淮河流域国家水土保持重点工程土壤侵蚀防控效果

邢伟,胡续礼,张荣华,刘霞,袁利,杜子龙,张光灿

(1.山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,山东农业大学林学院,271018,山东泰安;2.水利部淮河水利委员会, 233001,安徽蚌埠;3.南京林业大学林学院,210037,南京;4.山东省水文局,250002,济南)

淮河流域国家水土保持重点工程土壤侵蚀防控效果

邢伟1,胡续礼2,张荣华1,刘霞3†,袁利2,杜子龙4,张光灿1

(1.山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,山东农业大学林学院,271018,山东泰安;2.水利部淮河水利委员会, 233001,安徽蚌埠;3.南京林业大学林学院,210037,南京;4.山东省水文局,250002,济南)

为探讨国家水土保持重点建设工程对项目区土壤侵蚀的防控作用,以淮河流域沂蒙山大峪小流域项目区和大别山桃岭小流域项目区为对象,采用遥感调查和地面调查相结合的方法,研究重点工程实施后,项目区土壤侵蚀状况的变化,分析不同措施对土壤侵蚀的防控效果,以期为认识和评价国家水土保持重点建设工程的实施效果提供参考。结果表明:1)2个项目区在重点工程实施后,土壤侵蚀面积和土壤侵蚀模数大幅度降低。沂蒙山大峪项目区和大别山区桃岭项目区土壤侵蚀面积消减率为88.9%和76.3%,侵蚀模数降低率76.7%和72.1%,侵蚀模数降低到243和314 t/(km2·a)。土壤侵蚀防控效果以沂蒙山大峪项目区高于大别山桃岭项目区,主要原因与2项目区实施的防治措施配置不同,以及与不同防治措施对土壤侵蚀防控效果的差别有关。2)重点工程不同防治措施对土壤侵蚀的防控效果,以梯田工程措施和水平阶工程措施明显大于封禁补植措施。2项目区中,坡耕地梯田工程区的土壤侵蚀模数降低率82.5%和83.8%,坡式林地水平阶工程区(大别山区桃岭项目区)的土壤侵蚀模数降低率70.3%,疏林地封禁补植区的土壤侵蚀模数降低率39.5%和55.2%。

土壤侵蚀;水土保持重点工程;梯田工程;坡式林地;水平阶工程;沂蒙山大峡谷;大别山桃岭.

我国的水土保持重点建设工程(以下简称“重点工程”),起源于1983年国家安排专项资金实施的全国八大片水土流失重点治理[1],是我国目前正在大规模实施的以小流域(或片区)为单元的水土流失综合治理工程。重点工程在分期规划的基础上,以国家重点项目的方式,进行实施和管理,以小流域(或片区)为单元,进行项目实施方案设计和施工[2-8],目前已规划实施到第五期工程(2013—2017年)。在重点工程项目的实施过程中,国家和地方投入了较大的财力、物力和人力,但迄今为止,针对重点工程项目实施效果开展的调查和研究还很少,现有的报道[4-8]还局限于对重点工程项目实施措施、经验和效果方面的总结。而对重点工程实施后,项目区土壤侵蚀的变化状况,以及不同工程措施对土壤侵蚀的防控效果,缺乏专门的研究;因此,调查研究重点工程对项目区土壤侵蚀的防控效果,对深入认识和评价重点工程的水土保持效果,具有重要意义。

淮河流域沂蒙山区和大别山区的水土流失严重,是重点工程实施的主要区域,区内坡耕地和坡式经济林地(简称“坡式林地”)是水土流失的主要源地和重点工程治理的主要对象[9-11],梯田工程是治理坡耕地水土流失的重要措施[4,8]。目前,已有研究[12-15]利用径流小区观测或样地调查的方法,报道梯田工程措施在拦蓄地表径流、减少土壤流失、保持土壤养分、增加土壤入渗以及促进作物增产等方面的作用;但未见关于梯田工程对区域土壤侵蚀防控效果方面的报道。

