退耕还林还草情境下的土壤侵蚀——以宁夏彭阳县为例

刘文辉， 璩向宁， 李晓宇， 曹园园

(宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地/西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏银川 750021)

土壤侵蚀是土壤或其地面组成物质在自然营力作用下或在自然营力与人为活动的综合作用下被剥蚀、破坏、分离、搬运和沉积的过程[1]。土壤侵蚀包括水蚀、风蚀、重力侵蚀、人为侵蚀等不同类型。其影响是破坏土壤结构、减少土壤养分，不仅使土地生产力下降、水土资源流失，而且造成河湖库塘的泥沙淤积，加剧洪涝、干旱等灾害发生，已成为危及人类生存与发展的重要环境问题之一[2]。土壤侵蚀在自然状态下也一直存在，但剧烈的人类活动加速了土壤侵蚀的发生[3]。因此，关注大型生态工程驱动下的生态环境要素与土壤侵蚀过程的变化[2]很有必要。

修正通用土壤流失方程(the revised universal soil loss equation，RUSLE)是在美国农业部开发的通用土壤流失方程(the universal soil loss equation，USLE)的基础上于1992年改进完善而来，是目前世界上应用最广泛的基于坡面的水蚀预报经验模型。随着地理信息系统(GIS)技术不断盛行，基于GIS运用USLE/RUSLE定量评估土壤侵蚀，已成为合理规划、利用区域水土资源的有效手段，在世界许多国家得到广泛研究和应用。我国学者已将USLE/RUSLE模型应用于小流域、流域、区域尺度的土壤侵蚀预测预报。秦伟等使用RUSLE模型并改进坡长算法，评估了黄土高原四面窑沟小流域的土壤侵蚀状况[4]；庞国伟通过对人为因素的定量表征在RUSLE模型基础上研究了黄土高原延河流域的土壤侵蚀与人类活动之间的关系[5]；郭建英等研究了退耕还林前后陕西吴起县土壤侵蚀变化[6]；白晓松对北方山区土壤侵蚀进行了评价[7]。在GIS支持下，通过建立土壤侵蚀因子数据库，用土壤侵蚀模型进行土壤侵蚀定量评价，是区域和大中流域土壤侵蚀研究的基本趋势[8]。

本试验采用RUSLE模型，在GIS与RS支持下对宁夏彭阳县2000、2008、2014年3年的土壤侵蚀进行研究，考察退耕还林(草)工程前中后3期的土壤侵蚀变化情况，分析不同流域、不同地质区域的土壤侵蚀变化状况，引入地形位指数与灰度关联分析，研究坡度与人类活动对彭阳县土壤侵蚀的影响，以期为区域生态环境建设、退耕还林(草)工程的下一步开展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

彭阳县位于宁夏回族自治区南部，属固原市，县域位于106°32′～107°47′E、35°41′～36°17′N之间，地处黄土丘陵沟壑区第二副区，海拔1 248～2 418 m。地形分为北部黄土丘陵区、中部河谷残源区、西南部土石质山区3个自然类型区，地势由西北向东南呈波状倾斜，境内地形支离破碎，山高坡陡，沟壑纵横，是宁夏水土流失最严重的县之一，也是全国重点水土保持区。彭阳县境内河流水系属于泾河流域，主要有茹河、红河、安家川河。红河是泾河一级支流，茹河、安家川河是泾河二级支流。土壤类型主要包括黄绵土、黑垆土、山地灰褐土等。多年平均降水量为433.6 mm，降水主要集中于6—10月，呈南多北少、西丰东欠的趋势。多年平均水面蒸发量为960 mm，全年无霜期为120～160 d，全县平均温度为 7.0 ℃。

