劉 悅, 剛成誠, 溫仲明,, 陳同德

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 草業(yè)與草原學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

降水和植被是影響土壤侵蝕的主要因子，與土壤侵蝕的產(chǎn)生和變化過程密切相關(guān)[1]。降水是土壤侵蝕發(fā)生的動力來源，降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨歷時均是影響土壤侵蝕強(qiáng)度的重要因素[2-3]。植被是控制土壤侵蝕重要的環(huán)境因子，是防治土壤侵蝕的積極因素[4]。植被不僅可以截留降雨、降低雨滴動能，還具有延長地表徑流形成、增加土壤入滲時間等功能。植被覆蓋度越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其水土保持功能越強(qiáng)[4-5]。

黃土高原是中國乃至全球土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)，是黃河泥沙的主要來源區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱[6]。自1999年開始，黃土高原地區(qū)先后實(shí)施了小流域治理、退耕還林(草)和坡耕地整治等一系列生態(tài)工程，生態(tài)環(huán)境得到了明顯的改善，植被覆蓋度增加[7-8]，多年平均入黃泥沙量從1.60×109t銳減至2.00×108～3.00×108t[9-12]。目前，關(guān)于植被恢復(fù)對黃土高原水土流失的影響已開展了大量的研究[12-15]，如Wang等[16]基于泥沙恒等式的診斷方法發(fā)現(xiàn)2000年以來，植被措施是土壤保持的主要貢獻(xiàn)者，占57%；Sun等[17]基于RUSLE模型研究了2000—2010年黃土高原的土壤侵蝕，發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)對控制土壤侵蝕的作用大于降水；Gao等[18]基于降雨—輸沙統(tǒng)計模型分析發(fā)現(xiàn)2000年以后土地覆被變化對黃土高原主要流域輸沙減少的貢獻(xiàn)率大于70%；蔣凱鑫等[13]利用水文法等方法發(fā)現(xiàn)人類活動是黃河中游地區(qū)輸沙量減少的主要原因。由此可見，目前大部分研究認(rèn)為生態(tài)工程實(shí)施帶來的植被恢復(fù)是徑流和輸沙量減少的主要原因，但由于研究區(qū)域、時間范圍及所用方法的差異，導(dǎo)致降雨和植被因子對土壤侵蝕貢獻(xiàn)的定量評估仍存在一定的不確定性[14,19-20]。為此，在退耕還林(草)工程實(shí)施20 a的背景下，本研究基于氣候數(shù)據(jù)、Landsat遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，利用修正的土壤侵蝕方程(RUSLE)模型分別模擬自然狀態(tài)、降雨因子(降雨侵蝕力R)不變和植被因子(植被覆蓋管理因子C)不變3種情景下2000—2018年延河流域逐年土壤侵蝕模數(shù)，分析不同情景下土壤侵蝕強(qiáng)度的時空動態(tài)，定量評估降雨和植被因子對土壤侵蝕變化的相對貢獻(xiàn)，以期為未來制定土壤侵蝕應(yīng)對策略提供理論依據(jù)，亦可為退耕還林還草等工程的生態(tài)效應(yīng)評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

