穆興民，李朋飛，劉斌濤，趙廣舉，高 鵬，孫文義

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 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，陜西 楊凌 712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100;3.西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054;4.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041）

土壤侵蝕對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)安全構(gòu)成極大威脅[1-2］,是我國(guó)頭號(hào)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。黃土高原地形復(fù)雜、溝壑縱橫、土質(zhì)松散、降雨集中,是我國(guó)乃至世界水土流失危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一[3-5］。氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)從正反兩個(gè)方面影響土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展。全新世中期以前,黃土高原土壤侵蝕主要受氣候變化影響,而近1000 a來(lái),人類(lèi)活動(dòng)是黃土高原土壤侵蝕不斷加劇之主導(dǎo)因素[6］,人口增長(zhǎng)導(dǎo)致農(nóng)作物種植面積擴(kuò)大與土地利用強(qiáng)度提高,進(jìn)而加劇水土流失(面積增加、強(qiáng)度提高)[7-8］；近100 a來(lái),在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)雙重作用下,黃土高原土地利用及地表覆蓋顯著變化,土壤侵蝕模數(shù)劇烈波動(dòng)[9-11］。探明黃土高原土壤侵蝕模數(shù)時(shí)空變化特征,對(duì)黃土高原土壤侵蝕演變及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)意義重大。水土保持作為新興學(xué)科,歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)不足制約了對(duì)歷史時(shí)期黃土高原土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制認(rèn)識(shí)的深化。

土壤侵蝕模數(shù)獲取方法有控制模擬試驗(yàn)[12-14］、野外定位觀測(cè)[15-16］、遙感影像分析[17-18］、土壤侵蝕模型模擬[19-21］等。控制模擬試驗(yàn)、野外定位觀測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高,適用于小尺度研究；遙感影像分析僅能獲取20世紀(jì)80年代以后的土壤侵蝕變化特征[22］；土壤侵蝕模型模擬雖因目前對(duì)土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的機(jī)理尚不非常清楚而存在諸多問(wèn)題,但仍不失為土壤侵蝕時(shí)空演變?cè)u(píng)估的有效方法。已有較多學(xué)者采用上述方法對(duì)黃土高原進(jìn)行了不同時(shí)間尺度的土壤侵蝕調(diào)查、監(jiān)測(cè)與模擬,但研究時(shí)段多集中于20世紀(jì)80年代以后[23-24］,鮮有針對(duì)百年尺度土壤侵蝕模數(shù)的模擬評(píng)估。

本文基于修正通用土壤流失方程RUSLE(Revised Universal Soil Loss Eguation)構(gòu)建了1901—2016年逐年黃土高原土壤侵蝕模數(shù)柵格數(shù)據(jù)集,并采用人類(lèi)活動(dòng)干擾較小的22個(gè)黃河支流水文站的輸沙量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,基于雙累積曲線(xiàn)法分析了不同時(shí)期土壤侵蝕模數(shù)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素,以期解決黃土高原土壤侵蝕模數(shù)歷史數(shù)據(jù)缺乏問(wèn)題,為黃土高原土壤侵蝕演變過(guò)程研究及水土保持生態(tài)建設(shè)規(guī)劃實(shí)施等提供方法與數(shù)據(jù)支撐。

1 資料與方法

1.1 黃土高原概況

黃土高原地處我國(guó)西北部,總面積約64萬(wàn)km2,地勢(shì)西北高、東南低,大致分為高塬溝壑區(qū)、農(nóng)灌區(qū)、沙地沙漠區(qū)、丘陵溝壑區(qū)、土石山區(qū)、河谷平原區(qū)等6個(gè)土壤侵蝕地貌類(lèi)型區(qū)(見(jiàn)圖1)。黃土高原屬干旱和半干旱氣候區(qū)[25］,多年平均降水量150～700 mm[8］,降水量遠(yuǎn)低于潛在蒸散發(fā)能力[26］,土壤含水率低,植被類(lèi)型從南部的森林過(guò)渡到北部的荒漠草原[27］。由于黃土高原地區(qū)降雨主要發(fā)生在6—9月且具有降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大的特點(diǎn)[28］,加之地形復(fù)雜、溝壑縱橫、土質(zhì)疏松,極易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失[4,10-11］。20世紀(jì)以來(lái),黃土高原人類(lèi)活動(dòng)日益加劇,如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、戰(zhàn)爭(zhēng)、森林砍伐、植被恢復(fù)、水土保持措施與水利工程建設(shè)、城市化等,對(duì)區(qū)域土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生重要的影響[5］,加之氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件,使黃土高原土壤侵蝕表現(xiàn)出顯著的時(shí)空分異特征。

