黃河羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶土壤侵蝕的時空異質(zhì)性與相關(guān)因素探析

［關(guān)鍵詞］

相關(guān)性分析；時空異質(zhì)性；土壤侵蝕；河岸帶；鄰近庫區(qū)；羊曲水電站；黃河

［摘" 要］

以龍羊峽水電站庫區(qū)至上游支流巴溝河段黃河兩岸5 km河岸帶為研究對象，依據(jù)庫區(qū)位置（羊曲壩下、羊曲庫首、羊曲庫中、羊曲庫尾、班多水電站庫區(qū)和支流巴溝河）和河岸位置（左岸、右岸）組合劃分為12個分段，構(gòu)建了2000—2022年土壤侵蝕模數(shù)及其相關(guān)因素的年尺度時間序列，通過Mann-Kendall趨勢分析，獲取了不同置信度的變化像元，進(jìn)而通過皮爾遜（Pearson）相關(guān)性分析探討了各河岸帶土壤侵蝕模數(shù)的潛在影響變量。結(jié)果表明：12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI均呈正相關(guān)，其中RHR、LMR、RMR達(dá)到極顯著水平，RBD相關(guān)性不顯著，其余8個達(dá)到顯著水平；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年潛在蒸發(fā)量均呈負(fù)相關(guān)，其中RBG達(dá)到顯著水平；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年降水量均呈正相關(guān)，其中RBD達(dá)到極顯著水平，LHR、RHR、LMR、RMR、LTR和RTR達(dá)到顯著水平；RBD和RBG的土壤侵蝕模數(shù)與年均氣溫均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余10個河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；RBD、RHR、RMR、RTR和LBR的土壤侵蝕模數(shù)與年地表凈輻射通量均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余7個則呈不顯著正相關(guān)；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年均表層土壤含水量均呈正相關(guān)，其中RMR和RBG達(dá)到顯著水平，其余10個則不顯著；12個河岸帶的造林潛力地塊及其氣候生產(chǎn)潛力的分析結(jié)果表明支流巴溝河河岸帶的單位面積年均氣候生產(chǎn)潛力最高，班多水電站庫區(qū)次之，其后為壩下（羊曲大壩至龍羊峽大壩），最低的為羊曲庫區(qū)。

［中圖分類號］ S157.1；TP79" ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.11.005

［引用格式］ 張峰華，張新平，張國盛，等.黃河羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶土壤侵蝕的時空異質(zhì)性與相關(guān)因素探析［J］.中國水土保持，2024（11）：22-27.

水電站庫區(qū)河岸帶是中小尺度的自然人工、水陸交錯界面，是生態(tài)交錯帶的一種重要類型，是因液相和固相物質(zhì)相互交換而出現(xiàn)的一個既不同于水體又不同于陸地的特殊過渡帶。岸坡是介于水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的一種獨(dú)立生態(tài)系統(tǒng)，它對水陸生態(tài)系統(tǒng)間的物流、能流、生物流發(fā)揮著廊道、過濾器和天然屏障等功能。岸坡主要由坡頂、坡面和坡腳3個部分組成，其中坡頂屬于陸地生態(tài)系統(tǒng)，坡腳常年淹沒在水下，屬于河流生態(tài)系統(tǒng)的一部分，坡面是水陸生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，即水陸交錯帶，它兼具水陸生態(tài)系統(tǒng)的雙重特征和功能［1］。坡面可劃分為死水位區(qū)、水位變化區(qū)和無水區(qū)3個區(qū)域。死水位區(qū)（常水位淹沒區(qū)）是坡腳到枯水位之間的區(qū)域，常年浸泡在水下，是水生生物最活躍的區(qū)域；水位變化區(qū)（消落帶）是枯水位與設(shè)計高水位之間的區(qū)域，受豐水期與枯水期的交替作用，是水位變化最大的區(qū)域和受風(fēng)浪淘蝕與干濕交替脅迫最嚴(yán)重的區(qū)域，也是兩棲類動物、昆蟲和鳥類活動最頻繁的區(qū)域;無水區(qū)是洪水位到坡頂之間的區(qū)域，是陸生生物的主要活動區(qū)。加強(qiáng)坡面景觀生態(tài)系統(tǒng)的研究，對于治理水土污染、控制水土流失、加固堤岸、增加動植物種類、提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、調(diào)節(jié)微氣候和美化環(huán)境等方面都有重要意義。

