陜西省土壤保持格局及其時空變化分析
——以2000—2015年為例

楚冰洋 李月皓

(長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054)

自然因素和不合理的人類活動引起的土壤侵蝕導致了環境惡化，是土地退化和生態環境惡化的重要因素[1,2]，而我國是全球土壤侵蝕最為嚴重的國家之一[3]。土壤保持服務是生態系統對土壤侵蝕所起到的削減和抑制效用的總稱，在應對中國乃至全球的重大環境問題——土壤侵蝕方面發揮重要作用[4,5]。W H Wischmeier等提出通用土壤流失方程(Universal soil loss equation, USLE)，明晰土壤保持的研究現狀，從而達到采取適當措施、提高土壤保持能力的目的[6,7]。1993年美國農業部對USLE的局限性進行了修正，研發了修正的通用土壤流失方程(Revised universal soil loss equation,RUSLE),是目前應用最廣泛、具有較好實用性的土壤侵蝕模型，也是當前評估土壤保持量最常用的方法[8]。

國內外學者對土壤保持進行了深入研究。如，Asis等將RUSLE模型與線性光譜混合分析方法相結合對菲律賓拉梅薩流域進行了土壤侵蝕評估[9]；羅紅等基于修正的通用土壤流失方程，分析黔西北地區1974年、1992年、2008年土地利用/覆被變化前后的土壤侵蝕狀況[10];蔣欣陽等基于RUSLE模型，研究了內蒙古錫林郭勒盟不同尺度、不同景觀類型的土壤保持功能及其空間分布[11]。

陜西省地處中國大陸腹地，地形和氣候類型豐富[12]。陜北地區地處干旱、半干旱地區，區內土壤侵蝕和土地沙化嚴重，是典型的生態脆弱區。關中地區是陜西省工農業生產和經濟發展的重點區，近年來人口的急劇增長和經濟的快速發展，對土地資源的開發力度不斷加大，土壤侵蝕加劇。陜南地區以森林山區為主，但是在中低山區水土流失日益嚴重。因此，本文以陜西省為研究區，計算2000—2015年土壤保持量，使用GIS空間分析方法刻畫土壤保持量空間差異，采用Sen趨勢度方法分析土壤保持量的時空變化趨勢，以期揭示陜西省土壤保持在空間上的異質性和時間上的變化特征，為區域可持續生態系統管理提供決策支持。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

陜西省位于中國西部地區東部，處于N31°43′～39°34′，E105°19′～111°14′，總面積19.86×104km2。在中國區域發展宏觀布局中具有呈東啟西、聯南帶北的戰略地位和區位優勢。本研究區域按照自然條件和社會經濟特征可以分為陜北地區、關中地區、陜南地區3大土壤侵蝕和水土保持服務功能存在差異的地理單元。

1.1.1 陜北地區

主要包括榆林市和延安市。區域海拔900～1600m，地勢較高，地處干旱、半干旱地區，降水稀少且季節變化大，是典型的生態脆弱區。區內土壤侵蝕和沙化嚴重，生態環境脆弱，嚴重影響區域社會經濟發展。

1.1.2 關中地區

包括西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市和渭南市。區域內海拔325～900m，地勢西高東低，中部平坦寬闊，是陜西省工農業生產和經濟發展的重點區。

1.1.3 陜南地區

包括漢中市、安康市、商洛市。區內以山區為主，水熱條件相對較好，植被種類豐富。中低山區由于土地利用不合理，水土流失日益嚴重。

1.2 數據源及預處理

本研究使用的數據包括以下部分：基礎地理信息數據和土地利用數據，來源于資源環境數據云平臺(http://www.resdc.cn)；DEM數據，采用ASTER Global Digital Elevation Model(ASTER GDEM，http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/)數據，空間分辨為90m；NDVI數據，采用SPOT-VEGETATION逐旬數據，數據分辨率為1km，經過批量格式轉換、月最大值合成、批量裁剪和投影得到研究區月NDVI柵格數據集；降雨數據，來源于國家氣象信息中心(http://data.cma.cn)，基于氣象站點數據，使用Anusplin工具進行插值，得到研究區月降雨柵格數據；土壤數據，采用基于世界土壤數據庫的中國土壤數據集(http://westdc.westgis.ac.cn)。

2 研究方法

2.1 土壤保持量計算

生態系統土壤保持服務常用土壤保持量進行評估。本文采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)估算陜西省土壤保持量[13]。計算公式如下：

SC=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)

(1)

式中，SC為土壤保持量，t·hm-2·yr-1，由潛在侵蝕(Ap，t·hm-2·yr-1)與實際土壤侵蝕(Ar，t·hm-2·yr-1)之差決定。

式中各參數計算方法如下：

R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，由Wischmeier經驗公式求得[13]；Pi和P分別代表月降水量和年降水量，mm。

(2)

K為土壤可蝕性因子，t·ha·h·ha-1·MJ-1·mm-1，由Sharpley等發展的EPIC模型計算[14]：

(3)

式中，Sa、Si、Cl和C分別代表砂粒、粉粒、粘粒與有機質在土壤中的質量百分數。

L和S分別為為坡長和坡度因子，計算公式如下[20]：

L=(λ/22.1)m

(4)