延河是黃河的一級支流，發(fā)源于靖邊縣境內(nèi)，由西北向東南流經(jīng)志丹縣、安塞縣和延安，在延長縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近匯入黃河，全長286.9 km[21]。主要支流包括杏子河，西川、潘龍川和南川等，整個流域面積為7 725 km2，位于陜北黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)(36°21′—37°19′N，108°38′—110°29′E)，地勢西北高、東南低，地形破碎復(fù)雜，溝壑密度在2.1～4.6 km/km2之間，黃綿土占流域總面積的85%以上，土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力差[21-22](見封3，附圖1)。該流域?qū)儆跍貛Т箨懶园敫珊蛋霛駶櫄夂騾^(qū)，年均溫約為9 ℃，年降水量約為500 mm，大部分地區(qū)干旱少雨，降雨季節(jié)分配不均，夏季多暴雨，降水變化率大。植被以次生植被和中、低覆蓋度草地為主，天然林集中部分在流域的西南部(見封3，附圖1)。常見的植物種從南向北有遼東櫟(Quercusliaotungensis)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、油松(Pinustabuliformis)。延安至安塞之間為檸條(Caraganakorshinskii)和白羊草(Bothriochloaischaemum)，安塞以北為百里香(Thymusvulgaris)、長芒草(Stipabungeana)等[22-23]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)包括： ①DEM數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為30 m； ②氣象數(shù)據(jù)：流域內(nèi)及周邊氣象站數(shù)據(jù)來源于中國氣候數(shù)據(jù)共享網(wǎng)； ③土地利用數(shù)據(jù)：來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為30 m； ④遙感影像數(shù)據(jù)：2000—2018年延河流域6—9月的Landsat 7ETM和Landsat 8OLI遙感影像(127034，127035，126035)，來源于美國USGS網(wǎng)站，利用ENVI軟件進(jìn)行缺失條帶插補(bǔ)、輻射定標(biāo)和大氣校正等操作，提取植被結(jié)構(gòu)指數(shù)應(yīng)用于RUSLE模型中。

1.3 土壤侵蝕模型

本研究采用RUSLE來計算延河流域的土壤侵蝕模數(shù)：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為年均土壤侵蝕模數(shù),是指單位面積單位時間和空間的平均土壤流失量〔t/(km2·a)〕;R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(km2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(km2·MJ·mm)〕;L，S分別為坡長和坡度因子;C為植被覆蓋管理因子;P為水土保持措施因子。

1.3.1 降雨侵蝕力因子(R) 降雨侵蝕力反映了降雨對土壤侵蝕的剝離和搬運(yùn)能力，與降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨歷時等因素有關(guān)[21]。本研究利用逐月雨量計算2000—2018年延河流域的降雨侵蝕力[24]。利用氣象站點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)通過AUSPLINE插值求得降雨量的空間分布圖，空間分辨率為30 m。

1.3.2 土壤可蝕性因子(K) 土壤可蝕性因子是反映降雨過程中土壤性質(zhì)對土壤流失的影響，其定義為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)單位降雨侵蝕力引起的土壤流失率[25]。本研究利用EPIC模型計算延河流域的K值[26]。

1.3.3 坡度和坡長因子(LS) 坡度和坡長影響著土壤和植被的形成與發(fā)展，決定了地表徑流的運(yùn)動狀態(tài)和方向。坡度越大，坡長越長，徑流能量越大，土壤侵蝕作用越強(qiáng)。本文采用劉寶元等在黃土高原改進(jìn)的、基于DEM的方法計算延河流域的坡度坡長因子[27]。

1.3.4 植被覆蓋管理因子(C) 結(jié)構(gòu)化植被指數(shù)(Cs)不僅考慮了植物群落的水平結(jié)構(gòu)特征，還考慮了不同群落垂直結(jié)構(gòu)特征在水土保持作用中的差異[28-29]。因此，本研究采用植被結(jié)構(gòu)指數(shù)Cs代替?zhèn)鹘y(tǒng)NDVI作為植被覆蓋管理因子C的計算，其計算公式為：

(2)

式中：α，β的取值分別為2,1[21]。由于水體和建筑用地的Cs較低,接近于0,但它們的土壤侵蝕強(qiáng)度很小,因此將水體和城鎮(zhèn)用地的C值賦值為0。

Cs的計算公式為：

(3)

MSAVI=0.5+NIR-0.5×

(4)

Cs=0.175MSAVI+0.522NDTI

(5)

式中：NDTI為歸一化耕作指數(shù)，無量綱;R,NIR,SWIR1和SWIR2分別為Landsat 7,8影像的短波紅外波段1和2；MSAVI為修正的土壤調(diào)整植被指數(shù)。

