2000-2019年黄土高原地区土壤保持时空变化及影响因素分析

2022-11-09孙应龙黄斌斌赵晓凤

水土保持研究 2022年6期

孙应龙, 李娜, 黄斌斌, 赵晓凤, 延昊, 曹云

(1.国家气象中心, 北京100081; 2.辽宁省农业科学院, 沈阳 122000; 3.中国科学院生态环境研究中心, 北京 100083)

土壤侵蚀和水土流失是当今世界各国的主要环境问题，它严重威胁着人类的生存和发展，它不但破坏了生态环境平衡，还能加剧干旱、洪涝等气象灾害的发生。黄土高原是世界上最大的黄土堆积区，跨山西省、陕西省北部、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区及河南省等省区。黄土高原大多数区域存在着严重的土壤侵蚀问题，是世界上水土流失最为严重的区域之一[1]，同时，黄土高原又是中华民族的重要发祥地，在古代很长的时间，植被覆盖度高、生态环境优越[2]。但由于人类长期的滥垦滥伐、不合理利用土地等行为造成黄土高原自然森林和草原植被遭到了严重破坏，陕西北部、甘肃等地出现了严重的土壤流失、沙化严重等问题[3]。因此，黄土高原的水土流失治理受到了广泛关注，其独特的地理环境条件和有限的水资源使得该区的林草植被建设以草地植被为主，尤其2000年以来国家采取了一系列退耕还林、坡耕地治理等生态工程治理措施[4]，水土流失治理成效显著，植被覆盖度增加，生态环境得到改善[5]。草地植被在控制土壤水蚀方面发挥重要作用[6]，在水土流失严重的黄土高原地区，增加植被的覆盖度具有很好的水土保持作用[7]，在黄土高原北部的风沙区，水利与风力这两种外力的存在是造成土壤侵蚀的主要原因，在全球气候变化的大背景下，过去30年间，黄土高原的变化特点以“暖湿化”为主，气温，降水等与土壤侵蚀有关的变化因素都经历了一系列的变化，导致黄土高原土壤侵蚀环境在过去的几十年中发生了显著变化[8]。

本研究以黄土高原地区为研究区域，应用美国通用水土流失方程，研究2000年以来土壤保持量时空变化特征，分析区域植被净初级生产力、植被覆盖度时空变化，以及气象条件变化对土壤保持的影响。以期为黄土高原地区退耕还林和水土流失治理提供技术与理论支持，为客观评价黄土高原生态效益提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤保持量计算方法

土壤保持功能可用土壤保持量大小表示，即考虑地表覆盖因子情况下的实际土壤侵蚀量，与潜在土壤侵蚀量的差，即为土壤保持量。土壤侵蚀量采用通用土壤流失方程USLE计算，主要考虑了降雨、土壤、地形和植被覆盖对土壤侵蚀的影响。因此。计算公式如下：

SC=R·K·LS(1-C)·P

式中：SC为土壤保持量〔t/(hm2·a)〕；R为降雨侵蚀力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；K为土壤可蚀性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；LS为坡长坡度因子(无量纲)；C为植被覆盖因子(无量纲)；P为土壤保持措施因子(无量纲)。

(1) 降雨侵蚀力因子(R)。降雨侵蚀力因子反映的是由降雨引起土壤潜在侵蚀能力的大小，是导致土壤侵蚀的首要因子。通常降雨侵蚀力难以直接测定，大多用降雨参数，如雨强、雨量等来估算降雨侵蚀力[9-12]。

式中：Rk为第k个半月的降雨侵蚀力〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕，k为一年的24个半月，即k=1，2，…，24；i为所用降雨资料的年份，即i=1，2，…，n；j为第i年第k个半月侵蚀性降雨日的天数，即j=0，1，2，…，m；Pi,j,k为第i年第k个半月第j个侵蚀性日降雨量(mm)；α为参数，暖季 (5—9月)α=0.3937，冷季(10—4月)α=0.3101。

(2) 土壤可蚀性因子(K)。土壤可蚀性是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标，也是进行土壤侵蚀预报的重要参数。可利用土壤颗粒组成和土壤有机碳资料来计算K[13-14]。

