王 豐,劉金銅,付同剛,高 會(huì),齊 菲

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

土壤侵蝕作為一個(gè)重大的全球環(huán)境問題,嚴(yán)重地威脅著區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。土壤侵蝕是一個(gè)綜合性的研究領(lǐng)域,其研究需要?dú)夂?、地質(zhì)、地貌、土壤、水文、生態(tài)等相關(guān)學(xué)科的基本知識(shí)。中國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一,水土流失面廣量大。根據(jù)第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查,我國(guó)水蝕和風(fēng)蝕面積為356.9萬(wàn)km,占國(guó)土面積的37.6%。因此,土壤侵蝕的研究對(duì)生態(tài)恢復(fù)及可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

根據(jù)模型估算和預(yù)測(cè)土壤侵蝕是較為普遍的一種研究手段,依據(jù)模型構(gòu)建方法主要分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型和物理成因模型。Wischmeier和Smith最早于1965年建立USLE (Universal Soil Loss Equation)土壤侵蝕模型。1993年,美國(guó)農(nóng)業(yè)部正式發(fā)布修正的通用土壤侵蝕方程RUSLE,且已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的土壤侵蝕估測(cè)研究中得到了普遍的應(yīng)用。基于USLE模型,20世紀(jì)90年代以來,我國(guó)學(xué)者也建立了一些經(jīng)驗(yàn)侵蝕模型,比較有代表性的是江忠善等淺溝裸露地坡面土壤預(yù)報(bào)模型和劉寶元的中國(guó)土壤流失方程CSLE。土壤侵蝕物理成因模型中比較著名的是美國(guó)的WEPP、歐洲的EUROSEM、荷蘭的LISEM,以及我國(guó)學(xué)者蔡強(qiáng)國(guó)等的次降雨侵蝕產(chǎn)沙模型、段建南等的坡耕地土壤侵蝕過程數(shù)學(xué)模型SLEMSEP等。但由于此類模型參數(shù)復(fù)雜和各地區(qū)情況千差萬(wàn)別,其推廣和應(yīng)用受到了一定限制,但USLE和RUSLE依然是應(yīng)用最為廣泛的模型。

USLE和RUSLE模型自從引入我國(guó)后,在土壤侵蝕較嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)進(jìn)行了較為廣泛的應(yīng)用,但對(duì)易發(fā)生土壤侵蝕的太行山區(qū)的研究則相對(duì)較少。太行山區(qū)是京津冀豫重要的生態(tài)屏障區(qū),但由于自然環(huán)境惡化以及人類不合理的土地利用,導(dǎo)致該地區(qū)土壤侵蝕狀況嚴(yán)峻。目前,關(guān)于太行山區(qū)土壤侵蝕的研究多集中在小流域和某一區(qū)域尺度,覆蓋整個(gè)太行山區(qū)尺度的研究相對(duì)較少; 此外諸多研究通常只是關(guān)注某一年度的土壤侵蝕量,未能很好地反映土壤侵蝕的時(shí)間變化情況。因此,本文將RUSLE模型與ArcGIS軟件相結(jié)合,計(jì)算了太行山區(qū)2000-2015年4期的土壤侵蝕模數(shù)(單位面積年均土壤侵蝕量),分析了土壤侵蝕的時(shí)空分異特征,并對(duì)土壤侵蝕的影響因子進(jìn)行了探究,旨在為研究區(qū)的水土保持和生態(tài)環(huán)境治理工作提供一定的科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)太行山區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area of Taihang Mountain area

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的數(shù)據(jù)類型及來源如表1所示,各數(shù)據(jù)均通過ArcGIS柵格重采樣工具統(tǒng)一成100 m空間分辨率,投影坐標(biāo)統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_49N。土壤數(shù)據(jù)采取FAO-90分類系統(tǒng); 土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)各地類遙感影像進(jìn)行目視解譯和更新,分類綜合精度達(dá)87.75%。

表1 本研究所用數(shù)據(jù)及來源Table 1 Dataset and resources used in the study

2.2 研究方法

采用的土壤侵蝕模型是修正的通用土壤流失方程RUSLE模型:

式中:為預(yù)測(cè)的單位面積的年土壤侵蝕量(t·hm·a);為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)·(hm·h·a)];為土壤可蝕性因子[(t·hm·h)·(MJ·hm·mm)]; LS為坡長(zhǎng)坡度因子(無量綱);為植被覆蓋與管理因子(無量綱);為水土保持措施因子(無量綱)。

2.2.1 降雨侵蝕力因子()

降雨侵蝕力是降雨侵蝕的潛在能力,它是土壤流失方程中首要的基礎(chǔ)因子。降雨是引起土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力,降雨侵蝕力表征了降雨引起土壤發(fā)生侵蝕的潛在能力。目前在中國(guó)多以年降雨量和月降雨量對(duì)因子進(jìn)行估算,本文采用馬志尊的方法計(jì)算太行山區(qū):

式中:為年平均降雨量(mm),p為第月降雨量(mm)。根據(jù)研究區(qū)88個(gè)氣象站的降雨數(shù)據(jù),由以上公式計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)的年降雨侵蝕力,在ArcGIS軟件中進(jìn)行Kriging插值和重采樣操作,得到降雨侵蝕力因子的空間分布圖(圖2)。

圖2 2000—2015年太行山區(qū)降雨侵蝕力(R)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of rainfall erosion factor (R)in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

2.2.2 土壤可蝕性因子()

土壤可蝕性因子主要表達(dá)土壤的性質(zhì),反映土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)的難易程度。土壤值是土壤抵抗水蝕能力的一個(gè)綜合性指標(biāo),土壤值越大,土壤抵抗水蝕能力越弱,越易受侵蝕;反之亦然。本文基于EPIC模型中土壤質(zhì)地和土壤有機(jī)碳含量計(jì)算因子,并根據(jù)張科利等的研究對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正,最終得到因子的空間分布圖(圖3):

圖3 太行山區(qū)土壤可蝕性因子(K)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil erodibility factor (K)in Taihang Mountain area

式中:SAN表示砂粒(粒徑0.05～2 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%); SIL表示粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%); CLA表示黏粒(粒徑＜0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%);表示有機(jī)碳含量(%)。

2.2.3 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)

坡長(zhǎng)是指坡面上從產(chǎn)生地表徑流的起點(diǎn)至徑流匯集到溝谷的距離,坡長(zhǎng)越大,徑流的速度就越大,匯聚的流量也越大,其侵蝕力就越強(qiáng); 坡度表示地表某點(diǎn)的傾斜程度,坡度通過影響水流的速度進(jìn)而影響滲透率、徑流量以及對(duì)土壤的沖刷量,是影響區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕的最重要因素。在流域?qū)用嫔?坡長(zhǎng)、坡度可通過數(shù)字高程DEM提取,坡長(zhǎng)因子()的計(jì)算采用Wischmeier提出的坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式:

式中:為水平投影坡長(zhǎng)(m);為坡長(zhǎng)指數(shù),取值方法為:當(dāng)坡度()≤1o,=0.2; 當(dāng)1o＜≤3o時(shí),=0.3; 當(dāng)3o＜≤5o時(shí),=0.4; 當(dāng)＞5o時(shí),=0.5;利用DEM提取。

RUSLE模型中坡度因子()的計(jì)算采用Mccool等建立的公式:

Liu等對(duì)陡坡情況下因子的計(jì)算做了研究,提出了如下計(jì)算公式:

太行山區(qū)地形因子LS的空間分布如圖4所示。

圖4 太行山區(qū)坡長(zhǎng)坡度因子(LS)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of topographical factor (LS)in Taihang Mountain area

2.2.4 植被覆蓋與管理因子()

植被覆蓋與管理因子是評(píng)價(jià)植被因素抵抗土壤侵蝕能力的重要指標(biāo),指在相同的土壤、坡度和降雨條件下,有特定植被覆蓋或田間管理的土地上的土壤流失量與實(shí)施清耕、無覆蓋裸露休閑地上的土壤流失量之比,其值在0～1之間。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是計(jì)算因子最為普遍的數(shù)據(jù),本文采用Vander Knijff等提出的利用NDVI確定因子的方法(圖5):

