区域水土流失面积与平均土壤侵蚀模数关系探究

李晶晶，张建国，贾利红，张亚琳，焦 念

(1.黄河流域水土保持生态环境监测中心，陕西 西安710021；2.晋陕蒙接壤地区水土保持监督局，陕西 榆林 719000；3.黄河流域水土保持生态环境监测临潼分中心，陕西 西安 710600；4.黄河水土保持西峰治理监督局，甘肃 庆阳 745000)

水沙关系调节是保障黄河长久安澜的“牛鼻子”，是治黄工作的基础。实践证明，水土保持是近年来黄河泥沙量锐减的主要原因之一。水土保持措施的保土效益普遍通过“水保法”换算得到，即通过掌握的各项水土保持措施面积及各项措施产生的减水减沙效益定额换算出水土保持措施的保土效益[1-2]。获取的保土效益结果的准确性受制于水土保持措施的统计结果和不同区域不同水土保持措施的蓄水保土效益定额的准确性，给计算水土保持措施对减少入黄泥沙的贡献带来了一定的不确定性。

依据《全国水土保持规划(2015—2030年)》和《全国水土流失动态监测规划(2018—2022年)》，自2018年开始，水利部组织开展了全国(未含香港、澳门特别行政区和台湾省)水土流失动态监测，实现了全国水土流失动态监测工作“全覆盖”[3]。黄河流域(片)国家级防治区水土流失动态监测工作是全国水土流失动态监测工作的重要组成部分，自2018年开始已连续开展3年的动态监测工作，掌握了大量的监测成果数据，特别是掌握了以县级行政区为单元的土壤侵蚀模数和对应的水土流失面积。

本研究利用2020年度黄河流域(片)国家级防治区部分县级行政区的县域面积、各侵蚀强度等级面积建立临界土壤侵蚀模数，拟合了临界土壤侵蚀模数与平均土壤侵蚀模数之间的关系，通过建立的回归关系，推算出不同区域的平均土壤侵蚀模数，进而计算该区域的土壤流失量，为水土保持措施保土效益的计算提供技术支撑，以期为进一步探索水土保持措施对黄河水沙的调控机制提供数据支持。

1 研究区域及数据来源

1.1 区域介绍

(1)回归分析区域。本研究选取伏牛山中条山国家级水土流失治理区6个县级行政区、黄河多沙粗沙国家级水土流失治理区15个县级行政区、甘青宁黄土丘陵国家级水土流失治理区5个县级行政区的2020年度监测成果，涉及甘肃、宁夏、山西等3省区共26个县级行政区。以上区域土壤侵蚀分级标准均按照西北黄土高原区分级标准执行。县级行政区名录见表1。

表1 县级行政区名录

(2)黄土高原多沙区。黄土高原多沙区为侵蚀模数≥5 000 t/(km2·a)的地区，主要分布在黄河河口镇至龙门区间和泾河、洛河中上游，以及青海、内蒙古、河南沿黄部分地区，总面积为21.2万km2。该区域多年平均输入黄河的泥沙量为14亿t，占黄河总输沙量的87.5%[4]，是黄河泥沙的主要来源。根据水利部1992年11月上报国家计委的《黄河中游重点水土流失区治理工程可行性研究报告》《黄河多沙、粗沙严重流失区水土保持规划》，以及第一次全国水土流失遥感普查数据(20世纪80年代水利部基于MSS遥感影像，利用遥感技术，结合地面监测数据，开展了第一次全国水土流失遥感普查)，结合行政区划图实际量算界定，在与地方水保部门多次沟通交流后确定。

1.2 数据来源

(1)回归分析区域。数据来源于黄河流域(片)全国水土流失动态监测项目，依据《2020年度水土流失动态监测技术指南》的要求，基于2020年2 m分辨率卫星影像进行专题信息提取和野外调查，在水力侵蚀区利用中国土壤流失方程(CSLE模型)，在风力侵蚀区利用风力侵蚀模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)风力侵蚀模型]计算土壤侵蚀模数，按照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)[5]判定土壤侵蚀强度等级，获取水土流失状况。

