陕北典型流域退耕后土壤侵蚀及空间分布初步调查研究

2010-05-05张晓萍陈凤娟付艳玲刘国彬

水土保持研究 2010年4期

吴艳，张晓萍，，陈凤娟，万龙，付艳玲，刘国彬

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨陵712100）

黄土高原是我国乃至全世界土壤侵蚀最严重的地区之一，恶化的生态环境，严重阻碍了当地社会经济的可持续发展，受到政府及科技界的关注［1－5］。影响侵蚀发生的因素很多，在黄土高原丘陵沟壑区，不合理的土地利用是导致土壤侵蚀发生的根本症结［6－8］。目前实施10a之久的退耕还林还草生态建设工程正是抑制侵蚀、减少水土流失的有效措施。

侵蚀的发生发展规律与土地利用及地表植被变化息息相关［6－9］。1999年退耕还林还草生态建设工程实施后侵蚀环境效应的变化究竟如何需要深入研究。本文以黄土高原丘陵沟壑区典型流域马家沟流域为例，以2008年流域土地利用数据为基础，结合地形地貌等要素，依据水利部部颁《土壤侵蚀分类标准》（SL 190－96）［10］规程中侵蚀估算法，估算流域土壤侵蚀量，分析其空间分布特征，为流域相关部门进行生态环境建设提供决策依据。

1 流域概况

马家沟流域位于陕北延安市安塞县境内，是延河流域的一级支流，黄土丘陵沟壑区典型流域。流域面积73.82km2，主沟道长17.5km，沟道平均比降6.5‰，沟壑密度 4.5km／km2［11］。该区气候属于中温带大陆性半干旱季风气候，光照充足，昼夜温差较大，多年平均降雨量为500mm，集中在6－9月，多年平均气温8.8℃，蒸发能力大于1 000mm［4］。主要自然灾害有：干旱、大风、冰雹、霜冻等，尤以干旱最为严重。成土母质为第四纪黄土，以黄绵土为主要土类，土层深厚，但土质疏松，抗侵蚀性差［4，11］，第三纪红土在流域沟谷坡脚零星出露。

属于森林草原植被地带，森林和草原镶嵌分布，在广大梁峁坡顶部及阳坡等显域环境分布着以草被植物为主植被，而在阴坡、沟坡底部水分比较集中的地方分布着以乔木或灌木为主的植被。地下储藏大量的石油、天然气等资源。

马家沟流域包含5个行政村22个自然村，总人口4 294人，其中农业人口3 521人，人口密度58人／km2，人口自然增长率13.0‰。据调查，2008年农民年人均纯收入4 000元［12］。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

马家沟流域2008年土地覆被数据是在1990年土地利用图基础上，经过2008年12月实地调查，订正1990年变更的图斑界线及属性而获得，如附图2所示，各利用类型面积及占流域比例见表1。1990年土地利用图由安塞县土地局提供，属全国第一次土地利用调查成果。结合1∶1万地形图生成的流域地形高程模型DEM数据（分辨率25m），来分析流域侵蚀现状及空间分布特征。

表1 马家沟流域2008年土地利用结构统计

2.2 研究方法

中华人民共和国水利部1997年实施的《土壤侵蚀分类分级标准》SL－190－196［4］，是对全国土壤侵蚀区的侵蚀强度规定和采用的半定性半定量的判别方法。其过程是通过确定评价单元的坡度和植被覆被度，来确定单元的侵蚀强度，在目前国内土壤侵蚀强度评价还缺少标准性、规范性定量方法条件下，该方法仍不失为一个简便、实用的好办法［13］。文章主要采用该方法中对水蚀中面蚀的判定准则，如表2所示。土壤侵蚀强度分级标准见表3所示。

表2 水利部1997年部颁水蚀（面蚀）评价标准

表3 水利部1997年部颁水蚀（面蚀）土壤侵蚀强度分级标准表

在ArcGIS软件支持下将2008年土地利用图转化为5m×5m网格的栅格图，与流域地形高程模型保持一致。估计不同覆被条件下的覆盖度，并经过实地调查验证，结果如表4所示。

