楊艷芬,王 兵,*,王國(guó)梁,李宗善

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085

黃土高原地域廣闊,氣候類(lèi)型多樣,自然地理?xiàng)l件復(fù)雜、空間組合變化明顯,水土流失與治理模式區(qū)域差異顯著[1-2]。為了有效治理水土流失,因地制宜、科學(xué)化、區(qū)域化、具體化的配置治理方案與措施,需要對(duì)黃土高原進(jìn)行區(qū)域劃分并分區(qū)提出防治對(duì)策[3-6]。黃秉維依據(jù)土壤侵蝕營(yíng)力、類(lèi)型、發(fā)展趨勢(shì)及治理途徑的區(qū)域相似性和差異性,將黃土高原分為3個(gè)一級(jí)區(qū)(風(fēng)蝕區(qū)、風(fēng)蝕水蝕區(qū)、水蝕區(qū)),25個(gè)二級(jí)區(qū),10個(gè)亞區(qū)[7],奠定了侵蝕分區(qū)研究的基礎(chǔ)[4]。朱顯謨基于生物氣候特征和土地利用現(xiàn)狀,將黃土高原劃分為風(fēng)沙草原地帶、草原地帶、森林草原地帶、森林地帶,并進(jìn)一步劃分為25個(gè)區(qū)[8]。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)依據(jù)專(zhuān)題性分區(qū)、自然條件和資源組合特征的相對(duì)一致性、綜合治理措施的相對(duì)一致性、行政區(qū)界的相對(duì)完整性、綜合治理方案實(shí)施和監(jiān)督管理的差異性、趨同性和類(lèi)聚性等原則,將黃土高原劃分為6個(gè)綜合治理區(qū),即黃土高塬溝壑區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、土石山區(qū)、河谷平原區(qū)、沙地和沙漠區(qū)、農(nóng)灌區(qū)[3]?？紤]到黃土高原水土流失治理技術(shù)和模式的區(qū)域性差異,本文在國(guó)家發(fā)改委分區(qū)的基礎(chǔ)上,對(duì)上述6個(gè)分區(qū)進(jìn)行合并和進(jìn)一步劃分,并探討各分區(qū)的氣候、地形地貌、植被特征及水土流失現(xiàn)狀,以期為黃土高原水土流失治理技術(shù)和模式的改良優(yōu)化提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

參照國(guó)家發(fā)改委的分區(qū)方法,依據(jù)自然條件、水土流失治理技術(shù)和模式的區(qū)域性特征及差異,在ARCMAP界面中,基于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的縣級(jí)行政界,對(duì)其進(jìn)行合并,進(jìn)行生態(tài)分區(qū)的劃分。

高程、坡度和坡長(zhǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)平臺(tái),數(shù)據(jù)分辨率均為90 m。降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)采用中國(guó)國(guó)家氣象信息中心發(fā)布的CN05.1格點(diǎn)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)基于中國(guó)2416個(gè)氣象站點(diǎn),采用薄盤(pán)樣條法和角距權(quán)重法對(duì)實(shí)測(cè)逐日降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行插值。其空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為日[9]。植被數(shù)據(jù)采用GIMMS數(shù)據(jù),空間分辨率為8 km,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1982—2015年,本研究采用最大合成法得到年NDVI數(shù)據(jù)。輸沙量數(shù)據(jù)來(lái)自黃河流域和海河流域的水文年鑒,受序列長(zhǎng)度所限,采用了黃土高原及其邊界附近2002—2015年247個(gè)水文站的輸沙量數(shù)據(jù)。在生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上,借助ARCMAP,對(duì)上述各要素進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),探討各要素的時(shí)空分布特征。

2 黃土高原生態(tài)分區(qū)及概況

2.1 黃土高原生態(tài)分區(qū)