1.3.5 水土保持措施因子P采用給不同土地利用類型賦值的方法確定P值[30]。依據(jù)表1按照坡度范圍對耕地進(jìn)行賦值。水體、建筑用地、林地和草地一般未采取水土保持措施，因此賦值為1。

表1 不同坡度范圍耕地的P值

1.4 降雨和植被因子對土壤侵蝕影響的定量評估

設(shè)置自然狀態(tài)、C固定-R變化和R固定-C變化3種情景，分別計算不同情景下2000—2018年延河流域逐年土壤侵蝕模數(shù)，進(jìn)而揭示降雨和植被因子對土壤侵蝕變化的相對貢獻(xiàn)，計算公式為：

自然狀態(tài)情景：Ai=Ri·K·LS·Ci·P

(6)

C固定-R變化情景：

A-Ri=Ri·K·LS·C2000·P

(7)

R固定-C變化情景：

A-Ci=R2000·K·LS·Ci·P

(8)

式中：Ai為自然狀態(tài)下第i年土壤侵蝕模數(shù);Ri為第i年降雨侵蝕力因子;Ci為第i年植被覆蓋管理因子;A-Ri為C固定-R變化情景下第i年的土壤侵蝕模數(shù);C2000為2000年植被覆蓋管理因子;A-Ci為R固定-C變化情景下第i年的土壤侵蝕模數(shù);R2000為2000年的降雨侵蝕力。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種情景下延河流域土壤侵蝕的時間動態(tài)

2000—2018年，自然狀態(tài)、R固定-C變化和C固定-R變化的情景下延河流域土壤侵蝕的時間動態(tài)如圖1所示。在自然狀態(tài)和R固定-C變化的情景中，土壤侵蝕模數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，在19 a間分別下降了44.15%和56.86%。2001年土壤侵蝕模數(shù)最高，分別達(dá)到15 867.67和15 392.71 t/(km·a)，之后逐漸下降，而在2014年后，又呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。在C固定-R變化的情景中，土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，19 a間共上升了11.86%。為進(jìn)一步了解不同情景中土壤侵蝕的時間動態(tài)，本文研究了不同侵蝕等級的時間變化特征(圖2)。在自然狀態(tài)和R固定-C變化的情景中，微度和輕度侵蝕的面積均有所增加，同時，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積均有所下降。在自然狀態(tài)下，微度和輕度侵蝕的總面積占流域總面積的比例從2000年的27.36%增加到2018年的49.67%。同時，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積所占比例從59.60%下降到36.84%；在R固定-C變化的情景中，微度和輕度侵蝕的面積之和所占比例則增加到2018年的57.11%，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積之和所占比例下降到29.74%。而在C固定-R變化的情景中，各土壤侵蝕強(qiáng)度面積的所占比例變化不大，2018年微度和輕度侵蝕的面積之和所占比例為22.98%，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積之和所占比例為64.32%。

圖1 延河流域在3種情景下土壤侵蝕的時間動態(tài)

2.2 3種情景中延河流域土壤侵蝕的空間動態(tài)

