陕北洛河流域降水和植被变化对土壤侵蚀的影响

王 涛

(1.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西西安 710054； 2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室/中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

土壤侵蚀是世界范围内重要的生态环境问题，关系到人类的生存及发展，受到广泛关注[1-3]。黄土高原是我国乃至世界范围内土壤侵蚀最为严重的区域之一，被研究程度较深[4-6]。在前人不断认识、积累的基础上发现，治理黄土高原土壤侵蚀最为有效的2种方法分别为(1)工程措施，如淤积坝修筑[7-9]；(2)生物措施，保土保水植被的重建，如退耕还林还草工程实施引起的坡耕地植被变化[10-11]。这些措施的实施，取得了较好的生态、经济效果[12-14]，为世界同类型区域土壤侵蚀治理提供了借鉴。

气候变化已经成为当今的热点问题，联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC)多次报告反复强调和指出，过去全球气温逐步升高，降水变率增大，未来不管在任何情景下，气温增高和降水变率增大的趋势不会改变，人类的有限措施，仅能够起到减缓作用，并不能阻止气候变暖[15-16]。这对黄土高原土壤侵蚀研究提出了新的问题，即淤积坝建设、植被生态重建等均要面临未来降水变率增大的问题，并且是面对降水强度增大的威胁[17-18]，已有的水土治理措施是否能够抵御未来降水强度增大的影响，是一个值得深入研究的问题。

在黄土高原土壤侵蚀研究中，学者们更多地关注的是人类活动的影响，主要是人为干预下的区域植被生态重建过程，如试验田沿坡面生态重建的植被类型选择[19-20]、退耕还林还草工程实施对区域土壤侵蚀的影响[21-22]以及生态林与经济林建设对土壤侵蚀的影响[23-24]。降水作为一个不可控因素，在土壤侵蚀过程中，尤其是在全球气候变暖导致的未来降水变率增大的情况下，更应受到广泛重视[25]。由于关于陕北洛河流域土壤侵蚀的研究相对较少，本研究基于修正通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，简称RUSLE)模型，分析流域降水和植被变化(反映退耕还林还草工程实施效果)对土壤侵蚀的影响，定量区分土壤侵蚀的自然与人为因素作用，以期为合理调整人类活动、科学制定未来土壤侵蚀应对策略提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区

以位于陕北黄土高原的洛河流域为研究对象，地理范围在107°33′～109°51′E、35°19′～37°19′N之间(图1)，包括陕西省榆林市的定边县和靖边县部分区域，陕西省延安市的吴起县、志丹县、甘泉县、富县、黄陵县、洛川县以及黄龙县部分区域，总面积约为17 969 km2。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。属黄土丘陵沟壑地貌，南部区域的植被覆盖高于北部区域，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，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是土壤侵蚀较为严重的区域。

1.2 数据来源与研究方法

本研究使用数据包括(1)洛河流域30 m分辨率数字高程模型(digital elevation model，简称DEM)，下载自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)。(2)1990—2014年5个气象站点(定边、吴起、延安、洛川、环县，空间分布见图1)逐日降水数据。(3)洛河流域比例尺为1 ∶50万的土壤类型图。(4)洛河流域250 m分辨率归一化植被指数(normalized difference vegetation index，简称NDVI)数据，下载自https：//ladsweb.nascom.nasa.gov。以上数据全部重采样为30 m分辨率后，再进行土壤侵蚀模数计算。

采用修正通用土壤流失方程计算陕北洛河流域土壤侵蚀模数，其中土壤侵蚀模数(A)由降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、坡度坡长因子(LS)、植被覆盖因子(C)和水土保持措施因子(P)连乘得到，各因子的计算方法参照文献[26]，计算结果见图2。