圖1 黃土高原生態(tài)分區(qū)Fig.1 Ecological Regionalization of the Loess Plateau A：黃土高塬溝壑區(qū),A1：黃土高塬溝壑區(qū)A1副區(qū),A2：黃土高塬溝壑區(qū)A2副區(qū),B：黃土丘陵溝壑區(qū),B1：黃土丘陵溝壑區(qū)B1副區(qū),B2：黃土丘陵溝壑區(qū)B2副區(qū),C：沙地和農(nóng)灌區(qū),D：土石山區(qū)及河谷平原區(qū)

基于國(guó)家發(fā)改委的分區(qū)原則及方法,考慮了黃土高原水土流失治理技術(shù)和模式及生態(tài)恢復(fù)建設(shè)工程的區(qū)域性差異,通過(guò)分析和綜合,本文將黃土高原劃分為4個(gè)生態(tài)分區(qū)：(A)黃土高塬溝壑區(qū),(B)黃土丘陵溝壑區(qū),(C)沙地和農(nóng)灌區(qū),(D)土石山區(qū)及河谷平原區(qū)。其中黃土高塬溝壑區(qū)以六盤(pán)山為界,劃分為A1和A2兩個(gè)副區(qū)；黃土丘陵溝壑區(qū)以毛烏素沙漠南緣為界,劃分為B1和B2兩個(gè)副區(qū),如圖1所示。

黃土高塬溝壑區(qū)面積21.8 km2,其中A1和A2副區(qū)面積分別為12.4 km2和9.4 km2,A1副區(qū)包括甘肅、青海、寧夏三省共51個(gè)縣,A2副區(qū)包括甘肅、陜西、寧夏三省共41個(gè)縣。黃土丘陵溝壑區(qū)面積12.9 km2,其中B1和B2副區(qū)面積分別為5.5 km2和7.4 km2,B1副區(qū)包括陜西、山西、內(nèi)蒙三省共22個(gè)縣,B2副區(qū)包括陜西和山西兩省共35個(gè)縣。沙地和農(nóng)灌區(qū)面積13.5 km2,包括內(nèi)蒙、寧夏兩省共30個(gè)縣。土石山區(qū)及河谷平原區(qū)面積17.9 km2,包括內(nèi)蒙、寧夏、陜西、河南四省共122個(gè)縣。

黃土高原地貌類(lèi)型多樣,由丘陵、高塬、階地、平原、沙漠、干旱草原、高地草原、土石山地等組成,其中山區(qū)、丘陵區(qū)、高塬區(qū)占2/3 以上[3]。

黃土高原高程落差較大,海拔在85—5100 m之間?？偟牡貏?shì)是西南高,東南低。黃土高塬溝壑區(qū)A1副區(qū)地勢(shì)最高,高程在1186—5100 m之間,均值為2268 m；土石山區(qū)及河谷平原區(qū)最低,在85—3748 m之間,均值為1060 m；其他分區(qū)高程較為接近。坡度和坡長(zhǎng)最大值分別在77.4—87.3°之間和1070—1860 m之間。坡度和坡長(zhǎng)也存在分區(qū)差異,且規(guī)律較為一致。都表現(xiàn)為黃土高塬溝壑區(qū)坡度和坡長(zhǎng)最大,丘陵溝壑區(qū)B2副區(qū)次之,坡度均值在16.5—17.6°之間,坡長(zhǎng)在60.5—68.4 m之間。沙地及農(nóng)灌區(qū)最小,坡度均值僅為7.5°,坡長(zhǎng)均值為32.9 m。如圖2和表1所示。

圖2 生態(tài)分區(qū)高程、坡度、坡長(zhǎng)空間分布Fig.2 Spatial pattern of elevation, slope and slope length for ecological regionalization

2.2 降水和氣溫的時(shí)空分布

黃土高原位于我國(guó)東西部之間半濕潤(rùn)區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡地帶[10],降水地區(qū)分布很不平衡,總的趨勢(shì)是由東南向西北、由山地向平地遞減[11-13]。降水量年際變化很大,豐水年和干旱年降水量相差2—5倍,干旱發(fā)生機(jī)率高。降水年內(nèi)分布很不均勻,且以暴雨形式為主[3]。