圖1 黃土高原土壤侵蝕地貌類(lèi)型分區(qū)

1.2 RUSLE

RUSLE根據(jù)降雨、土壤、地形、植被覆蓋、水土保持措施等因子計(jì)算土壤侵蝕模數(shù),其概念清晰,所需數(shù)據(jù)較少且易于獲取,計(jì)算方便[29］,是應(yīng)用廣泛的土壤侵蝕模型之一。RUSLE形式為

式中:A為土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力,MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為地形因子(其中L為坡長(zhǎng)因子、S為坡度因子)；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

(1)降雨侵蝕力的確定。已有大量研究提出了我國(guó)不同區(qū)域的降雨侵蝕力計(jì)算方法,本研究采用以月平均雨量估算侵蝕力的簡(jiǎn)易算法[30］計(jì)算黃土高原地區(qū)降雨侵蝕力:

其中

式中:F為與年降雨量的季節(jié)分布有關(guān)的指標(biāo),mm；p、pi分別為年降雨量、第i個(gè)月份降雨量(降雨量數(shù)據(jù)源自高分辨率地表氣候格網(wǎng)數(shù)據(jù)集,網(wǎng)址為https://chelsa-climate.org/chelsacruts/),mm。

(2)土壤可蝕性因子的確定?；贓PIC模型估算土壤可蝕性因子,并采用Zhang等[31］提出的方法對(duì)其進(jìn)行修正:

式中:KEPIC為基于EPIC模型估算的土壤可蝕性因子；San、Sil、Cla分別為土壤的沙粒、粉粒、黏粒含量,%；OC為土壤有機(jī)碳含量,%；Sn為常數(shù),Sn＝1-San/100。土壤類(lèi)型和屬性數(shù)據(jù)從中國(guó)土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://vdb3.soil.csdb.cn/extend/jsp/introduction)獲取。

(3)坡長(zhǎng)和坡度因子的確定。坡長(zhǎng)和坡度因子基于數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行計(jì)算,DEM由分辨率為30 m的全球數(shù)字高程模型ASTER GDEM(https://nordpil.com/blog/astergdem/)經(jīng)重采樣得到。計(jì)算坡長(zhǎng)和坡度因子的傳統(tǒng)方法適用于坡度≤18%的區(qū)域[32］,而黃土高原大部分區(qū)域地表坡度＞18%[33］,Liu等[34］發(fā)現(xiàn)坡度為9%～55%的坡面土壤侵蝕強(qiáng)度與坡面坡度的正弦呈線(xiàn)性關(guān)系,江忠善等[35］根據(jù)我國(guó)不同地區(qū)土壤侵蝕研究成果提出了冪函數(shù)形式的坡度坡長(zhǎng)因子計(jì)算方法,本研究綜合考慮上述研究成果,采用如下公式計(jì)算坡度和坡長(zhǎng)因子:

其中

式中:θ為坡度,%；r為坡長(zhǎng),m；m為指數(shù)。

(4)植被覆蓋因子的確定。植被覆蓋因子根據(jù)土地利用類(lèi)型和植被特征來(lái)確定。對(duì)源于全新世土地利用數(shù)據(jù)集HYDE3.2.1(https://archaeology.datastations.nl/dataset.xhtml？persistentId＝doi:10.17026/dans-25g-gez3)的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,獲得分辨率為1 km的柵格數(shù)據(jù)[36］,將土地利用類(lèi)型分為森林、草地、耕地、居民地、水體,把水體、居民地的植被覆蓋因子分別設(shè)定為0.001、0.1,森林、草地、耕地的植被覆蓋因子根據(jù)2011年全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查數(shù)據(jù)[37］與1 km分辨率NDVI之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算:

根據(jù)遙感影像可以獲取1982年之后的NDVI數(shù)據(jù),但1982年以前因遙感影像資料缺乏而難以確定NDVI。筆者分析NDVI與月降水量的關(guān)系并構(gòu)建了二者的線(xiàn)性回歸方程(其相關(guān)系數(shù)為0.77、顯著性水平為0.001),據(jù)此方程,結(jié)合由CHELSA cruts數(shù)據(jù)集得出的月降水量構(gòu)建了1901—2016年NDVI數(shù)據(jù)集,并依此估算歷史時(shí)期的C值。

