退耕还林和降雨对中阳县土壤侵蚀的影响

邱一丹，李锦荣，孙保平，张雪彪，钟晓娟，王引乾，周湘山，冯 磊

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

1 研究区概况

中阳县位于晋西吕梁山中段西侧。地势由东南向西北倾斜，平均海拔1 473.4 m。东南部为土石森林区，西部为黄土丘陵区，沿川为河谷区。全县总面积1 423 km2，其中山区、丘陵面积占87.3%，是山西省水土流失重点县。境内沟壑纵横，梁峁起伏，地形支离破碎，水土流失严重，气候干旱少雨。2000年成为退耕还林（草）试点示范县、国家林业局退耕还林（草）科技试验县，全县完成退耕还林317km2，其中退耕地造林97 km2，荒山造林210 km2，封山育林10 km2。土壤主要以灰褐色、黄绵土为主[2]。

2 研究方法

以通用水土流失预报模型（USLE）为原型，借鉴国内外有关研究成果，与GIS 结合后，实现了土壤侵蚀模型的建立。具体研究方法及各因子确定如图1 所示。

图1 通用土壤流失方程运算流程

ULSE 的方程形式如公式（1 所示）；

式（1）中各因子的定义和表达式为：A——某地块多年平均降雨径流年土壤流失量（t/hm2·a）；R——年降雨侵蚀力因子（MJ·mm/hm2·h·a），系年平均R 值；K——土壤可蚀性因子；L——坡长因子，无量纲；S——坡度因子，无量纲；C——植被因子，无量纲；P——土壤保持措施因子，无量纲。

2.1 R 值的确定

研究采用在我国最广泛使用的降雨侵蚀力指标EI30[3]。据资料分析，该地区水土流失季节为5～10月份，当降雨量≥9.4 mm，最大30 min 雨强≥4 mm时将会引起土壤流失。侵蚀降雨多集中在7～9月，占年降水总量73%。为了简化实际工作中月值的计算过程，建立了7～9月降雨量（h）与年侵蚀力回归方程：（相关系数r=0．85）[5]。中阳县1999年R=3 463.61，2005年R=6 461.99。

2.2 K 值的确定

K 的计算公式[6-7]：

式中：Sa是砂粒（0.1～2 mm）含量（%），Si是粉粒（0.002～0.1 mm）含量（%），Ci黏粒（<0.002 mm）含量%，C 有机碳含量（%），Sn=（1-Sa/100）。

由于提取出砂粒（0.062 5～2 mm），黏粒（＜0.002 mm）和粉粒（0.002～0.062 5 mm）的分类标准不一致，利用三次样条插值方法实现粒径之间的转换[8]。

2.3 LS 值的确定

2.3.1 坡度因子S 坡度提取直接利用ArcGIS 提取坡度[9]。缓坡上选用McCool 等研究的坡度公式，见（2）和式（3）；在陡坡上采用刘宝元的坡度公式，见式（4）。

式中：S 为坡度因子；θ为坡度。

式中λ——坡长（m）（在本研究中利用ArcGis提取）；m——坡长效应指数，当坡度5%，m=0.5。

2.4 C 值的确定

2.4.1 植被盖度c 的提取 研究采用归一化差值植被指数计算植被覆盖度（c）[10-11]。将归一化植被指数（NDVI）公式简化可以得到：

其中：NDVI 为所求像元的归一化植被指数。NDVImin和NDVImax分别为研究区NDVI 的最小值和最大值。此模型是在对光谱信号进行分析的基础上，建立植被指数与植被覆盖度的关系，不依赖于实测数据，适用于本研究。

2.4.2 C 值的计算

利用c 与C 值的关系式：

2.5 因子P 的确定

研究中P 的赋值方法是参照刘得俊等的研究成果[13]（表1）。

表1 退耕还林前后P 值变化

3 结果与分析

3.1 结 果

计算出A 后根据《土壤侵蚀分类分级标准（SL190-2007）》分级，按30 m×30 m 的栅格大小输出土壤侵蚀等级分布图（图2）。

3.2 土壤侵蚀状况分析

从图2 可知，自1999年退耕还林以来，东部地区土壤侵蚀状况减轻，而西部地区土壤侵蚀加重，特别是在村镇聚集的地方。中部是中阳县河谷区，占总面积的2.5%，位于南川河两岸，地形平坦，是全县主要的农业区。西部黄土丘陵区占总面积的43%，多呈梁峁状黄土丘陵，地表破碎，梁峁交错，自然植被稀疏，坡耕地随处可见，水土流失严重，农业生产水平甚低，是中阳县水土流失的主要发生地。从1999年到2005年具体侵蚀情况看表2。

