1990—2015年內蒙古高原土壤風蝕時空差異特征

吳曉光 姚云峰 遲文峰 閆旭東 張宏飛 金 良 白文科 秦富倉

(1．內蒙古農業大學 沙漠治理學院，呼和浩特 010011；2．內蒙古自治區土地整治中心，呼和浩特 010020；3．內蒙古財經大學 資源與環境經濟學院，呼和浩特 010017；4．西華師范大學 生態研究院，四川 南充 637002)

隨著聯合國千年生態系統評估計劃(MA)在全球范圍的廣泛開展，生態評估已成為當今國際生態學領域研究的前沿課題之一[1-2]。中國北方生態環境脆弱，氣候變化與不合理的人類活動共同作用，導致了以土壤風蝕為主要過程的水土流失與土地荒漠化問題[3-5]。因此，防風固沙服務功能的提升是其生態安全屏障的重要基礎[6]。而植被覆蓋是定量評價干旱與半干旱區生態質量的重要指標[7-8]，也是評價和預測土壤風蝕變化的基礎[9]。有研究表明不同土地利用/覆蓋類型條件下植被覆蓋狀況的季節差異明顯，林地與草地比耕地具有更好的水土保持效果，春季與冬季表現最為明顯[10]。為此，有研究指出調整地表植被覆蓋結構及措施是防治土壤風蝕的有效途徑[11-12]。耕地留茬免耕可顯著提高地表的春秋冬季抗風蝕能力[13]。但這些研究大多集中在樣地或小區域尺度，而在大尺度上(例如內蒙古高原地區)土壤風蝕的季節變化研究仍相對薄弱。

內蒙古高原作為祖國北方重要的生態屏障，近年來荒漠化嚴重。內蒙古屬于典型的農牧交錯帶，作物以一年一熟為主，耕地每年近7個月處于裸露狀態，春秋季地表干燥，大風天氣頻發加劇土壤風蝕過程，致使揚沙、沙塵暴等災害頻發[13-14]。內蒙古東西跨度較大，土地利用/覆蓋類型由西向東總體呈荒漠戈壁、荒漠草原、典型草原過渡到大興安嶺林區，經向分布植被覆蓋差異明顯，季相變化對土壤風蝕影響巨大。區域內嚴重的土壤風蝕不僅破壞了地表，導致水土流失、土地退化、荒漠化等生態系統問題加劇，也嚴重威脅著國家生態環境安全[7,15]。基于此，本研究在遙感-地面同步觀測試驗、遙感定量反演與驗證、模型系統參數化的基礎上，構建1990—2015年內蒙古高原土壤風蝕數據集，輔以植被覆蓋、土地利用/覆蓋類型、氣候、基礎地理背景等數據，定量刻畫土壤風蝕時間差異以及相應的季節變化特征與植被覆蓋之間相互關系，以期界定有效抑制土壤風蝕的植被覆蓋度調控閾值，為內蒙古高原土壤風蝕防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古高原土地面積約124.7×104km2，東至大興安嶺和蘇克斜魯山，西至馬鬃山，南界祁連山麓和長城，北接蒙古國與俄羅斯東部，地理坐標為92°68′～125°83′E，36°16′～52°99′N，平均海拔1 000 m；研究區屬干旱與半干旱氣候，降水較少且年際變率大，東部以林地為主，中部以草地和農田生態系統為主，西部以沙漠和戈壁為主(圖1)。受地形、植被、土壤、氣候等自然原因和過牧、礦產開發等人為因素作用，該地區成為中國生態環境退化和水土流失最嚴重的地區之一。

