陜北洛河流域降水和植被變化對土壤侵蝕的影響

王 濤

(1.西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西西安 710054； 2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室/中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

土壤侵蝕是世界范圍內重要的生態環境問題，關系到人類的生存及發展，受到廣泛關注[1-3]。黃土高原是我國乃至世界范圍內土壤侵蝕最為嚴重的區域之一，被研究程度較深[4-6]。在前人不斷認識、積累的基礎上發現，治理黃土高原土壤侵蝕最為有效的2種方法分別為(1)工程措施，如淤積壩修筑[7-9]；(2)生物措施，保土保水植被的重建，如退耕還林還草工程實施引起的坡耕地植被變化[10-11]。這些措施的實施，取得了較好的生態、經濟效果[12-14]，為世界同類型區域土壤侵蝕治理提供了借鑒。

氣候變化已經成為當今的熱點問題，聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC)多次報告反復強調和指出，過去全球氣溫逐步升高，降水變率增大，未來不管在任何情景下，氣溫增高和降水變率增大的趨勢不會改變，人類的有限措施，僅能夠起到減緩作用，并不能阻止氣候變暖[15-16]。這對黃土高原土壤侵蝕研究提出了新的問題，即淤積壩建設、植被生態重建等均要面臨未來降水變率增大的問題，并且是面對降水強度增大的威脅[17-18]，已有的水土治理措施是否能夠抵御未來降水強度增大的影響，是一個值得深入研究的問題。

在黃土高原土壤侵蝕研究中，學者們更多地關注的是人類活動的影響，主要是人為干預下的區域植被生態重建過程，如試驗田沿坡面生態重建的植被類型選擇[19-20]、退耕還林還草工程實施對區域土壤侵蝕的影響[21-22]以及生態林與經濟林建設對土壤侵蝕的影響[23-24]。降水作為一個不可控因素，在土壤侵蝕過程中，尤其是在全球氣候變暖導致的未來降水變率增大的情況下，更應受到廣泛重視[25]。由于關于陜北洛河流域土壤侵蝕的研究相對較少，本研究基于修正通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，簡稱RUSLE)模型，分析流域降水和植被變化(反映退耕還林還草工程實施效果)對土壤侵蝕的影響，定量區分土壤侵蝕的自然與人為因素作用，以期為合理調整人類活動、科學制定未來土壤侵蝕應對策略提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區

以位于陜北黃土高原的洛河流域為研究對象，地理范圍在107°33′～109°51′E、35°19′～37°19′N之間(圖1)，包括陜西省榆林市的定邊縣和靖邊縣部分區域，陜西省延安市的吳起縣、志丹縣、甘泉縣、富縣、黃陵縣、洛川縣以及黃龍縣部分區域，總面積約為17 969 km2。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。屬黃土丘陵溝壑地貌，南部區域的植被覆蓋高于北部區域，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，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是土壤侵蝕較為嚴重的區域。

1.2 數據來源與研究方法

本研究使用數據包括(1)洛河流域30 m分辨率數字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)，下載自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)。(2)1990—2014年5個氣象站點(定邊、吳起、延安、洛川、環縣，空間分布見圖1)逐日降水數據。(3)洛河流域比例尺為1 ∶50萬的土壤類型圖。(4)洛河流域250 m分辨率歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，簡稱NDVI)數據，下載自https：//ladsweb.nascom.nasa.gov。以上數據全部重采樣為30 m分辨率后，再進行土壤侵蝕模數計算。

采用修正通用土壤流失方程計算陜北洛河流域土壤侵蝕模數，其中土壤侵蝕模數(A)由降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、坡度坡長因子(LS)、植被覆蓋因子(C)和水土保持措施因子(P)連乘得到，各因子的計算方法參照文獻[26]，計算結果見圖2。