1" 研究區(qū)概況

選取龍羊峽水電站庫區(qū)至上游支流巴溝河段黃河兩岸5 km河岸帶為研究區(qū)，并根據(jù)大壩位置、地形地貌和淹沒區(qū)等特征將河岸帶劃分12個分段。表1為12個河岸帶的簡稱代號、面積及占比。表2為龍羊峽、羊曲和班多3座水電站的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

羊曲水電站位于青海省海南藏族自治州興海縣與貴南縣交界處，是黃河干流龍羊峽水電站上游茨哈、班多和羊曲3個規(guī)劃梯級電站的最下一級，距上游班多水電站河道距離約75 km，距下游龍羊峽水電站河道距離約100 km，距離西寧市城區(qū)約242 km，距貴南縣城區(qū)約50 km，對外交通便利。羊曲水電站工程的主要任務(wù)為發(fā)電，有助于促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。壩址以上控制流域面積12.3萬km2，多年平均流量629 m3/s，多年平均徑流量198.36億m3。水庫正常蓄水位為2 715 m，死水位與生態(tài)限制水位均為2 710 m，正常蓄水位時水庫庫容為14.724億m3。電站總裝機(jī)容量為1 200 MW，多年平均年發(fā)電量為47.316億kW·h［2］。

班多水電站位于青海省海南藏族自治州興海縣與同德縣交界處的茨哈峽谷出口處，上游方向距鄰近電站茨哈峽水電站約6.5 km，下游方向距鄰近電站羊曲水電站約75 km，距下游龍羊峽水電站約176 km，電站海拔2 800 m，壩址控制流域面積約11萬km2，是黃河龍羊峽以上、海拔3 000 m以下水電規(guī)劃的第二個梯級電站。班多水電站為河床式電站，壩頂高程為2 764.0 m，最大壩高79.7 m，水庫正常蓄水位2 760 m，總庫容0.153 5億m3。電站主要任務(wù)是發(fā)電，電站安裝有3臺容量為120 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量360 MW，年設(shè)計發(fā)電量14.12億kW·h［3］。

結(jié)合水電站運(yùn)行參數(shù)（見表2），經(jīng)過地形分析估算得到龍羊峽水電站庫區(qū)消落帶面積約為11 094 m2，班多水電站庫區(qū)消落帶面積約為625 m2。羊曲水電站及上下游鄰近庫區(qū)河岸帶劃分結(jié)果見圖1。

2" 數(shù)據(jù)與方法

2.1" 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)來源如下：①科學(xué)數(shù)據(jù)銀行平臺（https：//www.scidb.cn/）公開的2024年8月19日發(fā)布的《1990—2022年中國內(nèi)地30 m年水土流失數(shù)據(jù)集》，

張峰華等：黃河羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶土壤侵蝕的時空異質(zhì)性與相關(guān)因素探析

本研究換算成土壤侵蝕模數(shù)。因缺少2002年數(shù)據(jù)，故本研究采用《2000—2020年三北防護(hù)林水土保持能力評價數(shù)據(jù)集》中的2002年土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊。②國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.nesdc.org.cn）公開的《2000—2022年中國30 m年最大NDVI數(shù)據(jù)集》。③時空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺（https：//poles.tpdc.ac.cn）公開的《中國1 km分辨率逐月降水量數(shù)據(jù)集（1901—2021）》，該數(shù)據(jù)已經(jīng)更新到2023年。④時空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺共享的《中國1 km逐月潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集（1990—2021）》。⑤黃河數(shù)據(jù)中心（http：//huanghe.ncdc.ac.cn）共享的《中國月地面太陽輻射數(shù)據(jù)集（2000—2017年）》。⑥月平均氣溫數(shù)據(jù)來自Zenodo平臺上《High-spatial-resolution monthly temperatures dataset over China during 1901—2017》（https：//zenodo.org/records/3185722）。⑦時空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺開放的《中國土壤濕度/土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集（2000—2020）》（本研究選取0～10 cm土層數(shù)

據(jù)），該數(shù)據(jù)已經(jīng)更新到2022年。⑧氣候生產(chǎn)潛力是一種描述理想氣象條件下植被最大生產(chǎn)力的指標(biāo)，能綜合反映氣候變化對植被生長的影響［4］，本研究采用XU［5］基于Miami模型計算的植被氣候生產(chǎn)潛力相關(guān)數(shù)據(jù)，即《中國潛在造林地及其氣候生產(chǎn)潛力空間分布估算》（https：//doi.org/10.3974/geodb.2023.03.02.V1）。以上所有數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.8中空間范圍統(tǒng)一到研究區(qū)內(nèi)，數(shù)值上運(yùn)用Python相關(guān)功能包批量處理為年平均值。