圖1 內蒙古高原地理位置及土地覆被示意圖Fig.1 Location and land cover of Inner Mongolia Plateau

1.2 數據來源與處理

研究基礎數據主要包括1990、2000、2005、2010和2015年土地利用/覆蓋數據，數字高程(DEM)、歸一化植被指數(NDVI)、氣象、植被類型數據、土壤類型與理化性狀、雪深數據。其中，土地利用/覆蓋數據源于中國科學院“全國土地利用1∶10萬數據庫”，數據綜合精度達91.2%[16]；DEM從USGS(http:∥glovis.usgs.gov/)獲取的30米分辨率數字高程數據產品；NDVI數據則從NASA(https:∥ecocast.arc.nasa.gov)獲取1990—2015年GIMMS3g和MODIS-NDVI數據集。采用通用“像元二分模型”獲取年、月植被覆蓋度數據集[17-18]；氣象數據源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，為了保證氣象資料的完整性及持續性，構建穩定的氣候因子數據，共選取研究區及中國周邊氣象臺站(圖1)的1990—2015年逐日平均氣溫、降水量、平均風速、風向、沙塵暴和日照時數等要素，數據經過質量檢查和控制處理，消除奇異值等非氣候因素造成的影響，并對缺失數據采用臨近站點數值進行插補，將整理后的數據通過ANUSPLIN軟件插值，獲取長時間序列空間數據集；植被類型數據通過中國科學院資源環境科學數據中心獲取(http:∥www.resdc.cn/)；土壤數據(1∶100 萬土壤圖)源自中國西部環境與生態科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)，包含土壤類型、理化性狀、有機質含量、砂粒、土層厚度及粘粒含量等信息[19]；雪深源自中國西部環境與生態科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)，將獲取的長時間序列數據集計算后形成雪蓋因子數據。本研究的評價單元將不同精度的數據同化到1 km網格。

1.3 土壤風蝕模型

本研究采用修正土壤風蝕方程(RWEQ)評估土壤風蝕量，在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表粗糙度、土壤可蝕性、土壤結皮等要素情況下，RWEQ模型可較好定量評估土壤侵蝕模數[17,20-21]，模型基本形式為：

(1)

S=150.71·(WF·EF·SCF·K′·COG)-0.371 1

(2)

Qmax=109.8[WF·EF·SCF·K′·COG]

(3)

式中：SL為土壤風蝕量，g/m2；z為下風向最大風蝕出現距離，m；S為關鍵地塊長度，m；Qmax為風沙最大轉運容量，kg/m；EF(無量綱)為土壤可蝕性因子；WF為氣候因子，kg/m；K′(無量綱)為地表粗糙度因子；SCF(無量綱)為土壤結皮因子；COG(無量綱)為植被因子，主要涉及不同季節植被生長、枯萎、農作物及其他植被(草地)殘茬等狀況。

1)氣象因子WF即風速、溫度、降水、雪蓋因子等多氣象因子對土壤風蝕綜合作用，公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

SD=1-P(Hsnow>25.4 mm)

(8)

式中：WF為氣象因子，kg/m；U2為2 m處風速，m/s；Ut為2 m處的起沙臨界風速，m/s(假定為5 m/s)；ρ為空氣密度，kg/m3；EL為海拔高度，km；T為絕對溫度，K；N和Nd分別代表風速和試驗的天數，d；SW為土壤濕度因子(無量綱)；ETp為潛在相對蒸發量，mm；R為降雨量，mm；I為灌溉量，mm；Rd為降雨或灌溉天數，d；Nd2為各月風速>5 m/s天數，d；SR為太陽輻射總量，cal/cm2；DT為平均溫度，℃；SD為雪蓋因子；Hsnow為雪覆蓋深度，mm。

氣象因子數據通過中國氣象科學數據共享服務網獲取，要素包括日均降水、氣溫、日照數和風速(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)等，采用ANUSPLIN軟件對長時間序列進行插值處理；雪蓋因子利用中國西部環境與生態科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)下載的中國雪深長時間序列數據集來計算。

2)土壤可蝕性因子(EF)是土壤理化、機械組成等因素作用下引起的土壤風蝕量，公式如下：

(9)

式中：EF(無量綱)為土壤可蝕性因子；Sa為土壤粗砂含量，%；Si為土壤粉砂含量，%；CL為土壤粘粒含量，%；OM為有機質含量%；CaCO3為碳酸鈣含量，%。土壤類型、有機質含量、砂粒和粘粒含量數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)提供的1∶100萬土壤圖及所附土壤屬性；CaCO3數據源來自于地球系統科學數據共享服務網(http:∥www.geodata.cn)的 1∶400 萬土壤碳酸鈣含量數據。

