史飛航 張悅

(長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

21世紀(jì)以來(lái)土地退化問(wèn)題已成為全球?qū)W者研究土地變化的重要難點(diǎn)，而土壤侵蝕是引起土地退化的主要方式之一[1,2]。為了治理嚴(yán)重的水土流失，國(guó)家在延安市實(shí)施了一系列生態(tài)工程，對(duì)水土流失控制、生態(tài)環(huán)境改善等均取得了顯著成效，縱觀國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤侵蝕與水土保持的研究進(jìn)展[3-7]，如何更好地保障土地資源的可持續(xù)利用是進(jìn)一步需要研究的方向。在此背景下針對(duì)土地利用與土壤侵蝕變化研究還比較缺乏，本文基于多序列遙感影像、數(shù)字高程模型(DEM)、氣象、土壤質(zhì)地等數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用GIS、RUSLE模型等方法，研究了不同時(shí)期不同土地利用與土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，為黃土高原水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

延安市位于陜西省北部地區(qū)，黃土高原中南部地區(qū)，北接榆林，南到渭河北山，西到甘肅，東接黃河，地理范圍為E107°41～110°31′，N35°21′～37°31′,總面積約為37037km2，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，是我國(guó)退耕還林的重點(diǎn)區(qū)域，也是黃河下游粗泥沙集中來(lái)源區(qū)。

2 研究方法

采用修正通用土壤流失方程模型(RUSLE)，并根據(jù)延安市地理環(huán)境特點(diǎn)和數(shù)據(jù)獲取條件確定各因子算法，模型表達(dá)式：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中，A為單位面積土壤侵蝕模數(shù)，t·(hm2·h·a)-1；R為降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)·(hm2·h·a)-1；K為土壤可蝕性因子，(t·hm2·h)·(hm2·MJ·mm)-1；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為地表植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

2.1 降雨侵蝕力

降雨變化作為重要的侵蝕變化影響因素，本文選用章文波[8-10]提出的降雨侵蝕力模型計(jì)算降雨侵蝕力較為精確。

(2)

α=21.568β-7.1891

(3)

(4)

式中，Mi表示第i個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力(MJ·mm)·(hm2·h·a)-1；Dj為半月內(nèi)第j天的日雨量≥12mm；k為時(shí)段內(nèi)的侵蝕性降雨天數(shù)；Pd12為日雨量≥12mm的日平均雨量；Py12為≥12mm日雨量總和相加的平均值；α、β為模型參數(shù)。

2.2 土壤可蝕性因子

土壤類型圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)采用EPIC模型[11]進(jìn)行計(jì)算不同類型土壤的K值。

(5)

式中，SAN、SIL、CLA和C分別代表砂粒、粉粒、黏粒和有機(jī)碳含量，其中，SN1=1-SAN/100。

2.3 地形因子

地形是誘導(dǎo)土壤侵蝕發(fā)生的重要因素，采用劉寶元[11]在CSLE模型中提出的地形因子算法：

LS=L×S

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，S為坡度因子；L為坡長(zhǎng)因子；θ為坡度；λ為坡長(zhǎng)；m為坡長(zhǎng)指數(shù)。

2.4 水土保持措施因子

水土保持措施因子的取值參考前人的研究成果以及結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行賦值，主要參照郭思琪等[5]相關(guān)研究。

表1 不同土地利用類型的水土保持措施因子

2.5 植被覆蓋與管理因子

水土保持研究中用C來(lái)反映植被情況對(duì)水土流失的效應(yīng)。采用的算法是參考蔡崇法[11]等研究提出的計(jì)算因子的算法，公式：

(11)

(12)

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù),NDVIsoil為最小值，NDVImax為最大值。

2.6 轉(zhuǎn)移矩陣

利用轉(zhuǎn)移矩陣研究不同地類和土壤侵蝕強(qiáng)度1990—2020年的流入與流出情況。

式中，M代表類型面積，n為轉(zhuǎn)移前、后的類型的總數(shù)，i、j為轉(zhuǎn)移前、后的類型情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時(shí)空變化

3.1.1 土地利用類型結(jié)構(gòu)變化特征

延安市隸屬于黃河流域，較長(zhǎng)時(shí)間處于土地超載利用，大量土地覆被遭受到破壞，改變了土地利用格局，不同的土地利用格局對(duì)于土壤侵蝕的影響也有較大差異。

