南方紅壤侵蝕流域不同情景措施的減沙效應模擬

關鍵詞：SWAT模型；產沙模擬；水土保持措施；土地利用；紅壤侵蝕流域

SWAT（soil and water assessment tool）模型是由美國農業部農業研究中心（US Department ofAgriculture-Agricultural Research Service，USDAARS）Jeff Arnold 博士在1994 年為評價土地管理措施對水、沙及農業污染物等的長期影響而開發的流域尺度水文模型[1]，被廣泛應用于土壤侵蝕、土地利用與覆被變化、非點源污染、各種水體環境等，用于模型的模擬預測、情景分析。目前，國內外已有許多學者通過構建流域生態水文模型[2]進行不同植物修復的水文過程模擬[3]，為退化的生態環境恢復重建提供科學依據。郝芳華等[4]選取黃河下游支流，設置3種植被恢復情景，探討其對流域產流產沙的影響。田晶等[5]將未來氣候變化和土地利用/覆被變化（land use/cover change，LUCC）結合起來設置情景，綜合評估其對徑流的共同影響。雖然已有研究多集中于單一方面關注未來氣候變化對徑流的影響或未來LUCC對徑流泥沙的影響，或綜合兩方面的共同影響，但是對水土保持措施因子或植被覆蓋因子的改變導致產沙量變化并通過調整模型相關參數來模擬則鮮見報道。

以植被治理為主的水土保持措施是土壤侵蝕區治理水土流失的重要手段之一。植被可以增加地面覆蓋、涵養水源、降低雨滴動能，阻控水土流失。目前，借助徑流小區探討不同措施的減水減沙效果仍備受關注。張青青等[6]以南方典型紅壤區福建省長汀縣水土保持科教園5種水土保持措施為研究對象，采集坡面產流產沙數據，揭示南方紅壤區水土保持措施的減水減沙效益。符素華等[7]以北京延慶上辛莊徑流試驗站的坡面徑流試驗小區為研究對象，采集2001—2006年58次降雨的徑流泥沙資料，量化其不同方式的減水減沙效果。然而，目前相關研究多集中于徑流小區尺度上研究水土保持措施對水土流失的治理，結合SWAT模型模擬從流域尺度上研究不同水土保持措施的實施對流域減沙效應的研究鮮見報道。

南方花崗巖紅壤丘陵區屬典型的水力侵蝕區，部分地區已成為水土流失最廣泛、最嚴重的地區之一。其中，福建省長汀縣由于境內多陡坡山地丘陵，土壤貧瘠，抗蝕性極差，保水保肥能力低，歷史上加上政治、經濟和社會等原因，水土流失十分嚴重[8]。小流域是水土流失發生和發展的基本單元，以小流域為基本單元進行流域綜合管理正被世界上越來越多的國家所認識和采用。本研究以南方典型花崗巖紅壤侵蝕流域——福建長汀朱溪流域為研究區域，在SWAT模型模擬該流域產流產沙狀況的基礎上，通過不同水土保持措施和不同土地利用方式調整的情景設置，量化分析不同情景措施對流域的減沙效應，旨在為紅壤侵蝕流域泥沙阻控的生態恢復措施提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國福建省龍巖市長汀縣河田鎮東部的朱溪流域（25°38′15″—25°42′55″ N，116°23′30″—116°30′30″E ），全流域土地面積約4 495.65 hm2。地貌類型以低山、丘陵為主，海拔270～680 m。該區屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候，流域年均氣溫18.4 ℃，年均降水量1 730.4 mm。區域內土壤主要為粗晶花崗巖在長期濕熱氣候條件下發育的紅壤（聯合國糧食及農業組織系統中的腐殖土）。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，歷史上該區域由于地表植被遭嚴重破壞，原始植被幾乎被次生林所替代。

1.2 試驗材料

選取福建省龍巖市長汀縣水土保持科教園內坡度15°、水平投影長20 m、寬5 m，垂直投影面積100 m2，坡向西南（270°）的6種不同水土保持措施的徑流小區，定期觀測各徑流小區坡面所產的徑流和泥沙。其中，以裸地（未實施水土保持措施的南方紅壤裸露坡地）為對照徑流小區，其他5個徑流小區的不同水土保持措施分別為全坡面種草（全坡面種植百喜草覆蓋坡地）、果園改造（整小平臺，順坡種植楊梅果樹）、喬草混交（條溝整地，馬尾松、香根草、寬葉雀稗混交）、喬灌草混交（條溝整地，楓香、木荷、胡枝子、寬葉雀稗喬灌草混交）和純喬木林（高密度人工純馬尾松喬木林）[9]。

