退耕还林还草工程实施对洛河流域土壤侵蚀的影响

崔晓临,雷 刚,王 涛,郝宁燕,付立萌,李贝贝

(西安科技大学 测绘科学与技术学院,西安 710054)



退耕还林还草工程实施对洛河流域土壤侵蚀的影响

崔晓临,雷 刚,王 涛,郝宁燕,付立萌,李贝贝

(西安科技大学 测绘科学与技术学院,西安 710054)

退耕还林还草工程是中国实施的重要生态环境建设与保护工程，对区域植被覆盖及土壤侵蚀产生重要影响。以洛河流域(陕北黄土高原部分)为研究对象，利用流域通用土壤侵蚀方程(RUSLE)，结合流域降雨、土壤类型、DEM、植被覆盖等数据，定量分析了2000—2010年退耕还林还草工程实施对流域土壤侵蚀的影响。结果表明：(1)洛河流域2000—2010年耕地面积减少，林地、草地面积增加，土地利用变化主要发生在2000—2005年；(2)洛河流域2000—2010年土地利用变化导致植被NDVI平均值增大，耕地变化区域植被NDVI值增加幅度高于耕地未变化区域，表明耕地变化区域植被NDVI增加对耕地区域总体植被NDVI值增加贡献较大；(3)降雨侵蚀力和退耕还林还草工程实施对土壤侵蚀具有明显的影响。受降雨侵蚀力增大影响，2000—2010年洛河流域土壤侵蚀呈增加趋势；不考虑降雨侵蚀力变化情况下，洛河流域土壤侵蚀呈减少趋势，反映出退耕还林还草工程实施对土壤侵蚀的减缓作用。

土壤侵蚀; 植被覆盖; RUSLE; 洛河流域

退耕还林还草工程是中国规模较大的生态环境建设与保护工程，旨在改善区域生态环境，促进农村经济结构调整及提高农民生活水平[1]，1999年开始在全国部分县区开展退耕工作。陕北黄土高原是中国水土流失严重、生态环境脆弱区域，退耕还林还草工程实施，对区域植被覆盖以及土壤侵蚀产生了重要影响。尽管退耕政策已实施多年，但土壤侵蚀状况仍较严重，是黄河及其支流泥沙的主要来源地[2]，因此陕北黄土高原土壤侵蚀研究具有重要理论与现实意义。

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程[3]。长期的土壤侵蚀会造成河流泥沙淤积、土地生产力下降，还会加剧洪涝和干旱等自然灾害[4]，因此，土壤侵蚀已成为生态环境建设与保护不可忽视的问题。Wischmeier等[5]提出了通用土壤流失方程，在此基础上一些学者提出了ANSWERS，CREAMS和AGNPS等土壤侵蚀模型[6-8]。20世纪80年代以后，国内研究人员利用美国通用土壤流失方程(USLE)结合GIS(Geographical Information System)和RS(Remote Sensing)技术，根据研究区的实际情况算出因子参数，从而得到土壤侵蚀经验模型。目前来看，尽管已经建立基于中国国情的CSLE(Chinese Soil Loss Equation)模型[9]，但RUSLE模型仍是土壤侵蚀研究当中应用较为广泛的模型[10]。

洛河和延河均是陕北黄土高原地区重要的河流，但延河流域研究明显多于洛河流域，如谢红霞等[11]利用RUSLE模型分析了1997年和2000年延河流域土壤侵蚀状况，认为退耕还林还草工程实施引起的植被覆盖改善以及降雨侵蚀力的增加对流域土壤侵蚀均产生了重要影响，但降雨侵蚀力增加导致的土壤侵蚀量明显高于植被覆盖改善减少的土壤侵蚀量。汪邦稳等[12]利用1986年、1997年和2000年数据分析了延河流域退耕前后土壤侵蚀变化。可见，退耕还林还草工程对延河流域土壤影响受到更多的关注，而洛河流域相对较少。

