退耕還林還草工程實施對洛河流域土壤侵蝕的影響

崔曉臨,雷 剛,王 濤,郝寧燕,付立萌,李貝貝

(西安科技大學 測繪科學與技術學院,西安 710054)

?

退耕還林還草工程實施對洛河流域土壤侵蝕的影響

崔曉臨,雷 剛,王 濤,郝寧燕,付立萌,李貝貝

(西安科技大學 測繪科學與技術學院,西安 710054)

退耕還林還草工程是中國實施的重要生態環境建設與保護工程，對區域植被覆蓋及土壤侵蝕產生重要影響。以洛河流域(陜北黃土高原部分)為研究對象，利用流域通用土壤侵蝕方程(RUSLE)，結合流域降雨、土壤類型、DEM、植被覆蓋等數據，定量分析了2000—2010年退耕還林還草工程實施對流域土壤侵蝕的影響。結果表明：(1)洛河流域2000—2010年耕地面積減少，林地、草地面積增加，土地利用變化主要發生在2000—2005年；(2)洛河流域2000—2010年土地利用變化導致植被NDVI平均值增大，耕地變化區域植被NDVI值增加幅度高于耕地未變化區域，表明耕地變化區域植被NDVI增加對耕地區域總體植被NDVI值增加貢獻較大；(3)降雨侵蝕力和退耕還林還草工程實施對土壤侵蝕具有明顯的影響。受降雨侵蝕力增大影響，2000—2010年洛河流域土壤侵蝕呈增加趨勢；不考慮降雨侵蝕力變化情況下，洛河流域土壤侵蝕呈減少趨勢，反映出退耕還林還草工程實施對土壤侵蝕的減緩作用。

土壤侵蝕; 植被覆蓋; RUSLE; 洛河流域

退耕還林還草工程是中國規模較大的生態環境建設與保護工程，旨在改善區域生態環境，促進農村經濟結構調整及提高農民生活水平[1]，1999年開始在全國部分縣區開展退耕工作。陜北黃土高原是中國水土流失嚴重、生態環境脆弱區域，退耕還林還草工程實施，對區域植被覆蓋以及土壤侵蝕產生了重要影響。盡管退耕政策已實施多年，但土壤侵蝕狀況仍較嚴重，是黃河及其支流泥沙的主要來源地[2]，因此陜北黃土高原土壤侵蝕研究具有重要理論與現實意義。

土壤侵蝕是指土壤及其母質在水力、風力、凍融、重力等外力作用下，被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[3]。長期的土壤侵蝕會造成河流泥沙淤積、土地生產力下降，還會加劇洪澇和干旱等自然災害[4]，因此，土壤侵蝕已成為生態環境建設與保護不可忽視的問題。Wischmeier等[5]提出了通用土壤流失方程，在此基礎上一些學者提出了ANSWERS，CREAMS和AGNPS等土壤侵蝕模型[6-8]。20世紀80年代以后，國內研究人員利用美國通用土壤流失方程(USLE)結合GIS(Geographical Information System)和RS(Remote Sensing)技術，根據研究區的實際情況算出因子參數，從而得到土壤侵蝕經驗模型。目前來看，盡管已經建立基于中國國情的CSLE(Chinese Soil Loss Equation)模型[9]，但RUSLE模型仍是土壤侵蝕研究當中應用較為廣泛的模型[10]。

洛河和延河均是陜北黃土高原地區重要的河流，但延河流域研究明顯多于洛河流域，如謝紅霞等[11]利用RUSLE模型分析了1997年和2000年延河流域土壤侵蝕狀況，認為退耕還林還草工程實施引起的植被覆蓋改善以及降雨侵蝕力的增加對流域土壤侵蝕均產生了重要影響，但降雨侵蝕力增加導致的土壤侵蝕量明顯高于植被覆蓋改善減少的土壤侵蝕量。汪邦穩等[12]利用1986年、1997年和2000年數據分析了延河流域退耕前后土壤侵蝕變化。可見，退耕還林還草工程對延河流域土壤影響受到更多的關注，而洛河流域相對較少。

