梁占岐, 李錦榮, 郭建英, 邢恩德, 劉艷萍, 珊 丹, 侯雪彤

(1.水利部 牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 2.磴口縣水務局, 內蒙古 磴口 015200)

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退耕還林工程建設對土壤侵蝕的影響
——以安塞縣為例

梁占岐1, 李錦榮1, 郭建英1, 邢恩德1, 劉艷萍1, 珊 丹1, 侯雪彤2

(1.水利部 牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 2.磴口縣水務局, 內蒙古 磴口 015200)

以黃土丘陵區(qū)退耕還林典型縣——安塞縣為研究對象，基于3S技術與RUSLE土壤侵蝕模型，從縣域尺度上分析評價了黃土高原區(qū)退耕還林前后土壤侵蝕變化。研究結果表明：與退耕前1999年相比較，2010年土壤侵蝕強度在空間上發(fā)生明顯改變，總體上，土壤侵蝕強度有明顯減小的趨勢。極強烈侵蝕下降幅度最大(下降13.73%)，主要向強烈轉移，占10.45%；中度侵蝕由35.92%增加到59.98%，主要由強烈侵蝕轉移而來，占27.08%；微度和輕度變化較小。土壤侵蝕既有增強區(qū)域也有減弱區(qū)域，總體趨勢以減弱為主。侵蝕加強區(qū)域主要是由中度和強烈向強烈、極強烈和劇烈轉移，轉移面積較?。话l(fā)生增強的區(qū)域主要是以草地覆蓋為主；其次是原耕地，退耕還林后轉化為林地和草地，部分地區(qū)出現(xiàn)裸露斑塊，呈現(xiàn)部分小面積土壤侵蝕加劇。土壤侵蝕減弱區(qū)域主要是極強烈、劇烈向中度、強烈等轉移；轉移面積主要發(fā)生區(qū)域溝壑區(qū)低蓋度草地、溝道以及河道邊緣裸地。隨著退耕還林還草工程的實施，荒山林草覆蓋度增加，林草植被對降水進行截留下滲，緩減洪峰流量，減少降雨洪峰對溝道和河道側沖刷，降低土壤侵蝕強度。安塞縣實施退耕還林11年后，土壤侵蝕以強度侵蝕為主(46.47%)轉中度侵蝕為主(59.98%)，全縣平均土壤侵蝕由1998年的9 780 t/(km2·a)轉為2010年的5 460 t/(km2·a)，每年約減少土壤侵蝕量1 274萬t。退耕還林工程建設對于安塞縣控制水土流失和改善生態(tài)環(huán)境有著重要作用。研究結果將對該區(qū)域水土流失治理提供參考依據(jù)。

退耕還林; 土壤侵蝕; 安塞縣; RUSLE

黃土高原的生態(tài)環(huán)境惡化已成為阻礙當?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展的重大問題，水土流失、土地沙化問題日趨嚴重。水土流失造成土壤生產力下降、土壤貧瘠、植被覆蓋度降低。特別是該地區(qū)的陡坡耕地，人為加劇水土流失。國家在1999年提出了退耕還林(草)政策，在黃土高原區(qū)主要是將大于25度的耕地，種植當?shù)剜l(xiāng)土樹種，進行生態(tài)修復。改變土地利用方式，增加地表覆蓋度，降低水土流失。土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展特性與地表植被、土地利用方式息息相關[1-2]。土地利用方式的改變、植被蓋度的增加必將引起一系列的生態(tài)過程變化。生態(tài)過程對生態(tài)環(huán)境及其小氣候產生積極影響，更進一步促進植被生長。所以，有必要對退耕還林建設工程實施若干年后，黃土高原的水土流失情況展開研究。

本文以全國退耕還林典型縣——安塞縣為例，利用TM遙感影像解譯土地利用狀況、植被覆蓋度和DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS地理信息系統(tǒng)的支持下，利用ULSE模型，對黃土高原區(qū)安塞縣退耕還林前后的土地利用、植被覆蓋度、坡耕地面積引起的土壤侵蝕強度的變化、安塞縣自退耕還林生態(tài)建設工程實施以來土壤侵蝕強度變化做定量研究。