圖5 2000—2015年太行山區(qū)植被覆蓋與管理因子(C)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation management and coverage factor (C)in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

式中:和為無量綱因子,決定因子與NDVI關(guān)系曲線圖,經(jīng)Vander Knijff M發(fā)現(xiàn)=2、=1是一個(gè)合理的取值,有著良好相關(guān)性。

2.2.5 水土保持措施因子()

水土保持措施因子是采取專門措施后的土壤流失量與采用順坡種植時(shí)土壤流失量的比值。因子的控制措施主要有等高耕作、等高帶狀種植和修筑梯田,常見的水土保持措施有梯田、造林、種草等,其值為0～1,0代表基本不發(fā)生土壤侵蝕,1代表未采取水土保持措施或措施完全失效。

大量研究表明,土地利用信息能夠間接反映水土保持措施因子,在大尺度的流域土壤侵蝕研究中,可以根據(jù)土地利用類型賦值的方法確定,由此得到太行山區(qū)水土保持措施因子分布圖(圖6),林地、草地、未利用地一般均賦值為1,水體、建筑用地及裸巖賦值為0,對(duì)于耕地,通常坡度越大,水土保持措施的作用越突出,因此耕地依據(jù)表2坡度范圍賦值。

圖6 2000—2015年太行山區(qū)水土保持措施因子(P)的空間分布Fig.6 Distribution of soil and water conservation factor (P)in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

表2 不同坡度范圍的耕地的水土保持措施因子 (P)值[30]Table 2 Values of soil and water conservation factors (P)of cultivated land in different slope conditions

3 結(jié)果與分析

3.1 太行山區(qū)土壤侵蝕的時(shí)間變化

3.1.1 土壤侵蝕模數(shù)的時(shí)間變化

將計(jì)算所得的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長(zhǎng)坡度因子、植被覆蓋與管理因子和水土保持措施因子?xùn)鸥駡D層統(tǒng)一為100 m×100 m分辨率后,利用ArcGIS中的柵格計(jì)算器進(jìn)行疊加相乘,2000年、2005年、2010年和2015年太行山區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)分別為4434.14 t·km·a、2984.65 t·km·a、1761.93 t·km·a和1833.81 t·km·a,呈明顯減小的趨勢(shì),16年間土壤侵蝕模數(shù)減少58.64% (圖7),土壤侵蝕模數(shù)在2010-2015年間整體趨于穩(wěn)定。

圖7 2000—2015年太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化Fig.7 Changes of soil erosion modulus in Taihang Mountain area from 2000 to 2015

3.1.2 土壤侵蝕強(qiáng)度的時(shí)間變化

根據(jù)水利部頒布的土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007,根據(jù)侵蝕模數(shù)的大小,土壤侵蝕強(qiáng)度分為微度(＜500 t·km·a)、輕度(500～2500 t·km·a)、中度(2500～5000 t·km·a)、強(qiáng)烈(5000～8000 t·km·a)、極強(qiáng)烈(8000～15 000 t·km·a)以及劇烈(＞15 000 t·km·a)6個(gè)級(jí)別。首先,利用ArcGIS重分類工具將侵蝕模數(shù)分為6種強(qiáng)度,進(jìn)而利用相交工具得到侵蝕強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的面積變化隨時(shí)間表現(xiàn)各異,微度侵蝕的面積呈持續(xù)增加趨勢(shì),輕度、中度及強(qiáng)烈侵蝕面積呈先增加后降低的趨勢(shì),而極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積主要表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。

表3 2000—2015年太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of soil erosion intensity in Taihang Mountain area from 2000 to 2015km 2

在侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移1級(jí)的面積統(tǒng)計(jì)中,2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年3個(gè)變化時(shí)間段輕度侵蝕向微度侵蝕轉(zhuǎn)移的面積比例分別為14.47%、35.76%和30.48%,其中2000-2005年的轉(zhuǎn)移面積比例最小; 3個(gè)變化時(shí)間段中度侵蝕向輕度侵蝕轉(zhuǎn)移的面積比例分別為33.45%、68.61%和42.29%,其中2005-2010年的轉(zhuǎn)移面積比例最大。2010-2015年輕度侵蝕面積向中度侵蝕轉(zhuǎn)移的比例達(dá)13.05%,但其值仍遠(yuǎn)小于輕度侵蝕轉(zhuǎn)微度的面積。在侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移兩級(jí)別及以上的面積統(tǒng)計(jì)中,2000-2005年沒有極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕向微度侵蝕轉(zhuǎn)移的面積,而2005年之后的兩個(gè)時(shí)間段均有向微度侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移的面積,且轉(zhuǎn)移的面積呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

因此,2000-2015年微度侵蝕的面積一直在增加,極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積主要表現(xiàn)為降低趨勢(shì),太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度整體向較低的等級(jí)轉(zhuǎn)移,2005-2010年是侵蝕強(qiáng)度降低變化率最高的時(shí)間段,太行山區(qū)土壤侵蝕防治成效在此時(shí)期最為顯著。

3.2 太行山區(qū)土壤侵蝕的空間變化

3.2.1 土壤侵蝕強(qiáng)度的水平空間變化

本文運(yùn)用ArcGIS空間疊加分析功能,揭示了太行山區(qū)2000-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分異特征(圖8)。

圖8 2000—2015年太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)變化(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為面積占比)Fig.8 Changes of soil erosion intensity levels in Taihang Mountain area from 2000 to 2015 (data in parenthesis is area proportion)

2000-2005年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在山西和河北兩省交界的較高海拔地區(qū),東經(jīng)114o附近,例如晉中東部、石家莊西部等; 土壤侵蝕強(qiáng)度增加的區(qū)域總體分布在太行山東北部區(qū)域,以北京西南部、張家口東南部以及保定北部為主。2005-2010年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域在整個(gè)太行山區(qū)分布較為均勻; 而侵蝕強(qiáng)度增加的區(qū)域很少,此時(shí)間段研究區(qū)土壤侵蝕的狀況改善明顯。2010-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在陽(yáng)泉、石家莊以南地區(qū); 土壤侵蝕強(qiáng)度增加的區(qū)域整體上集中在北緯38o線以北,例如張家口、保定、石家莊等水土流失敏感性較高的西部山區(qū)。

綜上所述,太行山區(qū)土壤侵蝕具有明顯的空間異質(zhì)性。3個(gè)變化時(shí)期至少有74.77%的地區(qū)侵蝕強(qiáng)度并沒有表現(xiàn)出等級(jí)上的轉(zhuǎn)移,侵蝕強(qiáng)度降低一級(jí)的面積始終比增加一級(jí)的大。

3.2.2 土壤侵蝕模數(shù)的垂向空間變化

根據(jù)高會(huì)等對(duì)太行山區(qū)海拔的分類標(biāo)準(zhǔn),通過GIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到土壤侵蝕的垂直空間分布圖(圖9)。具體來看,在海拔小于200 m的山前平原區(qū),土壤侵蝕模數(shù)很小,平均低至244 t·km·a; 在200～1600 m的海拔區(qū)間,主要是低山丘陵區(qū)和中山區(qū),土壤侵蝕與海拔未呈現(xiàn)出相關(guān)性,平均侵蝕模數(shù)始終在2000 t·km·a左右,屬于輕度侵蝕; 在海拔大于1600 m的亞高山區(qū),土壤侵蝕模數(shù)隨著海拔升高表現(xiàn)為迅速增大,在2600～2800 m附近達(dá)極大值,即13 057 t·km·a,屬于極強(qiáng)烈侵蝕等級(jí)。

圖9 太行山區(qū)不同海拔的土壤侵蝕變化Fig.9 Changes of soil erosion in different altitudes in Taihang Mountain area