鑒于謝紅霞[11]、汪邦穩[12]等使用數據僅限于2000年前，而第一輪退耕還林還草工程在2008年已經結束，且于2014年底又重啟了第二輪，有必要對退耕還林還草工程長期實施對土壤侵蝕影響進行分析，可為新一輪工程實施提供理論支持與政策建議。基于此，本文以研究較少的洛河流域(陜北黃土高原部分)為對象，利用應用較為成熟、廣泛的RUSLE模型，結合流域降雨數據、DEM、植被覆蓋、土壤類型等數據，分析2000—2010年退耕還林還草工程實施對土壤侵蝕的影響。

1　試驗材料與方法

1.1研究區概況

研究對象主要為洛河流域位于陜北黃土高原的部分，地處中國西北部陜西省境內(107°33′—109°51′E，35°19′—37°19′N)，包括榆林地區的定邊縣和靖邊縣部分區域，延安地區的吳起縣、志丹縣、甘泉縣、富縣、黃陵縣和洛川縣，以及黃龍縣部分區域。流域內海拔為688～1 900 m，西北部地勢較高，中部洛河河谷區域地勢較低。地貌屬黃土丘陵溝壑地貌，植被覆蓋南部區域高于北部，且南部區域以林地為主，而北部區域以草地為主。流域所在區域屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為14.1℃，年均降水量為533 mm，降水主要集中在夏秋季節，同時也是土壤侵蝕的高發時期。夏秋季的集中降水、地表植被覆蓋狀況以及地勢、土壤類型等決定了洛河流域也是土壤侵蝕較為嚴重的區域。

1.2研究方法

1.2.1數據來源研究使用數據包括：(1)陜北黃土高原地區30 m分辨率DEM數據，來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http:∥www.gscloud.cn)。DEM的用途有二:一是利用DEM提取洛河流域范圍；二是利用DEM生成坡度，用于計算土壤侵蝕因子。(2)1991—2010年7個站點(榆林、橫山、綏德、延安、定邊、吳起、洛川)逐日降水數據，結合洛河流域范圍，文中選擇定邊、吳起、延安和洛川4個站點，用于計算2000年、2005年和2010年流域降雨侵蝕力。(3)1∶50萬陜西省土壤圖，利用洛河流域邊界，提取流域土壤類型空間分布圖。(4)250 m分辨率MODIS NDVI 13Q1-Level 3數據(2000年、2005年和2010年)，收集自http:∥ladsweb.nasa.gov。(5)陜西省1∶10萬土地利用類型矢量圖(2000年、2005年和2010年)，來源于“全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估”項目。

1.2.2土壤侵蝕計算土壤侵蝕計算采用RUSLE模型，表達式如下[13]：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為年均土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可侵蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為地表覆蓋因子；P為水土保護措施因子。

(1)降雨侵蝕力因子(R)。R因子反映的是區域內降雨對地表土壤的侵蝕能力。采用章文波等[14-15]提出的計算方法：

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

(4)

式中：Ri為第i年的降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；k為一年中形成侵蝕性降水的天數(d)；Pi為第i天的侵蝕性降雨量(mm)；降雨≥12 mm/d是形成侵蝕性降雨的條件，小于該值則記為0 mm[16]；α和β為系數，由Pd12和Py12計算得到，其中Pd12為降雨≥12 mm/d的多年平均日降雨量(mm)，Py12為降雨≥12 mm/d的年平均降水量(mm)。

(2)土壤侵蝕因子(K)。K因子反映土壤抵抗降雨侵蝕的能力，通過EPIC模型計算[17]:

(5)

式中：M，F，N為土壤中砂粒、粉沙粒和黏粒質量分數(%)；T為土壤有機碳質量分數(%)；δ=1-M/100。計算出的結果乘以0.1317轉化為國際制單位。

(3)地形因子(LS)。LS因子包括坡長(L)因子和坡度(S)因子，基于DEM并參考Renard[18]、McCool[19]和Liu[20]等的計算方法得到，計算方法如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：λ為坡長；α為坡長指數；θ為坡度(%)。

