譚 梟， 王 希， 王秀茹， 劉蘭妹， 王紅雷

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 教育部水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100871)

水土流失是指在水力、風(fēng)力、重力及凍融等自然營力和人類活動(dòng)作用下，水土資源和土地生產(chǎn)能力的破壞和損失，包括土地表層侵蝕及水的損失[1]。在中國干旱山區(qū)及平原蓄水保土區(qū)，由于自然因素及人為不合理開發(fā)利用，水土流失日趨嚴(yán)重。烏梁素海是黃河中上游重要的保水、蓄水場(chǎng)地，是世界半荒漠地區(qū)極少見的高生態(tài)效益的多功能湖泊[2]。目前烏梁素海東岸每年流失表土近0.5 cm，草場(chǎng)沙化嚴(yán)重，溝頭不斷延伸，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致湖體萎縮[3]，形成惡性循環(huán)。近年來，隨著3S技術(shù)在水土保持中的廣泛應(yīng)用，利用遙感影像和數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)作為基本信息源[4-5]，利用通用土壤流失方程(USLE)開展土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)和研究[6-8]。同時(shí)，基于RS和GIS對(duì)水土流失的動(dòng)態(tài)變化展開研究和預(yù)測(cè)[9-11]，均取得了一定成果，這也是未來區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)的主要方法。

本研究以1985，2000和2011年遙感影像和DEM等數(shù)據(jù)，結(jié)合調(diào)查資料，從水土流失強(qiáng)度面積的時(shí)空變化和各類型水土流失強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換兩方面研究了烏梁素海東岸上游地區(qū)水土流失的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)水土流失嚴(yán)重區(qū)域提出了水土保持措施，并運(yùn)用馬爾可夫模型預(yù)測(cè)水土流失動(dòng)態(tài)變化。研究有利于掌握區(qū)域水土流失變化規(guī)律，為挽救烏梁素海采取生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗的烏梁素海東岸上游地區(qū)，地處108°41′—109°40′E，40°38′—41°18′N。主要涉及烏拉特前旗的大佘太鎮(zhèn)、額爾登布拉格蘇木及明安鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積2 451.95 km2。該區(qū)位于陰山山地西段，地貌類型多樣，其間分布有佘太平原、明安洼地及半固定沙丘等，總地勢(shì)東北高、西南低。屬中溫帶干旱大陸性氣候，多年平均降雨量200～250 mm，時(shí)空分布不均，集中在夏季，蒸發(fā)量2 167～2 500 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量。土壤類型以灰褐土和栗鈣土為主，草本植物主要為針茅(StipacapillataL.)、狗尾草〔Setariaviridis(L.)Beauv〕和駱駝蓬(PeganumharmalaL.)。研究區(qū)大范圍屬陰山山地丘陵蓄水保土區(qū)，以溝蝕、面蝕等水力侵蝕為主，中部沖積平原為風(fēng)、水復(fù)合侵蝕，生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究采用1985，2000年和2011年Landsat TM影像和1∶1萬地形圖，結(jié)合國家自然科學(xué)基金委“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)1985和2000年的部分?jǐn)?shù)據(jù)，校正遙感影像，構(gòu)建數(shù)字高程模型(DEM)。在ERDAS Imagine 9.1軟件中通過人機(jī)交互解譯得到1985，2000和2011年的矢量化土地利用數(shù)據(jù)，然后在ArcGIS 9.3軟件中將其轉(zhuǎn)化為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，再由DEM數(shù)據(jù)提取坡度、坡長等水土流失因子值，同時(shí)調(diào)查收集了研究區(qū)植被、土壤和水土流失現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，依據(jù)國家土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)將研究區(qū)水力侵蝕按平均侵蝕模數(shù)〔t/(km2·a)〕分為6個(gè)強(qiáng)度：<1 000微度(為了表現(xiàn)微度侵蝕的層次，在水土流失分布圖上又將其分為0～200和200～1 000兩個(gè)層級(jí))；1 000～2 500輕度；2 500～5 000中度；5 000～8 000強(qiáng)烈；8 000～15 000極強(qiáng)烈。

