表覆被空間格局成為控制因素之一［5］。實(shí)驗(yàn)研究表明，空間格局迥異、同等面積和質(zhì)量的土地覆被在降低產(chǎn)流、產(chǎn)沙的能力上呈顯著的差別［6］?；谕恋馗脖桓窬值耐寥狼治g防治的意義在于，通過(guò)對(duì)土地覆被格局的定量分析，可比較不同土地覆被格局的土壤保持能力，為針對(duì)土壤侵蝕防治的土地覆被格局設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)此，不少研究引入景觀生態(tài)學(xué)的格局分析方法，評(píng)價(jià)土地覆被格局的土壤保持或土壤侵蝕功能［7-8］，為格局-過(guò)程框架下的土壤侵蝕研究拓展了新的途徑。景觀格局指數(shù)是格局分析的主要工具。這些指數(shù)雖然在土地覆被格局與土壤侵蝕的相互作用中得到大量應(yīng)用，但其局限性卻并未得到深刻的認(rèn)識(shí)［8］。景觀生態(tài)學(xué)中大部分的景觀格局指數(shù)是針對(duì)生物過(guò)程發(fā)展起來(lái)的，且以集總式為主，即從總體上利用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)刻畫景觀格局。利用集總式的指標(biāo)評(píng)價(jià)土地覆被對(duì)流域土壤侵蝕的影響難以從機(jī)制上解釋土地覆被格局變化的土壤侵蝕效應(yīng)，對(duì)侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)因子及其貢獻(xiàn)率判定較難?；谕寥狼治g過(guò)程機(jī)制，發(fā)展分布式指標(biāo)描述土地覆被的土壤保持效應(yīng)有助于深刻、正確認(rèn)識(shí)土地覆被格局與流域土壤保持功能的關(guān)系。筆者基于土地覆被對(duì)土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)力、阻力的調(diào)節(jié)作用，提出融合土地覆被格局的指標(biāo)，在流域尺度上評(píng)價(jià)土地覆被格局的土壤保持能力。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為漢江上游，包括丹江口水庫(kù)以上的漢江流域。該區(qū)地處秦嶺南坡、大巴山北麓，位于我國(guó)地形第二階梯和第二、第三階梯過(guò)渡帶。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，片麻巖、砂頁(yè)巖、石灰?guī)r為主要巖石類型。海拔介于143～2 000 m之間。漢中、安康盆地和丹江口水庫(kù)呈東西橫貫流域中部。集水區(qū)總面積9.54萬(wàn)km2，85%以上為山地。漢江上游位于我國(guó)南北氣候分界線上，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同期。受地形起伏控制，山地垂直地帶性明顯。土壤類型有黃褐土、黃棕壤、棕壤、暗棕壤、山地草甸土，以黃棕壤為主，礫石含量高，蓄水能力低，土層薄。該區(qū)是我國(guó)生物多樣性較高的區(qū)域。植被以闊葉林和針闊混交林為主，殼斗科喬木為主的天然次生林和以馬尾松(Pinus massoniana)、黃松(Pinus ponderosa)為主的人工林是主要的森林類型，部分地區(qū)分布有原始林。森林主要分布于南北山區(qū)。中部低山丘陵區(qū)以天然草地、人工林為主要植被類型，是主要的耕地集中區(qū)和人口分布區(qū)。2011年植被覆蓋度平均為72%。研究區(qū)植被覆蓋度較高的區(qū)域位于除少數(shù)高山地帶外的山區(qū)(圖1)。漢中盆地、安康、商洛谷地以及丹江口水庫(kù)等沿江、沿湖區(qū)域植被覆蓋度較低。研究區(qū)多年平均氣溫13.7℃，多年平均降水量873 mm。降水年內(nèi)分布不均，5—10月降水量占年降水量的80%。多年平均蒸發(fā)量854 mm，≥10℃積溫4 174℃，年均日照時(shí)間1 717 h。

2 研究方法

2.1 土壤保持能力評(píng)價(jià)方法

為便于討論植被覆蓋格局的土壤保持能力，提出下列假設(shè)條件:地形不變;土壤抗侵蝕能力空間上均一;降水不存在空間異質(zhì)性;唯一的改變是植被覆蓋，包括空間格局、質(zhì)量(覆蓋度)?；谏鲜黾僭O(shè)，提出下列2個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)土地覆被格局的土壤保持能力。

