倉子小流域土地利用與土壤侵蝕時空變化分析

翟國爽

（朝陽市建平縣白山鄉(xiāng)水利服務(wù)站，遼寧 建平 122406）

1 研究區(qū)概況

倉子小流域位于遼寧省建平縣境內(nèi)，地處E119°32′10″～119°35′33″、N41°52′25″～41°56′57″，總面積2253.9hm2，屬遼河流域，低山丘陵地貌，海拔高程646～886m。流域內(nèi)多褐土，土層厚度20～110cm 之間，土壤通透性差，腐殖質(zhì)較薄，土壤侵蝕嚴(yán)重極易發(fā)生水土流失。從1990 年，水土保持部門就開始對倉子小流域開展水土流失治理，并且規(guī)模較小、方式單一，以修建谷坊、水澆地等零星工程為主，直至2005 年全面實施退耕還林草工程，小流域水土保持狀況和土地利用類型發(fā)生顯著變化。

2 研究方法

2.1 土地利用變化

收集整理1993、1998、2005、2013和2020年土地利用調(diào)查資料，其中1993年數(shù)據(jù)由航片判讀資料轉(zhuǎn)繪和野外實地考察資料獲取，1998年、2005年數(shù)據(jù)結(jié)合實地調(diào)查資料和1:5萬彩紅外航片獲得，2013年、2020年數(shù)據(jù)利用World View-1衛(wèi)星遙感影像和Google Earth影像，經(jīng)實地調(diào)查獲取。

通過計算各土地利用單一和綜合動態(tài)度定量反映小流域土地利用動態(tài)變化[1]，其中單一動態(tài)度Ki代表用地類型i于特定時期△t內(nèi)的面積變化率(%)，其計算公式為：

式中：△Ui、Ui，t0、Ui，tf，為△t內(nèi)用地類型i的變化面積和開始時t0、結(jié)束時tf的面積，hm2；綜合動態(tài)度Kc為用地類型i于特定時期△t內(nèi)的總體變化率(%)，其計算公式為：

式中：△Uij為△t內(nèi)用地類型i轉(zhuǎn)變成j的面積，hm2；ST為流域面積，倉子小流域面積2253.90hm2；n為流域內(nèi)用地類型總數(shù)。

2.2 土壤侵蝕量計算

文章利用CSLE 方程計算各時期倉子小流域土壤侵蝕量，計算公式為：

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm)/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]；L、S為坡長、坡度因子，量綱1；B、E、T為生物、工程和耕作措施因子，量綱1。

1）結(jié)合建平縣降水季節(jié)變化特征和1993～2020年日降雨量數(shù)據(jù)，擬利用簡易計算法確定降雨侵蝕力因子值，其計算公式為[2]：

式中：x、y為模型參數(shù)；Pd10、Py10為侵蝕性降雨日降雨量和年降雨量，為半月、年和多年平均降雨侵蝕力，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；Pk、k為半月內(nèi)第k天的日降雨量，mm 和侵蝕性降雨日數(shù)，d，以降雨量10mm 作為侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)。

2）根據(jù)土壤質(zhì)地越粗或越細(xì)膩則越難發(fā)生侵蝕，質(zhì)地越居中則越易發(fā)生侵蝕的特征，擬利用Williams 提出的公式計算土壤可蝕性因子值，即：

式 中：SAN、SIL為0.050～2.000mm 的砂粒和0.002～0.050mm 的黏粒含量，%；C、CLA為土壤有機碳和＜0.002mm 粉粒含量，%。采用建平縣1:50萬土壤圖和Arc Map 軟件獲取流域內(nèi)砂粒、黏粒、有機碳和粉粒含量，經(jīng)矢量轉(zhuǎn)換生成土壤可蝕性格柵數(shù)據(jù)。

3）采用張宏鳴編寫的AML 程序提取倉子小流域坡長坡度因子值，數(shù)據(jù)計算時必須填充DEM中的No Data 值。因此，文章借鑒McCool 等、劉寶元等[5]研究成果利用下式計算β≤5°和β＞5°的坡度因子值，采用經(jīng)驗公式計算坡長因子值，具體如下：

式中：S、θ為坡度因子值和DEM 中提取的坡度值；L、λ為坡長因子值和DEM 中提取的坡長值；22.13 為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長；α、β為坡長因子指數(shù)以及細(xì)溝侵蝕與面蝕之比。

