退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)洛河流域土壤侵蝕的影響

崔曉臨,雷 剛,王 濤,郝寧燕,付立萌,李貝貝

(西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710054)

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退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)洛河流域土壤侵蝕的影響

崔曉臨,雷 剛,王 濤,郝寧燕,付立萌,李貝貝

(西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710054)

退耕還林還草工程是中國實(shí)施的重要生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)工程，對(duì)區(qū)域植被覆蓋及土壤侵蝕產(chǎn)生重要影響。以洛河流域(陜北黃土高原部分)為研究對(duì)象，利用流域通用土壤侵蝕方程(RUSLE)，結(jié)合流域降雨、土壤類型、DEM、植被覆蓋等數(shù)據(jù)，定量分析了2000—2010年退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)流域土壤侵蝕的影響。結(jié)果表明：(1)洛河流域2000—2010年耕地面積減少，林地、草地面積增加，土地利用變化主要發(fā)生在2000—2005年；(2)洛河流域2000—2010年土地利用變化導(dǎo)致植被NDVI平均值增大，耕地變化區(qū)域植被NDVI值增加幅度高于耕地未變化區(qū)域，表明耕地變化區(qū)域植被NDVI增加對(duì)耕地區(qū)域總體植被NDVI值增加貢獻(xiàn)較大；(3)降雨侵蝕力和退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)土壤侵蝕具有明顯的影響。受降雨侵蝕力增大影響，2000—2010年洛河流域土壤侵蝕呈增加趨勢；不考慮降雨侵蝕力變化情況下，洛河流域土壤侵蝕呈減少趨勢，反映出退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)土壤侵蝕的減緩作用。

土壤侵蝕; 植被覆蓋; RUSLE; 洛河流域

退耕還林還草工程是中國規(guī)模較大的生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)工程，旨在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整及提高農(nóng)民生活水平[1]，1999年開始在全國部分縣區(qū)開展退耕工作。陜北黃土高原是中國水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，退耕還林還草工程實(shí)施，對(duì)區(qū)域植被覆蓋以及土壤侵蝕產(chǎn)生了重要影響。盡管退耕政策已實(shí)施多年，但土壤侵蝕狀況仍較嚴(yán)重，是黃河及其支流泥沙的主要來源地[2]，因此陜北黃土高原土壤侵蝕研究具有重要理論與現(xiàn)實(shí)意義。

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外力作用下，被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程[3]。長期的土壤侵蝕會(huì)造成河流泥沙淤積、土地生產(chǎn)力下降，還會(huì)加劇洪澇和干旱等自然災(zāi)害[4]，因此，土壤侵蝕已成為生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)不可忽視的問題。Wischmeier等[5]提出了通用土壤流失方程，在此基礎(chǔ)上一些學(xué)者提出了ANSWERS，CREAMS和AGNPS等土壤侵蝕模型[6-8]。20世紀(jì)80年代以后，國內(nèi)研究人員利用美國通用土壤流失方程(USLE)結(jié)合GIS(Geographical Information System)和RS(Remote Sensing)技術(shù)，根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況算出因子參數(shù)，從而得到土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。目前來看，盡管已經(jīng)建立基于中國國情的CSLE(Chinese Soil Loss Equation)模型[9]，但RUSLE模型仍是土壤侵蝕研究當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛的模型[10]。

洛河和延河均是陜北黃土高原地區(qū)重要的河流，但延河流域研究明顯多于洛河流域，如謝紅霞等[11]利用RUSLE模型分析了1997年和2000年延河流域土壤侵蝕狀況，認(rèn)為退耕還林還草工程實(shí)施引起的植被覆蓋改善以及降雨侵蝕力的增加對(duì)流域土壤侵蝕均產(chǎn)生了重要影響，但降雨侵蝕力增加導(dǎo)致的土壤侵蝕量明顯高于植被覆蓋改善減少的土壤侵蝕量。汪邦穩(wěn)等[12]利用1986年、1997年和2000年數(shù)據(jù)分析了延河流域退耕前后土壤侵蝕變化?？梢?，退耕還林還草工程對(duì)延河流域土壤影響受到更多的關(guān)注，而洛河流域相對(duì)較少。