1)有效匯流面積空間分布型式。降雨驅(qū)動(dòng)的土壤侵蝕包括雨滴濺蝕和徑流沖刷侵蝕。流域內(nèi)任一點(diǎn)的有效匯流面積本質(zhì)上指示了該點(diǎn)受到上游產(chǎn)生徑流的作用強(qiáng)度，即徑流沖刷侵蝕能力。流域內(nèi)某一點(diǎn)的有效匯流面積取決于上坡匯水區(qū)內(nèi)各位置的坡度、植被覆蓋狀況、土壤水文屬性以及降雨等因素。坡度大的位置更容易產(chǎn)生徑流;植被覆蓋通過(guò)截留消耗掉部分降雨，可調(diào)節(jié)降雨動(dòng)能，同時(shí)可作為物理阻礙調(diào)節(jié)地表徑流速度，增加水分入滲，是表征植被覆蓋水文功能的有效指標(biāo)，與產(chǎn)流和侵蝕大致成負(fù)指數(shù)關(guān)系［9］;土壤是水文屬性調(diào)節(jié)產(chǎn)匯流過(guò)程的主要因素之一，土壤蓄水、入滲能力直接影響單位面積的產(chǎn)流能力;降雨量越大，強(qiáng)度越大，越容易產(chǎn)流。因此，對(duì)某一地表位置，結(jié)合L.Borselli等［10］和J.A.Ludwig等［11］的研究成果，有效匯流面積可表示為

圖1 漢江上游2011年各子流域平均植被覆蓋度Fig.1 Average subasin vegetation coverage of the upper Han River basin in 2011

式中:Ac為流域內(nèi)某一點(diǎn)的有效匯流面積，hm2;n為匯流區(qū)域內(nèi)單元總數(shù);Si為匯水區(qū)內(nèi)單元i地面坡度，(°);C為植被覆蓋因子，量綱為1;R為降雨量，mm;H為土壤水文屬性;Pd為柵格邊長(zhǎng)，m。有效匯流面積可作為比較立地侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)。為便于探討定量土地覆被格局的土壤保持能力，假設(shè)研究區(qū)內(nèi)降雨、土壤水文屬性不存在空間異質(zhì)性，則式(1)可改為

利用式(2)可得到流域內(nèi)每個(gè)位置的有效匯流面積指標(biāo)。對(duì)給定的位置，有效匯流面積越大，則意味著該位置侵蝕的強(qiáng)度越高。植被覆蓋有利于增加入滲，降低徑流速度，降低有效匯流面積。通過(guò)改變上坡的土地覆被格局，可減小有效匯流面積，從而降低侵蝕強(qiáng)度［12］。通常，從下游向上游，各位置的有效匯流面積逐漸遞減。從土壤保持的角度，最佳的流域土地覆被格局應(yīng)當(dāng)滿足2點(diǎn):使每個(gè)位置的有效匯水面積盡可能小，以最小化點(diǎn)上的侵蝕;使有效匯流面積從下游到上游的遞減速度最快，從而達(dá)到在流域尺度上侵蝕最小。為此，利用有效匯流面積隨下坡匯流路徑長(zhǎng)度的分布曲線(圖2)，以無(wú)植被覆蓋時(shí)的有效匯流面積(最壞情景)為參照，刻畫給定土地覆被格局下的有效匯流面積的空間分布型式，進(jìn)而定量評(píng)價(jià)給定土地覆被情景的土壤保持能力。

圖2 有效匯流面積沿匯流路徑的分布型式Fig.2 Illustration of distribution of effective catchment area along flow path

在流域尺度上，有效匯流面積與到出口(或河道)的匯流路徑長(zhǎng)度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系(y=ae-bx)。如圖2所示，曲線Reference(虛線)、LC(實(shí)線)分別為參考土地覆被格局情景和當(dāng)前土地覆被格局下的有效匯流面積沿下坡方向匯流路徑長(zhǎng)度的累積分布，參數(shù)a和b控制著曲線的形態(tài)。通過(guò)比較2條曲線的擬合函數(shù)，可量化給定土地覆被格局的土壤保持能力。設(shè)參考土地覆被格局情景下參數(shù)a、b取值分別為a0、b0，某一給定土地覆被格局下為 a1、b1，則2條曲線偏離程度，即該土地覆被格局對(duì)流域有效匯流面積的降低程度可表示為式(3)，以此式可判斷土地覆被格局的土壤保持效應(yīng)。