(5)水土保持措施因子的確定。水土保持措施因子根據(jù)HYDE3.2.1和土地利用數(shù)據(jù)集CCI＿LC(https://www.esa-landcover-cci.org/)來(lái)確定,其中CCI＿LC提供了灌溉農(nóng)田和雨養(yǎng)農(nóng)田的空間分布[38］。將HYDE3.2.1數(shù)據(jù)重采樣至300 m,與CCI＿LC數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,提取各項(xiàng)水土保持措施和耕地(把耕地分為梯田和坡耕地,其中梯田包括灌溉農(nóng)田和緩坡雨養(yǎng)農(nóng)田)。參照已有研究成果[24］,把梯田、居民地的P值分別設(shè)定為0.2、0.01,把森林、草地、水體、坡耕地的P值均設(shè)定為1。

1.3 RUSLE模擬計(jì)算精度驗(yàn)證

區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)是難以測(cè)度的。本研究基于RUSLE計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)的空間分辨率為1 km,無(wú)法根據(jù)小區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,故采用中小河流實(shí)測(cè)輸沙量對(duì)RUSLE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。黃土高原地區(qū)在無(wú)壩庫(kù)攔蓄情況下中小河流泥沙輸移比接近于1[8］,在1970年以前水土保持措施尤其淤地壩數(shù)量很少,中小河流輸沙量接近坡面侵蝕產(chǎn)沙量,因此本研究選取有實(shí)測(cè)資料的22個(gè)黃河支流水文站1919—1969年實(shí)測(cè)輸沙量(換算為輸沙模數(shù))對(duì)RUSLE模擬計(jì)算的對(duì)應(yīng)支流土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果用二者的相關(guān)系數(shù)、Nash系數(shù)及顯著性來(lái)反映。

1.4 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

根據(jù)水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007),依據(jù)土壤侵蝕模數(shù)將土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為6級(jí):微度,侵蝕模數(shù)＜1000 t/(km2·a)；輕度,侵蝕模數(shù)為1000～2500 t/(km2·a)；中度,侵蝕模數(shù)為2500～5000 t/(km2·a)；強(qiáng)烈,侵蝕模數(shù)為5000～8000 t/(km2·a)；極強(qiáng)烈,侵蝕模數(shù)為8000～15000 t/(km2·a)；劇烈,侵蝕模數(shù)＞15000 t/(km2·a)。

1.5 驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)評(píng)估

雙累積曲線(xiàn)是有效評(píng)估氣候和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河川徑流量及輸沙量變化影響的有效方法之一[39］。本研究采用土壤侵蝕模數(shù)與降水量雙累積曲線(xiàn)確定土壤侵蝕模數(shù)變化的各驅(qū)動(dòng)因素的貢獻(xiàn)(如圖2所示),在不受人類(lèi)活動(dòng)影響的情況下,某一河流的多年累積土壤侵蝕模數(shù)和累積降水量二者之比為常數(shù),雙累積曲線(xiàn)為線(xiàn)段OT,TT′為其延長(zhǎng)線(xiàn)；當(dāng)流域土壤侵蝕受人類(lèi)活動(dòng)影響劇烈時(shí),雙累積曲線(xiàn)變?yōu)門(mén)B1或TB2(TB1為人類(lèi)活動(dòng)加劇侵蝕,TB2為人類(lèi)活動(dòng)減緩侵蝕),其與直線(xiàn)OT′的偏差為人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕模數(shù)變化的貢獻(xiàn)量。

圖2 土壤侵蝕模數(shù)與降水量雙累積曲線(xiàn)示意

2 結(jié) 果

2.1 RUSLE模擬計(jì)算精度驗(yàn)證結(jié)果

分別計(jì)算22個(gè)支流水文站實(shí)測(cè)輸沙量與RUSLE模擬計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)的相關(guān)系數(shù)和Nash系數(shù),以驗(yàn)證RUSLE模擬計(jì)算結(jié)果的精度。分析表1可知:1957—1969年選取的16個(gè)支流水文站實(shí)測(cè)輸沙量與計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.48～0.80,其中有10個(gè)支流的相關(guān)系數(shù)大于0.60、有9個(gè)支流的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平；除白家川和舊縣外,其余支流模擬結(jié)果的Nash系數(shù)接近1,其中有9個(gè)支流的Nash系數(shù)大于等于0.4。此外,1919—1953年享堂、靜樂(lè)、蘭村、趙城、頭、南河川等水文站共有實(shí)測(cè)輸沙資料22 a,與對(duì)應(yīng)年份RUSLE計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.75、相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明,RUSLE模擬計(jì)算結(jié)果總體可信,對(duì)部分支流模擬計(jì)算的可信度較高。