因此,在中低山區(qū)海拔高的地方侵蝕模數(shù)并不一定大,一定海拔高度后土壤侵蝕狀況有其特殊性,中低山區(qū)集中了侵蝕總量(2.5×10t)的86.54%,原因是中低山區(qū)的面積約占研究區(qū)的91.12%。土壤侵蝕防治工作應(yīng)著眼于中低山區(qū),對(duì)于亞高山區(qū)應(yīng)減少人為因素的干擾,采取更多的封山育林措施。

3.3 太行山區(qū)土壤侵蝕的影響因子

3.3.1 土壤侵蝕與坡度的關(guān)系

選取2015年土壤侵蝕與坡度的柵格圖層進(jìn)行疊加分析,得到太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與坡度的關(guān)系(圖10 a),土壤侵蝕模數(shù)總體上隨坡度增加而增大,侵蝕模數(shù)與坡度呈二次多項(xiàng)式擬合關(guān)系=259.18+221.16-2.76,擬合系數(shù)=0.96,侵蝕模數(shù)與坡度的關(guān)系極顯著(＜0.01)。當(dāng)坡度在40o左右時(shí)侵蝕模數(shù)達(dá)極大值,約4693 t·km·a; 而當(dāng)坡度大于40o時(shí),侵蝕模數(shù)并未繼續(xù)增大,而是呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)。因此,土壤侵蝕存在臨界坡度使得其不會(huì)隨坡度的增加一直增加,這也與眾多的學(xué)者研究相似,基于試驗(yàn)方法計(jì)算的臨界坡度多在30o以下,而基于理論分析得出的結(jié)論大多認(rèn)為臨界值在30o以上,臨界坡度的大小因試驗(yàn)方法和客觀條件的差異而不盡相同。

根據(jù)水利部關(guān)于土壤侵蝕坡度等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn),將太行山區(qū)土壤侵蝕柵格圖按照坡度劃分為6個(gè)等級(jí),太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度的關(guān)系如圖10b所示,在不同坡度帶不同土壤侵蝕強(qiáng)度的面積占比變化明顯,微度侵蝕的面積占比隨坡度的增加而逐漸減小,而中度及以上侵蝕強(qiáng)度的面積占比則逐漸增大。因此,隨著坡度的增加,較高等級(jí)強(qiáng)度的侵蝕發(fā)生的概率逐漸增大。太行山區(qū)通過工程措施進(jìn)行微地形改造,通過調(diào)整坡耕地的坡度,有助于控制土壤侵蝕的發(fā)生。

圖10 太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)隨坡度變化(a)和不同坡度土壤侵蝕強(qiáng)度面積百分比(b)Fig.10 Changes of soil erosion modulus (a)and percentages of different soil erosion intensity levels (b)under different slope conditions in Taihang Mountain area

3.3.2 土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

太行山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與土地利用的關(guān)系如圖11所示,耕地、林地和草地是主要的土地利用類型,面積占比分別為35.87%、29.22%和25.58%,三者平均土壤侵蝕模數(shù)分別為501.72 t·km·a、2475.46 t·km·a和3605.73 t·km·a。

圖11 太行山區(qū)不同土地利用類型的侵蝕模數(shù)Fig.11 Soil erosion modulus of different land use types in Taihang Mountain area

3種主要的土地利用類型中,耕地的侵蝕模數(shù)最小,幾乎達(dá)到微度侵蝕等級(jí)?？赡艿脑蛴幸韵?點(diǎn):1)太行山區(qū)耕地的坡度主要分布在15o以下,統(tǒng)計(jì)分析(表4)表明耕地的平均坡度為4.90o,較低坡度使得土壤侵蝕模數(shù)相對(duì)較小。2)21世紀(jì)以來,退耕還林生態(tài)工程主要集中在大于15o的耕地上,2000-2015年這些地區(qū)平均NDVI植被指數(shù)從0.56變?yōu)?.68,相應(yīng)的平均侵蝕模數(shù)從5536.12 t·km·a降低為2474.29 t·km·a。3)林草地通常未采取相應(yīng)的水土保持措施,耕地的水土保持措施因坡度而存在差異。因此,太行山區(qū)耕地的土壤侵蝕模數(shù)較低。