2 結果與分析

2.1 陜北洛河流域土壤侵蝕變化趨勢

通過查閱黃河水利委員會發布的《黃河泥沙公報》可知，陜北洛河流域狀頭水文站多年平均輸沙模數為2 850 t/(km2·年)，而計算獲得的近15年土壤侵蝕模數平均值為 3 213 t/(km2·年)，計算結果高出監測結果12.74%，表明依據RUSLE模型計算得到的土壤侵蝕模數可用于進一步分析。根據SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》[27]，土壤侵蝕程度可被劃分為微度侵蝕[<1 000 t/(km2·年)]、輕度侵蝕[1 000～<2 500 t/(km2·年)]、中度侵蝕[2 500～<5 000 t/(km2·年)]、強烈侵蝕[5 000～<8 000 t/(km2·年)]、極強烈侵蝕[8 000～<15 000 t/(km2·年)]、劇烈侵蝕[≥15 000 t/(km2·年)]。統計自然狀態下，2000—2014年陜北洛河流域不同類型土壤侵蝕面積。

由圖3可知，2000—2014年研究區土壤侵蝕總體以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，其面積分別平均占區域總面積的64.93%、 21.36%，其余侵蝕類型的面積比例從大到小依次為中度侵蝕(9.05%)、強烈侵蝕(2.78%)、極強烈侵蝕(1.45%)、劇烈侵蝕(0.43%)。在變化趨勢上，微度侵蝕面積比例整體呈減少趨勢，平均減少速率為0.279 2%/年；輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例均整體呈增加趨勢，平均增加速率分別為0.086 6%/年、0.098 7%/年、0.045 7%/年、0.030 3%/年、0.017 9%/年。所有變化速率均未通過顯著性水平檢驗，表明未來該流域土壤侵蝕仍具有很大的不確定性。微度侵蝕面積比例減少，其他侵蝕類型面積比例增加，說明在研究時段內研究區土壤侵蝕模數呈增加趨勢。

2.2 降水對土壤侵蝕的影響

在RUSLE模型中，僅R、C逐漸發生改變，而K、LS、P等因子基本不變，因此為了分析降水對土壤侵蝕的影響，消除C對土壤侵蝕計算結果的影響，假設2000—2014年C不變，以2000年的C進行計算，即在C固定-R變化的情景下重新計算2000—2014年研究區土壤侵蝕模數。

由圖4可知，2000—2014年研究區土壤侵蝕仍以微度侵蝕、輕度侵蝕為主，二者面積分別平均占區域總面積的63.36%、 21.87%，中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積分別平均占區域總面積的9.63%、3.05%、1.61%、0.48%。在變化趨勢上，微度侵蝕面積比例總體呈減少趨勢，平均減少速率為0.422 1%/年；輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例均呈增加趨勢，平均增加速率分別為0.118 2%/年、0.153 7%/年、0.075 6%/年、0.050 2%/年、0.024 5%/年。所有變化速率均未通過顯著性水平檢驗，表明在植被覆蓋因子固定的情景下，未來流域土壤侵蝕變化仍具有不確定性。該結果與研究時段內研究區的土壤侵蝕自然變化過程和趨勢相同，表明植被覆蓋因子在RUSLE模型計算土壤侵蝕模數過程中的作用較小，降水是研究區土壤侵蝕的主導因素，起到控制作用。

2.3 植被變化對土壤侵蝕的影響

在消除降雨侵蝕力因子對土壤侵蝕作用的條件下，通過RUSLE模型分析植被覆蓋因子對土壤侵蝕的影響。假設2000—2014年R不變，以2000年的R計算，即在R固定-C變化的情景下重新計算2000—2014年研究區土壤侵蝕模數。

由圖5可知，2000—2014年研究區土壤侵蝕仍以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，二者面積分別平均占區域總面積的70.87%、 19.38%，中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積分別平均占區域總面積的6.85%、1.80%、0.88%、0.22%。在變化趨勢上，僅微度侵蝕面積比例呈增加趨勢，平均增加速率為0.136 6%/年，通過了0.001水平的顯著性檢驗(P<0.001)；輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例均呈減少趨勢，平均減少速率分別為 0.061 6%/年、0.049 0%/年、0.017 1%/年、0.007 5%/年、 0.001 3%/年，除極強烈侵蝕、劇烈侵蝕分別通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗外，其他侵蝕類型均通過0.001水平的顯著性檢驗。該結果與自然狀態、C固定-R變化情景下土壤侵蝕狀況相比，發生較大改變，即除微度侵蝕面積比例增加外，其他侵蝕類型面積比例均減少，說明該情景下研究區土壤侵蝕模數呈減少趨勢。