彭阳县自20纪70年代开始水土保持生态恢复工程，经过近40年的不懈努力，县域内生态治理卓有成效，2003年被国家环保部列为第8批全国生态示范区，“彭阳模式”成为全国生态治理的典范。自2000年退耕还林(草)工程开始后，彭阳县大力开展退耕还林还草、坡改梯、小流域治理等生态工程。在实施系列生态工程，特别是对生态环境影响巨大的退耕还林(草)工程后，彭阳县土壤侵蚀状况对退耕还林(草)工程生态效益的评价具有重要意义。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源 本研究所用数据来源：(1)彭阳县2000、2008、2014年3年境内月降水量数据，由彭阳县水务局提供；(2)参考彭阳县1 ∶30万土壤类型图[9]并结合实地考察，在ArcGIS 10.2软件中生成30 m分辨率的矢量土壤类型图，根据《宁夏土壤》[10]与中国土壤数据库(http：//vdb3.soil.csdb.cn/)为土壤类型图添加土壤质地属性数据；(3)彭阳县30 m分辨率的ASTER GDEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http：//www.gscloud.cn)；(4)基于Landsat/TM5(2000年8月30日)、Landsat/TM7(2008年9月5日、2014年9月11日)三景影像，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http：//www.gscloud.cn)。在ENVI5.0软件中经几何校正、研究区裁切、辐射定标、大气校正后，应用监督分类且经实地验证后解译获得3期土地利用，生成30 m分辨率的矢量土地利用图，地类划分为耕地、林草地、未利用土地、水域滩涂、建设用地5类，同时计算生成植被覆盖度栅格图。以上所有图采用UTM投影，地理坐标系均为WGS-1984。

1.2.2 数据处理 本研究采用的修正通用土壤流失方程(RUSLE)如下[11]：

A=R·K·L·S·C·P。

(1)

式中：A为单位面积上的土壤流失量，t/(hm2·年)；R为降雨侵蚀力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·年)；K为土壤可蚀性因子，[t/(hm2·年)]·[hm2/(MJ·mm)]；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。L、S、C、P均为无量纲因子。不同因子计算公式方法见表1、表2。

表1 RUSLE各因子计算方法

表2 彭阳县水土保持措施因子(P)赋值

根据公式(1)计算2000、2008、2014年代表退耕还林工程的前中后3期年均土壤侵蚀量/土壤侵蚀模数，按照我国水利部颁布的SL190—2007《土壤侵蚀分级分类标准》[17]进行土壤侵蚀强度分级。

2 结果与分析

经过计算，彭阳县土地利用以旱地与林草地为主，少量的建设用地、未利用土地、水域滩涂。因此，彭阳县土壤侵蚀主要来源于耕地与林草地。经过退耕还林建设从2000—2014年耕地面积减少，林草地面积增加，耕地减少的幅度略高于林草地增加的幅度。

彭阳县25°以下区域占全县总面积超过80%，且五大地类均集中分布于25°以下区域。经过退耕，至2014年旱地主要分布在25°以下地形区域，其中8～15°最多。林草地面积则逐年大幅增加，主要分布于8°～35°之间。林草地在15°以上区域分布面积远远大于旱地，且15°～25°区域分布最多，向两边依次递减。2008—2014年是退耕还林还草的加速阶段，其耕地减少面积与林草地增加面积变化最多。表明彭阳县退耕还林(草)工程对旱地、林草地变化影响很大，土壤侵蚀年季变化的主要影响因子来自于地类的变化及与之相关的退耕还林等生态工程的进行。

2.1 土壤侵蚀模数的时空变化

从全县侵蚀模数来看，2000年彭阳县为65.47 t/(hm2·年)，属于强烈侵蚀；2008年为119.04 t/(hm2·年)，属于极强烈侵蚀；2014年为84.99 t/(hm2·年)，属于极强烈侵蚀，但低于2008年的侵蚀模数，土壤侵蚀得到一定的控制。从流域来看，3个流域3期的土壤侵蚀模数均呈先上升后下降的趋势，整体较2000年都有所恶化。其中，安家川流域在3期均处于较高的侵蚀强度与侵蚀模数，土壤侵蚀状况最为严重(表3)。

彭阳县12个乡镇分布在2个地貌地形单元中，西南部的古城乡、新集乡大部位于六盘山土石质山区，其他乡镇位于黄土丘陵沟壑区。经计算发现，土石质山区乡镇整体土壤侵蚀模数均低于黄土丘陵区，2000、2008、2014年土石质山区土壤侵蚀模数分别为47.11、76.87、55.63 t/(hm2·年)，而同期黄土丘陵区为71.06、133.11、94.95 t/(hm2·年)，这与六盘山土石质山区植被覆盖度高于黄土丘陵沟壑区，同时人为开发活动也较小有关。