2.2 研究方法

2.2.1 水土流失定量研究 水土流失定量研究采用中國土壤流失預(yù)報(bào)方程[12](China soil loss erosion， CSLE)，表達(dá)式如下：

A=R×K×L×S×B×E×T

(1)

式中：A——年平均土壤水力侵蝕流失量〔t/(km2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔t/(km2·a)〕；K——土壤可蝕性因子；L——坡長因子；S——坡度因子；B——水土保持生物措施因子；E——水土保持工程措施因子；T——水土保持耕作措施因子。在ArcGIS 9.3軟件中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，通過對(duì)上述各因子進(jìn)行疊加運(yùn)算，獲取各時(shí)段水土流失強(qiáng)度分布結(jié)果。

(1)降雨侵蝕力因子R。采用Wischmeier提出的基于多年月平均降雨量和多年平均降雨量的經(jīng)驗(yàn)公式[13]計(jì)算R因子：

(2)

式中：R——降雨侵蝕力因子；i,j——月份；Pmj——多年月平均降水量(mm)；Pm——多年平均降水量(mm)。

(2)土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性因子K值，通過實(shí)地采樣分析土壤機(jī)械組成及有機(jī)質(zhì)含量，結(jié)合Wischmeier等[13]在侵蝕模型中的算法進(jìn)行估算，推薦使用的簡易方程表達(dá)式為：

K= 7.504{0.0034+0.0405exp

(3)

Dg=exp(0.01∑filnmi)

(4)

式中：K——土壤可蝕性因子；Dg——土壤顆粒平均粒徑(mm)；mi——第i級(jí)粒級(jí)下組分限值的平均值(mm)；fi——第i級(jí)粒級(jí)組分的質(zhì)量百分比(%)。

(3)坡長因子L。利用研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 9.3軟件中的水文分析模型，提取了研究區(qū)坡長因子，公式如下：

L=(λ/22.13)m

(5)

式中：L——坡長因子；λ——像元坡長(m)；m——坡長指數(shù)。

像元坡長的計(jì)算式如下：

(6)

式中：Di——沿徑流方向每像元坡長的水平投影距(m)，在柵格圖像中為兩相鄰像元中心距，隨方向而異；θi——每個(gè)像元的坡度(°)；i——自山脊像元至待求像元個(gè)數(shù)。

(4)坡度因子S。

(7)

式中：S——坡度因子，θ——坡度(°)； 運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)處理，獲取坡度圖，通過編程語言實(shí)現(xiàn)公式(7)程序化，利用柵格計(jì)算器計(jì)算得出坡度因子S。

(5)水土保持生物措施因子B[14]。利用如下公式計(jì)算生物措施因子B與植被覆蓋度C之間的關(guān)系：

B=0.650 8-0.343 6×lgC

(8)

式中：B——水土保持生物措施因子；C——植被覆蓋度(利用NDVI計(jì)算)。

(6)水土保持工程措施因子E和水土保持耕作措施因子T。通過研究區(qū)1985，2000和2011年統(tǒng)計(jì)的水平溝和魚鱗坑整地面積，淤地壩數(shù)量和谷坊數(shù)量等確定工程措施因子E的取值[15]。由于研究區(qū)耕地面積僅占約15%，T因子對(duì)水土流失量計(jì)算結(jié)果影響較小。結(jié)合不同土地利用類型和耕地坡度可確定T因子的取值。坡度0°～5.5°，T值為0.15；坡度5.5°～13.5°，T值為0.35；坡度大于13.5°，T值取1。

2.2.2 馬爾可夫模型 馬爾可夫模型是對(duì)一種特殊的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程預(yù)測(cè)的模型，這一過程每次狀態(tài)的轉(zhuǎn)移都只與前一時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān)，而與過去的狀態(tài)無關(guān)[16]。運(yùn)用馬爾可夫模型可以預(yù)測(cè)烏梁素海東岸上游地區(qū)的水土流失動(dòng)態(tài)變化。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

V(t2)=V(t1)×Pk

(9)

