黃河上游西柳溝流域土壤侵蝕對土地利用變化響應

張 洋, 李 鵬, 馬文東, 張 旭, 郭嘉嘉, 潘金金

(1.西安國際港務區農業農村和水務局, 西安 710026; 2.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室, 西安 710048;3.旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室, 西安 710048, 4.城固縣水土保持工作站, 陜西 城固 723200)

位于黃河上游粗泥沙集中來源區的西柳溝流域，自然條件惡劣，生態環境脆弱，水土流失問題十分突出。每遇強降雨，孔兌洪水挾帶大量泥沙，不僅嚴重淤積黃河內蒙古河段，而且嚴重制約著周邊地區經濟社會發展，威脅著人民群眾的生命財產安全[1]。流域的水土流失會導致河道和水庫中大量沉積物沉積、土壤肥力下降以及環境污染等一系列問題[2-4]。因此，研究影響水土流失的各種因素十分重要，以便制定和實施有效的水土保持措施。流域侵蝕與諸多因素有關，包括降雨過程和流域下墊面的變化，如土地利用、土壤、地形地貌等[5-6]。流域內的降雨量、土壤類型和地形地貌短期內不會發生顯著變化，這意味著人類活動引發的土地利用變化，是影響流域侵蝕變化的主要因素[7]。正確認識土壤侵蝕與土地利用變化的關系，對于優化流域水土保持具有重要意義[8]。

土地利用類型的改變一定程度上影響著流域土壤侵蝕。例如，耕地可能轉化為林地和草地，從而減少侵蝕[9]。莊建琦等[10]揭示了小流域土地利用/土地覆被變化引起的土壤侵蝕變化過程；李成志等[11]利用RMMF模型評價了喀斯特地區土地利用類型變化對土壤侵蝕的影響；張尚弘等[12]通過SWAT模型分析了流沙河流域土地利用和景觀格局的變化對流域土壤侵蝕的影響。但目前國內對于水土流失較為嚴重的黃土高原地區典型流域的土地利用類型變化是如何影響流域土壤流失的研究較為少見。因此，本文以黃河上游西柳溝流域為研究區域，分析1980—2015年土地利用類型的時空變化過程，并通過土壤流失修正模型(RUSLE)對流域土壤侵蝕進行定量評估，研究土地利用變化對流域土壤侵蝕的影響，為流域水土保持提供參考。

1 研究區概況

西柳溝流域為黃河內蒙古段十大孔兌之一，發源于內蒙古鄂爾多斯市東勝區漫賴鄉張家山頂，流經三鄉—蘇木，由昭君墳鄉河畔村直接流入黃河，流域總面積1 191.72 km2，全長106.5 km。流域上游為黃土丘陵溝壑區，面積876.3 km2，占流域總面積的73.53%；中游為庫布齊沙漠，下游為沖洪積扇。西柳溝屬于典型的干旱大陸性季風氣候，多年平均降水量267.7 mm，年均蒸發量2 200 mm，年平均氣溫為6.1℃，年均風速3.1 m/s，風向多為西北風，風力在5～8級。流域上游黃土丘陵區地面物質由砒砂巖組成，極易產生風蝕和水蝕，為西柳溝的主要產沙區域。據西柳溝龍頭拐水文站觀測資料，西柳溝多年平均徑流量2 792.5萬m3，實測最大洪峰流量6 940 m3/s，最大含沙量1 550 kg/m3，年最大輸沙量4 750萬t[13]。西柳溝在黃河流域的地理位置見圖1。

圖1 西柳溝流域地理位置

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究依據西柳溝流域土地利用遙感影像資料，結合流域地形圖、區域專題研究資料與圖件等其他資料對西柳溝流域土地利用變化信息進行提取，根據土地利用分類系統劃分出6種土地利用類型，得到西柳溝流域1980年和2015年兩期分辨率為30 m的土地利用數據(圖2)；數字高程模型(DEM)數據來源于地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率30 m；降雨數據、土壤類型數據及NDVI數據來源于資源環境科學與數據中心(https:∥www.resdc.cn)。

