黃河中游主要產(chǎn)沙區(qū)下墊面變化減沙作用評估

王玲玲 左仲國 肖培青

摘 要：2000年以來，黃河上中游干支流來沙量明顯減少。為了揭示黃河中游主要產(chǎn)沙區(qū)土壤侵蝕特征和水土保持措施使下墊面變化的減蝕和減沙作用，基于GIS與RS技術(shù)，利用CSLE模型，定量分析了主要產(chǎn)沙區(qū)2000—2013年土壤侵蝕時空變異特征，并在多年平均降雨條件下，以1980年的下墊面為基準，評估了2000年、2005年、2010年、2013年下墊面變化的減沙效果。結(jié)果表明：2000年以來，在降雨侵蝕力變化不大的情況下，研究區(qū)土壤侵蝕強度呈下降趨勢，但遇到強降雨年份，仍然可能產(chǎn)生較為劇烈的土壤侵蝕;土壤侵蝕強度與坡度坡長、降雨有較好的對應(yīng)關(guān)系，研究區(qū)強烈及以上等級的土壤侵蝕主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)，風(fēng)沙區(qū)和土石山區(qū)土壤侵蝕強度相對較低;在多年平均降雨條件下，與1980年相比，2000年、2005年、2010年、2013年水土保持措施使下墊面變化造成的減蝕量分別為1.22億、1.95億、3.29億、3.45億t，減蝕效果明顯。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕;下墊面變化;水土保持措施;減沙作用;主要產(chǎn)沙區(qū);黃河中游

中圖分類號：S157.1;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.027

Abstract：Since 2000， the coming sediment from the tributaries and the main Yellow River has been decreased sharply. In order to reveal the characteristics of soil erosion in the main sediment yield areas in the middle reaches of the Yellow River， which is prone to serious soil erosion in the Loess Plateau and to assess the sediment reduction effect of underlying surface， the spatial-temporal dynamic features of the soil erosion of the study area from 2000 to 2013 were quantitatively studied by applying soil erosion model based on the remote sensing and geographic information system technology. In addition， under the condition of multi-year average rainfall， the sediment reduction benefits of underlying surface changes in 2000， 2005， 2010 and 2013 were evaluated compared to the underlying surface in 1980. The results show that since 2000， the intensity of soil erosion in the study area has shown a downward trend. However， in case of heavy rainfall， severe soil erosion may still occur in the study area. The soil erosion intensity is affected by topography， rainstorm center and underlying surface. The erosion intensity of more than 5000 t/km2 is mainly distributed in the loess hilly and gully region. Under the condition of annual average rainfall， compared with 1980， the relative sediment reduction amounts in 2000， 2005， 2010 and 2013 are 122， 195， 329 and 345 million tons respectively. So， the erosion reduction effect is obvious under the change of underlying surface.

Key words： soil erosion; underlying surfaces variation; soil and water conservation measures; sediment reduction assessment; main sediment yield area; the middle reaches of Yellow River

近幾十年黃土高原地區(qū)實施了一系列水土流失綜合治理措施。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年11月，黃土高原地區(qū)共有淤地壩58 776座，其中大型壩5 905座、中型壩12 169座、小型壩40 702座[1];水平梯田面積占水土流失面積的比例為25%～40%，其中甘肅省黃河流域及其相鄰地區(qū)坡耕地的梯田化程度為70%～90% [2]。2000年以來，黃河上中游干支流來沙量明顯減少，潼關(guān)水文站多年平均輸沙量由1919—1969年的16億t減少至2000—2019年的2.55億t，減幅達84% [3-4]。在此背景下，如何定量評價各項水土保持措施遏制水土流失的作用，成為目前廣為關(guān)注的熱點問題。

傳統(tǒng)的水土保持措施減沙計算方法有水文法和水保法[5]，這兩種方法所建立模型的參數(shù)計算都是基于試驗小區(qū)的觀測數(shù)據(jù)，難以充分反映全坡面的水土流失復(fù)雜過程。近年來，隨著RS和GIS技術(shù)的發(fā)展，基于衛(wèi)星遙感影像解譯成果和實測水沙資料的模型法逐步建立并開始應(yīng)用于區(qū)域土壤侵蝕評價[6]。本研究基于RS、GIS技術(shù)和中國土壤侵蝕模型（CSLE），分析黃河中游主要產(chǎn)沙區(qū)土壤侵蝕特征，評估了下墊面變化的減沙作用。