式中：k——始末年份t1到t2的整步長，預(yù)測(cè)值的年份為t2+k；V(t1)——系統(tǒng)的初始狀態(tài)；V(t2)——系統(tǒng)的終止?fàn)顟B(tài)；P——轉(zhuǎn)移概率矩陣； 轉(zhuǎn)移概率矩陣P的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(10)

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失強(qiáng)度分析

基于ArcGIS 9.3軟件平臺(tái)，將中國土壤流失預(yù)報(bào)方程的7項(xiàng)因子進(jìn)行柵格計(jì)算，得到1985，2000，2011年3期烏梁素海東岸上游地區(qū)水土流失強(qiáng)度空間分布圖(圖1)。水土流失強(qiáng)度顏色加深的區(qū)域面積增加十分明顯。1985—2011年水土流失發(fā)生變化的區(qū)域均主要集中于烏拉山和色爾騰山的山間洼地、山前臺(tái)地等，中部平原風(fēng)沙區(qū)以及烏梁素海東部沿岸農(nóng)牧區(qū)。其中，烏拉山和色爾騰山區(qū)域的水土流失強(qiáng)度由1985和2000年以200～1 000 t/(km2·a)的微度侵蝕為主，兼有輕度和中度侵蝕，變?yōu)?011年以<200 t/(km2·a)的微度侵蝕為主，幾乎沒有輕度和中度侵蝕的面積。這主要得益于近年來實(shí)施的流域治理措施，如自然封育、植草造林等，提高了山區(qū)植被覆蓋度，有效地減少了烏梁素海東岸上游山區(qū)的水土流失。平原農(nóng)牧交錯(cuò)帶和風(fēng)沙區(qū)的水土流失則逐年加劇，該區(qū)域由1985年以輕度侵蝕為主演變?yōu)?000年以強(qiáng)烈和輕度、中度侵蝕為主，到2011年強(qiáng)烈侵蝕的面積進(jìn)一步擴(kuò)大并出現(xiàn)了極強(qiáng)烈的侵蝕區(qū)域。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口增長，畜牧業(yè)的快速發(fā)展以及不合理的農(nóng)業(yè)灌溉帶來的地下水位快速下降，對(duì)烏梁素海東岸上游平原區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的破壞日趨嚴(yán)重，土壤穩(wěn)定性下降，植被覆蓋度降低，是造成該區(qū)域水土流失逐年加劇的主要原因。水土流失逐年加劇的區(qū)域還有烏梁素海東岸的濱海農(nóng)牧區(qū)，由1985年以微度水土流失為主演變?yōu)?011年以強(qiáng)烈水土流失為主。

對(duì)3期水土流失強(qiáng)度空間分布圖的屬性表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知(表1)，1985年微度水土流失面積占總面積的89.6%，到了2000年為81.0%，2011年為60.4%，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，1985—2000年年均減少0.64%，2000—2011年年均減少1.70%，下降速率逐漸增大。1985，2000和2011年輕度水土流失面積占總面積比例分別為0%，8.2%和21.3%，雖然中度流失面積在研究時(shí)段內(nèi)面積逐年減少，但強(qiáng)烈流失面積卻由1985年的0%增長為2011年的15.9%，凈增389.23 km2，年均增長14.97 km2。2011年極強(qiáng)烈流失面積也增加為11.52 km2。究其原因，主要是烏梁素海東岸上游山區(qū)植被覆蓋度逐年降低，土壤松散，降雨徑流攜帶大量泥沙沖刷、淤積溝道，造成了沖積平原等地區(qū)嚴(yán)重的水土流失。同時(shí)在地形平緩地區(qū)，人為頻繁活動(dòng)(開墾、伐林、放牧和基礎(chǔ)建設(shè)等)改變了原有土地利用類型從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)流失，理化性質(zhì)發(fā)生變化，加劇了水土流失。

圖1 烏梁素海東岸上游地區(qū)1985，2000，2011年各水土流失強(qiáng)度空間分布

表1烏梁素海東岸上游地區(qū)1985，2000和2011年各水土流失強(qiáng)度面積統(tǒng)計(jì)