表4 太行山區(qū)主要土地利用類型特征Table 4 Characteristics of main land use types in Taihang Mountain area

與耕地相比,林地和草地主要分布在太行山區(qū)較大的坡度范圍內(nèi),較高土壤侵蝕發(fā)生的概率增加。草地是侵蝕模數(shù)最高的土地利用類型,原因是一方面草地的NDVI指數(shù)遠(yuǎn)小于林地; 另一方面林地往往具有更穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu),冠層對(duì)降水具有截留作用,這削弱了雨水到達(dá)地表的雨滴動(dòng)能。

太行山區(qū)土壤侵蝕防治工作應(yīng)著眼于耕地、林地和草地管理。對(duì)陡坡或交通不便的耕地適時(shí)地推進(jìn)退耕還林還草,提高生態(tài)恢復(fù)植被的成活率; 對(duì)荒山和草地應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)力度,預(yù)防草地的生態(tài)退化。

3.3.3 土壤侵蝕與NDVI的關(guān)系

太行山區(qū)土壤侵蝕與NDVI植被指數(shù)的關(guān)系如圖12所示,4個(gè)年度的平均NDVI分別為0.58、0.61、0.67和0.66,總體上隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。侵蝕模數(shù)與NDVI的二次多項(xiàng)式擬合關(guān)系=141 296-414 662+308 084,擬合系數(shù)=0.99,侵蝕模數(shù)與NDVI的關(guān)系極顯著(=0.022)。植被是影響土壤侵蝕的重要因子,關(guān)系到作物覆蓋與管理因子的大小,由此可見,太行山區(qū)植被恢復(fù)整體趨好,這對(duì)防治水土流失具有一定的積極作用。

圖12 太行山區(qū)侵蝕模數(shù)和NDVI的關(guān)系Fig.12 Relationship between soil erosion modulus and NDVI in Taihang Mountain area

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

RUSLE模型的各因子在計(jì)算過程中會(huì)產(chǎn)生誤差,本研究中因子的計(jì)算僅使用了月度的降雨數(shù)據(jù),未考慮太行山區(qū)海拔因素對(duì)降雨的影響,總體上計(jì)算精度還不夠,今后研究中考慮使用Anusplin插值方法得到日降雨數(shù)據(jù)降雨侵蝕力因子;因子還是根據(jù)傳統(tǒng)的方法對(duì)土地利用類型進(jìn)行賦值,沒有考慮等高耕作和修梯田的影響,今后研究中可以考慮采用高分辨率遙感數(shù)據(jù)對(duì)這些典型區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。

在結(jié)果驗(yàn)證方面也存在不足,本文只是參照了已有的相關(guān)文獻(xiàn),太行山區(qū)的土壤侵蝕研究結(jié)果不盡相同,這可能是數(shù)據(jù)源和參照標(biāo)準(zhǔn)的不同引起的,但一致的結(jié)論是研究區(qū)土壤侵蝕狀況逐漸好轉(zhuǎn),自20世紀(jì)80年代開始,太行山區(qū)相繼實(shí)施了“太行山綠化工程” “退耕還林工程”等多項(xiàng)生態(tài)工程,對(duì)研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有重要作用。王嬌等對(duì)河北太行山區(qū)土壤侵蝕敏感性的研究發(fā)現(xiàn),水土流失敏感性中度偏重,由于不同的研究方法和評(píng)價(jià)尺度,其與本研究結(jié)果存在一定差異。