1 研究區(qū)概況

黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間（簡稱河龍區(qū)間）以及涇河、北洛河和渭河是黃河中游主要產(chǎn)沙區(qū)。該區(qū)有30條黃河一級支流，其中流域面積大于1 000 km2的支流有28條、總面積286 061 km2;該區(qū)地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，從南到北跨越半濕潤、半干旱和干旱3個氣候帶，降水量空間分布差異大，多年（1981—2014年）平均降水量北部約為135 mm、南部約為800 mm，降水年內(nèi)主要集中在汛期（6—9月），汛期降水量占全年的80%;該區(qū)是黃土高原水土流失最為嚴重的地區(qū)和黃河粗泥沙的集中來源區(qū)，其中多沙粗沙區(qū)面積僅占黃土高原總面積的12.3%，而多年平均輸沙量卻占黃河同期輸沙總量的62.8%，粒徑大于0.05 mm的粗泥沙輸沙量占黃河粗泥沙總量的72.5%[7]。研究區(qū)位置見圖1。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)（NDVI ）和土壤屬性數(shù)據(jù)等。氣象數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)及周邊222個氣象站（其分布見圖1）1970—2014年的日降雨觀測數(shù)據(jù)，來源于國家氣象信息中心（http：//data.cma.cn）;四期（2000年、2005年、2010年和2013年）土地利用數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//data.gscloud.cn），空間分辨率為1 km;DEM 數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局 （NASA） 的 SRTM 90 m 產(chǎn)品，源自http：//srtm.csi.cgiar.org;NDVI 數(shù)據(jù)采用 NASA 發(fā)布的每 16 d合成的分辨率為250 m 的MOD13Q1產(chǎn)品，源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//data.gscloud.cn）;土壤屬性數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）中的中國土壤數(shù)據(jù)集，比尺為1∶100萬。

2.2 CSLE模型

我國學(xué)者綜合考慮降雨、地形、土壤、植被和水土保持措施等要素，構(gòu)建了中國土壤侵蝕模型（CSLE）[8]：

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤侵蝕因子的時空變化

（1）降雨侵蝕力因子R。研究區(qū)不同時期降雨侵蝕力空間分布情況見圖2，1970—2014年逐年降雨侵蝕力變化情況見圖3。

由圖2可以看出，研究區(qū)降雨侵蝕力的空間差異十分明顯，從東南向西北方向逐漸遞減，與年降雨量空間分布相似。由圖3可以看出，降雨侵蝕力年際變化較大，變化范圍為243～1 327 MJ·mm/（hm2·h·a），最小值為2014年的243 MJ·mm/（hm2·h·a），最大值為2013年的1 327 MJ·mm/（hm2·h·a），從降雨侵蝕力5 a滑動平均值來看，近30 a降雨侵蝕力呈增大的趨勢。

（2）生物措施因子B。不同時期生物措施因子B空間分布情況見圖4，其與土地利用情況和降雨量空間分布情況等有關(guān)。2000年、2005年、2010年、2013年生物措施因子B平均值分別為0.766 5、0.762 8、0.681 9、0.625 2，隨著退耕還林還草的持續(xù)實施和植被自然修復(fù)，研究區(qū)林草植被措施的減蝕作用不斷增大。

（3）其他因子（K、SL、E、T）計算結(jié)果。研究區(qū)土壤類型有黃綿土、風(fēng)沙土、栗鈣土、褐土等，其中黃綿土分布最廣，土壤可蝕性因子K變化范圍為0.010～0.026，空間分布情況見圖5（a）。研究區(qū)坡度坡長因子SL空間分布情況見圖5（b），其與坡度的空間分布情況類似，根據(jù)黃秉維1955年發(fā)表的《黃河中游流域土壤侵蝕區(qū)劃圖》修改編制的黃河流域黃土高原水土保持分區(qū)圖[14] ，黃土丘陵溝壑區(qū)和土石山區(qū)的坡度坡長因子SL值明顯大于風(fēng)沙區(qū)和沖積平原區(qū)的。計算的2000年、2005年、2010年和2013年工程措施因子E平均值分別為0.886 8、0.871 4、0.843 5和0.819 6，隨著淤地壩（壩地）和梯田面積的增加，坡面和溝道侵蝕不斷減輕，受資料的局限，水土保持工程措施數(shù)據(jù)為