表3 分流域侵蚀模数及侵蚀强度

2.2 土壤侵蚀强度转移矩阵分析

2.2.1 不同年份不同侵蚀强度比例 2000、2008、2014年3年的6个侵蚀强度级别占县域总面积比例见图1，微度侵蚀占比最多，面积均超过县域面积的35%。其中，2008年微度侵蚀占比最多，2014年最少。侵蚀程度最高的剧烈侵蚀以2008年面积占比最大，具体表现为2008年>2014年>2000年。从2000—2014年强烈及以上侵蚀强度占比之和逐年扩大，2000—2008年阶段扩大最多。表明从2000—2014年研究区彭阳县土壤侵蚀强度强烈以上等级贡献逐年增加，2000—2008年是一个急速变化的阶段。2008年微度侵蚀及剧烈侵蚀面积占比均是3年中最大的，2008年水土流失状况表现了向2个侵蚀强度极端发展。水土流失状况相对于2000、2008、2014年均有所恶化。

通过ArcGIS字段计算器功能，对2000—2008、2008—2014年2个阶段土壤侵蚀强度等级转移情况进行计算。2000—2008、2008—2014年没有发生转移的面积占县域面积基本在60%左右，2000—2008年侵蚀强度转移主导方向为向上转移，向上转移占县域面积的32.09%，向上转移1级最多；而2008—2014年转移为主导方向为向下转移，向下转移1级最多。表明2008年侵蚀情况状况恶化严重，2014年有了较大的改观。这与退耕还林深入推进，地类在2008—2014年变化较大有关。

2.2.2 2000—2008年土壤侵蚀强度转移矩阵 2000—2008年土壤侵蚀强度转移矩阵见表4。

表4 2000—2008年土壤侵蚀强度转移矩阵

2000年有40.44%面积在2008年发生了转移。从2000年转出情况来看，转出面积大小依次为轻度侵蚀>极强烈侵蚀>中度侵蚀>微度侵蚀>强烈侵蚀>剧烈侵蚀。轻度侵蚀主要转向中度侵蚀及以上级别。从微度侵蚀到极强烈侵蚀均表现为向上转移的趋势，向上转移总面积远远超过向下转移总面积。

从转入情况来看，2000年各侵蚀强度向2008年剧烈侵蚀转移占研究区总面积最多，其次为向2008年中度侵蚀转。从转入构成来看，除微度侵蚀，轻度及以上侵蚀均是以低等级侵蚀强度向高等级侵蚀强度转移的趋势。这与退耕还林还草等生态工程后，农地转为林草地，初期林草地植被覆盖度较低、植被不稳定有关。

2.2.3 2008—2014年土壤侵蚀强度转移矩阵 2008—2014年土壤侵蚀强度转移矩阵见表5。

表5 2008—2014年土壤侵蚀强度转移矩阵

2008年有39.46%的面积在2014年发生转移，但是转移幅度相对于2000年有所变小(图2)。从2008年转出来看，剧烈侵蚀转出最多，在2014年转向剧烈侵蚀以下强度，转出面积大小情况为剧烈侵蚀>中度侵蚀>微度侵蚀>轻度侵蚀>极强烈侵蚀>强烈侵蚀。2008—2014年阶段总体呈各侵蚀强度向下转移趋势，向下转移总面积大于向上转移总面积，其中剧烈侵蚀和极强烈侵蚀向下转移最多。表明2008年土壤侵蚀情况在2014年得到了一定控制，尤其是剧烈侵蚀和中度侵蚀情况有所减少。

2.2.4 两阶段转移变化 从转入看2014年极强烈侵蚀接受了最多的转入，其中由2008年的剧烈侵蚀向下转移而来，具体转入面积大小情况为极强烈侵蚀>轻度侵蚀>中度侵蚀>剧烈侵蚀>强烈侵蚀>微度侵蚀。

整体来看，2000—2008年土壤侵蚀状况急速恶化，低级别侵蚀强度向高级别侵蚀强度转移，2008年出现了极强侵蚀与弱侵蚀面积扩大的两极分化现象，而2014年土壤侵蚀状况相比2008年有所控制，特别是在极强烈侵蚀上。这与退耕还林、坡改梯等生态工程逐步完善稳定之后，有效地控制了土壤侵蚀状况。

