退耕還林還草情境下的土壤侵蝕
——以寧夏彭陽縣為例

劉文輝， 璩向寧， 李曉宇， 曹園園

(寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地/西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏銀川 750021)

土壤侵蝕是土壤或其地面組成物質在自然營力作用下或在自然營力與人為活動的綜合作用下被剝蝕、破壞、分離、搬運和沉積的過程[1]。土壤侵蝕包括水蝕、風蝕、重力侵蝕、人為侵蝕等不同類型。其影響是破壞土壤結構、減少土壤養分，不僅使土地生產力下降、水土資源流失，而且造成河湖庫塘的泥沙淤積，加劇洪澇、干旱等災害發生，已成為危及人類生存與發展的重要環境問題之一[2]。土壤侵蝕在自然狀態下也一直存在，但劇烈的人類活動加速了土壤侵蝕的發生[3]。因此，關注大型生態工程驅動下的生態環境要素與土壤侵蝕過程的變化[2]很有必要。

修正通用土壤流失方程(the revised universal soil loss equation，RUSLE)是在美國農業部開發的通用土壤流失方程(the universal soil loss equation，USLE)的基礎上于1992年改進完善而來，是目前世界上應用最廣泛的基于坡面的水蝕預報經驗模型。隨著地理信息系統(GIS)技術不斷盛行，基于GIS運用USLE/RUSLE定量評估土壤侵蝕，已成為合理規劃、利用區域水土資源的有效手段，在世界許多國家得到廣泛研究和應用。我國學者已將USLE/RUSLE模型應用于小流域、流域、區域尺度的土壤侵蝕預測預報。秦偉等使用RUSLE模型并改進坡長算法，評估了黃土高原四面窯溝小流域的土壤侵蝕狀況[4]；龐國偉通過對人為因素的定量表征在RUSLE模型基礎上研究了黃土高原延河流域的土壤侵蝕與人類活動之間的關系[5]；郭建英等研究了退耕還林前后陜西吳起縣土壤侵蝕變化[6]；白曉松對北方山區土壤侵蝕進行了評價[7]。在GIS支持下，通過建立土壤侵蝕因子數據庫，用土壤侵蝕模型進行土壤侵蝕定量評價，是區域和大中流域土壤侵蝕研究的基本趨勢[8]。

本試驗采用RUSLE模型，在GIS與RS支持下對寧夏彭陽縣2000、2008、2014年3年的土壤侵蝕進行研究，考察退耕還林(草)工程前中后3期的土壤侵蝕變化情況，分析不同流域、不同地質區域的土壤侵蝕變化狀況，引入地形位指數與灰度關聯分析，研究坡度與人類活動對彭陽縣土壤侵蝕的影響，以期為區域生態環境建設、退耕還林(草)工程的下一步開展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

彭陽縣位于寧夏回族自治區南部，屬固原市，縣域位于106°32′～107°47′E、35°41′～36°17′N之間，地處黃土丘陵溝壑區第二副區，海拔1 248～2 418 m。地形分為北部黃土丘陵區、中部河谷殘源區、西南部土石質山區3個自然類型區，地勢由西北向東南呈波狀傾斜，境內地形支離破碎，山高坡陡，溝壑縱橫，是寧夏水土流失最嚴重的縣之一，也是全國重點水土保持區。彭陽縣境內河流水系屬于涇河流域，主要有茹河、紅河、安家川河。紅河是涇河一級支流，茹河、安家川河是涇河二級支流。土壤類型主要包括黃綿土、黑壚土、山地灰褐土等。多年平均降水量為433.6 mm，降水主要集中于6—10月，呈南多北少、西豐東欠的趨勢。多年平均水面蒸發量為960 mm，全年無霜期為120～160 d，全縣平均溫度為 7.0 ℃。

彭陽縣自20紀70年代開始水土保持生態恢復工程，經過近40年的不懈努力，縣域內生態治理卓有成效，2003年被國家環保部列為第8批全國生態示范區，“彭陽模式”成為全國生態治理的典范。自2000年退耕還林(草)工程開始后，彭陽縣大力開展退耕還林還草、坡改梯、小流域治理等生態工程。在實施系列生態工程，特別是對生態環境影響巨大的退耕還林(草)工程后，彭陽縣土壤侵蝕狀況對退耕還林(草)工程生態效益的評價具有重要意義。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源 本研究所用數據來源：(1)彭陽縣2000、2008、2014年3年境內月降水量數據，由彭陽縣水務局提供；(2)參考彭陽縣1 ∶30萬土壤類型圖[9]并結合實地考察，在ArcGIS 10.2軟件中生成30 m分辨率的矢量土壤類型圖，根據《寧夏土壤》[10]與中國土壤數據庫(http：//vdb3.soil.csdb.cn/)為土壤類型圖添加土壤質地屬性數據；(3)彭陽縣30 m分辨率的ASTER GDEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http：//www.gscloud.cn)；(4)基于Landsat/TM5(2000年8月30日)、Landsat/TM7(2008年9月5日、2014年9月11日)三景影像，來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http：//www.gscloud.cn)。在ENVI5.0軟件中經幾何校正、研究區裁切、輻射定標、大氣校正后，應用監督分類且經實地驗證后解譯獲得3期土地利用，生成30 m分辨率的矢量土地利用圖，地類劃分為耕地、林草地、未利用土地、水域灘涂、建設用地5類，同時計算生成植被覆蓋度柵格圖。以上所有圖采用UTM投影，地理坐標系均為WGS-1984。

