大沟头小流域不同土地利用格局下土壤侵蚀情景模拟研究

2010-05-05杨翠林秦富仓

水土保持研究 2010年4期

杨翠林，秦富仓

（1.鄂尔多斯市准格尔旗水土保持局，内蒙古鄂尔多斯010300 2.内蒙古农业大学，呼和浩特010019）

土地利用是自然因素和人文因素结合最为紧密的人类活动，土地利用形成的土地覆被从景观尺度上反映了人类对自然生态系统的影响方式及程度［1－3］。土地利用格局的动态变化，其实质是人类为满足社会经济发展需要，不断调整配置各类土地利用的过程。研究土地利用格局的变化与土壤侵蚀过程的响应，有助于了解土地利用格局变化对生态环境的影响，同时通过调整人类社会经济活动，改变土地利用格局，促使土地利用更趋合理，使得人类活动与生态环境和谐发展［4－6］。以内蒙古通辽市奈曼旗大沟头小流域为对象，通过在Arcview中利用模型模拟研究小流域土地利用格局与土壤侵蚀间的关系。

1 研究区概况

1.1 自然条件

大沟头小流域位于通辽市奈曼旗土城子镇北部的哈日干图境内，位于42°28′33″－42°31′12″N、120°37′48″－120°42′31″E。该流域面积约1 853.26hm2，是大凌河支流牤牛河的一个小流域，海拔550.60m。大沟头小流域的地貌类型为丘陵沟壑区与沙化漫岗结合区，土层厚度5－10m，其中沙壤土占60%，黄土占40%。该区处于内蒙古农牧交错带，属半干旱大陆性季风气候［7］，多年平均气温6.2℃，多年平均蒸发量2 053.2 mm，多年平均降雨量450mm，年日照时数2 952.2h，年平均风速3.8m／s，≥10℃积温为3 151.2℃，无霜期160d，最大冻土深1.5m，植被盖度83%。

1.2 社会经济条件

奈曼旗大沟头小流域由4个自然屯组成，以种植业为主、牧业为辅，主要粮食作物有：荞麦、谷子、豆类等。牧业主要以养殖小尾寒羊为主，养牛主要是为了产肉，还有部分农户自行养猪、养鸡、养蜂，并形成了一定规模。据统计，2007年小流域共有农户235户，总人口1 280人，人口密度69人／km2，人均耕地0.49hm2，共有9处果园，人均收入2 000元。

2 研究方法

2.1 数据的获取

根据大沟头流域2007年的土地利用现状进行分析，流域景观格局的组成是由流域内各种土地利用类型反映出来。图1为研究区多年月平均降雨量年内分布情况，流域内土地利用现状的斑块格局及相应坡度分级的数据，利用1∶1万土地利用现状图获取。土地利用类型斑块按土地利用现状调查技术规程的分类系统标准进行分类［8－9］。将土地利用现状图数字化，建立相关的空间信息数据和属性信息数据库。大沟头流域总占地面积为1 853.26hm2，各种土地类型斑块的面积见表1。在Arcview中将矢量型的土地利用类型空间数据转换为栅格型数据，分别计算和提取各种土地类型斑块的面积，用土地利用类型的栅格型数据与DEM派生的坡度图形叠置计算，可获得研究流域内各土地利用类型斑块的坡度分级图和相应土地利用类型的坡度分级数据（表2）。

图1 研究区多年月平均降雨量年内分布情况

表1 流域内各斑块占地面积

表2 流域内各土地利用类型坡度分析 hm2

经奈曼旗水土保持工作站从1986－2005年的长期观测获得了不同土地利用类型的平均侵蚀模数（见表3），利用平均侵蚀模数推算不同情景下的土壤侵蚀量。

表3 大沟头流域内各类土地利用类型的平均侵蚀模数t／（km2·a）

为了使情景模拟结果计算出来的土壤侵蚀量能够被分配到具体的土地利用类型和不同的地貌部位上，并且能够相互间的直观比较，利用大沟头流域水土保持工作组多年的观测结果，推算出流域土壤侵蚀状况，然后使用Arcview空间分析模型将土地利用空间位置与地貌部位图形进行叠置运算，统计出不同地貌部位各种土地利用状况的土壤侵蚀结果，以利于不同情景间土壤侵蚀状况的比较［10］。

2.2 数据的校核

通过计算流域现实治理状况的减水减沙效益，以大沟头流域长期观察计算的年均径流量，推算出在现有土地利用格局下流域年径流量为19 311.39m3和年泥沙量为4 202.85t。然后，不同的土地利用类型，根据坡度范围分别计算土壤侵蚀状况。以不同土地利用类型的平均土壤侵蚀模数计算出大沟头现实土地覆被情景下年土壤侵蚀量为23 211.76t，与前者相比相差不大。后面的各项计算都依照不同土地利用时的平均侵蚀模数为准。

2.3 建立特定情景

将土地利用现状图数字化，建立相关的空间信息数据和属性信息数据库。在Arcview中将矢量型的土地利用类型空间数据转换为栅格型数据，分别计算和提取各种土地类型斑块的面积，用土地利用类型的栅格型数据与DEM派生的坡度图形叠置计算，可获表4。