1　試驗材料與方法

1.1研究區(qū)概況

安塞縣位于陜西省延安市以北38 km處(108°51′36″—109°26′6″E，36°30′40″—37°19′25″N)，北靠榆林市靖邊縣，東及東南與寶塔區(qū)、子長縣相連，南接甘泉縣，西依志丹縣，海拔高度為997～1 731 m，全縣總土地面積2 950 km2。地貌類型主要為黃土梁澗、梁峁狀黃土丘陵和溝谷階地[3]，溝壑密度為4.7萬條/km2。境內水土流失嚴重，全縣水土流失面積2 832 km2，占全縣總面積的96%[4]。安塞縣地處西北內陸黃土高原，屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候，夏秋多雨，冬季嚴寒干燥，年平均氣溫為8.8℃，最高值為9.3℃，最低為8℃，年平均日照時數(shù)為2 395.6 h，無霜期157 d，降雨主要集中在夏季的7月、8月、9月，平均降水量505.3 mm。土壤以黃綿土為主，土壤發(fā)育層厚25～60 cm，pH值為7～8.5，呈弱堿性或中堿性，保水保肥性能差，有機質含量不足1%，土質綿軟，結構疏松，遇水后極易崩解。境內植被較差，天然植被破壞殆盡，南部分布有少量天然次生林，森林覆蓋率為17.7%[5-6]。安塞縣1999年開始實施退耕還林還草工程，截止2010年底，安塞縣累計完成退耕還林77 906.67 hm2，其中退耕地造林41 040 hm2(農民人均0.31 hm2)，荒山地造林35 600 hm2，封山育林1 266.67 hm2。安塞農民人均退耕面積0.31 hm2，是全國退耕農民人均退耕面積的2.7倍。

1.2ULSE模型

在土壤水蝕預報方面，ULSE是比較成熟的數(shù)學模型，它具有建模資料易于獲取、預報精度較高、應用方便等優(yōu)點。通用土壤流失方程(USLE)由Wischemier等[7]于1958年提出，為提高各因子計算的通用性，美國農業(yè)部又提出了修正方程RUSLE，模型的數(shù)學表達式為：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A——某地塊多年平均降雨徑流年土壤流失量(t/hm2)；R——年降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h)]；K——土壤可蝕性因子；L——坡長因子，無量綱，反映坡長對土壤流失的影響；S——坡度因子，無量綱，反映坡度對土壤流失的影響；C——植被因子，無量綱，反映農作物、牧草或樹木覆蓋對土壤流失的影響；P——土壤保持措施因子，無量綱，反映等高耕作等土壤保持措施與順坡耕作農地小區(qū)的土壤流失率的比值。

1.3R值計算

1.4K值計算

K因子反映了土壤對侵蝕的敏感性及降水所產生的徑流量與徑流速率的大小。影響K因子的因素很多，但一般來說主要與土壤的粒徑和有機質有關。依據(jù)前人的研究，K值的大小與土壤質地有較高的相關性。Sharpley等[9]在EPIC棋型中，把土壤可蝕性因子K的計算公式發(fā)展為：

(2)

式中：Sa——砂粒(0.1～2 mm)含量百分比；Si——粉粒(0.002～0.1 mm)含量百分比；Cl——黏粒(<0.002 mm)含量百分比；C——有機碳含量百分含量；Sn——粉粒和黏粒含量，Sn=1-Sa/100。利用1∶100萬土壤分類圖(數(shù)據(jù)來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”http:∥westdc.westgis.ac.cn)，提取所需要的信息計算K值。數(shù)據(jù)庫中提供的T_SAND砂粒(0.0625～2 mm)，黏粒T_CLAY(<0.002 mm)和粉粒T_SILY(0.002～0.062 5 mm)的分類標準不一致，利用3次樣條插值法求得0.1 mm處的值[10]，利用公式(2)計算K值，結果見附圖8。

1.5LS因子計算

1.5.1L坡長因子利用DEM柵格數(shù)據(jù)和ArcGIS，根據(jù)公式(3)提取坡長λ。利用L和坡長的關系求取坡長因子。

(3)

式中：λ——坡長(m)；m——坡長效應指數(shù)，當坡度5%，m=0.5。

1.5.2S坡度因子緩坡上選用McCool等[11]研究的坡度公式，在陡坡上采用Liu等[12]的坡度公式，見公式(4)。

(4)

