陜西渭河流域近15年土壤侵蝕時空變化分析

郭力宇， 郭 昭， 王 濤， 張 婭

(西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710054)

土壤侵蝕是造成土壤肥力流失、土壤退化、河流泥沙淤積等生態(tài)環(huán)境問題的主要原因，是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]。土壤侵蝕研究過程中，坡面、小流域與流域土壤侵蝕一般會采用不同的監(jiān)測與研究方法，其中坡面土壤侵蝕多采用定位監(jiān)測方式，小流域多借助高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)及坡面監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合估算，而流域尺度的土壤侵蝕，多結(jié)合GIS(geographical information system)與RS(remote sensing)技術(shù)，基于土壤侵蝕模型進(jìn)行定量估算。

Wishneier等根據(jù)美國東部上萬個徑流小區(qū)多年觀測和試驗(yàn)資料，最早提出通用土壤侵蝕方程(universal soil loss equation，USLE)[2]。之后，美國農(nóng)業(yè)部在USLE基礎(chǔ)上，推出了更為完善的修正通用土壤侵蝕方程(revised universal soil loss equation，RUSLE)[3]。隨著土壤侵蝕模型研究的深入，土壤侵蝕模型不斷完善，相繼產(chǎn)生了多種土壤侵蝕模型，如美國水蝕預(yù)報(bào)模型(water erosion prediction project，WEPP)[4]、荷蘭土壤侵蝕模型(Limburg soil erosion model，LISEM)[5]、歐洲土壤侵蝕模型(European soil erosion model，EUROSEM)[6]。中國學(xué)者參考USLE模型的基本形式，結(jié)合中國的地貌特征，也建立了若干個土壤侵蝕模型，如劉寶元等建立的中國土壤侵蝕方程(Chinese soil loss equation，CSLE)[7]、江忠善等針對黃土丘陵區(qū)建立的溝間地和溝谷地土壤侵蝕模型[8]。考慮到模型參數(shù)的復(fù)雜性以及實(shí)用性，USLE/RUSLE模型依然是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的土壤侵蝕估算模型。

渭河流域處于黃土高原區(qū)域，流域內(nèi)土質(zhì)疏松、植被稀疏，夏、秋季降雨集中，是中國土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域之一。已有研究中對渭河流域土壤侵蝕研究相對較少，多集中在黃土丘陵溝壑區(qū)小流域范圍[9-11]，并且主要對某一兩個年份的土壤侵蝕進(jìn)行靜態(tài)分析[12-13]，缺少長時間序列、連續(xù)動態(tài)變化研究及對渭河流域的綜合研究。本研究采用RUSLE模型估算陜西渭河流域2000—2014年土壤侵蝕狀況，分析土壤侵蝕時空變化特征及在不同地貌單元分布情況，為流域水土保持及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)

陜西省境內(nèi)渭河流域面積約為6.79萬km2，涉及到西安、延安等在內(nèi)的6市54個區(qū)(縣)，是陜西省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的核心區(qū)域。渭河流域自北而南可劃分為陜北丘陵溝壑區(qū)、渭北高原溝壑區(qū)、渭河平原區(qū)以及秦嶺北坡山區(qū)4個地貌區(qū)(圖1)。陜北丘陵溝壑區(qū)以黃土丘陵溝壑和塬梁溝壑地貌為主，面積約為2.22萬km2。洛河發(fā)源于此，從定邊流經(jīng)吳起、志丹、甘泉、富縣以及洛川，向南穿越渭北高原，進(jìn)入關(guān)中盆地，最終流入渭河。渭北高原溝壑區(qū)處于陜北黃土高原區(qū)以南，關(guān)中盆地以北，面積約2.03萬km2，地勢平坦，溝壑縱橫，是陜西農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要區(qū)域之一。渭河平原區(qū)面積約為 1.75萬km2，渭河由西向東橫貫而出，流入黃河。區(qū)域內(nèi)土地肥沃，植被覆蓋較好，人口集中，城鎮(zhèn)密集，是陜西經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展重要區(qū)域。秦嶺北坡山區(qū)是重要的水源涵養(yǎng)地，降水充沛，植被覆蓋度高，面積約7 960 km2，是渭河南岸眾多支流的發(fā)源地之一。

1.2 數(shù)據(jù)

研究使用數(shù)據(jù)包括30 m分辨率GDEMDEM數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.gscloud.cn)；渭河流域氣象站點(diǎn)2000—2014年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，下載自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn)，站點(diǎn)分布見圖1；渭河流域2000—2014年16 d合成的250 m分辨率MODIS NDVI 13Q1-Level 3數(shù)據(jù)，下載自http：//ladsweb.nasa.gov；1 ∶50萬渭河流域土壤類型圖。