圖1 延安市不同時(shí)期土地利用圖

對(duì)延安4個(gè)時(shí)段土地利用類型的數(shù)量變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到顯著的土地利用結(jié)構(gòu)特征及變化趨勢(shì)。1990—2020年延安市土地利用類型主要以耕、草地為主，耕地面積由11485.44km2減少為9348.22km2，草地面積由16221.25km2增加到17284.73km2，變化率分別為-18.61%和6.56%，其中，2000—2010年時(shí)段內(nèi)耕、草地面積變化最大，1990年間耕、草地占延安總面積74.81%，到2020年占總面積71.91%，30a間還是相對(duì)穩(wěn)定保持了農(nóng)牧占絕對(duì)主體的土地利用結(jié)構(gòu)特征。1990年延安地區(qū)林草覆蓋率為68.23%，其中林地覆蓋率僅為24.43%，直到2020年間林草植被覆蓋率增加到73.47%，林地和草地分別占比26.80%和46.67%，1990—2020年林、草地的變化率分別為9.69%和6.56%，面積分別增加了876.71km2和1063.48km2，多年間林地和草地的面積和占比都實(shí)現(xiàn)了較大的增長(zhǎng)，其中2000—2010年間林地的變化率達(dá)到了9.36%，草地的變化率也達(dá)到了8.57%，這個(gè)時(shí)段分別是林、草地增長(zhǎng)最快的時(shí)期。這與國(guó)家1999年以來(lái)全國(guó)(特別是黃土高原地區(qū))大規(guī)模實(shí)施退耕還林和封山禁牧等林業(yè)生態(tài)工程有著密不可分的關(guān)系。同時(shí)耕地、林、草地增幅較大、建設(shè)用地急速擴(kuò)張、水域維持穩(wěn)定的土地利用結(jié)構(gòu)變化情況，這與生保工程實(shí)施后土地覆被重建密切相關(guān)。建設(shè)用地的增加面積為163.59km2，變化率高達(dá)139.42%，變化相對(duì)劇烈，這與近30a來(lái)城市化高速發(fā)展密切相關(guān)。截至2020年，延安耕、草、林地面積分別為為9348.22km2、9926.70km2和17284.73km2，占地區(qū)總面積的25.24%、26.80%和46.67%，耕林草地總面積占區(qū)98.71%，其共同構(gòu)成以耕為主，農(nóng)、林、牧生態(tài)優(yōu)先的土地利用格局。

表2 1990—2020年不同土地利用類型變化

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移變化過(guò)程特征

1990—2020年延安市主要地類轉(zhuǎn)移變化過(guò)程呈現(xiàn)出耕、林、草地類之間流入和流出，耕地流向其它地類的面積為3116.79km2，其中95.56%流向林、草地，同時(shí)有9202.70km2的草、林地流入為耕地，導(dǎo)致2020年耕地面積與1990年相比減少了2139.28km2；草地減少主要流入到耕地和少部分林地，面積為1384.09km2，同時(shí)由耕、林地流入到草地的面積為2502.61km2，使得草地面積略微增加；林地減少主要流入到耕、草地，面積為429.98km2，同時(shí)從耕、草地發(fā)展為林地的面積為1328.65km2，林地面積也保持了相對(duì)增加；水域維持了上下波動(dòng)的規(guī)律，這與氣候的變化密切相關(guān)，建設(shè)用地大幅度增長(zhǎng)也主要與耕、草及未利用地的流入有關(guān)。

表3 1990—2020年延安市土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

為更清楚研究延安市30a來(lái)的土壤侵蝕情況，合理規(guī)避間隔年過(guò)大而導(dǎo)致偶然性誤差，本文將1990—2020年按間隔10a的方式共劃分為4個(gè)時(shí)段。降雨侵蝕力分別利用4個(gè)時(shí)段前后的多年平均值，利用計(jì)算得到的影響土壤侵蝕的各個(gè)因子利用RUSEL模型來(lái)計(jì)算各個(gè)時(shí)間段的土壤侵蝕模數(shù)，從而更準(zhǔn)確地研究延安市水土流失的防治情況。

根據(jù)水利部頒布的土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度分級(jí)。結(jié)果表明延安市30a間年均土壤侵蝕強(qiáng)度減幅巨大，其中各個(gè)時(shí)段年平均土壤侵蝕模數(shù)如下：時(shí)段1990年平均土壤侵蝕模數(shù)為2406.48t·(km2·a)-1，時(shí)段2000年為2171.80t·(km2·a)-1，時(shí)段2010年為747.51t·(km2·a)-1，時(shí)段2020年為234.16t·(km2·a)-1，侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)先增加后急劇降低的規(guī)律，且減幅巨大，時(shí)段2000—2010年平均土壤侵蝕模數(shù)降低最為顯著。根據(jù)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)演變的情況，證明了20世紀(jì)末以來(lái)延安地區(qū)開(kāi)始實(shí)施的封山禁牧和退耕還林等生保措施已經(jīng)取得了顯著的成效，2010—2020年土壤侵蝕強(qiáng)度降低較為明顯主要與延安市在2016年響應(yīng)國(guó)家號(hào)召進(jìn)一步加強(qiáng)統(tǒng)籌山水林田湖草沙治理密切相關(guān)。

表4 不同時(shí)段土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)及面積統(tǒng)計(jì)