式中：S——坡度因子；θ——坡度。

按照上述方法和公式(4)，計算得到安塞縣坡長坡度因子LS(附圖9)。

1.6C作物管理及植被蓋度因子的確定

植被具有截留降雨、減緩徑流、保土固土等生態(tài)功能，對控制土壤侵蝕起著決定性的作用，山地植被覆蓋率的大小直接影響土壤侵蝕程度的強弱。因而，不管是早期的土壤侵蝕人工普查，還是近來各種理論下建立的土壤侵蝕量預測模型，都將植被覆蓋度作為衡量地表水土流失程度的一個重要因子。

通用土壤流失量方程USLE中，植被因子C與植被類型、植被覆蓋度有關，是根據(jù)地表植物覆蓋狀況不同而反映植被對土壤流失影響的因素，它是方程諸因子中相對變化范圍較大的因子。

1.6.1植被蓋度的提取植被蓋度的計算現(xiàn)在大多數(shù)是利用遙感提取植被指數(shù)，利用植被指數(shù)與外業(yè)調查的植被蓋度建立相關關系，最終得到植被蓋度圖。而最常用的就是利用植被NDVI指數(shù)，來估算植被蓋度。

根據(jù)安培浚等[13]在西北干旱區(qū)利用NDVI所建立的植被指數(shù)與植被覆蓋度的關系來確定植被覆蓋度c。利用NDVI計算植被覆蓋度c的公式為：

(5) 式中：NDVI——所求像元的歸一化植被指數(shù)；NDVImin，NDVImax——研究區(qū)NDVI的最小值和最大值。

1.6.2C因子的確定C值主要受植被覆蓋度和土地利用現(xiàn)狀的制約，本次研究將參考國內外的研究成果[13-16]，結合安塞縣的實際情況利用公式(6)計算得各地類年均C因子。利用ArcGIS中的Raster Calculator，利用下面公式計算得到C因子(附圖10)。

(6)

1.7P保護措施因子的確定

P因子為采用專門措施后的土壤流失量與采用順坡種植時的土壤流失量的比值。國內P值的獲得基本上是根據(jù)區(qū)域特點對土地的不同利用方式賦值。最終參照劉得俊等[17]的研究成果，結合我們分類得到的土地利用現(xiàn)狀圖進行P因子賦值。坡耕地在實施退耕還林工程后，農業(yè)用地基本上屬于等高耕作和梯田，侵蝕量比較大而且沒有任何保護措施的坡耕地基本都種植喬木和灌木，部分轉化為草地。所以可以據(jù)此對不同土地利用下的P因子賦值：退耕前林地、高覆蓋度草地和低覆蓋度草地的均賦值為1，建筑用地和水域的賦值為0，而農田則賦值為0.30；退耕后考慮到安塞縣從1999年的退耕還林工程的實施，>25°的坡耕地全部退耕地為林草地，轉化之后的有林地和灌木林地均有侵蝕防治措施，有林地和灌木林地進行反坡整地、魚鱗坑等。所以在2010年的土地利用新增有林地和灌木林地的P值取0.8，未變化有林地和灌木林地取1。退耕后耕地基本是較為平坦的旱地和梯田，P值取0.35，其他土地利用類型P值退耕還林前后無變化(表1)。

表1　退耕還林前后P值變化

注：退耕的有林地、灌木林地P=0.8以及剩余的地勢較為平坦的耕地和梯田P=0.35。

2　結果與分析

2.1土壤侵蝕等級變化

在得到ULSE通用方程的因子圖后，利用ArcGIS柵格計算器，把各因子相乘得到土壤流失數(shù)據(jù)，按照水利部LS190—2007標準將土壤流失進行分級(表2)，得到土壤侵蝕強度。由于其單位為英制，需要進行單位轉換，乘以系數(shù)224.2，即可轉換為t/(km2·a)的公制單位，得到各像元的年土壤流失量。