鉴于谢红霞[11]、汪邦稳[12]等使用数据仅限于2000年前，而第一轮退耕还林还草工程在2008年已经结束，且于2014年底又重启了第二轮，有必要对退耕还林还草工程长期实施对土壤侵蚀影响进行分析，可为新一轮工程实施提供理论支持与政策建议。基于此，本文以研究较少的洛河流域(陕北黄土高原部分)为对象，利用应用较为成熟、广泛的RUSLE模型，结合流域降雨数据、DEM、植被覆盖、土壤类型等数据，分析2000—2010年退耕还林还草工程实施对土壤侵蚀的影响。

1　试验材料与方法

1.1研究区概况

研究对象主要为洛河流域位于陕北黄土高原的部分，地处中国西北部陕西省境内(107°33′—109°51′E，35°19′—37°19′N)，包括榆林地区的定边县和靖边县部分区域，延安地区的吴起县、志丹县、甘泉县、富县、黄陵县和洛川县，以及黄龙县部分区域。流域内海拔为688～1 900 m，西北部地势较高，中部洛河河谷区域地势较低。地貌属黄土丘陵沟壑地貌，植被覆盖南部区域高于北部，且南部区域以林地为主，而北部区域以草地为主。流域所在区域属温带大陆性季风气候，年平均气温为14.1℃，年均降水量为533 mm，降水主要集中在夏秋季节，同时也是土壤侵蚀的高发时期。夏秋季的集中降水、地表植被覆盖状况以及地势、土壤类型等决定了洛河流域也是土壤侵蚀较为严重的区域。

1.2研究方法

1.2.1数据来源研究使用数据包括：(1)陕北黄土高原地区30 m分辨率DEM数据，来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http:∥www.gscloud.cn)。DEM的用途有二:一是利用DEM提取洛河流域范围；二是利用DEM生成坡度，用于计算土壤侵蚀因子。(2)1991—2010年7个站点(榆林、横山、绥德、延安、定边、吴起、洛川)逐日降水数据，结合洛河流域范围，文中选择定边、吴起、延安和洛川4个站点，用于计算2000年、2005年和2010年流域降雨侵蚀力。(3)1∶50万陕西省土壤图，利用洛河流域边界，提取流域土壤类型空间分布图。(4)250 m分辨率MODIS NDVI 13Q1-Level 3数据(2000年、2005年和2010年)，收集自http:∥ladsweb.nasa.gov。(5)陕西省1∶10万土地利用类型矢量图(2000年、2005年和2010年)，来源于“全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估”项目。

1.2.2土壤侵蚀计算土壤侵蚀计算采用RUSLE模型，表达式如下[13]：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A为年均土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可侵蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为地表覆盖因子；P为水土保护措施因子。

(1)降雨侵蚀力因子(R)。R因子反映的是区域内降雨对地表土壤的侵蚀能力。采用章文波等[14-15]提出的计算方法：

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

(4)

式中：Ri为第i年的降雨侵蚀力[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；k为一年中形成侵蚀性降水的天数(d)；Pi为第i天的侵蚀性降雨量(mm)；降雨≥12 mm/d是形成侵蚀性降雨的条件，小于该值则记为0 mm[16]；α和β为系数，由Pd12和Py12计算得到，其中Pd12为降雨≥12 mm/d的多年平均日降雨量(mm)，Py12为降雨≥12 mm/d的年平均降水量(mm)。

(2)土壤侵蚀因子(K)。K因子反映土壤抵抗降雨侵蚀的能力，通过EPIC模型计算[17]:

(5)

式中：M，F，N为土壤中砂粒、粉沙粒和黏粒质量分数(%)；T为土壤有机碳质量分数(%)；δ=1-M/100。计算出的结果乘以0.1317转化为国际制单位。

(3)地形因子(LS)。LS因子包括坡长(L)因子和坡度(S)因子，基于DEM并参考Renard[18]、McCool[19]和Liu[20]等的计算方法得到，计算方法如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：λ为坡长；α为坡长指数；θ为坡度(%)。