2.4 降水和植被變化對土壤侵蝕的影響

降水和植被變化對土壤侵蝕的影響是自然和人為因素對土壤侵蝕影響研究的重要內容，尤其是退耕還林還草工程的實施，是人類活動通過改變地表狀況影響土壤侵蝕的重要途徑與措施[28-29]。根據2000—2015年《陜西統計年鑒》可知，陜西省退耕造林面積共計11 468.9 km2，其中陜北洛河流域所在的延安地區，總體退耕造林面積為2 745.1 km2，退耕幅度較大。

利用自然狀態下和C固定-R變化、R固定-C變化2種情景下，2000—2014年不同類型土壤侵蝕面積比例、變化速率，并進一步計算得到降水和植被覆蓋因子作用的大小。由表1可知，降水對流域土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到79.17%、72.90%的作用，其中降水作用導致微度侵蝕面積比例及其變化速率分別減少79.09%、74.42%，而導致輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例及其變化速率分別增加79.52%和82.42%、79.14%和72.87%、78.40% 和67.75%、78.08%和65.51%、80.77%和 74.42%，說明降水是流域土壤侵蝕的主導和控制因子，隨著降水的增強，流域土壤侵蝕模數將會進一步增加。

植被覆蓋因子對流域土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到20.83%、27.10%的作用，其中植被覆蓋因子作用導致微度侵蝕面積比例及其變化速率分別增加20.91%、25.58%，而導致輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積比例及其變化速率分別減少20.48%和17.58%、20.86%和 27.13%、21.60%和32.25%、21.92%和34.49%、19.23%和25.58%，說明植被覆蓋因子作為人類活動的典型代表，通過退耕還林還草工程的實施，流域植被覆蓋情況總體得到改善，能夠起到減少流域土壤侵蝕的作用。

表1 2000—2014年降水和植被變化對土壤侵蝕的影響

3 結論與討論

基于2000—2014年陜北洛河流域日降水、NDVI、DEM、土壤類型等數據，結合RUSLE模型，估算了該流域土壤侵蝕狀況，并定量分析了降水和植被變化對該流域土壤侵蝕的影響。結果表明，(1)自然狀態下，陜北洛河流域土壤侵蝕以微度侵蝕、輕度侵蝕為主，平均占區域總面積的86.29%，其他侵蝕類型占13.71%；2000—2014年流域土壤侵蝕模數呈增加趨勢，其中微度侵蝕面積比例減少，而其他侵蝕類型面積比例增加。(2)在植被覆蓋因子固定情景下，降水變化導致微度侵蝕面積比例減少，而其他侵蝕類型面積比例增加，總體變化過程與自然狀態下相似。降水固定情景下，植被覆蓋因子變化導致微度侵蝕面積比例增加，而其他侵蝕類型面積比例減少，總體變化過程與自然狀態下完全相反。說明降水是土壤侵蝕的主導與控制因子，而植被覆蓋因子作用相對較小，但當不考慮降水作用時，改變地表植被覆蓋因子可以減少土壤侵蝕模數。(3)降水對研究區土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到79.17%、72.90%的作用，植被覆蓋因子對研究區土壤侵蝕面積比例及其變化速率分別起到20.83%、27.10%的作用。

在坡度坡長因子、土壤可蝕性因子、水土保持措施因子相對不變的情況下，降雨侵蝕力因子和植被覆蓋因子成為影響土壤侵蝕的主要因子。當前，陜北洛河流域土壤侵蝕正經受著降水和植被覆蓋變化的雙重影響，氣候變暖引起的降水變率的增大、降水強度的增加以及退耕還林還草等生態建設與保護工程實施引起的地表植被覆蓋度的改善將對流域土壤侵蝕產生重要影響。退耕還林還草工程作為人類活動的典型代表，具有較強的可控性、可操作性，對其分析與評價較多，得出的結論總體是減少土壤侵蝕。而降水作用更多的是引起土壤侵蝕模數增加，并且具有不可控的特點，采取何種措施與途徑應對未來土壤侵蝕模數增加的問題，還須要深入研究。