從表2可以明顯看到，與退耕前1999年相比較，2010年土壤侵蝕強度在空間上發(fā)生明顯改變，總體上，土壤侵蝕強度有明顯減小的趨勢。與1999年相比較，在實施退耕還林的11年后，土壤侵蝕的輕度明顯降低，水土流失得到有效改善。劇烈侵蝕面積由1999年的2.75%下降到0.17%，極強烈侵蝕面積由14.55%下降到0.82%，下降了13.73%，下降幅度最大。強烈侵蝕面積由46.74%下降到39.02%。退耕還林工程實施1年后，侵蝕強度有了顯著降低。從表2只能看到單純面積的變化，想進一步對侵蝕強度動態(tài)變化趨勢，分析土壤侵蝕強度是如何轉移變化的，還需通過轉移矩陣方法獲得(表3)。

表2　安塞縣土壤侵蝕強度

2.2土壤侵蝕空間轉移變化

從表3看，微度、輕度變化不大，大部分還是保持原有侵蝕水平，只有部分侵蝕加劇向更高一級侵蝕轉移；中度侵蝕28.82%保持不變，其他分別向強烈、極強烈和劇烈轉移，轉移面積分別占6.89%，0.15%，0.05%；從土地利用類型來看，轉移面積主要發(fā)生在耕地、林地、中蓋度草地向中蓋度草地和低蓋度草地轉移。

表3　安塞縣土壤侵蝕強度轉移矩陣

強烈有27.08%向中度轉移，19.32%保持不變，0.25%向極強烈等級轉移，約0.08%向劇烈轉移。強烈侵蝕主要發(fā)生在耕地，大部分是坡度較的坡耕地，其中還有部分中低蓋度草地，2010年后19.32%保持不變，主要土地利用類型為草地；27.08%向中度轉移的主要是耕地轉變?yōu)榱值睾筒莸?，?jīng)過十多年恢復，植被蓋度有顯著增加，侵蝕等級呈現(xiàn)下降趨勢。向極強烈和劇烈轉移的面積主要是分布在低蓋度草地?？赡苁峭烁€林還草中個別地區(qū)在林地和草地中出現(xiàn)裸露地表斑塊。

極強烈大部分向強烈轉移，占10.45%；只有0.25%保持不變，有3.8%向中度轉移，向微度和輕度轉移的共約0.05%，保持侵蝕等級降低趨勢。1999年極強烈侵蝕區(qū)主要分布在低蓋度草地和部分裸地，從地理位置上分布溝壑深處，隨著退耕還林還草工程的實施，封山對植被恢復起到積極作用。

劇烈侵蝕區(qū)主要分布在溝道位置以及河流邊緣，其中有0.27%向中度侵蝕轉移，2.32%向強烈侵蝕轉移，有0.16%向極強烈轉移。這主要是由于退耕還林工程實施，林地和草地對部分降水進行截留下滲，緩減洪峰流量，減少降雨洪峰對溝道和河道側沖刷，降低土壤侵蝕強度。

安塞縣2010年的全縣平均土壤侵蝕為5 460 t/(km2·a)，屬于強度侵蝕，其研究結果與張巖等[18]利用中國土壤侵蝕模型(CSLE)對吳起縣2009年縣域平均土壤侵蝕強度的研究結果基本相似，安塞縣和吳起縣同屬于黃土高原區(qū)，土壤類型和水土流失現(xiàn)狀較為相似，其水土流失模數(shù)具有參考價值。

總體來看，安塞縣退耕還林前以強度侵蝕為主，占安塞縣土地總面積的46.47%，退耕還林后的2010年以中度侵蝕為主，占安塞縣土地總面的59.98%。由此可見，安塞縣退耕還林后水土流失得到了有效遏制，生態(tài)建設成果突出，但土壤侵蝕狀況仍然較為嚴重，需要繼續(xù)加強鞏固退耕還林工程建設成果，充分發(fā)揮退耕還林工程建設的水土保育效應。

3　結 論

安塞縣實施退耕還林后11年來，水土流失控制效果明顯，較高強度土壤侵蝕的土地面積在大幅度減少。實施退耕還林還草工程11年后，土壤侵蝕強度發(fā)生顯著變化。土壤侵蝕既有增強區(qū)域也有減弱區(qū)域，總體趨勢以減弱為主。侵蝕加強區(qū)域主要是中度和強烈向強烈、極強烈和劇烈轉移，轉移面積較??；發(fā)生增強的區(qū)域主要是以草地覆蓋為主；其次是原耕地，退耕還林后轉化為林地和草地，部分地區(qū)出現(xiàn)裸露斑塊，呈現(xiàn)部分小面積土壤侵蝕加劇。土壤侵蝕發(fā)生減弱區(qū)域主要是極強烈、劇烈向中度、強烈等轉移；轉移面積主要發(fā)生區(qū)域溝壑區(qū)低蓋度草地、溝道以及河道邊緣裸地，隨著退耕還林還草工程的實施，在荒山造林，封山育林使原有荒山林草覆蓋度增加，林草植被對降水進行截留下滲，緩減洪峰流量，減少降雨洪峰對溝道和河道側沖刷，降低土壤侵蝕強度。