1.3 研究方法

1.3.1 朱溪流域SWAT模擬 基于SWAT模型的徑流泥沙模擬數據由流域的數字高程模型（digital elevation model ，DEM）、土地利用數據、土壤類型圖和日氣象數據組成。DEM為以覆蓋朱溪流域的6幅比例尺為1：10 000的地形圖為底圖，在ArcGIS9.3軟件的支持下，矢量化等高線，利用3D analyst 創建不規則三角網（triangulated irregularnetwork， TIN），得到朱溪流域10 m×10 m 的高精度 DEM。2007年土地利用類型圖是采用法國國家航天研究中心的SPOT5遙感數據，經影像的預處理和土地利用的遙感識別，最終進行土地利用信息的提取獲得。2017 年土地利用圖是基于1∶10 000 DEM、2017年分辨率為0.5 m 的GeoEye衛星遙感影像與2007年經目視解譯比較獲取的。本研究中，朱溪流域SWAT構建采用的是2017年遙感影像解譯的朱溪流域土地利用現狀圖。土壤類型圖是長汀縣第二次土壤普查1∶50 000土壤類型圖，并以流域土壤采樣實測數據修正得到。2008—2017年降水、氣溫、露點溫度、日照時數、風速、相對濕度等氣象數據主要從中國氣象數據網下載。

構建和運行SWAT模型。首先，在DEM數據的基礎上，設置參數，選擇出口，生成24個分水流域；其次，根據土壤類型圖和土地利用數據，將土壤、土地利用和坡度的最小面積閾值設為5%，劃分水文響應單元（hydrologic response unit，HRU）。然后，讀取天氣數據并完成所有SWAT輸入文件表的創建；最后，運行模型。采用SCS（soilconservation service）曲線數法估算地表徑流。以2012－2017年作為模型的模擬時段，進行SWAT模型的運行模擬。

為了驗證徑流泥沙模擬結果的準確性，本研究選定2012年作為預熱期，以2013－2014年為率定期、2015－2017年為驗證期，以研究區所在的水文站逐月徑流、逐月泥沙作為實測數據，通過人工調整參數進行模型的校準與驗證，利用相對誤差（relative error，Re）、決定系數（R2）和納什系數（nash-sutcliffe efficiency，Ens）3 個指標來評價模型的適用性。一般來說，當Relt;25%、R2gt;0.5 和Ensgt;0.50[10]模擬結果可以接受。根據已有經驗，當Ensgt;0.75時，認為模型模擬效果好；當0.36≤Ens≤0.75時，模擬效果令人滿意；當Enslt;0.36時，模型模擬效果較差[11]。由于該小流域面積僅5.29 km2，受野外實測資料準確性的影響，泥沙的不確定性因素更大，相比于徑流，泥沙的校準和驗證標準可適當放寬。

1.3.2 模型參數調整計算方法 土壤侵蝕方程中的植被覆蓋與管理因子（C）和水土保持措施因子（P）是影響SWAT模型模擬產沙量最敏感的2個主要參數。通過徑流小區長期觀測的數據分析獲取不同水土保持下的C 與P 值即SWAT模型中對應的USLE_C 和USLE_P 參數值，應用已構建的SWAT模型模擬不同水土保持措施下朱溪流域產沙量，可揭示南方紅壤侵蝕區不同處理方式下的減沙效果。其中，植被覆蓋與管理因子（C）指在相同條件下的一定時間內，長有作物的標準小區與連續撂荒的標準小區上的土壤流失量之比[12]。目前，國內外對植被覆蓋與管理因子的研究主要集中在對作物不同生長期的值變化上，采用蔡崇法等[13]、王瀟等[14]研究得到的實測地表植被覆蓋度（c）與C 值的相關關系公式來計算。

水土保持措施因子（P）是指在相同條件下的一定時間內，有水土保持措施的標準小區與無水土保持措施的標準小區土壤流失量之比[1516]。P 值介于0～1，為無量綱因子，反映實施水土保持措施后對于坡地土壤流失量的控制作用。本研究中水土保持措施因子值是在長汀縣水土保持科教園內采用徑流場觀測法，觀測每場降雨下各措施小區的產流產沙情況得到的不同徑流小區坡面的土壤流失量（t·hm-2·a-1），計算得到不同的P 值。