图2 1999年2005年中阳县土壤侵蚀图

表2 中阳县土壤侵蚀矩阵转移分析表

通过计算，得出中阳县1999年平均土壤侵蚀模数为1 525.03 t/（km2·a），属于轻度侵蚀，年度侵蚀量为484.81 万t，2005年为1 878.03t/（km2·a），属于轻度侵蚀，年侵蚀量为597.03 万t。2005年平均侵蚀模数比1999年增加了17.8%。

图3 中阳县1999年与2005年各等级侵蚀量对比。由图3 可以看出，除微度、轻度和重度侵蚀量有减少外，其他3 个等级的侵蚀量都有所增加。其中，微度侵蚀量下降了15.24%，重度侵蚀量下降了13.70%。极强度侵蚀量增加最明显，达到87.5 t。可见，从1999年到2005年中阳县土壤侵蚀有所加强。

图3 中阳县1999年与2005年各等级侵蚀量对比

3.3 原因分析

土壤侵蚀的变化是受自然和人类活动综合作用的结果。对于自然因素，由于本研究区中阳县全县泥沙主要来源是黄土丘陵沟壑区，区内土质疏松，大部分耕地是坡地。虽然地形因子是通用土壤流失方程中对水土流失强度作用贡献最大的因子[14]，但地形随时间的变化较小，在中阳县以面蚀、沟蚀为主，鳞状面蚀和滑坡等重力侵蚀为辅的侵蚀形式，受坡面径流的水里冲刷而产沙剧增，受降雨的影响很大。

对于人类活动因素，主要考虑了工程耕作措施的变化。但为了区分二者对于土壤侵蚀的具体影响，分别模拟了仅考虑降雨因素和仅考虑退耕还来（草）两种情况下2005年的土壤侵蚀情况[1]。其过程和结果如下：（1）仅考虑降雨因素：用2005年的降雨侵蚀力因子与1999年其它因子计算出只有降雨作用下的A 值，计算得出侵蚀模数为3 110.16 t/（km2·a）；（2）仅考虑退耕还林：用2005年的植被覆盖因子与1999年的其它因子计算出只有退耕还林情况下的A 值，计算得出侵蚀模数为2 150.20 t/（km2·a）；（3）降雨和退耕还林都考虑：用2005年的降雨侵蚀力因子和植被覆盖因子与1999年的其它因子计算在降雨和退耕同时影响下的A 值，计算出侵蚀模数为2 308.06 t/（km2·a）。与二者的共同作用结果相比可知，降雨变化加剧了土壤侵蚀，使得侵蚀模数增加34.75%，而退耕还林（草）减少了土壤侵蚀，侵蚀量降低6.84%。

4 结 论

自1999年实施退耕还林到2005年，中阳县土壤侵蚀状况依然加强。主要有以下两个原因：（1）2005年的降雨侵蚀力远远大于1999年，超过了86%，导致土壤侵蚀的加剧，使得侵蚀量增加了34.75%，这种变化主要是降水时空分布不均引起的；（2）退耕还林（草）减少了土壤侵蚀，侵蚀量降低6.84%。结果表明，退耕还林（草）政策的实施对中阳县土壤侵蚀有减少作用，利于该县的生态环境发展。但自然因素例如降雨的作用也不可忽视，甚至在一定情况下会成为土壤侵蚀的主导因子。

5 讨 论

据查相关资料得知，中阳县处于晋西黄土丘陵沟壑区，是国家级贫困县，是山西省57 个水土流失最严重的县之一。中阳县多年平均侵蚀量为1 013.25 万t，侵蚀模数为7 065 t/（km2·a）。由此可见，笔者所计算的土壤侵蚀模数与前人研究存在差异。但是在上世纪90年代以前，计算土壤侵蚀量的主要方法是由水文站根据河水含沙量推算出的输沙模数代替侵蚀模数，缺乏一定科学性[29]。文中的土壤侵蚀模数由于在GIS 提取中是栅格单元的平均值，数值偏小，具体准确数值有待进一步考证。

[1]谢红霞，李 锐，杨勤科，等.退耕还林（草）和降雨变化对延河流域土壤侵蚀的影响[J].中国农业科学，2009，42（2）：569-576.

[2]焦一之，吴志莲.山西省中阳县武家庄水土流失生态修复策略[J].陕西农业科学，2008，（5）：138-139.

