陕西省土壤侵蚀模数计算与空间分布特征

李雄飞

（陕西省水土保持生态环境监测中心 陕西 西安 710004）

1 引言

土壤侵蚀是影响全球陆表生态质量的重要因素，是限制当今人类生存与发展的全球性环境问题之一，严重制约着全球社会经济可持续发展[1]。由于土壤侵蚀，大量土壤资源被蚕食和破坏，沟壑日益加剧，土层变薄，大面积土地被切割得支离破碎，耕地面积不断缩小。因此，防治水土流失，保护和合理利用水土资源是建立良好的生态环境，走农林业生产可持续发展的一项根本措施，是国土整治的一项重要内容。陕西处于黄土高原腹地，地貌类型复杂多样，农牧、农林交错特征明显，土地利用类型多种多样，长期以来流水侵蚀和风沙侵蚀造成土壤流失问题十分严重。陕西由陕北黄土高原、关中平原和陕南秦巴山地三个地貌单元组成。以该区域作为研究对象来探讨土壤侵蚀强度的时空变化特征，具有较强的代表性。

在土壤侵蚀定量监测方面，土壤侵蚀模数的确定方法包括：模型法、统计法、同位素法[2-5]、遥感法等。模型法包括通用土壤流失方程（USLE）、WEPP（watererosion predictionproject）模型等，这些方法需要比较完整的各类观测资料，并且在模型率定时模型参数的确定比较困难；统计学方法需要比较完整的统计资料，同时，统计学方法只能用于表述一般性规律，而对于突变时刻的土壤侵蚀监测仍存在很大不足；遥感法是根据土壤的波谱特征确定的，不同深度的土壤由于其组分的差异，波谱也存在差异，虽然快捷，但由于不同深度土壤的波谱差别并不是很明显，故而这种方法的精度很受限制。由于以上方法在数据要求、应用尺度、计算精度等方面存在局限，本研究对侵蚀模数的计算，采用河道年输沙量推算所在流域土壤侵蚀模数的方法，编制陕西土壤侵蚀模数图，并分析其时空分布特征，研究结果将为陕西省水土保持生态环境建设提供决策依据。

2 数据和方法

2.1 数据介绍

本次计算共收集到19条河流的河流泥沙观测资料，其中属黄河流域的河流16条，长江流域的河流3条，河流上共有水文测站62个，可以代表陕西境内河流径流泥沙特征，缺失观测资料的站利用径流—泥沙关系曲线和回归方程进行延长计算。收集到陕西省2005年水库普查资料864组的水库拦淤泥沙资料，大型水库5座，中型54座，小(1)型209座，小(2)型578座。收集到陕西省2009年淤地坝普查资料10425组，其中，特大型坝1座，骨干坝2391座，大(1)型507座，大(2)型1015座，中型6511座。本研究还用到陕西省1979年土壤侵蚀统计资料。

2.2 研究方法

2.2.1 计算方法

（1）黄河流域侵蚀模数计算。

流域侵蚀模数以支流（测站）为单元、按泥沙输移比为1进行计算。

式中，Ms——流域土壤侵蚀模数，t/（km2·a）；

R——河流输沙模数，t/（km2·a）；

D1——水库淤积总量，m3；

D2——淤地坝淤积总量，m3；

V——淤积泥沙容重，取1.35t/m3；

S——流域面积，km2；

T——水库，淤地坝淤积年限，a。

（2）长江流域侵蚀模数计算。

流域侵蚀模数以支流（测站）为单元、按泥沙输移比0.455进行计算。

式中，Ms——流域土壤侵蚀模数，t/（km2·a）；

R——河流输沙模数，t/（km2·a）；

D——水库淤积总量，m3；

V——淤积泥沙容重，取1.35t/m3；

S——流域面积，km2

T——水库淤积年限，a，

r———泥沙输移比，取0.455。

（3）跨省流域（泾河入口站：杨家坪、景村、张河和张家山；窟野河入口站为新庙站；北洛河入口站为张村驿；渭河入口站为林家村；黄河水系出口站：皇埔川、高石崖、温家川、高家川、申家湾、白家川、延川、甘谷驿、大村、新市河、状头、华县、灵口；长江水系出口站为：白河、荆紫关、略阳），侵蚀模数的计算公式为：

式中，Ms——流域土壤侵蚀模数，t/（km2·a）；

R出——出省河流输沙模数，t/（km2·a）；

R入——入省河流输沙模数，t/（km2·a）；

D——水库淤积总量，m3；

V——淤积泥沙容重，取1.35t/m3；

T——水库淤积年限，a。

对跨省河流无入站口的流域按下式求算：

式中，S1——省内测站控制面积，km2；

S2——流域面积，km2；

X1——省内控制面积产沙量，万t；

X2——流域输沙量，万t。因此：

式中符号意义同上。

2.2.2 数值率定与插补

（1）泥沙数据缺失插补。

对缺失观测资料的站如志丹和麻街，利用径流—泥沙关系曲线和回归方程进行延长。

（2）水库淤积量。

统计已有资料，并求出其年平均淤积量。当水库竣工时间在1980年以前时，用淤积总量减去相应时段的淤积量；当水库泥沙调查时间不到2009年时，延长缺失年的淤积量。这样水库淤积量则为：