圖2 不同時(shí)段的土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖

延安市30a間土壤侵蝕強(qiáng)度減輕(即侵蝕強(qiáng)度降級(jí))面積遠(yuǎn)大于加劇(即侵蝕強(qiáng)度升級(jí))的面積，整個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕在各個(gè)縣域均有明顯的減輕，各個(gè)縣域土壤侵蝕加劇的面積均小于土壤侵蝕減輕的面積。從土壤侵蝕變化的劇烈程度可以看出，在空間上侵蝕減弱的最明顯的區(qū)域主要集中在吳起縣、志丹縣等境內(nèi)。

基于1990—2020年土壤侵蝕的分析結(jié)果，得到研究時(shí)間段內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣，研究區(qū)內(nèi)有51.73%的區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)未發(fā)生變化；侵蝕強(qiáng)度減輕主要是由各級(jí)別的侵蝕逐步轉(zhuǎn)化為微度侵蝕所致，面積占比為35.79%，侵蝕強(qiáng)度由微度變?yōu)槠渌骷?jí)別的強(qiáng)度僅占比為0.04%，較高侵蝕等級(jí)向較低侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)換的比例也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于較低侵蝕強(qiáng)度向高侵蝕強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)換的比例，證明1990—2020年期間延安市土壤侵蝕強(qiáng)度不斷改善的同時(shí)，也較好地維持了微度侵蝕的穩(wěn)定，也從側(cè)面反映了黃土高原退耕還林還草工程帶來(lái)的巨大成效。

表5 1990—2020年延安市土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣

通過(guò)各時(shí)段的土地利用與土壤侵蝕強(qiáng)度結(jié)果，疊加分析得到耕、林、草及未利用地的土壤侵蝕特征。主要表現(xiàn)為耕、草地的侵蝕強(qiáng)度從1990年的輕度侵蝕減幅為2020年的微度侵蝕，平均侵蝕模數(shù)極劇降低，微度侵蝕增幅面積達(dá)到26.64%，而相應(yīng)的劇烈侵蝕降低到0%。草地平均侵蝕模數(shù)減幅高達(dá)1367.26t·(km2·a)-1，平均侵蝕模數(shù)減小68.32%。林地侵蝕強(qiáng)度由1990年的輕度侵蝕降低為2020年微度侵蝕，平均侵蝕模數(shù)減幅最大，高達(dá)946.78t·(km2·a)-1，平均侵蝕模數(shù)減少占比高達(dá)88.96%，微度侵蝕增幅面積達(dá)到83.64%。1990—2020年延安市在降雨侵蝕力出現(xiàn)相對(duì)增加的情況下，耕、林、草地的平均侵蝕模數(shù)不斷減小，并且此3種地類的土壤侵蝕模數(shù)減幅巨大。

延安市近30a來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)布局維持基本穩(wěn)定，呈現(xiàn)出農(nóng)、林、牧復(fù)合的土地利用格局。不同時(shí)段不同土地利用的土壤侵蝕模數(shù)差異較大，4個(gè)時(shí)段主要土地利用類型呈現(xiàn)出耕地>草地>林地的分布規(guī)律特征，這主要與耕地的輪番耕作及生態(tài)工程的時(shí)間成效等有密切的關(guān)系。

4 結(jié)論

延安市地處黃土高原腹地，是黃河流域的重要區(qū)域，是水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)。從20世紀(jì)90年代以來(lái)，該區(qū)境內(nèi)已經(jīng)實(shí)施了一系列生態(tài)保護(hù)工程措施，本文研究不同時(shí)期不同土地利用與土壤侵蝕變化，為黃土高原水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

延安市1990—2020年土地利用類型主要以耕、草地為主，共同構(gòu)成以耕為主，農(nóng)、林、牧生態(tài)優(yōu)先的土地利用格局，并且該主體的土地利用結(jié)構(gòu)特征保持了相對(duì)穩(wěn)定。耕、林、草、水域和建設(shè)用地30a間的變化率為-18.61%、9.69%、6.56%、3.17%、139.42%，地類間的轉(zhuǎn)移主要呈現(xiàn)耕地流入林、草地和建設(shè)用地，集中分布在退耕還林重點(diǎn)縣域內(nèi)；2000—2010年耕、林和草地的變化率分別為-19.28%、9.36%和8.57%，變化最為劇烈。

延安市1990—2020年土壤侵蝕在各縣域均有明顯的減輕，侵蝕強(qiáng)度減輕面積遠(yuǎn)大于加劇面積，在空間上侵蝕減弱的最明顯主要集中在延安市退耕還林重點(diǎn)縣域內(nèi)，各時(shí)段不同土地利用的土壤侵蝕差異較大，平均土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)隨植被覆蓋度增加而降低，林、草地抑制土壤侵蝕最為顯著，整體對(duì)土壤侵蝕得抑制作用呈現(xiàn)出林地>草地>耕地，此規(guī)律主要與耕地的輪番耕作及生態(tài)工程的時(shí)間成效等有密切的關(guān)系。