笔者以淮河流域沂蒙山区和大别山区,2010年实施的水土保持重点工程项目为对象,分别选取沂蒙山区沂水县和大别山区金寨县具有代表性的项目区(小流域片区),利用遥感调查与地面调查相结合的方法,分析重点工程实施后,项目区土地利用结构的变化,以及土壤侵蚀状况的变化,阐明重点工程实施对项目区土壤侵蚀的防控效果,以期为深入认识和评价水土保持重点建设工程的实施效果提供依据。

1 研究区概况

研究区位于淮河流域山东省沂蒙山区沂水县大峪小流域和安徽省大别山区金寨县桃岭小流域。

大峪小流域位于E 118°34＇～118°36＇,N 35°55＇～35°58＇,属淮河流域沂河水系,海拔在175.0～469.2m。属北暖温带季风气候区,多年平均降水量765.1mm,降水多集中在6—9月份,占全年总降水量的75%左右,年平均气温12.3℃。地质岩性多为花岗岩和片麻岩,土壤种类以棕壤土为主。植被类型属于暖温带落叶阔叶林,流域内坡耕地较多,且分布集中,土地产出率低,水土流失严重。该流域属于全国水土保持区划[16]中的鲁中南低山丘陵土壤保持功能区,属于全国水土流失重点防治区复核划分[17]中的国家级重点治理区。

桃岭小流域位于E 115°41＇～115°46＇,N 31°32＇～31°36＇,属淮河流域史河水系,海拔在140.0～430.0m。属北亚热带湿润气候区,多年平均降水量1 380.0mm,尤以7月份最多,年平均气温15.6℃。地质岩性多为花岗岩和片麻岩,土壤种类有地带性黄棕壤土、非地带性土壤水稻土等,植被类型属于暖温带落叶阔叶林向亚热带常绿阔叶林过渡类型。流域内林地(疏林地)、坡耕地和坡林地(坡式经济林)较多,水土流失严重。该流域属全国水土保持区划[16]中的桐柏大别山山地丘陵水源涵养保土功能区,属于全国水土流失重点防治区复核划分[17]中的国家级重点预防区。

2 研究方法

在研究区内,以2010年实施的重点工程项目区为对象,于2009年和2013年4月份,利用2.5m分辨率的SPOT5正射影像和1∶1万地形图为基础资料,基于“3S”技术平台,采用土壤侵蚀3因子(土地利用类型、地面坡度和植被盖度)综合评判法[18]和实地调查验证相结合的方法,分析重点工程实施前后项目区土壤侵蚀状况的变化。项目区为小流域片区,以下称沂蒙山大峪项目区和大别山桃岭项目区。

依据GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》[19],水利部SL 665—2014《北方土石山区水土流失综合治理技术标准》[18],结合项目区土地利用的实际情况,划分项目区土地利用类型,建立不同土地利用类型的遥感影像解译标志,在ARCgis 10.2平台上,利用人机交互式解译方法,获得不同土地利用类型的面积与空间分布状况。

依据水利部颁布的技术标准[18],划分地面坡度等级,基于项目区数字高程模型(DEM)和实地调查,获得不同等级地面坡度的面积与空间分布;基于项目区遥感影像提取归一化植被指数(NDVI)[20-21],经实地调查和计算,获得不同级别林草盖度的面积与空间分布。基于项目区土壤侵蚀3因子的空间分布状况,按技术标准中土壤面蚀强度分级,获得重点工程实施前后项目区总体和不同土地利用类型的侵蚀强度分布。依据技术标准中土壤水蚀强度分级的土壤侵蚀模数范围,取其平均值,利用不同侵蚀强度的面积进行加权平均,估算项目区总体和不同土地利用类型区的平均侵蚀模数。

土壤侵蚀面积消减率为土壤侵蚀消减面积(重点工程前后侵蚀面积之差)与原有土壤侵蚀面积之比,土壤侵蚀模数降低率为土壤侵蚀模数降低值(重点工程前后侵蚀模数之差)与原有土壤侵蚀模数之比。

3 结果与分析

3.1项目区土地利用类型的变化

3.1.1土地利用类型与工程实施措施的划分 在依据国家标准[19]进行Ⅰ、Ⅱ级土地利用分类的基础上(表1),结合项目区重点工程实施的主要措施和土地利用变化的实际情况,参照水利部颁布的技术标准[18],将土地利用Ⅱ级类中的旱地分为坡耕地和梯田,果园分为坡式经济林(简称坡式林地)和阶式经济林地(简称阶式林地),林地中的其他林地具体为疏林地,农村道路为生产道路,水工建筑用地为排蓄水设施用地。同时,将重点工程项目区实施的防治措施分为4种类型,即坡耕地梯田工程、坡林地水平阶工程、疏林地封禁补植和排蓄水工程。