表4 流域内各土地利用类型坡度分析

为了解流域景观格局变化对流域土壤侵蚀格局的影响，依据属于理论研究探讨范畴和属于实际情景及预测的原则，在流域内以植物措施为主，首先从理论上假设：

（1）情景1（S1）：流域内全部为耕地，没有林地、草地时的土壤侵蚀状况；

（2）情景2（S2）：流域内林地覆被率为30%，其余为坡耕地时的土壤侵蚀状况；

（3）情景3（S3）：流域内林地覆被率为50%，其余为坡耕地时的土壤侵蚀状况；

（4）情景4（S4）：流域内林地覆被率为75%，其余为坡耕地时的土壤侵蚀状况；

（5）情景5（S5）：流域内全部是林地、草地，没有耕地时的土壤侵蚀状况。

另外，从实际情况出发，流域内林地覆被率为75%时，以工程措施为主进行设定：

（6）情景6（S6）：流域内修建梯田，且梯田面积为30%时土壤侵蚀状况；

（7）情景7（S7）：梯田面积为50%时的土壤侵蚀状况；

（8）情景8（S8）：梯田面积为70%时的土壤侵蚀状况。

分别对8种情景进行模拟，可计算出流域在不同情景时的土壤侵蚀情况。

3 结果与分析

3.1 植物措施情景模拟分析

将大沟头流域内除住宅用地外各占地类型按坡度全部均匀分布，林草面积逐步增大，不考虑树种搭配，保持林分郁闭度在60%以上。未利用地、水域用地全部消失，为了体现林草植被的总体效益，从理论上设计了情景5，其原则是能够作为林地的土地均进行造林。依照表3中不同土地利用平均侵蚀模数来计算各类土地利用状况下的土壤侵蚀量的大小。各情景土地利用格局类型斑块的面积与土壤侵蚀状况见表5。

按照这种调整方法，流域内景观格局由单调到丰富再到单调，林草地面积比从0～100%，就整个流域的土壤侵蚀总量来看，土壤侵蚀量逐步减少，从情景1的47 262.06t减少为情景5的12 744.70t，减少量为3 4517.36t，减少率高达为73.03%。情景2比情景1的林草植被盖度增加了30%，土壤侵蚀量减少了27.36%；情景3比情景2的林草覆被率增加了20%，土壤侵蚀量减少了3.62%；情景4比情景3的林草覆被率增加了25%，土壤侵蚀量减少了21.42%；情景5比情景4的林草盖度增加了25%，土壤侵蚀量减少了50.98%。

3.2 工程措施情景模拟分析

为了体现植物措施与工程措施相结合的水土流失治理观念，在林草植被盖度不变，面积比为75%的前提下，修建梯田，如水平阶、反坡梯田等，采取合理的耕作措施以减少径流、保肥保土，减少水土流失。耕地的总面积为463.32hm2，梯田占总耕地面积的比例由30%增加到50%、70%，各种坡度条件下均有梯田分布，3种情景下梯田的面积分别为138.99 hm2、231.66hm2、324.32hm2。不考虑梯田的修建类型和农作物的种类，整个流域中，气候条件是相同的。依然按表3中不同土地利用平均侵蚀模数来计算各类土地利用状况下的土壤侵蚀量的大小。通过增设梯田对流域土地利用格局的调控，各情景土地利用格局类型斑块的面积与土壤侵蚀状况见表6。

从表6中可以看出，梯田的增设大大减少了土壤侵蚀量，其中情景6比情景4减少了5 026t，减少率为17.83%，情景7比情景6减少了2 384t，减少率为10.29%；情景8比情景7减少了3 812t，减少率为18.34%。

表5 不同情景土地利用格局下的土壤侵蚀量

表6 大沟头流域土地利用格局下的土壤侵蚀量

3.3 小流域景观情景对比

上面分别对8种设定的土地覆被情景进行了模拟和分析，现在将前5种情景的土壤侵蚀状况合并在一起，将第4种情景与第6，7，8种情景的土壤侵蚀状况合并在一起，对其结果进行进一步的评价。土地覆被情景模拟的不同坡度的土壤侵蚀状况见图2。

4 结论

从图2的结果可以看出，前5种设定的土地覆被情景模拟出来的土壤侵蚀量是很有规律的，随着流域林草植被的从无到有、由少到多，影响到流域土壤侵蚀量从多到少。随着流域内梯田的从无到有、从少到多，土壤侵蚀量大大的减少，情景8（梯田占70%）与情景4（无梯田）相比，土壤侵蚀量减少了7 524.92t。情景6和情景7的土壤侵蚀量为22 871.68t和20 786.57t，分别是情景4的1.14和1.25倍。

情景5的土壤侵蚀量很少，说明流域内全为林草覆被时，林草能够很好的拦蓄径流，减少洪水流量。但是，这样的土地利用格局无法保证当地的经济效益。在流域治理过程中，植物措施与工程措施有机的结合，即能有效保持水土，涵养水源，也能给当地带来经济效益。