表1 1957—1969年RUSLE模擬計(jì)算精度驗(yàn)證結(jié)果

2.2 黃土高原土壤侵蝕模數(shù)時(shí)空變化情況

黃土高原地區(qū)1901—2016年多年平均土壤侵蝕模數(shù)為5056.86 t/(km2·a),不同區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)存在明顯差異(見(jiàn)圖3),其中:黃土高原西北部沙地沙漠區(qū)與農(nóng)灌區(qū)土壤侵蝕模數(shù)大都小于1000 t/(km2·a)；黃土高原中部的丘陵溝壑區(qū)、高塬溝壑區(qū)平均侵蝕模數(shù)分別達(dá)8570.06、5781.82 t/(km2·a),黃土高原土壤侵蝕模數(shù)大于8000 t/(km2·a)的極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕主要集中在這2個(gè)類(lèi)型區(qū),因此本研究把這2個(gè)類(lèi)型區(qū)作為分析的重點(diǎn)區(qū)域(圖3中紅線(xiàn)所圍區(qū)域)。

圖3 黃土高原年平均土壤侵蝕模數(shù)空間變化情況

1901—2016年黃土高原及重點(diǎn)區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)年際變化情況見(jiàn)圖4。1901—1909年,黃土高原平均土壤侵蝕模數(shù)為4160.55 t/(km2·a),維持在相對(duì)較低水平；1910—1919年,黃土高原平均土壤侵蝕模數(shù)與1901—1909年相比有一定的上升,達(dá)到4928.70 t/(km2·a)；1920—1929年平均土壤侵蝕模數(shù)上升至5663.00 t/(km2·a)；1930—1979年,黃土高原平均土壤侵蝕模數(shù)為6195.69 t/(km2·a),強(qiáng)烈以上等級(jí)的土壤侵蝕面積急劇增長(zhǎng),有13 a平均侵蝕模數(shù)超過(guò)8000 t/(km2·a)；1980—2009年,黃土高原的平均土壤侵蝕模數(shù)顯著下降,平均侵蝕模數(shù)為3401.30 t/(km2·a),比侵蝕嚴(yán)重的1930—1979年平均值下降了45.1%；2010—2016年,黃土高原平均土壤侵蝕模數(shù)有所反彈。

圖4 黃土高原及其重點(diǎn)區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)年際變化過(guò)程

表3 1901—2016年丘陵溝壑區(qū)各級(jí)土壤侵蝕面積占比變化情況 %

1901—2016年黃土高原及2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域各級(jí)土壤侵蝕面積占比變化情況見(jiàn)表2～表4。黃土高原中度及以下土壤侵蝕面積占比較大(為54.56%～81.31%),尤其1930年以前與1980年以后中度及以下土壤侵蝕面積占比較大、強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積占比較小,而1930—1979年強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積占比相對(duì)較大(為43.80%～45.44%)；丘陵溝壑區(qū)強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積占比1979年以前為56.21%～72.16%、1980年以后下降到36.24%～55.96%,高塬溝壑區(qū)強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積占比1920—1979年為50.24%～53.40%、1980年后為24.38%～36.05%；2010—2016年黃土高原及2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積占比均有所反彈。

表2 1901—2016年黃土高原各級(jí)土壤侵蝕面積占比變化情況 %

表4 1901—2016年高塬溝壑區(qū)各級(jí)土壤侵蝕面積占比變化情況 %

根據(jù)黃土高原氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)情況及其對(duì)土壤侵蝕的影響,可將研究時(shí)段(1901—2016年)大致劃分為自然狀態(tài)時(shí)期(1901—1929年)、災(zāi)害破壞時(shí)期(1930—1949年)、初步治理時(shí)期(1950—1969年)、全面治理時(shí)期(1970—1998年)及高質(zhì)量生態(tài)恢復(fù)時(shí)期(1999—2016年)等5個(gè)時(shí)期(見(jiàn)圖5),各時(shí)期黃土高原年均土壤侵蝕模數(shù)分別為4943.49、6415.55、6022.78、4575.70、3431.79 t/(km2·a)。從自然狀態(tài)時(shí)期到災(zāi)害破壞時(shí)期,黃土高原土壤侵蝕模數(shù)呈上升態(tài)勢(shì),在災(zāi)害破壞時(shí)期以后隨著人類(lèi)活動(dòng)(各類(lèi)水土保持措施的實(shí)施)土壤侵蝕模數(shù)呈降低趨勢(shì)。