有关坡式林地、疏林地、排蓄水设施用地的具体含义详见文献[9,18]。本文所称的“阶式林地”,是大别山项目区对坡式经济林地(多为板栗林分)实施水平阶整地工程改造后的经济林地;“排蓄水工程”包括梯田工程、水平阶工程配套修建的坡地排水沟、沉砂池和蓄水池,以及在沟道内修建的小型堰坝。

3.1.2重点工程实施后土地利用结构的变化 由表2和表3看出,在重点工程实施以前(2009年),2个项目区的土地利用结构具有明显差别。在沂蒙山大峪项目区(表2和图1(a)),土地利用类型以坡耕地面积比例较大,为项目区的72.3%。大别山桃岭项目区(表3和图2(a)),以疏林地和坡耕地较多,分别占项目区面积的43.4%和35.8%,另有占项目区面积14.7%的坡式林地。这表明2个项目区需要重点治理的主要对象(土地利用类型)不同,在沂蒙山大峪项目区主要为面积较大的坡耕地,而在大别山桃岭项目区,既有坡耕地和坡式经济林地,还有面积较大的疏林地。

表1　项目区土地利用类型及重点工程实施措施Tab.1 Types of land use and measures of the national key project in project area

表2　沂蒙山大峪项目区不同土地利用类型面积变化转移矩阵Tab.2 Transfermatrix of area changes of different land use types in Dayu project region of Yimengmountain hm2

2013年重点工程实施以后,2个项目区的土地利用结构发生了明显变化(图1和图2、表2和表3)。在沂蒙山大峪项目区,主要是将占地比例较大的坡耕地修建为水平梯田,梯田占地比例增加到90.0%。在大别山桃岭项目区,主要是将坡耕地和坡式林地改造为水平梯田和阶式林地,两者占地比例增加到49.5%。同时,2个项目区生产道路和拦蓄水设施都有不同程度的增加。这种土地利用结构的变化,反映出2个项目区实施的防治措施有所不同,但都有利于项目区水土保持设施条件和土壤侵蚀状况的改善。

3.2项目区土壤侵蚀状况的变化

3.2.1项目区总体土壤侵蚀状况的变化 2013年水土保持重点工程实施后,2个项目区的土壤侵蚀状况发生了明显改善(图3和图4、表4和表5),表现为土壤侵蚀面积、侵蚀强度和侵蚀模数均有较大幅度降低。在沂蒙山大峪项目区,土壤侵蚀面积比由96.4%降低到10.7%,土壤侵蚀面积消减率为88.9%,侵蚀强度全部降低为轻度侵蚀等级,侵蚀模数降低到243 t/(km2·a),侵蚀模数降低率为76.7%。在大别山桃岭项目区,土壤侵蚀面积比由90.3%降低到21.4%,土壤侵蚀面积消减率76.3%,侵蚀强度降低为轻度等级为主,占侵蚀面积的88.6%,侵蚀模数降低到314 t/(km2·a),侵蚀模数降低率为72.1%。

表3　大别山桃岭项目区土地利用类型变化转移矩阵Tab.3 Transfermatrix of area changes of different land use types in Taoling project region of Dabiemountain hm2

图1　沂蒙山大峪项目区重点工程实施前(a)后(b)土地利用类型变化Fig.1 Change of land use types before(a)and after(b)the national key project in Dayu project region of Yimengmountain

图2　大别山桃岭项目区重点工程实施前(a)后(b)土地利用类型变化Fig.2 Change of land use types before(a)and after(b)the national key project in Taoling project region of Dabiemountain

图3　沂蒙山大峪项目区重点工程实施前(a)后(b)土壤侵蚀强度变化Fig.3 Change of soil erosion before(a)and after(b)the national key project in Dayu project region of Yimengmountain

