郭建英，何京麗，李錦榮，殷麗強(qiáng)，劉鐵軍，榮 浩

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，北京 100083）

土壤侵蝕是制約人類生存和社會可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題，是我國各種生態(tài)問題的集中反映，又是導(dǎo)致生態(tài)進(jìn)一步惡化和貧困的根源［1］。黃土高原土壤侵蝕是目前世界矚目的環(huán)境問題，嚴(yán)重的水土流失使土地資源遭到破壞、土壤肥力和質(zhì)量下降，泥沙淤積河道引發(fā)洪水災(zāi)害，破壞地表植被，惡化生態(tài)環(huán)境，加劇土地和小氣候的干旱程度以及其他自然災(zāi)害的發(fā)生［2-3］。因此有效地控制水土流失，恢復(fù)和保護(hù)環(huán)境是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，為此國家在黃土高原地區(qū)實(shí)施了大規(guī)模的退耕還林還草工程，對于治理水土流失取得了顯著的成效［4-5］。而選擇什么樣的樹種才能有效地恢復(fù)該地區(qū)惡化的生態(tài)環(huán)境是重中之重，沙棘因其具有抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、生態(tài)效益好、開發(fā)價(jià)值大的諸多特點(diǎn)，在吳起縣實(shí)施退耕還林工程建設(shè)中大面積的種植，占吳起縣退耕還林地總面積的82.3%。目前關(guān)于沙棘造林對于吳起縣土壤侵蝕的影響程度，尚缺乏定量分析和研究。定量評價(jià)區(qū)域土壤侵蝕量、土壤侵蝕強(qiáng)度及其空間分布特征，對于采取相應(yīng)措施減少水土流失、保護(hù)和合理利用土地資源具有重要的意義［7-9］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)據(jù)源的多樣化和完整化，RS和GIS技術(shù)在宏觀把握水力侵蝕現(xiàn)狀和預(yù)測其發(fā)展趨勢方面得到了廣泛應(yīng)用［10］。本研究基于遙感和GIS技術(shù)，應(yīng)用修改后的通用土壤流失模型（RUSLE）對吳起縣沙棘造林前后的土壤侵蝕狀況進(jìn)行定量計(jì)算。試圖通過對吳起縣沙棘造林以來土壤侵蝕量、土壤侵蝕強(qiáng)度及其空間分布特征的研究，揭示沙棘造林對縣域土壤侵蝕的控制效果，以期為沙棘造林水土保持效益監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)路線的確定提供參考。

1 研究區(qū)概況

吳起縣位于延安市西北部，東經(jīng)107°38′37″～108°32′49″，北緯36°33′33″～37°24′27″，地處毛烏素沙地南緣農(nóng)牧過渡地帶，屬黃土高原梁峁溝壑區(qū)，縣境內(nèi)有無定河、北洛河兩大流域，白于山、子午嶺兩大山系。全縣面積3791.5km2，海拔高度1233～1809m。年平均氣溫7.8℃，無霜期96～146d，年平均降雨量478.3mm，且64%以上集中在7～9月份，其它季節(jié)多為無效降雨，旱災(zāi)、雹災(zāi)、凍災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等自然災(zāi)害頻繁，多年平均年陸面蒸發(fā)量為400～450mm，屬典型干旱半干旱地區(qū)［11-12］。吳起縣1998年在全縣實(shí)行封山禁牧，于1999年實(shí)行一次性退耕還林還草，2000年被列為國家退耕還林還草科技示范點(diǎn)，截止到2010年，吳起縣經(jīng)國家確認(rèn)退耕還林面積116846.66hm2，占吳起縣總面積的30.82%，1999年一次性的退耕地還林面積占總退耕還林面積80.24%；退耕還林模式主要有沙棘×山杏混交林、刺槐×沙棘混交林、山杏、沙棘、油松純林，其中沙棘純林面積最大，生長較好，種植面積占吳起縣退耕還林總面積的82.3%［13］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合為定量化研究土壤侵蝕的時(shí)空變化提供了技術(shù)支持。本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：遙感影像包括多波段的Landsat5 TM（p128r34）,成像時(shí)間為1998年7月30日和2010年8月3日（空間分辨率30m）；吳起縣行政邊界,依據(jù)國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站提供1∶400萬的全國縣界電子圖進(jìn)行確定；DEM數(shù)據(jù)及由其產(chǎn)生的坡度、坡長等數(shù)據(jù)，采用國家測繪局提供的1∶5萬電子數(shù)字化圖生成；土壤數(shù)據(jù)來自陜西省第2次土壤普查數(shù)據(jù)［14］，并依據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥婪植紙D（1∶50萬）和土地利用方式對各種類型土壤于2009年7月進(jìn)行了實(shí)地取樣，野外采樣時(shí)取0～20cm的表層土壤，每一采樣點(diǎn)周圍取3個(gè)點(diǎn)，混合土樣，四分法取樣,采樣的同時(shí)，利用GPS獲取土壤采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)共采集土樣165個(gè)，帶回實(shí)驗(yàn)室對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行重鉻酸鉀法測定及土壤機(jī)械組成進(jìn)行吸管法測定。