2.2 RUSLE模型

“修訂通用土壤流失方程”RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)[14]可根據一定的條件計算出區域單位時間單位面積上的土壤流失量，是區域土壤侵蝕定量評價的重要手段。模型以6個因子的乘積形式量化土壤侵蝕，方程式表達為：

A=R·K·LS·C·P

(1)

式中:A為單位面積上的年均土壤流失量〔t/(hm2·a)〕;R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;LS為坡長坡度因子;C為植被覆蓋—管理因子;P為水土保持措施因子。

2.2.1 降雨侵蝕力因子計算方法 降雨侵蝕力因子反映降雨引起土壤侵蝕的潛在能力。利用獲取的1980—2015年連續36 a的年降雨量數據計算降雨侵蝕力，直接采用多年平均降雨量計算[15]：

R=0.0483P1.61P<850 mm

R=587.8-1.219P+0.004105P2P≥850 mm

(2)

式中:R為降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;P為年均降水量(mm)。

圖2 1980-2015年西柳溝流域土地利用分布

2.2.2 土壤可蝕性因子計算方法 土壤可蝕性因子是衡量土壤抗蝕性的指標，用于反映土壤對侵蝕的敏感性，表示降雨侵蝕力引起的土壤侵蝕量。利用EPIC模型法[16]對不同土壤類型賦予相應的K值，計算方法如下：

(3)

式中:K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;Sa為砂粒含量(%);Si為粉粒含量(%);Ci為黏粒含量(%);C為有機碳含量(%);Sn=1-Sa/100。

2.2.3 坡度坡長因子計算方法 坡度坡長因子反映地形對土壤侵蝕的影響。坡度因子是特定坡度的坡地土壤流失量與標準徑流小區坡度的坡地土壤流失量之比值；坡長因子則是特定坡長的坡地土壤流失量與標準徑流小區坡長的坡地土壤流失量之比值，一般認為，土壤流失量與坡度、坡長的之間呈冪函數關系。計算方法如下[17]：

(4)

S=10.8sinθ+0.03θ<5°

S=16.8sinθ-0.50 5°≤θ<10°

S=21.9sinθ-0.96θ≥10°

(5)

式中:L為坡長因子;S為坡度因子;λ為坡長(m);m為坡長指數;θ為坡度(°)。

2.2.4 植被覆蓋-管理因子計算方法 植被覆蓋—管理因子指一定覆蓋和管理水平下，某一區域土壤流失量與該區域連續休閑情況下土壤流失量之比。變化值域為0～1，根據植被覆蓋度和土地利用類型進行賦值，參考等[18-19]的研究結果確定C的取值，見表1。

表1 C因子賦值

2.2.5 水土保持因子計算方法 水土保持因子指采取水土保持措施(等高耕作、梯田等)后的土壤流失量與順坡耕作產生的土壤流失量之比。取值范圍在0～1，在實際研究中難以通過實測方法確定P值，故依據土地利用類型賦值的方法確定取值，賦值結果見表2。

表2 P因子賦值表

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征分析

3.1.1 土地利用變化 通過兩期的土地利用對比分析計算得到西柳溝流域不同時期的土地利用類型面積及其占流域總面積的比例統計表(表3)。從表中可以看出：西柳溝流域的土地利用類型以草地、耕地和未利用地為主，建設用地和水域所占面積較小。1980—2015年，草地、林地和水域面積呈減小趨勢，其中林地的占地面積降幅達到了57.08%，是變化幅度最大的土地利用類型；水域面積受人類活動的影響略有減小，減小率為7.78%；耕地、建設用地和未利用地的占地面積逐漸增大，其中建設用地和未利用地的面積增幅分別為52.32%和20.91%，總體變化幅度較大。