式中:SAN为土壤砂粒含量(%);CLA为土壤粉粒含量(%);SIL为土壤黏粒含量(%);C为土壤有机碳含量

(3) 坡长坡度因子(LS)。坡长坡度因子也称地形因子，可以反映坡长、坡度等地形地貌特征对土壤侵蚀的作用，可通过数字高程模型来估算[15]。

m=β/(1+β)

β=(sinθ/0.089)/〔3.0(sinθ)0.8+0.56〕

式中:L为坡长因子;S为坡度因子;m为坡长指数;θ为坡度(°);λ为坡长(m)。

(4) 植被覆盖和管理因子(C)。植被覆盖和管理因子C是指有植被覆盖或田间管理状态的土壤侵蚀量与同等条件下裸地土壤侵蚀量的比值，介于0～1之间。反映了生态系统对土壤侵蚀的影响，是控制土壤侵蚀的积极因素。C值越大，说明植被覆盖越差，保土措施作用越弱；C值越小，说明植被覆盖越好，保土措施作用越强。可通过文献资料查阅，以及通过植被覆盖度与C值之间良好的相关性来进行估算C[16]。

(5) 土壤保持措施因子(P)。土壤保持措施因子P是指采取了土壤保持措施下土壤侵蚀量与未采取保持措施下土壤侵蚀量的比值，反映的是水土保持措施对于土壤侵蚀的抑制作用。通常的侵蚀控制措施有等高耕作、修梯田等[9]。

1.2 植被NPP和覆盖度计算方法

本研究中植被数据来自MODIS系列卫星数据(网址为https:∥modis.gsfc.nasa.gov /data/)。MODIS-NDVI数据，为NASA提供的MOD13A3级植被指数产品，空间分辨率达到1 km，时间范围为2000—2019年逐月。

本研究中植被净初级生产力的计算基于陆地生态系统碳通量TEC模型，利用太阳光合有效辐射、植被吸收光合有效辐射的比例、实际光能利用率等数据，估算植被NPP数据，主要公式如下：

NPP=GPP-Rg-Rm

式中：NPP，GPP，Rg和Rm分别表示植被净初级生产力、总初级生产力、生长和维持呼吸消耗量GPP具体计算方法参考延昊等文献[17-18]；Rg和Rm具体计算方法参考Zhao和Running及Goward和Dye文献[19-20]。

目前，估算植被覆盖度的方法主要为遥感估算，即基于植被归一化植被指数，建立植被覆盖度的计算模型，然后估算植被覆盖度信息[21-23]。本文基于 NDVI值估算了黄土高原的植被覆盖度，其表达式为：

C=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

式中:C为月植被覆盖度(%);NDVI为月最大值合成归一化差值植被指数;NDVIs为像元纯土壤时的植被指数；NDVIv为像元全植被覆盖下的植被指数[24]。

1.3 气象数据计算和统计

本研究中气象数据来自国家气象中心，选取2000年以来黄土高原地区逐日气温、降水量等气象数据，形成2000—2019年逐年气象数据。黄土高原地区2000年以来降水主要呈现“东多西少”的分布(图1)，区域由西部到东部年降水量逐渐增加，区域的西部平均年降水量不足400 mm，中部地区400～500 mm，东部地区可达500～600 mm，局地大于600 mm。黄土高原地区2000年以来年平均气温呈现“南高北低”的分布态势(图2)，区域北部年平均气温为10℃以下，而区域南部年平均气温为11～14℃，普遍高于北部地区。

图1 2000-2019年黄土高原地区年降水量分布

图2 2000-2019年黄土高原地区年平均气温分布

2 结果与分析

2.1 黄土高原土壤保持时空分布

2000—2019年黄土高原地区土壤保持量结果见图3—4。黄土高原地区2000年以来土壤保持量呈增加趋势，从空间分布图中可以看出，黄土高原有95.0%的区域土壤保持量呈增加趋势，陕西北部、山西大部、甘肃东部等地土壤保持量每1 hm2增加1.0 t以上(图3)。但截至2020年，黄土高原还有5.0%的区域土壤保持量呈下降趋势，其中内蒙古呼和浩特南部局部地区水土流失的状况还在持续，是未来水土流失要加强治理的重点。