利用ArcGIS10.0以及Erdas9.1等地理信息系統(tǒng)軟件，對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行影像校正、影像鑲嵌、影像裁剪、影像增強(qiáng)和融合等預(yù)處理，將預(yù)處理之后的遙感影像，用于解譯土地利用/覆蓋信息；在獲得植被、地形、土地利用等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，建立包括矢量和柵格兩種形式的地理信息數(shù)據(jù)庫，對其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼，再借助ArcGIS10.0將上述各類型圖層?xùn)鸥窕℅rid格式），考慮到縣域尺度和計(jì)算精度，柵格大小為10m×10m，獲得通用土壤流失方程（USLE）的因子圖層，再通過Arc-GIS10.0將各因子圖連乘，獲得研究區(qū)不同時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)度等級及其分布圖；根據(jù)水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)（SL190-2007）確定土壤侵蝕強(qiáng)度，將本研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈侵蝕5種強(qiáng)度級別［15-16］。按照遙感影像判讀精度，對照影像預(yù)判結(jié)果，選擇具有代表性的點(diǎn)和區(qū)域，結(jié)合土壤、地質(zhì)、氣候和實(shí)地GPS定位調(diào)查結(jié)果等因子對解譯結(jié)果進(jìn)行綜合分析及糾正［17］。

2.2 土壤侵蝕模型選擇

目前用來評估土壤侵蝕量的模型有很多，其中最早建立且較為成熟的侵蝕預(yù)報(bào)模型是Wishmeier等人1965年基于大量小區(qū)觀測資料和人工模擬降雨試驗(yàn)資料建立的的通用土壤流失方程USLE（Universal Soil Loss Equation）［18］，我國自20世紀(jì)80年代以來，開始引進(jìn)通用土壤流失方程，根據(jù)實(shí)地觀測參數(shù)，對通用土壤流失方程進(jìn)行修訂，該模型在我國得到了廣泛的應(yīng)用［3,7-11,19-23］。其方程表達(dá)式如下：

式中：A-侵蝕模數(shù)［t/km2·a］；R-降雨和徑流因子［MJ·m m/km2·h·a］；K-土壤可蝕性因子［t·h/MJ·m m]；L S-坡長坡度因子，無量綱；C-植被與經(jīng)營管理因子，無量綱；P-水土保持因子，無量綱。

2.3 土壤侵蝕因子計(jì)算

2.3.1 降雨侵蝕力R因子

根據(jù)研究區(qū)氣象局降雨資料的分析，該地區(qū)水土流失季節(jié)為5～10月份，當(dāng)降雨量≥10mm，最大30min雨強(qiáng)≥4mm時(shí)將會引起土壤流失。侵蝕降雨多集中在7、8、9三個(gè)月，占5～10月降雨量63.5%～94.6%，占年降水總量51.1%～80.3%，與孫保平、孫立達(dá)等人研究降雨侵蝕力的區(qū)域基本相似，因此采用其建立的5～10月份降雨量（h）與年侵蝕力回歸方程：R=1.77h-133.03（相關(guān)系數(shù)r=0.85）［24-25］。按以上公式計(jì)算，吳旗縣1999年R=537.5MJ·mm/hm2·h·a，2007年R=570.2MJ·mm/hm2·h·a。