图4　大别山桃岭项目区重点工程实施前(a)后(b)土壤侵蚀强度变化Fig.4 Change of soil erosion before(a)and after(b)the national key project in Taoling project region of Dabiemountain

表4　重点工程实施前后项目区总体土壤侵蚀状况的变化Tab.4 Change of total soil erosion in project before and after the national key project

表5　项目区不同土壤侵蚀强度变化转移矩阵Tab.5 Transfermatrix of changes of different soil erosion intensity in project region_______________%

上述结果表明,2项目区对土壤侵蚀状况的改善程度有所不同,以沂蒙山大峪项目区的大于大别山桃岭项目区。其原因与2个项目区实施的防治措施配置不同,以及不同防治措施对土壤侵蚀防控效果的差别有关。

3.2.2不同措施类型区土壤侵蚀的变化 由表6可知,重点工程项目区实施的不同防治措施(坡耕地梯田工程、坡式林地水平阶工程、疏林地封禁补植),对土壤侵蚀的防控效果有一定差别。在坡耕地梯田工程实施后,沂蒙山大峪项目区和大别山桃岭项目区的土壤侵蚀面积消减率达到96.5%和79.5%,侵蚀模数降低率达到82.5%和83.8%,侵蚀模数值降低至214～282 t/(km2·a)。在疏林地封禁补植区,2项目区的土壤侵蚀面积消减率为36.9%和68.1%,侵蚀模数降低率为39.5%和55.2%,侵蚀模数降低到414和382 t/(km2·a)。坡式林地实施水平阶工程后,大别山桃岭项目区土壤侵蚀面积消减率为90.4%,侵蚀模数降低率为70.3%,侵蚀模数降低至238 t/(km2·a)。

表6　重点工程不同措施类型区土壤侵蚀状况的变化Tab.6 Change of soil erosion in differentmeasures in the national key project

上述结果表明,不同防治措施对土壤侵蚀的控制程度,以梯田工程措施和水平阶整地措施明显大于封禁补植措施。

4 讨论与结论

大别山区和沂蒙山区属于不同的气候区,其水土保持主导基础功能[16]分别属于水源涵养保土功能区和土壤保持功能区,水土流失重点防治分区[17]分别属于国家级的重点预防区和重点治理区,因而在水土流失的发生特点及防治需求上有所不同[9]。在沂蒙山区,水土流失的主要源地是规模较大的坡耕地以及坡式梯田;而在大别山区,水土流失源地除了坡耕地之外,还有较大面积的疏林地和坡式林地[9-11]。研究结果表明,2个项目区在防治措施类型及配置规模上有所差别:沂蒙山区大峪项目区,以实施梯田工程措施治理坡耕地为主,梯田工程面积占项目区面积的72.3%;大别山桃岭项目区,以疏林地封禁补植措施面积较大,占项目区面积的43.4%,坡耕地梯田工程和坡式林地水平阶工程面积占项目区的35.8%和14.7%。表明2个项目区的防治措施及配置,反映了沂蒙山区和大别山区的水土流失防治特点[9,16-17],具有区域代表性和典型性。

在重点工程对2个项目区总体土壤侵蚀的防控效果上,沂蒙山大峪项目区的土壤侵蚀面积消减率和侵蚀模数降低率为88.9%和76.7%,高于大别山桃岭项目区的76.3%和72.1%。这与2个项目区防治措施配置不同,以及不同防治措施对土壤侵蚀防控效果的差别有关。在2个项目区内,梯田工程措施的土壤侵蚀防控效果较高,侵蚀模数降低率为82.5%和83.8%,而封禁补植措施的土壤侵蚀防控效果相对较低,侵蚀模数降低率为39.5%和55.2%;因此,在项目区总体土壤侵蚀防控效果上表现为,梯田工程规模较大的沂蒙山大峪项目区高于梯田工程规模相对较小的大别山桃岭项目区。这表明梯田工程实施规模较大的重点工程项目区,对土壤侵蚀的防控效果较高。