图3 2000-2019年黄土高原区域土壤保持量空间变化

另外，由图4可知，2000—2019年黄土高原土壤保持量平均值为109.5 t/hm2，其中2003年和2013年由于区域气候条件良好，土壤保持量处于近20 a来高值，达143.8 t/hm2，163.6 t/hm2；2015年黄土高原降水明显偏少，较2014年偏少16%，植被长势偏差，引起高原土壤保持量出现下降。2000年以来黄土高原土壤保持量波动较大，但总体呈增加趋势，平均每年增加2.0 t/hm2。

图4 2000-2019年黄土高原土壤保持量变化

2.2 黄土高原植被时空变化

自从2000年黄土高原地区实施退耕还林、退耕还草工程、天然林保护工程等生态保护工程以来[1]，黄土高原植被净初级生产力(NPP)以及植被覆盖度均有较明显的增加。本研究计算了2000—2019年黄土高原地区植被NPP的变化规律，结果见图5，空间分布差异显著，地区西部植被NPP变化趋势率较小，平均每年增加不高于2.5 gC/m2；地区中部和东部植被NPP增加较明显，平均每年增加2.5～10 gC/m2，部分地区(如陕西省北部、山西省西部、宁夏南部等地)增加10 gC/m2以上，植被NPP改善非常明显。

图5 2000-2019年黄土高原地区植被NPP变化趋势率

2000—2019年黄土高原地区逐年植被NPP变化见图6，可见黄土高原地区2000年以来植被NPP呈增加趋势，年平均值为330.5 gC/m2，且平均每年增加7.2 gC/m2。2018年地区植被NPP为近20年最大，为427.2 gC/m2，2001年植被NPP为近20年最小，为232.0 gC/m2。

图6 2000-2019年黄土高原地区年植被NPP变化

同样，本研究也统计了2000年以来黄土高原地区植被覆盖度的变化。由图7看出，2000年以来黄土高原地区植被覆盖度呈现了显著增加趋势，有97.7%的区域植被覆盖度呈增加趋势，其中增加0.25～0.75个百分点的区域面积占62.0%，尤其中部和东部大部地区植被覆盖度增加趋势显著，平均每年增加0.5～0.75个百分点；仅宁夏北部、陕西中部等地部分地区覆盖度呈下降的变化趋势。由图8可知，2000—2019年黄土高原地区植被覆盖度年平均值为29.2%，且以平均每年0.52%的趋势增加；2018年和2019年区域植被覆盖度为近20年来的最大值，达34.09%，2000年覆盖度最低，为22.7%，由2000年的22.7%增加到2019年的34.08%。可见整个黄土高原地区植被覆盖度，自区域实施了生态工程整治以来改善明显，植被覆盖度和NPP的显著提高，为拦截黄土高原水土流失提供了有利保障。

图7 2000-2019年黄土高原地区植被覆盖度变化趋势率

图8 2000-2019年黄土高原地区年植被覆盖度变化

2.3 黄土高原地区气象条件变化

黄土高原地区土壤保持量变化，不仅受植被生长的影响，还受区域气候条件变化的影响。2000年以来，生态恢复和建设工程不断加强，加之良好的气象条件，黄土高原植被恢复显著，大部地区土壤保持功能呈增加趋势。

黄土高原地区2000年以来气候呈现明显的“暖湿化”趋势，气温和降水量均显著增加。由图9，10可以看出，整个黄土高原地区2000年以来年降水量呈增加趋势，平均每年增加3.1 mm，尤其中部地区年降水量增加趋势显著，平均每年增加3～8 mm，局地增加8 mm以上，仅区域西北部和东南部部分地区增速小于3 mm。

图9 2000-2019年黄土高原地区年降水量变化趋势

图10 2000-2019年黄土高原地区年降水量变化

黄土高原地区2000年以来年平均气温也呈现波动增加趋势(图11)，平均每年增加0.03℃，其中，宁夏大部、山西部分地区气温增加较明显，平均增速每年0.03～0.05℃。该结果与前人研究的1960—2013年黄土高原平均气温升温显著，升温率为0.27℃/10 a，空间上平均气温和升温率由东南向西北增加的结果一致[25]。