3)土壤結皮因子SCF表征土壤表層的堅硬結皮有效抵抗風蝕能力的大小，公式如下：

(10)

式中：CL為土壤粘粒含量，%；OM為有機質含量，%。

汪隊長的眼睛，睜得像銅鈴。一聽男兵要吻他的女兵李曉英，頓時“啊”了一聲，高聲罵道：“你混蛋，戰場上調戲女兵是要掉腦袋的，你不知恥還來說情，你這個連長也當到頭了。”

4)植被因子COG表示一定植被覆蓋條件下對土壤風蝕的抑制程度，公式如下：

COG=e-0.048 3(SC)

(11)

式中：SC為植被覆蓋度，%。

植被因子主要由土地利用/覆蓋數據和NDVI數據綜合處理獲取，NDVI數據基于美國國家航空航天局網站(NASA: https:∥ecocast.arc.nasa.gov)獲取。

5)地表粗糙度因子K′是由地形引起的土地表面粗糙程度對土壤風蝕的影響，公式如下：

K′=e(1.86Kr-2.41Kr0.934-0.124Crr)

(12)

(13)

式中：Crr為隨機粗糙度因子，cm；Kr為地形粗糙度因子，cm；L為地勢起伏參數；ΔH為離L范圍內的海拔高程差，m。

1.4 模型修正

為了提高RWEQ模型模擬精度，采用中國科學院“全國1∶10萬土地利用數據庫”獲取的1990、2000、2005、2010和2015年數據集對模型進行修正[16,22]。將耕地、林地、草地等多種土地利用類型處理成 1 km×1 km 柵格面積比例數據[23](圖2(a))，在計算土壤風蝕影響因子時計算到模型參數圖層中，并以加權方式獲取RWEQ模型參數因子[21]。

(14)

在詳細分析內蒙古高原土地利用/覆蓋類型及地貌特點、氣候差異的基礎上，野外調查和收集不同區域地表粗糙度、不同季節植被覆蓋度等信息，以提升RWEQ模型相應參數精度。采用野外直尺測定試驗方法[24]測定不同區域植被覆蓋類型的地表粗糙度(圖2(b))，將野外觀測獲取的信息值與基于遙感的土地利用/覆蓋類型相結合(式12)；針對不同季節植被覆蓋差異特征，對生長期植被、枯萎期植被、植被直立殘茬等狀況進行野外采樣，獲取四季不同區域植被覆蓋度信息，綜合土地利用/覆蓋數據、野外采樣數據與植被覆蓋度遙感數據加權估算不同季節地表植被覆蓋信息(圖2(c)和圖2(d))，利用回歸方程對不同時期遙感數據進行校正處理。

2 結果與分析

2.1 RWEQ模型精度驗證

土壤風蝕模數監測方法諸多，成熟方法包括風洞試驗、土壤剖面分析、剖面粒度分析、插釬法、137Cs 測定、集沙儀測定法等[25-26]，本研究根據文獻收集與實地地面測定的中國北方不同地區風蝕模數數據的結果進行驗證[27]。本研究基于RWEQ模型，獲取了1990—2015年內蒙古高原土壤風蝕模數數據集(圖3)。

收集和獲取已有研究者在內蒙古高原區域以137Cs 法推算土壤風蝕模數的研究成果[25-27]，并對本研究反演成果進行驗證(表1)。結果顯示：基于RWEQ模型反演結果與采樣結果擬合性較好(R2=0.85,P<0.01)，說明該模型在內蒙古高原區域尺度上在理論上可行。

2.2 土壤風蝕季節差異分析

從內蒙古高原多年平均的春、夏、秋、冬土壤風蝕量統計上看，春季土壤風蝕量最大，冬季次之，夏季土壤風蝕量最小；春季、夏季、秋季、冬季土壤風蝕量比例為5.42∶1.00∶1.36∶3.00(圖4)。