2.3.2 土壤可蝕性K因子

K因子反映了土壤對侵蝕的敏感性及降水所產(chǎn)生的徑流量與徑流速率的大小。影響K因子的因素很多，但一般來說主要與土壤的粒徑和有機(jī)質(zhì)有關(guān)。

依據(jù)Ei-Swaify等的研究，K值的大小與土壤質(zhì)地有較高的相關(guān)性。本文采用呂喜璽等人對Williams等人在EPIC棋型中土壤可蝕性因子K的改進(jìn)公式［26］。

式中：Sa是砂粒（0.1～2mm）含量%，Si是粉粒（0.002～0.1mm）含量%，Cl是黏粒（＜0.002mm）含量%，C是有機(jī)碳含量%，Sn=1-Sa100。

利用陜西省1∶50萬土壤分類圖，將野外采樣點(diǎn)所得的土壤粒徑組成和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)輸入上式計(jì)算各采樣點(diǎn)的K值，采用克里格插值法得到吳起縣土壤可蝕性K值分布圖。

2.3.3 坡度坡長因子的計(jì)算

①坡長因子L的計(jì)算

利用DEM柵格數(shù)據(jù)，利用Arcgis提取坡長λ。利用L和坡長的關(guān)系求取坡長因子。

式中λ——坡長（m）；m——坡長效應(yīng)指數(shù)，當(dāng)坡度＜l%時(shí)，m=0.2；坡度1%～3%，m=0.3；坡度3%～5%，m=0.4；坡度＞5%，m=0.5。

②坡度因子S的計(jì)算

緩坡上選用McCool等（1987年）研究的坡度公式［27］，見式［2-1］和式［2-2］；在陡坡上采用劉寶元（1994年）的坡度公式［37］，見式［2-3］。

式中：S為坡度因子；θ為坡度。

按照上述方法和計(jì)算公式，計(jì)算得到吳起縣坡長坡度因子LS圖。

2.3.4 植被與經(jīng)營管理C因子的計(jì)算

C因子反映的是所有有關(guān)覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用，其值范圍在0～1之間。對于C而言，基本沒有土壤侵蝕危險(xiǎn)的地區(qū)被賦予0；1值被賦給那些最容易受到侵蝕的地區(qū)，如裸地；其值不僅取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用等，還取決與作物不同生長期侵蝕性降雨的多寡，特別是在作物覆蓋與田間管理措施所提供的水土保持作用最差時(shí)段內(nèi)侵蝕性降雨的數(shù)量，C值的取值主要與植被覆蓋和土地利用類型有關(guān)［28-29］。

①植被蓋度的提取

根據(jù)安培浚等在西北干旱區(qū)利用NDVI所建立的植被指數(shù)與植被覆蓋度的關(guān)系來確定植被覆蓋度c［39］。利用NDVI計(jì)算植被覆蓋度c的公式為：

其中：NDVI為所求像元的歸一化植被指數(shù)。NDVImin和NDVImax分別為研究區(qū)NDVI的最小值和最大值。

②C因子的確定

C值主要受植被覆蓋度和土地利用現(xiàn)狀的制約，本次研究將參考國內(nèi)外的研究成果［21,31-32］，結(jié)合吳起縣的實(shí)際情況利用下式計(jì)算得出各地類年均C因子。利用ARCGIS中的raster calculator，采用下面公式計(jì)算得到研究區(qū)退耕還林前后C因子圖。

2.3.5 保護(hù)措施因子P的確定

P因子指采用專門措施后的土壤流失量與采用順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值。國內(nèi)P值的獲得基本上是根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)對土地的不同利用方式賦值。最終參照齊述華等人的研究成果［21,32-33］，結(jié)合遙感解譯分類得到的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行P因子賦值。坡耕地在實(shí)施沙棘造林工程后，農(nóng)業(yè)用地基本上屬于緩坡等高耕作和梯田，侵蝕量比較大而且沒有任何保護(hù)措施的坡耕地基本都實(shí)施了沙棘造林，部分轉(zhuǎn)化為草地。所以可以據(jù)此對不同土地利用下的P因子賦值：退耕前林地、高覆蓋度草地和中覆蓋度草地的均賦值為1，建筑用地和水域的賦值為0，而農(nóng)田的則賦值為0.3；退耕后考慮到吳起縣從1999年的退耕還林工程的實(shí)施，＞25°的坡耕地全部退耕地為林草地，轉(zhuǎn)化之后的有林地和灌木林地均有侵蝕防治措施，有林地和灌木林地進(jìn)行反坡整地、魚鱗坑等。所以，在2010年的土地利用新增有林地和灌木林地的P值取0.8，未變化有林地和灌木林地取1，退耕后耕地基本為平坦的旱地和梯田，P值取0.35，其他土地利用類型P值沙棘造林前后無變化（見表1）。