鑒于謝紅霞[11]、汪邦穩(wěn)[12]等使用數(shù)據(jù)僅限于2000年前，而第一輪退耕還林還草工程在2008年已經(jīng)結(jié)束，且于2014年底又重啟了第二輪，有必要對(duì)退耕還林還草工程長期實(shí)施對(duì)土壤侵蝕影響進(jìn)行分析，可為新一輪工程實(shí)施提供理論支持與政策建議?；诖耍疚囊匝芯枯^少的洛河流域(陜北黃土高原部分)為對(duì)象，利用應(yīng)用較為成熟、廣泛的RUSLE模型，結(jié)合流域降雨數(shù)據(jù)、DEM、植被覆蓋、土壤類型等數(shù)據(jù)，分析2000—2010年退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)土壤侵蝕的影響。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究對(duì)象主要為洛河流域位于陜北黃土高原的部分，地處中國西北部陜西省境內(nèi)(107°33′—109°51′E，35°19′—37°19′N)，包括榆林地區(qū)的定邊縣和靖邊縣部分區(qū)域，延安地區(qū)的吳起縣、志丹縣、甘泉縣、富縣、黃陵縣和洛川縣，以及黃龍縣部分區(qū)域。流域內(nèi)海拔為688～1 900 m，西北部地勢較高，中部洛河河谷區(qū)域地勢較低。地貌屬黃土丘陵溝壑地貌，植被覆蓋南部區(qū)域高于北部，且南部區(qū)域以林地為主，而北部區(qū)域以草地為主。流域所在區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為14.1℃，年均降水量為533 mm，降水主要集中在夏秋季節(jié)，同時(shí)也是土壤侵蝕的高發(fā)時(shí)期。夏秋季的集中降水、地表植被覆蓋狀況以及地勢、土壤類型等決定了洛河流域也是土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源研究使用數(shù)據(jù)包括：(1)陜北黃土高原地區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn)。DEM的用途有二:一是利用DEM提取洛河流域范圍；二是利用DEM生成坡度，用于計(jì)算土壤侵蝕因子。(2)1991—2010年7個(gè)站點(diǎn)(榆林、橫山、綏德、延安、定邊、吳起、洛川)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合洛河流域范圍，文中選擇定邊、吳起、延安和洛川4個(gè)站點(diǎn)，用于計(jì)算2000年、2005年和2010年流域降雨侵蝕力。(3)1∶50萬陜西省土壤圖，利用洛河流域邊界，提取流域土壤類型空間分布圖。(4)250 m分辨率MODIS NDVI 13Q1-Level 3數(shù)據(jù)(2000年、2005年和2010年)，收集自http:∥ladsweb.nasa.gov。(5)陜西省1∶10萬土地利用類型矢量圖(2000年、2005年和2010年)，來源于“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估”項(xiàng)目。

1.2.2土壤侵蝕計(jì)算土壤侵蝕計(jì)算采用RUSLE模型，表達(dá)式如下[13]：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為年均土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可侵蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為地表覆蓋因子；P為水土保護(hù)措施因子。

(1)降雨侵蝕力因子(R)。R因子反映的是區(qū)域內(nèi)降雨對(duì)地表土壤的侵蝕能力。采用章文波等[14-15]提出的計(jì)算方法：

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

(4)

式中：Ri為第i年的降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；k為一年中形成侵蝕性降水的天數(shù)(d)；Pi為第i天的侵蝕性降雨量(mm)；降雨≥12 mm/d是形成侵蝕性降雨的條件，小于該值則記為0 mm[16]；α和β為系數(shù)，由Pd12和Py12計(jì)算得到，其中Pd12為降雨≥12 mm/d的多年平均日降雨量(mm)，Py12為降雨≥12 mm/d的年平均降水量(mm)。

(2)土壤侵蝕因子(K)。K因子反映土壤抵抗降雨侵蝕的能力，通過EPIC模型計(jì)算[17]:

(5)

式中：M，F(xiàn)，N為土壤中砂粒、粉沙粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；T為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；δ=1-M/100。計(jì)算出的結(jié)果乘以0.1317轉(zhuǎn)化為國際制單位。

(3)地形因子(LS)。LS因子包括坡長(L)因子和坡度(S)因子，基于DEM并參考Renard[18]、McCool[19]和Liu[20]等的計(jì)算方法得到，計(jì)算方法如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：λ為坡長；α為坡長指數(shù)；θ為坡度(%)。

(4)植被覆蓋因子(C)。C因子反映地表覆蓋狀況對(duì)土壤侵蝕的影響，主要基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算得到[21]，計(jì)算方法如下：

AVHRR NDVI=0.18MODIS NDVI+0.131

(10)

