退耕還林和降雨對中陽縣土壤侵蝕的影響

邱一丹，李錦榮，孫保平，張雪彪，鐘曉娟，王引乾，周湘山，馮 磊

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

1 研究區(qū)概況

中陽縣位于晉西呂梁山中段西側(cè)。地勢由東南向西北傾斜，平均海拔1 473.4 m。東南部為土石森林區(qū)，西部為黃土丘陵區(qū)，沿川為河谷區(qū)。全縣總面積1 423 km2，其中山區(qū)、丘陵面積占87.3%，是山西省水土流失重點(diǎn)縣。境內(nèi)溝壑縱橫，梁峁起伏，地形支離破碎，水土流失嚴(yán)重，氣候干旱少雨。2000年成為退耕還林（草）試點(diǎn)示范縣、國家林業(yè)局退耕還林（草）科技試驗(yàn)縣，全縣完成退耕還林317km2，其中退耕地造林97 km2，荒山造林210 km2，封山育林10 km2。土壤主要以灰褐色、黃綿土為主[2]。

2 研究方法

以通用水土流失預(yù)報(bào)模型（USLE）為原型，借鑒國內(nèi)外有關(guān)研究成果，與GIS 結(jié)合后，實(shí)現(xiàn)了土壤侵蝕模型的建立。具體研究方法及各因子確定如圖1 所示。

圖1 通用土壤流失方程運(yùn)算流程

ULSE 的方程形式如公式（1 所示）；

式（1）中各因子的定義和表達(dá)式為：A——某地塊多年平均降雨徑流年土壤流失量（t/hm2·a）；R——年降雨侵蝕力因子（MJ·mm/hm2·h·a），系年平均R 值；K——土壤可蝕性因子；L——坡長因子，無量綱；S——坡度因子，無量綱；C——植被因子，無量綱；P——土壤保持措施因子，無量綱。

2.1 R 值的確定

研究采用在我國最廣泛使用的降雨侵蝕力指標(biāo)EI30[3]。據(jù)資料分析，該地區(qū)水土流失季節(jié)為5～10月份，當(dāng)降雨量≥9.4 mm，最大30 min 雨強(qiáng)≥4 mm時(shí)將會(huì)引起土壤流失。侵蝕降雨多集中在7～9月，占年降水總量73%。為了簡化實(shí)際工作中月值的計(jì)算過程，建立了7～9月降雨量（h）與年侵蝕力回歸方程：（相關(guān)系數(shù)r=0．85）[5]。中陽縣1999年R=3 463.61，2005年R=6 461.99。

2.2 K 值的確定

K 的計(jì)算公式[6-7]：

式中：Sa是砂粒（0.1～2 mm）含量（%），Si是粉粒（0.002～0.1 mm）含量（%），Ci黏粒（<0.002 mm）含量%，C 有機(jī)碳含量（%），Sn=（1-Sa/100）。

由于提取出砂粒（0.062 5～2 mm），黏粒（＜0.002 mm）和粉粒（0.002～0.062 5 mm）的分類標(biāo)準(zhǔn)不一致，利用三次樣條插值方法實(shí)現(xiàn)粒徑之間的轉(zhuǎn)換[8]。

2.3 LS 值的確定

2.3.1 坡度因子S 坡度提取直接利用ArcGIS 提取坡度[9]。緩坡上選用McCool 等研究的坡度公式，見（2）和式（3）；在陡坡上采用劉寶元的坡度公式，見式（4）。

式中：S 為坡度因子；θ為坡度。

式中λ——坡長（m）（在本研究中利用ArcGis提?。?；m——坡長效應(yīng)指數(shù)，當(dāng)坡度5%，m=0.5。

2.4 C 值的確定

2.4.1 植被蓋度c 的提取 研究采用歸一化差值植被指數(shù)計(jì)算植被覆蓋度（c）[10-11]。將歸一化植被指數(shù)（NDVI）公式簡化可以得到：

其中：NDVI 為所求像元的歸一化植被指數(shù)。NDVImin和NDVImax分別為研究區(qū)NDVI 的最小值和最大值。此模型是在對光譜信號進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立植被指數(shù)與植被覆蓋度的關(guān)系，不依賴于實(shí)測數(shù)據(jù)，適用于本研究。

2.4.2 C 值的計(jì)算

利用c 與C 值的關(guān)系式：

2.5 因子P 的確定

研究中P 的賦值方法是參照劉得俊等的研究成果[13]（表1）。

表1 退耕還林前后P 值變化

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié) 果

計(jì)算出A 后根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)（SL190-2007）》分級，按30 m×30 m 的柵格大小輸出土壤侵蝕等級分布圖（圖2）。

3.2 土壤侵蝕狀況分析

從圖2 可知，自1999年退耕還林以來，東部地區(qū)土壤侵蝕狀況減輕，而西部地區(qū)土壤侵蝕加重，特別是在村鎮(zhèn)聚集的地方。中部是中陽縣河谷區(qū)，占總面積的2.5%，位于南川河兩岸，地形平坦，是全縣主要的農(nóng)業(yè)區(qū)。西部黃土丘陵區(qū)占總面積的43%，多呈梁峁?fàn)铧S土丘陵，地表破碎，梁峁交錯(cuò)，自然植被稀疏，坡耕地隨處可見，水土流失嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平甚低，是中陽縣水土流失的主要發(fā)生地。從1999年到2005年具體侵蝕情況看表2。