(4)植被覆蓋因子(C)。C因子反映地表覆蓋狀況對土壤侵蝕的影響，主要基于MODIS NDVI數據計算得到[21]，計算方法如下：

AVHRR NDVI=0.18MODIS NDVI+0.131

(10)

(11)

式中：α和β取值分別為2，1；C值通過AVHRR NDVI計算得到，需要先將MODIS NDVI轉化為AVHRR NDVI再計算。

(5)水土保持措施因子(P)。P因子計算通過以下公式[22]：

P=0.2+0.03θ

(12)

式中：θ為坡度(%)。

2　結果與分析

2.1土地利用變化

洛河流域2000年、2005年和2010年土地利用結構均以林地、草地和耕地為主，三者占流域比例在95%以上，其他用地(水域、建設用地、未利用地)面積比例低于5%。受退耕還林還草工程實施影響，洛河流域2000—2010年林地、草地呈增加趨勢，二者所占面積比例分別由2000年的44.48%和33.70%增加到2010年的45.15%和36.86%，分別增加0.66%和3.16%；耕地面積呈減少趨勢，面積比例由2000年20.97%減少到2010年的16.87%，減少4.09%(圖1A)，可見，2000—2010年洛河流域耕地面積減少最大，而草地面積增加最多。

圖1 洛河流域2000—2010年土地利用結構及各時段變化量

變化量上，草地、耕地是洛河流域面積變化量最大的土地利用類型，其次為林地。2000—2010年，洛河流域草地和林地分別由2000年的6 044.21 km2，7 977.26 km2增加到2010年的6 623.81 km2，8 113.07 km2，分別增加了579.60 km2，135.81 km2；耕地面積由2000年的3 759.67 km2減少到2010年的3 032.19 km2，減少727.48 km2(圖1B)。變化階段上，2000—2005年是洛河流域土地利用劇烈變化時期，2005—2010年土地利用變化較緩。具體表現為，2000—2005年林地、草地增加面積分別占2000—2010年總增加面積的92.72%和84.29%，耕地減少面積占93.11%。以上分析表明，2000—2010年洛河流域土地利用以林地、草地和耕地為主，受退耕還林還草工程實施影響，流域內草地面積增加最大，而耕地面積減少最多，并且土地利用劇烈變化主要發生在2000—2005年。

2.2植被NDVI變化

退耕還林還草工程實施引起的洛河流域土地利用變化，必然影響流域內植被覆蓋變化，植被NDVI是植被覆蓋的重要反映。基于2000—2010年洛河流域耕地數據，獲取2000年耕地區域、2000—2010年耕地未發生變化區域和2000—2010年耕地變化區域，結合2000年、2005年和2010年流域MODIS NDVI數據，得到不同耕地區域植被NDVI變化情況，見表1。

由表1可知，洛河流域2000—2010年植被NDVI均值較高，反映出流域內植被覆蓋水平較高。對于2000年為耕地的區域，總體上植被NDVI值由2000年的0.501 7增加至2010年的0.625 9，增加24.76%。植被NDVI值的增加得益于退耕還林還草工程實施引起的耕地向林地、草地的轉變。結合2000—2010年耕地區域是否發生變化，即2000年是耕地，2010年是否轉變為其他土地利用類型，劃分為耕地未變化區域和耕地變化區域。可知，2000年耕地區域的植被NDVI變化，受到該兩部分區域的影響。對于2000—2010年耕地未變化區域，植被NDVI值由2000年的0.511 6增加至2010年的0.627 5，增加22.65%；而2000—2010年耕地變化區域，植被NDVI值由2000年的0.461 3增加至2010年的0.619 5，增加34.39%。對比可知，2000—2010年耕地未變化區域植被NDVI值明顯高于同期耕地變化區域，但耕地變化區域植被NDVI值增加對耕地區域植被NDVI值增加貢獻較大。其原因可能為，退耕還林還草工程實施，主要針對坡耕地及生產力較低的耕地，該部分耕地植被NDVI較小；同時，由于耕地轉變為林地、草地初期，植被覆蓋度較小，植被NDVI值較低，通過較長時間的生長發育，植被覆蓋率升高，植被NDVI值逐漸增加。