[3]章文波，谢 云，刘宝元.用雨量和雨强计算次降雨侵蚀力[J].地理研究，2002，21（3）：385-390.

[4]张海云，王印川，路广平，等.晋东南土石山区降雨侵蚀因子量化研究[J].山西水土保持科技，2000，（4）：26-28.

[5]孙保平，赵廷宁，齐 实.USLE 在西吉县黄土丘陵沟壑区的应用[J].水土保持研究，1990，（2）：50-58.

[6]Williams J R, Renard K D, Dyke P T.EPIC：A new method for assessing erosion’s effect on soil productivity[J].J Soil and Water Conser，1983，38（5）：381-383.

[7]吕喜玺，沈荣明.土壤可蚀性因子K 值的初步研究[J].水土保持学报，1992，6（1）：63-70.

[8]蔡永明，张科利，李双才.不同粒径制间土壤质地资料的转换问题研究[J].土壤学报，2003，40（4）：511-517.

[9]张宏鸣，杨勤科，刘晴蕊，等.基于GIS 的区域坡度坡长因子提取算法[J].计算机工程，2010，36（9）：246-248.

[10]陈 军，黄光庆，周阳品.基于GIS 的区域水土流失评价研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2008，25（2）：201-205.

[11]安培浚，刘树林，领耀文，等.植被指数遥感定量研究—以民勤绿洲为例[J].遥感技术与应用，2005，20（6）：576-581.

[12]才业锦，唐寅，陈正发，等.紫色丘陵区不同种植模式C 因子探讨[J].西南农业大学学报（社会科学版），2010，8（1）：14-17.

[13]刘得俊，李润杰，王文卿，等.基于地理信息系统的西宁市土壤侵蚀监测的实现[J].水土保持研究，2006，13（5）：111-113.

[14]余 江.生态环境影响评价水土流失预测方法应用研究[D].成都：四川师范大学.2001.

[15]赵 济，高起江.晋西黄土高原地区遥感应用研究[M].北京：北京师范大学出版社，1997.

[16]崔 琰，李 锐，杨勤科.浅谈基于GIS 的区域水土流失模型的建立及参数的提取[J].西安文理学院学报（自然科学版），2007，10（2）：14-18.

[17]Wischmeier W H, Smith D D.Predicting rainfall erosion losses.A guide to conservation planning.U.S.[J].Department of Agriculture, 1987, 20（6）: 537.

[18]杨宪杰，李建生，郑国权.土壤侵蚀预测模型研究进展及其在开发建设项目水土流失预测中的应用[J].广东水利水电，2006，（11）：37-39.

[19]张卫国.基于GIS 技术的黄前水库流域水土流失评价[J].安徽农业科学，2008，36（14）：6043-6045.

[20]张 磊，孟亚利.基于GIS 的江苏省太湖流域水土流失评价[J].江西农业学报，2009，21（6）：129-132，142.

[21]顾成军，张海林.基于RS 和GIS 的舒城县土壤侵蚀评价[J].水土保持研究，2009，16（4）：68-71.

[22]高 晶，孟亚利.基于GIS 和RUSLE 的南水北调东线工程江苏段沿线土壤侵蚀定量研究[J].江西农业学报，2009，21（8）：164-168.

[23]陈 琼，吴万贞，周 强，等.基于GIS 的三江源地区土壤侵蚀综合分析[J].安徽农业科学，2010，（27）：14989-14991，15039.

[24]李 铖，李俊祥，朱飞鸽，等.基于RUSLE 的环杭州湾地区土壤侵蚀敏感性评价及关键敏感因子识别[J].应用生态学报2009，20（7）：1577-1584.

[25]王万忠，焦菊英.中国的土壤侵蚀因子定量评价研究[J].水土保持通报，1996，16（5）：1-19.

[26]Liu B Y, Nearing M A, Shi P J, et al.Slope Length Effects on Soil Loss for Steep Slopes.Soil Science of America Journal,2000，（64）：1759-1763.

[27]聂 勇，范建容，贺秀斌，等.水土流失遥感调查中植被信息提取与评价指标讨论[J].水土保持通报，2007，27（4）：10-14.

[28]栾 勇.退耕还林对黄土高原小流域土壤侵蚀控制效果研究[D].北京：北京林业大学.2008.

[29]王德甫，赵学英，姚保顺.黄土高原区土壤侵蚀量的遥感测量方法[J].国土资源遥感，1991，（1）：48-53.