表1 生態(tài)分區(qū)高程、坡度、坡長(zhǎng)特征值統(tǒng)計(jì)

圖3 生態(tài)分區(qū)不同年代降水量空間分布Fig.3 Spatial pattern of precipitation for ecological regionalization in different decades

1961—2015年,黃土高原多年平均降水量為447 mm,具有很強(qiáng)的空間變異性,表現(xiàn)為從東南向西北遞減的趨勢(shì)。東南部的土石山區(qū)及河谷平原區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)A2副區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)B2副區(qū)的多年平均降水量高于黃土高原平均水平。沙地及農(nóng)灌區(qū)降水量最小,僅有266 mm。如圖3所示。

不同年代面均降水量顯示(表2),黃土高原范圍內(nèi),降水量最大值出現(xiàn)于60年代,60—90年代降水量持續(xù)減少,由461 mm減少到428 mm,2000—2015年降水量有所增加,均值為454 mm。黃土高塬溝壑區(qū)、沙地及農(nóng)灌區(qū)、土石山區(qū)及河谷平原區(qū)的最大降水量出現(xiàn)于60年代,黃土丘陵溝壑區(qū)的降水量最大值出現(xiàn)于2000—2015年,各分區(qū)降水量最小值出現(xiàn)于80或90年代。線性擬合結(jié)果顯示,丘陵溝壑區(qū)B2副區(qū)降水量呈增加趨勢(shì),其他分區(qū)呈減小趨勢(shì),變化均不顯著。

降水量越大的分區(qū),年代降水量最大值和最小值差異也越大,說(shuō)明年降水波動(dòng)劇烈,其中黃土高塬溝壑區(qū)A2副區(qū)、土石山區(qū)及河谷平原區(qū)最大值和最小值分別相差71 mm和73 mm,黃土高塬溝壑區(qū)A1副區(qū)、沙地及農(nóng)灌區(qū)的降水量小且較為穩(wěn)定,最大最小值分別相差27 mm和30 mm。

表2 黃土高原生態(tài)分區(qū)降水量/mm

黃土高原屬大陸性季風(fēng)氣候,全年≥10℃的積溫2300—4500℃,無(wú)霜期120—250 d,日照時(shí)數(shù)1900—3200 h[3]。

黃土高原1961—2015年多年平均氣溫為7.3℃。氣溫的空間格局也存在很大變異性,如圖4所示,東南部高塬溝壑區(qū)A2副區(qū)、土石山區(qū)和河谷平原區(qū)氣溫最高,土石山區(qū)及河谷平原區(qū)次之,均高于黃土高原平均水平,分別為8.7℃、8.7℃、8.1℃,高塬溝壑區(qū)A1副區(qū)氣溫最低,僅為4.9℃。

時(shí)間上,黃土高原和各分區(qū)的面平均氣溫都呈非顯著增加趨勢(shì),60—80年代相對(duì)穩(wěn)定,90年代以來(lái)增溫明顯,如表3所示。

圖5 生態(tài)分區(qū)不同年代NDVI空間格局Fig.5 Spatial pattern of NDVI for ecological regionalization in different decades

生態(tài)分區(qū)Ecological regionalization年代Time1961—20151961—19691970—19791980—19891990—19992000—2015黃土高塬溝壑區(qū)A1Loess sorghum gully region A14.94.44.44.45.05.6黃土高塬溝壑區(qū)A2Loess sorghum gully region A28.78.38.48.38.99.3黃土丘陵溝壑區(qū)B1Loess hilly and gully region B16.35.75.85.86.66.9黃土丘陵溝壑區(qū)B2Loess hilly and gully region B28.17.77.87.78.48.7沙地及農(nóng)灌區(qū)CSandy land and agricultural irrigation region C7.06.26.36.67.47.8土石山區(qū)及河谷平原區(qū)DEarth-rocky mountainous, and river valley plain region D8.78.38.48.38.99.