式中，Ap 為徑流小區布設某一水土保持措施的年均土壤流失量（t·hm-2·a-1）；A 為無任何水土保持措施（對照小區）的年均土壤流失量（t·hm-2·a-1）。

2 結果與分析

2.1 朱溪流域SWAT 產流產沙模擬結果

由圖1可知，月均流量在率定期和驗證期的相對誤差（Re）均為0.02，小于0.25，決定系數（R2）分別為0.73和0.56，均大于0.5，納什系數（Ens）分別為0.71和0.60，均大于0.5，表明該模型的模擬效果較好。由圖2可知，月均泥沙在率定期和驗證期的Re 分別為0.18 和0.08，均小于0.25；R2 分別為0.66 和0.51，均大于0.5；Ens 分別為0.70 和0.36，表明該模型的模擬效果滿足要求?？傮w上看，率定期的率定結果優于驗證期的結果，月均流量模擬結果優于月均泥沙量模擬結果，且均能達到SWAT模型要求的精度，表明SWAT模型適用于朱溪流域的年、月徑流模擬。

應用SWAT 模型對朱溪流域2013—2017 年月均流量和月均泥沙量進行模擬（圖3），經核算，2013—2017年朱溪流域年均徑流量和年均泥沙量分別為4.793×107 m3和1.037×107 kg。從過程曲線來看，月均流量曲線和月均泥沙量曲線變化趨勢較一致，多集中在3—8月，2013—2015年月均流量和月均泥沙量均在5月達最大峰值，2016年在4月達最大峰值，2017年在6月達最大峰值。

由圖4可知，2013—2017年研究區年平均降水量為1 746.5 mm，從降水量的變化來看，2013—2017年年際、年內變化大，年內分配多集中在3—8 月，降雨量集中，降雨強度大。這與朱溪流域2013—2017年月均流量和月均泥沙量的模擬趨勢相一致。從降水量與徑流量的相關性來看，2013—2017年朱溪流域的降水量與徑流量呈顯著正相關（Plt;0.01），相關系數為0.942。從降水量與泥沙量的相關性來看，2013—2017年朱溪流域的降水量與泥沙量也呈顯著正相關（Plt;0.01），相關系數為0.952。

2.2 不同措施下朱溪流域產沙量模擬結果分析

2.2.1 不同水土保持措施下朱溪流域產沙量模擬結果 通過實測法獲取不同水土保持措施小區植物2013—2017年間的植被覆蓋度，計算得到不同措施下的植被覆蓋與管理因子（C）值（表1），不同水土保持措施下實測地表植被覆蓋度呈現出全坡面種草gt;喬灌草混交gt;果園改造gt;純喬木林gt;喬草混交gt;裸地。植被覆蓋與管理因子（C）值則呈現出全坡面種草lt;喬灌草混交lt;果園改造、純喬木林lt;喬草混交lt;裸地。

從表2可知，土壤流失量表現為喬灌草混交lt;全坡面種草lt;喬草混交lt;果園改造lt;純喬木林lt;裸地，水土保持措施因子（P）表現為喬灌草混交lt;全坡面種草lt;喬草混交lt;果園改造、純喬木林lt;裸地。

將不同水土保持措施下的C 值和P 值應用到已構建好的朱溪流域SWAT模型中，得到不同水土保持措施下朱溪流域的單位面積年均產沙量，從圖5中可看出，喬灌草混交的“復合型”措施和快速的全坡面種草措施下單位面積年均產沙量效果相當，整體減沙效果優越，而純喬木林措施的單位面積年均產沙量最多，減沙效果最弱。

2.2.2 不同期土地利用方式下朱溪流域產沙量模擬結果 應用已構建的朱溪流域SWAT模型模擬比較2007和2017年土地利用類型的差異所帶來的朱溪流域產流產沙量變化，揭示土地利用方式的變化對流域產流產沙帶來的影響。從表3可看出，從2007到2017年，8種土地利用類型的面積占比中耕地、園地、林地和草地呈現減少趨勢，耕地減少了3.66個百分點；而硬質景觀要素中的居民點及工礦用地、交通用地、水域和未利用地均呈現增加趨勢，其中居民點及工礦用地面積占比增加量最大，達6.12個百分點。經過SWAT模型模擬得到2007和2017年朱溪流域單位面積年均產沙量（圖6），隨著土地利用類型的變化以及地表植被覆蓋的變化，模型模擬所得到的朱溪流域單位面積年均減沙率為3.49%，單位面積年均減沙量為3.54 t·hm-2·a-1。