2.2" Mann-Kendall趨勢檢驗分析

本研究采用Theil-Sen估計器（Sen’s slope）估計和Mann-Kendall（MK）非參數(shù)檢驗分析2000—2022年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)及相關(guān)影響因子［年最大NDVI、年地表凈輻射通量、年降水量、年均氣溫、年均表層土壤含水量（0～10 cm土層）、年潛在蒸發(fā)量］的年際變化趨勢。MK檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，可以用來判斷趨勢的顯著性，無需樣本服從一定的分布，不受異常值的影響。當(dāng)檢驗統(tǒng)計量Z的絕對值分別大于1.65、1.96和2.58時，表示趨勢分別通過了置信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗，即微顯著（p＜0.1）、顯著（p＜0.05）和極顯著（p＜0.01）。

2.3" 相關(guān)性分析

本研究選擇以年為單位，12個河岸帶7個指標(biāo)的像元尺度平均值作為相關(guān)性分析數(shù)據(jù)對，在R 4.2.2中采用GGally、ggplot2、ggpubr、readxl和ggpairs等程序包完成相關(guān)性分析和可視化制圖。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 2000—2022年河岸帶土壤侵蝕模數(shù)及相關(guān)因素變化

圖2～圖8分別為2000—2022年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)、年最大NDVI、年降水量、年均氣溫、年潛在蒸發(fā)量、年均表層土壤含水量、年地表凈輻射通量變化特征。由圖2～圖8知，土壤侵蝕模數(shù)呈較為明顯的空間分段變化趨勢，龍羊峽庫尾至巴溝河段為不顯著減少趨勢，龍羊峽庫中與庫首兩岸為不顯著增加趨勢；年最大NDVI總體呈極顯著增加趨勢，水電站壩址、城鎮(zhèn)居民點等建設(shè)地點呈顯著減少趨勢；年降水量呈不顯著或微顯著增加趨勢，巴溝河有部分區(qū)域呈顯著增加趨勢；年均氣溫呈不顯著增加趨勢，興海縣唐乃亥鄉(xiāng)和同德縣巴溝鄉(xiāng)部分區(qū)域呈顯著或極顯著增加趨勢；年潛在蒸發(fā)量呈不顯著減少趨勢，部分地點呈不顯著增加趨勢；年表層土壤含水量變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，龍羊峽庫首左岸與庫中和羊曲庫區(qū)左右岸呈極顯著增加趨勢，龍羊峽庫中左岸與庫首右岸、班多至巴溝河左

右岸呈不顯著增加趨勢，羊曲電站右岸和班多電站部分區(qū)域呈不顯著減少趨勢；年地表凈輻射通量總體呈不顯著減少趨勢，右岸有部分河岸帶表現(xiàn)出不顯著增加趨勢，龍羊峽庫首和庫中呈現(xiàn)極顯著減少趨勢。

3.2" 河岸帶土壤侵蝕模數(shù)影響因素的相關(guān)性分析

3.2.1" 不同河岸帶土壤侵蝕模數(shù)均值

由圖9可知，2000—2007年12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)相對穩(wěn)定，均維持在25～100 t/（hm2·a），2008年以后河岸帶LMR、RHR、RMR和RTR的土壤侵蝕模數(shù)均明顯增大，平均值在300 t/（hm2·a）以上，2018年后呈回落趨勢。

3.2.2" 不同河岸帶土壤侵蝕模數(shù)與影響因素的相關(guān)性

12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與6個影響因素之間的相關(guān)性分析結(jié)果見表3。由表3可知，12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI均呈正相關(guān)，其中RHR、LMR、RMR達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），RBD相關(guān)性不顯著，其余8個河岸帶達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年潛在蒸發(fā)量均呈負(fù)相關(guān)，其中RBG達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年降水量均呈正相關(guān)，其中RBD達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），LHR、RHR、LMR、RMR、LTR和RTR達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；RBD和RBG的土壤侵蝕模數(shù)與年均氣溫呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余10個河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；RBD、RHR、RMR、RTR和LBR的土壤侵蝕模數(shù)與年地表凈輻射通量呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余7個河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年均表層土壤含水量均呈正相關(guān)，其中RMR和RBG達(dá)到顯著水平（p＜0.05），其余10個河岸帶則不顯著。