表4 马家沟流域不同土地覆被类型下郁闭度估算

作为特殊用地类型，居民点和工矿用地按中度侵蚀考虑，水域按微度侵蚀考虑。沟道分布的川地、川台地作为农民的基本口粮田，按微度侵蚀考虑。梯旱地按照所在坡度判断侵蚀级别，考虑到经过小地形改造，实际确定侵蚀级别较判断级别小一级。坡旱地按照表2判断。果园按照估计的郁闭度按林地判断侵蚀级别。

3 结果与分析

3.1 流域年均土壤侵蚀量估算

依据上述研究方法，在2008年土地利用基础上，经过ArcGIS编程计算，估算马家沟流域年均土壤侵蚀模数为5 700t／（km2·a），流域上中下游的土壤侵蚀模数分别为：5 720t／（km2·a）、5 350t／（km2·a）、6 240t／（km2·a）。流域土壤侵蚀分布如附图3所示，侵蚀级别分布如图1所示。

从图1可知，马家沟流域各侵蚀级别在流域中所占面积呈正态分布，以中度侵蚀面积最广，占流域面积的53.65%，其次是强度和轻度侵蚀，分别占流域面积的17.23%和14.64%，然后是极强度、微度和剧烈，占流域面积分别是9.2%、4.16%和1.12%。

图1 马家沟流域年均土壤侵蚀量级别分布

微度侵蚀以流域沟道川地、川坝地为主，坡度为零或很小，作为农业的基本农田用地，以玉米或大棚蔬菜种植为主，如附图3所示。轻度侵蚀发生地类以地表林草覆盖度在0.5～0.6以上的有林地、灌木林地及地表草被覆盖较好的疏林地，以及坡度较小的缓坡塌地为主。地表良好的覆盖有减缓降雨动能，增大降雨截留量、增加降雨入渗量、延缓地表径流发生时间及减少地表径流发生量的功能［14－15］，因而极大地减少了侵蚀的发生几率，将侵蚀模数控制在2 000t／（km2·a）左右。梁峁坡顶在坡度＜15°、林草有效盖度0.4以上时，也能有效增加径流入渗，减少径流产生量及动能，因而侵蚀几率也较小。

图2 马家沟流域侵蚀强度级别估算面积占不同区域比例

马家沟流域中度侵蚀发生在坡度15°以上，地表覆盖度0.5以下的荒草地，包括部分疏林地、造林地。由于坡度陡，荒草地表覆盖度不高，产生侵蚀几率增大。疏林地地表虽有乔木生长，但林冠稀疏，林下层次单调，土层较薄，草地覆盖度在0.4左右；造林地树苗幼小，成活率不高，以等高排列、整齐规范的鱼鳞坑为主要辨识特征。0.5以下的地表覆盖度，在＞15°以及更大坡度上，暴雨条件下非常容易产生4 000t／（km2·a）左右的侵蚀量。

沟坡坡度25°以上，林草盖度差且土层薄，承接上方来水后地表径流量及其动能急剧增加，不易发生径流入渗，在细沟、切沟等流路基础上，容易发生强度以上侵蚀，暴雨和大暴雨时，非常容易发生极强度和剧烈侵蚀。侵蚀模数在6 000～8 000t／（km2·a），甚至在10 000t／（km2·a）以上。在2008年土地利用和林草覆盖条件下，马家沟流域有27.58%的面积属于这样的地类。

3.2 侵蚀空间分布特征

如附图2所示，将流域按照水系流路大致分为上、中、下游，占全流域面积比例大约为54%、36%和10%。2008年土地覆盖情况下侵蚀级别分布面积在全流域的分布特征如表5所示。

表5 马家沟流域上中下游侵蚀分布

流域上中下游各侵蚀级别的面积占全流域的分布比例非常相似，均呈正态分布形式，如表5所示，中度侵蚀级别的估算面积最大，然后是强度／轻度级别、极强度／微度级别和剧烈侵蚀级别。这种分布状况是全流域实施退耕还林所表现出来的环境效应，与林地尤其是草地面积增加，侵蚀级别降低关系非常密切。受流域上中下游划分的影响，总体上，流域各侵蚀级别的面积在上游比较集中，其次是中游，然后是下游。