表1 吳起縣沙棘造林前后P值變化

3 結(jié)果與分析

3.1 沙棘造林前后土壤侵蝕變化分析

利用Arcgis10.0的空間分析模塊，執(zhí)行圖形疊加運(yùn)算功能，生成土壤侵蝕量圖層，在柵格土壤流失量圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（表2），對柵格土壤流失量進(jìn)行分類，將侵蝕量在同一侵蝕等級的柵格進(jìn)行合并，得到吳起縣沙棘造林工程建設(shè)前后的土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖（圖1、圖2），由于其單位為英制，需要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，乘以系數(shù)224.2，即可轉(zhuǎn)換為t/km2·a的公制單位，得到各像元的年土壤流失量。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)

圖1 沙棘造林前土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖

圖2 沙棘造林后土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖

表3 吳起縣沙棘造林前后土壤侵蝕強(qiáng)度面積百分比分級表 單位：t/km2·a

從圖1、圖2及表3上可以明顯看到，與退耕前的1998年相比，土壤侵蝕侵蝕強(qiáng)度總體上降低，較高強(qiáng)度土壤侵蝕的土地面積在大幅度減少。極強(qiáng)烈、劇烈的高等級土壤侵蝕面積2010年比1998年分別減少了74.58%和78.93%，使得極強(qiáng)烈、劇烈的高等級土壤侵蝕面積由1998年占國土總面積的56.67%下降到2010年的13.38%；依據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：吳起縣2010年的全縣平均土壤侵蝕為5285t/km2·a，屬于強(qiáng)烈侵蝕，其研究結(jié)果與張巖等人利用中國土壤侵蝕模型（CSLE）對吳起縣2009年度縣域平均土壤侵蝕強(qiáng)度5504t/km2·a的研究結(jié)果基本相似［43］。總體來看，吳起縣沙棘造林前以極強(qiáng)烈侵蝕為主，占吳起縣土地總面積的42.76%，沙棘造林后的2010年以中度侵蝕為主，占吳起縣土地總面的43.62%。由此可見吳起縣沙棘造林后水土流失得到了有效遏制，生態(tài)建設(shè)成果突出，但土壤侵蝕狀況仍然較為嚴(yán)重，需要繼續(xù)加強(qiáng)鞏固退耕還林工程建設(shè)成果，充分發(fā)揮沙棘造林工程建設(shè)的水土保育效應(yīng)。

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布

對所獲得的吳起縣沙棘造林前后土壤侵蝕分級的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3，研究區(qū)沙棘造林后土壤侵蝕分布以中度侵蝕最多，其面積占吳起縣國土總面積的43.62%；其次為強(qiáng)烈侵蝕（27.35%）；而沙棘造林前吳起縣土壤侵蝕以極強(qiáng)烈侵蝕為主，占吳起縣國土總面積的42.76%,其次為強(qiáng)烈侵蝕，占吳起縣國土總面積的31.48%,由此可見，沙棘造林工程建設(shè)對于控制地區(qū)水土流失起到積極的促進(jìn)作用，改善效果明顯。

圖3 吳起縣沙棘造林前后各侵蝕級別面積統(tǒng)計(jì)