D=(D总-D前)+D延

（3）淤地坝淤积量计算。

统计已有资料，并求出其年平均淤积量。淤地坝竣工时间在1980年以前时，用淤积总量减去相应的淤积量。

D=D总-D前

3 结果和分析

基于GIS软件Arc/Info9.3，以陕西省1/250000水系图为底图，将陕西各站点计算的土壤侵蚀模数按测站控制流域范围填图，并按陕西省2005年《陕西省水土保持公报》土壤侵蚀强度分级标准进行图斑归并后，形成1980年～2009年平均土壤侵蚀模数图。根据水利部颁发的土壤侵蚀强度分级标准，按年平均侵蚀模数(单位:t·km2)，土壤侵蚀强度分为6级(即微度<500、轻度500～2500、中度2 500～5000、强度5000～8000、极强度8 000～15000、剧烈>15000)，如图1。

图1 陕西省1980年～2009年平均土壤侵蚀模数图

由图1可以看出：在图中，从流域尺度可见剧烈侵蚀主要出现在窟野河下游、无定河下游处，极强烈侵蚀主要出现在无定河流域，在无定河中下游、泾河上游以及延河流域表现为强烈和极强烈的侵蚀，渭河流域、汉江流域以及丹江部分流域的侵蚀级别比较低，渭河流域为轻度侵蚀，汉江流域以及丹江流域为微度侵蚀，嘉陵江上游为中度侵蚀。延河流域是一个分界线，延河流域以北是强烈或剧烈的侵蚀类型，以南则是微度或轻度的侵蚀类型；从行政区划角度可见：出现剧烈以及极强烈侵蚀的地区主要集中在陕北部分地区，尤其是府谷、子长、清涧、延川，延安、定边、志丹、延长、彬县、长武属于强烈侵蚀，相比较而言，关中以及陕南的土壤侵蚀情况比较轻微，其中关中地区的侵蚀情况最轻。出现这种结果的原因主要是：陕北地区属于黄土高原区，土壤的组分为黄土，比较疏松，并且陕北地区存在风蚀以及水蚀两种侵蚀作用。此外，陕北地区的植被结构比较差，而关中平原以及陕南秦巴山地的植被覆盖良好。在图中靠近内蒙古毛乌素沙漠处，土壤侵蚀情况较周围区域出现了反常，表现为微度或轻度的侵蚀，出现这一现象的原因主要是对于日益严重地沙尘暴问题，国家对毛乌素沙漠采取了一系列强有力的治理。此外，关中地区的长武和彬县与周围相比较，亦出现了反常，此处的侵蚀类型为中度以及强烈侵蚀，出现这一现象的原因在于长武县位于陕西省西北黄土高原丘陵沟壑区，是渭北与陇东高原结合部的过渡地带，并且植被覆盖率比较低，彬县位于陕西省西北陇东黄土高原塬梁丘陵沟壑区，仅南部山区残存少量的天然次生灌木林，绝大部分为人工植被，控制水土流失的能力较差。

表1 陕西省1978年～2009年土壤侵蚀强度对比表

根据表1，与基准期1978年相比较，1980年～2009年变化期剧烈侵蚀、极强烈侵蚀和次强度侵蚀的面积明显缩小，不明显侵蚀、微度侵蚀、中度侵蚀的面积扩大，尤其是轻度侵蚀和不明显侵蚀，虽然强度侵蚀的面积有所增加，但轻度侵蚀的面积有所缩小，陕西省土壤侵蚀程度整体上有所减少，高强度侵蚀类型在各种人类活动的干预下逐渐转向轻度以及微度侵蚀。

陕西土壤侵蚀存在纬度梯度变化的现象，从陕北到关中再至陕南，侵蚀强度在变弱，其中关中地区的土壤侵蚀表现最弱，陕北地区表现十分剧烈，这是由于陕北存在风蚀和水蚀两种侵蚀作用，并且陕北的植被结构比较差，较之，陕南以及关中的植被结构良好；此外陕西的水土流失现象得到了很好的治理，比较剧烈的侵蚀类型在各种人类活动的干预下逐渐转向轻度以及微度侵蚀，但从水土流失面积与侵蚀量上看，陕西水土保持工作仍需稳步前进。

基于本次研究成果编制土壤侵蚀公报并进行发布，能够让公众了解陕西省不同区域的土壤侵蚀情况，可提高水土保持工作的全社会重视的程度，为后期水土流失治理和水土保持生态环境监测奠定基础。在后续的研究中，应对整个研究区，根据不同时段计算土壤侵蚀模数，结合各时段陕西水土保持工作的数据，分析陕西水土保持工作的具体效益，掌握最有效的水土保持途径。同时根据流域植被结构、土壤成分以及地形情况对整个研究区进行分区研究，各区单元内制定不同的治理方案[6-11]，根据不同强度水土流失面积以及水土流失总面积，补充和完善各治理方案。

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