表3 西柳溝流域土地利用類型

3.1.2 土地利用格局演變 基于1980年和2015年的土地利用數據，統計得到西柳溝流域土地利用類型轉移矩陣(表4)。結果顯示：1980—2015年，耕地轉出總面積為10.38 km2，其中65.41%轉化為草地，主要是由于2000年實施的退耕還林還草工程，進一步防治水土流失；林地轉出總面積為34.90 km2，有86.33%的面積轉為未利用土地，轉化為其他土地利用類型的面積較少；草地轉出總面積為62.97 km2，其中有17.54 km2轉為耕地，28.71 km2轉為未利用土地，10.55 km2轉為建設用地。3種主要的土地利用類型轉出面積大小為草地>林地>耕地，耕地主要轉化為草地，林地大部分轉為未利用土地，草地大部分轉為耕地和未利用土地。

表4 西柳溝流域1980-2015年土地利用類型轉移矩陣 km2

3.2 土壤侵蝕特征及空間分布規律

3.2.1 土壤侵蝕總體變化特征 通過計算各水土流失因子圖層在統一投影面積上的乘積，得到西柳溝流域土壤侵蝕模數空間分布見圖3。不同土地利用類型在不同時期的平均土壤侵蝕模數，統計結果見表5。結果顯示，西柳溝流域1980年平均土壤侵蝕模數為1 946.56 t/(km2·a)，2015年平均土壤侵蝕模數為1 873.55 t/(km2·a)。流域各地類平均土壤侵蝕模數大小依次為草地>林地>耕地>建設用地>未利用土地>水域。從土壤侵蝕模數大小來看，流域的土壤侵蝕主要來源于草地、林地和耕地。1980年，西柳溝流域草地、林地和耕地的平均土壤侵蝕模數分別為2 824.94，739.96，48.82 t/(km2·a)，侵蝕等級分別達到了中度侵蝕、輕度侵蝕和微度侵蝕；2015年，西柳溝流域草地、林地和耕地的平均土壤侵蝕模數分別為2 799.15，1 042.72，46.06 t/(km2·a)，侵蝕等級依然為中度侵蝕、輕度侵蝕和微度侵蝕，相比于1980年，耕地和草地的平均土壤侵蝕模數有所下降，林地及其他地類的侵蝕模數有所上升。

圖3 西柳溝流域1980-2015年土壤侵蝕模數空間分布

表5 不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數 t/(km2·a)

根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)[20]和實際水土流失情況對水蝕強度的分級標準確定土壤侵蝕分級指標，生成了西柳溝流域土壤侵蝕強度等級圖(圖4)。統計了西柳溝流域不同土壤侵蝕分類面積分布及侵蝕量的情況，統計結果見表6。

西柳溝流域1980年、2015年土壤侵蝕面積均為1 183.41 km2，土壤侵蝕強度可以分為微度侵蝕至劇烈侵蝕6個等級。從侵蝕面積來看，1980年和2015年西柳溝流域土壤侵蝕以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，均占流域總面積的77%以上，強度、極強度和劇烈侵蝕面積所占比例較小，三者侵蝕面積占比約15%。1980年，不同土壤侵蝕強度所占比重依次為：輕度>微度>強度>中度>極強度>劇烈；2015年，不同土壤侵蝕強度所占比重依次為：微度>輕度 >強度>中度>極強度>劇烈。整體來看，1980—2015年流域微度侵蝕面積逐漸增加，從442.76 km2增至472.05 km2，其他等級的土壤侵蝕面積逐漸減小。

從土壤侵蝕量來看，1980年西柳溝流域土壤侵蝕量為230.35萬t，主要來源于強度侵蝕和極強度侵蝕，分別占總侵蝕量的30%和28.27%；2015年土壤侵蝕量為221.72萬t，侵蝕來源仍以強度侵蝕和極強度侵蝕為主，分別占總侵蝕量的29.89%和28.24%。兩個年份的微度侵蝕產沙量最小，僅為1.49萬t和1.39萬t，可見流域侵蝕面積雖然以微度侵蝕和輕度侵蝕為主。