4）通過實地調(diào)查，倉子小流域生物措施以人工造林和林草生態(tài)恢復(fù)為主，以分辨率30m 的Landsat數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，在半月尺度上計算園地、草地和林地的B因子值。鑒于云層覆蓋等實際情況，對Landsat 影像無法提供有效信息的時段考慮利用分辨率200m 的MODIS 植被指數(shù)產(chǎn)品來插補，從而獲取每年24 個半月蓋度圖像。然后結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)計算相應(yīng)的土壤流失比率，以半月降雨侵蝕力占全年比重為基礎(chǔ)加權(quán)計算獲取B因子值。其中，水域及水利設(shè)施用地、獨立工礦用地、農(nóng)村居民點、旱地、其它土地直接賦值0、1、0.025、1、0。

參照Guo等對作物覆蓋與管理因子研究成果和全國水利普查水力侵蝕成果確定E、T因子值，倉子小流域工程措施以魚鱗坑、坡式梯田、土坎水平梯田為主，依次賦予E因子值0.182、0.415、0.085，耕作措施體現(xiàn)了輪作對作物覆蓋的影響，結(jié)合用地類型圖和植被覆蓋度圖賦予T因子值0.492[3]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空變化特征

3.1.1 土地利用變化速率

退耕還林草工程的實施顯著改變了倉子小流域的土地利用格局，1993 年、2008 年、2005 年流域內(nèi)以草地為主，其次是旱地和灌木林地，草地、旱地和灌木林地平均占比依次為44.1%、27.5%和22.8%。2013 年旱地占比減少到7.5%，草地比例提高到61.0%。然而2020 年草地占比僅有35.1%，土地利用類型以沙柳和檸條為優(yōu)勢種的灌木林地為主，所占比例達(dá)到40.6%，并廣泛分布于山坡上。

不同時段倉子小流域土地利用單一動態(tài)度，見表1。由表1 可知，1993-2020 年倉子小流域獨立工礦用地、農(nóng)村居民點和灌木林地持續(xù)增加，旱地逐漸減少，旱地減幅最大時段為2005-2013 年，年均減少率達(dá)到8.2%，灌木林地除2005-2013 年略有減少外其它時段均呈增大趨勢。2005-2013 年、2013-2020 年是獨立工礦用地和農(nóng)村居民點的集中擴張期，由于周邊住宅用地的擴張以及下游土地資源的大規(guī)模開采，獨立工礦用地年均增長率達(dá)到22.0%、12.5%，農(nóng)村居民點用地年均增長率達(dá)到11.5%、8.0%。2013-2020 年有林地面積增幅最高，年均增長率達(dá)到36.0%。

表1 不同時段倉子小流域土地利用單一動態(tài)度

土地利用年均變化速率從1993-2005 年間的1.6%提高到2005-2020 年間的4.0%，該變化趨勢與建平縣2005 年大規(guī)模建設(shè)退耕還林草工程相吻合。退耕還林草工程的實施使得土地利用變化速率加快，林草地面積不斷增加，旱地面積明顯減少，并且土地資源開采也在一定程度上增加了農(nóng)村居民點面積及獨立工礦用地。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移

考慮到流域面積較小的實際情況，將獨立工礦用地和農(nóng)村居民點納入工礦用地及居民點，灌木林地、有林地和其它林地納入林地，果園劃入園地，旱地劃入耕地，保持水域及水利設(shè)施用地、草地、其它用地不變。以2005 年為時間節(jié)點，計算確定1993-2005 年、2005-2020 年倉子小流域一級土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，1993-2005 倉子小流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，見表2，2005-2020 倉子小流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。

表2 1993-2005 倉子小流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣hm2

表3 2005-2020 倉子小流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣hm2

由表2 可知，1993-2005 年倉子小流域共有463.9hm2發(fā)生土地利用轉(zhuǎn)移，占流域總面積20.58%，土地流轉(zhuǎn)集中發(fā)生在草地、林地和耕地上。其中，耕地凈轉(zhuǎn)出到草地的面積為137.7hm2，占1993 年耕地面積的18.21%，并且有58.6hm2的草地和99.4hm2的耕地凈轉(zhuǎn)出為林地。

由表3 可知，2005-2020 年的土地利用轉(zhuǎn)移更加強烈，倉子小流域共有1320.1hm2發(fā)生土地利用轉(zhuǎn)移，占流域總面積的58.56%。其中，耕地凈減少399.6hm2，耕地流轉(zhuǎn)集中發(fā)生在林地和草地，該變化趨勢與退耕還林草工程的實施密切相關(guān)，向林地的流轉(zhuǎn)是草地面積減少的主要原因。2005-2020 年，草地凈流轉(zhuǎn)到林地的面積為436.5hm2，占2005 年草地面積的42.34%，并且當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)發(fā)展使得大量草地、林地、耕地轉(zhuǎn)變成工礦用地及居民點。