2.3 土壤侵蚀的地形位分布指数分析

对不同侵蚀强度下的时空分布进行统计计算，结合地类、地形位分布指数分析侵蚀强度的变化。地形位分布指数采用如下公式[18]：

P=(Sie/Si)/(Se/S)。

(2)

式中：P是地形位分布指数；Sie为e地形位下第i级土壤侵蚀的面积；Si为整个研究区内第i级土壤侵蚀的总面积；Se表示整个工作区内e种地形位的总面积；S为整个研究区域的面积。P值越大，说明某土壤侵蚀类型出现频率越高。参照水利部《土壤侵蚀分类分级标准》将坡度分为0～8、8～15、15～25、25～35、>35[17]。

从图3可以看到，由于耕地、林草地集中分布于25°以下区域，所以6个侵蚀强度均在25°以下区域有较高的侵蚀地形位指数。而剧烈侵蚀强度下，35°以上区间的土壤侵蚀地形位指数3年均达到极高值，同时从中度侵蚀开始至2014年在35°以上区域地形位指数逐渐升高，说明经过退耕还林后，中度以上土壤侵蚀强度在较高坡度区域主要是坡度提高导致了侵蚀的发生。集中分布于较低坡度的耕地主要产生了微度、轻度、中度侵蚀，林草地对强烈、极强烈、剧烈侵蚀产生了主要贡献，耕地与林草地在微度、中度侵蚀产生了交互作用。

在今后水土保持工作与退耕还林工程中，8°以下区域要杜绝轻度与中度侵蚀的发生，关键是做好耕地的水土流失防治。在8°～15°区域做好坡改梯工作，在田埂上合理安排乔灌草的护坡工程，对于冬小麦地块要做到桔梗还田减少暴雨的直接冲刷击溅侵蚀与地表径流的形成。中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、35°以下的剧烈侵蚀主要由于退耕还林后开始后，植被覆盖度降低、植被存活率低、工程后管护不到位、植被不稳定造成的，所以要相应地合理配置乔灌草，做好之后的管护工作。

2.4 土壤侵蚀灰度关联分析

为了更好地了解彭阳县土壤侵蚀主要影响因子对土壤侵蚀的作用，使用灰度关联分析对人为作用显著的水土保持措施因子(P)、植被覆盖与管理因子(C)进行计算分析。灰度关联分析公式如下：

(2)

式中：ξ(K)为关联系数，ρ为分辨系数。分辨系数不宜取值太大，取值范围为0.1～0.5，本研究选取0.1。

在ArcGIS 10.1软件中，以象元为单位分别计算P、C因子相对于土壤侵蚀模数的关联系数，最后使用P、C因子关联系数的平均值作为关联度。关联度取值范围为0～1，越接近于1，因子对土壤侵蚀的作用影响越大，分析结果见表6。

表6 彭阳县P、C因子与土壤侵蚀模数关联度

从表6可以看出，3年中水土保持措施因子均对土壤侵蚀的影响最大，说明地类的变化是引起彭阳县土壤侵蚀变化的主要原因。因此，在以后生态建设与退耕还林工作中，要注意合理地规划调整地类。

