常斐楊,行仙峰,王 帆
(黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,陜西 西安 710021)
內(nèi)蒙古自治區(qū)地處我國(guó)北部邊疆,平均海拔約1 000 m,是典型的高原型地貌區(qū),境內(nèi)草原遼闊,農(nóng)牧交錯(cuò)帶范圍較廣,水資源分布不均,生態(tài)環(huán)境脆弱,是我國(guó)土壤侵蝕分布較集中的區(qū)域之一。以包頭市為研究對(duì)象,基于內(nèi)蒙古自治區(qū)省級(jí)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE),結(jié)合內(nèi)業(yè)解譯與外業(yè)復(fù)核獲得模型相關(guān)參數(shù),計(jì)算2019年監(jiān)測(cè)區(qū)不同地類(lèi)、不同強(qiáng)度等級(jí)水土流失面積及其分布情況,并與2018年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,以期能為內(nèi)蒙古自治區(qū)水土流失治理工作提供數(shù)據(jù)支持。
包頭市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部,南臨黃河,東側(cè)為土默川平原,西側(cè)與河套平原相鄰,陰山山脈橫貫全市中部,總面積27 768 km2,下轄東河區(qū)、昆都侖區(qū)、青山區(qū)、石拐區(qū)、白云區(qū)、九原區(qū)6個(gè)區(qū),固陽(yáng)縣1個(gè)縣,土默特右旗、達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗2個(gè)旗。包頭市屬半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年降水量421.8 mm,黃河流經(jīng)包頭境內(nèi)214 km,是該地區(qū)最重要的水資源。
本研究所需氣象資料為省級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)及其周邊各氣象站1985—2015年的日降水量數(shù)據(jù);土壤資料為30 m分辨率土壤可蝕性因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù);地形資料為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)1∶5萬(wàn)DEM 數(shù)據(jù);植被覆蓋資料為2016、2017、2018年250 m空間分辨率的MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)產(chǎn)品,以及監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)分辨率2 m的高分辨率遙感影像;此外,還收集了監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)土地狀況和水土保持重點(diǎn)工程設(shè)計(jì)、實(shí)施等相關(guān)資料,用于土地利用解譯參考及動(dòng)態(tài)變化成果分析、校核。
采取CSLE模型進(jìn)行水力侵蝕模數(shù)的計(jì)算,計(jì)算公式為
A=R·K·L·S·B·E·T
(1)
式中:A為土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·a),用冷暖季日雨量算法[1]計(jì)算;K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm),指在有降雨、地表徑流或二者兼有之時(shí),土壤抵抗雨滴打擊和徑流沖刷的能力[2],本研究中使用的R因子和K因子數(shù)據(jù)由水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心提供;L為坡長(zhǎng)因子,無(wú)量綱,其精度取決于DEM精度和不同計(jì)算方法的精度[3];S為坡度因子,無(wú)量綱,本研究中L因子和S因子計(jì)算采用MCCOOL et al.[4]的緩坡坡度公式;B為植被覆蓋與生物措施因子,無(wú)量綱,本研究參照《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》計(jì)算園地、林地、草地的B因子值,其他土地利用類(lèi)型通過(guò)表1賦值;E為工程措施因子,無(wú)量綱;T為耕作措施因子,無(wú)量綱,本研究參照《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》對(duì)E因子和T因子賦值。本研究中涉及的E、T因子值見(jiàn)表2。
表1 B因子賦值
表2 E、T因子賦值
在風(fēng)力侵蝕地區(qū),根據(jù)土地利用解譯結(jié)果,分別選用耕地、草(灌)地和沙地(漠)風(fēng)力侵蝕模型,計(jì)算各土地利用的土壤侵蝕模數(shù), 計(jì)算時(shí)不考慮起沙風(fēng)速。
耕地土壤侵蝕模型為
(2)
式中:Qfa為耕地風(fēng)蝕模數(shù),t/(hm2·a);W為表土濕度因子,取值0~1;Tj為一年內(nèi)風(fēng)蝕發(fā)生期間各風(fēng)速等級(jí)的累積時(shí)間,min;Z0為地表粗糙度,cm;A為與耕作措施有關(guān)的風(fēng)速修訂系數(shù),無(wú)量綱,本研究取值0.893;Uj為第j個(gè)風(fēng)速等級(jí)的平均風(fēng)速,m/s;a1、b1、c1均為與土壤類(lèi)型有關(guān)的常數(shù),無(wú)量綱,分別取值-9.208、0.018、1.955。
草(灌)地土壤侵蝕模型為
Qfg=0.018(1-W)∑Tjexp[a2+b2V2+c2/(AUj)]
(3)
式中:Qfg為草(灌)地風(fēng)蝕模數(shù),t/(hm2·a);V為植被蓋度,%;a2、b2、c2均為與土壤類(lèi)型有關(guān)的常數(shù),無(wú)量綱,分別取值2.486 9、-0.001 4、-54.947 2;其余符號(hào)意義同上。
沙地(漠)土壤侵蝕模型為
Qfs=0.018(1-W)∑Tjexp[a3+b3V+