表1　不同耕地區域植被NDVI均值變化

2.3土壤侵蝕變化

退耕還林還草工程實施，促使洛河流域耕地向林地、草地的轉變，從而引起植被NDVI的變化，植被覆蓋得到一定程度的改善。對于RUSLE模型估算流域土壤侵蝕，模型中除降雨侵蝕力(R)、植被覆蓋和管理因子(C)每年均有變化外，其他因子各年份的變動很小，故不同年份土壤侵蝕的估算值，主要受到R因子和C因子的影響。結合前文可知，退耕還林還草工程實施影響到C因子的變化，而R因子作為自然因素，不受控于人為作用。通過計算R因子可知，2000年、2005年和2010年洛河流域降雨侵蝕力平均值分別為1 236，1 326，1 550 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，呈增加趨勢。

利用RUSLE模型計算得到洛河流域2000年、2005年和2010年年土壤侵蝕量，參照國家標準[23]，將土壤侵蝕程度劃分為6個等級，分別是1級[微度侵蝕，<1 000 t/(km2·a)]、2級[輕度侵蝕，1 000～2 500 t/(km2·a)]、3級[中度侵蝕，2 500～5 000 t/(km2·a)]，4級[強烈侵蝕，5 000～8 000 t/(km2·a)]、5級[極強烈侵蝕，8 000～15 000 t/(km2·a)]、6級[劇烈侵蝕，≥15 000 t/(km2·a)]。統計各等級所占面積比例及面積比例在研究時段內的變化情況，得到圖2A和圖2B。鑒于降雨侵蝕力(R)具有增加趨勢，為了反映退耕還林還草工程實施的影響，在計算土壤侵蝕時，利用2000年降雨侵蝕力重新計算2005年和2010年土壤侵蝕量，統計各等級面積比例及面積比例在研究時段的變化情況，得到圖2C和圖2D。

注：A和B利用2000年、2005年和2010年降雨侵蝕力計算得到；C和D利用2000年降雨侵蝕力重新計算得到。

圖2洛河流域2000-2010年不同土壤侵蝕等級面積比例及變化

圖2A和圖2C表明，洛河流域2000—2010年土壤侵蝕以微度、輕度和中度侵蝕為主，其中微度侵蝕面積占80%以上，強烈、極強烈和劇烈侵蝕面積比例均較小。2000年、2005年和2010年降雨侵蝕力計算結果表明，洛河流域2000—2010年除微度侵蝕面積呈減少趨勢外，其他各土壤侵蝕等級均呈增加趨勢，同時可以看出，2005—2010年是土壤侵蝕減少和增加的主要時期(圖2A和圖2B)。利用2000年降雨侵蝕力重新計算2005年和2010年土壤侵蝕，結果表明，與圖2A和圖2B結果相反，除微度侵蝕呈增加趨勢外，其他各土壤侵蝕等級均呈減少趨勢，且2000—2005年是土壤侵蝕增加和減少的主要時期。

圖2B反映出受到降雨侵蝕力增加及植被覆蓋改善影響，洛河流域2000—2010年土壤侵蝕呈增加狀況；圖2D反映出，當降雨侵蝕力維持在2000年水平時，洛河流域2000—2010年土壤侵蝕受植被覆蓋改善的影響，表現為土壤侵蝕的減少。綜合二者可以認為，降雨侵蝕力和植被覆蓋對土壤侵蝕具有顯著的影響，洛河流域2000—2010年降雨侵蝕力對土壤侵蝕的增加作用明顯高于植被覆蓋的減少作用，總體呈現為土壤侵蝕增加趨勢。

2.4結果驗證

查閱黃河水資源和泥沙公報(2000—2010年)中洛河流域狀頭水文站2000—2010年年徑流量和年輸沙量數據(http:∥www.yellowriver.gov.cn)，繪制得到圖3。洛河流域2000—2010年年徑流量呈波動變化，但總體變化維持在6億m3左右，但年輸沙量呈明顯的減少趨勢(圖3)。