图11 2000-2019年黄土高原地区年平均气温变化趋势

图12 2000-2019年黄土高原地区年平均气温变化

2.4 影响因素分析

黄土高原地区土壤保持量的影响因素主要归结为植被和降水侵蚀力[14,26]，本研究统计了2000—2019年黄土高原地区土壤保持量和降雨量、植被NPP之间的关系。2000年以来黄土高原地区土壤保持量和年降水量的变化趋势相近(图13)，在2012—2014年两者变化趋势存在差别，其他年份两者的变化趋势均保持一致。为了深入分析土壤保持量和年降水量的关系，进行相关统计分析如图14所示，两者相关系数r达到0.789，具有显著正相关性(p<0.05)，表明在降水量增加情况下，黄土高原植被能显著减少水土流失，土壤保持功能明显增强。另外，本研究统计了2000—2019年黄土高原地区土壤保持量和植被NPP的变化(图15)，可见植被NPP和土壤保持量的变化趋势大体相近。土壤保持量和植被NPP的相关性见图16，两者之间相关系数r为0.65，达到显著正相关性(p<0.05)，表明植被长势改善，有利于提高区域的土壤保持功能。

图13 2000-2019年黄土高原地区年降水量和土壤保持量变化

图14 2000-2019年黄土高原地区年降水量和土壤保持量相关关系

图15 2000-2019年黄土高原地区年平均NPP和土壤保持量变化

3 讨论

本研究主要针对2000年以来黄土高原地区土壤保持量的变化规律以及区域植被生态的变化展开，并分析了气象条件对上述变化的影响。针对黄土高原近些年来土壤保持量的变化，多数研究表明，不同生态系统2000年以后平均单位面积土壤保持量均有不同程度的增加，如农田、草地和林地分别增加了14.6%，2.9%，7.4%，在空间分布上表现为沿东南向西北减少的变化趋势[14]，该结论与本研究结果保持一致。黄土高原土壤保持量表现为从东南向西北减少的变化趋势，中部和东部土壤保持量增加较明显[14]，但西部土壤保持量几乎保持不变，该结果与文献中所统计的空间分布较一致[27-28]。土壤保持量增加较明显的区域集中在中部黄土丘陵沟壑区，而西北部沙地和沙漠区增加不显著[14]。

对土壤保持量影响较大的因素为植被和降水。在植被方面，2000年以来黄土高原植被NPP和覆盖度均呈增加趋势，利于区域生态恢复。已有研究表明，黄土高原草地NPP自2000年起均有不同程度的增加，平均增幅为每年增加3～4 gC/m2，且有70%～80%面积的草地显著增加，增速较高的区域主要分布在黄土高原中部[29]，该结果与本研究的结论相一致。还有研究提出了黄土高原草地NPP在2000—2015年期间总体呈增加趋势，但增加速率不同，从2000—2004年的15.23 gC/(m2·a)下降到2005—2015年的3.58 gC/(m2·a)[30]。同时，2000—2019年黄土高原植被NDVI增速为0.006 a-1，超过90%的区域植被覆盖呈增加趋势，且NDVI空间分布呈西北低东南高的状态[31]。李宇恒等[32]研究结果也显示出，黄土高原部分地区近15 a间植被覆盖度呈增加的趋势，由2002年的42.7%增加至2017年的47.7%，水土流失治理卓有成效，研究区植被有所恢复。在空间分布上，黄土高原植被覆盖度由东南向西北逐渐递减，且植被覆盖度增长面积占总面积的35.1%，无显著变化的区域占55.6%[33]。另外，关于降水对土壤保持量影响的研究表明，降雨量对区域土壤保持功能以及时空变化有着至关重要的作用，土壤降雨侵蚀力的结果与土壤保持量的时空分布呈现相同的趋势[34]。晏清洪等试验了不同降雨强度对水土流失的影响，降雨量和强度对土壤保持和流失量均产生较大影响[35]。

2000年以来黄土高原地区气温和降水均呈增加趋势，水分和热量充沛，气象条件总体有利于植被恢复生长、覆盖度提高，为区域植被生长提供了较好的气候条件，成为生态恢复改善的主要驱动力。同时，生态保护工程的实施也促使林地、草地等植被覆盖增加，为区域生态恢复提供了有利基础条件。植被的有效改善很大程度上抑制了区域水土流失的发生，在降水增多的情况下，黄土高原区域土壤保持量呈增加趋势，土壤保持生态服务功能增强。