一般而言,耕地的土壤侵蝕模數(shù)大于林地和草地,但本研究的結(jié)論則不同。首先,太行山區(qū)林地的平均坡度是耕地的3倍以上(表4); 其次,耕地的平均NDVI值與草地的幾乎相同; 最后,統(tǒng)計(jì)分析表明耕地的降雨侵蝕力因子是三者最小的,這可能是研究區(qū)耕地侵蝕模數(shù)較小的原因。何莎莎在太行山區(qū)小流域尺度的研究也得到相似的結(jié)論。因此,太行山區(qū)水土流失防治工作應(yīng)遵循客觀規(guī)律,宜林則林,宜耕則耕,增加陡坡地(＞15o)林草地的覆蓋比例,在宜耕的緩坡地上,避免大規(guī)模將耕地向林草地轉(zhuǎn)變,以保持現(xiàn)狀為主,以微地形改造等農(nóng)田生態(tài)工程措施保持土壤。

本研究中的土壤侵蝕模數(shù)存在年平均NDVI的閾值,其他相關(guān)研究也表明植被生長(zhǎng)狀況的好轉(zhuǎn)對(duì)土壤侵蝕的作用并不是無限增大的。土壤侵蝕受植被、土壤、降雨、土地利用、地形、人類活動(dòng)等一系列因子的影響,根據(jù)“木桶原理”,往往一兩種因子決定了土壤侵蝕防控的上限,合理的生態(tài)工程對(duì)太行山區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善是全方位的,植被的恢復(fù)僅僅是生態(tài)工程發(fā)揮作用的一種體現(xiàn)。因此,太行山區(qū)應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持以生態(tài)工程措施改善環(huán)境質(zhì)量,優(yōu)化調(diào)整各要素結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提升對(duì)土壤侵蝕的防控能力。

4.2 結(jié)論

本文將RUSLE模型與ArcGIS軟件相結(jié)合,研究了太行山區(qū)2000-2015年4期土壤侵蝕的時(shí)空分異特征,分析了坡度、土地利用和NDVI與土壤侵蝕的關(guān)系,結(jié)論如下:

1)2000-2015年,太行山區(qū)4期平均土壤侵蝕模數(shù)分別為4434.14 t·km·a、2984.65 t·km·a、1761.93 t·km·a和1833.81 t·km·a,呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。

2)土壤侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)換變化明顯,侵蝕強(qiáng)度降低1級(jí)的面積始終大于增加1級(jí)的面積,微度侵蝕的面積持續(xù)增加,而極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積主要表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度整體呈向較低等級(jí)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),但大部分地區(qū)并沒有表現(xiàn)出等級(jí)上的變化,2005-2010年是土壤侵蝕強(qiáng)度降低變化率最高的時(shí)間段。

3)太行山區(qū)土壤侵蝕具有明顯的空間異質(zhì)性,2000-2005年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在山西和河北兩省交界的較高海拔地區(qū),2005-2010年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域在整個(gè)太行山區(qū)分布較為均勻,2010-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度降低的區(qū)域主要分布在陽(yáng)泉、石家莊以南地區(qū)。

4)中低山區(qū)的面積約占太行山區(qū)的91.12%,兩個(gè)區(qū)域發(fā)生的土壤侵蝕量占總量的86.54%,亞高山區(qū)的侵蝕模數(shù)相對(duì)偏大,可能的原因是亞高山區(qū)的地形較為陡峭,中低山區(qū)是太行山區(qū)人類活動(dòng)的主要區(qū)域,也是土壤侵蝕防治工作的重點(diǎn)區(qū)。

5)土壤侵蝕與坡度具有正相關(guān)關(guān)系,40o左右是土壤侵蝕的極值坡度,隨著坡度的增加,微度侵蝕所占的面積逐漸降低,較高等級(jí)強(qiáng)度的侵蝕發(fā)生的概率逐漸增大,坡度大的區(qū)域具有更大的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。太行山區(qū)耕地平均坡度為4.90o,遠(yuǎn)小于林草地,因此其侵蝕模數(shù)相對(duì)較小; 草地是侵蝕模數(shù)最高的土地利用類別,平均侵蝕模數(shù)達(dá)3605.73 t·km·a。土壤侵蝕隨著NDVI增加逐漸降低,年平均NDVI指數(shù)達(dá)到0.66左右時(shí)侵蝕模數(shù)降低幅度變緩。