總體上看，土壤風蝕春季與冬季變化表現最為突出。土壤風蝕量表現為春季>冬季>秋季>夏季；2001年春季與冬季土壤風蝕達到峰值，其中春季與冬季土壤風蝕量分別為32.34×108和 55.40×108t，第二次峰值出現在2010年，相對于2001年風蝕量明顯減少；土壤風蝕量時序變化過程中，波谷均出現2008年，究其原因主要因為風場強度的降低(風蝕力低)以及氣候的干燥度下降，尤其是2004年后生態建設致使植被恢復明顯(圖5)。而2010年不同季節土壤風蝕表現明顯，主要由風場強度大幅升高引起的。內蒙古高原春、冬季植被覆蓋率低，農田植被覆蓋受季節影響最大，春和冬季農田基本為裸露狀態，極易造成土壤風蝕；草地覆蓋在非生長季的春、冬季作用極為重要，內蒙古高原以草地生態系統類型為主，在人為過牧(山羊破壞最為突出)的干擾下會致使春和冬季的大面積草地形成裸露狀態，進而增加土壤風蝕。

圖3 研究區1990—2015年土壤風蝕平均模數Fig.3 Average soil wind erosion modulus from 1990 to 2015

表1 實測結果與RWEQ模型反演結果對比Table 1 Comparison of measured results and RWEQ model inversion results

圖4 內蒙古高原1990—2015年春夏秋冬土壤風蝕多年平均值統計Fig.4 Average soil wind erosion of different seasons in Inner Mongolia Plateau from 1990 to 2015

2.3 不同土地利用/覆蓋類型植被覆蓋季節差異特征

由表2可知，15年期間，10種土地利用/覆蓋類型下不同季節(冬季除外)平均植被覆蓋的相關系數、變化量及變化速率都呈顯著增加趨勢，夏季與秋季土地利用/覆蓋類型增加速率均大于春季；耕地尤其是水田植被覆蓋增加速率夏季與秋季最大，旱地次之，進一步揭示了內蒙古高原植被生長季覆蓋變化差異明顯；中、低覆蓋度草地和荒漠植被在不同季節的變化方式和大小呈相似性，草地和荒漠植被生長季與非生長季植被覆蓋度差異較為顯著。

圖5 內蒙古高原年和季節土壤風蝕量變化特征Fig.5 Characteristics of soil wind erosion amount of different seasons in Inner Mongolia Plateau

在典型區(圖1)，春季至次年春季不同土地利用/覆蓋類型轉化過程中對土壤風蝕影響研究結果表明(表3)：低覆蓋度向高/中覆蓋度草地類型轉化有效抑制土壤風蝕(-61.42%)，尤其是春季植被覆蓋度的增加有效抑制土壤風蝕；荒漠周邊區域，中覆蓋度向低覆蓋度草地類型轉換過程中，土壤風蝕量呈增加(51.39%)態勢，草地轉化為沙地、旱地土壤風蝕量增加。

2.4 植被覆蓋對土壤風蝕響應閾值

基于土地利用/覆蓋類型對土壤風蝕的影響分析，揭示了植被覆蓋變化對土壤風蝕起到重要的作用。研究結果發現，1990—2000年不同程度植被退化對土壤風蝕造成的影響差異較大，植被重度退化區域土壤風蝕表現出侵蝕模數增加(1.59 t/(hm2·年))，輕度退化致使土壤風蝕模數增加0.40 t/(hm2·年)；2000—2010年內蒙古高原植被覆蓋總體呈增加趨勢，其中植被輕微改善對土壤風蝕的作用不明顯(減少0.10 t/(hm2·年)，中度改善區域土壤風蝕模數減少1.07 t/(hm2·年)，明顯改善區域土壤風蝕模數減少1.33 t/(hm2·年)。基于植被覆蓋多年均值與土壤風蝕多年均值建立回歸關系，發現植被覆蓋度達20%～25%時可迅速降低土壤風蝕模數，植被覆蓋度超過75%時，隨植被覆蓋度的增加土壤風蝕模數變化幅度較小，植被覆蓋達到75%時有效抑制土壤風蝕(圖6)。秋季耕地和草地收割過程中，適當留茬從而增加植被殘茬，對抑制土壤風蝕具有積極作用。