(4)植被覆盖因子(C)。C因子反映地表覆盖状况对土壤侵蚀的影响，主要基于MODIS NDVI数据计算得到[21]，计算方法如下：

AVHRR NDVI=0.18MODIS NDVI+0.131

(10)

(11)

式中：α和β取值分别为2，1；C值通过AVHRR NDVI计算得到，需要先将MODIS NDVI转化为AVHRR NDVI再计算。

(5)水土保持措施因子(P)。P因子计算通过以下公式[22]：

P=0.2+0.03θ

(12)

式中：θ为坡度(%)。

2　结果与分析

2.1土地利用变化

洛河流域2000年、2005年和2010年土地利用结构均以林地、草地和耕地为主，三者占流域比例在95%以上，其他用地(水域、建设用地、未利用地)面积比例低于5%。受退耕还林还草工程实施影响，洛河流域2000—2010年林地、草地呈增加趋势，二者所占面积比例分别由2000年的44.48%和33.70%增加到2010年的45.15%和36.86%，分别增加0.66%和3.16%；耕地面积呈减少趋势，面积比例由2000年20.97%减少到2010年的16.87%，减少4.09%(图1A)，可见，2000—2010年洛河流域耕地面积减少最大，而草地面积增加最多。

图1 洛河流域2000—2010年土地利用结构及各时段变化量

变化量上，草地、耕地是洛河流域面积变化量最大的土地利用类型，其次为林地。2000—2010年，洛河流域草地和林地分别由2000年的6 044.21 km2，7 977.26 km2增加到2010年的6 623.81 km2，8 113.07 km2，分别增加了579.60 km2，135.81 km2；耕地面积由2000年的3 759.67 km2减少到2010年的3 032.19 km2，减少727.48 km2(图1B)。变化阶段上，2000—2005年是洛河流域土地利用剧烈变化时期，2005—2010年土地利用变化较缓。具体表现为，2000—2005年林地、草地增加面积分别占2000—2010年总增加面积的92.72%和84.29%，耕地减少面积占93.11%。以上分析表明，2000—2010年洛河流域土地利用以林地、草地和耕地为主，受退耕还林还草工程实施影响，流域内草地面积增加最大，而耕地面积减少最多，并且土地利用剧烈变化主要发生在2000—2005年。

2.2植被NDVI变化

退耕还林还草工程实施引起的洛河流域土地利用变化，必然影响流域内植被覆盖变化，植被NDVI是植被覆盖的重要反映。基于2000—2010年洛河流域耕地数据，获取2000年耕地区域、2000—2010年耕地未发生变化区域和2000—2010年耕地变化区域，结合2000年、2005年和2010年流域MODIS NDVI数据，得到不同耕地区域植被NDVI变化情况，见表1。

由表1可知，洛河流域2000—2010年植被NDVI均值较高，反映出流域内植被覆盖水平较高。对于2000年为耕地的区域，总体上植被NDVI值由2000年的0.501 7增加至2010年的0.625 9，增加24.76%。植被NDVI值的增加得益于退耕还林还草工程实施引起的耕地向林地、草地的转变。结合2000—2010年耕地区域是否发生变化，即2000年是耕地，2010年是否转变为其他土地利用类型，划分为耕地未变化区域和耕地变化区域。可知，2000年耕地区域的植被NDVI变化，受到该两部分区域的影响。对于2000—2010年耕地未变化区域，植被NDVI值由2000年的0.511 6增加至2010年的0.627 5，增加22.65%；而2000—2010年耕地变化区域，植被NDVI值由2000年的0.461 3增加至2010年的0.619 5，增加34.39%。对比可知，2000—2010年耕地未变化区域植被NDVI值明显高于同期耕地变化区域，但耕地变化区域植被NDVI值增加对耕地区域植被NDVI值增加贡献较大。其原因可能为，退耕还林还草工程实施，主要针对坡耕地及生产力较低的耕地，该部分耕地植被NDVI较小；同时，由于耕地转变为林地、草地初期，植被覆盖度较小，植被NDVI值较低，通过较长时间的生长发育，植被覆盖率升高，植被NDVI值逐渐增加。