在不同空间内，上、中游几乎一半左右的面积（56.86%、52.11%）为中度侵蚀，下游也高达41.43%，如图2所示。强度侵蚀在流域上、中游比例几乎相同，分别为15.08%和15.46%，而流域下游则分布面积较大，比例为35.96%。类似地，极强度侵蚀的分布在上中游比例近似，分别为9.61%和8.15%，而下游分布面积则较大，为10.81%。剧烈侵蚀的面积在上中游所占比例要大于下游。轻度侵蚀面积所占比例上中游较下游大，而微度侵蚀则以下游居多。

图3 马家沟流域不同区域侵蚀级别比例相对于全流域侵蚀级别比例的变化

将流域上中下游各侵蚀强度所占比例与全流域相应侵蚀强度所占比例的比值称为各侵蚀强度级别的变化指数，以反映侵蚀强度在流域中分布格局的不同，如图3所示。值越大，表示该侵蚀级别的分布越集中，值越小，表示分布面积越少，接近于1，表示与全流域分布格局相似。从图3看出，上、中游侵蚀强度级别的分布与全流域比较相似，下游差异较大。

流域侵蚀级别的分布格局与流域的地形地貌特征紧密相关。上中游水力侵蚀十分活跃，15°～25°及以上沟坡面积占有很大比例，在中游地区，滑塌等重力侵蚀的发生发育了大片缓坡塌地，成为当地群众生活的主要经营对象。在退耕还林还草政策实施背景下，大部分坡耕地甚至梁峁顶梯田流转为草地，但据实地调查，其林草盖度及生长状况并没有发育到能有效控制土壤侵蚀发生的程度，且农耕地中坡耕地仍占44.8%的面积，因此，在覆盖度＜0.4，＞35°陡坡部位发生极强度甚至剧烈侵蚀。在广大25°～35°部位发生强度和中度侵蚀，15°～25°坡度仍发生着中度－轻度侵蚀。

相对流域下游微度和强度侵蚀比较集中，而轻度和剧烈侵蚀较少。沟口是整个集水区的唯一出口，水流量大且流速很快，下蚀和侧蚀十分强烈，沟道展宽，但是沟坡地形陡峭，水力侵蚀发育。河川地面积比例增大，因而流域下游微度侵蚀面积比例远远大于上中游。虽然流域下游林地分布面积最大，但是在调查中发现，其林相单一，林下层次不丰富，人工生态系统特征突出，虽然一定程度上保护了地表土层，但其功能的发挥仍受地形的很大限制，强度和极强度侵蚀发生几率还是很大的。如附图3和图2所示。

4 结论

以陕北丘陵沟壑区典型流域马家沟流域为例，在2008年流域土地利用数据基础上，结合地形地貌等要素，依据水利部部颁《土壤侵蚀分类标准》（SL 190－96）规程中侵蚀估算法，估算流域土壤侵蚀量，分析其空间分布特征，为相关部门进行生态环境建设提供决策依据。

退耕政策实施后的近10年来，马家沟流域土壤侵蚀模数估算值为5 700t／（km2·a）。该流域各侵蚀级别的面积占流域的分布比例呈正态分布，以中度侵蚀面积最广，为流域面积的53.65%，其次是强度、轻度级别，分别为流域面积的17.23%和14.64%，然后是极强度、微度级别和剧烈侵蚀级别，占流域面积分别是9.2%、4.16%和1.12%。

整体上，侵蚀强度的分布仍受地形发育的影响。在上、中游各侵蚀强度级别的发生面积与全流域的分布非常相似，中游剧烈侵蚀面积稍有增加。而下游则与全流域分布格局差异很大，相对地说，微度和强度侵蚀比较集中，而轻度和剧烈侵蚀面积较少。

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