式中，0＜R≤1。高值對(duì)應(yīng)較低的土壤保持能力，低值則表明土壤保持能力強(qiáng)。

2)驅(qū)動(dòng)力—阻力空間耦合型式。對(duì)流域中某一點(diǎn)，上坡有效匯流面積表征了流域內(nèi)任一點(diǎn)土壤侵蝕和泥沙輸出驅(qū)動(dòng)力的大小。此外，土壤侵蝕的發(fā)生還取決于該點(diǎn)由地形、土壤屬性和土地覆被共同決定的阻力的大小。將驅(qū)動(dòng)力與阻力相結(jié)合可有效表達(dá)土地覆被抑制土壤侵蝕的作用。除土壤抗蝕性、降雨特征外，土壤侵蝕阻力主要受控于坡度［13］、植被覆蓋度因素;因此，從定量靜態(tài)的景觀格局反映土壤保持功能的角度，可將植被覆蓋fc/%與坡度S/(°)作為侵蝕阻力參數(shù)構(gòu)建侵蝕阻力指標(biāo)r(量綱為1)。

式中k為植被覆蓋度與土壤侵蝕量擬合曲線的形態(tài)控制參數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算，與區(qū)域土壤抗蝕性等屬性有關(guān)［11］。

驅(qū)動(dòng)力與阻力的對(duì)比決定土壤侵蝕強(qiáng)度E/(t/hm2)，因此，上坡有效匯流面積Ac與阻力指標(biāo)r的比值I(量綱為1)可作為點(diǎn)上侵蝕強(qiáng)度的表征，即E∝I。

在流域尺度上，可通過(guò)比較給定土地覆蓋情景與參照覆蓋條件下(如無(wú)植被覆蓋或最大植被覆蓋)I與到出口匯流路徑長(zhǎng)度的關(guān)系曲線評(píng)價(jià)其土壤保持能力。I與到出口(例如河道)的匯流路徑長(zhǎng)度呈類似于有效匯流面積與匯流路徑長(zhǎng)度之間的負(fù)指數(shù)關(guān)系。某一土地覆被格局下，I與匯流路徑長(zhǎng)度的擬合曲線相對(duì)于參考曲線的偏離程度同樣可利用指數(shù)R表示。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究區(qū)植被覆蓋度來(lái)自2011年國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ1-A/B)30 m分辨率數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)為分辨率30 m的ASTER GDEM，源自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http:∥datamirror.csdb.cn)。子流域提取、匯流路徑長(zhǎng)度在ArcGIS9.0水文分析模塊下提取。有效匯流面積根據(jù)式(2)利用ArcGIS9.0匯流面積計(jì)算工具求取。侵蝕阻力指標(biāo)則通過(guò)ArcGIS9.0柵格代數(shù)運(yùn)算獲得。各子流域曲線擬合和參數(shù)提取利用Matlab7.0編程完成。泥沙數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指數(shù)來(lái)自研究區(qū)內(nèi)武侯鎮(zhèn)等14個(gè)漢江支流水文站。

3 結(jié)果與分析

3.1 有效匯流面積空間分布

圖3為漢江上游全區(qū)有效匯流面積沿水流路徑的分布?？梢钥闯觯瑢?duì)整個(gè)研究區(qū)，參考情景(無(wú)植被覆蓋情景)(圖3(a))和現(xiàn)實(shí)情景(當(dāng)前植被覆蓋情景)(圖3(b))有效匯流面積與匯流路徑長(zhǎng)度都呈顯著的負(fù)指數(shù)關(guān)系，即有效匯流面積隨至河道匯流路徑長(zhǎng)度的增加而遞減。基于參考情景和現(xiàn)實(shí)情景有效匯流面積沿空間分布的曲線擬合函數(shù)，由式(3)計(jì)算得出漢江上游全區(qū)的R值(記為RA)為0.147。表明當(dāng)前情景具有較好的土壤保持能力。

圖3 漢江上游參考情景和現(xiàn)實(shí)情景有效匯流面積的空間分布Fig.3 Distribution of value I of reference and actual scenario in the upper Han River basin

在劃分子流域的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(2)計(jì)算每個(gè)子流域參考情景和現(xiàn)實(shí)情景有效匯流面積，進(jìn)而獲得與至河道匯流路徑長(zhǎng)度的擬合曲線。根據(jù)式(3)計(jì)算每個(gè)子流域的RA值(圖4)，可以看出，RA值較大的子流域主要分布在漢中盆地、安康、商洛谷地和流域東部丹江口水庫(kù)周邊。這些區(qū)域雖然地形相對(duì)和緩，但因是流域內(nèi)城鎮(zhèn)密集區(qū)和農(nóng)田的主要分布區(qū)，植被覆蓋度較低，土地覆被格局土壤保持能力相對(duì)較低。