研究區(qū)退耕還林11年后土壤侵蝕分布以中度侵蝕最多，其面積占安塞縣國土總面積的59.98%，而退耕還林前安塞縣土壤侵蝕以強度侵蝕為主，占安塞縣國土總面積的46.47%；安塞縣退耕還林11年后的全縣平均土壤侵蝕為5 460 t/(km2·a)，屬于強度侵蝕，其退耕還林前1998年的平均土壤侵蝕為9 780 t/(km2·a)，為退耕還林后的1.80倍，每年約減少土壤侵蝕量1 274萬t。由此可見，退耕還林工程建設對于安塞縣控制水土流失和改善生態(tài)環(huán)境有著重要作用。

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Effects of Returning Farmland to Forest Construction on Soil Erosion—A Case Study of Ansai County

LIANG Zhanqi1, LI Jinrong1, GUO Jianying1, XING Ende1,LIU Yanping1, SHAN Dan1, HOU Xuetong2

(1.InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResources,Hohhot010020,China; 2.WaterworksAuthorityofDengkouCounty,Dengkou,InnerMongolia015200,China)

Selecting the typical loess hilly-gully region returning farmland to forest County as the research example, based on 3S technology and the soil erosion RUSLE model, we analyzed and evaluated loess soil erosion change before and after returning farmland to forest loess plateau zones on the county scale. The results showed that compared with the former farmland in 1999, soil erosion intensity obviously changed on the spacial scale in 2010, on the whole, the soil erosion intensity decreased significantly. Extremely strong erosion decreased most (13.73% decline), shift of very strong erosion mainly to strongly accounted for 10.45%. Moderate erosion increased from 35.92% to 59.98%, which was transferred from the strong erosion, accounting for 27.08%. Slight and mild erosion changes were small. The enhanced area and weakened area of soil erosion were observed, and the overall trend of erosion density was declining. The transfer of moderate erosion to strong, and very strong erosion occurred in strengthened erosion area, but transferred area was small; enhanced area was mainly dominated by grassland coverage; the second one was the farmland converted to forestland and grassland, and bare patch appeared in some parts with the increased intensity of soil erosion. The transfer of strong erosion to moderate, and very strong erosion to strong erosion occurred in weakened erosion areas. The areas was grassland with low coverage, channel, and bare land of channel gully edge. With the implementation of Grain for Green Project, grass coverage increased in the former barren land, rainfall is trapped by vegetation and infiltrates in soil. Plants play the roles in mitigating peak flow and reducing channel erosion，which makes the soil erosion intensity decrease. After the implementation of 11-year Ansai County Forest, soil erosion intensity changed from the strong erosion (46.47%) to moderate erosion (59.98%), the average soil erosion in the county changed form 9 780 t/(km2·a) in 1998 into 5 460 t/(km2·a) in 2010, the annual reducing soil erosion was 12.74 million t. Returning farmland to forest construction played an important role in the control of soil erosion and improvement of ecological environment. These results will provide reference for soil erosion control in this region.

returning farmland to forest; soil erosion; Ansai County; RUSLE

2015-05-14

2015-06-23

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“中國南方退耕還林工程建設效益評價研究”(201004018)

梁占岐(1962—),男,內蒙古鄂爾多斯人,碩士,高級工程師,主要從事草地水土保持與生態(tài)環(huán)境保護及草地節(jié)水灌溉研究。E-mail:mkslzq@126.com

李錦榮(1980—),男,內蒙古呼和浩特人,博士,高級工程師,主要從事荒漠化防治及生態(tài)遙感研究。E-mail:lijinrong918@126.com

S157

A

1005-3409(2016)03-0077-05