(5)

式中，λ和θ為坡長和坡度；m為坡長坡度指數。

C為植被覆蓋因子，f為植被覆蓋度，采用蔡崇法提出的公式計算[15]：

(6)

(7)

P是水土保持因子，由坡度斜率指數α計算：

P=0.2+0.03α

(8)

2.2 趨勢分析方法

基于柵格尺度，應用Sen+Mann-Kendall趨勢分析方法對陜西省2000—2015年土壤保持量的變化趨勢進行分析，該方法可以對定量數據的趨勢變化進行統計意義上的顯著性檢驗，常被用于長時間序列數據的趨勢分析[16]。Sen趨勢度計算公式如下:

(9)

式中，xj、xi為時間序列數據。β>0表示呈現上升趨勢；β<0表示呈現下降趨勢。

Mann-Kendall統計檢驗方法如下:

(10)

(11)

(12)

式中，S為檢驗統計量；Z為標準化后S；xj、xi與公式9中含義相同；n為數據個數，當n≥8時，檢驗統計量S近似為正態分布，且標準化后的檢驗統計量Z為標準正態分布。S的均值和方差如下：

E(S)=0

(13)

(14)

3 結果與分析

3.1 降雨侵蝕力和植被覆蓋分析

由圖2可以看出，陜西省年降雨侵蝕力呈現由北向南逐漸增加的趨勢，即陜南>關中>陜北。具體來說，陜北地區的榆林市西北部和東部降雨侵蝕力較低，最小值為200MJ·mm·hm-2·h-1。陜南的降雨侵蝕力最大，最大值出現在大巴山，為497.9MJ·mm·hm-2·h-1。從年降雨侵蝕力變化折線圖看，陜西省全省及各個子區內年降雨侵蝕力均呈現波動起伏的變化趨勢，這與降雨的年際波動有關。

植被可以利用冠層攔截降雨增加水分滲透和表面粗糙度來減少地表徑流和侵蝕速率，也能夠攔截阻擋泥沙運移，減少大規模的土壤流失。從圖3中可以發現，陜西省植被分布呈現南部高、北部低的特征。陜北地區NDVI較低，尤其是榆林市西北部的毛烏素沙地。陜北地區的延安市南部的子午嶺和黃龍山NDVI較高。關中地區處于工農業生產和經濟發展的重點區，NDVI處于中等水平。陜南地區處于秦巴山區，NDVI較高。NDVI變化趨勢上看，陜西省全省及各個子區內植被NDVI多年來均呈現逐漸增加的趨勢。尤其是陜北地區，植被增速率最大，為0.1432·10a-1，這主要得益于陜北黃土高原上大規模的退耕還林還草工程的實施。

3.2 土壤保持量的時空分布

從圖4可以看出，土壤保持量的分布特征與降雨侵蝕力以及NDVI分布特征較為類似，都是由北向南逐漸增加。陜北地區植被稀疏，土壤保持量較低。關中地區位于農業種植區、城鎮集中區，土壤保持量較低。陜南地區位于秦巴山區，植被覆蓋較高，土壤保持量較高。從土壤保持量各等級面積統計看，有62.06%的區域處于低水平，較高和高的區域面積僅占22%，說明陜西省土壤保持量整體上較低。

3.3 土壤保持服務的趨勢變化

由圖5可知，陜西省土壤保持量均呈現逐漸增加的趨勢，但是增加速率均較小。陜南地區增速最大，年均增長47.41t·hm-2·yr-1。陜北地區增速最小，年均增長8.628t·hm-2·yr-1。從變化折線圖上也可以看出，陜西省土壤保持量的地區差異也十分明顯，大致為陜南>全省>關中>陜北。

從圖6可知，僅有0.32%的區域土壤保持量呈現減小趨勢。基本不變的區域面積也僅占5.10%。輕度增加的面積占比最大，為58.53%；其次是顯著增加的區域面積占比，達到了36.03%。其中，土壤保持量輕度增加的區域主要位于陜北地區的榆林市。土壤保持量顯著增加的區域主要位于銅川市、漢中市西部和寶雞市的西北部。

4 結論

本研究基于多源數據，使用RSULE模型對陜西省2000—2015年土壤保持量進行了定量測算，使用空間分析和趨勢分析方法分析了陜西省土壤保持服務的空間差異和變化趨勢，得到以下結論。

作為影響土壤保持的2個主要因素，陜西省2000—2015年降雨侵蝕力和植被覆蓋均呈現南部高、北部低的特征。其中降雨侵蝕力多年來處于波動起伏變化，全省及各個子區內植被覆蓋均呈現增加趨勢。

陜西省16a平均土壤保持量分布特征與降雨侵蝕力以及NDVI分布特征較為類似，由北向南逐漸增加且地區差異明顯。陜南地區土壤保持量最高，其次是關中地區，陜北地區最低。有62.06%的區域土壤保持量處于低水平，較高和高的區域面積僅占22%，說明陜西省土壤保持量整體上較低。

趨勢分析結果表明，陜西省全省及各子區域土壤保持量均呈現逐漸增加的趨勢，但是增加速率均較小。陜南地區增速最大，其次是關中地區，陜北地區增速最小。