圖2 1999年2005年中陽縣土壤侵蝕圖

表2 中陽縣土壤侵蝕矩陣轉(zhuǎn)移分析表

通過計(jì)算，得出中陽縣1999年平均土壤侵蝕模數(shù)為1 525.03 t/（km2·a），屬于輕度侵蝕，年度侵蝕量為484.81 萬t，2005年為1 878.03t/（km2·a），屬于輕度侵蝕，年侵蝕量為597.03 萬t。2005年平均侵蝕模數(shù)比1999年增加了17.8%。

圖3 中陽縣1999年與2005年各等級侵蝕量對比。由圖3 可以看出，除微度、輕度和重度侵蝕量有減少外，其他3 個(gè)等級的侵蝕量都有所增加。其中，微度侵蝕量下降了15.24%，重度侵蝕量下降了13.70%。極強(qiáng)度侵蝕量增加最明顯，達(dá)到87.5 t。可見，從1999年到2005年中陽縣土壤侵蝕有所加強(qiáng)。

圖3 中陽縣1999年與2005年各等級侵蝕量對比

3.3 原因分析

土壤侵蝕的變化是受自然和人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。對于自然因素，由于本研究區(qū)中陽縣全縣泥沙主要來源是黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)土質(zhì)疏松，大部分耕地是坡地。雖然地形因子是通用土壤流失方程中對水土流失強(qiáng)度作用貢獻(xiàn)最大的因子[14]，但地形隨時(shí)間的變化較小，在中陽縣以面蝕、溝蝕為主，鱗狀面蝕和滑坡等重力侵蝕為輔的侵蝕形式，受坡面徑流的水里沖刷而產(chǎn)沙劇增，受降雨的影響很大。

對于人類活動(dòng)因素，主要考慮了工程耕作措施的變化。但為了區(qū)分二者對于土壤侵蝕的具體影響，分別模擬了僅考慮降雨因素和僅考慮退耕還來（草）兩種情況下2005年的土壤侵蝕情況[1]。其過程和結(jié)果如下：（1）僅考慮降雨因素：用2005年的降雨侵蝕力因子與1999年其它因子計(jì)算出只有降雨作用下的A 值，計(jì)算得出侵蝕模數(shù)為3 110.16 t/（km2·a）；（2）僅考慮退耕還林：用2005年的植被覆蓋因子與1999年的其它因子計(jì)算出只有退耕還林情況下的A 值，計(jì)算得出侵蝕模數(shù)為2 150.20 t/（km2·a）；（3）降雨和退耕還林都考慮：用2005年的降雨侵蝕力因子和植被覆蓋因子與1999年的其它因子計(jì)算在降雨和退耕同時(shí)影響下的A 值，計(jì)算出侵蝕模數(shù)為2 308.06 t/（km2·a）。與二者的共同作用結(jié)果相比可知，降雨變化加劇了土壤侵蝕，使得侵蝕模數(shù)增加34.75%，而退耕還林（草）減少了土壤侵蝕，侵蝕量降低6.84%。

4 結(jié) 論

自1999年實(shí)施退耕還林到2005年，中陽縣土壤侵蝕狀況依然加強(qiáng)。主要有以下兩個(gè)原因：（1）2005年的降雨侵蝕力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1999年，超過了86%，導(dǎo)致土壤侵蝕的加劇，使得侵蝕量增加了34.75%，這種變化主要是降水時(shí)空分布不均引起的；（2）退耕還林（草）減少了土壤侵蝕，侵蝕量降低6.84%。結(jié)果表明，退耕還林（草）政策的實(shí)施對中陽縣土壤侵蝕有減少作用，利于該縣的生態(tài)環(huán)境發(fā)展。但自然因素例如降雨的作用也不可忽視，甚至在一定情況下會(huì)成為土壤侵蝕的主導(dǎo)因子。

5 討 論

據(jù)查相關(guān)資料得知，中陽縣處于晉西黃土丘陵溝壑區(qū)，是國家級貧困縣，是山西省57 個(gè)水土流失最嚴(yán)重的縣之一。中陽縣多年平均侵蝕量為1 013.25 萬t，侵蝕模數(shù)為7 065 t/（km2·a）。由此可見，筆者所計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)與前人研究存在差異。但是在上世紀(jì)90年代以前，計(jì)算土壤侵蝕量的主要方法是由水文站根據(jù)河水含沙量推算出的輸沙模數(shù)代替侵蝕模數(shù)，缺乏一定科學(xué)性[29]。文中的土壤侵蝕模數(shù)由于在GIS 提取中是柵格單元的平均值，數(shù)值偏小，具體準(zhǔn)確數(shù)值有待進(jìn)一步考證。

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