(2)黄土高原多沙区。该区年度监测成果涉及1990、1999、2019年。其中：2019年土壤侵蚀数据来源于全国水土流失动态监测项目，主要是基于2 m分辨率卫星影像进行专题信息提取和野外调查，在水力侵蚀区利用中国土壤流失方程(CSLE模型)[七因子，《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)]，在风力侵蚀区利用风力侵蚀模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)风力侵蚀模型]计算土壤侵蚀模数。1999年土壤侵蚀数据来源于黄河流域水土保持遥感普查，以分辨率30 m的TM卫星影像为主要信息源，以1∶10万地形图和1∶25万数字化地图为基本工作底图，结合野外调查、典型样方调查，采用三因子[《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—96)]方法计算水土流失状况。1990年土壤侵蚀数据来源于第一次全国水土流失遥感普查数据，在土壤侵蚀矢量图上，通过空间分析确定土壤侵蚀数据。

2 结果与分析

2.1 水土流失面积、县域面积与平均土壤侵蚀模数

基于各县级行政区县域面积、各侵蚀强度等级面积，定义临界土壤侵蚀模数(A)，计算公式为

(1)

式中：A为临界土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；Si为各侵蚀强度等级的面积，km2，i=1，2，3，4，5，分别对应轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀；Qi为各侵蚀强度等级对应的侵蚀模数值，t/(km2·a)，分别对应1 616.36、3 702.16、6 310.03、9 915.59、20 626.23 t/(km2·a)，取值依据为西北黄土高原区中41个县级行政区各侵蚀强度等级对应的平均侵蚀模数的均值；C为县域面积，km2，采用2018年3月民政部公布数据。

根据各县级行政区2020年度水土流失动态监测成果及2018年县域面积数据，计算获得了各县级行政区的临界土壤侵蚀模数，建立各县级行政区平均土壤侵蚀模数和临界土壤侵蚀模数的关系，如图1所示。可以看出，平均土壤侵蚀模数与临界土壤侵蚀模数(A)之间存在很好的线性关系，拟合公式为y=1.097 1A+138.42(R2=0.960 9)。

图1 各县级行政区平均土壤侵蚀模数与临界土壤侵蚀模数的关系

总体来看，回归分析区域各县级行政区平均土壤侵蚀模数与临界土壤侵蚀模数之间线性关系较好，主要是在定义临界土壤侵蚀模数的计算方法时考虑了以下两个方面：一是考虑了各侵蚀强度等级对土壤侵蚀模数的贡献率不一，取41个县级行政区各侵蚀强度等级对应的平均侵蚀模数的均值；另一个是考虑了不同县级行政区的县域面积，因为平均土壤侵蚀模数是根据每个栅格土壤侵蚀模数值累加后除以县域图幅面积得来的。综上，本研究建立的平均土壤侵蚀模数与临界土壤侵蚀模数的线性关系是合理可信的。值得注意的是，微度侵蚀对应的土壤侵蚀模数存在有土壤侵蚀模数和无土壤侵蚀模数两种情况，而公式(1)中没有考虑微度侵蚀对土壤侵蚀模数的贡献。

2.2 黄土高原多沙区土壤流失量

黄土高原多沙区不同时期水土流失面积如表2所示。可以看出水土流失面积和极强烈、剧烈侵蚀面积均呈现逐年下降趋势，水土流失面积由1990年的19.31万km2，降至2019年的9.23万km2，减幅52.20%，年均减少水土流失面积0.35万km2，其中剧烈侵蚀面积减少4.15万km2，减幅达96.74%。

表2 黄土高原多沙区不同时期水土流失面积统计

根据黄土高原多沙区区域总面积及各侵蚀强度等级面积计算临界土壤侵蚀模数，结合平均土壤侵蚀模数与临界土壤侵蚀模数的拟合关系，推算出黄土高原多沙区1990、1999、2019年的平均土壤侵蚀模数分别为8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a)，土壤流失量分别为18.87亿、13.93亿、4.15亿t。经测算，1990—2019年黄土高原多沙区累积保土量为213.44亿t。

3 结 论

(1)根据各县级行政区县域面积、水土流失面积及各侵蚀强度等级面积计算得到的临界土壤侵蚀模数与平均土壤侵蚀模数之间存在较好的线性关系，即y=1.097 1A+138.42。

(2)黄土高原多沙区1990、1999、2019年的平均土壤侵蚀模数分别为8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a)。1990—2019年黄土高原多沙区累积保土量为213.44亿t。