2 结果与分析

2.1 陕北洛河流域土壤侵蚀变化趋势

通过查阅黄河水利委员会发布的《黄河泥沙公报》可知，陕北洛河流域状头水文站多年平均输沙模数为2 850 t/(km2·年)，而计算获得的近15年土壤侵蚀模数平均值为 3 213 t/(km2·年)，计算结果高出监测结果12.74%，表明依据RUSLE模型计算得到的土壤侵蚀模数可用于进一步分析。根据SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》[27]，土壤侵蚀程度可被划分为微度侵蚀[<1 000 t/(km2·年)]、轻度侵蚀[1 000～<2 500 t/(km2·年)]、中度侵蚀[2 500～<5 000 t/(km2·年)]、强烈侵蚀[5 000～<8 000 t/(km2·年)]、极强烈侵蚀[8 000～<15 000 t/(km2·年)]、剧烈侵蚀[≥15 000 t/(km2·年)]。统计自然状态下，2000—2014年陕北洛河流域不同类型土壤侵蚀面积。

由图3可知，2000—2014年研究区土壤侵蚀总体以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，其面积分别平均占区域总面积的64.93%、 21.36%，其余侵蚀类型的面积比例从大到小依次为中度侵蚀(9.05%)、强烈侵蚀(2.78%)、极强烈侵蚀(1.45%)、剧烈侵蚀(0.43%)。在变化趋势上，微度侵蚀面积比例整体呈减少趋势，平均减少速率为0.279 2%/年；轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积比例均整体呈增加趋势，平均增加速率分别为0.086 6%/年、0.098 7%/年、0.045 7%/年、0.030 3%/年、0.017 9%/年。所有变化速率均未通过显著性水平检验，表明未来该流域土壤侵蚀仍具有很大的不确定性。微度侵蚀面积比例减少，其他侵蚀类型面积比例增加，说明在研究时段内研究区土壤侵蚀模数呈增加趋势。

2.2 降水对土壤侵蚀的影响

在RUSLE模型中，仅R、C逐渐发生改变，而K、LS、P等因子基本不变，因此为了分析降水对土壤侵蚀的影响，消除C对土壤侵蚀计算结果的影响，假设2000—2014年C不变，以2000年的C进行计算，即在C固定-R变化的情景下重新计算2000—2014年研究区土壤侵蚀模数。

由图4可知，2000—2014年研究区土壤侵蚀仍以微度侵蚀、轻度侵蚀为主，二者面积分别平均占区域总面积的63.36%、 21.87%，中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积分别平均占区域总面积的9.63%、3.05%、1.61%、0.48%。在变化趋势上，微度侵蚀面积比例总体呈减少趋势，平均减少速率为0.422 1%/年；轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积比例均呈增加趋势，平均增加速率分别为0.118 2%/年、0.153 7%/年、0.075 6%/年、0.050 2%/年、0.024 5%/年。所有变化速率均未通过显著性水平检验，表明在植被覆盖因子固定的情景下，未来流域土壤侵蚀变化仍具有不确定性。该结果与研究时段内研究区的土壤侵蚀自然变化过程和趋势相同，表明植被覆盖因子在RUSLE模型计算土壤侵蚀模数过程中的作用较小，降水是研究区土壤侵蚀的主导因素，起到控制作用。

2.3 植被变化对土壤侵蚀的影响

在消除降雨侵蚀力因子对土壤侵蚀作用的条件下，通过RUSLE模型分析植被覆盖因子对土壤侵蚀的影响。假设2000—2014年R不变，以2000年的R计算，即在R固定-C变化的情景下重新计算2000—2014年研究区土壤侵蚀模数。

由图5可知，2000—2014年研究区土壤侵蚀仍以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，二者面积分别平均占区域总面积的70.87%、 19.38%，中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积分别平均占区域总面积的6.85%、1.80%、0.88%、0.22%。在变化趋势上，仅微度侵蚀面积比例呈增加趋势，平均增加速率为0.136 6%/年，通过了0.001水平的显著性检验(P<0.001)；轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积比例均呈减少趋势，平均减少速率分别为 0.061 6%/年、0.049 0%/年、0.017 1%/年、0.007 5%/年、 0.001 3%/年，除极强烈侵蚀、剧烈侵蚀分别通过0.05、0.01水平的显著性检验外，其他侵蚀类型均通过0.001水平的显著性检验。该结果与自然状态、C固定-R变化情景下土壤侵蚀状况相比，发生较大改变，即除微度侵蚀面积比例增加外，其他侵蚀类型面积比例均减少，说明该情景下研究区土壤侵蚀模数呈减少趋势。