1.2.2 數據處理 本研究采用的修正通用土壤流失方程(RUSLE)如下[11]：

A=R·K·L·S·C·P。

(1)

式中：A為單位面積上的土壤流失量，t/(hm2·年)；R為降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·年)；K為土壤可蝕性因子，[t/(hm2·年)]·[hm2/(MJ·mm)]；L為坡長因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。L、S、C、P均為無量綱因子。不同因子計算公式方法見表1、表2。

表1 RUSLE各因子計算方法

表2 彭陽縣水土保持措施因子(P)賦值

根據公式(1)計算2000、2008、2014年代表退耕還林工程的前中后3期年均土壤侵蝕量/土壤侵蝕模數，按照我國水利部頒布的SL190—2007《土壤侵蝕分級分類標準》[17]進行土壤侵蝕強度分級。

2 結果與分析

經過計算，彭陽縣土地利用以旱地與林草地為主，少量的建設用地、未利用土地、水域灘涂。因此，彭陽縣土壤侵蝕主要來源于耕地與林草地。經過退耕還林建設從2000—2014年耕地面積減少，林草地面積增加，耕地減少的幅度略高于林草地增加的幅度。

彭陽縣25°以下區域占全縣總面積超過80%，且五大地類均集中分布于25°以下區域。經過退耕，至2014年旱地主要分布在25°以下地形區域，其中8～15°最多。林草地面積則逐年大幅增加，主要分布于8°～35°之間。林草地在15°以上區域分布面積遠遠大于旱地，且15°～25°區域分布最多，向兩邊依次遞減。2008—2014年是退耕還林還草的加速階段，其耕地減少面積與林草地增加面積變化最多。表明彭陽縣退耕還林(草)工程對旱地、林草地變化影響很大，土壤侵蝕年季變化的主要影響因子來自于地類的變化及與之相關的退耕還林等生態工程的進行。

2.1 土壤侵蝕模數的時空變化

從全縣侵蝕模數來看，2000年彭陽縣為65.47 t/(hm2·年)，屬于強烈侵蝕；2008年為119.04 t/(hm2·年)，屬于極強烈侵蝕；2014年為84.99 t/(hm2·年)，屬于極強烈侵蝕，但低于2008年的侵蝕模數，土壤侵蝕得到一定的控制。從流域來看，3個流域3期的土壤侵蝕模數均呈先上升后下降的趨勢，整體較2000年都有所惡化。其中，安家川流域在3期均處于較高的侵蝕強度與侵蝕模數，土壤侵蝕狀況最為嚴重(表3)。

彭陽縣12個鄉鎮分布在2個地貌地形單元中，西南部的古城鄉、新集鄉大部位于六盤山土石質山區，其他鄉鎮位于黃土丘陵溝壑區。經計算發現，土石質山區鄉鎮整體土壤侵蝕模數均低于黃土丘陵區，2000、2008、2014年土石質山區土壤侵蝕模數分別為47.11、76.87、55.63 t/(hm2·年)，而同期黃土丘陵區為71.06、133.11、94.95 t/(hm2·年)，這與六盤山土石質山區植被覆蓋度高于黃土丘陵溝壑區，同時人為開發活動也較小有關。

表3 分流域侵蝕模數及侵蝕強度

2.2 土壤侵蝕強度轉移矩陣分析

2.2.1 不同年份不同侵蝕強度比例 2000、2008、2014年3年的6個侵蝕強度級別占縣域總面積比例見圖1，微度侵蝕占比最多，面積均超過縣域面積的35%。其中，2008年微度侵蝕占比最多，2014年最少。侵蝕程度最高的劇烈侵蝕以2008年面積占比最大，具體表現為2008年>2014年>2000年。從2000—2014年強烈及以上侵蝕強度占比之和逐年擴大，2000—2008年階段擴大最多。表明從2000—2014年研究區彭陽縣土壤侵蝕強度強烈以上等級貢獻逐年增加，2000—2008年是一個急速變化的階段。2008年微度侵蝕及劇烈侵蝕面積占比均是3年中最大的，2008年水土流失狀況表現了向2個侵蝕強度極端發展。水土流失狀況相對于2000、2008、2014年均有所惡化。