圖4 漢江上游子流域RA值Fig.4 RAvalue for sub-basins in upper Han River basin

3.2 驅(qū)動(dòng)-阻力耦合格局

有效匯流面積與至河道匯流路徑長(zhǎng)度的關(guān)系曲線反映了立地侵蝕驅(qū)動(dòng)力空間格局。將驅(qū)動(dòng)力與立地阻力相結(jié)合，可反映泥沙輸出風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)式(4)和(5)，獲得整個(gè)漢江上游的I值(圖5)及各子流域相應(yīng)的R值(記為RI)(圖6)。由圖5可知，對(duì)整個(gè)研究區(qū)，I值隨至河道匯流路徑長(zhǎng)度的增加呈負(fù)指數(shù)型式遞減，RI約等于0.047，表明植被覆蓋從整體上大幅度降低了立地泥沙輸出風(fēng)險(xiǎn)。與子流域RA值分布類似，RI高值區(qū)大多位于植被覆蓋度較低的河谷盆地和東部丹江口水庫(kù)周邊子流域。這些子流域雖然平均坡度較小，但較低的植被覆蓋度增大了上游有效匯流面積，同時(shí)形成了較低的立地侵蝕阻力，因此RI值較高。RI值的空間分布格局表明，研究區(qū)內(nèi)干流沿岸河谷盆地和水庫(kù)周邊區(qū)域是泥沙的主要直接來(lái)源。結(jié)果表明，隨著至河道匯流路徑長(zhǎng)度的縮短，立地有效匯流面積增加，增強(qiáng)了泥沙輸出的驅(qū)動(dòng)力。一般而言，對(duì)子流域內(nèi)任一點(diǎn)，距離河道越近，通常具有較大的泥沙輸出風(fēng)險(xiǎn)。F.Rey等［14］對(duì)坡面植被分布攔截泥沙效果的研究表明，分布于坡底的少量高密度植被足以攔截絕大部分上坡產(chǎn)生的泥沙;因此，靠近河道的坡底植被恢復(fù)和保育是減少河流泥沙輸入的重要措施。

圖5 漢江上游參考情景和現(xiàn)實(shí)情景I值與匯流路徑長(zhǎng)度的回歸關(guān)系Fig.5 Regression between I and flow path length for reference and actual scenario in the upper Han River basin

3.3 指標(biāo)有效性檢驗(yàn)

土地覆被格局是流域侵蝕產(chǎn)沙的控制因素之一［15］。描述土地覆被格局土壤保持能力的合適指標(biāo)應(yīng)與流域泥沙輸出存在確定性的關(guān)系。為此，利用研究區(qū)武侯鎮(zhèn)等14個(gè)水文站泥沙數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析，檢驗(yàn)RA和RI指示流域土地覆被格局土壤保持能力的有效性。如圖7所示，RA、RI都與流域年輸沙量呈顯著的指數(shù)回歸關(guān)系(P＜0.05)，表明RA、RI能有效指示流域土地覆被格局的土壤保持能力。

圖6 漢江上游子流域RI值Fig.6 RIvalue of sub-basins in upper Han River basin

圖7 水文站年輸沙量與流域RA、RI回歸關(guān)系Fig.7 Regression relationship between sediment yield and RAand RI

4 結(jié)論與討論

1)由于較低的植被覆蓋導(dǎo)致較大的上游有效匯流面積，同時(shí)形成了較低的立地侵蝕阻力，漢江上游流域干流沿岸河谷盆地和水庫(kù)周邊區(qū)域土地覆被格局土壤保持能力較低，是河流泥沙的主要直接來(lái)源。這些區(qū)域的植被恢復(fù)和保育是減少河流泥沙輸入的重要措施

2)定量有效匯流面積空間分布型式和驅(qū)動(dòng)-阻力空間耦合型式的指標(biāo)RA、RI與河流泥沙量呈顯著回歸關(guān)系，適合于從定量描述空間格局的角度指示流域尺度土地覆被土壤的保持能力。

在具體的算法上，上述方法還存在著不足之處。在累積匯流面積計(jì)算中，水流方向采用了單流向算法。受限于累積匯流算法，曲線擬合函數(shù)對(duì)山區(qū)子流域的表達(dá)較好。對(duì)地勢(shì)平緩的子流域尤其是水流方向發(fā)散的流域表達(dá)不足。本文研究區(qū)地形起伏大，以負(fù)指數(shù)函數(shù)對(duì)有效匯流面積沿水流路徑長(zhǎng)度的分布曲線擬合總體較好。在地勢(shì)和緩、水流發(fā)散的區(qū)域應(yīng)用該方法時(shí)應(yīng)考慮采用多流向算法。

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