1.3 土壤侵蝕計(jì)算

RUSLE使用較為廣泛，由降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、地形因子(LS)、植被覆蓋管理因子(C)和水土保措施因子(P)構(gòu)成。A為單位面積上的年均土壤流失量[t/(hm2·年)]。

A=R×K×L×S×C×P。

(1)

降雨侵蝕力因子(R)：降雨是引起土壤侵蝕的最直接的外部因素，降雨侵蝕力是反映降雨對地表土壤侵蝕影響的指標(biāo)。本研究采用章文波等基于逐日降雨量提出的計(jì)算模型[14]。

(2)

α=21.586β-7.189 1；

(3)

(4)

式中：Ri為第i個半月時段的降雨侵蝕力，單位為 MJ·mm/(hm2·h·年)；k為該半月時段內(nèi)的時間，單位為d；Pi月侵蝕性雨量，為半月時段內(nèi)第j天的日降雨量，單位為mm，要求日降雨量≥12 mm，否則賦以0值計(jì)算，12 mm與侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)[15]；α、β為模型參數(shù)；Pd12為日降雨量≥12 mm 的平均日降雨量，mm；Py12為日降雨量≥12 mm的年平均降雨量，mm。

土壤可侵蝕性因子(K)：反映地表土壤受到降雨侵蝕的難易程度的指標(biāo)，采用EPIC(erosion-productivity impact calculator)模型[16]計(jì)算：

(5)

式中：M、F、N分別代表土壤中沙粒、粉沙粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；T則表示土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。將計(jì)算結(jié)果乘以0.131 7從而轉(zhuǎn)化為國際制單位。

地形因子(LS)：地形因子包括坡長因子(L)和坡度因子(S)，是影響地表徑流形成侵蝕能力的主要自然要素。根據(jù)Renard等提出的計(jì)算方法[17-19]，基于DEM提取坡長因子和坡度因子。

L=(λ/22.13)α；

(6)

α=β/(β+1)；

(7)

β=(sinθ/0.089 6)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]；

(8)

(9)

式中：λ為坡長，α為坡長指數(shù)，θ為坡度。

植被覆蓋管理因子(C)：采用李天宏等提出的基于MODIS NDVI影像的計(jì)算方法[20]。

AVHRRNDVI=0.18MODISNDVI+0.131；

(10)

C=exp[-α·AVHRRNDVI/(β-AVHRRNDVI)]。

(11)

式中：α和β取值分別為2、1；利用MODIS NDVI計(jì)算AVHRR NDVI，再計(jì)算獲得C值。

水土保持措施因子(P)：無量綱，基于DEM數(shù)據(jù)，采用Lufafa等提出的計(jì)算方法[21]。

P=0.2+0.03θ。

(12)

2 結(jié)果與分析

根據(jù)RUSLE計(jì)算得到陜西渭河流域2000—2014年土壤侵蝕模數(shù)，為了便于對比分析，將其單位統(tǒng)一換算為 t/(km2·年)，并選取渭河流域的一級支流洛河進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。查閱水利部網(wǎng)站公布的《中國河流泥沙公報(bào)》[22]，可知洛河下游水文監(jiān)測站——狀頭站多年平均輸沙模數(shù)為2 850 t/(km2·年)，計(jì)算獲得的近15年土壤侵蝕模數(shù)平均值為3 213 t/(km2·年)，計(jì)算結(jié)果高出監(jiān)測結(jié)果12%，表明依據(jù)RUSLE計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)可用于進(jìn)一步的分析。

2.1 侵蝕性降雨與降雨侵蝕力

2.1.1 侵蝕性降雨 以12 mm降雨量作為侵蝕降雨的劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了2000—2014年陜西渭河流域20個主要?dú)庀笳军c(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)，并選取其中站點(diǎn)分布均勻且觀測數(shù)據(jù)連續(xù)的10個站點(diǎn)進(jìn)行分析(表1)。陜西渭河流域侵蝕性降雨量總體呈北少南多，且年侵蝕降雨量、降雨天數(shù)呈上升趨勢。陜北丘陵溝壑區(qū)南北差異明顯，洛川監(jiān)測站的年均侵蝕降雨量、侵蝕降雨總天數(shù)、暴雨總天數(shù)比定邊監(jiān)測站均有明顯的增加，且洛川監(jiān)測站2010—2014年的年均侵蝕降雨量比2000—2004年增多了8%；渭北高原溝壑區(qū)東西差異明顯，西部年均侵蝕性降雨量較東部多，其中長武監(jiān)測站2000—2014年均侵蝕性降雨量高于耀縣監(jiān)測站約7%，且2010—2014年較2000—2004年增加了8%；渭河平原區(qū)年均侵蝕性降雨量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，武功監(jiān)測站2000—2004年的年均侵蝕降雨量為316 mm，而2010—2014年已增長到458 mm；相較于渭河平原區(qū)、渭北高原溝壑區(qū)、陜北丘陵溝壑區(qū)，秦嶺北坡山區(qū)年均侵蝕降雨量大，侵蝕降雨和暴雨總天數(shù)多，2010—2014年較2000—2004年增長明顯。