c3ln(AUj)/(AUj)]
(4)
式中:Qfs為沙地(漠)風(fēng)蝕模數(shù),t/(hm2·a);a3、b3、c3均為與土壤類(lèi)型有關(guān)的常數(shù),無(wú)量綱,分別取值6.168 9、-0.074 3、-27.961 3;其余符號(hào)意義同上。
分析每個(gè)柵格的侵蝕類(lèi)型,按照《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)判斷土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí),將水力侵蝕或風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度不小于輕度的柵格判定為水力侵蝕或風(fēng)力侵蝕類(lèi)型區(qū)。比較每個(gè)柵格的水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度,僅保留強(qiáng)度高的侵蝕類(lèi)型。對(duì)于只有某一類(lèi)侵蝕類(lèi)型的柵格,統(tǒng)計(jì)這類(lèi)侵蝕的微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈等各級(jí)強(qiáng)度的面積。輕度及其以上各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度面積之和為水土流失面積。
包頭市2019年土壤侵蝕面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。包頭市土壤侵蝕面積為16 637.30 km2,其中:輕度侵蝕最多,面積為13 878.16 km2,占侵蝕總面積的83.42%;中度侵蝕次之,面積為2 533.96 km2,占15.23%;強(qiáng)烈侵蝕面積為94.97 km2,占0.57%;極強(qiáng)烈侵蝕面積為
表3 2019年包頭市土壤侵蝕面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果
34.52 km2,占0.21%;劇烈侵蝕面積為95.69 km2,占0.58%。總體上看,各旗(縣、區(qū))整體土壤侵蝕強(qiáng)度較弱,但局部仍然存在較為嚴(yán)重的水土流失。
對(duì)比2018、2019年包頭市水土流失面積監(jiān)測(cè)結(jié)果(表4),總體來(lái)看,相比2018年,2019年包頭市各旗(縣、區(qū))水土流失面積均有所減少。結(jié)合遙感影像解譯成果和各因子分析結(jié)果,東河區(qū)有0.30 km2的草地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,0.37 km2的建設(shè)用地變?yōu)椴莸?,同時(shí)由于降水量增加,該區(qū)河道變寬,植被覆蓋度增加,因此該區(qū)土壤侵蝕面積略有減少;昆都侖區(qū)有0.02 km2的建設(shè)用地變?yōu)楹雍?kù)塘,0.10 km2的耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,該區(qū)面積較小且城區(qū)面積較大,人類(lèi)擾動(dòng)基本穩(wěn)定,土壤侵蝕面積略有減少,但由于土地利用解譯的偽變化導(dǎo)致采礦用地面積增加,極強(qiáng)烈侵蝕面積增加較多;青山區(qū)有0.37 km2的城鎮(zhèn)建設(shè)用地變?yōu)槠渌莸兀?.01 km2的耕地變?yōu)槠渌ㄔO(shè)用地,土壤侵蝕面積略有減少,但由于解譯中偽變化導(dǎo)致采礦用地面積增加,
表4 2019年包頭市水土流失變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果
中度、強(qiáng)烈侵蝕面積有不同程度的增加;石拐區(qū)有0.04 km2的耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,0.21 km2的草地變?yōu)椴傻V用地,因此中度和強(qiáng)烈侵蝕面積有所增加,同時(shí)解譯中的偽變化導(dǎo)致裸土地減少,侵蝕面積減少,此外該區(qū)林地、草地占比很大,植被覆蓋度增加使得總侵蝕面積減少;白云區(qū)新增河湖庫(kù)塘0.22 km2,土壤侵蝕面積略有減少;九原區(qū)新增0.05 km2河湖庫(kù)塘用地,0.08 km2采礦用地變?yōu)槠渌莸兀?.12 km2草地變?yōu)椴傻V用地,解譯中的偽變化造成林地面積增加,土壤侵蝕面積有所下降;土默特右旗新增河湖庫(kù)塘用地0.81 km2,土壤侵蝕面積略微下降,但由于土地利用解譯的偽變化導(dǎo)致采礦用地面積增加,中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕面積增加;固陽(yáng)縣新增河湖庫(kù)塘用地1.45 km2,0.06 km2城鎮(zhèn)建設(shè)用地變?yōu)椴莸?,侵蝕面積減少,且該區(qū)種草、封育等生態(tài)措施效果明顯,大面積山地植被蓋度增加,生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目較少,人為擾動(dòng)面積不大,因此水土流失面積減少;達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗造林和封育面積不斷增大,植被覆蓋度有所提升,因此水土流失面積有所減少。
包頭市各旗(縣、區(qū))土壤侵蝕以輕度侵蝕為主,但局部仍然存在較為嚴(yán)重的水土流失。2019年水土流失面積較2018年有所下降,極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積減少,輕度侵蝕面積增加,這表明該區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度由高向低轉(zhuǎn)移,水土保持措施效果較為顯著。植被覆蓋度及河湖庫(kù)塘面積的增加均對(duì)此結(jié)果有積極影響,但局部生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目等人為擾動(dòng)造成小范圍的水土流失加劇,仍需加強(qiáng)水土流失預(yù)防監(jiān)督工作。