圖3　洛河流域狀頭水文站2000-2010年年徑流量和年輸沙量變化

在年徑流量變動不大情況下，年輸沙量呈顯著的減少趨勢，反映出洛河流域2000—2010年土壤侵蝕呈下降趨勢，顯然文中RUSLE模型計算的土壤侵蝕結果與水文站實測結果存在差異。原因可能為RUSLE模型計算得到土壤侵蝕結果是空間靜態狀況，與實際河流的輸沙量之間存在不一致性，二者之間需要通過坡面徑流相聯系，計算結果表明土壤侵蝕呈增加趨勢，而實測結果為減少趨勢，可能與退耕還林還草工程實施引起的地表植被覆蓋改善，減緩坡面徑流、涵蓄水源能力增加有關。

3　結 論

(1)洛河流域2000—2010年耕地面積減少，共減少727.48 km2，減少4.09%；林地、草地面積增加，分別增加579.60，135.81 km2，增加0.66%和3.16%；洛河流域土地利用變化主要發生在2000—2005年期間。

(2)洛河流域2000—2010年土地利用變化提高了植被平均NDVI值，流域內耕地區域植被NDVI值增加了24.76%，其中，耕地變化區域植被NDVI值增加34.29%，高于耕地未變化區域的22.65%。表明耕地變化區域植被NDVI增加對耕地區域總體植被NDVI值增加貢獻較大。

(3)降雨侵蝕力和退耕還林還草工程實施對土壤侵蝕具有明顯的影響。受降雨侵蝕力增大影響，2000—2010年洛河流域土壤侵蝕呈增加趨勢；不考慮降雨侵蝕力變化情況下，洛河流域土壤侵蝕呈減少趨勢，反映出退耕還林還草工程實施對土壤侵蝕的減緩作用。

致謝：非常感謝西北大學城市與環境學院楊勤科教授、評審專家及編輯部老師提出的寶貴建議，感謝澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO Land and Water)傅國斌研究員對文章英文摘要的修改。特此致謝！

[1]劉會靜,姜志德,王繼軍.黃土高原退耕區農業后續產業發展影響因素的多層線性分析[J].經濟地理,2014,34(2):125-130.

[2]甘枝茂,桑廣書.關于黃土高原退耕還林(草)問題[J].干旱區資源與環境,2002,16(1):62-65.

[3]韓富偉,張柏,宋開山,等.長春市土壤侵蝕潛在危險度分級及侵蝕背景的空間分析[J].水土保持學報,2007,21(1):39-43.

[4]何耀幫,趙永蘭,田國行,等.基于RS和GIS的伊河流域土壤侵蝕研究[J].中國農學通報,2012,28(20):237-242.

[5]Wischmeier W H,Smith D D.Predicting rainfall erosion losses from cropland east of the Rocky Mountains : A guide to conservation planning[M]∥Agriculture Handbook No.537.Washington D C: USDA,1978.

[6]Beasley D B,Huggins L F,Monke E J.Answers: A model for watershed planning[J].Transactions of the ASAE,1980,23(4):938-944.

[7]Young R A,Onstad C A,Bosch D D,et al.AGNPS: A nonpoint-source pollution model for evaluating agricultural watersheds[J].Journal of Soil and Water Conservation,1989,44(2):168-173.

[8]Knisel W G.CREAMS: A field-scale model for chemicals,runoff and erosion from agricultural management systems[R].Washington D C: USDA,2010.

[9]Liu Baoyuan,Zhang Keli,Xie Yun.An empirical soil loss equation[C]∥Proceedings 12th International Soil Conservation Organization Conference.Beijing: Tsinghua University Press,2002.

[10]Fu G,Chen S,McCool D K.Modeling the impacts of no-till practice on soil erosion and sediment yield with RUSLE,SEDD,and ArcView GIS[J].Soil and Tillage Research,2006,85(1):38-49.