表1　不同耕地区域植被NDVI均值变化

2.3土壤侵蚀变化

退耕还林还草工程实施，促使洛河流域耕地向林地、草地的转变，从而引起植被NDVI的变化，植被覆盖得到一定程度的改善。对于RUSLE模型估算流域土壤侵蚀，模型中除降雨侵蚀力(R)、植被覆盖和管理因子(C)每年均有变化外，其他因子各年份的变动很小，故不同年份土壤侵蚀的估算值，主要受到R因子和C因子的影响。结合前文可知，退耕还林还草工程实施影响到C因子的变化，而R因子作为自然因素，不受控于人为作用。通过计算R因子可知，2000年、2005年和2010年洛河流域降雨侵蚀力平均值分别为1 236，1 326，1 550 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，呈增加趋势。

利用RUSLE模型计算得到洛河流域2000年、2005年和2010年年土壤侵蚀量，参照国家标准[23]，将土壤侵蚀程度划分为6个等级，分别是1级[微度侵蚀，<1 000 t/(km2·a)]、2级[轻度侵蚀，1 000～2 500 t/(km2·a)]、3级[中度侵蚀，2 500～5 000 t/(km2·a)]，4级[强烈侵蚀，5 000～8 000 t/(km2·a)]、5级[极强烈侵蚀，8 000～15 000 t/(km2·a)]、6级[剧烈侵蚀，≥15 000 t/(km2·a)]。统计各等级所占面积比例及面积比例在研究时段内的变化情况，得到图2A和图2B。鉴于降雨侵蚀力(R)具有增加趋势，为了反映退耕还林还草工程实施的影响，在计算土壤侵蚀时，利用2000年降雨侵蚀力重新计算2005年和2010年土壤侵蚀量，统计各等级面积比例及面积比例在研究时段的变化情况，得到图2C和图2D。

注：A和B利用2000年、2005年和2010年降雨侵蚀力计算得到；C和D利用2000年降雨侵蚀力重新计算得到。

图2洛河流域2000-2010年不同土壤侵蚀等级面积比例及变化

图2A和图2C表明，洛河流域2000—2010年土壤侵蚀以微度、轻度和中度侵蚀为主，其中微度侵蚀面积占80%以上，强烈、极强烈和剧烈侵蚀面积比例均较小。2000年、2005年和2010年降雨侵蚀力计算结果表明，洛河流域2000—2010年除微度侵蚀面积呈减少趋势外，其他各土壤侵蚀等级均呈增加趋势，同时可以看出，2005—2010年是土壤侵蚀减少和增加的主要时期(图2A和图2B)。利用2000年降雨侵蚀力重新计算2005年和2010年土壤侵蚀，结果表明，与图2A和图2B结果相反，除微度侵蚀呈增加趋势外，其他各土壤侵蚀等级均呈减少趋势，且2000—2005年是土壤侵蚀增加和减少的主要时期。

图2B反映出受到降雨侵蚀力增加及植被覆盖改善影响，洛河流域2000—2010年土壤侵蚀呈增加状况；图2D反映出，当降雨侵蚀力维持在2000年水平时，洛河流域2000—2010年土壤侵蚀受植被覆盖改善的影响，表现为土壤侵蚀的减少。综合二者可以认为，降雨侵蚀力和植被覆盖对土壤侵蚀具有显著的影响，洛河流域2000—2010年降雨侵蚀力对土壤侵蚀的增加作用明显高于植被覆盖的减少作用，总体呈现为土壤侵蚀增加趋势。

2.4结果验证

查阅黄河水资源和泥沙公报(2000—2010年)中洛河流域状头水文站2000—2010年年径流量和年输沙量数据(http:∥www.yellowriver.gov.cn)，绘制得到图3。洛河流域2000—2010年年径流量呈波动变化，但总体变化维持在6亿m3左右，但年输沙量呈明显的减少趋势(图3)。