圖4 西柳溝流域1980-2015年土壤侵蝕等級空間分布

3.2.2 土壤侵蝕強度等級轉移變化 西柳溝土壤侵蝕強度等級的變化利用基本的方法以及轉移矩陣進行分析，統計結果見表7。由表可知，1985—2015年時段西柳溝流域土壤侵蝕強度等級發生變化的面積為97.35 km2，占總面積的8.23%。其中輕度、中度、強度、極強度、劇烈侵蝕均有部分減弱為微度侵蝕，轉移面積分別為48.52，3.90，6.46，2.83，0.33 km2，而微度侵蝕轉為其他侵蝕強度等級的面積較少，為32.76 km2，致使其總量有所增加。輕度侵蝕的變化部分主要由微度侵蝕(26.60 km2)轉化而來，占轉入面積的97.29%，而其有48.52 km2的面積轉換為微度侵蝕，占轉出面積的98.74%，最終使得輕度侵蝕的總量減小。中度侵蝕由其他侵蝕等級轉入共4.21 km2，共有4.56 km2轉出，94.77%的面積保持侵蝕強度不變，使得中度侵蝕的總量略有減少，其中絕大部分向侵蝕強度等級低的方向轉換，且以轉為微度侵蝕最多。強度、極強度、劇烈侵蝕均主要由微度侵蝕轉換而來，轉入面積大于轉出面積，其他侵蝕等級的轉換面積極少，因此總量仍在減少。

表6 西柳溝流域1980-2015年不同土壤侵蝕分類 面積分布情況

表7 西柳溝流域1980-2015年土壤侵蝕強度等級轉移矩陣 km2

3.3 土地利用與土壤侵蝕的響應關系

隨著人類活動的影響，土壤侵蝕加劇，引起了一系列的環境效應，嚴重破壞了人類賴以生存的環境，制約著全球經濟的可持續發展。

土地利用的空間分布是土壤侵蝕的催化劑，可改變局部地區的微環境，諸如氣候、土壤、植被等，進而加劇或減緩土壤侵蝕。因此，探討土地利用與土壤侵蝕之間的響應關系，對于了解影響土壤侵蝕的主要因素和機制，對合理的土地利用規劃以及生態環境保護具有重要的意義。

表8顯示了西柳溝流域不同土地利用類型土壤侵蝕面積分布情況，從表中可知，1980—2015年，西柳溝土壤侵蝕面積分布以草地為主，占地面積分別為800.26，781.36 km2。兩個時期草地的侵蝕面積分布主要以輕度侵蝕為主，面積分別為451.35，440.05 km2，占草地總面積的56.40%，56.32%，耕地和未利用地的侵蝕面積相當，分別占總侵蝕面積的10.77%，9.91%和11.72%，12.12%，劇烈侵蝕的面積最小。

草地的侵蝕面積呈逐年減少的趨勢，土壤侵蝕程度的降低對應的土地利用變化主要是草地轉變為林地和耕地，兩者的轉移面積分別為4.47，17.54 km2，主要集中在水域與城鎮之間地勢平坦的區域，稀疏的灌草地轉變為林地和耕地，植被覆蓋度增加，使土壤侵蝕程度降低。

表8 西柳溝流域1980-2015年不同土地利用類型土壤侵蝕面積特征 km2

根據土壤侵蝕量的空間分布情況統計了西柳溝流域不同土地利用類型的土壤侵蝕量。表9顯示了1980—2015年西柳溝流域不同土地利用類型土壤侵蝕量的分布情況，表中可知，西柳溝流域兩個時期的土壤侵蝕量主要來自于草地，侵蝕量分別為226.03，218.71萬t，占總侵蝕量的98.12%，98.64%；其次為林地，其他地類土壤侵蝕量較少。同時可以清晰的看出，林地土壤侵蝕量主要源于輕度侵蝕和中度侵蝕，未發生劇烈侵蝕的情況，微度侵蝕和極強度侵蝕來源較少；草地土壤侵蝕量主要源于強度侵蝕和極強度侵蝕，2015年，草地各個侵蝕等級的土壤侵蝕量均有所減少；耕地土壤侵蝕量均集中在微度侵蝕和輕度侵蝕，到了2015年，耕地侵蝕量略有減少，減少了200 t；1980年，建設用地、水域和未利用土地的土壤侵蝕量總和僅為1 340 t，占總侵蝕量的0.06%，2015年，3種地類的土壤侵蝕量增加到2 100 t，原因是建設用地和未利用地的面積增加，使土壤侵蝕量略有增加，由此可見，城鎮化的建設在一定程度上加劇了土壤侵蝕。