[11]謝紅霞,李銳,楊勤科,等.退耕還林(草)和降雨變化對延河流域土壤侵蝕的影響[J].中國農業科學,2009,42(2):569-576.

[12]汪邦穩,楊勤科,劉志紅,等.延河流域退耕前后土壤侵蝕強度的變化[J].中國水土保持科學,2007,5(4):27-33.

[13]Yoder D,Lown J.The future of RUSLE: inside the new revised universal soil loss equation[J].Journal of Soil and Water Conservation,1995,50(5):484-489.

[14]章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學,2002,22(6):705-711.

[15]章文波,付金生.不同類型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學,2003,25(1):35-41.

[16]謝云,劉寶元.侵蝕性降雨標準研究[J].水土保持學報,2000,14(4):6-11.

[17]Sharpley A N,Williams J R.EPIC-erosion/productivity impact calculator: 1.Model documentation[J].Technical Bulletin-United States Department of Agriculture,1990,4(4):206-207.

[18]Renard K G,Foster G R,Weesies G A,et al.Predicting rainfall erosion by water: a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loess Equation (RUSLE)[M]∥Agricultural Handbook N0.730.Washington D C: USDA,1997.

[19]McCool D K,Brown L C,Foster G R,et al.Revised slope steepness factor for the Universal Soil Loss Equation[J].Transactions of the ASAE,1987,30(5):1387-1396.

[20]Liu B Y,Nearing M A,Risse L M.Slope gradient effects on soil loss for steep slopes[J].Transactions of the ASAE,1994,37(6):1835-1840.

[21]李天宏,鄭麗娜.基于RUSLE模型的延河流域2001—2010年土壤侵蝕動態變化[J].自然資源學報,2012,27(7):1164-1175.

[22]Lufafa A,Tenywa M M,Isabirye M,et al.Prediction of soil erosion in a Lake Victoria basin catchment using a GIS-based Universal Soil Loss model[J].Agricultural Systems,2003,76(3):883-894.

[23]中華人民共和國水利部.土壤侵蝕分類分級標準SL190—2007[S].北京:中國水利水電出版社,2007.

Impacts of Grain for Green Project on Soil Erosion in Luohe River Basin of Northern Shaanxi Province,China

CUI Xiaolin,LEI Gang,WANG Tao,HAO Ningyan,FU Limeng,LI Beibei

(College of Geomatics,Xi′an University of Science and Technology,Xi′an 710054,China)

Grain for Green Project (GGP)is an important ecological and environmental construction and protection engineering project in China,and it has great influence on vegetation cover and soil erosion.The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE),together with precipitation,soil type,DEM and vegetation cover,was used to investigate the impacts of GGP on soil erosion from 2000 to 2010 in Luohe River Basin,northern Shaanxi Province,China.Results showed that: (1)farmland decreased while forestland and grassland increased due to GGP,and land use change mainly occurred from 2000 to 2005; (2)the increase of vegetation NDVI value induced because of land use change from 2000 to 2010 in Luohe River Basin,and the increase rate of vegetation NDVI in farmland changing area was higher than that in the unchanged area; (3)both rainfall erosivity and GGP implementation have the significant impact on soil erosion.The increase of soil erosion in Luohe River Basin during 2000—2010 mainly resulted from the increase of rainfall erosivity.If rainfall erosivity keeps constant,then soil erosion in the basin would decrease because of the effects of GGP on soil erosion.

soil erosion; vegetation cover; RUSLE; Luohe River Basin

2015-09-15

2015-10-05

國家自然科學基金資助項目(41271103);黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室開放基金項目(A314021402-1616);西安科技大學培育基金資助項目(2014007);西安科技大學博士啟動金項目(2015QDJ061)

崔曉臨(1965—),女,陜西寶雞人,博士,副教授,主要從事土地利用變化與環境效應研究。E-mail:xiaolin_cui@xust.edu.cn

王濤(1984—),男,河南湯陰人,博士,講師,主要從事區域環境變化研究。E-mail:wht432@163.com

S157.1

A

1005-3409(2016)05-0068-06