3.2 土壤侵蝕時空變化特征

3.2.1 土壤侵蝕變化

采 用CSLE 方程計算1993、1998、2005、2013 和2020 年倉子小流域土壤侵蝕模數(shù)，依次為28.1、26.0、15.5、12.4、7.0t/(hm2·a)，整體呈持續(xù)減小趨勢，該結(jié)論與倉子小流域監(jiān)測數(shù)據(jù)變化保持一致。因此，CSLE 方程能夠準(zhǔn)確反映遼西低山丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕變化趨勢及強度。倉子小流域不同用地類型土壤侵蝕強度分級占比，見圖1。

3.2.2 各用地類型的土壤侵蝕強度

不同用地類型的侵蝕強度分級及侵蝕模數(shù)如圖1，從圖1 可以看出，土壤侵蝕最嚴(yán)重的是工礦用地，其次是旱地，草地和灌木林地最弱，土壤侵蝕模數(shù)依次為44.5～65.0t/(hm2·a)、20.6～34.8t/(hm2·a)、3.5～24.1t/(hm2·a)、4.0～25.2t/(hm2·a)。具體而言，1993 年流域內(nèi)尚未形成獨立工礦用地，所以侵蝕面積為0，而1998 和2005 年獨立工礦用地各侵蝕強度面積比較接近，極強烈、強烈和中度侵蝕面積占比均為65.9%，2013 和2020 年強烈及以上侵蝕面積占比不斷減小到38.2%、37.5%。

圖1 倉子小流域不同用地類型土壤侵蝕強度分級占比

1993-2020 年流域內(nèi)旱地土壤侵蝕以微度為主，1993、1998 和2005 年旱地土壤侵蝕模數(shù)平均值為32t/(hm2·a)，集中分布在主溝道東側(cè)陡坡及流域上游。隨著退耕還林草工程的實施，2013 年旱地主要分布于水熱條件建好的支溝和主溝溝底區(qū)域，土壤侵蝕模數(shù)減小到20.4t/(hm2·a)。2020 年，小流域上游西南側(cè)無任何水保措施且灌木林地和草地重新被開墾，旱地土壤侵蝕模數(shù)又提高到30.5t/(hm2·a)。

灌木林地和草地土壤侵蝕程度較弱，土壤擾動較小，1993-2020 年兩者以微度侵蝕為主，但所占比例呈明顯上升趨勢，從1993 年的40%左右不斷提高到2020 年的90%左右，1993 年灌木林地和草地蓋度均在35%以內(nèi)，土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到20t/(hm2·a)。隨著退耕還林草工程的實施2005 年、2013 年灌木林地和草地蓋度不斷提高，B因子值明顯減小，在很大程度上降低了土壤侵蝕模數(shù)。2020年，植被覆蓋度最高達(dá)到65%以上，B因子值最低使得草地、灌木林地土壤侵蝕模數(shù)減小到最低的3.7t/(hm2·a)和4.0t/(hm2·a)。

4 結(jié)論

1）1993-2020 年，建平縣倉子小流域獨立工礦用地、農(nóng)村居民點和灌木林地持續(xù)增加，旱地不斷減少，土地利用格局出現(xiàn)明顯改變，各土地利用變化率以2005 年為節(jié)點表現(xiàn)出先緩慢后急劇的變化特征。

2）1993、1998、2005、2013 和2020 年倉子小流域土壤侵蝕模數(shù)依次為28.1、26.0、15.5、12.4、7.0t/(hm2·a)，整體呈持續(xù)減小趨勢，劇烈、極強烈和強烈侵蝕面積持續(xù)減少，微度侵蝕逐漸增加。

3）對于不同用地類型，土壤侵蝕最嚴(yán)重的是獨立工礦用地，隨時間推移地形因子LS 值的減小是土壤侵蝕模數(shù)下降的主要原因；其次是旱地，隨退耕還林草工程的實施旱地侵蝕強度呈遞減趨勢，但重新開墾的部分坡度增強了其侵蝕強度；灌木林地和草地侵蝕最弱，隨著植被覆蓋度的增加這兩種用地的侵蝕強度進(jìn)一步減弱。