需要说明的是,本研究结果还局限于重点工程实施初期(3年)对项目区土壤侵蚀的防控效果。随着重点工程实施年限增加,封禁补植措施下,疏林地的林草植被状况会不断改善[22-24],对土壤侵蚀防控作用会逐渐增大,项目区总体的土壤侵蚀防控效果也会提高,但不同年限防控效果的具体变化还需进一步研究。坡式林地是淮河流域大别山区水土流失的主要源地之一,目前有关坡式林地水土流失治理效果的报道还很少。研究结果表明,坡式林地实施水平阶工程后的土壤侵蚀模数降低率为70.3%,林地侵蚀模数可降至238 t/(km2·a)。关于其他区域的坡式林地治理,对水土流失的控制效果,还需要开展调查研究。

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Control effects of the national key project of soil and water conservation on the soil erosion in Huaihe River Basin

XingWei1,Hu Xuli2,Zhang Ronghua1,Liu Xia3,Yuan Li2,Du Zilong4,Zhang Guangcan1

(1.The Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration of Shandong Province,College of Forestry,Shandong Agricultural University,271018,Tai＇an,Shandong,China;2.Soil and Water Conservation Division of Huaihe River Commission ofWater Resources Ministry,233001,Bengbu,Anhui,China;3.College of Forestry,Nanjing Forestry University,210037,Nanjing,China; 4.Hydrographic Office of Shandong Province,250002,Jinan,China)

[Background]The national key project has been implemented in the fifth period(2013—2017),taking up a lot of financial,material resources and manpower,however,the investigation and research about the control effects of the national key project on soil erosion were not conducted yet. Therefore,the study of the control effect of the national key project of soil and water conservation on soilerosion in the two project regions may provide the reference for understanding and evaluation of the national key project.[M ethods]In this study,we selected two typical project areas,Yimengmountain area of Shandong Province and Dabie mountain area of Anhui Province,in Huaihe River Basin.Using remote sensing and ground survey to study the change of soil erosion in the project status after the national key project,and analyzing the effect of soil erosion in project regionswith differentmeasures.[Results] 1)The reduction rates of soil erosion area in Dayu project region of Yimengmountain and Taoling project region of Dabie mountain were 88.9%and 76.3%respectively,the reduction rates of soil erosion modulus were 76.7%and 72.1%,and soil erosionmoduluswere 243 t/(km2·a)and 314 t/(km2·a). The effect of prevention and control of soil erosion in Dayu project region was higher than in Taoling project region,which mainly resulted from two reasons:the allocations of themeasures in 2 regionswere different,and the control effects of the differentmeasures varied.Yimengmountain and Dabiemountain belonged to two different climatic regions,correspondingly,their leading foundations of soil and water conservation were in different functional areas.Therefore,the occurrence characteristics of soil and water loss,and the prevention and controlmeasures of soil erosion were different.2)The reduction rate of soil erosion modulus in the terraced project of slope farm land on the 2 regions was 82.5%and 83.8% respectively.The reduction rate of soil erosionmodulus in the level-terrace projectof afforested slope land was 70.32%.The reduction rate of soil erosion modulus in the enclosure and replanting,and in open forest land was 39.5%,and 55.2%respectively.[Conclusions]There were great reductions of soil erosion and soil erosion modulus after the national key project implemented in the two project regions. The prevention and control effects of soil erosion with differentmeasures were different in the regions of the national key project.The effects of prevention and control of soil erosion in terrace project and levelterrace project were much better than enclosure and replanting,and terrace project better than levelterrace project.

soil erosion;the national key project of soil and water conservation;terraced project;slope forest;level-terrace project;Yimengmountain area;Dabiemountain area

S157.2

A

1672-3007(2016)02-0137-10

10.16843/j.sswc.2016.02.018

2015-09-21

2015-11-04

项目名称:南京林业大学高层次人才引进项目“北方土石山区坡耕地与坡林地土壤侵蚀特征及土壤物理机制”(GXL2014069);水利部全国水土流失动态监测项目“淮河流域国家级重点防治区水土流失动态监测”(SBJ2015008);水利部淮河水利委员会水土保持管理科技项目“淮河流域国家水土保持重点建设工程区水土流失问题与防治对策研究”(HWSBC2015002)

邢伟(1990—),男,硕士研究生。主要研究方向:水土保持监测。E-mail:xingweiwei05@163.com

简介:刘霞(1971—),女,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:水土流失监测与评价。E-mail:liuxia@njfu. edu.cn