表1 2000—2014年陜西渭河流域主要?dú)庀笳灸昵治g降雨統(tǒng)計(jì)

2.1.2 降雨侵蝕力 2000—2014年，陜西渭河流域降雨侵蝕力空間變化上由北到南各地貌單元內(nèi)呈現(xiàn)出一定的差異性。陜北丘陵溝壑區(qū)降雨侵蝕力總體較小，平均為 1 989 MJ·mm/(hm2·h·年)，2013年出現(xiàn)最大峰值 3 030 MJ·mm/(hm2·h·年)；秦嶺北坡山區(qū)降雨侵蝕力總體最大，均值達(dá)到2 712 MJ·mm/(hm2·h·年)，2011年出現(xiàn)最大峰值 4 366 MJ·mm/(hm2·h·年)；渭北高原溝壑區(qū)、渭河平原區(qū)的降雨侵蝕力值相近，且時間變化曲線也相似，均值分別為 2 135、2 152 MJ·mm/(hm2·h·年)，最大峰值同樣出現(xiàn)在2003年，分別為3 861、3 595 MJ·mm/(hm2·h·年)。

2000—2014年渭北高原溝壑區(qū)、渭河平原區(qū)以及秦嶺北坡山區(qū)的年降雨侵蝕力變化表現(xiàn)出年際間波動較大、整體逐漸增大的趨勢，而陜北丘陵溝壑區(qū)相對其他地區(qū)波動較小，2000年降雨侵蝕力為1 690 MJ·mm/(hm2·h·年)，2008年達(dá)到最低值 1 231 MJ·mm/(hm2·h·年)，2014年增大到 2 255 MJ·mm/(hm2·h·年)(圖2)。

2.2 植被指數(shù)

植物葉片在藍(lán)光和紅光波段有較強(qiáng)的吸收能力，而在近紅外和綠光波段則反射能力較強(qiáng)[23]。因而，植被生長狀況越好，植被覆蓋度越高，在紅光波段的反射越小，在近紅外波段的反射越大。利用歸一化植被指數(shù)(NDVI=(NIR-R)/(NIR+R))，可以有效地檢測出研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋變化。對16 d合成的MODIS NDVI數(shù)據(jù)采用MVC(maximum value composition)方法提取研究區(qū)各年份NDVI數(shù)據(jù)，對不同地貌單元內(nèi)NDVI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到圖3。

研究區(qū)植被平均NDVI值逐年增加，反映了植被覆蓋度在不斷提高。2000—2014年，陜北丘陵溝壑區(qū)平均NDVI值增加了28.4%，其次為渭北高原溝壑區(qū)增加了15.1%，這可能與該2類區(qū)域?qū)嵤┑耐烁€林還草工程引起的區(qū)域內(nèi)坡耕地大面積減少而草地、林地增加有關(guān)[24]。渭河平原區(qū)平均NDVI值表現(xiàn)為先增后減趨勢，2007年達(dá)到峰值0.502。秦嶺北坡山區(qū)總體植被覆蓋度高，NDVI值變化小，2014年較2000年僅增加6%(圖3)。

2.3 土壤侵蝕時空變化

2.3.1 土壤侵蝕模數(shù)變化過程 統(tǒng)計(jì)陜西渭河流域及不同地貌單元年平均土壤侵蝕模數(shù)。由圖4可知，渭河流域土壤在不同地貌單元間存在較大差異，其中渭河平原區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最小，低于1 000 t/(km2·年)，2000—2014年總體呈輕微的波動變化過程；秦嶺北坡山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大，除2001年外，其他年份土壤侵蝕模數(shù)均高于3 000 t/(km2·年)，2011年達(dá)到9 000 t/(km2·年)以上，2000—2014年該區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)總體呈波動上升趨勢，波動幅度較大；陜北丘陵溝壑區(qū)、渭北高原溝壑區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較為相近，但略有不同，前者多數(shù)年份土壤侵蝕模數(shù)在3 000 t/(km2·年)以上，而后者多數(shù)年份在3 000 t/(km2·年)以下，但2000—2014年二者變化過程大體相似。