3種情景中，2001年土壤侵蝕模數(shù)大于5 000 t/(km2·a)的區(qū)域廣泛分布于延河的上、中和下游，輕度和微度侵蝕的區(qū)域主要分布在延河沿岸地帶及流域的西南部(圖3)；在自然狀態(tài)和R固定-C變化的情景中，2009年輕度和微度侵蝕的面積均有所增加，且在R固定-C變化的情景中，增加更為明顯，其主要分布在延河的中游和下游地區(qū)。相比之下，C固定-R變化的情景中，土壤侵蝕模數(shù)的空間分布并未有明顯變化。2018年，在自然狀態(tài)和R固定-C變化的情景中，輕度和微度侵蝕的面積略微增加，此時土壤侵蝕模數(shù)大于5 000 t/(km2·a)的區(qū)域主要集中在延河的上游。而C固定-R變化的情景中，土壤侵蝕模數(shù)的空間分布與2009年較為類似。2000—2009年，自然狀態(tài)下土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢的面積占流域總面積的53.70%(圖4)。在R固定-C變化的情景中，土壤侵蝕強(qiáng)度下降區(qū)域的面積占流域總面積達(dá)71.09%，而在C固定-R變化的情景中，土壤侵蝕強(qiáng)度未有下降趨勢，其中呈現(xiàn)不變和增加趨勢的面積分別占流域總面積的53.20%和46.80%。在2009—2018年，自然狀態(tài)下土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)上升和下降趨勢的面積分別占流域總面積的15.75%和32.39%；在R固定-C變化的情景中，土壤侵蝕強(qiáng)度上升和下降區(qū)域的面積所占比例分別為19.63%和24.71%；而C固定-R變化的情景中，土壤侵蝕強(qiáng)度不變的面積達(dá)84.10%，其余為土壤侵蝕強(qiáng)度降低一級的區(qū)域，面積所占比例為15.90%。從整個研究時期來看，自然狀態(tài)和在R固定-C變化的情景中，土壤侵蝕強(qiáng)度主要以下降為主，而在C固定-R變化的情況下，土壤侵蝕強(qiáng)度則以不變和上升為主(圖4)。

圖3 2001，2009，2018年延河流域在3種情景下的土壤侵蝕模數(shù)空間分布

圖4 2000-2009年、2009-2018年和2000-2018年延河流域3種情景下土壤侵蝕強(qiáng)度空間變化

2.3 降雨和植被因子對土壤侵蝕變化貢獻(xiàn)率的定量評估

在自然狀態(tài)、R固定-C變化和C固定-R變化情景下，基于2000—2009年、2009—2018年和2000—2018年不同土壤侵蝕強(qiáng)度變化分析了降雨和植被因子對土壤侵蝕作用的大小。由圖5可知，3個時間段內(nèi)植被因子的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為促進(jìn)了微度、輕度和中度侵蝕強(qiáng)度的增加，其在2009—2018年平均貢獻(xiàn)率為67.70%，在2000—2009年和2000—2018年的平均貢獻(xiàn)率均在70%以上；在3個時期內(nèi)，植被因子對強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕強(qiáng)度的增加表現(xiàn)為抑制作用，即促進(jìn)了強(qiáng)度的降低，其貢獻(xiàn)率約為80%。

相比之下，降雨促進(jìn)了土壤侵蝕強(qiáng)度的增加。在2000—2009年，降雨促進(jìn)了極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕強(qiáng)度的增加，貢獻(xiàn)率分別為22.23%和23.12%；同時，降雨抑制了其他侵蝕強(qiáng)度的增加，其中對中度侵蝕的貢獻(xiàn)率達(dá)到54.69%；在2009—2018年，降雨促進(jìn)了中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕強(qiáng)度的增加，其貢獻(xiàn)率在18.40%～53.18%之間。在整個研究時間段內(nèi)，降雨因子的作用表現(xiàn)為促進(jìn)強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕強(qiáng)度的增加。