水土流失強(qiáng) 度 1985年面積/km2比例/%2000年面積/km2比例/%2011年面積/km2比例/%1985—2000年變化面積/km22000—2011年變化面積/km2微 度2 197.73 89.601 986.24 81.001 480.3060.40-211.49-505.94輕 度0.00 —201.18 8.20521.5321.30201.18320.35中 度254.22 10.4092.32 3.8049.372.00-161.90-42.95強(qiáng) 烈0.00 —172.21 7.00389.2315.90172.21217.02極強(qiáng)烈0.00 —0.00 —11.520.500.0011.52合 計(jì)2 451.95 100.002 451.95 100.00 2 451.95100.00——

3.2 水土流失強(qiáng)度類型動(dòng)態(tài)變化分析

表2表示1985—2000年研究區(qū)各水土流失強(qiáng)度的面積轉(zhuǎn)換和比例。輕度水土流失面積擴(kuò)大主要來自微度和中度水土流失面積的轉(zhuǎn)化，分別為167.48和33.70 km2。中度水土流失面積有170.03 km2轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈水土流失的面積。而微度水土流失主要向輕度和中度轉(zhuǎn)化，共轉(zhuǎn)出面積為219.78 km2，占總面積的10.0%。中度水土流失面積轉(zhuǎn)出比例達(dá)到了83.4%，為212.02 km2，主要轉(zhuǎn)入強(qiáng)烈水土流失，其次為中度和輕度。由此可見，各種水土流失類型的轉(zhuǎn)換，都主要來自相對(duì)更弱的一種或多種水土流失強(qiáng)度類型，這也說明了1985—2000年水土流失加劇。

表2 烏梁素海東岸上游地區(qū)1985-2000年各水土流失強(qiáng)度轉(zhuǎn)移面積和比例

表3表示從2000—2011年各水土流失強(qiáng)度類型的轉(zhuǎn)移面積和比例。2011年微度水土流失面積相對(duì)于2000年減少了505.94 km2，轉(zhuǎn)換為其他流失強(qiáng)度的總面積為523.07 km2，主要為輕度和中度水土流失，分別為479.49 km2，24.1%和37.26 km2，1.9%。微度水土流失面積逐年減少的原因主要是人類在山區(qū)的過度放牧和平原區(qū)的過度開墾，破壞了原有地表植被，暴雨沖刷裸露的表土，造成更大的水土流失。

而2000—2011年輕度和中度水土流失面積轉(zhuǎn)化較復(fù)雜，其中輕度水土流失主要轉(zhuǎn)換為強(qiáng)烈水土流失，面積為141.69 km2，占其原面積的70.4%，其次還轉(zhuǎn)化為微度和中度水土流失；中度水土流失也主要轉(zhuǎn)換為強(qiáng)烈水土流失，面積為79.89 km2占原面積86.5%。

該時(shí)段強(qiáng)烈水土流失面積除了未轉(zhuǎn)換的面積外，主要來源于輕度和中度水土流失的轉(zhuǎn)化，而極強(qiáng)烈水土流失面積主要來源于強(qiáng)烈水土流失的轉(zhuǎn)化。由此可見，各種水土流失強(qiáng)度類型的轉(zhuǎn)換，主要來自相對(duì)更輕的另一種或多種水土流失強(qiáng)度類型，特別是強(qiáng)烈水土流失面積主要來自低兩個(gè)級(jí)別的輕度水土流失，這也說明了研究區(qū)1985—2000年水土流失狀況持續(xù)加重。

表3 烏梁素海東岸上游地區(qū)2000—2011年各水土流失強(qiáng)度轉(zhuǎn)移面積和比例

3.3 基于馬爾可夫模型的水土流失預(yù)測(cè)

水土流失的動(dòng)態(tài)變化具有馬爾可夫過程的性質(zhì)。馬爾可夫模型是根據(jù)變量目前的狀態(tài)去預(yù)測(cè)未來可能的變化，只需要變量最近的動(dòng)態(tài)資料，而不需要連續(xù)的歷史資料。因此，水土流失的動(dòng)態(tài)變化滿足馬爾可夫模型的特點(diǎn)，此模型可以用于水土流失動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)。運(yùn)用馬爾可夫模型預(yù)測(cè)水土流失，需要確定初始狀態(tài)矩陣。因研究區(qū)1985年水土流失強(qiáng)度類型缺失了輕度、強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈3種，故選擇2000年不同水土流失強(qiáng)度的面積占全部流失面積的百分比作為各強(qiáng)度類型的初始概率，組成初始狀態(tài)矩陣。