(11)

式中：α和β取值分別為2，1；C值通過AVHRR NDVI計(jì)算得到，需要先將MODIS NDVI轉(zhuǎn)化為AVHRR NDVI再計(jì)算。

(5)水土保持措施因子(P)。P因子計(jì)算通過以下公式[22]：

P=0.2+0.03θ

(12)

式中：θ為坡度(%)。

2　結(jié)果與分析

2.1土地利用變化

洛河流域2000年、2005年和2010年土地利用結(jié)構(gòu)均以林地、草地和耕地為主，三者占流域比例在95%以上，其他用地(水域、建設(shè)用地、未利用地)面積比例低于5%。受退耕還林還草工程實(shí)施影響，洛河流域2000—2010年林地、草地呈增加趨勢，二者所占面積比例分別由2000年的44.48%和33.70%增加到2010年的45.15%和36.86%，分別增加0.66%和3.16%；耕地面積呈減少趨勢，面積比例由2000年20.97%減少到2010年的16.87%，減少4.09%(圖1A)，可見，2000—2010年洛河流域耕地面積減少最大，而草地面積增加最多。

圖1 洛河流域2000—2010年土地利用結(jié)構(gòu)及各時(shí)段變化量

變化量上，草地、耕地是洛河流域面積變化量最大的土地利用類型，其次為林地。2000—2010年，洛河流域草地和林地分別由2000年的6 044.21 km2，7 977.26 km2增加到2010年的6 623.81 km2，8 113.07 km2，分別增加了579.60 km2，135.81 km2；耕地面積由2000年的3 759.67 km2減少到2010年的3 032.19 km2，減少727.48 km2(圖1B)。變化階段上，2000—2005年是洛河流域土地利用劇烈變化時(shí)期，2005—2010年土地利用變化較緩。具體表現(xiàn)為，2000—2005年林地、草地增加面積分別占2000—2010年總增加面積的92.72%和84.29%，耕地減少面積占93.11%。以上分析表明，2000—2010年洛河流域土地利用以林地、草地和耕地為主，受退耕還林還草工程實(shí)施影響，流域內(nèi)草地面積增加最大，而耕地面積減少最多，并且土地利用劇烈變化主要發(fā)生在2000—2005年。

2.2植被NDVI變化

退耕還林還草工程實(shí)施引起的洛河流域土地利用變化，必然影響流域內(nèi)植被覆蓋變化，植被NDVI是植被覆蓋的重要反映。基于2000—2010年洛河流域耕地?cái)?shù)據(jù)，獲取2000年耕地區(qū)域、2000—2010年耕地未發(fā)生變化區(qū)域和2000—2010年耕地變化區(qū)域，結(jié)合2000年、2005年和2010年流域MODIS NDVI數(shù)據(jù)，得到不同耕地區(qū)域植被NDVI變化情況，見表1。

由表1可知，洛河流域2000—2010年植被NDVI均值較高，反映出流域內(nèi)植被覆蓋水平較高。對(duì)于2000年為耕地的區(qū)域，總體上植被NDVI值由2000年的0.501 7增加至2010年的0.625 9，增加24.76%。植被NDVI值的增加得益于退耕還林還草工程實(shí)施引起的耕地向林地、草地的轉(zhuǎn)變。結(jié)合2000—2010年耕地區(qū)域是否發(fā)生變化，即2000年是耕地，2010年是否轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋?，劃分為耕地未變化區(qū)域和耕地變化區(qū)域?？芍?，2000年耕地區(qū)域的植被NDVI變化，受到該兩部分區(qū)域的影響。對(duì)于2000—2010年耕地未變化區(qū)域，植被NDVI值由2000年的0.511 6增加至2010年的0.627 5，增加22.65%；而2000—2010年耕地變化區(qū)域，植被NDVI值由2000年的0.461 3增加至2010年的0.619 5，增加34.39%。對(duì)比可知，2000—2010年耕地未變化區(qū)域植被NDVI值明顯高于同期耕地變化區(qū)域，但耕地變化區(qū)域植被NDVI值增加對(duì)耕地區(qū)域植被NDVI值增加貢獻(xiàn)較大。其原因可能為，退耕還林還草工程實(shí)施，主要針對(duì)坡耕地及生產(chǎn)力較低的耕地，該部分耕地植被NDVI較??；同時(shí)，由于耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍⒉莸爻跗?，植被覆蓋度較小，植被NDVI值較低，通過較長時(shí)間的生長發(fā)育，植被覆蓋率升高，植被NDVI值逐漸增加。