對照土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖1、圖2及研究區(qū)坡度圖，可以看出，各土壤侵蝕級別的空間分布具有一定的規(guī)律性。其中，無明顯侵蝕的分布集中分布在塬面、梁頂?shù)绕露容^小、地勢較平緩的地段。輕度侵蝕多分布于無明顯侵蝕地段的周圍的塬坡或梁坡上，這些地段多在0°～5°之間。另外沿溝道平緩地也有輕度侵蝕分布，目前多種植以沙棘+紫花苜蓿為主的灌草復(fù)合林，植被覆蓋度一般在45%以上。中度侵蝕面積大，成片分布在溝坡、溝邊、塬坡或梁坡上，坡度一般在15°～20°之間，目前土地利用以草地為主，植被覆蓋度在40%～50%之間。強(qiáng)度侵蝕區(qū)域的坡度更陡，一般在20°～25°之間，主要分布于溝谷和塬坡或梁坡的陡坡上，以及較大的溝內(nèi)陡坡和溝床的斜坡面上，坡度多大于30°，植被稀疏，甚至完全無植被覆蓋，這是瀉溜、崩滑重力侵蝕現(xiàn)象的多發(fā)區(qū)域。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)植被覆蓋度、水土保持管理措施并不十分理想。這說明坡度、植被覆蓋度是影響吳起縣土壤侵蝕的主要因素。

4 結(jié)論與討論

沙棘造林工程是吳旗縣實(shí)施范圍最廣、投資量最大的生態(tài)建設(shè)工程，其改變了不合理的土地利用方式，改善了區(qū)域內(nèi)的環(huán)境條件，防治或減輕自然災(zāi)害，控制水土流失，形成有利于人類與動植物生存的生態(tài)環(huán)境，保障了該地區(qū)的生態(tài)安全體系建設(shè)。本文基于3S技術(shù)，利用修改后的通用土壤流失模型（RUSLE），結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果，客觀地反映了吳起縣沙棘造林生態(tài)建設(shè)前后土壤侵蝕的變化過程，結(jié)果表明：吳起縣實(shí)施沙棘造林10年來，植被恢復(fù)明顯，水土流失得到了有效遏制，生態(tài)建設(shè)成果突出。

（1）吳起縣實(shí)施沙棘造林后10年來，水土流失控制效果明顯，較高強(qiáng)度土壤侵蝕的土地面積在大幅度減少。研究區(qū)沙棘造林10年后土壤侵蝕分布以中度侵蝕最多，其面積占吳起縣國土總面積的43.62%，而沙棘造林前吳起縣土壤侵蝕以極強(qiáng)烈侵蝕為主，占吳起縣國土總面積的42.76%；吳起縣沙棘造林10年后的全縣平均土壤侵蝕為5285t/km2·a，屬于強(qiáng)烈侵蝕，其沙棘造林前1998年的平均土壤侵蝕為9779t/km2·a，為極強(qiáng)烈侵蝕，為沙棘造林后的1.85倍，每年約減少土壤侵蝕量1402萬t。由此可見，沙棘造林對于吳起縣控制水土流失和改善生態(tài)環(huán)境有著重要作用。

（2）研究區(qū)土壤侵蝕主要與坡度和土地利用/覆被有關(guān)，微度侵蝕的分布集中分布在塬面、梁頂?shù)鹊貏葺^平緩的造林地段；輕度侵蝕多分布于微度侵蝕地段的周圍的塬坡或梁坡上；中度侵蝕分布在溝坡、溝邊、塬坡或梁坡上，坡度一般在10°～15°之間，土地利用以草地和灌木林地為主，植被覆蓋度在40%～60%之間；強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域的坡度更陡，一般在20°～25°之間，主要分布于溝谷和塬坡或梁坡的陡坡上，以及較大的溝內(nèi)陡坡和溝床的斜坡面上；極強(qiáng)烈多為未利用土地，坡度多大于30°，植被稀疏，甚至完全無植被覆蓋，為瀉溜、崩滑重力侵蝕現(xiàn)象的多發(fā)區(qū)域，研究區(qū)還尚需加強(qiáng)對中度以上侵蝕區(qū)的治理，才能更加有效地控制該地區(qū)的水土流失。

（3）應(yīng)用先進(jìn)的3S技術(shù)與修改后的通用土壤流失模型（RUSLE）相結(jié)合，可以快速評估沙棘造林及其林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)對于縣域水土流失的治理成效，可預(yù)測出每個(gè)柵格的土壤侵蝕量,便于管理者對較為嚴(yán)重的土壤侵蝕區(qū)有針對性提出最佳治理措施，節(jié)約大量人力、財(cái)力和物力，具有較強(qiáng)的客觀性。

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