表2 2000—2015年不同土地利用/覆蓋類型植被覆蓋變化統計Table 2 Statistical analysis of vegetation cover changes of different land use/cover types from 2000 to 2015

表3 典型區不同季節土地利用/覆蓋結構變化對土壤風蝕影響Table 3 Effect of land use/cover changes on soil wind erosion in different seasons of typical areas %

圖6 內蒙古高原植被覆蓋與土壤風蝕相關性閾值分析Fig.6 Relevance threshold analysis of Inner Mongolia Plateau vegetation cover and soil erosion

3 結論與討論

3.1 結論

1)不同季節土壤風蝕差異較大，春季、夏季、秋季、冬季土壤風蝕量比例為5.42∶1.00∶1.36∶3.00。內蒙古高原在2001年春季與冬季土壤風蝕達到峰值，其中春季與冬季土壤風蝕量分別為32.34×108和55.40×108t；第二次峰值出現在2010年，相對于2001年風蝕量明顯減少。

2)基于土地利用/覆蓋變化遙感監測信息[16,22]，1990—2000年，“粗放”經營管理下，耕地轉變成未利用地達380.24 km2；其中，轉變成沙地與鹽堿地的面積分別為31.29與318.44 km2。1998年實施“退耕還林還草”政策，植被覆蓋恢復明顯，耕地轉換成林地的面積為567.07 km2，轉換成草地的面積達2 737.42 km2，研究區中部與西部區域草地與林地面積增加明顯，為土壤風蝕的減緩起到了關鍵性的作用，退耕還林還草有效的固化了土壤，起到防風固沙的積極作用。

3)2000—2015年，不同土地利用/覆蓋類型的植被覆蓋度都呈顯著增加趨勢，夏季與秋季土地利用/覆蓋類型增加速率均大于春季。春季至次年春季表現為低覆蓋度向高覆蓋度草地類型轉化能夠有效抑制土壤風蝕(-61.42%)；荒漠周邊區中覆蓋度向低覆蓋度草地類型轉換過程中，土壤風蝕量增加(51.39%)，草地轉化為沙地、旱地土壤風蝕量增加。

4)植被覆蓋達到75%時可有效抑制土壤風蝕，低覆蓋度植被對降低土壤風蝕作用敏感性高于高覆蓋度植被，當植被覆蓋度達20%～25%時可迅速降低土壤風蝕模數。

3.2 討論

區域土壤風蝕、退耕還林還草對土壤風蝕的影響是一個復雜而且系統的研究，涉及到多背景、多學科的交叉融合[28]。因此鑒于作者知識背景和時間限制，仍然在幾個方面需要改進和深入研究：

土壤風蝕模型應用的不確定性分析。RWEQ模型主要是應用在農田生態系統，且參與計算的因子較多，精度要求高等[28-29]，一方面，區域內的氣象站點較少，部分采用周圍的氣象站點數據，另一方面氣象數據采用空間插值法實現區域覆蓋，插值的精度具有不確定性。基于此在小尺度研究土壤風蝕過程，應大量補充氣象數據。

土壤風蝕是一種無法消除的過程，只能是控制，而不可能使區域內土壤風蝕幾乎為零[29]。在土壤風蝕驅動因子貢獻中，在同一自然條件下，控制人類活動降低土壤風蝕是最有效的解決辦法。本研究從理論上界定了自然因素與人為因素加速和改善土壤風蝕作用過程的貢獻程度，并未對人類活動貢獻程度的顯著性進行研究，在進一步研究的過程中，將繼續對該部分進行深入研究，界定人類活動貢獻顯著性，為自然資源可持續發展和生態修復等工作提供科學的參考和借鑒依據。

本研究中并未對退耕為草地、灌木林地、牧草地等進行分類更深層次的研究，內蒙古高原地理單元特殊，水資源條件有限，充分考慮氣候、水資源等條件，退耕后地類的選擇對區域生態效應更為顯著、更為適宜，有待進一步研究。