表1　不同耕地區(qū)域植被NDVI均值變化

2.3土壤侵蝕變化

退耕還林還草工程實(shí)施，促使洛河流域耕地向林地、草地的轉(zhuǎn)變，從而引起植被NDVI的變化，植被覆蓋得到一定程度的改善。對(duì)于RUSLE模型估算流域土壤侵蝕，模型中除降雨侵蝕力(R)、植被覆蓋和管理因子(C)每年均有變化外，其他因子各年份的變動(dòng)很小，故不同年份土壤侵蝕的估算值，主要受到R因子和C因子的影響。結(jié)合前文可知，退耕還林還草工程實(shí)施影響到C因子的變化，而R因子作為自然因素，不受控于人為作用。通過計(jì)算R因子可知，2000年、2005年和2010年洛河流域降雨侵蝕力平均值分別為1 236，1 326，1 550 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，呈增加趨勢。

利用RUSLE模型計(jì)算得到洛河流域2000年、2005年和2010年年土壤侵蝕量，參照國家標(biāo)準(zhǔn)[23]，將土壤侵蝕程度劃分為6個(gè)等級(jí)，分別是1級(jí)[微度侵蝕，<1 000 t/(km2·a)]、2級(jí)[輕度侵蝕，1 000～2 500 t/(km2·a)]、3級(jí)[中度侵蝕，2 500～5 000 t/(km2·a)]，4級(jí)[強(qiáng)烈侵蝕，5 000～8 000 t/(km2·a)]、5級(jí)[極強(qiáng)烈侵蝕，8 000～15 000 t/(km2·a)]、6級(jí)[劇烈侵蝕，≥15 000 t/(km2·a)]。統(tǒng)計(jì)各等級(jí)所占面積比例及面積比例在研究時(shí)段內(nèi)的變化情況，得到圖2A和圖2B。鑒于降雨侵蝕力(R)具有增加趨勢，為了反映退耕還林還草工程實(shí)施的影響，在計(jì)算土壤侵蝕時(shí)，利用2000年降雨侵蝕力重新計(jì)算2005年和2010年土壤侵蝕量，統(tǒng)計(jì)各等級(jí)面積比例及面積比例在研究時(shí)段的變化情況，得到圖2C和圖2D。

注：A和B利用2000年、2005年和2010年降雨侵蝕力計(jì)算得到；C和D利用2000年降雨侵蝕力重新計(jì)算得到。

圖2洛河流域2000-2010年不同土壤侵蝕等級(jí)面積比例及變化

圖2A和圖2C表明，洛河流域2000—2010年土壤侵蝕以微度、輕度和中度侵蝕為主，其中微度侵蝕面積占80%以上，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積比例均較小。2000年、2005年和2010年降雨侵蝕力計(jì)算結(jié)果表明，洛河流域2000—2010年除微度侵蝕面積呈減少趨勢外，其他各土壤侵蝕等級(jí)均呈增加趨勢，同時(shí)可以看出，2005—2010年是土壤侵蝕減少和增加的主要時(shí)期(圖2A和圖2B)。利用2000年降雨侵蝕力重新計(jì)算2005年和2010年土壤侵蝕，結(jié)果表明，與圖2A和圖2B結(jié)果相反，除微度侵蝕呈增加趨勢外，其他各土壤侵蝕等級(jí)均呈減少趨勢，且2000—2005年是土壤侵蝕增加和減少的主要時(shí)期。

圖2B反映出受到降雨侵蝕力增加及植被覆蓋改善影響，洛河流域2000—2010年土壤侵蝕呈增加狀況；圖2D反映出，當(dāng)降雨侵蝕力維持在2000年水平時(shí)，洛河流域2000—2010年土壤侵蝕受植被覆蓋改善的影響，表現(xiàn)為土壤侵蝕的減少。綜合二者可以認(rèn)為，降雨侵蝕力和植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕具有顯著的影響，洛河流域2000—2010年降雨侵蝕力對(duì)土壤侵蝕的增加作用明顯高于植被覆蓋的減少作用，總體呈現(xiàn)為土壤侵蝕增加趨勢。