3.3" 河岸帶干旱變化趨勢與造林潛力

溫度植被降水干燥指數(shù)（TVPDI）是刻畫干旱水平一種有效的測度手段［6］。圖10為2001—2020年研究區(qū)月均溫度植被降水干燥指數(shù)變化，可見2001—2020年羊曲水電站及鄰近庫區(qū)河岸帶的月均溫度植被降水干燥指數(shù)呈波動變化，總體呈微顯著增加趨勢。表4 為不同分段河岸帶潛在造林地質(zhì)量等級與年均氣候生產(chǎn)潛力。由表4可知，單位面積年均氣候生產(chǎn)潛力對比上，支流巴溝河河岸帶（LBG、RBG）最高，班多水電站庫區(qū)（LBR、RBR）次之，其后為壩下（羊曲大壩至龍羊峽大壩）（LBD、RBD），最低的為羊曲庫區(qū)。

4" 結(jié)論

基于長序列土壤侵蝕模數(shù)及相關(guān)要素的遙感數(shù)據(jù)，開展了年尺度上的變化檢測，識別出了不同變化趨勢的土壤侵蝕相關(guān)因素的空間位置。同時，以羊曲水電站為核心，上下游相關(guān)聯(lián)，形成了一套細(xì)分黃河上流梯級水電站河岸帶的方法和技術(shù)。對12個河岸帶開展了土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI、年地表凈輻射通量、年降水量、年潛在蒸發(fā)量、平均表層土壤含水量、年均氣溫的相關(guān)性分析，結(jié)果表明：①土壤侵蝕模數(shù)具有較明顯的空間分段差異性，龍羊峽庫尾至巴溝河段呈不顯著減少趨勢，龍羊峽庫中與庫首兩岸呈不顯著增加趨勢。②12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年最大NDVI均呈正相關(guān)，其中RHR、LMR、RMR達(dá)到極顯著水平，RBD相關(guān)性不顯著，其余8個達(dá)到顯著水平；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年潛在蒸發(fā)量均呈負(fù)相關(guān)，其中RBG達(dá)到顯著水平；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年降水量均呈正相關(guān)，其中RBD達(dá)到極顯著水平，LHR、RHR、LMR、RMR、LTR和RTR達(dá)到顯著水平；RBD和RBG的土壤侵蝕模數(shù)與年均氣溫均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余10個河岸帶則呈不顯著正相關(guān)；RBD、RHR、RMR、RTR和LBR的土壤侵蝕模數(shù)與年地表凈輻射通量均呈不顯著負(fù)相關(guān)，其余7個則呈不顯著正相關(guān)；12個河岸帶的土壤侵蝕模數(shù)與年均表層土壤含水量均呈正相關(guān)，其中RMR和RBG達(dá)到顯著水平，其余10個則不顯著。③在此基礎(chǔ)上，分析了12個河岸帶的造林潛力地塊及其氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)果表明支流巴溝河河岸帶的單位面積年均氣候生產(chǎn)潛力最高，班多水電站庫區(qū)次之，其后為壩下（羊曲大壩至龍羊峽大壩），最低的為羊曲庫區(qū)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 王云才.景觀生態(tài)規(guī)劃原理：3版［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2023：177-185.

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收稿日期： 2024-09-01

基金項目： 黃河羊曲水電站招標(biāo)科研項目子課題“青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司羊曲水電站工程陸生生態(tài)研究科研項目”（2004-014-HHS-SD-X）；陜西省社會科學(xué)基金年度項目“黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展知識圖譜構(gòu)建與科學(xué)問題挖掘”（2020N004）；黃河羊曲水電站工程對局地氣候影響及生物多樣性演變趨勢研究

第一作者： 張峰華（1988—），男，河南新鄉(xiāng)人，高級工程師，碩士，主要從事水電開發(fā)建設(shè)與管理工作。

通信作者： 張新平（1981—），男，陜西柞水人，講師，博士，主要從事景觀生態(tài)、流域生態(tài)和城市林業(yè)的遙感監(jiān)測與規(guī)劃設(shè)計及科學(xué)計量研究工作。

E-mail： zhang_xinping@xaut.edu.cn

（責(zé)任編輯" 李楊楊）