圖5 黃土高原各時(shí)期土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢(shì)

黃土高原土壤侵蝕模數(shù)與汛期(6—9月)降雨量關(guān)系密切,二者波動(dòng)變化趨勢(shì)基本一致,尤其1920—1980年丘陵溝壑區(qū)二者的波動(dòng)一致性更為明顯,見(jiàn)圖6。極端暴雨往往造成極端侵蝕,把黃土高原平均土壤侵蝕模數(shù)超過(guò)10000 t/(km2·a)的年份稱(chēng)為極端侵蝕年份,則研究時(shí)段(1901—2016年)有4 a為極端侵蝕年份(見(jiàn)圖5),分別為1917年、1925年、1949年、2013年,這4個(gè)年份土壤侵蝕模數(shù)分別為11717、15202、10853、10968 t/(km2·a)。

圖6 土壤侵蝕模數(shù)與汛期降雨量逐年變化過(guò)程

2.3 不同時(shí)期土壤侵蝕模數(shù)變化情況及驅(qū)動(dòng)機(jī)制

黃土高原土壤侵蝕以水蝕為主,其主要影響因素可分為氣候(主要是降水)和人類(lèi)活動(dòng)影響下的土地利用、地表覆蓋及微地形改變兩類(lèi)。采用土壤侵蝕模數(shù)和降水量雙累積曲線(xiàn)(見(jiàn)圖7)分析黃土高原及重點(diǎn)區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)變化的階段性特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制:黃土高原及2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)均發(fā)生了2次突變,其中黃土高原及高塬溝壑區(qū)土壤侵蝕模數(shù)2次突變年份均為1924年和1981年、丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕模數(shù)2次突變年份為1931年和1981年。按突變年份可把研究時(shí)段(1901—2016年)分為3個(gè)階段,把第一次突變前、后分別稱(chēng)為基準(zhǔn)期、變化期(分為第一變化期和第二變化期),黃土高原和高塬溝壑區(qū)的基準(zhǔn)期為1901—1923年、丘陵溝壑區(qū)的基準(zhǔn)期為1901—1930年,按照前述方法基于雙累積曲線(xiàn)計(jì)算降水和人類(lèi)活動(dòng)造成變化期土壤侵蝕模數(shù)的變化量及其占比,結(jié)果見(jiàn)表5。

圖7 土壤侵蝕模數(shù)與降水量雙累積曲線(xiàn)

分析表5可知:第一變化期,黃土高原及2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)較基準(zhǔn)期均有所上升,黃土高原地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)階段平均值由4367.6 t/(km2·a)上升至6317.9 t/(km2·a),其中人類(lèi)活動(dòng)是土壤侵蝕模數(shù)上升的主要驅(qū)動(dòng)因素(造成的變化量為1652.7 t/(km2·a),貢獻(xiàn)占比為84.7%)；第二變化期,黃土高原及2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)較基準(zhǔn)期均顯著降低,黃土高原土壤侵蝕模數(shù)階段平均值降至3475.9 t/(km2·a),相對(duì)于基準(zhǔn)期、第一變化期的降幅分別為20.4%、45.0%,人類(lèi)活動(dòng)是土壤侵蝕模數(shù)降低的驅(qū)動(dòng)因素,降水對(duì)土壤侵蝕模數(shù)降低的貢獻(xiàn)占比為負(fù)值,盡管該階段降水量較之前有所增大、理論上應(yīng)增大土壤侵蝕模數(shù),但大規(guī)模的水土保持措施和水利工程建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)仍然使土壤侵蝕模數(shù)大幅度降低。