2.4結(jié)果驗(yàn)證

查閱黃河水資源和泥沙公報(bào)(2000—2010年)中洛河流域狀頭水文站2000—2010年年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù)(http:∥www.yellowriver.gov.cn)，繪制得到圖3。洛河流域2000—2010年年徑流量呈波動(dòng)變化，但總體變化維持在6億m3左右，但年輸沙量呈明顯的減少趨勢(圖3)。

圖3　洛河流域狀頭水文站2000-2010年年徑流量和年輸沙量變化

在年徑流量變動(dòng)不大情況下，年輸沙量呈顯著的減少趨勢，反映出洛河流域2000—2010年土壤侵蝕呈下降趨勢，顯然文中RUSLE模型計(jì)算的土壤侵蝕結(jié)果與水文站實(shí)測結(jié)果存在差異。原因可能為RUSLE模型計(jì)算得到土壤侵蝕結(jié)果是空間靜態(tài)狀況，與實(shí)際河流的輸沙量之間存在不一致性，二者之間需要通過坡面徑流相聯(lián)系，計(jì)算結(jié)果表明土壤侵蝕呈增加趨勢，而實(shí)測結(jié)果為減少趨勢，可能與退耕還林還草工程實(shí)施引起的地表植被覆蓋改善，減緩坡面徑流、涵蓄水源能力增加有關(guān)。

3　結(jié) 論

(1)洛河流域2000—2010年耕地面積減少，共減少727.48 km2，減少4.09%；林地、草地面積增加，分別增加579.60，135.81 km2，增加0.66%和3.16%；洛河流域土地利用變化主要發(fā)生在2000—2005年期間。

(2)洛河流域2000—2010年土地利用變化提高了植被平均NDVI值，流域內(nèi)耕地區(qū)域植被NDVI值增加了24.76%，其中，耕地變化區(qū)域植被NDVI值增加34.29%，高于耕地未變化區(qū)域的22.65%。表明耕地變化區(qū)域植被NDVI增加對(duì)耕地區(qū)域總體植被NDVI值增加貢獻(xiàn)較大。

(3)降雨侵蝕力和退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)土壤侵蝕具有明顯的影響。受降雨侵蝕力增大影響，2000—2010年洛河流域土壤侵蝕呈增加趨勢；不考慮降雨侵蝕力變化情況下，洛河流域土壤侵蝕呈減少趨勢，反映出退耕還林還草工程實(shí)施對(duì)土壤侵蝕的減緩作用。

致謝：非常感謝西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院楊勤科教授、評(píng)審專家及編輯部老師提出的寶貴建議，感謝澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO Land and Water)傅國斌研究員對(duì)文章英文摘要的修改。特此致謝！

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Impacts of Grain for Green Project on Soil Erosion in Luohe River Basin of Northern Shaanxi Province,China

CUI Xiaolin,LEI Gang,WANG Tao,HAO Ningyan,FU Limeng,LI Beibei

(College of Geomatics,Xi′an University of Science and Technology,Xi′an 710054,China)

Grain for Green Project (GGP)is an important ecological and environmental construction and protection engineering project in China,and it has great influence on vegetation cover and soil erosion.The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE),together with precipitation,soil type,DEM and vegetation cover,was used to investigate the impacts of GGP on soil erosion from 2000 to 2010 in Luohe River Basin,northern Shaanxi Province,China.Results showed that: (1)farmland decreased while forestland and grassland increased due to GGP,and land use change mainly occurred from 2000 to 2005; (2)the increase of vegetation NDVI value induced because of land use change from 2000 to 2010 in Luohe River Basin,and the increase rate of vegetation NDVI in farmland changing area was higher than that in the unchanged area; (3)both rainfall erosivity and GGP implementation have the significant impact on soil erosion.The increase of soil erosion in Luohe River Basin during 2000—2010 mainly resulted from the increase of rainfall erosivity.If rainfall erosivity keeps constant,then soil erosion in the basin would decrease because of the effects of GGP on soil erosion.

soil erosion; vegetation cover; RUSLE; Luohe River Basin

2015-09-15

2015-10-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271103);黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(A314021402-1616);西安科技大學(xué)培育基金資助項(xiàng)目(2014007);西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)金項(xiàng)目(2015QDJ061)

崔曉臨(1965—),女,陜西寶雞人,博士,副教授,主要從事土地利用變化與環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail:xiaolin_cui@xust.edu.cn

王濤(1984—),男,河南湯陰人,博士,講師,主要從事區(qū)域環(huán)境變化研究。E-mail:wht432@163.com

S157.1

A

1005-3409(2016)05-0068-06