3 结论

运用GIS和RS技术，基于RUSLE模型定量计算宁夏退耕还林还草、生态恢复的典范县——彭阳县的土壤侵蚀模数，在退耕还林(草)工程的背景下考察彭阳县2000、2008、2014年3期土壤侵蚀强度的时空变化，同时引入地形位指数与灰度关联分析，研究彭阳县坡度变化、植被覆盖度、地类变化对土壤侵蚀的影响。结果显示：(1)2000年彭阳县土壤侵蚀模数为65.47 t/(hm2·年)，属强烈侵蚀；2008年为 119.041 t/(hm2·年)，属于极强烈侵蚀；2014年为 84.99 t/(hm2·年)，属于极强烈侵蚀，但低于2008年的侵蚀模数，土壤侵蚀得到一定的控制。(2)从空间分布上看，彭阳县的3个流域在3期土壤侵蚀模数均是呈先上升后下降的趋势，整体较2000年都有所恶化。其中，安家川流域在3期均处于较高的侵蚀强度与侵蚀模数，土壤侵蚀状况最为严重。土石质山区的土壤侵蚀模数均低于黄土丘陵沟壑区。(3)从侵蚀强度转移情况来看，2000—2008年间向上转移为主要趋势，2008—2014年为向下转移趋势，2008年为侵蚀情况最为严重的1年。(4)从土壤侵蚀强度的坡度分布来看，35°以上区域在中度以上侵蚀强度主要是坡度提高导致侵蚀的发生。25°以下区域主要是耕地与林草第交互作用产生了土壤侵蚀。(5)通过灰度关联分析，彭阳县3期土壤侵蚀人为影响中，地类的变化对土壤侵蚀的发生作用最大。

从2000、2008、2014年3年的土壤侵蚀及其强度变化可以看出，在退耕还林(草)工程开展的背景下，彭阳县土壤侵蚀受地类的变化出现了变化，2008年土壤侵蚀严重至2014年土壤侵蚀受到抑制，反映了退耕还林还草后生态恢复治理的成效。本试验仅研究了间隔3年的土壤侵蚀及其变化，今后还须对连续时间尺度上土壤侵蚀的变化进行完整的研究。

：

[1]吴发启，张洪江. 土壤侵蚀学[M]. 北京：科学出版社，2012：241.

[2]冷疏影，冯仁国，李 锐，等. 土壤侵蚀与水土保持科学重点研究领域与问题[J]. 水土保持学报，2004，18(1)：1-6.

[3]怡 凯，王诗阳，王 雪，等. 基于RUSLE模型的土壤侵蚀时空分异特征分析——以辽宁省朝阳市为例[J]. 地理科学，2015，35(3)：365-372.

[4]秦 伟，朱清科，张 岩. 基于GIS和RUSLE的黄土高原小流域土壤侵蚀评估[J]. 农业工程学报，2009，25(8)：157-163.

[5]庞国伟. 人为作用对土壤侵蚀环境影响的定量表征[D]. 北京：中国科学院研究生院，2012.

[6]郭建英，李锦荣，刘铁军，等. 退耕还林工程建设对吴起县土地利用/覆被变化及其土壤侵蚀的影响[J]. 水土保持研究，2013，20(5)：6-11.

[7]白晓松. 基于RUSLE的北方山区土壤侵蚀定量研究与生态适宜性评价[D]. 保定：河北农业大学，2010.

[8]谢红霞. 延河流域土壤侵蚀时空变化及水土保持环境效应评价研究[D]. 西安：陕西师范大学，2008.

[9]中国科学院宁夏回族自治区固原县考察队.黄土高原典型地区宁夏固原县综合农业区划与应用[M]. 银川：宁夏人民出版社，1988：331.

[10]王吉智. 宁夏农业勘查设计院.宁夏土壤[M]. 银川：宁夏人民出版社，1990：544.

[11]刘宝元，谢 云，张科利. 土壤侵蚀预报模型[M]. 北京：中国科学技术出版社，2001：251.

[12]章文波，付金生. 不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力[J]. 资源科学，2003，25(1)：37-43.

[13]Wang B，Zheng F，Guan Y. Improved USLE-K，factor prediction：a case study on water erosion areas in China[J]. International Soil & Water Conservation Research，2016，4(3)：168-176.

[14]崔 晨. 基于DEM的土壤侵蚀模型中地形因子的研究[D]. 西安：西北大学，2010.

[15]潘建平. RUSLE及其影响因子的快速计算分析[J]. 地质灾害与环境保护，2008，19(1)：88-92.

[16]蔡崇法，丁树文. 应用USLE模型与地理信息系统IDRISI预测小流域土壤侵蚀量的研究[J]. 水土保持学报，2000，14(2)：19-24.

[17]中华人民共和国水利部. 土壤侵蚀分类分级标准：SL190—2007[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[18]高凤杰，张 柏，王宗明，等. 基于GIS与USLE的牡丹江市退耕还林前后水土流失变化研究[J]. 农业现代化研究，2010，31(5)：612-616.