3 討 論

降雨是引起土壤侵蝕產(chǎn)生的最主要動力因素之一。延河流域侵蝕性降雨多集中在夏季雨季，暴雨頻發(fā)，土壤侵蝕較為嚴(yán)重。本研究發(fā)現(xiàn)，2000—2018年，R固定-C變化的情景中土壤侵蝕模數(shù)低于自然狀態(tài)下土壤侵蝕模數(shù)，二者的時間和空間動態(tài)較為接近，表明這19 a間，降雨量的變化增加了延河流域土壤侵蝕的土壤侵蝕。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在2000—2018年，降雨促進(jìn)了強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積的增加，其貢獻(xiàn)率約為20%。在我國喀斯特地區(qū)的研究同樣證明了降雨的增加會造成土壤侵蝕強(qiáng)度的增加，其貢獻(xiàn)率在7.5%～26.0%[31]。在同等降雨條件下，是否發(fā)生土壤侵蝕與植被特征有著密切的關(guān)系。植被覆蓋度越高，結(jié)構(gòu)越完整，對雨滴的截留作用越大，越能夠分散和削弱雨滴的能量，有效防止雨滴對地面直接打擊和破壞作用，產(chǎn)生的土壤侵蝕越小[28]。因此，植被狀況是影響土壤侵蝕變化的關(guān)鍵因素。本研究結(jié)果表明，在C固定-R變化的情景中，土壤侵蝕模數(shù)的變化趨勢與自然狀態(tài)差別較大，表明植被因子對控制土壤侵蝕的作用更強(qiáng)。在2000—2018年，延河流域的平均結(jié)構(gòu)化植被指數(shù)顯著增加(p<0.001)(圖6)。自退耕還林還草等一系列生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施以來，延河流域植被狀況明顯改善，流域內(nèi)產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯下降[5,8]。本研究發(fā)現(xiàn)，2000—2018年，植被因子有效抑制了強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕強(qiáng)度的增加，其正向貢獻(xiàn)率達(dá)77.20%。徐學(xué)選等[32]的研究發(fā)現(xiàn)降水和人類活動對1956—2009年延河流域的輸沙量減少的貢獻(xiàn)分別為30%和70%；趙躍中等[5]的研究表明，1996—2010年，植被恢復(fù)為主導(dǎo)的水土保持措施對延河流域輸沙量減少的貢獻(xiàn)率為55.9%；王志杰等[31]在貴陽喀斯特地區(qū)的研究證實(shí)植被覆蓋因子對土壤侵蝕變化貢獻(xiàn)了74%～92%，是土壤侵蝕變化的主導(dǎo)和控制因子；Zhao等[33]在黃土高原皇甫川流域研究發(fā)現(xiàn)人類活動對輸沙量減少的貢獻(xiàn)率高達(dá)93.6%。但王濤等[20,34]在陜北洛河流域的研究表明，在2000—2014年，降雨對土壤侵蝕的貢獻(xiàn)大于植被。原因可能在于洛河流域面積較大，降水的作用更為突出，但其結(jié)果也證實(shí)退耕還林還草工程的實(shí)施有效降低了土壤侵蝕量。鐘麗娜等[35]的研究亦表明土地利用與覆被對土壤侵蝕的作用有明顯的尺度效應(yīng)。

注：貢獻(xiàn)率大于0表現(xiàn)為促進(jìn)作用，小于0表現(xiàn)為抑制作用。

圖6 2000-2018年延河流域降雨侵蝕力(R)和植被結(jié)構(gòu)指數(shù)(Cs)的動態(tài)變化

4 結(jié) 論

(1) 2000—2018年，在自然狀態(tài)和R固定-C變化情景中，土壤侵蝕模數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，在19 a間分別下降了44.15%和56.86%；在C固定-R變化的情景中，不同土壤侵蝕強(qiáng)度的面積變化不大，19 a間土壤侵蝕模數(shù)上升了11.86%；

(2) 2000—2018年，在自然狀態(tài)和R固定-C變化情景中，土壤侵蝕強(qiáng)度下降的地區(qū)主要分布在延河的中游和下游，其中2000—2009年土壤侵蝕強(qiáng)度下降的程度大于2009—2018年；在C固定-R變化的情景中，延河流域土壤侵蝕強(qiáng)度在2000—2009年以不變和上升為主，而在2009—2018年以不變和下降一級為主。

(3) 2000—2018年，植被因子是控制延河流域土壤侵蝕強(qiáng)度的主導(dǎo)因素，其貢獻(xiàn)率為77.20%，而降雨因子對控制土壤侵蝕起負(fù)作用，即促進(jìn)了土壤侵蝕強(qiáng)度的增加。在全球氣候變暖的背景下，未來極端降雨事件發(fā)生的頻次將增加，如何在延河流域，尤其是上游地區(qū)，優(yōu)化配置水土保持措施，增強(qiáng)植被的正向效應(yīng)，同時降低降雨的負(fù)向效應(yīng)是需進(jìn)一步思考的問題。