2.3 植被特征

黃土高原1982—2015年多年平均NDVI為0.56,存在很大的空間差異,整體上呈現(xiàn)從東南向西北遞減的趨勢(shì)(圖5)。土石山區(qū)及河谷平原區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)A2副區(qū)的植被覆蓋度最高,多年平均NDVI分別為0.69和0.68,黃土丘陵溝壑區(qū)B2副區(qū)和黃土高塬溝壑區(qū)A1副區(qū)的植被覆蓋度次之,NDVI分別為0.56和0.55,黃土丘陵溝壑區(qū)B1副區(qū)的NDVI為0.49,沙地及農(nóng)灌區(qū)植被覆蓋度最低,NDVI僅為0.36。

不同年代NDVI變化特征如表4所示。80年代以來(lái),黃土高原和各生態(tài)分區(qū)都表現(xiàn)為植被覆蓋度逐漸增加。相對(duì)于80年代,90年代的NDVI增加了0.01—0.03,2000—2015年增加了0.02—0.07,2000年以后植被覆蓋增長(zhǎng)速度高于90年代。相對(duì)于80年代,近15年黃土高原的NDVI增加了0.04,各生態(tài)分區(qū)的增加量各有不同,其中黃土高塬溝壑區(qū)、土石山區(qū)及河谷平原區(qū)的增加量較小,為0.02—0.03,黃土丘陵溝壑區(qū)的增加量最大,為0.06—0.07,說(shuō)明黃土丘陵溝壑區(qū)大面積的退耕還林(草)等生態(tài)建設(shè)頗具成效,能夠有效提高植被覆蓋度。

表4 黃土高原生態(tài)分區(qū)NDVI

2.4 侵蝕產(chǎn)沙時(shí)空變化特征及水土流失現(xiàn)狀

黃土高原侵蝕產(chǎn)沙受自然和人為雙重因素的影響,具有明顯的時(shí)空分異特征[14-16]。為了說(shuō)明其時(shí)空變化,依據(jù)水電部(1984)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表5),將不同時(shí)期各侵蝕強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的面積比例進(jìn)行對(duì)比,如表6所示。

大規(guī)模水土保持措施實(shí)施和水利工程建設(shè)以前(1970年以前),受人類(lèi)活動(dòng)影響相對(duì)較少,體現(xiàn)了自然狀態(tài)下的侵蝕產(chǎn)沙狀況。在該時(shí)期,微弱侵蝕(<1000 t km-2a-1)區(qū)域的面積為26.1%,強(qiáng)度侵蝕以上(>5000 t km-2a-1)的面積比例為25.7%,主要分布在渭河、涇河、北洛河上游地區(qū)以及無(wú)定河中下游、窟野河、禿尾河等流域,這基本上與黃土丘陵溝壑區(qū)范圍一致。其中,侵蝕產(chǎn)沙劇烈(>15000 t km-2a-1)的區(qū)域面積占4%,主要分布在延安-榆林一帶和內(nèi)蒙古砒砂巖地區(qū)[17]。

表5 水電部(1984)侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表6 黃土高原侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度時(shí)間變化特征

70年代,微弱侵蝕的面積增加到34.4%,強(qiáng)度侵蝕以上的區(qū)域面積比例降低到19.2%,主要分布于西峰-延安-榆林-東勝一帶,極強(qiáng)度侵蝕在其范圍內(nèi)呈條帶狀分布[17]。

80年代,微弱侵蝕區(qū)域范圍增加到42.1%,強(qiáng)度侵蝕以上的區(qū)域面積比例進(jìn)一步降低,占9.6%,范圍收縮為兩個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域,分別位于西峰-延安一帶和東勝-朔州之間[17]。