表9 西柳溝流域1980-2015年不同土地利用類型土壤侵蝕量特征 萬t

4 討 論

流域土地利用變化特征表明，1980—2015年，林地、建設用地和未利用地的面積變化幅度較為明顯，其中林地減少的面積大部分轉化為未利用土地，其他轉化為未利用地的部分大多位于風沙區，集中在流域出口處的龍頭拐水文站附近，說明近年來流域出口附近土地荒漠化較為嚴重，水土流失程度加劇。

從土壤侵蝕的空間分布來看，流域中部侵蝕較為嚴重，土壤侵蝕模數較大，且向上下游兩端侵蝕強度逐漸減小，這與降雨強度的分布基本一致。從龍頭拐水文站以上流域看，北部沙漠地區土壤侵蝕以風力侵蝕為主，其次由于雨水在沙地中的入滲速度較快，地表難以形成徑流，導致溝道稀少，因此受到的水力侵蝕較弱；而中部地區的黃土砒砂巖，覆沙黃土厚度遠小于北部地區，有利于溝道的形成發育，且下墊面以草地和耕地為主，平均土壤侵蝕模數較大，水土流失較為嚴重；南部區域砒砂巖裸露，溝道稀疏，土壤侵蝕強度不及中部地區[21]。大部分侵蝕產沙來源于極強度侵蝕和劇烈侵蝕，土壤侵蝕嚴重的原因可能是土壤抗蝕性較弱、溝頭等地形陡峭、重力侵蝕活躍，且侵蝕等級較高的地區降雨量相比于其他地區較多，坡面坡度較大，降雨侵蝕力較大，導致計算得到的土壤侵蝕模數較高，這也是土壤侵蝕量較大的主要原因。

此外，中度侵蝕以上的面積主要分布在草地，少量分布于林地，其他地類均以微度侵蝕為主，可見草地是引發水土流失的主要土地利用類型。王金花等人[22]的分析表明，西柳溝流域受人類活動影響，草地、耕地、未利用土地的變化最為顯著。草地的部分面積向林地和耕地轉化是35 a間土壤侵蝕程度的降低的主要原因，進一步表明土地利用/土地覆被變化是引起流域土壤侵蝕變化的必然因素，這與章影等[23]人的研究結論一致。總體來說，近年來水土保持措施工程的建設有一定的成效，流域內土壤侵蝕強度有所降低，在一定程度上得到了控制，但局部地區仍存在著土壤侵蝕強度增加的情況。建議局部地區實施荒山造林政策，優化土地利用空間格局，增加植被覆蓋度，降低水土流失嚴重程度。

5 結 論

(1) 1980—2015年期間，西柳溝流域草地、林地和水域面積呈減小趨勢，耕地、建設用地和未利用地面積呈增加趨勢；流域3種主要的土地利用類型轉出面積大小為草地>林地>耕地，耕地主要轉化為草地，林地大部分轉為未利用土地，草地大部分轉為耕地和未利用土地。

(2) 西柳溝流域1980年平均土壤侵蝕模數為1 946.56 t/(km2·a)，2015年平均土壤侵蝕模數降至1 873.55 t/(km2·a)。各地類平均土壤侵蝕模數大小依次為草地>林地>耕地>建設用地>未利用土地>水域，其中耕地和草地的平均土壤侵蝕模數有所下降。土壤侵蝕量主要來自于草地，其次為林地；草地土壤侵蝕量主要源于強度侵蝕和極強度侵蝕，林地土壤侵蝕量主要源于輕度侵蝕和中度侵蝕。

(3) 1980—2015年西柳溝流域土壤侵蝕以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，占流域總面積的77%以上；土壤侵蝕強度等級發生變化的面積為97.35 km2，土壤侵蝕程度總體上呈降低的趨勢，其中草地部分面積分別轉化為林地和耕地是流域土壤侵蝕程度的降低的主要原因，轉移面積分別為4.47，17.54 km2，說明土地利用結構的改變是影響流域土壤侵蝕變化的必然因素。