而對(duì)水土流失的動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)換概率矩陣P的確定。利用表3中2000—2011年水土流失面積的變化計(jì)算出各流失強(qiáng)度的平均轉(zhuǎn)化率，從而得到轉(zhuǎn)換概率矩陣(表4)。

表4 烏梁素海東岸上游地區(qū)2000-2011年水土流失強(qiáng)度類型轉(zhuǎn)換概率矩陣

以2011年各水土流失強(qiáng)度面積所占比例為初始向量，2000—2011年水土流失強(qiáng)度類型轉(zhuǎn)換概率矩陣為預(yù)測(cè)時(shí)段的轉(zhuǎn)換概率矩陣，12 a為一步長。預(yù)測(cè)結(jié)果，2022年微度、輕度、中度、強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈水土流失的面積分別為1 130.15，453.16，60.59，779.38和28.67 km2(表5)。2011—2022年微度水土流失面積依然減少，為350.15 km2，相比于2000—2011年的衰減程度變緩。輕度水土流失面積相比過去的2000—2011年呈現(xiàn)了一定的起伏，減少68.37 km2，但依然可以預(yù)測(cè)烏梁素海東岸上游地區(qū)水土流失微度和輕度的區(qū)域面積仍會(huì)進(jìn)一步減少，水土流失的治理形勢(shì)還很嚴(yán)峻。2011—2022年強(qiáng)烈水土流失面積大幅增加390.15 km2，表明研究區(qū)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域亟需治理。同時(shí)，到2022年中度和極強(qiáng)烈水土流失面積分別增加11.22和17.15 km2。

表5 烏梁素海東岸上游地區(qū)2022年水土流失變化預(yù)測(cè)

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)烏梁素海東岸上游地區(qū)1985—2000年，2000—2011年不同強(qiáng)度水土流失面積的空間變化以及各強(qiáng)度類型轉(zhuǎn)換情況的分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)水土流失呈現(xiàn)逐年加劇的趨勢(shì)。微度水土流失面積逐年減少，由1985年的2 197.73 km2減少至2011年的1 480.30 km2，主要轉(zhuǎn)換為輕度和中度水土流失，而強(qiáng)烈水土流失面積大幅增加達(dá)389.23 km2。各類型水土流失強(qiáng)度面積的轉(zhuǎn)換中，更劇烈的一種類型均是主要來自低一級(jí)甚至二級(jí)的轉(zhuǎn)化，這也說明了研究區(qū)水土流失加重的嚴(yán)峻形勢(shì)。烏梁素海東岸上游地區(qū)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域主要集中于中部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)、風(fēng)沙區(qū)以及沿岸農(nóng)牧區(qū)，而烏拉山和色爾騰山的山區(qū)水土流失已經(jīng)逐步減弱，應(yīng)盡快對(duì)以上水土流失持續(xù)加劇地區(qū)采取綜合治理措施，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

(2)基于馬爾可夫模型對(duì)水土流失強(qiáng)度類型的動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)分析，2022年烏梁素海東岸上游地區(qū)的水土流失將出現(xiàn)兩極分化的形勢(shì)，微度水土流失面積相比2011年減少350.15 km2，強(qiáng)烈水土流失面積相比2011年增加390.15 km2，微度和輕度水土流失面積進(jìn)一步減少，強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈水土流失面積仍在急劇擴(kuò)大。應(yīng)以烏梁素海東岸人口密集的農(nóng)牧區(qū)為治理重點(diǎn)，發(fā)展節(jié)水灌溉及牧草改良，營建水土保持林網(wǎng)，配合山區(qū)封育、植樹種草和修建谷坊、淤地壩等流域治理措施，生物措施與工程措施結(jié)合，開展綜合治理，方能有效地遏制水土流失。

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