表5 降水與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)侵蝕模數(shù)的影響

3 討 論

3.1 近百年來(lái)黃土高原土壤侵蝕模數(shù)演變特征

我國(guó)區(qū)域土壤侵蝕評(píng)估研究多聚焦于20世紀(jì)80年代以后,而河流水沙變化研究始于20世紀(jì)20年代。本研究通過(guò)區(qū)域土壤侵蝕模擬計(jì)算,首次構(gòu)建了黃土高原長(zhǎng)時(shí)段逐年土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)集,并探討了百年時(shí)間尺度的黃土高原土壤侵蝕模數(shù)變化情況,以期為黃土高原歷史時(shí)期侵蝕模數(shù)研究提供方法與數(shù)據(jù)支撐。黃土高原20世紀(jì)初土壤侵蝕模數(shù)相對(duì)較低、30—70年代土壤侵蝕模數(shù)明顯上升、80年代后呈下降趨勢(shì),21世紀(jì)初處于歷史最低水平,2010年以后土壤侵蝕模數(shù)有所反彈。與黃土高原土壤侵蝕模數(shù)的年代際變化相對(duì)應(yīng),黃河輸沙量變化趨勢(shì)為在20世紀(jì)30年代之前相對(duì)較小、30—60年代持續(xù)增大、80年代后急劇減小[40-41］。

3.2 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕模數(shù)變化的影響

人類(lèi)活動(dòng)是黃土高原百年尺度土壤侵蝕模數(shù)變化的主導(dǎo)因素,這與以往研究結(jié)論基本一致[42-44］,上述第一變化期不合理的人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致黃土高原土壤侵蝕模數(shù)上升,第二變化期大規(guī)模水土保持措施的實(shí)施有效降低了土壤侵蝕模數(shù)。

20世紀(jì)30—40年代我國(guó)處于戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期,人口遷移導(dǎo)致黃土高原中部人口大量增加[41］、森林和草地被大面積砍伐和墾殖,加之當(dāng)時(shí)人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)不足,因而使土壤侵蝕迅速加劇。

新中國(guó)成立后的20世紀(jì)50—70年代,國(guó)家實(shí)施“以糧為綱”的方針,黃土高原地區(qū)人口快速增長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍以種植農(nóng)業(yè)為主,為了增加耕地面積和解決農(nóng)村薪柴問(wèn)題,森林被進(jìn)一步砍伐、荒草地被開(kāi)墾種植[45］,導(dǎo)致土壤侵蝕進(jìn)一步加劇。盡管這一時(shí)期已開(kāi)始加強(qiáng)水土保持工作,但其效果并不理想[8］。

20世紀(jì)80年代以后國(guó)家進(jìn)一步重視水土保持工作,黃土高原地區(qū)推廣旱地農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)和以小流域?yàn)閱卧纳剿痔锫肪C合治理,在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí),使土壤侵蝕模數(shù)有所降低、入黃泥沙量顯著減少。生態(tài)系統(tǒng)是人與自然生命共同體之基,是人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)存在和發(fā)展之基。隨著改革開(kāi)放的推進(jìn),全國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,黃土高原乃至西北地區(qū)水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱問(wèn)題與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不適應(yīng)的矛盾日益突出,為了再造一個(gè)山川秀美的西北地區(qū),從20世紀(jì)90年代末大規(guī)模退耕還林(草)工程的實(shí)施,以及黃土高原化石能源開(kāi)發(fā)利用根本上改變了農(nóng)村能源結(jié)構(gòu),黃土高原植被覆蓋率明顯提高,積極貫徹落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)基本國(guó)策、科學(xué)實(shí)施各類(lèi)水土保持項(xiàng)目使水土保持工作逐步向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變,同時(shí)城市化吸引農(nóng)村人口大規(guī)模向城市遷移,因而有效緩解了黃土高原地區(qū)的人地矛盾[46］,使黃土高原地區(qū)土壤侵蝕環(huán)境得到系統(tǒng)性改變,土壤侵蝕模數(shù)顯著降低(尤其丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)降低更為顯著)[47］、入黃泥沙量顯著減少。深思細(xì)想,各項(xiàng)水土保持措施是黃土高原土壤侵蝕模數(shù)降低的驅(qū)動(dòng)因素,而退耕還林(草)等正確的水土保持政策是控制黃土高原土壤侵蝕的根本驅(qū)動(dòng)力。

3.3 極端降雨及其侵蝕災(zāi)害的積極應(yīng)對(duì)