通過ArcGIS字段計算器功能，對2000—2008、2008—2014年2個階段土壤侵蝕強度等級轉移情況進行計算。2000—2008、2008—2014年沒有發生轉移的面積占縣域面積基本在60%左右，2000—2008年侵蝕強度轉移主導方向為向上轉移，向上轉移占縣域面積的32.09%，向上轉移1級最多；而2008—2014年轉移為主導方向為向下轉移，向下轉移1級最多。表明2008年侵蝕情況狀況惡化嚴重，2014年有了較大的改觀。這與退耕還林深入推進，地類在2008—2014年變化較大有關。

2.2.2 2000—2008年土壤侵蝕強度轉移矩陣 2000—2008年土壤侵蝕強度轉移矩陣見表4。

表4 2000—2008年土壤侵蝕強度轉移矩陣

2000年有40.44%面積在2008年發生了轉移。從2000年轉出情況來看，轉出面積大小依次為輕度侵蝕>極強烈侵蝕>中度侵蝕>微度侵蝕>強烈侵蝕>劇烈侵蝕。輕度侵蝕主要轉向中度侵蝕及以上級別。從微度侵蝕到極強烈侵蝕均表現為向上轉移的趨勢，向上轉移總面積遠遠超過向下轉移總面積。

從轉入情況來看，2000年各侵蝕強度向2008年劇烈侵蝕轉移占研究區總面積最多，其次為向2008年中度侵蝕轉。從轉入構成來看，除微度侵蝕，輕度及以上侵蝕均是以低等級侵蝕強度向高等級侵蝕強度轉移的趨勢。這與退耕還林還草等生態工程后，農地轉為林草地，初期林草地植被覆蓋度較低、植被不穩定有關。

2.2.3 2008—2014年土壤侵蝕強度轉移矩陣 2008—2014年土壤侵蝕強度轉移矩陣見表5。

表5 2008—2014年土壤侵蝕強度轉移矩陣

2008年有39.46%的面積在2014年發生轉移，但是轉移幅度相對于2000年有所變小(圖2)。從2008年轉出來看，劇烈侵蝕轉出最多，在2014年轉向劇烈侵蝕以下強度，轉出面積大小情況為劇烈侵蝕>中度侵蝕>微度侵蝕>輕度侵蝕>極強烈侵蝕>強烈侵蝕。2008—2014年階段總體呈各侵蝕強度向下轉移趨勢，向下轉移總面積大于向上轉移總面積，其中劇烈侵蝕和極強烈侵蝕向下轉移最多。表明2008年土壤侵蝕情況在2014年得到了一定控制，尤其是劇烈侵蝕和中度侵蝕情況有所減少。

2.2.4 兩階段轉移變化 從轉入看2014年極強烈侵蝕接受了最多的轉入，其中由2008年的劇烈侵蝕向下轉移而來，具體轉入面積大小情況為極強烈侵蝕>輕度侵蝕>中度侵蝕>劇烈侵蝕>強烈侵蝕>微度侵蝕。

整體來看，2000—2008年土壤侵蝕狀況急速惡化，低級別侵蝕強度向高級別侵蝕強度轉移，2008年出現了極強侵蝕與弱侵蝕面積擴大的兩極分化現象，而2014年土壤侵蝕狀況相比2008年有所控制，特別是在極強烈侵蝕上。這與退耕還林、坡改梯等生態工程逐步完善穩定之后，有效地控制了土壤侵蝕狀況。

2.3 土壤侵蝕的地形位分布指數分析

對不同侵蝕強度下的時空分布進行統計計算，結合地類、地形位分布指數分析侵蝕強度的變化。地形位分布指數采用如下公式[18]：

P=(Sie/Si)/(Se/S)。

(2)

式中：P是地形位分布指數；Sie為e地形位下第i級土壤侵蝕的面積；Si為整個研究區內第i級土壤侵蝕的總面積；Se表示整個工作區內e種地形位的總面積；S為整個研究區域的面積。P值越大，說明某土壤侵蝕類型出現頻率越高。參照水利部《土壤侵蝕分類分級標準》將坡度分為0～8、8～15、15～25、25～35、>35[17]。