2.3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度時間變化過程 根據(jù)SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》[25]，將研究區(qū)土壤侵蝕劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈侵蝕6類，其閾值分別為1 000、2 500、5 000、8 000、15 000 t/(km2·年)?；诜旨墭?biāo)準(zhǔn)得到渭河流域不同土壤侵蝕強(qiáng)度面積及所占比例(表2)。陜西渭河流域以中度以下強(qiáng)度的土壤侵蝕為主。2000—2014年微度侵蝕平均面積為30 547 km2，占總面積的44.96%；輕度侵蝕與中度侵蝕的平均面積相近，分別為 11 214、12 480 km2，占總面積的16.51%、18.37%。中度以上侵蝕平均面積均較少，其中強(qiáng)度侵蝕占總面積的比例約 11.36%；極強(qiáng)度侵蝕平均面積更少，約為4 992 km2，占比 7.35%；劇烈侵蝕平均面積為985 km2，占比極小，只有1.45%，且多數(shù)年份不足1%。微度侵蝕面積占比2000—2008年波動較大，由46.37%增加到50.89%，2009—2014年，微度侵蝕所占面積下降趨勢明顯；2000—2014年間輕度侵蝕與中度侵蝕面積變化較為平穩(wěn)；中度以上侵蝕面積2000—2009年波動變化較大，總體趨向減少，2009—2014年由11.10%增長到21.52%。

表2 陜西渭河流域各級土壤侵蝕強(qiáng)度面積及百分比

2.3.3 土壤侵蝕強(qiáng)度空間變化過程 由于渭河流域范圍較大，因此在不同地貌單元中，選擇固定大小區(qū)域(位置見圖1中a、b、c和d)，繪制其2000年、2005年、2010年和2014年土壤侵蝕變化情況，結(jié)果見圖5。2000—2014年渭河流域土壤侵蝕強(qiáng)度變化特點(diǎn)明顯：不同地貌單元侵蝕強(qiáng)度變化各有不同。陜北丘陵溝壑區(qū)微度、輕度、中度及強(qiáng)度侵蝕面積較多，其所占該區(qū)域的面積比重相近，2000—2014年土壤侵蝕有所增加，中度以上土壤侵蝕面積增加了2 756 km2，其中2010—2014年增幅顯著；渭北高原溝壑區(qū)2000—2005年微度、輕度以及中度侵蝕面積變化很小，且中度以上的侵蝕面積有所減少，但2005—2010年微度、輕度與中度侵蝕面積下降趨勢明顯，減少了3 274 km2，到2010—2014年又增加了3 153 km2，相應(yīng)的中度以上的侵蝕面積2005—2014年先增加后減少；渭河平原區(qū)土壤侵蝕量很小，微度侵蝕占到該區(qū)域的80%以上，2000—2014年微度侵蝕面積略有下降，輕度侵蝕與中度侵蝕增加了390 km2；秦嶺北坡山區(qū)2000—2014年土壤侵蝕強(qiáng)度較大，中度侵蝕占到該區(qū)域的29%， 且中度以上的侵蝕面積占到該區(qū)域的42%，呈現(xiàn)先增后減的變化特點(diǎn)。

3 結(jié)論與討論

基于RUSLE計(jì)算獲得了陜西渭河流域2000—2014年土壤侵蝕模數(shù)，分析了流域侵蝕性降雨與降雨侵蝕力、植被覆蓋變化及土壤侵蝕強(qiáng)度的時空分布特征，結(jié)果表明：(1)陜西渭河流域侵蝕性降雨由北向南逐漸增多，2000—2014年呈現(xiàn)出一定的增長趨勢；各地貌單元內(nèi)植被指數(shù)增長明顯，尤其是陜北丘陵溝壑區(qū)與渭北高原溝壑區(qū)植被覆蓋度有較大提高。(2)2000—2014年陜西渭河流域土壤侵蝕強(qiáng)度總體以微度和輕度為主，變化較為平穩(wěn)，中度以上土壤侵蝕面積略有增加；空間分布上，不同地貌單元土壤侵蝕強(qiáng)度差異明顯：陜北丘陵溝壑區(qū)各級侵蝕強(qiáng)度的面積均占有一定比例，其中微度、輕度以及中度侵蝕面積均占到該區(qū)域面積的20%以上；渭北高原溝壑區(qū)以微度和輕度侵蝕為主，二者占到該區(qū)域面積的61%，且中度侵蝕面積也占到了將近20%；渭河平原區(qū)微度侵蝕面積最多，占到該區(qū)域的80%以上；秦嶺北坡山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度整體較大，中度以上侵蝕的面積占到了該區(qū)域的42%。

本研究中可能存在的不足在于采用的氣象站點(diǎn)數(shù)較少，水土保持措施因子采用經(jīng)驗(yàn)公式得到，對于研究結(jié)果的精度會有一定的影響；此外，還發(fā)現(xiàn)2000—2014年降雨侵蝕力的變化曲線與土壤侵蝕模數(shù)變化曲線相似，年侵蝕性降雨量的變化對土壤侵蝕模數(shù)變化的影響較大，植被覆蓋度的提高與水土保持措施對于減少土壤侵蝕量的貢獻(xiàn)度仍需要進(jìn)一步再討論。

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