3 討 論

3.1 基于SWAT 模擬的朱溪流域產流產沙特征

徑流是反映流域水文過程的綜合指標，受氣候變化和地表變化的影響。其中，降水是驅動水文模型的重要變量之一，是影響流域水量平衡模擬的關鍵因素，其對徑流和泥沙產生有重要影響。本研究中，由于2013—2017年朱溪流域的降水量與徑流量呈顯著正相關，因此，基于SWAT模擬的朱溪流域產流總量的多寡主要取決于該地的降水量。

2013—2017 年朱溪流域的降水量與泥沙量呈顯著正相關，相關系數為0.952。土地利用/土地覆蓋變化對水文過程的影響是過去幾十年最普遍的問題之一[1718]。人為干擾導致了嚴重的植被退化，并加速了土壤侵蝕[19]。但是，如果提高植被覆蓋和根系密度，降雨產生的徑流量和泥沙量就會減少，從而導致稀土元素遷移量的減少。朱溪流域經過采取低效林改造、喬灌草混交、果園改造和封禁等生態修復措施，雖然水土流失強度有所降低，土壤肥力明顯改善[20]，但仍屬于福建省水土流失嚴重的地區[21]。

3.2 不同水土保持措施對朱溪流域產沙效果的影響

朱溪流域是我國南方典型的花崗巖紅壤侵蝕流域，水土流失歷史廣、程度重、危害大。不同侵蝕程度的水土流失地應采取不同的植被重建措施。由于種種原因，長汀河田鎮、三洲鎮等不同程度存在“遠看青山在，近看水土流”的“空中綠化”現象，因此，在強度侵蝕坡地上重建植被，必須注重近地表林下植被的建設[22]。本研究中，從不同水土保持措施的減沙能力可看出，喬灌草混交“復合型”措施減沙能力優越，該措施是根據植物地帶性原理以及侵蝕坡地的立地條件，篩選出草本、灌木和喬木的先鋒植物品種，著眼于建立常綠針闊混交林生態系統，順應植被演替規律，向著頂級群落演替的植被重建措施，形成了復雜的冠層立體結構，對降雨進行了再分配，減少了林地地表的降雨量，此外，發達的根系能更好地固持土壤顆粒，提高土壤的抗蝕性，減少泥沙量。全坡面種草是通過增加地被的覆蓋達到快速抑制水土流失的有效辦法，重建植被的先鋒群落，固持土壤，最大程度上減少表層的土壤流失。相比于喬草或純喬木林，喬灌草混交“復合型”措施和快速的全坡面種草2種措施能通過提高植被覆蓋度，改良土壤肥力，能更有效地減少坡面產流量和泥沙量，整體減沙效果更為顯著，這與張青青等[6]的研究結果一致。

土地利用/土地覆蓋變化會對水文過程產生影響[17]。土地利用方式的變化是人類活動在朱溪流域的突出表現，受人類活動影響不同，不同土地利用類型的土壤侵蝕特征存在差異[23]。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，如氣候、土壤、植被等，進而加劇或減緩土壤侵蝕[24]。從2007和2017年土地利用方式類型占比的變化來看，耕地減少、建設用地（居民點及工礦用地、交通用地）增多這3種土地利用方式的變化都會引起地表徑流升高、側向流減少，由于建設用地的硬質地面固化，雖然使得地表徑流有所增加，但泥沙量反而呈減少的趨勢。園地、林地和草地由于人類耕作措施的不斷改進，植被覆蓋度和根系密度的提高，對土壤的固持效能得以提高，使得流域坡面產生的泥沙量也隨之減少。因此，合理的土地利用方式調整是控制流域水土流失，阻控泥沙遷移的重要措施，這也為該流域的治理提供了一定的啟示，表明可通過改變流域下墊面條件，合理調整土地利用空間結構與布局，如減少開墾耕地、草地，合理開發利用建設用地，多植樹造林等來控制水土流失量[25]。