從圖3可以看到，由于耕地、林草地集中分布于25°以下區域，所以6個侵蝕強度均在25°以下區域有較高的侵蝕地形位指數。而劇烈侵蝕強度下，35°以上區間的土壤侵蝕地形位指數3年均達到極高值，同時從中度侵蝕開始至2014年在35°以上區域地形位指數逐漸升高，說明經過退耕還林后，中度以上土壤侵蝕強度在較高坡度區域主要是坡度提高導致了侵蝕的發生。集中分布于較低坡度的耕地主要產生了微度、輕度、中度侵蝕，林草地對強烈、極強烈、劇烈侵蝕產生了主要貢獻，耕地與林草地在微度、中度侵蝕產生了交互作用。

在今后水土保持工作與退耕還林工程中，8°以下區域要杜絕輕度與中度侵蝕的發生，關鍵是做好耕地的水土流失防治。在8°～15°區域做好坡改梯工作，在田埂上合理安排喬灌草的護坡工程，對于冬小麥地塊要做到桔梗還田減少暴雨的直接沖刷擊濺侵蝕與地表徑流的形成。中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、35°以下的劇烈侵蝕主要由于退耕還林后開始后，植被覆蓋度降低、植被存活率低、工程后管護不到位、植被不穩定造成的，所以要相應地合理配置喬灌草，做好之后的管護工作。

2.4 土壤侵蝕灰度關聯分析

為了更好地了解彭陽縣土壤侵蝕主要影響因子對土壤侵蝕的作用，使用灰度關聯分析對人為作用顯著的水土保持措施因子(P)、植被覆蓋與管理因子(C)進行計算分析。灰度關聯分析公式如下：

(2)

式中：ξ(K)為關聯系數，ρ為分辨系數。分辨系數不宜取值太大，取值范圍為0.1～0.5，本研究選取0.1。

在ArcGIS 10.1軟件中，以象元為單位分別計算P、C因子相對于土壤侵蝕模數的關聯系數，最后使用P、C因子關聯系數的平均值作為關聯度。關聯度取值范圍為0～1，越接近于1，因子對土壤侵蝕的作用影響越大，分析結果見表6。

表6 彭陽縣P、C因子與土壤侵蝕模數關聯度

從表6可以看出，3年中水土保持措施因子均對土壤侵蝕的影響最大，說明地類的變化是引起彭陽縣土壤侵蝕變化的主要原因。因此，在以后生態建設與退耕還林工作中，要注意合理地規劃調整地類。

3 結論

運用GIS和RS技術，基于RUSLE模型定量計算寧夏退耕還林還草、生態恢復的典范縣——彭陽縣的土壤侵蝕模數，在退耕還林(草)工程的背景下考察彭陽縣2000、2008、2014年3期土壤侵蝕強度的時空變化，同時引入地形位指數與灰度關聯分析，研究彭陽縣坡度變化、植被覆蓋度、地類變化對土壤侵蝕的影響。結果顯示：(1)2000年彭陽縣土壤侵蝕模數為65.47 t/(hm2·年)，屬強烈侵蝕；2008年為 119.041 t/(hm2·年)，屬于極強烈侵蝕；2014年為 84.99 t/(hm2·年)，屬于極強烈侵蝕，但低于2008年的侵蝕模數，土壤侵蝕得到一定的控制。(2)從空間分布上看，彭陽縣的3個流域在3期土壤侵蝕模數均是呈先上升后下降的趨勢，整體較2000年都有所惡化。其中，安家川流域在3期均處于較高的侵蝕強度與侵蝕模數，土壤侵蝕狀況最為嚴重。土石質山區的土壤侵蝕模數均低于黃土丘陵溝壑區。(3)從侵蝕強度轉移情況來看，2000—2008年間向上轉移為主要趨勢，2008—2014年為向下轉移趨勢，2008年為侵蝕情況最為嚴重的1年。(4)從土壤侵蝕強度的坡度分布來看，35°以上區域在中度以上侵蝕強度主要是坡度提高導致侵蝕的發生。25°以下區域主要是耕地與林草第交互作用產生了土壤侵蝕。(5)通過灰度關聯分析，彭陽縣3期土壤侵蝕人為影響中，地類的變化對土壤侵蝕的發生作用最大。

從2000、2008、2014年3年的土壤侵蝕及其強度變化可以看出，在退耕還林(草)工程開展的背景下，彭陽縣土壤侵蝕受地類的變化出現了變化，2008年土壤侵蝕嚴重至2014年土壤侵蝕受到抑制，反映了退耕還林還草后生態恢復治理的成效。本試驗僅研究了間隔3年的土壤侵蝕及其變化，今后還須對連續時間尺度上土壤侵蝕的變化進行完整的研究。

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