图3　洛河流域状头水文站2000-2010年年径流量和年输沙量变化

在年径流量变动不大情况下，年输沙量呈显著的减少趋势，反映出洛河流域2000—2010年土壤侵蚀呈下降趋势，显然文中RUSLE模型计算的土壤侵蚀结果与水文站实测结果存在差异。原因可能为RUSLE模型计算得到土壤侵蚀结果是空间静态状况，与实际河流的输沙量之间存在不一致性，二者之间需要通过坡面径流相联系，计算结果表明土壤侵蚀呈增加趋势，而实测结果为减少趋势，可能与退耕还林还草工程实施引起的地表植被覆盖改善，减缓坡面径流、涵蓄水源能力增加有关。

3　结 论

(1)洛河流域2000—2010年耕地面积减少，共减少727.48 km2，减少4.09%；林地、草地面积增加，分别增加579.60，135.81 km2，增加0.66%和3.16%；洛河流域土地利用变化主要发生在2000—2005年期间。

(2)洛河流域2000—2010年土地利用变化提高了植被平均NDVI值，流域内耕地区域植被NDVI值增加了24.76%，其中，耕地变化区域植被NDVI值增加34.29%，高于耕地未变化区域的22.65%。表明耕地变化区域植被NDVI增加对耕地区域总体植被NDVI值增加贡献较大。

(3)降雨侵蚀力和退耕还林还草工程实施对土壤侵蚀具有明显的影响。受降雨侵蚀力增大影响，2000—2010年洛河流域土壤侵蚀呈增加趋势；不考虑降雨侵蚀力变化情况下，洛河流域土壤侵蚀呈减少趋势，反映出退耕还林还草工程实施对土壤侵蚀的减缓作用。

致谢：非常感谢西北大学城市与环境学院杨勤科教授、评审专家及编辑部老师提出的宝贵建议，感谢澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO Land and Water)傅国斌研究员对文章英文摘要的修改。特此致谢！

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Impacts of Grain for Green Project on Soil Erosion in Luohe River Basin of Northern Shaanxi Province,China

CUI Xiaolin,LEI Gang,WANG Tao,HAO Ningyan,FU Limeng,LI Beibei

(College of Geomatics,Xi′an University of Science and Technology,Xi′an 710054,China)

Grain for Green Project (GGP)is an important ecological and environmental construction and protection engineering project in China,and it has great influence on vegetation cover and soil erosion.The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE),together with precipitation,soil type,DEM and vegetation cover,was used to investigate the impacts of GGP on soil erosion from 2000 to 2010 in Luohe River Basin,northern Shaanxi Province,China.Results showed that: (1)farmland decreased while forestland and grassland increased due to GGP,and land use change mainly occurred from 2000 to 2005; (2)the increase of vegetation NDVI value induced because of land use change from 2000 to 2010 in Luohe River Basin,and the increase rate of vegetation NDVI in farmland changing area was higher than that in the unchanged area; (3)both rainfall erosivity and GGP implementation have the significant impact on soil erosion.The increase of soil erosion in Luohe River Basin during 2000—2010 mainly resulted from the increase of rainfall erosivity.If rainfall erosivity keeps constant,then soil erosion in the basin would decrease because of the effects of GGP on soil erosion.

soil erosion; vegetation cover; RUSLE; Luohe River Basin

2015-09-15

2015-10-05

国家自然科学基金资助项目(41271103);黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室开放基金项目(A314021402-1616);西安科技大学培育基金资助项目(2014007);西安科技大学博士启动金项目(2015QDJ061)

崔晓临(1965—),女,陕西宝鸡人,博士,副教授,主要从事土地利用变化与环境效应研究。E-mail:xiaolin_cui@xust.edu.cn

王涛(1984—),男,河南汤阴人,博士,讲师,主要从事区域环境变化研究。E-mail:wht432@163.com

S157.1

A

1005-3409(2016)05-0068-06