圖6 2002—2015年黃土高原輸沙模數(shù)空間分布Fig.6 Spatial pattern of sediment transport modulus during 2002—2015

2002—2015年,黃土高原侵蝕產(chǎn)沙的空間格局發(fā)生了重大變化,主要表現(xiàn)在侵蝕強(qiáng)度和范圍兩個(gè)方面(圖6)。侵蝕產(chǎn)沙的強(qiáng)度顯著減弱,多年平均輸沙模數(shù)在0.13—3924 t km-2a-1之間,中度侵蝕(2500—5000 t km-2a-1)的區(qū)域范圍較小,僅占1.1%,主要分布于第二高塬溝壑區(qū)的涇河流域。輕度侵蝕(1000—2500 t km-2a-1)的區(qū)域范圍稍大,面積比例為14.4%,主要分布在涇河、無(wú)定河、清澗河、北洛河、苦水河、禿尾河、窟野河流域。其他大部分區(qū)域(面積比例84.6%)的侵蝕強(qiáng)度都屬于微弱侵蝕(<1000 t km-2a-1)。80年代強(qiáng)度侵蝕以上的區(qū)域,侵蝕強(qiáng)度已降為中度侵蝕,且范圍發(fā)生了明顯萎縮；80年代中度侵蝕和輕度侵蝕的區(qū)域,侵蝕強(qiáng)度已降為輕度侵蝕或微弱侵蝕。各生態(tài)分區(qū)侵蝕模式特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表7),高塬溝壑區(qū)A2副區(qū)的土壤侵蝕最為嚴(yán)重,侵蝕模數(shù)在155—3924 t km-2a-1之間,均值為1118 t km-2a-1。丘陵溝壑區(qū)B2副區(qū)次之,侵蝕模數(shù)在18.3—3245 t km-2a-1之間,均值為994 t km-2a-1。其他分區(qū)侵蝕模數(shù)的均值在180—560 t km-2a-1之間,其中土石山區(qū)及河谷平原區(qū)的侵蝕模數(shù)最小。

表7 生態(tài)分區(qū)2002—2015年輸沙模式特征值統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文依據(jù)國(guó)家發(fā)改委的黃土高原生態(tài)分區(qū),在考慮水土流失治理技術(shù)和模式的區(qū)域性差異的基礎(chǔ)上,將黃土高原劃分為黃土高塬溝壑區(qū),黃土丘陵溝壑區(qū),沙地和農(nóng)灌區(qū),土石山區(qū)及河谷平原區(qū)。其中黃土高塬溝壑區(qū)進(jìn)一步劃分為A1和A2兩個(gè)副區(qū)；黃土丘陵溝壑區(qū)劃分為B1和B2兩個(gè)副區(qū)。

黃土高原多年平均降水量447 mm,丘陵溝壑區(qū)B2副區(qū)降水量呈增加趨勢(shì),其他分區(qū)呈減小趨勢(shì),變化均不顯著。黃土高原多年平均氣溫為7.3℃,各分區(qū)的面平均氣溫均呈非顯著增加趨勢(shì),90年代以來(lái)增溫明顯。黃土高原多年平均NDVI為0.56,80年代以來(lái),黃土高原和各生態(tài)分區(qū)的植被覆蓋度均逐漸增加,黃土高塬溝壑區(qū)、土石山區(qū)及河谷平原區(qū)的增加量較小,黃土丘陵溝壑區(qū)的增加量最大。

1970年以來(lái),黃土高原侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度減弱趨勢(shì)顯著,強(qiáng)度侵蝕以上等級(jí)的侵蝕強(qiáng)度范圍明顯萎縮。至2002—2015年,多年平均輸沙模數(shù)在0.13—3924 t km-2a-1之間,侵蝕強(qiáng)度最大為中度侵蝕(2500—5000 t km-2a-1),但面積較小,主要分布于第二高塬溝壑區(qū)的涇河流域。