2.4 降水和植被变化对土壤侵蚀的影响

降水和植被变化对土壤侵蚀的影响是自然和人为因素对土壤侵蚀影响研究的重要内容，尤其是退耕还林还草工程的实施，是人类活动通过改变地表状况影响土壤侵蚀的重要途径与措施[28-29]。根据2000—2015年《陕西统计年鉴》可知，陕西省退耕造林面积共计11 468.9 km2，其中陕北洛河流域所在的延安地区，总体退耕造林面积为2 745.1 km2，退耕幅度较大。

利用自然状态下和C固定-R变化、R固定-C变化2种情景下，2000—2014年不同类型土壤侵蚀面积比例、变化速率，并进一步计算得到降水和植被覆盖因子作用的大小。由表1可知，降水对流域土壤侵蚀面积比例及其变化速率分别起到79.17%、72.90%的作用，其中降水作用导致微度侵蚀面积比例及其变化速率分别减少79.09%、74.42%，而导致轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积比例及其变化速率分别增加79.52%和82.42%、79.14%和72.87%、78.40% 和67.75%、78.08%和65.51%、80.77%和 74.42%，说明降水是流域土壤侵蚀的主导和控制因子，随着降水的增强，流域土壤侵蚀模数将会进一步增加。

植被覆盖因子对流域土壤侵蚀面积比例及其变化速率分别起到20.83%、27.10%的作用，其中植被覆盖因子作用导致微度侵蚀面积比例及其变化速率分别增加20.91%、25.58%，而导致轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积比例及其变化速率分别减少20.48%和17.58%、20.86%和 27.13%、21.60%和32.25%、21.92%和34.49%、19.23%和25.58%，说明植被覆盖因子作为人类活动的典型代表，通过退耕还林还草工程的实施，流域植被覆盖情况总体得到改善，能够起到减少流域土壤侵蚀的作用。

表1 2000—2014年降水和植被变化对土壤侵蚀的影响

3 结论与讨论

基于2000—2014年陕北洛河流域日降水、NDVI、DEM、土壤类型等数据，结合RUSLE模型，估算了该流域土壤侵蚀状况，并定量分析了降水和植被变化对该流域土壤侵蚀的影响。结果表明，(1)自然状态下，陕北洛河流域土壤侵蚀以微度侵蚀、轻度侵蚀为主，平均占区域总面积的86.29%，其他侵蚀类型占13.71%；2000—2014年流域土壤侵蚀模数呈增加趋势，其中微度侵蚀面积比例减少，而其他侵蚀类型面积比例增加。(2)在植被覆盖因子固定情景下，降水变化导致微度侵蚀面积比例减少，而其他侵蚀类型面积比例增加，总体变化过程与自然状态下相似。降水固定情景下，植被覆盖因子变化导致微度侵蚀面积比例增加，而其他侵蚀类型面积比例减少，总体变化过程与自然状态下完全相反。说明降水是土壤侵蚀的主导与控制因子，而植被覆盖因子作用相对较小，但当不考虑降水作用时，改变地表植被覆盖因子可以减少土壤侵蚀模数。(3)降水对研究区土壤侵蚀面积比例及其变化速率分别起到79.17%、72.90%的作用，植被覆盖因子对研究区土壤侵蚀面积比例及其变化速率分别起到20.83%、27.10%的作用。

在坡度坡长因子、土壤可蚀性因子、水土保持措施因子相对不变的情况下，降雨侵蚀力因子和植被覆盖因子成为影响土壤侵蚀的主要因子。当前，陕北洛河流域土壤侵蚀正经受着降水和植被覆盖变化的双重影响，气候变暖引起的降水变率的增大、降水强度的增加以及退耕还林还草等生态建设与保护工程实施引起的地表植被覆盖度的改善将对流域土壤侵蚀产生重要影响。退耕还林还草工程作为人类活动的典型代表，具有较强的可控性、可操作性，对其分析与评价较多，得出的结论总体是减少土壤侵蚀。而降水作用更多的是引起土壤侵蚀模数增加，并且具有不可控的特点，采取何种措施与途径应对未来土壤侵蚀模数增加的问题，还须要深入研究。