楚冰洋 李月皓

(長安大學(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]，而我國是全球土壤侵蝕最為嚴(yán)重的國家之一[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)中國乃至全球的重大環(huán)境問題——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)，近年來人口的急劇增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)土地資源的開發(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空間分析方法刻畫土壤保持量空間差異，采用Sen趨勢度方法分析土壤保持量的時(shí)空變化趨勢，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。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、咸陽市和渭南市。區(qū)域內(nèi)海拔325～900m，地勢西高東低，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)，來源于國家氣象信息中心(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)月降雨柵格數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)，采用基于世界土壤數(shù)據(jù)庫的中國土壤數(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為坡長和坡度；m為坡長坡度指數(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 趨勢分析方法

基于柵格尺度，應(yīng)用Sen+Mann-Kendall趨勢分析方法對(duì)陜西省2000—2015年土壤保持量的變化趨勢進(jìn)行分析，該方法可以對(duì)定量數(shù)據(jù)的趨勢變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的顯著性檢驗(yàn)，常被用于長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢分析[16]。Sen趨勢度計(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；β<0表示呈現(xiàn)下降趨勢。

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，即陜南>關(guān)中>陜北。具體來說，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，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變化趨勢上看，陜西省全省及各個(gè)子區(qū)內(nèi)植被NDVI多年來均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。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，但是增加速率均較小。陜南地區(qū)增速最大，年均增長47.41t·hm-2·yr-1。陜北地區(qū)增速最小，年均增長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。基本不變的區(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)行了定量測算，使用空間分析和趨勢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，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。

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%，說明陜西省土壤保持量整體上較低。

趨勢分析結(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，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。