黃土高原時(shí)段平均土壤侵蝕模數(shù)在2000—2009年處于近百年最低水平的情況下,于2010—2016年出現(xiàn)小幅反彈,其與2013年7月降雨異常偏多造成極端侵蝕有關(guān)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,在全球極端暴雨頻發(fā)的背景下,未來(lái)黃土高原水土保持工作須重點(diǎn)考慮強(qiáng)監(jiān)管、重維護(hù)、提標(biāo)準(zhǔn),以提高防御極端降雨引發(fā)極端侵蝕的能力。長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)水土保持措施存在重建輕管的問(wèn)題,使得各項(xiàng)水土保持措施因缺乏維護(hù)維修資金而老化失修,制約了其效應(yīng)的持續(xù)有效發(fā)揮,如大量老舊的小型淤地壩幾近淤滿(mǎn),淤地壩和梯田的管理維護(hù)不到位,存在垮塌致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),這是極端暴雨導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)及河流輸沙量突增的主要原因之一,因此應(yīng)加強(qiáng)“后水土保持”監(jiān)管工作。經(jīng)過(guò)20余a來(lái)退耕還林(草)政策引導(dǎo)和持續(xù)治理,黃土高原已基本呈現(xiàn)溝坡林灌成蔭、梁峁芳草鋪地的景觀特點(diǎn),水土流失得到有效遏制,但如果對(duì)剛剛恢復(fù)的仍顯脆弱的林草“資源”進(jìn)行不合理開(kāi)發(fā)利用,那么將很快使林草植被遭到破壞、入黃泥沙量“回歸”高位,因此必須鞏固水土流失防治和退耕還林(草)成果。此外,植被恢復(fù)中重林輕草、盲目還“林”導(dǎo)致的人工林退化以及土壤干燥化問(wèn)題比較突出,亟須在鞏固和提升退耕還林(草)成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)水土保持措施配置,提升生態(tài)系統(tǒng)保持水土的功能；現(xiàn)有水土保持措施投資標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范多產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代,據(jù)此建設(shè)的水土保持措施難以抵御全球氣候變化背景下的極端暴雨及極端侵蝕事件,應(yīng)盡快修訂和完善水土保持措施設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,以滿(mǎn)足新時(shí)代水土保持高質(zhì)量發(fā)展的需求。

4 結(jié)論

基于RUSLE建立1901—2016年黃土高原土壤侵蝕模數(shù)逐年序列1 km分辨率柵格數(shù)據(jù)集,評(píng)估百年尺度的黃土高原土壤侵蝕模數(shù)時(shí)空變化情況,并探討了不同時(shí)期黃土高原土壤侵蝕模數(shù)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,結(jié)論如下:

(1)用22個(gè)黃河支流水文站在人類(lèi)活動(dòng)影響較小時(shí)期的實(shí)測(cè)輸沙量對(duì)RUSLE模擬計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明二者具有較好的一致性,采用RUSLE模擬計(jì)算黃土高原土壤侵蝕模數(shù)的精度較高。

(2)百余年來(lái)黃土高原土壤侵蝕模數(shù)在1924年左右和1981年左右發(fā)生了2次突變,20世紀(jì)30—70年代土壤侵蝕面積持續(xù)增大、侵蝕模數(shù)持續(xù)上升,20世紀(jì)80年代—21世紀(jì)初黃土高原土壤侵蝕模數(shù)持續(xù)降低,至21世紀(jì)初降為百余年來(lái)的最低值,2010—2016年土壤侵蝕模數(shù)出現(xiàn)小幅反彈。

(3)人類(lèi)活動(dòng)是黃土高原土壤侵蝕模數(shù)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。人口增長(zhǎng)導(dǎo)致森林過(guò)度砍伐、耕地?cái)U(kuò)張及過(guò)度放牧是20世紀(jì)30—70年代土壤侵蝕加劇的主要原因,20世紀(jì)80年代及以后各項(xiàng)水土保持措施建設(shè)及退耕還林(草)政策的實(shí)施使黃土高原土壤侵蝕模數(shù)大幅降低。

(4)丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)是黃土高原水土流失嚴(yán)重區(qū)域和治理的重點(diǎn)區(qū)域。

(5)極端降雨事件是2010—2016年黃土高原土壤侵蝕模數(shù)發(fā)生反彈的主要原因,鑒于全球氣候變化背景下未來(lái)極端暴雨事件或?qū)⒏宇l繁,亟須創(chuàng)新黃土高原土壤侵蝕防治策略,提高防御極端暴雨造成嚴(yán)重水土流失災(zāi)害的能力。