統(tǒng)計數(shù)據(jù)，暫不能給出其空間分布情況。對于因子T，根據(jù)研究區(qū)坡度分級與分布情況和表1進行賦值，結(jié)果見圖5（c）。一個區(qū)域的土壤特性、地形地貌和耕作條件在短時期內(nèi)不會有明顯改變，因此K、SL、T這幾個因子在4個時期采用的是相同的數(shù)值。

3.2 研究區(qū)土壤侵蝕強度時空變化

基于各因子計算結(jié)果，疊加得到2000年、2005年、2010年和2013年研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007），繪制研究區(qū)不同年份土壤侵蝕強度分級空間分布圖，見圖6。從土壤侵蝕強度分級空間分布情況看，黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕強度最高，其次為高塬溝壑區(qū)，而風(fēng)沙區(qū)和土石山區(qū)的土壤侵蝕強度相對較低，強烈及以上等級的土壤侵蝕主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)。計算結(jié)果顯示，2000年、2005年、2010年、2013年研究區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)分別為4 413、4 383、4 084、4 805 t/（km2·a）。隨著各項水土保持措施數(shù)量（面積）的不斷增加和植被的恢復(fù)，在降雨侵蝕力R變化不大（2000年、2005年和2010年R值分別為510、751、883 MJ·mm/（hm2·h·a））的情況下，土壤侵蝕強度呈下降趨勢。2013年降雨侵蝕力是近30 a來的最大值，導(dǎo)致2013年土壤侵蝕強度提高。由于土壤侵蝕是降雨和下墊面共同作用的結(jié)果，因此在現(xiàn)狀下墊面條件下，一旦遇到強降雨，研究區(qū)仍然可能產(chǎn)生較為劇烈的土壤侵蝕。

3.3 下墊面變化的減沙效果分析

為客觀評價下墊面變化對土壤侵蝕過程的影響，需要剝離降雨對土壤侵蝕過程的影響。參考《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》（試行）[15]，采用近30 a的平均降雨侵蝕力（）反映降雨的影響。受衛(wèi)星遙感影像資料的限制，獲得整個研究區(qū)最早的下墊面數(shù)據(jù)為1980年，因此以1980年為基準年，將基準年和分析年的、K、SL、B等因子圖層疊加，得到基準年和各分析年的土壤侵蝕模數(shù)。研究區(qū)各分析年相對于基準年的減蝕量計算公式為式中：ΔW為減蝕總量，萬t;A基準年、A分析年分別為基準年和分析年在多年平均降雨侵蝕力下的土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a）;S區(qū)域為研究區(qū)總面積，km2。

計算結(jié)果表明，在多年平均降雨侵蝕力作用下，基準年、2000年、2005年、2010年、2013年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為5 012、4 585、4 332、3 860、3 805 t/（km2·a），與基準年1980年相比，2000年、2005年、2010年、2013年下墊面變化的減蝕量分別為1.22億、1.95億、3.29億、3.45億t。

4 結(jié) 論

（1）2000年以來，在降雨侵蝕力變化不大的情況下，研究區(qū)土壤侵蝕強度呈下降趨勢，說明隨著各項水土保持措施面積的增加和植被的恢復(fù)，土壤侵蝕得到了一定程度的控制，但遇到強降雨年份，仍然可能產(chǎn)生較為劇烈的土壤侵蝕。

（2）土壤侵蝕強度與坡度坡長、降雨有較好的對應(yīng)關(guān)系，研究區(qū)強烈及以上等級的土壤侵蝕主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)，風(fēng)沙區(qū)和土石山區(qū)土壤侵蝕強度相對較低。

（3）在多年平均降雨條件下，與1980年相比，2000年、2005年、2010年、2013年水土保持措施使下墊面變化造成的減蝕量分別為1.22億、1.95億、3.29億、3.45億t，下墊面變化的減蝕效果明顯。

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【責(zé)任編輯 張智民】